生物醫(yī)用功能纖維發(fā)展?fàn)顩r

1、生物醫(yī)用功能纖維發(fā)展?fàn)顩r 生物醫(yī)用功能纖維材料生物醫(yī)用功能纖維材料 的發(fā)展概況的發(fā)展概況 生物醫(yī)用功能纖維發(fā)展?fàn)顩r 生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域用的各種分生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域用的各種分 離技術(shù)離技術(shù) 醫(yī)用功能纖維材料醫(yī)用功能纖維材料 高分子藥物與藥物纖維高分子藥物與藥物纖維 生物醫(yī)用功能纖維發(fā)展?fàn)顩r 一一. 生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域用的各種分離生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域用的各種分離 技術(shù)技術(shù) 概述概述 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)物質(zhì)利用的深度和廣 度的不斷開(kāi)拓，物質(zhì)的分離和提純成為了一個(gè)重要的 課題。分離技術(shù)的類型包括：同種物質(zhì)按大小和分子 量的不同而分離；異種物質(zhì)按組分的不同而分離；不 同物質(zhì)狀態(tài)的分離和綜合性分離。 傳統(tǒng)的化工過(guò)程常見(jiàn)的分

2、離方法有篩分、過(guò)濾、離 心分離、濃縮、蒸餾、蒸發(fā)、萃取、重結(jié)晶等。但是， 對(duì)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(shí)現(xiàn)，或達(dá)不到精度，或極大的消耗能源而無(wú)實(shí)用 價(jià)值。 生物醫(yī)用功能纖維發(fā)展?fàn)顩r 生物產(chǎn)品的特點(diǎn)生物產(chǎn)品的特點(diǎn) 生物產(chǎn)品是指在生產(chǎn)過(guò)程中的某一階 段，應(yīng)用生化反應(yīng)制得的產(chǎn)品。它包括 傳統(tǒng)的生物技術(shù)產(chǎn)品，如用發(fā)酵生產(chǎn)的 有機(jī)溶劑、氨基酸、有機(jī)酸、抗生素等； 現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)品，如用重組DNA技術(shù) 生產(chǎn)的醫(yī)療性多肽和蛋白質(zhì)。它們與一 般的化學(xué)產(chǎn)品生產(chǎn)不同，而有其自身的 特點(diǎn)。 生物醫(yī)用功能纖維發(fā)展?fàn)顩r 產(chǎn)物一般為濃度很低的水溶液大

3、多 數(shù)生化反應(yīng)都以水為溶劑 培養(yǎng)液是多組分的混合物 穩(wěn)定性差 對(duì)最終產(chǎn)品的質(zhì)量要求很高 生物醫(yī)用功能纖維發(fā)展?fàn)顩r 生物醫(yī)學(xué)制品的純化過(guò)程生物醫(yī)學(xué)制品的純化過(guò)程 各種生物醫(yī)學(xué)制品因本身性能和產(chǎn)品 用途不同，其純化過(guò)程互有差異。一般 而言，按生產(chǎn)的順序可分為如下四個(gè)步 驟，如圖所示。 生物醫(yī)用功能纖維發(fā)展?fàn)顩r 發(fā)酵液的預(yù)處理與不溶物的去除 因技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的原因，通常采用過(guò)濾和離 心分離法。為加速不溶物的分離，可同時(shí)使用 絮凝和凝聚技術(shù)；為減少過(guò)濾介質(zhì)的阻力還可 采用錯(cuò)流膜過(guò)濾技術(shù)。 產(chǎn)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(shù)。根據(jù)產(chǎn)品的質(zhì)量要求，可采用其 中一單元操作，或多級(jí)加工

