Химия и медицина

В 1938 году, работая над созданием лекарства для улучшения кровообращения из алкалоидов спорыньи, швейцарский химик Альберт Хофманн (Albert Hofmann) впервые синтезировал ЛСД. Поначалу новое вещество не вызвало интереса, как фармакологический препарат. К изучению свойств ЛСД Хофманн вернулся лишь в 1943 году. В этом году он опробовал на себе действие препарата, испытав при этом необычайно мощные психические переживания.

Прошло два десятилетия, и первоначально умеренный интерес специалистов к ЛСД выплеснулся волной наркомании. В бурные 60-е годы ЛСД превратился в один из символов направления хиппи.

Первые признаки действия ЛСД проявляются в обострении восприятия окружающего. Цвет предметов кажется необычно сочным, насыщенным, краски переливаются, фосфоресцируют. Стоит закрыть глаза, и в воображении возникают яркие образы. Затем нарушается правильная оценка времени и пространства, размеры предметов искажаются до неузнаваемости.

Спустя некоторое время эмоциональный подъем сменяется периодом угнетения психики, апатией. Появляются мысли о самоубийстве, и хорошо еще, если они не обращаются действием. Влияние препарата проявляется индивидуально и продолжается от нескольких минут до нескольких месяцев и даже лет. Всего лишь однократный прием ЛСД может сделать человека инвалидом. Заранее угадать реакцию организма на галлюциноген практически невозможно.

Морфин (уст. морфий) относится к алкалоидам. Впервые морфин был выделен немецким фармакологом Фридрихом Сертюнером из опиума. Именно Сертюнер дал морфину его название в честь бога сновидений в греческой мифологии Морфея.

Его молекула может напрямую взаимодействовать с рецепторами опиатных пептидов - естественных для организма стимуляторов центра удовольствия. Морфин не разрушается в тканях и органах в течение длительного времени.

Морфин был первым алкалоидом, полученным в очищенном виде. Однако распространение морфин получил после изобретения инъекционной иглы в 1853 году. Он использовался (и продолжает использоваться под строгим контролем) для облегчения боли. Кроме того, его применяли в качестве “лечения” опиумной и алкогольной зависимости. Широкое применение морфина во время Американской гражданской войны (1861--1865), согласно предположениям, привело к возникновению “армейской болезни” (морфиновой зависимости) у более 400 тысяч человек.

Полный синтез морфина осуществлён американским химиком Робертом Вудвордом, но его длительность и сложность (первоначально было включено 17 стадий) делает нецелесообразным его коммерческую реализацию. В настоящее время предложено несколько различных методов синтеза, но природный морфин по-прежнему дешевле синтетического.

В начале XX века многие врачи становились морфинистами. Во врачебной среде существовало мнение, что врач, понимающий пагубность морфинизма, способен при необходимости самостоятельно применить морфий для себя, избегая пагубного пристрастия благодаря информированности. Практика показала, что мнение это было ошибочным. Михаил Булгаков (автор рассказа “Морфий”) некоторое время был морфинистом, однако полностью излечился от наркомании благодаря самоотверженной помощи своей первой жены.

Алкоголь - общее название производных этилового спирта. Но чаще всего под этим названием понимается именно этиловый спирт (этанол, винный спирт). Формула этанола - CH3 - CH2 - OH.

Слово “алкоголь” произошло от арабского al-kuhl, что дословно можно перевести как “красота”, а слово “спирт” - от латинского spiritus -- дух.

Этанол обладает основными свойствами наркотика: оказывает болеутоляющее, снотворное и наркотическое действие, вызывает при малых дозах патологическое возбуждение, а при частом употреблении - привыкание и потребность в нем.

В организме спирт окисляется до кислых продуктов (CO2 и H2O) через стадии образования ацетальдегида (CH3CHO) и уксусной кислоты (CH3COOH). При этом высвобождается значительное количество энергии - 29,8 кДж/ч. За 1 ч в печени окисляется 10 мл спирта. Введение спирта в организм нарушает его теплоизоляцию вследствие расширения кожных кровеносных сосудов. Субъективное ощущение тепла, связанное с этим явлением, на самом деле не сопровождается повышением температуры тела. Наоборот, организм теряет теплоту, и прием спирта на холоде связан с риском замерзания. Усиливая активность слюнных и желудочных желез, спирт приводит лишь к усиленному выделению соляной кислоты и угнетающе (особенно при концентрации 15--20%) действует на пищеварительные ферменты. Прием спиртных напитков приводит к отравлению организма. При концентрации спирта в крови 1--2 г/л наступает опьянение, при 3--4 г/л развивается общая интоксикация организма, при 5--8 г/л наступает смерть.

