|
|
Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова
|
СодержаниеОт автора
|
АннотацияМатериал, собранный для предполагаемого учебного пособия МЕМБРАНЫ В МЕДИЦИНЕ, содержит сведения о способах применения мембранной технологии и высокопроницаемых полимеров (например, поливинилтриметилсилана) в медицине для целей профилактики, лечения и реабилитации больных. Основное внимание уделено подготовке и переработке смесей газов медицинского назначения: кислород/азот, ксенон/кислород и радон/воздух. В заключительной части рассмотрено применение мембран в аппарате по насыщению кислородом крови (оксигенатор), в устройстве «искусственная почка» (гемодиализатор), в качестве покрытий ран и ожогов (селективная полимерная мембрана, как искусственная кожа) и в качестве лекарственного депо. По своей научной направленности, материал является прикладным аспектом к курсу ДИФФУЗИОННЫЕ ЯВЛЕНИЯ, некоторые примеры из прилагаемого текста используются в курсе ЯДЕРНАЯ МЕДИЦИНА того же автора. ОТ АВТОРАСтранность моей жизни состоит в том, что я служу науке, которую никто не видел, но которая есть. Называется она диффузия. Откройте любой реферативный журнал. Там есть разделы Термодинамика, Кинетика, Материалы, Экология, но раздела Диффузии нет. Публикаций по транспортным процессам, миграции кого-то или чего-то вне или внутри живого организма, массопереносу, диффузионным явлениям в полупроводниках, полимерах, металлах или стёклах, в газах, жидкостях или плазме великое множество, а науки Диффузии нет – всё размазано по статьям и книгам различной направленности. Не стала исключением и моя преподавательская деятельность. Во всех моих лекциях, монографиях, учебных пособиях (никто их, кстати, публиковать в бумажном виде не собирается) представленных на сайте httm://profbeckman.narod.ru: Ядерная индустрия, Радиохимия, Радиоактивные элементы, Радиоэкология, Ядерная медицина и др. присутствует диффузия, но – как бедная родственница, стыдливо отсиживающаяся где-то в углу. А как иначе?! Профессор кафедры радиохимии химического факультета МГУ, читающий лекции студентам-радиохимикам, обязан рассказывать о свойствах радионуклидов, а не о том, куда и как они бегают. Конечно, я профессор не только в МГУ. В странствиях по миру, мне доводилось читать такие курсы, как Математика диффузии, Диффузионно-структурной анализ, Обработка результатов диффузионных экспериментов, Диффузия в гетерогенных и дисперсионных средах, Состояние и диффузия водорода в металлах, Эманирование твёрдых тел, Концентрационные волны и др. Но и они всегда посвящены каким-то отдельным процессам, но отнюдь не явлению диффузии, как таковому. Поскольку много лет я работаю в должности ведущего научного сотрудника в Мембранном центре Института Нефтехимического Синтеза, и поскольку мембранные технологии в своей идеологии базируются на процессах диффузии и растворимости, то казалось перспективным написание для аспирантов пособия по диффузии. Я попытался это сделать. И что? А ничего! Начав с науки диффузии, быстро скатился к прикладным аспектам, причем к медицине. Почему не к экологии или там к водородной энергетике? Причём здесь медицина? Не знаю! Писал про диффузию, а вышла медицина. Никаких поводов для такого поворота событий не было. Так получилось… Как на российских заводах – что не делай, а производится или автомат Калашникова, или швейная машинка Зингер… А бедняжка диффузия так и осталась не охваченной… Приношу ей свои извинения. В следующий раз – обязательно! Пожалуй, нужно сделать ещё одно замечание. Текст, что я сейчас размещу на своём сайте, не является ни курсом лекций, ни учебным пособием (такой курс никогда не читался и читаться не будет). Он предназначен исключительно для моего собственного робразования. Просто раньше, всевозможные материалы как-то попавшие мне в руки, я забрасывал на антресоль в квартире – а теперь на сайт. Оказалось так удобнее… Конечно, чтобы никто посторонний не читал, я могу спрятать текст в закрытой части сайта. Но это – возня! Пусть пока повесит в открытом доступе, руки дойдут – спрячу. Это я к тому, что материал не проверен, текст мною не отредактирован и даже не прочитан. Пользоваться собранной информацией надо осторожно. А лучше – вообще не пользоваться… В заключение я хотел бы поблагодарить своего внука, Антона Евгеньевича Емелина, выпускника кафедры медицинской физики МИФИ, который подвиг меня на написание этого курса, и Ираиду Михайловну Бунцеву, доведшую компьютерную версию курса до приличного состояния и разместившую её на сайте. |