4、程序。 產(chǎn)物的精制 圖中所列單元操作對(duì)產(chǎn)物有高度的選擇性， 需根據(jù)雜質(zhì)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(chǎn)品的最終用途和要求，決定成品的 加工方法。 生物醫(yī)用功能纖維發(fā)展?fàn)顩r 純化過(guò)程的發(fā)展動(dòng)向純化過(guò)程的發(fā)展動(dòng)向 下圖列出了各種單元操作目前的技術(shù)成熟 程度與工業(yè)應(yīng)用度之間的近似關(guān)系。由圖可知， 傳統(tǒng)的吸收與精餾過(guò)程，雖然其技術(shù)成熟程度 和工業(yè)應(yīng)用度都很高，但仍有進(jìn)一步提高和改 善的必要，因?yàn)樗鼈儗儆诹看竺鎻V的的技術(shù)， 它們的提高和改善，將給生產(chǎn)帶來(lái)極為可觀的 經(jīng)濟(jì)效益；處于曲線中部的一些單元操作，如 結(jié)晶、萃取、離子交換、吸附等，屬于迅速發(fā) 展中的分離技術(shù)，尚需進(jìn)一步提高

5、其理論深度、 并擴(kuò)展其應(yīng)用廣度，其中萃取技術(shù)從用于核燃 料的提取、分離和純化開(kāi)始，擴(kuò)展到生物產(chǎn)品 的分離和純化過(guò)程，同時(shí)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。 生物醫(yī)用功能纖維發(fā)展?fàn)顩r 1-精餾；2-吸收；3-結(jié)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(jìn)料）；9-吸附 （液固）；10-膜（氣相進(jìn)料）； 11-色譜分離法；12-超臨界萃??；13-液膜；14- 場(chǎng)致分離；15-親和分離 生物醫(yī)用功能纖維發(fā)展?fàn)顩r 當(dāng)前生物醫(yī)學(xué)產(chǎn)品純化過(guò)程的新趨向是多 種分離、純化技術(shù)的相結(jié)合，也包括新、老技 術(shù)的相互交叉、滲透與融合，形成所謂融

6、合技 術(shù)，或稱子代技術(shù)，如膜分離與親和酸基相結(jié) 合，形成了親和膜分離過(guò)程；膜分離與離心分 離相結(jié)合，形成了膜離心分離過(guò)程等。 生物技術(shù)的下游工程與上游工程相結(jié)合， 如發(fā)酵與分離耦合過(guò)程的研究也是當(dāng)今生物化 學(xué)工程的研究熱點(diǎn)之一。其優(yōu)點(diǎn)是解除終產(chǎn)物 的反饋抑制效應(yīng)，提高轉(zhuǎn)化率。還可簡(jiǎn)化產(chǎn)物 的提取過(guò)程，縮短生產(chǎn)周期，增加產(chǎn)率，收到 一舉多得效果。 生物醫(yī)用功能纖維發(fā)展?fàn)顩r 膜分離技術(shù)膜分離技術(shù) 膜廣泛地存在于自然界，起著分隔、分離、 選擇性透過(guò)等重要功能。膜分離技術(shù)是指用半透膜 作為選擇性障礙層，憑借外部能量或化學(xué)位差，使 混合體系中某些組分透過(guò)，而保留其他組分，從而 達(dá)到分級(jí)、分離、提純、富集

7、等目的的技術(shù)的總稱。 這里所指的膜（Membrane）應(yīng)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(hù)作用，如農(nóng)用地膜、包裝薄膜等；而膜是指位于 一種流體相內(nèi)、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(chǎn)生傳質(zhì)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。 生物醫(yī)用功能纖維發(fā)展?fàn)顩r 膜分離技術(shù)既能使混合流體按組份不同而分離， 又能對(duì)流體進(jìn)行凈化和濃縮。它因具有如下優(yōu)點(diǎn)而 受到重視和蓬勃發(fā)展:分離時(shí)沒(méi)有相態(tài)變化，故不 必加熱，也無(wú)需加入其他試劑，因此能耗降低，而 且不產(chǎn)生二次污染；設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，占 地面積小，成本低，有利于實(shí)行連續(xù)化生產(chǎn)和自動(dòng)

