醫(yī)用高分子材料總論

醫(yī)用高分子材料公管學院信息管理與信息系統(tǒng)專業(yè)涂佳琪20091020053文摘：生物體是有機高分子存在的最基本形式，有機高分子是生命的基礎(chǔ)。動物體與植物體組成中最重要的物質(zhì)——蛋白質(zhì)、肌肉、纖維素、淀粉、生物酶和果膠等都是高分子化合物。因此，可以說，生物界是天然高分子的巨大產(chǎn)地。高分子化合物在生物界的普遍存在，決定了它們在醫(yī)學領(lǐng)域中的特殊地位。由于高分子材料的分子結(jié)構(gòu)、化學組成和理化性質(zhì)與生物體組織最為接近，因而決定了它最有可能作為醫(yī)用材料，應(yīng)用于人工器官、外科修復(fù)、理療康復(fù)、診斷檢查、患疾治療等醫(yī)療領(lǐng)域。醫(yī)用高分子材料的基本要求由于高分子科學和醫(yī)學的日益發(fā)展及相互滲透，使人類有可能逐步實現(xiàn)修補人體缺損，增進健康，延長壽命。另一方面愈來愈多的醫(yī)療器械也以高分子作為原材料。因此從質(zhì)量和數(shù)量兩個方面對醫(yī)用高分子材料提出了更高的要求。醫(yī)用高分子材料是一類特殊用途的材料。它們在使用過程中，常需與生物肌體、血液、體液等接觸，有些還須長期植入體內(nèi)。由于醫(yī)用高分子與人們的健康密切相關(guān)，因此對進入臨床使用階段的醫(yī)用高分子材料具有嚴格的要求，要求有十分優(yōu)良的特性。歸納起來，一個具備了以下七個方面性能的材料，可以考慮用作醫(yī)用材料。一般滿足下列幾個基本條件：在化學上是不活潑的，不會因與體液或血液接觸而發(fā)生變化人體環(huán)境對高分子材料主要有以下一些影響：1)體液引起聚合物的降解、交聯(lián)和相變化；2)體內(nèi)的自由基引起材料的氧化降解反應(yīng)；3)生物酶引起的聚合物分解反應(yīng)；4)在體液作用下材料中添加劑的溶出；5)血液、體液中的類脂質(zhì)、類固醇及脂肪等物質(zhì)滲入高分子材料，使材料增塑，強度下降。但對醫(yī)用高分子來說，在某些情況下，“老化”并不一定都是貶意的，有時甚至還有積極的意義。如作為醫(yī)用粘合劑用于組織粘合，或作為醫(yī)用手術(shù)縫合線時，在發(fā)揮了相應(yīng)的效用后，反倒不希望它們有太好的化學穩(wěn)定性，而是希望它們盡快地被組織所分解、吸收或迅速排出體外。在這種情況下，對材料的附加要求是：在分解過程中，不應(yīng)產(chǎn)生對人體有害的副產(chǎn)物。對周圍組織不會引起炎癥反應(yīng)有些高分子材料本身對人體有害，不能用作醫(yī)用材料。而有些高分子材料本身對人體組織并無不良影響，但在合成、加工過程中不可避免地會殘留一些單體，或使用一些添加劑。當材料植入人體以后，這些單體和添加劑會慢慢從內(nèi)部遷移到表面，從而對周圍組織發(fā)生作用，引起炎癥或組織畸變，嚴重的可引起全身性反應(yīng)。不會產(chǎn)生遺傳毒性和致癌根據(jù)現(xiàn)代醫(yī)學理論認為，人體致癌的原因是由于正常細胞發(fā)生了變異。當這些變異細胞以極其迅速的速度增長并擴散時，就形成了癌。而引起細胞變異的因素是多方面的，有化學因素、物理因素，也有病毒引起的原因。當醫(yī)用高分子材料植入人體后，高分子材料本身的性質(zhì)，如化學組成、交聯(lián)度、相對分子質(zhì)量及其分布、分子鏈構(gòu)象、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)、高分子材料中所含的雜質(zhì)、殘留單體、添加劑都可能與致癌因素有關(guān)。但研究表明，在排除了小分子滲出物的影響之外，與其他材料相比，高分子材料本身并沒有比其他材料更多的致癌可能性。長期植入體內(nèi)也應(yīng)保持所需的拉伸強度和彈性等物理機械性能許多人工臟器一旦植入體內(nèi)，將長期存留，有些甚至伴隨人們的一生。