醫(yī)用高分子材料研究進(jìn)展

醫(yī)用高分子材料研究進(jìn)展摘要：現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展，對(duì)材料的性能提出了復(fù)雜而嚴(yán)格的要求，金屬材料和無(wú)機(jī)材料難以滿足，而合成高分子材料與作為生物體的天然高分子有著極其相似的化學(xué)結(jié)構(gòu)，因而可以合成出醫(yī)用高分子材料。本文主要介紹了醫(yī)用高分子材料的研究進(jìn)展。關(guān)鍵詞：醫(yī)用高分子材料高分子化學(xué)組織工程材料生物醫(yī)用納米材料復(fù)合生物材料醫(yī)用高分子材料指的是在醫(yī)學(xué)上使用的高分子材料,是一門(mén)介于現(xiàn)代醫(yī)學(xué)和高分子科學(xué)之間的新興學(xué)科。它涉及到物理學(xué)、化學(xué)、生物化學(xué)、病理學(xué)、醫(yī)學(xué)、輸血學(xué)等多種邊緣學(xué)科。目前,醫(yī)用高分子材料的應(yīng)用已遍及整個(gè)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,其用量也持續(xù)穩(wěn)定增長(zhǎng)。（《功能高分子材料》P185）1、醫(yī)用高分子材料的分類(lèi)和應(yīng)用醫(yī)用高分子材料的范圍很廣,根據(jù)高分子材料的降解性可分為二類(lèi)非降解型高分子材料包括塑料纖維與彈性體類(lèi)和可降解型高分子材料。其中,塑料纖維材料包括聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）、聚丙烯酸類(lèi)、聚丙烯酞胺（PAM）、聚乙烯醇（PVA）和乙烯一乙烯醇共聚物、聚一乙烯基毗咯烷酮（PNVP）、聚乙烯基咄咯（PVP）、聚丙烯睛（PAN）、聚四氟乙烯(PTFE)、聚酰胺(PA)、聚醋纖維、纖維素、聚甲醛、聚乙二醇等。彈性體材料包括硅橡膠、聚氨酯(PU)、膠乳、丁基橡膠、熱塑性彈性體(TPE)等。降解型高分子材料主要是指生物可降解醫(yī)用高分子材料。根據(jù)材料的應(yīng)用領(lǐng)域不同,醫(yī)用高分子材料可分為以下幾類(lèi):(1)與血液接觸的高分子材料是指用來(lái)制造人工血管、人工心臟瓣膜、人工心臟血囊、人工肺等的醫(yī)用材料。要求這種材料與血液相容性好,不凝血,不破壞紅細(xì)胞,即不產(chǎn)生溶血作用;不改變血液中的蛋白;不破壞血小板。有良好的抗細(xì)菌粘附性,并且具有與人體血管相似的彈性和延展性,以及良好的耐疲勞性等。(2)組織工程用高分子材料組織工程中的生物材料主要發(fā)揮下列作用:①提供組織再生的支架或三維結(jié)構(gòu);②調(diào)節(jié)細(xì)胞生理功能;③免疫保護(hù)。(3)藥用高分子材料必須具備下列條件:①本身及其分散產(chǎn)物應(yīng)無(wú)毒,不會(huì)引起炎癥和組織變異反應(yīng),無(wú)致癌性;②進(jìn)入血液系統(tǒng)的藥物不會(huì)引起血栓;③具有水溶性,能在體內(nèi)水解為具有藥理活性的基團(tuán);④能有效到達(dá)病灶處,并積累一定濃度;⑤口服藥劑的高分子殘基能通過(guò)排泄系統(tǒng)排出體外;對(duì)于導(dǎo)入方式進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)的藥物,聚合物主鏈必須易降解,使之有可能排出體外或被人體吸收。(4)醫(yī)藥包裝用高分子材料包裝藥物的高分子材料可分為軟、硬兩種類(lèi)型。硬性材料(如:聚酯等)的特點(diǎn)是強(qiáng)度高,透明性好、尺寸穩(wěn)定、氣密性好,可替代玻璃容器和金屬容器。軟性材料(如:聚乙烯、聚丙烯等)可加工成復(fù)合薄膜。(5)眼科用高分子材料這類(lèi)材料的基本要求是:①具有優(yōu)良的光學(xué)性質(zhì),折光率與角膜相接近;②良好的潤(rùn)濕性和透氧性;③生物惰性,即耐降解且不與接觸面發(fā)生化學(xué)反應(yīng);④有一定的力學(xué)強(qiáng)度,易于精加工及抗污漬沉淀等。主要制品有隱形眼鏡、人工角膜、人工晶狀體等。(6)醫(yī)用粘合劑和縫合線醫(yī)用粘合劑應(yīng)能夠:①在活體能承受的條件下固化,使組織粘合;②能迅速聚合而沒(méi)有過(guò)量的熱和毒副產(chǎn)物產(chǎn)生;③在創(chuàng)傷愈合時(shí)粘合劑可被吸收而不干擾正常的愈合過(guò)程。手術(shù)用縫合線可分為非吸收型和可吸收型2大類(lèi)。(7)醫(yī)療器械用高分子材料高分子材料制成的醫(yī)療器械有一次性醫(yī)療用品(如:注射器、輸液器、檢查器具、麻醉及手術(shù)室用具等)、尿袋、血袋及矯形材料等。