生物醫(yī)用功能纖維的發(fā)展狀況

1、生物醫(yī)用功能纖維材料 的發(fā)展概況王慶瑞 (東華大學纖維材料改性國家重點實驗室）生物醫(yī)學領域用的各種分 離技術醫(yī)用功能纖維材料 高分子藥物與藥物纖維一. 生物醫(yī)學領域用的各種分離 技術 概述 隨著科學技術的發(fā)展，人們對物質利用的深度和廣度的不斷開拓，物質的分離和提純成為了一個重要的課題。分離技術的類型包括：同種物質按大小和分子量的不同而分離；異種物質按組分的不同而分離；不同物質狀態(tài)的分離和綜合性分離。 傳統(tǒng)的化工過程常見的分離方法有篩分、過濾、離心分離、濃縮、蒸餾、蒸發(fā)、萃取、重結晶等。但是，對于更高層次的分離，如分子或離子尺寸范圍的分離；生物體組分的分離等。采用傳統(tǒng)的化工分離方法就難以實現(xiàn)，或

2、達不到精度，或極大的消耗能源而無實用價值。 生物產品的特點 生物產品是指在生產過程中的某一階段，應用生化反應制得的產品。它包括傳統(tǒng)的生物技術產品，如用發(fā)酵生產的有機溶劑、氨基酸、有機酸、抗生素等；現(xiàn)代生物技術產品，如用重組DNA技術生產的醫(yī)療性多肽和蛋白質。它們與一般的化學產品生產不同，而有其自身的特點。 產物一般為濃度很低的水溶液大多數(shù)生化反應都以水為溶劑 培養(yǎng)液是多組分的混合物 穩(wěn)定性差 對最終產品的質量要求很高 生物醫(yī)學制品的純化過程 各種生物醫(yī)學制品因本身性能和產品用途不同，其純化過程互有差異。一般而言，按生產的順序可分為如下四個步驟，如圖所示。發(fā)酵液的預處理與不溶物的去除 因技術和經(jīng)

3、濟的原因，通常采用過濾和離心分離法。為加速不溶物的分離，可同時使用絮凝和凝聚技術；為減少過濾介質的阻力還可采用錯流膜過濾技術。產物的提取 亦稱初步純化，可采用吸附、萃取、沉淀或超濾等技術。根據(jù)產品的質量要求，可采用其中一單元操作，或多級加工程序。產物的精制 圖中所列單元操作對產物有高度的選擇性，需根據(jù)雜質的性能選擇其中的一相或多相加工程序。 成品加工 可根據(jù)產品的最終用途和要求，決定成品的加工方法。 純化過程的發(fā)展動向 下圖列出了各種單元操作目前的技術成熟程度與工業(yè)應用度之間的近似關系。由圖可知，傳統(tǒng)的吸收與精餾過程，雖然其技術成熟程度和工業(yè)應用度都很高，但仍有進一步提高和改善的必要，因為它們

4、屬于量大面廣的的技術，它們的提高和改善，將給生產帶來極為可觀的經(jīng)濟效益；處于曲線中部的一些單元操作，如結晶、萃取、離子交換、吸附等，屬于迅速發(fā)展中的分離技術，尚需進一步提高其理論深度、并擴展其應用廣度，其中萃取技術從用于核燃料的提取、分離和純化開始，擴展到生物產品的分離和純化過程，同時又得到了發(fā)展，并派生出雙水相萃取、反膠束萃取、超臨界萃取等。 1-精餾；2-吸收；3-結晶；4-溶劑萃??；5-萃取（共沸）精餾；6-離子交換； 7-吸附（氣固）；8-膜（液相進料）；9-吸附（液固）；10-膜（氣相進料）； 11-色譜分離法；12-超臨界萃取；13-液膜；14-場致分離；15-親和分離 當前生物醫(yī)

5、學產品純化過程的新趨向是多種分離、純化技術的相結合，也包括新、老技術的相互交叉、滲透與融合，形成所謂融合技術，或稱子代技術，如膜分離與親和酸基相結合，形成了親和膜分離過程；膜分離與離心分離相結合，形成了膜離心分離過程等。 生物技術的下游工程與上游工程相結合，如發(fā)酵與分離耦合過程的研究也是當今生物化學工程的研究熱點之一。其優(yōu)點是解除終產物的反饋抑制效應，提高轉化率。還可簡化產物的提取過程，縮短生產周期，增加產率，收到一舉多得效果。 膜分離技術 膜廣泛地存在于自然界，起著分隔、分離、選擇性透過等重要功能。膜分離技術是指用半透膜作為選擇性障礙層，憑借外部能量或化學位差，使混合體系中某些組分透過，而保