因此，要求植入體內(nèi)的高分子材料在極其復(fù)雜的人體環(huán)境中，不會很快失去原有的機械強度。事實上，在長期的使用過程中，高分子材料受到各種因素的影響，其性能不可能永遠保持不變。我們僅希望變化盡可能少一些，或者說壽命盡可能長一些。一般來說，化學穩(wěn)定性好的，不含易降解基團的高分子材料，機械穩(wěn)定也比較好。如聚酰胺的酰胺基團在酸性和堿性條件下都易降解，因此，用作人體各部件時，均會在短期內(nèi)損失其機械強度，故一般不適宜選作植入材料。而聚四氟乙烯的化學穩(wěn)定性較好，其在生物體內(nèi)的穩(wěn)定性也較好。具有良好的血液相容性當高分子材料用于人工臟器植入人體后，必然要長時間與體內(nèi)的血液接觸。因此，醫(yī)用高分子對血液的相容性是所有性能中最重要的。高分子材料的血液相容性問題是一個十分活躍的研究課題，但至今尚未制得一種能完全抗血栓的高分子材料。這一問題的徹底解決，還有待于各國科學家的共同努力。能經(jīng)受必要的滅菌過程而不變形高分子材料在植入體內(nèi)之前，都要經(jīng)過嚴格的滅菌消毒。目前滅菌處理一般有三種方法：蒸汽滅菌、化學滅菌、γ射線滅菌。國內(nèi)大多采用前兩種方法。因此在選擇材料時，要考慮能否耐受得了。易于加工成所需要的、復(fù)雜的形態(tài)。人工臟器往往具有很復(fù)雜的形狀，因此，用于人工臟器的高分子材料應(yīng)具有優(yōu)良的成型性能。否則，即使各項性能都滿足醫(yī)用高分子的要求，卻無法加工成所需的形狀，則仍然是無法應(yīng)用的。此外還要防止在醫(yī)用高分子材料生產(chǎn)、加工工程中引入對人體有害的物質(zhì)。應(yīng)嚴格控制原料的純度。加工助劑必須符合醫(yī)用標準。生產(chǎn)環(huán)境應(yīng)當具有適宜的潔凈級別，符合國家有關(guān)標準。與其他高分子材料相比，對醫(yī)用高分子材料的要求是非常嚴格的。對于不同用途的醫(yī)用高分子材料，往往又有一些具體要求。在醫(yī)用高分子材料進入臨床應(yīng)用之前，都必須對材料本身的物理化學性能、機械性能以及材料與生物體及人體的相互適應(yīng)性進行全面評價，然后經(jīng)國家管理部門批準才能進入臨床使用。二、醫(yī)用高分子材料的分類醫(yī)用高分子材料是指在生理環(huán)境中使用的高分子材料，它們中有的可以全部植入植入體內(nèi)，有的也可以部分植入體內(nèi)而部分暴露在體外，或置于體外而通過某種方式作用于體內(nèi)組織。如用于疾病的診斷和治療、損傷組織和器官的替換或修復(fù)、合成或再生等。醫(yī)用高分子材料需長期與人體體表、血液、體液接觸,有的甚至要求永久性植入體內(nèi)。因此,這類材料必須具有優(yōu)良的生物體替代性(力學性能、功能性)和生物相容性。根據(jù)不同來源，可將其分為天然和人工合成的生物醫(yī)用高分子材料兩大類。（一）天然醫(yī)用高分子材料天然生物醫(yī)用高分子原材料源于自然界，資源豐富、容易獲取，具有很好的生物相容性、可降解性和較低的毒性。天然高分子一般是指自然界動、植物以及微生物資源中的生物大分子。其實，從人們發(fā)現(xiàn)如何治愈創(chuàng)傷以來，天然產(chǎn)物在醫(yī)療領(lǐng)域的利用長盛不衰，如用作敷料的棉纖維，用作縫合線的紗線以及用作繃帶的布等。早在公元前3500年，埃及人就用棉花纖維、馬鬃縫合傷口。墨西哥印地安人用木片修補受傷的顱骨；公元前500年的中國和埃及墓葬中發(fā)現(xiàn)假牙、假鼻、假耳。目前應(yīng)用于生物醫(yī)用領(lǐng)域的天然高分子主要包括多糖類和蛋白質(zhì)類等。具有特殊功能和生物活性的天然多糖多糖為單糖組成的天然高分子化合物，廣泛地存在于動、植物和微生物體中。纖維素(Cellulose)是地球上最豐富的天然高分子，是自然界中取之不盡、用之不絕的可再生資源。纖維素主要來源于樹木、棉花、麻、谷類植物。