生物醫(yī)用高分子材料

生物醫(yī)用高分子材料應(yīng)化101班吳輝摘要：:闡述了生物醫(yī)用高分子材料的應(yīng)用研究與發(fā)展?fàn)顩r,綜述了生物醫(yī)用高分子材料的分類、特性及研究成果，展望了未來的生物醫(yī)用高分子材料的發(fā)展趨勢。在功能高分子材料領(lǐng)域，生物醫(yī)用高分子材料可謂異軍突起，目前已成為發(fā)展最快的一個(gè)重要分支。生物醫(yī)用高分子材料指用于生理系統(tǒng)疾病的診斷、治療、修復(fù)或替換生物體組織或器官，增進(jìn)或恢復(fù)其功能的高分子材料。研究領(lǐng)域涉及材料學(xué)、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)。雖已有四十多年的研究歷史，但蓬勃發(fā)展始于20世紀(jì)70年代。簡單地說，所謂生物醫(yī)用高分子材料(Poly-mericbio-materials)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體內(nèi)，有的也可以部分植入體內(nèi)而部分暴近十年來，由于生物醫(yī)學(xué)工程、材料科學(xué)和生物技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)用高分子材料及其制品正以其特有的生物相容性、無毒性等優(yōu)異性能而獲得越來越多的醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)按照材料的組成和性質(zhì)，生物醫(yī)用材料可分為醫(yī)用金屬材料、醫(yī)用陶瓷材料和醫(yī)用高分子材料3大類(以及3者組合而成的復(fù)合材料)。3類材料均有廣闊市場，其中，高分子材料的物理化學(xué)性能與金屬、陶瓷等材料相比，與人體組織更加匹配(骨密質(zhì)等除外),并且改性和成型加工也相對較容易，因此其適用面最廣，在未來醫(yī)學(xué)的高、制備醫(yī)用高分子材料的來源廣泛，大致可以分為天然高分子材料、合成高分子材料兩類。目前已開發(fā)并投入使用的醫(yī)用高分子材料的原材料分類列于表1。天然高分子蛋白質(zhì)合成高分子表1醫(yī)用高分子材料的原材料分類醫(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(xué)性能、功能性)和生物相(1)在化學(xué)上是不活潑的，不會因與體液或血液接觸而發(fā)生變化；(2)對周圍組織不會引起炎癥反應(yīng)；(3)不會產(chǎn)生遺傳毒性和致癌；(5)長期植入體內(nèi)也應(yīng)保持所需的拉伸強(qiáng)度和彈性等物理機(jī)械性能；(7)能經(jīng)受必要的滅菌過程而不變形；(8)易于加工成所需要的、復(fù)雜的形態(tài)。人工肺等的醫(yī)用材料,要求這種材料要有良好的抗凝血性、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。為提高人造器官的血液相容性，現(xiàn)階段的研究重點(diǎn)是對現(xiàn)有生物材料的表面進(jìn)行改性和修飾，方法有：接枝親水性長側(cè)鏈；引入生物活性物質(zhì)抑制血液與外源材料的(2)組織工程用高分子材料方法來了解正常和病理的哺乳類組織的結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系,以及研制生物代用品以恢復(fù)、維持或改善其功能的一門科學(xué)。細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)技術(shù)的日臻成熟和生物相容性材料的開發(fā)與研究,使得創(chuàng)造由活細(xì)胞和生物相容性材料組成的人造生物組織或器官成為可能。生物相容性材料的開發(fā)是組織工程核心技術(shù)之一。作為這種材料使用的聚合物主要有聚乳酸(PLA)、聚羥基乙酸(PGA)及其共聚物(PLGA)等。與低分子藥物相比，藥用高分子具有低毒、高效、緩釋、長效、可定點(diǎn)釋放等優(yōu)點(diǎn)。作為藥用高分子必須具備下列條件：1)本身及其分解產(chǎn)物應(yīng)無毒，不會引起炎癥和組織變異反應(yīng),無致癌性；2)進(jìn)入血液系統(tǒng)的藥物不會引起血栓；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排泄系統(tǒng)排出體外；對于導(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。