6、留其他組分，從而達到分級、分離、提純、富集等目的的技術的總稱。這里所指的膜（Membrane）應與一般的薄膜（Film）相區(qū)別；薄膜的主要功能是起著隔離和保護作用，如農用地膜、包裝薄膜等；而膜是指位于一種流體相內、或兩種流體相間的一層薄的凝聚相部分，并能使這兩部分之間產生傳質作用。膜既可以是固態(tài)的，也可以是液態(tài)的，甚至是氣態(tài)的。 膜分離技術既能使混合流體按組份不同而分離，又能對流體進行凈化和濃縮。它因具有如下優(yōu)點而受到重視和蓬勃發(fā)展:分離時沒有相態(tài)變化，故不必加熱，也無需加入其他試劑，因此能耗降低，而且不產生二次污染；設備結構簡單，操作方便，占地面積小，成本低，有利于實行連續(xù)化生產和自動控制；

7、可以使一些按傳統(tǒng)方法難以分離的物質，如共沸物，熱敏性物質，或化學穩(wěn)定性差的物質以及生物制品等得以實現(xiàn)分離。 膜的選擇分離性和通透性除與膜材料和被處理溶液的性能有關外，還與膜上微孔的孔徑、連通性和孔隙率等因素密切有關。傳統(tǒng)的制膜方法是在成膜原液或熔體中加入水溶性的致孔劑，成膜后再用水把膜中的水溶性物質萃取而去除，其在膜中所處的地位即成為孔洞，控制致孔劑的使用量和分子量，能控制膜的孔隙率和孔尺寸。中空纖維膜的橫截面結構如圖1，其部分截面圖如圖13所示 圖1中空纖維橫截面圖2中空纖維膜的指 狀支撐層結構 圖3 中空纖維膜的 圖4 中空纖維膜的 雙針指狀層結構 海綿狀支撐層結構 膜表面為致密層；中間為

8、支撐層，支撐層還有指狀（圖2）、針狀（圖3）、海綿狀（圖4）之分；致密層和支撐層之間為過渡層，過渡的微孔孔徑呈分散狀，靠表面微孔較小，越向里層孔徑越大?？赏ㄟ^調節(jié)鑄膜工藝而調節(jié)孔的大小及分布。 除中空纖維膜外，還有平板膜、卷式膜、管式膜、褶疊膜等多種型式。各種型式的膜都有其特點，可根據(jù)分離的需要而選擇。 典型的膜過程有:氣體分離、反滲透、離子交換、透析、電滲析、超濾、微過濾和滲透蒸發(fā)等。 二.醫(yī)用功能纖維材料 概述 許多科學工作者正致力于生命奧秘的探索，主要集中在：生物組織的結構；結構與器官功能的關系；生物器官的設計和研制等三方面。 對醫(yī)用材料的要求：首先，要有醫(yī)療功能，還必須強調安全性。外用

9、醫(yī)療材料與肌體接觸時間短，要求稍低，而與血液直接接觸或植入體內材料則要求較高，即要有良好的生物相容性。所有醫(yī)用材料應滿足如下基本要求： （1）聚合物純度高； （2）化學性能不活潑； （3）無毒，不引起腫瘤或過敏反應，沒有異物反應； （4）穩(wěn)定的物理化學性能和良好的力學性能； （5）優(yōu)良的生物相容性； （6）能經(jīng)受必要的消毒處理； （7）易加工成必須的復雜形狀。 醫(yī)用軟組織材料高吸水性纖維材料 高吸水性材料是一種含有強吸水性基團并存在一定交聯(lián)度的高分子材料。吸水能力高達自身重量的500-2500倍，甚至高達5000倍。 類型：淀粉類、纖維素類、聚丙烯酸類、聚丙烯腈水解物，醋酸乙烯酯共聚物，改性聚

