醫(yī)用高分子材料研究進展

醫(yī)用高分子材料研究進展摘要：現代醫(yī)學的發(fā)展，對材料的性能提出了復雜而嚴格的要求，金屬材料和無機材料難以滿足，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結構，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展。關鍵詞：醫(yī)用高分子材料高分子化學組織工程材料生物醫(yī)用納米材料復合生物材料醫(yī)用高分子材料指的是在醫(yī)學上使用的高分子材料,是一門介于現代醫(yī)學和高分子科學之間的新興學科。它涉及到物理學、化學、生物化學、病理學、醫(yī)學、輸血學等多種邊緣學科。目前,醫(yī)用高分子材料的應用已遍及整個醫(yī)學領域,其用量也持續(xù)穩(wěn)定增長。（《功能高分子材料》P185）1、醫(yī)用高分子材料的分類和應用醫(yī)用高分子材料的范圍很廣,根據高分子材料的降解性可分為二類非降解型高分子材料包括塑料纖維與彈性體類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、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。根據材料的應用領域不同,醫(yī)用高分子材料可分為以下幾類:(1)與血液接觸的高分子材料是指用來制造人工血管、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,不破壞紅細胞,即不產生溶血作用;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構;②調節(jié)細胞生理功能;③免疫保護。(3)藥用高分子材料必須具備下列條件:①本身及其分散產物應無毒,不會引起炎癥和組織變異反應,無致癌性;②進入血液系統(tǒng)的藥物不會引起血栓;③具有水溶性,能在體內水解為具有藥理活性的基團;④能有效到達病灶處,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;對于導入方式進入循環(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、硬兩種類型。硬性材料(如:聚酯等)的特點是強度高,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)可加工成復合薄膜。(5)眼科用高分子材料這類材料的基本要求是:①具有優(yōu)良的光學性質,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)生化學反應;④有一定的力學強度,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能迅速聚合而沒有過量的熱和毒副產物產生;③在創(chuàng)傷愈合時粘合劑可被吸收而不干擾正常的愈合過程。手術用縫合線可分為非吸收型和可吸收型2大類。(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、對醫(yī)用高分子的基本要求醫(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。由于醫(yī)用高分子與人們的健康密切相關，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。2.1化學隋性，不會因與體液接觸而發(fā)生反應人體環(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、交聯和相變化；2)體內的自由基引起材料的氧化降解反應；3)生物酶引起的聚合物分解反應；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、類固醇及脂肪等物質滲入高分子材料，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)用手術縫合線時，在發(fā)揮了相應的效用后，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，不應產生對人體有害的副產物。2.2對人體組織不會引起炎癥或異物反應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。（3）不會致癌根據現代醫(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，如化學組成、交聯度、相對分子質量及其分布、分子鏈構象、聚集態(tài)結構、高分子材料中所含的雜質、殘留單體、添加劑都可能與致癌因素有關。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。（4）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。（5）長期植入體內不會減小機械強度許多人工臟器一旦植入體內，將長期存留，有些甚至伴隨人們的一生。因此，要求植入體內的高分子材料在極其復雜的人體環(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受傷的顱骨。公元前500年的中國和埃及墓葬中發(fā)現假牙、假鼻、假耳。進入20世紀，高分子科學迅速發(fā)展，新的合成高分子材料不斷出現，為醫(yī)學領域提供了更多的選擇余地。