8、 控制；可以使一些按傳統(tǒng)方法難以分離的物質(zhì)，如 共沸物，熱敏性物質(zhì)，或化學(xué)穩(wěn)定性差的物質(zhì)以及 生物制品等得以實(shí)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(guān)外，還與膜上微孔的孔徑、連通 性和孔隙率等因素密切有關(guān)。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(zhì)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。 生物醫(yī)用功能纖維發(fā)展?fàn)顩r 中空纖維膜的橫截面結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu) 生物醫(yī)用功能纖維發(fā)展?fàn)顩r 圖3 中空纖維

9、膜的 圖4 中空纖維膜的 雙針指狀層結(jié)構(gòu) 海綿狀支撐層結(jié)構(gòu) 膜表面為致密層；中間為支撐層，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(guò)渡層，過(guò)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^(guò)調(diào)節(jié)鑄膜工藝而調(diào)節(jié)孔的 大小及分布。 生物醫(yī)用功能纖維發(fā)展?fàn)顩r 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(diǎn)，可根據(jù)分離的需 要而選擇。 典型的膜過(guò)程有:氣體分離、反滲透、 離子交換、透析、電滲析、超濾、微過(guò) 濾和滲透蒸發(fā)等。 生物醫(yī)用功能纖維發(fā)展?fàn)顩r 概述概述 許多科學(xué)工作者正致力于生命奧秘的探索， 主要

10、集中在：生物組織的結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)與器官功 能的關(guān)系；生物器官的設(shè)計(jì)和研制等三方面。 對(duì)醫(yī)用材料的要求：首先，要有醫(yī)療功能， 還必須強(qiáng)調(diào)安全性。外用醫(yī)療材料與肌體接觸 時(shí)間短，要求稍低，而與血液直接接觸或植入 體內(nèi)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(yīng)滿足如下基本要求： 生物醫(yī)用功能纖維發(fā)展?fàn)顩r （1）聚合物純度高； （2）化學(xué)性能不活潑； （3）無(wú)毒，不引起腫瘤或過(guò)敏反應(yīng)， 沒(méi)有異物反應(yīng)； （4）穩(wěn)定的物理化學(xué)性能和良好的力 學(xué)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(fù)雜形狀。 生物醫(yī)用功能纖維發(fā)展?fàn)顩r 醫(yī)用軟組織材料醫(yī)用軟組織材料 高

11、吸水性纖維材料高吸水性纖維材料 高吸水性材料是一種含有強(qiáng)吸水性基團(tuán)并存在一定交聯(lián)度的高 分子材料。吸水能力高達(dá)自身重量的500-2500倍，甚至高達(dá)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，改性聚乙烯醇。 醫(yī)用縫合線醫(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。放射性纖維。 食用保健纖維食用保健纖維 生物醫(yī)用功能纖維發(fā)展?fàn)顩r 人造皮膚人造皮膚 作用：防止水分和體液的揮發(fā)或流失；防止 細(xì)菌感染；使肉芽或上皮生長(zhǎng)；促進(jìn)傷口愈合。 要求

12、：柔軟、優(yōu)良的彈性、緊貼創(chuàng)面；透濕、 透氣、抗菌；無(wú)刺激作用；能促進(jìn)新皮的長(zhǎng)出； 可進(jìn)行滅菌處理。 人造血管人造血管 醫(yī)用富氧器：把空氣中氧富集至醫(yī)用富氧器：把空氣中氧富集至40%或以上?；蛞陨稀?神經(jīng)通道神經(jīng)通道 水果保鮮系統(tǒng)：使周圍氣氛含水果保鮮系統(tǒng)：使周圍氣氛含O2 3%，CO2 5%， N2 92%。 抗菌防臭纖維抗菌防臭纖維 麻醉性纖維麻醉性纖維 生物醫(yī)用功能纖維發(fā)展?fàn)顩r 人工臟器人工臟器 人工腎血液透析器人工腎血液透析器 因腎臟器質(zhì)性病變、事故、中毒等原因，使 腎功能衰竭而造成新陳代謝物質(zhì)在體內(nèi)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