10、乙烯醇。醫(yī)用縫合線 非吸收性：蠶絲、銀絲、聚酰胺、聚乙烯、聚酯等。 吸收性：骨膠原、腸線、甲殼素、聚羥基乙酸、乙交酯-丙交酯共聚物、聚乙二醇酸的三元共聚物等。放射性纖維。 食用保健纖維 人造皮膚 作用：防止水分和體液的揮發(fā)或流失；防止細菌感染；使肉芽或上皮生長；促進傷口愈合。 要求：柔軟、優(yōu)良的彈性、緊貼創(chuàng)面；透濕、透氣、抗菌；無刺激作用；能促進新皮的長出；可進行滅菌處理。人造血管 醫(yī)用富氧器：把空氣中氧富集至40%或以上。 神經(jīng)通道 水果保鮮系統(tǒng)：使周圍氣氛含O2 3%，CO2 5%，N2 92%?？咕莱衾w維 麻醉性纖維 人工臟器人工腎血液透析器 因腎臟器質性病變、事故、中毒等原因，使腎功

11、能衰竭而造成新陳代謝物質在體內沉積、從而引起尿毒癥。人工腎主要利用透析作用，代替腎臟功能以去除人體中的代謝廢物，如尿素、尿酸和肌肝酸等。人工腎主要有血液透析、血液過濾、血液透析過濾等三種類型，其中以人工腎血液透析器的應用最多。人工腎透析器流程示意如圖 人工肝透析器 肝臟是擔負多種功能的重要器官，也是人體中主要濾除毒素的器官。肝臟可因服藥過量、過敏、急性肝炎等多種原因引起的中毒而受損，從而失去解毒功能。因血液中有害物質濃度的提高引起神經(jīng)癥狀、昏睡，最終導致死亡。 人工肝主要采用吸附的方法和透析方法，前者因存在多種缺點，目前已放棄使用。透析方法正在發(fā)展中。 肝腹水超濾濃縮器 肝腹水是一種常見疾病，

12、臨床上通常采取定期排除病人體內腹水以緩解病情，但同時必須給病人回輸?shù)鞍住?腹水濃縮器是把病人體內的腹水進行濃縮，除去水及對人體無用的物質，并將其中的蛋白回輸給病人的新技術。 有時，患者的肝硬變和肝癌合并發(fā)生，在進行腹水濃縮前應首先除去癌細胞和細菌，然后再排除水及低分子廢液。血液濃縮器 在體外循環(huán)心內直視手術中廣泛應用血液稀釋方法，以減少血球破壞，降低末梢阻力。血液稀釋能引起臟器水腫，細胞外液增加，影響心肺功能的恢復。使用血液濃縮器排除多余的水分是目前采用的最主要方法。人工肺 人工肺主要用于胸腔外科手術以及呼吸不良者的輔助治療。原有使用的氣泡式人工肺已被膜式人工肺所取代?；旌闲腿斯づK器 人工臟器

13、的發(fā)展已逐漸進入混合型，即從單功能走向多功能。如把酶和生物細胞固定在高分子材料上以制取有生物活性的人工臟器。 在人工肝的膜外側固定蛋白酶，合成的白蛋白可通過膜而進入血液中。 在人工腎固定脲酶、谷氨酸脫氫酶、葡萄糖脫氫酶等，血液中的代謝產物尿素在酶的催化下轉化成氨，并在酶促下轉化成谷氨酸，使混合型人工腎有更高級的功能。三. 高分子藥物與藥物纖維 高分子藥物 傳統(tǒng)的低分子藥物因易被吸收，又易于排泄而缺乏持久性；藥物在體內分布廣而缺乏選擇性。 近年來研制的高分子藥物基本上能克服上述缺點。目前主要研究方向為：藥物控制釋放；藥物持久釋放；藥物主要集中在特定部位（病灶）。 類型：有藥物活性的高分子；高分子

14、載體藥物；低分子藥物包埋于高聚物膜中。 高分子物質的釋放和送達體系：高分子藥物進入身體后，以適當?shù)臐舛?、持續(xù)時間、導向并集聚到患病的器官、臟器或細胞部位，以充分發(fā)揮藥物的療效。 高分子藥物的釋放體系可分為： (1) 時間控制釋放體系：零級釋放；脈沖釋放 (2) 部位控制送達體系 (3) 智能型藥物送達體系：使藥物在所定部位、所定時間、以所定劑量 釋放。藥物纖維 以紡織品作為藥物的載體已有久遠的歷史。如由古代的香囊、香袋發(fā)展而來的安眠藥枕、神功元氣袋之類的保健用品；又如由藥膏發(fā)展而來的傷濕止痛膏、十香暖臍膏等。 藥物纖維主要利用纖維具有最大的表面積，有利于藥物的釋放；紡織品與人類生活最為密切，具有藥物功能的織物將為治病提供很大的