Рассасывающиеся материалы для медицинской печати

Рассасывающийся имплантат спроектирован исчезнуть. Заставить это исчезновение произойти по нужному расписанию и механически изящно труднее, чем вообще добиться разложения материала.

Объёмная эрозия против поверхностной

Возможны два предельных поведения, а какое реализуется — зависит от гонки двух скоростей: насколько быстро вода проникает в материал и насколько быстро гидролизуются связи полимера.

Поверхностная эрозия наступает, когда гидролиз быстрее проникновения воды. Материал разрушается только на внешней границе, как растворяющаяся таблетка: он предсказуемо утончается, а сердцевина остаётся целой и несущей. Так ведут себя полиангидриды.

Объёмная эрозия наступает, когда вода проникает быстрее, чем полимер разлагается, — случай сложных полиэфиров, применяемых в клинике. Вода насыщает всю деталь за часы или дни, и гидролиз идёт затем повсюду одновременно. Деталь долго сохраняет форму и размеры, тогда как молекулярная масса падает по всему объёму, а потеря массы начинается лишь тогда, когда цепи становятся достаточно короткими, чтобы раствориться.

Клиническое следствие вытекает прямо: имплантат может выглядеть неизменным, будучи на исходе своей прочности. Механический отказ предшествует видимому растворению, поскольку прочность зависит от молекулярной массы и зацеплений, а они утрачиваются задолго до массы.

Почему отказ резок

Гидролиз сложного эфира даёт на каждой разрезанной цепи концевую карбоксильную группу, а гидролиз сложного эфира катализируется кислотой.

В детали с объёмной эрозией эти кислые продукты порождаются по всей толще и не успевают уйти диффузией быстрее, чем образуются. Поэтому pH внутри падает, что ускоряет гидролиз там же, что даёт ещё больше кислоты. Разложение автокаталитично и сосредоточено внутри детали, так что сердцевина разрушается быстрее поверхности — обратно интуиции.

Это даёт два клинически значимых следствия. Прочность теряется внезапно, как только выхолащивающаяся сердцевина перестаёт нести нагрузку, а не сходит на нет плавно. И накопленная кислота при высвобождении создаёт локально кислую микросреду — принятое объяснение стерильных воспалительных реакций, изредка наблюдаемых при рассасывающихся фиксаторах.

Толстые сечения хуже, поскольку путь диффузии длиннее, — значит, скорость разложения есть функция геометрии детали, а не одного лишь материала.

Настройка срока службы

Соотношение лактида и гликолида в ПЛГА — главный рычаг. Гликолидные звенья менее гидрофобны и стерически менее затруднены, поэтому богатые гликолидом сополимеры вбирают больше воды и гидролизуются быстрее. Сополимеризация к тому же нарушает кристалличность, а первыми разлагаются аморфные области, поэтому сополимер 50:50 разлагается быстрее всего — быстрее любого из гомополимеров. Сроки службы охватывают от недель до года.

Поликапролактон стоит на дальнем краю: гидрофобный, сильно кристаллический, разлагающийся за два-три года, что подходит долгосрочным каркасам и делает его непригодным там, где нужно своевременное рассасывание.

Стерилизация бьёт по той же связи

Рассасывающееся изделие обязано быть стерильным, а всякий стандартный метод вмешивается в ту самую химию, которая и делает его рассасывающимся.

Паровое автоклавирование есть гидролиз по определению — горячая вода — и вдобавок превышает температуру стеклования ПЛА и ПЛГА, отчего детали деформируются. Гамма-облучение вызывает разрыв цепей в алифатических сложных полиэфирах, снижая молекулярную массу ещё до имплантации и укорачивая действительный срок службы; доза здесь есть спецификация, а не подробность. Оксид этилена — обычный компромисс, будучи низкотемпературным, но он требует долгой дегазации для удаления остатков и способен пластифицировать полимер.

Есть и замечание, относящееся именно к печати. Напечатанное изделие не есть сертифицированное сырьё. Сама переработка в расплаве срезает молекулярную массу термическим и гидролитическим разрывом цепей, поэтому профиль разложения напечатанного изделия должен быть охарактеризован в напечатанном виде, а паспорт на сырьё на него не переносится.