一些纖維素衍生物，如甲基纖維素、羧甲基纖維素以及羥乙基纖維素等常用作藥物載體、藥片黏合劑、藥用薄膜、包衣及微膠囊材料。兩親性多糖衍生物多糖具有良好的生物相容性和降解性，是理想的藥物載體原材料。一些水溶性多糖鏈上存在大量可反應(yīng)的活性基團(如羥基、氨基和羧酸基團)，通過化學反應(yīng)在親水性的多糖主鏈上偶聯(lián)一些疏水基團(如長鏈烷基、膽甾基團等)，可合成兩親性多糖衍生物(Amphiphilicpolysaccharidederivatives。兩親性多糖衍生物通過疏水基團間的非極性相互作用力，自聚集形成熱力學穩(wěn)定的納米膠束，作為載體材料用于藥物的傳輸，有利于實現(xiàn)緩時釋放藥物的目的。生物大分子前藥前藥(Prodrugs)是原藥與載體通過化學鍵連接起來的一種暫時性化合物，它可以改變或修飾原藥的理化性質(zhì)，在體內(nèi)降解成原藥后再發(fā)揮藥效。這種概念自從20世紀50年代提出后，已經(jīng)在藥物結(jié)構(gòu)修飾、藥物化學發(fā)展中發(fā)揮了重要的作用，并已成為21世紀藥物設(shè)計與開發(fā)的重要手段。前藥設(shè)計的目的在于改善藥物的一些不良因素如水溶性低、組織或黏膜刺激等；或者改善藥動學上一些影響藥效發(fā)揮的因素如：易降解、半衰期(t1/2)太短或太長、藥物透膜能力低以及缺乏理想的靶向性等。天然高分子生物相容性好，容易被體內(nèi)的各種酶降解，因而非常適合用作前藥的載體材料。天然高分子類水凝膠水凝膠是一類吸水后能發(fā)生溶脹、并能保持大量水分而不溶解的網(wǎng)絡(luò)高聚物。物理交聯(lián)可以通過分子間的弱相互作用力形成，如靜電作用力、氫鍵、疏水作用等。而化學交聯(lián)水凝膠通常是通過化學反應(yīng)以化學鍵交聯(lián)而形成的三維網(wǎng)絡(luò)聚合物。由于天然高分子材料制備的化學交聯(lián)水凝膠具有良好的生物相容性、溶脹性和負載的藥物不易失活等特性，因此，它們在藥物釋放和組織工程生物醫(yī)學領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。（二）、合成醫(yī)用高分子材料進入20世紀，隨著高分子科學迅速發(fā)展，新的合成高分子材料不斷出現(xiàn)，為醫(yī)學領(lǐng)域提供了更多的選擇余地。由于高分子科學和醫(yī)學的日益發(fā)展及相互滲透，使人類有可能逐步實現(xiàn)修補人體缺、增進健康、延長壽命；另一方面愈來愈多的醫(yī)療器械也以高分子作為原材料，因此從質(zhì)量和數(shù)量兩個方面均對高分子材料提出更高要求。因此合成醫(yī)用高分子材料開始發(fā)展：1、第一階段：始于1937年，其特點是所用高分子材料都是已有的現(xiàn)成材料，如用丙烯酸甲酯制造義齒的牙床。1936年發(fā)明了有機玻璃后，很快就用于制作假牙和補牙，至今仍在使用。1943年，賽璐珞薄膜開始用于血液透析。1949年，美國首先發(fā)表了醫(yī)用高分子的展望性論文。在文章中，第一次介紹了利用PMMA作為人的頭蓋骨、關(guān)節(jié)和股骨，利用聚酰胺纖維作為手術(shù)縫合線的臨床應(yīng)用情況。2、第二階段：始于1953年，其標志是醫(yī)用級有機硅橡膠的出現(xiàn)隨后又發(fā)展了聚羥基乙酸酯縫合線以及四種聚(醚-氨)酯心血管材料，從此進入了以分子工程研究為基礎(chǔ)的發(fā)展時期。50年代，有機硅聚合物被用于醫(yī)學領(lǐng)域，使人工器官的應(yīng)用范圍大大擴大，包括器官替代和整容等許多方面。此后，一大批人工器官在50年代試用于臨床。如人工尿道（1950年）、人工血管（1951年）、人工食道（1951年）、人工心臟瓣膜（1952年）、人工心肺（1953年）、人工關(guān)節(jié)（1954年）、人工肝（1958年）等。3、第三個階段：是具有主動誘導(dǎo)、激發(fā)人體組織器官再生修復(fù)的新材料的出現(xiàn)。