常用材料包括聚丙烯、輕質(zhì)聚氯乙烯、聚氨酯、硅橡膠、聚乙烯醇、聚酯等。（《功能與智能高分子材料》，P141;《功能高分子材料》，P186）2、對(duì)醫(yī)用高分子的基本要求醫(yī)用高分子材料是一類(lèi)特殊用途的材料。它們?cè)谑褂眠^(guò)程中，常需與生物肌體、血液、體液等接觸，有些還須長(zhǎng)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(duì)進(jìn)入臨床使用階段的醫(yī)用高分子材料具有嚴(yán)格的要求，要求有十分優(yōu)良的特性。歸納起來(lái)，一個(gè)具備了以下七個(gè)方面性能的材料，可以考慮用作醫(yī)用材料。2.1化學(xué)隋性，不會(huì)因與體液接觸而發(fā)生反應(yīng)人體環(huán)境對(duì)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(lèi)脂質(zhì)、類(lèi)固醇及脂肪等物質(zhì)滲入高分子材料，使材料增塑，強(qiáng)度下降。但對(duì)醫(yī)用高分子來(lái)說(shuō)，在某些情況下，“老化”并不一定都是貶意的，有時(shí)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(shí)，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(xué)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(duì)材料的附加要求是：在分解過(guò)程中，不應(yīng)產(chǎn)生對(duì)人體有害的副產(chǎn)物。2.2對(duì)人體組織不會(huì)引起炎癥或異物反應(yīng)有些高分子材料本身對(duì)人體有害，不能用作醫(yī)用材料。而有些高分子材料本身對(duì)人體組織并無(wú)不良影響，但在合成、加工過(guò)程中不可避免地會(huì)殘留一些單體，或使用一些添加劑。當(dāng)材料植入人體以后，這些單體和添加劑會(huì)慢慢從內(nèi)部遷移到表面，從而對(duì)周?chē)M織發(fā)生作用，引起炎癥或組織畸變，嚴(yán)重的可引起全身性反應(yīng)。（3）不會(huì)致癌根據(jù)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)理論認(rèn)為，人體致癌的原因是由于正常細(xì)胞發(fā)生了變異。當(dāng)這些變異細(xì)胞以極其迅速的速度增長(zhǎng)并擴(kuò)散時(shí)，就形成了癌。而引起細(xì)胞變異的因素是多方面的，有化學(xué)因素、物理因素，也有病毒引起的原因。當(dāng)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(xué)組成、交聯(lián)度、相對(duì)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(méi)有比其他材料更多的致癌可能性。（4）具有良好的血液相容性當(dāng)高分子材料用于人工臟器植入人體后，必然要長(zhǎng)時(shí)間與體內(nèi)的血液接觸。因此，醫(yī)用高分子對(duì)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(wèn)題是一個(gè)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(wèn)題的徹底解決，還有待于各國(guó)科學(xué)家的共同努力。（5）長(zhǎng)期植入體內(nèi)不會(huì)減小機(jī)械強(qiáng)度許多人工臟器一旦植入體內(nèi)，將長(zhǎng)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(huì)很快失去原有的機(jī)械強(qiáng)度。事實(shí)上，在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中，高分子材料受到各種因素的影響，其性能不可能永遠(yuǎn)保持不變。我們僅希望變化盡可能少一些，或者說(shuō)壽命盡可能長(zhǎng)一些。一般來(lái)說(shuō)，化學(xué)穩(wěn)定性好的，不含易降解基團(tuán)的高分子材料，機(jī)械穩(wěn)定也比較好。如聚酰胺的酰胺基團(tuán)在酸性和堿性條件下都易降解，因此，用作人體各部件時(shí)，均會(huì)在短期內(nèi)損失其機(jī)械強(qiáng)度，故一般不適宜選作植入材料。