包裝藥物的高分子材料可分為軟、硬兩種類型。硬性材料(如：聚醋等)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。這類材料的基本要求是：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、人工晶狀生物醫(yī)用粘合劑是指將組織粘合起來的組織粘合劑，它們除了應(yīng)具備一般軟組織植入物所應(yīng)有的條件外，還應(yīng)滿足下列要求：①在活體能承受的條件下固化，使組織粘合；②能迅速聚合而沒有過量的熱和毒副產(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程。醫(yī)用粘合劑可粘合各種組織,例如可進(jìn)行牙齒粘合，血管、組織、肌肉粘合,腦動脈瘤表面補(bǔ)強(qiáng)、防止破裂粘合,及骨粘合等。常用的粘合劑有a-氰基丙烯酸烷基酯類,甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚物及亞甲基丙二酸甲基手術(shù)用縫合線可分為非吸收型和可吸收型兩大類。非吸收類包括天然纖維(如蠶絲、木棉、麻及馬毛等)和合成纖維(如PET、PA、PP、PE單絲、PTFE及PU等)?？晌疹惏ㄌ烊桓叻肿硬牧?如羊腸線、骨膠原、纖維蛋白等)和合成高分子材料(如聚乙烯醇、聚羥乙基丁酸酯、聚乳酸、聚氨基酸及聚羥基乙酸等)。其中,由聚乳酸和聚羥基乙酸或兩者的共聚物制成的縫合線因性能優(yōu)越而倍受關(guān)注。這種縫合線強(qiáng)度可靠,對創(chuàng)口縫合能力強(qiáng)，又可生物降解而被肌體吸收,是一種理想的醫(yī)用縫合線。高分子材料制的醫(yī)療器件有一次性醫(yī)療用品(注射器、輸液器高分子材料如聚丙烯和聚4-甲基-1-戊烯制造。血袋一般由軟PVC或LDPE制成。一石膏用于骨折固定。硅橡膠、聚酯、聚四氟乙烯、聚酸酐及聚乙烯醇等都是性能良好的矯形材料，已廣泛用于假肢制造及整形外科等領(lǐng)域。表2列出了通用一次性高分子導(dǎo)管營養(yǎng)導(dǎo)管表2通用一次性高分子醫(yī)療用具的種類和材料21世紀(jì)是生物技術(shù)時(shí)代，克隆技術(shù)的突破性進(jìn)展已給人類帶來了無限的想象空間。用儲存容量提高10億倍的生物計(jì)算機(jī)模擬人腦將成為可能,智能機(jī)器人將在廣泛的領(lǐng)域發(fā)揮作用。此外,人工臟器將更多地挽救臨危病人,高分子長效緩釋藥物將給人類的健康帶來福音。由于一切生命物質(zhì)的基本單元都是有機(jī)分子,而人體就是由多種功能高分子復(fù)雜組裝起來的有機(jī)結(jié)合體,因此,從分子設(shè)計(jì)理論的角度來看,由人工合成各種功能的生物醫(yī)用高分子都是可能的，功能高分子具有向一切領(lǐng)域縱深發(fā)展的美妙前景。由于天然材料的有限，人們需要大量的生物材料來維持他們的健康。合成高分子材料因與人體器官組織的天然高分子有著及其相似的化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理性能，以為莪可以植入人體，部分或者全部取代有關(guān)器官。因此，在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了最為廣泛的應(yīng)用，成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的重要支柱材料。與天然生物材料相比，合成高分子材料具有優(yōu)異的生物相容性，不會因與體液接觸而產(chǎn)生排斥和致癌作用，在人體環(huán)境中的老化不明顯。通過選用不同成分聚合物的添加改變表面活性狀態(tài)等方法可進(jìn)一步改善其抗血栓性和耐久性，從而獲得高度可靠和實(shí)彈的有機(jī)物功能影響的生物合成高分子材料。目前適用于人體植入產(chǎn)品的高分子合成材料包括聚酰胺，環(huán)氧樹脂，聚乙烯，聚乙烯醇，聚乳酸，聚甲醛，據(jù)甲基丙烯酸甲脂，聚四氟乙烯，聚醋酸乙烯酯，硅橡膠和凝膠等。應(yīng)用場合設(shè)計(jì)組織粘合，手術(shù)縫線，眼科材料(人工玻璃體，人工角膜和人工晶狀體等),軟組織植入物(人工心臟，人工腎，人工肝等)和人工管形器(人工器官，食道)等。