В медицине используется как обеззараживающее и подсушивающее средство, растворитель для лекарственных средств.

14. Полимеры в медицине

Полимеры - высокомолекулярные соединения (ВМС), вещества с высокой молекулярной массой (от нескольких тысяч до нескольких миллионов), в которых атомы, соединенные химическими связями, образуют линейные или разветвленные цепи, а также пространственные трехмерные структуры.

Медицина давно и с успехом использует различные полимерные материалы. Особенно часто их применяют в хирургии. Полимеры используют при операциях на костях и суставах, при закрытии дефекта черепа, восстановлении суставных связок, сухожилий и т.д. Из полимеров изготавливают различные протезы внутренних органов - кровеносных сосудов, пищевода, желчных протоков, клапанов сердца и др. С помощью пластиков исправляют отдельные дефекты лица - заменяют части носа, ушной раковины, глазницы. При операциях на кровеносных сосудах применяют материал из лавсана, полипропилена, капрона и кремнийорганических полимеров. При этом сосудистый протез “врастает” в ткани организма, выполняя роль своеобразного каркаса, на котором формируется новая стенка сосуда. Особенно широко применяют полимерные материалы в стоматологии для изготовления искусственных зубов и протезов. Для этого наиболее подходящими материалами оказались полиакриловые полимеры, которые хорошо окрашиваются под цвет собственных зубов и десен, не поглощают остатков пищи и не доступны для микробов. В то же время они достаточно эластичны и прочны. Хорошая совместимость полиакрилового пластика с соединительной тканью позволяет применять его и для исправления крупных дефектов черепа. В последнее время с этой целью стали использовать фторопласт. Биологически инертные кремнийорганические соединения применяют для создания искусственного хрусталика глаза.

[- NH - (CH2)5 - CO -]n

В качестве заменителей человеческой крови применяют синтетические кровезаменители - высокомолекулярные химические соединения, которые по своим физическо-химическим свойствам близки к плазме крови (например, поливиниловый спирт).

Как известно, потеря человеком половины крови вызывает смерть. Но это происходит не из-за потери эритроцитов, а в результате падения кровеносного давления. Кровообращение замедляется, температура тела падает, нарушается обмен веществ, наступает кислородное голодание центральной нервной системы. Это приводит к остановке дыхания и сердца. Кровезаменяющие жидкости восполняют временно недостающую кровь, поддерживают необходимое давление крови. Но, к сожалению, кровезаменители не могут связывать кислород. Поэтому сейчас идут поиски таких кровезаменителей, которые могли бы связывать кислород и доставлять его к клеткам организма, а обратно - оксид углерода (IV). Среди полимеров - кровезаменителей появились и такие которые не только заменяют на короткое время кровь, но и лечат. В молекулы этих соединений введены вещества для лечения туберкулеза, склероза; получены сочетания полимеров - кровезаменителей с антибиотиками, с противораковыми препаратами. Образуя устойчивые водные растворы, они совмещаются с кровяной плазмой и не оказывают на живой организм отрицательного воздействия. Так решается задача использования полимеров в качестве пролонгатов - средств, продлевающих действие лекарств.

Полимерные материалы применяют для упаковки лекарственных препаратов и создания сложных медицинских приборов (аппараты “искусственное сердце” - АИК, “искусственные легкие”, “искусственная почка” и др.). В медицинскую практику вошли и заняли достойное место шприцы одноразового пользования.

Нельзя не упомянуть о хирургическом шовном материале, который легко стерилизуется, а после операции бесследно рассасывается в тканях организма.

Ассортимент полимерных материалов, используемых в медицине, с каждым годом расширяется. Это полиэтилен низкого давления, полипропилен, эпоксидные, полиэфирные и кремнийорганические полимеры. Нашли применения и специальные клеи, которые при хирургическом вмешательстве могут склеивать ткани, заменяя шовный материал. Не отказались в медицине и от резины: от резиновой грелки до специальной резиновой надувной кровати для больных обширными ожогами.