而聚四氟乙烯的化學(xué)穩(wěn)定性較好，其在生物體內(nèi)的穩(wěn)定性也較好。(《功能高分子材料》，P187～188)2、醫(yī)用高分子材料的前世今生早在公元前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(bǔ)受傷的顱骨。公元前500年的中國(guó)和埃及墓葬中發(fā)現(xiàn)假牙、假鼻、假耳。進(jìn)入20世紀(jì)，高分子科學(xué)迅速發(fā)展，新的合成高分子材料不斷出現(xiàn)，為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域提供了更多的選擇余地。1936年發(fā)明了有機(jī)玻璃后，很快就用于制作假牙和補(bǔ)牙，至今仍在使用。1943年，賽璐珞薄膜開(kāi)始用于血液透析。1949年，美國(guó)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。50年代，有機(jī)硅聚合物被用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，使人工器官的應(yīng)用范圍大大擴(kuò)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。進(jìn)入60年代，醫(yī)用高分子材料開(kāi)始進(jìn)入一個(gè)嶄新的發(fā)展時(shí)期。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(mén)為生物醫(yī)學(xué)目的設(shè)計(jì)和合成的，在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)了許多問(wèn)題，如凝血問(wèn)題、炎癥反應(yīng)、組織病變問(wèn)題、補(bǔ)體激活與免疫反應(yīng)問(wèn)題等。人們由此意識(shí)到必須針對(duì)醫(yī)學(xué)應(yīng)用的特殊需要，設(shè)計(jì)合成專用的醫(yī)用高分子材料。美國(guó)國(guó)立心肺研究所在這方面做了開(kāi)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(xué)家和醫(yī)學(xué)家積極開(kāi)展合作研究，使醫(yī)用高分子材料快速發(fā)展起來(lái)。至80年代以來(lái)，發(fā)達(dá)國(guó)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(gè)嶄新的生物材料產(chǎn)業(yè)。醫(yī)用高分于作為一門(mén)邊緣學(xué)科，融和了高分子化學(xué)、高分子物理、生物化學(xué)、合成材料工藝學(xué)、病理學(xué)、藥理學(xué)、解剖學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)等多方面的知識(shí)，還涉及許多工程學(xué)問(wèn)題，如各種醫(yī)療器械的設(shè)計(jì)、制造等。上述學(xué)科的相互交融、相互滲透，促使醫(yī)用高分子材料的品種越來(lái)越豐富，性能越來(lái)越完善，功能越來(lái)越齊全。高分子材料雖然不是萬(wàn)能的，不可能指望它解決一切醫(yī)學(xué)問(wèn)題，但通過(guò)分子設(shè)計(jì)的途徑，合成出具有生物醫(yī)學(xué)功能的理想醫(yī)用高分子材料的前景是十分廣闊的。有人預(yù)計(jì)，在21世紀(jì)，醫(yī)用高分子將進(jìn)入一個(gè)全新的時(shí)代。除了大腦之外，人體的所有部位和臟器都可用高分子材料來(lái)取代。仿生人也將比想象中更快地來(lái)到世上。目前用高分子材料制成的人工器官中，比較成功的有人工血管、人工食道、人工尿道、人工心臟瓣膜、人工關(guān)節(jié)、人工骨、整形材料等。巳取得重大研究成果，但還需不斷完善的有人工腎、人工心臟、人工肺、人工胰臟、人工眼球、人造血液等。另有一些功能較為復(fù)雜的器官，如人工肝臟、人工胃、人工子宮等。則正處于大力研究開(kāi)發(fā)之中。從應(yīng)用情況看，人工器官的功能開(kāi)始從部分取代向完全取代發(fā)展，從短時(shí)間應(yīng)用向長(zhǎng)時(shí)期應(yīng)用發(fā)展，從大型向小型化發(fā)展，從體外應(yīng)用向體內(nèi)植入發(fā)展、人工器官的種類(lèi)從與生命密切相關(guān)的部位向人工感覺(jué)器官、人工肢體發(fā)展。醫(yī)用高分子材料研發(fā)過(guò)程中遇到的一個(gè)巨大難題是材料的抗血栓問(wèn)題。