合成醫(yī)用高分子材料發(fā)展的第一階段始于1937年，其特點(diǎn)是所用高分子材料都是已有現(xiàn)成材料，如用丙烯酸甲脂制造義齒的牙床。第二節(jié)階段始于1953年，其標(biāo)志是醫(yī)用級有機(jī)硅橡膠的出現(xiàn)，隨后又發(fā)展了酸酯縫合線以及四種聚 (米一氨)脂心血管材料，從此進(jìn)入了以分子工程研究為基礎(chǔ)的發(fā)展時(shí)期。目激發(fā)人體組織器官再生修復(fù)的新材料，這標(biāo)志著生物醫(yī)用在分子設(shè)計(jì)上以促進(jìn)周圍組織細(xì)胞生長為預(yù)想功能，其關(guān)鍵在于誘使配合基和組織細(xì)胞表面的特殊位點(diǎn)發(fā)生作用以提高組織細(xì)胞的分裂和生長速度。目前已開發(fā)并投入使用的醫(yī)用高分子材料的原材料分類列表1物或信和事全作念合水好過自的竹軍參或放成分利否真停的相部也物或信和事全作念合水好過自的竹軍參或放成分利否真停的相部也中聲傷中業(yè)制中的業(yè)喻過盛依體者詩儀多糖類纖維素、淀粉、殼聚精等天燃高分子蛋白質(zhì)膠原、明膠、白蛋白等特失組織羊膜、腸線、豬皮等非吸收性合成高分子聚苯乙頭、聚能膠、院乙姓而，聚乙二應(yīng)等吸收性氨基酸等大部分醫(yī)用高分子材料是要用于人體的，它在植入后將會與人體發(fā)生一系列的相互作用，為保證氣使用的安全性和有效性，目前國內(nèi)外對所有進(jìn)入臨床應(yīng)用的醫(yī)用高分子材料的要求十分嚴(yán)格并且建立了一系列的評價(jià)體系(圖1)度工上有成檢質(zhì)出等1反立盛好小世冉度A*,*a增理性質(zhì)的變化長中核質(zhì)的變化性重網(wǎng)板種在心T化制性代控評冷生塔相事性律價(jià)體系生塔相事性律價(jià)體系生內(nèi)理解試驗(yàn)訊價(jià)安內(nèi)服傷法算任階孔盡試事評計(jì)荷待計(jì)力學(xué)或驗(yàn)評價(jià)生在人發(fā)商青七，室年除了作為材料在力學(xué)強(qiáng)度等方面的普遍要求之外，醫(yī)用高分子材料的特殊要求可以綜合概括為以下4個(gè)方面：1)生物功能性：因各種生物材料的用途而異，如：作為緩釋藥物時(shí)，藥物的緩2)生物相容性：可以概括為材料和活體之間的相互聯(lián)系，主要包括血液相容性和組織相容性。組織相容性主要指無毒性，無致癌性，無熱源反應(yīng)，無免疫排斥反應(yīng)，不破壞鄰近組織等。血液相容性一般指不引起凝血，不破壞紅細(xì)3)化學(xué)穩(wěn)定性：耐生物老化性或可生物降解性。對于長期植入的醫(yī)用高分子材料，生物穩(wěn)定性要好，對于暫時(shí)植入的醫(yī)用高分子材料，則要求在確定時(shí)間4)生產(chǎn)加工性：首先，嚴(yán)格控制用于合成醫(yī)用高分子材料的原料純度，不能帶第四，便于消毒滅菌(紫外滅菌，高壓煮沸，環(huán)氧乙烷氣體消毒和酒精消毒正因?yàn)閷τ卺t(yī)用高分子材料的高要求嚴(yán)格，相關(guān)的研發(fā)周期一般比較長，需要經(jīng)過體外實(shí)驗(yàn)，動物實(shí)驗(yàn)，臨川實(shí)驗(yàn)等不同階段的實(shí)驗(yàn)，材料市場化需要經(jīng)過國家藥品和醫(yī)療器械部門的批準(zhǔn)，且報(bào)批程序復(fù)雜，費(fèi)用高。這也是醫(yī)用高分子材料涉及到多個(gè)學(xué)科，根據(jù)不同的角度醫(yī)用高分子材料有不同的分類方法，尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。為了便于比較不同結(jié)構(gòu)的生物材料對于各種治療硬組織相容性高分子材料(如各種人工骨，人工關(guān)節(jié)，牙根等)是醫(yī)學(xué)臨床上應(yīng)用量很大的一類產(chǎn)品，涉及醫(yī)學(xué)臨床的骨科，額外科和整形外科多個(gè)?？疲缶哂信c替代組織累夠與周圍組織結(jié)合在一起。如牙科材料(蛀牙填補(bǔ)用樹脂，假牙和人工假牙根，人工齒冠材料和硅橡膠牙托軟襯墊等);人造骨，關(guān)節(jié)材料聚甲丙烯酸甲酯等。隨著生命科學(xué)，材料科學(xué)，醫(yī)學(xué)臨床的發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，此類用途人工血管人工心臟人工皮膚人工骨各種醫(yī)用插管人工肌肉(硅橡膠和滌綸織物)與韌帶材料等。