ПРЕДИСЛОВИЕМежду бактериями, растениями, животными есть некоторые различия, но есть и одно общее свойство – все они состоят из клеток, а клетки имеют мембраны. Клеточная мембрана отделяет содержимое любой клетки от внешней среды, обеспечивая её целостность; регулируют обмен между клеткой и средой; внутриклеточные мембраны разделяют клетку на специализированные замкнутые отсеки, в которых поддерживаются определенные условия внутриклеточной среды. Биологические мембраны (лат. membrana оболочка, перепонка) - функционально активные поверхностные структуры толщиной в несколько молекулярных слоев. Они ограничивают цитоплазму и большинство органелл клетки, а также образуют единую внутриклеточную систему канальцев, складок, замкнутых областей. Биологические мембраны имеются во всех клетках. Их значение определяется важностью функций, которые они выполняют в процессе нормальной жизнедеятельности, а также многообразием заболеваний и патологических состояний, возникающих при различных нарушениях мембранных функций и проявляющихся практически на всех уровнях организации - от клетки и субклеточных систем до тканей, органов и организма в целом. Толщина биологических мембран – 7-10 нм, но их общая площадь очень велика, например, в печени крысы она составляет несколько сот квадратных метров. Клеточная мембрана представляет собой двойной слой молекул класса липидов, большинство из которых представляет собой фосфолипиды. Молекулы липидов имеют гидрофильную и гидрофобную часть. При образовании мембран гидрофобные участки молекул оказываются обращенными внутрь, а гидрофильные - наружу. Мембраны - структуры, весьма сходные у разных организмов. Клеточные мембраны обладают избирательной проницаемостью: через них медленно диффундируют глюкоза, аминокислоты, жирные кислоты, глицерол и ионы, причем сами мембраны в известной мере активно регулируют этот процесс - одни вещества пропускают, а другие нет. Существует четыре основных механизма для поступления веществ в клетку или вывода их из клетки наружу: диффузия, осмос, активный транспорт и экзо- или эндоцитоз. Два первых процесса носят пассивный характер, то есть не требуют затрат энергии; два последних - активные процессы, связанные с потреблением энергии. Избирательная проницаемость мембраны при пассивном транспорте обусловлена специальными каналами - интегральными белками. Они пронизывают мембрану насквозь, образовывая своего рода проход. Известны две функции биомембран: 1) барьерная — обеспечивает регулируемый, избирательный, пассивный и активный обмен веществ с окружающей средой (збирательная проницаемость обеспечивает отделение клетки и клеточных компартментов от окружающей среды и снабжение их необходимыми веществами); 2) транспортная — через мембрану происходит транспорт веществ в клетку и из клетки. Транспорт через мембраны обеспечивает доставку питательных веществ, удаление конечных продуктов обмена, секрецию различных веществ, создание ионных градиентов, поддержание в клетке соответствующего pH и ионной концентрации, которые нужны для работы клеточных ферментов. Частицы, по какой-либо причине не способные пересечь фосфолипидный бислой, но необходимые для клетки, могут проникнуть сквозь мембрану через специальные белки-переносчики (транспортеры) и белки-каналы. Успех Господа Бога, легко решившего сложнейшую проблему создания живого организма, вдохновил (и вдохновляет!) многих учёных и инженеров на использование мембранных систем и мембранных процессов, аналогичных биологическим, в современной технике. Может даже показаться, что эти попытки увенчались успехом – мембраны применяются в различных сферах – от мембранной кровли до противоожоговых покрытий, от генераторов азота для накачки шин до медицинских гипоксикаторов, от водородной энергетики до переработки отходов, от генераторов кислорода, до систем обессоливания воды, искусственной почки и т.