15. Контактные линзы

Контактные линзы можно отнести к оптическим элементам из стекла.

Многим кажется, что контактные линзы - дитя нашего столетия. Между тем их история начинается с Леонардо да Винчи. В архиве его работ находится рисунок глаза с заполненной водой ванночкой -- прообразом современных контактных линз. Позже идею линз высказывал Декарт. Томас Юнг экспериментировал с трубкой, заполненной водой и приставляемой к глазу, английский астроном Джон Гершель произвел теоретические расчеты.

Но реально, в материале, линза появилась в 1887 году, когда известный стеклодув Висбадена (Германия) Ф. Мюллер изготовил вогнутые стеклянные диски по заказу одного из своих клиентов. Линзы были большими, прозрачными в середине и матовыми по краям, надевали их под веки. Больной носил линзы в течение пятнадцати лет.

Вскоре однофамилец стеклодува, студент-медик, сумел скорректировать подобным образом близорукость ни много, ни мало в 24 диоптрии. Правда, дольше получаса глаз не выдерживал.

Тогда же известный немецкий философ Адольф Фик применил новинку для коррекции астигматизма. Он и ввел термин - контактные линзы.

В десятые годы ХХ века фирма “Карл Цейс” начала выпускать небольшие партии линз. Отличались они, как всегда у Цейса, великолепными оптическими свойствами, но были тяжелы, неэластичны, непроницаемы для кислорода. Ну, и легко бились, конечно.

И вот в конце тридцатых годов появились первые линзы из пластмассы - полиметилметакрилата (сейчас их называют жесткими). Столь же прозрачные, как и стеклянные, но легкие, прочные, сравнительно простые в изготовлении, они быстро вытеснили своих предшественников. Правда, основные недостатки остались - малая кислородопроницаемость и не эластичность. Линзы раздражали глаза, хотя и меньше стеклянных.

На рубеже пятидесятых-шестидесятых годов в контактной коррекции произошел еще один скачок - появились мягкие линзы. Идея носилась в воздухе давно, американцы, например, экспериментировали с акриламидом. Но главный успех пришелся на долю чешского академика Отто Вихтерле. Он и его сотрудники разработали гидрогель из сополимера гликольметакрилата и дигликольдиметакрилата. Материал содержал около 40% воды, был эластичен, химически инертен, биологически и механически устойчив. Чешские ученые запатентовали и высокопроизводительную технологию линз.

С тех пор контактная коррекция бурно развивается. Появилось множество новых материалов: и мягких, и жестких, и полужестких, объединяющих достоинства тех и других. В развитых странах линзы носят около 40 миллионов человек, и эта цифра быстро растет.

Каждое слово из словосочетания “контактные линзы” предъявляет свои требования к материалу линзы.

Раз есть контакт, значит, полимер не должен вызывать аллергию, быть химически активным, а тем более - токсичным, канцерогенным, то есть опасным для организма.

С другой стороны, и организм не должен вредить линзе, годами плавающей в слезной жидкости. А там и неорганические вещества, и ферменты, липиды. Жесткие линзы, действительно, устойчивы к ним. Мягкие держатся несколько лет, потом покрываются непрозрачными протеиновыми бляшками.

Материал должен смачиваться: к полностью гидрофобной линзе глаз привыкнуть не сможет. Очень важна кислородопроницаемость материала. Именно от нее зависит зрительный комфорт и продолжительность непрерывного ношения линз. И вот почему.

Роговица дышит. Поступающий через ее поверхность кислород окисляет глюкозу, основной источник энергии для обменных процессов в глазу. Если кислорода не хватает, глюкоза расщепляется не до конца и весь механизм разглаживается. Меняется рН слезной жидкости, баланс ионов натрия и калия, растворенных кислорода и углекислого газа. Меняются толщина и форма роговицы, вплоть до отека. Начинается резь в глазах, они краснеют. Зрение затуманивается, вокруг источников света появляется радужный ореол. Линзы надо немедленно снять.