13、尿 素、尿酸和肌肝酸等。人工腎主要有血液透析、 血液過(guò)濾、血液透析過(guò)濾等三種類型，其中以 人工腎血液透析器的應(yīng)用最多。人工腎透析器 流程示意如圖 生物醫(yī)用功能纖維發(fā)展?fàn)顩r 生物醫(yī)用功能纖維發(fā)展?fàn)顩r 人工肝透析器人工肝透析器 肝臟是擔(dān)負(fù)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(guò)量、過(guò)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(zhì)濃度的提高引起 神經(jīng)癥狀、昏睡，最終導(dǎo)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(diǎn)，目前已放棄 使用。透析方法正在發(fā)展中。 生物醫(yī)用功能纖維發(fā)展?fàn)顩r 肝腹水超濾濃縮器肝腹水超濾濃縮器 肝腹水是

14、一種常見(jiàn)疾病，臨床上通常 采取定期排除病人體內(nèi)腹水以緩解病情， 但同時(shí)必須給病人回輸?shù)鞍住?腹水濃縮器是把病人體內(nèi)的腹水進(jìn)行 濃縮，除去水及對(duì)人體無(wú)用的物質(zhì)，并 將其中的蛋白回輸給病人的新技術(shù)。 有時(shí)，患者的肝硬變和肝癌合并發(fā)生， 在進(jìn)行腹水濃縮前應(yīng)首先除去癌細(xì)胞和 細(xì)菌，然后再排除水及低分子廢液。 生物醫(yī)用功能纖維發(fā)展?fàn)顩r 血液濃縮器血液濃縮器 在體外循環(huán)心內(nèi)直視手術(shù)中廣泛應(yīng) 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(xì)胞外液增加，影響心肺功能的恢復(fù)。 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 人工肺主要用于胸腔外科手術(shù)以及呼 吸不

15、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。 生物醫(yī)用功能纖維發(fā)展?fàn)顩r 混合型人工臟器混合型人工臟器 人工臟器的發(fā)展已逐漸進(jìn)入混合型， 即從單功能走向多功能。如把酶和生物 細(xì)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(cè)固定蛋白酶，合成 的白蛋白可通過(guò)膜而進(jìn)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(chǎn)物尿 素在酶的催化下轉(zhuǎn)化成氨，并在酶促下 轉(zhuǎn)化成谷氨酸，使混合型人工腎有更高 級(jí)的功能。級(jí)的功能。 生物醫(yī)用功能纖維發(fā)展?fàn)顩r 三三. 高分子藥物與藥物纖維高分子藥物與藥物纖維 高分子藥物高分子藥物 傳統(tǒng)的低分子藥物因易被吸收，

16、又易于排泄而缺乏 持久性；藥物在體內(nèi)分布廣而缺乏選擇性。 近年來(lái)研制的高分子藥物基本上能克服上述缺點(diǎn)。 目前主要研究方向?yàn)椋核幬锟刂漆尫?；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；高分子載體藥物；低 分子藥物包埋于高聚物膜中。 高分子物質(zhì)的釋放和送達(dá)體系：高分子藥物進(jìn)入身 體后，以適當(dāng)?shù)臐舛?、持續(xù)時(shí)間、導(dǎo)向并集聚到患病 的器官、臟器或細(xì)胞部位，以充分發(fā)揮藥物的療效。 生物醫(yī)用功能纖維發(fā)展?fàn)顩r 高分子藥物的釋放體系可分為： (1) 時(shí)間控制釋放體系：零級(jí)釋放；脈 沖釋放 (2) 部位控制送達(dá)體系 (3) 智能型藥物送達(dá)體系：使藥物在所 定部位、所定時(shí)間、以所定劑量 釋放。 生物醫(yī)用功能纖維發(fā)展?fàn)顩r 藥物纖維藥物纖維 以紡織品作為藥物的載體已有久遠(yuǎn) 的歷史。如由古代的香囊、香袋發(fā)展而 來(lái)的安眠藥枕、神功元?dú)獯惖谋＝?用品；又如由藥膏發(fā)展而來(lái)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