п. Но надо признать: – все эти устройства – жалкие карикатуры на биологические мембранные системы. До Природы, нам ещё пахать и пахать! Тем не менее, надо признать: человеку удалось что-то сделать и самому. Мембранные исследования начались в 19-м веке, а в середине ХХ века появилась новая отрасль в науке и промышленности - мембранная технология. Она основана на оригинальном способе разделения жидких и газовых смесей - молекулярном фильтровании через полупроницаемые мембраны. Возникли такие технологии, как микро- и ультрафильтрация, обратный осмос, электродиализ и диализ, газоразделение, первапорация, мембранная дистилляция и др. Мембранный способ разделения благодаря малым энергозатратам, безреагентности, отсутствию фазовых переходов получил признание в десятках отраслей промышленности. Благодаря созданию асимметричных полимерных мембран, т.е. мембран с чрезвычайно тонким непористым рабочим слоем, мембранные технологии вторглись в сферу разделения газовых смесей, потеснив такие традиционные методы, как абсорция, адсорбция, криогенная дистилляция и др. К концу 20-го века стало казаться, что основные газоразделительные технологии в 21-ом веке станут мембранными. Однако этого не произошло. Прежде всего, оказалось, что из сотен тысяч известных сейчас полимеров, годными из изготовлению газоразделительных промышленных мембран оказались только три (ещё два недавно открытые полимеры – потенциальные мембранные материалы – погоды не делают). Полимеры – вещества термически, химически, механически и радиационно нестойкие. Длительной эксплуатации они не выдерживают. Мембраны – перегородки зарезают потоки, поэтому мембранные аппараты характеризуются низкой (крайне низкой!) производительностью. Как следствие, из крупнотонажных производств полимерные материалы стали вытесняться (в первую очередь – аппаратами короткоцикловой адсорбции) и надо полагать со временем будут вытеснены полностью. Одновременно с исходом из одних технологий, мембраны проникают в другие сферы. В технологии – это малопоточные процессы, например, выделение примесных газов (диоксины и др.) из атмосферы или извлечение радионуклидов (считанные атомы) из сбросов предприятий ядерно-топливного цикла. К расширяющейся сейчас сфере использования мембранных процессов следует отнести медицину. Мембранные аппараты типа искусственная почка, оксигенаторы, гемодиализа и др. достаточно широко распространены. Мембраны применяются как искусственная кожа, в частности, как покрытия ожогов и ран. Здесь на первое место выходит важное свойство непористого полимера – его микробонепроницаемость. Селективные мембраны используются как наружные оболочки капсул – лекарственное депо. В медицинской сфере нашли применения мембранные аппараты разделения атмосферного воздуха (обогащение или обеднение воздуха кислородом). Возможно мембранные системы окажутся полезными для выделения ксенона (наркоз) и радона (бальнеология) из воздуха. Исследование процессов газопроницаемости синтетических мембран интересе и с точки зрения возможного уточнения транспортных процессов в лёгких животных и человека. В учебных пособиях мембранные явления и процессы рассматриваются с различных точек зрения. Учебники пишут химики-технологи, материаловеды, физхимики и т.п. Данный курс лекций составлен диффузионщиком, и основное внимание здесь уделено диффузии. Диффузии как таковой. Описания полимеров, газов, газовых законов, потенциалов взаимодействий, мембранных модулей, конечно, присутствуют. Но это – вторично. Главное – диффузия. Основное внимание в курсе уделено использованию полимерных мембран для разделения смесей газов медицинского назначения: смеси кислород-азот, ксенон-кислород и радон-воздух. В первой части речь идёт о мембранных системах, функционирующих вне живого организма. В заключительной части мы рассмотрим применении мембран в устройствах, работающих в тесном контакте с телом пациента. |
|
Рекомендованная литература
|
|