這類材料往往要求具有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和彈性以及軟組織相容性，在發(fā)揮其功能的同時(shí)，不對鄰近軟組織(如肌肉，肌腱，皮膚，皮下等)產(chǎn)生不良影響，不引起嚴(yán)重的組織病變。血液相容性高分子材料在醫(yī)用高分子材料的應(yīng)用方面，有相當(dāng)多的器件必須與血液接觸，例如：各種體外循環(huán)系統(tǒng)，介入治療系統(tǒng)，人工血管(聚對苯二甲酸乙二脂)和人工心瓣等人工臟器。血液相容性高分子材料必須不引起凝高分子藥物指帶有高分子鏈的藥物和具有藥效的高分藥物(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，抗病毒),抗輻射高分子藥物和高分1)為了使藥物以最小的計(jì)量在特定部位產(chǎn)生治療藥效2)優(yōu)化藥物釋放速率以提高療效，腳底毒副作用。高分子控制釋放體系包括時(shí)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(靶向藥物)和脈沖釋放方式(智能藥物)。從人工器官到高效緩釋高分子藥物都取得了很多成果的巨大效益。據(jù)美國健康工業(yè)制造者協(xié)會資料報(bào)告，1995年世界市場達(dá)1200億美元，美國為510億美元，預(yù)計(jì)21世紀(jì)將成為國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)。目前除了人腦外的大部分人體器目前植入的人工器官市場已達(dá)30億美元，人工心臟導(dǎo)管市場的年增長率為10%,1999年達(dá)到6億美元，目前，生物材料制品的總產(chǎn)值已達(dá)40億美元，其中生物高分子及制品的產(chǎn)值為25億美元。據(jù)統(tǒng)計(jì)：截至1990年，美國，日本和西歐等國發(fā)表的有關(guān)醫(yī)用高分子的學(xué)術(shù)論文和專利已超過3萬篇。我國醫(yī)用高分子材料的研究起步比較晚，但這幾年的發(fā)展比較快。目前約有50多個(gè)單位從事這方面的研究?，F(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)300噸。然而，我國醫(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，還沒有能夠建立在分子設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)體組織的相容性之間的關(guān)系為依據(jù)來研究開發(fā)新材料。醫(yī)用高分子材料要應(yīng)用于生物體必須同事要滿足生物功能性，生物相容性，化學(xué)穩(wěn)定性和可加工性等增進(jìn)人體細(xì)胞和組織的生長，以恢復(fù)受損組織或器官功先受損組織和器官的修復(fù)或再建，延長壽命和提高健康定組織細(xì)胞“種植”于一種生物相容性良好，可被人體料上，形成細(xì)胞-生物材料復(fù)合物，生物材料為營養(yǎng)代謝環(huán)境，隨著材料的降解和細(xì)胞的繁殖，形成新適應(yīng)的組織或器官。這種具有生命力的活體組織或器官對病損組織或器官進(jìn)行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)的計(jì)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)到又將為人類的生育調(diào)節(jié)提供一個(gè)簡便，無毒副作用，十分安全的新方法，并有基因治療是導(dǎo)入正?；蛴谔囟ǖ募?xì)胞(癌細(xì)胞)中，對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)的基因片段來組織致病基因發(fā)生作用，從而達(dá)到治療的目的。基因治療的關(guān)鍵是導(dǎo)入基因治療的理想載安全性能高的特點(diǎn)。近年新合成的樹枝狀高分子材料作為基因?qū)氲妮d體值得韌性好的特點(diǎn)，目前已廣泛用于臨床。通過具有不同性能材料的復(fù)合，可以達(dá)到“取長補(bǔ)短”的效果，可以有效的解決材料的強(qiáng)度，人性以及生物相容