生物医用高分子材料研究及应用

生物医用高分子材料研究及应用

1.引言

高分子材料和加工技术的发展，使得人工合成材料在医学上的应用，变得越来越广泛。医学发展和临床应用，证明医用高分子材料在人体内外, 获得了成功的应用，而医学的进步,，又给高分子材料提出了大量新的课题, 使其向“精细化”、“功能化”的方向发展，赋予了高分子材料以新的生命力。

生物医用高分子材料指用于生理系统疾病的诊断、治疗、修复或替换生物体组织或器官，增进或恢复其功能的高分子材料。研究领域涉及材料学、化学、医学、生命科学。在功能高分子材料领域，生物医用高分子材料可谓异军突起，目前已成为发展最快的一个重要分支。生物医用功能高分子材料中有的可以全部植人体内，有的也可以部分植入体内而部分暴露在体外，或置于体外而通过某种方式作用于体内组织。随着现代生物工程技术的高度发展，又使得利用生物体合成生物材料成为可能。此类材料由于具有良好的生物相容性和生物降解性备受世人瞩目。

2．生物医用高分子材料概述

生物医用高分子材料是一类可对有机体组织进行修复、替代与再生，具有特殊功能作用的合成高分子材料，可以利用聚合的方法进行制备，是生物医用材料的重要组成之一。由于医用高分子材料可以通过组成和结构的控制而使材料具有不同的物理和化学性质，以满足不同的需求，耐生物老化，作为长期植入材料具有良好的生物稳定性和物理、机械性能，易加工成型，原料易得，便于消毒灭菌，因此受到人们普遍关注，已成为生物材料中用途最广、用量最大的品种，近年来发展需求量增长十分迅速。目前全世界应用的有90 多个品种，西方国家消耗的医用高分子材料每年以10% ~ 20% 的速度增长。以美国为例，每年有数以百万计的人患有各种组织、器官的丧失或功能障碍，需进行800 万次手术进行修复，年耗资超过400 亿美元，器官衰竭和组织缺损所需治疗费占整个医疗费用的一半。随着人民生活水平的提高和对生命质量的追求，我国对医用高分子材料的需求也会不断增加。

3．生物医用高分子材料分类及特点

生物医用高分子材料按来源可分为天然和合成生物材料两类

天然生物材料是指从自然界现有的动、植物体中提取的天然活性高分子，由于他们来自生物体内且都具有很高的生物功能和很好的生物适应性，在保护伤口、加速创面愈方面具有强大的优势，自然界广泛存在的天然生物材料仍有着人工材料无可比拟的优越性能。

合成医用高分子材料发展的第一阶段始于1937年，其特点是所用高分子材料都是已有的现成材料，如用丙烯酸甲酯制造义齿的牙床。第二阶段始于1953年，其标志是医用级有机硅橡胶的出现，随后又发展了聚羟基乙酸酯缝合线以及四种聚(醚一氨)酯心血管材料，从此进入了以分子工程研究为基础的发展时期。目前的研究焦点已经从寻找替代生物组织的合成材料转向研究一类具有主动诱导、激发人体组织器官再生修复的新材料，这标志着生物医用高分子材料的发展进入了第三个阶段，其特点是这种材料一般由活体组织和人工材料有机结合而成，在分子设计上以促进周围组织细胞生长为预想功能，其关键在于诱使配合基和组织细胞表面的特殊位点发生作用以提高组织细胞的分裂和生长速度。

4. 生物医用高分子材料在人工脏器、医疗器械及药剂方面的应用

4．1硅橡胶在医疗上的应用

橡胶表现出疏水性、耐氧化以及抗老化性。此外，在正常使用温度(250℃以下)不发生

裂解、氧化等反应，故又具有优异的耐热性，可用作医疗器械、人造脏器和药物缓释体系。对人体有良好的生物相容性。正因为硅橡胶具有以上的特点，从而成为典型的医用高分子材料并获得广泛的应用。