當(dāng)材料用于人工器官植入體內(nèi)時(shí)，必然要與血液接觸。由于人體的自然保護(hù)性反應(yīng)將產(chǎn)生排異現(xiàn)象，其中之一即為在材料與肌體接觸表面產(chǎn)生凝血，即血栓，結(jié)果將造成手術(shù)失敗，嚴(yán)重的還會(huì)引起生命危險(xiǎn)。對(duì)高分子材料的抗血栓性研制是醫(yī)用高分子研究中的關(guān)鍵問(wèn)題，至今尚未完全突破。將是今后醫(yī)用高分子材料研究中的首要問(wèn)題。3、醫(yī)用高分子材料的發(fā)展及展望我國(guó)醫(yī)用高分子材料的研究起步較早、發(fā)展較快。目前約有50多個(gè)單位從事這方面的研究,現(xiàn)有醫(yī)用高分子材料60多種,制品達(dá)400余種,用于醫(yī)療的聚甲基丙烯酸甲酯每年達(dá)300ｔ。然而,我國(guó)醫(yī)用高分子材料的研究目前仍然處于經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)階段[5],還沒(méi)有能夠建立在分子設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上。因此,應(yīng)該以材料的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系,材料的化學(xué)組成、表面性質(zhì)和生命體組織的相容性之間的關(guān)系為依據(jù)來(lái)研究開(kāi)發(fā)新材料。醫(yī)用高分子材料要應(yīng)用于生物體必須同時(shí)要滿足生物功能性、生物相容性、化學(xué)穩(wěn)定性和可加工性等嚴(yán)格的要求。生物醫(yī)用材料的研究和發(fā)展方向主要包括以下幾方面:3.1組織工程材料組織工程是應(yīng)用生命科學(xué)與工程的原理和方法構(gòu)建一個(gè)生物裝置,來(lái)維護(hù)、增進(jìn)人體細(xì)胞和組織的生長(zhǎng),以恢復(fù)受損組織或器官的功能。它的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)受損組織和器官的修復(fù)或再建,延長(zhǎng)壽命和提高健康水平。其方法是:將特定組織細(xì)胞“種植”于一種生物相容性良好、可被人體逐步降解吸收的生物材料上,形成細(xì)胞-生物材料復(fù)合物;生物材料為細(xì)胞的增長(zhǎng)繁殖提供三維空間和營(yíng)養(yǎng)代謝環(huán)境;隨著材料的降解和細(xì)胞的繁殖,形成新的與自身功能和形態(tài)相適應(yīng)的組織或器官。這種具有生命力的活體組織或器官能對(duì)病損組織或器官進(jìn)行結(jié)構(gòu)、形態(tài)和功能的重建,并達(dá)到永久替代。

3.2生物醫(yī)用納米材料———藥物控釋材料及基因治療載體材料高分子藥物控制釋放體系不僅能提高藥效,簡(jiǎn)化給藥方式,大大降低藥物的毒副作用,而且納米靶向控制釋放體系使藥物在預(yù)定的部位,按設(shè)計(jì)的劑量,在需要的時(shí)間范圍內(nèi),以一定的速度在體內(nèi)緩慢釋放,從而達(dá)到治療某種疾病或調(diào)節(jié)生育的目的一次性注射或口服的高分子疫苗制劑的開(kāi)發(fā),將克服普通疫苗需多次注射方能奏效的缺點(diǎn),而深受人們的重視。高分子避孕疫苗的研制又將為人類(lèi)的生育調(diào)節(jié)提供一個(gè)簡(jiǎn)便、無(wú)毒副作用、十分安全的新方法,并有可能成為未來(lái)控制人口增長(zhǎng)的重要措施?；蛑委熓菍?dǎo)入正常基因于特定的細(xì)胞(癌細(xì)胞)中,對(duì)缺損或致病的基因進(jìn)行修復(fù),或者導(dǎo)入能夠表達(dá)出具有治療癌癥功能的蛋白質(zhì)基因,或?qū)肽茏柚贵w內(nèi)致病基因合成蛋白質(zhì)的基因片段來(lái)組織致病基因發(fā)生作用,從而達(dá)到治療的目的?；虔煼ǖ年P(guān)鍵是導(dǎo)入基因的載體,只有借助載體,正?；虿拍苓M(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)。目前,高分子納米材料和脂質(zhì)體是基因治療的理想載體,它具有承載容量大、安全性能高的特點(diǎn)。近來(lái)新合成的樹(shù)枝狀高分子材料作為基因?qū)氲妮d體值得關(guān)注。（《醫(yī)用高分子》，P145）

3.3復(fù)合生物材料作為硬組織修復(fù)材料的主體,復(fù)合生物材料受到廣泛重視,它具有強(qiáng)度高、韌性好的特點(diǎn),目前已廣泛用于臨床。通過(guò)具有不同性能材料的