Материал должен пропускать достаточное количество кислорода, тогда и носить можно по долгу. Лучшие современные образцы - до нескольких месяцев подряд, не снимая.

Вторая часть словосочетания: “линзы”.

Это добавляет, прежде всего, прозрачность. Вообще-то у полимеров она хуже, чем у стекла, но линзы берут малой толщиной. И пропускают в итоге столько же света, сколько и очки: 92 - 95 %.

Далее, линза должна сохранять свою форму. На это способен не всякий аморфный полимер, а лишь стеклообразный или высокоэластичный. Из первого делают жесткие, из второго - мягкие линзы. Линзы под старость затуманиваются, желтеют, покрываются микротрещинами и неровностями.

Самый почтенный из всех материалов - полиметилметакрилат (плексиглас, оргстекло) - служит контактной коррекцией уже более пятидесяти лет.

Лучше пропускает кислород материалы нового поколения: ацетобутират целлюлозы, поли - 4 - метилпентен - 1, сополимеры метилметакрилата с акриловой кислотой и т. п.

Но самая достойная “партия” для жестких линз - кремний и фторорганические соединения. По кислородопроницаемости у них почти нет конкурентов среди синтетических материалов. Но есть один недостаток - полная гидрофобность, исправить это можно двумя путями. Первый - привить к поверхности гидрофильные мономеры, например, акриловую кислоту. Но поверхностный слой постепенно истирается, открывая гидрофобные проталины, и линза приходит в негодность. Более надежен второй способ: сополимеризация с гидрофильными компонентами - теми же акрилатами, виниловыми соединениями - во всем объеме. Именно так за рубежом синтезируют материалы, обладающие отличными механическими свойствами, прозрачностью, хорошей смачиваемостью. Они чуть эластичнее своих предшественников, что для глаз не мало важно.

Кроме обычных линз существуют: цветные, бифокальные - для так называемого старческого зрения, солнцезащитные, косметические - позволяющие изменить цвет глаз и для больных с дефектами роговицы, линзы для плавания - вместо маски или подводных очков.

Заключение

Итак, химия имеет тесные связи с медициной. Это, большей частью, проявляется в ятрохимическом направлении химии, т.е. применении химических соединений для лечения болезней, а также в фармацевтике - науке о лекарственных средствах. Кроме этого, медицина широко пользуется полимерами, которые являются составной частью медицинских приборов, оборудований.

Связь химии и медицины, зародившаяся с древних времен, продолжает существовать и сейчас, ибо продолжается синтез новых лекарственных средств, которые могут сыграть ключевую роль в лечении смертельных заболеваний, веществ, которые найдут свое применение в медицине. Наука развивается, и, быть может, в ближайшем будущем найдутся средства от таких страшных заболеваний, как рак и СПИД.

Без химии медицина не достигла бы тех высот, на которых находится сейчас.

Список литературы

1. Поллер З. Химия на пути в третье тысячелетие: перевод с немецкого/перевод и предисловие Васиной Н.А. - М.: Мир, 1982.

2. Макаров К. А. Химия и здоровье: Кн. для внеклассного чтения. - М.: Просвещение, 1985.

3. Макаров К. А. Химия и медицина. - М.: Просвещение, 1981.

4. Глущенко Н. Н., Плетенева Т. В., Попков В. А. Фармацевтическая химия: Учебник для студ. сред. проф. учеб. заведений. - М.: Издательский центр “Академия”, 2004.

5. Машковский М. Д. Лекарства ХХ века. - М.: “Издательство Новая Волна”, 1998.

6. Граник В. Г. Основы медицинской химии. - М.: Вузовская книга, 2001.

7. Яхонтов Л. Н., Глушков Р. Г. Синтетические лекарственные средства./Под ред. А. Г. Натрадзе. - М.: Медицина, 1983.

8. Баландин А., Баландина Л., Джанибеков В. Самые опасные наркотики. - М., авторское издание, 2008.

9. Конев С.В. и др. Откровения трёхмерного мира/ Конев С.В., Аксенцев С.Л., Волотовский И.Д. - Мн.: Высшая школа, 1981.

10. Розен Б.Я. Химия - союзник медицины/ Розен Б.Я. и Шарипова Ф.С. - Издательство Науки Казахской ССР, 1984.

Размещено на Allbest.ru