硅橡胶模拟制品可长期埋置于人体内作为人体内某个部位不可缺少的元件。包括脑积水引流装置、人工肺、视网膜植入物、人工脑膜、喉头、人工手指、手掌关节、人造鼓膜、牙齿印膜及托牙组织面软衬垫、人工心脏瓣膜附件、人工肌腱以及用于消化系统和妇外科制品的各种导管等。脑积水引流装置是最早的硅橡胶植入物，上世纪50年代开始被成功地应用于医疗方面，至今为止，硅橡胶仍是这一装置的惟一材料。人造鼓膜的研究，最早开始于1960 年，是将结构类似于人体鼓膜的硅橡胶薄膜贴补在穿孔的鼓膜上。复合人工脑膜用于修补外伤性硬脑膜缺损及因切除肿瘤在硬脑膜的基蒂或浸润区所造成的硬脑膜和硬脊膜缺损。1963 年，硅橡胶人工指关节推向市场。1964 年，开发出人工心脏瓣膜产品。但由于硅橡胶的异物效应仍不能全部消除，容易引发癌症，因此有逐渐被代用的趋向。

硅橡胶在整容和修复方面也有很广地应用。如：人工颅骨的修复，在用尼龙、聚醋纤维等增强后作人造皮肤，提高视力的隐性眼镜，修补面容的缺陷，修补前额、鼻、下颌、颈部，治疗外耳的缺损，以及争议较大的人工乳房等。

在医疗器械方面，硅橡胶可作为导管短期置入人体的某个部位，作为抢救和治疗各种病例的重要辅助材料和手段。硅橡胶还可作为消泡剂治疗某些疾病。

4.2聚氯乙烯在医疗上的应用

PVC是常用医用高分子材料之一，可以制成贮血袋、输液(血)器具、导液管、呼吸面具、肠道和肠道外营养管、腹膜透析袋、体外循环管路、膜式氧合器和血液透析管路、各种医用导管等一次性医疗用品。其给治疗护理带来诸多方便，并能防止交叉感染，在临床上广泛使用，但它存在着一些不可忽视的弊端。如药物吸附、增塑剂毒性等。此外，由PVC 塑料制成的输液管、包装袋、血袋、呼吸面具、食品袋等产品对人类发育和繁殖有害。

鉴于上述原因，目前各国都在从事PVC 改性、替代材料的研究开发。最近一些发达国家研究开发了几种热塑性弹性体，用于医用制品的原材料，效果令人满意。例如：美国壳牌公司研制的SEBS 热性弹性体；美国啕氏化学公司于1944年采用茂金属催化技术合成的乙烯一辛烯共聚物，称之为聚烯烃弹性体。此外，超低密度聚乙烯 (VLDPE)在医疗器械方面作为聚氯乙烯的替代品之一也用于输液器具的生产。近年来，由美国Unichem公司生产的一种邵尔A型硬度为35-65度的医用高弹性聚氯乙烯混料，也较广泛地应用于医疗领域。该混料与通常的聚氯乙烯不同之处在于其具有内在的高弹性和优异的形状记忆能力，即当外界压力除去之后能快速地回复到原来的形状。是用于制造需反复夹紧和松开的医疗器械配套软管，理想且廉价的选用材料，如可用于制作医用蠕动泵软管。该混料为白色或半透明状，且易于着色，可经受杀菌处理，适用于制作美国药典中的第6 大类医疗用品。

4.3聚氨酯弹性体在医疗中的应用

从上世纪50年代聚氨酯首次应用于生物医学起，四十多年来，聚氨酯弹性体在医学上的用途日益广泛。1958 年聚氨酯首次用于骨折修复材料，而后又成功地应用于血管外科手术缝合用补充涂层。70 年代开始，聚氨酯作为一种医用材料己倍受重视。到了80 年代，用聚氨酯弹性体制造人工心脏移植手术获得成功，使聚氨酯材料在生物医学上的应用得到进一步的发展。

具有记忆功能的聚氨酯称为室温形状记忆性聚氨酯，工作原理是利用其硬段和软段二相间的玻璃化温度的差别来实现形状记忆过程。它可用于制作各种矫形、保形用品。如:牙科矫形器、肾科矫形器、绷带、乳罩、腹带等。其可以先做成所希望的形状，在使用时再加热使其恢复原有形状，从而达到预期的效果。

形状记忆聚氨酯的应用前景非常广阔，但其成本相对高，加工性差，实现通用化的难度