20世紀60年代以前，醫(yī)用高分子材料的選用主要是根據(jù)特定需求，從已有的材料中篩選出合適的加以應(yīng)用。由于這些材料不是專門為生物醫(yī)學目的設(shè)計和合成的，在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)了許多問題，如凝血問題、炎癥反應(yīng)、組織病變問題、補體激活與免疫反應(yīng)問題等。人們由此意識到必須針對醫(yī)學應(yīng)用的特殊需要，設(shè)計合成專用的醫(yī)用高分子材料。進入60年代，醫(yī)用高分子材料開始進入一個嶄新的發(fā)展時期。美國國立心肺研究所在這方面做了開創(chuàng)性的工作，他們發(fā)展了血液相容性高分子材料，以用于與血液接觸的人工器官制造，如人工心臟等。從70年代始，高分子科學家和醫(yī)學家積極開展合作研究，使醫(yī)用高分子材料快速發(fā)展起來。至80年代以來，發(fā)達國家的醫(yī)用高分子材料產(chǎn)業(yè)化速度加快，基本形成了一個嶄新的生物材料產(chǎn)業(yè)。目前在實際應(yīng)用中，更實用的是僅將醫(yī)用高分子分為兩大類，一類是直接用于治療人體某一病變組織、替代人體某一部位或某一臟器、修補人體某一缺陷的材料。如用作人工管道（血管、食道、腸道、尿道等）、人造玻璃體（眼球）、人工臟器（心臟、腎臟、肺、胰臟等）、人造皮膚、人造血管，手術(shù)縫合用線、組織粘合劑、整容材料（假耳、假眼、假鼻、假肢等）的材料。另一類則是用來制造醫(yī)療器械、用品的材料，如注射器、手術(shù)鉗、血漿袋等。這類材料用來為醫(yī)療事業(yè)服務(wù)，但本身并不具備治療疾病、替代人體器官的功能，因此不屬功能高分子的范疇。三、醫(yī)用高分子材料的應(yīng)用醫(yī)用高分子是一門較年輕的學科，發(fā)展歷史不長，因此醫(yī)用高分子的定義至今尚不十分明確。另外，由于醫(yī)用高分子是由多學科參與的交叉學科，根據(jù)不同學科領(lǐng)域的習慣出現(xiàn)了不同的分類方式。目前醫(yī)用高分子材料隨來源、應(yīng)用目的等可以分為多種類型。各種醫(yī)用高分子材料的名稱也很不統(tǒng)一：(1)與血液接觸的高分子材料；(2)組織工程用高分子材料；(3)藥用高分子材料；(4)醫(yī)藥包裝用高分子材料；(5)眼科用高分子材料；(6)醫(yī)用粘合劑與縫合線是指將組織粘合起來的組織粘合劑;(7)醫(yī)療器件用高分子材料；目前所應(yīng)用的醫(yī)用高分子材料有聚醚聚氨酯、聚四氟乙烯、聚乙烯醇、硅橡膠、聚酯、尼龍、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚乙二醇、聚乳酸天然高分子材料等用于植入性生物材料和人工臟器、介入器材、口腔材料、衛(wèi)生材料及敷料、醫(yī)用縫合粘合材料、醫(yī)用高分子和醫(yī)用橡膠制品、體外循環(huán)設(shè)備。其應(yīng)用領(lǐng)域大體可分為四個部分：1、人工臟器作為軟組織材料的一個重要組成部分的人工器官，其應(yīng)用前景已為人們所看好。隨著人工臟器性能的不斷完善，在臨床上的應(yīng)用必將越來越廣泛。主要包括：人工肺，人工腎(透析型、過濾型、吸附型)，人工肝臟，人工胰臟(如:可采用包膜法，移植的異體胰島或動物胰島表面覆蓋一層高分子半透膜，能允許胰島素向膜外滲透，但阻止淋巴細胞和抗體進入膜內(nèi)而引起排異損傷)，人工心臟瓣膜（聚氨酯、聚乙烯醇縮甲醛、碳素纖維），心臟起搏器電極的高分子包覆層，人工心臟，人工血管（靜脈用人工血管可以用聚四氟乙烯、聚酯、氟硅橡膠），人工喉（聚四氟乙烯、聚氨酯、滌綸），人工氣管（聚四氟乙烯、聚乙烯、硅橡膠、聚乙烯、聚乙烯醇），人工食管（聚四氟乙烯、聚乙烯、聚乙烯醇），人工膀胱（硅橡膠），人工肺中膜（硅橡膠、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、醋酸纖維素膜），人工心臟殼體（硅橡膠、聚氨酯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯），人工膽道（聚四氟乙烯），人工尿管（聚四氟乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯醇），人工腦膜（聚四氟乙烯）。