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、關節(jié)和股骨，利用聚酰胺纖維作為手術縫合線的臨床應用情況。50年代，有機硅聚合物被用于醫(yī)學領域，使人工器官的應用范圍大大擴大，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）、人工關節(jié)（1954年）、人工肝（1958年）等。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。60年代以前，醫(yī)用高分子材料的選用主要是根據特定需求，從已有的材料中篩選出合適的加以應用。由于這些材料不是專門為生物醫(yī)學目的設計和合成的，在應用中發(fā)現了許多問題，如凝血問題、炎癥反應、組織病變問題、補體激活與免疫反應問題等。人們由此意識到必須針對醫(yī)學應用的特殊需要，設計合成專用的醫(yī)用高分子材料。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)用高分子材料產業(yè)化速度加快，基本形成了一個嶄新的生物材料產業(yè)。醫(yī)用高分于作為一門邊緣學科，融和了高分子化學、高分子物理、生物化學、合成材料工藝學、病理學、藥理學、解剖學和臨床醫(yī)學等多方面的知識，還涉及許多工程學問題，如各種醫(yī)療器械的設計、制造等。上述學科的相互交融、相互滲透，促使醫(yī)用高分子材料的品種越來越豐富，性能越來越完善，功能越來越齊全。高分子材料雖然不是萬能的，不可能指望它解決一切醫(yī)學問題，但通過分子設計的途徑，合成出具有生物醫(yī)學功能的理想醫(yī)用高分子材料的前景是十分廣闊的。有人預計，在21世紀，醫(yī)用高分子將進入一個全新的時代。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取代。仿生人也將比想象中更快地來到世上。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發(fā)之中。從應用情況看，人工器官的功能開始從部分取代向完全取代發(fā)展，從短時間應用向長時期應用發(fā)展，從大型向小型化發(fā)展，從體外應用向體內植入發(fā)展、人工器官的種類從與生命密切相關的部位向人工感覺器官、人工肢體發(fā)展。醫(yī)用高分子材料研發(fā)過程中遇到的一個巨大難題是材料的抗血栓問題。當材料用于人工器官植入體內時，必然要與血液接觸。由于人體的自然保護性反應將產生排異現象，其中之一即為在材料與肌體接觸表面產生凝血，即血栓，結果將造成手術失敗，嚴重的還會引起生命危險。對高分子材料的抗血栓性研制是醫(yī)用高分子研究中的關鍵問題，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題。3、醫(yī)用高分子材料的發(fā)展及展望我國醫(yī)用高分子材料的研究起步較早、發(fā)展較快。目前約有50多個單位從事這方面的研究,現有醫(yī)用高分子材料60多種,制品達400余種,用于醫(yī)療的聚甲基丙烯酸甲酯每年達300ｔ。然而,我國醫(yī)用高分子材料的研究目前仍然處于經驗和半經驗階段[5],還沒有能夠建立在分子設計的基礎上。因此,應該以材料的結構與性能關系,材料的化學組成、表面性質和生命體組織的相容性之間的關系為依據來研究開發(fā)新材料。醫(yī)用高分子材料要應用于生物體必須同時要滿足生物功能性、生物相容性、化學穩(wěn)定性和可加工性等嚴格的要求。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用生命科學與工程的原理和方法構建一個生物裝置,來維護、增進人體細胞和組織的生長,以恢復受損組織或器官的功能。它的主要任務是實現受損組織和器官的修復或再建,延長壽命和提高健康水平。其方法是:將特定組織細胞“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,形成細胞-生物材料復合物;生物材料為細胞的增長繁殖提供三維空間和營養(yǎng)代謝環(huán)境;隨著材料的降解和細胞的繁殖,形成新的與自身功能和形態(tài)相適應的組織或器官。這種具有生命力的活體組織或器官能對病損組織或器官進行結構、形態(tài)和功能的重建,并達到永久替代。

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定的部位,按設計的劑量,在需要的時間范圍內,以一定的速度在體內緩慢釋放,從而達到治療某種疾病或調節(jié)生育的目的一次性注射或口服的高分子疫苗制劑的開發(fā),將克服普通疫苗需多次注射方能奏效的缺點,而深受人們的重視。高分子避孕疫苗的研制又將為人類的生育調節(jié)提供一個簡便、無毒副作用、十分安全的新方法,并有可能成為未來控制人口增長的重要措施?；蛑委熓菍胝；蛴谔囟ǖ募毎?癌細胞)中,對缺損或致病的基因進行修復,或者導入能夠表達出具有治療癌癥功能的蛋白質基因,或導入能阻止體內致病基因合成蛋白質的基因片段來組織致病基因發(fā)生作用,從而達到治療的目的。基因療法的關鍵是導入基因的載體,只有借助載體,正?；虿拍苓M入細胞核內。目前,高分子納米材料和脂質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。近來新合成的樹枝狀高分子材料作為基因導入的載體值得關注。（《醫(yī)用高分子》，P145）

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