2、人工組織指用于口腔科、五官科、骨科、創(chuàng)傷外科和整型外科等用材料，主要包括：牙科材料：蛀牙填補用樹脂、假牙和人工牙根、人工齒冠材料和硅橡膠牙托軟襯墊等（聚甲基丙烯酸甲酯、硅橡膠）；眼科材料：人工角膜（硅橡膠、聚甲基丙烯酸強羥乙酯、），工晶狀體、人工玻璃體（硅橡膠、聚乙烯醇）、人工眼球、人工視網(wǎng)膜、人工淚道、隱型眼鏡（聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸強羥乙酯）；骨科材料：人工關(guān)節(jié)（人工指關(guān)節(jié)（超高分子量聚乙烯、聚丙烯、聚砜、硅橡膠）、髖關(guān)節(jié)（聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚氨酯、聚砜））、人工骨（頭蓋骨：聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、硅橡膠）、接骨材料等（聚四氟乙烯）；肌肉與韌帶材料：人工肌肉、人工韌帶、人工肌健（硅橡膠、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、滌綸）；皮膚科材料：人工皮膚（硅橡膠、聚乙烯醇縮甲醛），含層壓型人工皮膚、膠原質(zhì)人工皮膚、組織膨脹器等；外科材料：人工乳房（硅橡膠（一般為硅橡膠包膜內(nèi)填充硅凝膠或空氣）、聚甲基丙烯酸強羥乙酯、滌綸、聚乙烯醇縮甲醛海綿），人工鼻（聚乙烯）及鞍鼻整形、人工下頷骨、人工膠或空氣，人工鼻及鞍鼻整形、人工下頷骨、人工耳朵；假肢：支撐或外層裝飾等；人造血液(含人造血漿)、水溶性聚合物輔以營養(yǎng)液。3、護理和醫(yī)療用具相關(guān)的醫(yī)用材料一次性高分子用品(注射器、輸血輸液袋等)：聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、高分子繃帶材料(彈性繃帶、高分子代用石膏繃帶、防滑脫繃帶)：醫(yī)用縫合線：聚氨酯、環(huán)氧樹酯護理用高分子材料,如:吸水性樹脂(尿不濕、衛(wèi)生巾、彈性冰、防褥瘡護理材料)等。4、藥用高分子①分于緩釋藥物載體：時間控制緩釋體系(如康泰克等，理想情形為零級釋放)、部位控制緩釋體系(脈沖釋放方式)；②高分子藥物(帶有高分子鏈的藥物和具有藥效的高分子)：抗癌高分子藥物(非靶向、靶向)、用于心血管疾病的高分子藥物（治療動脈硬化、抗血栓、凝血)、抗菌和抗病毒高分子藥物(抗菌、抗即在病毒)、抗輻射高分子藥物、高分子止血劑；③藥物制劑和包裝用高分子材料(這里的包裝材料不涉及外包裝材料，特指藥物在制備過程中需要的高分子材料，它們往往對提高藥效、方便起作用等方面有一定效果)：藥物制劑用高分子材料(液狀制劑中的高分子增稠劑、稀釋劑、分散劑和消泡劑；固體制劑中的高分子粘合劑、包衣劑、膏劑和涂膜劑)、微膠囊等。④其它除上述4個方面的用途之外，醫(yī)用高分子材料還可用于醫(yī)療診斷(如免疫熒光微球)和生物工程試劑等方面。四、醫(yī)用高分子的展望生物技術(shù)將是21世紀最有前途的技術(shù)，醫(yī)用高分子材料將在其中起到重要的作用，其性能將不斷提高，應(yīng)用領(lǐng)域也將進一步拓寬，尤其在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域。其未來發(fā)展可概括為四個方面：一是，生物可降解高分子材料的應(yīng)用前景更加廣闊