1、生物醫(yī)用高分子材料及其應(yīng)用 摘要：隨著人民生活水平的提高和現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展，生物醫(yī)用高分子材料日益重要，在醫(yī)療費(fèi)用中的比重也十分突出。近幾年來(lái),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,生物醫(yī)用高分子材料及其制品正以其特有的生物相容性、無(wú)毒性等優(yōu)異性能而獲得越來(lái)越多的醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用。關(guān)鍵詞： 生物醫(yī)用高分子材料；基礎(chǔ)研究；合成；醫(yī)療器械 Biomedical Polymeric Materials and their applicationsAbstract: Biomedical polymeric materials have been of the increasing importanc

2、e for human health ，and much progress has been made during the latest decade.。In recent years，biomedical polymer materials and products have increasingly found clinical application owing to their excellent performances such as unique biological histocompatibility,，and non-toxicity with the developme

3、nt of biomedical engineering, materials science and biotechnology.Key words: Polymeric Biomedical Materials; Basic Research; Synthesis; Medical device 0引言醫(yī)用高分子是一類令人矚目的功能高分子材料,是一門介于現(xiàn)代醫(yī)學(xué)和高分子科學(xué)之間的新興學(xué)科。醫(yī)用高分子材料是一類可對(duì)有機(jī)體組織進(jìn)行修復(fù)、替代與再生,具有特殊功能作用的新型高技術(shù)合成高分子材料,是科學(xué)技術(shù)中的一個(gè)正在發(fā)展的新領(lǐng)域,不僅技術(shù)含量和經(jīng)濟(jì)價(jià)值高,而且對(duì)人類的健康生活和社會(huì)發(fā)展具有極其重大

4、意義,它已滲入到醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)的各個(gè)部門并應(yīng)用于臨床的診斷與治療。1.醫(yī)用高分子材料發(fā)展的4個(gè)階段第1階段：時(shí)間大約是7千年前至19世紀(jì)中葉，是被動(dòng)地使用天然高分子材料階段。這一時(shí)期的高分子材料有，大漆及其制品、蠶絲及織物、麻、棉、羊皮、羊毛、紙、桐油等。第2階段：從19世紀(jì)中頁(yè)到20世紀(jì)20年代，是對(duì)天然高分子材料進(jìn)行化學(xué)改性，從而研制新材料階段。在這階段中，人類首次研制出合成高分子材料(酚醛樹脂)。這一時(shí)期的高分子材料有，硫化橡膠，賽璐珞(硝基纖維素脂)、硝基纖維素酯，人造絲、纖維素粘膠絲、酚醛樹脂清漆和電木等。第3階段：20-世紀(jì)30年代至60年代，是人類大量研制新合成高分子材料階段。在

5、這一階段，“高分子科學(xué)”概念已經(jīng)誕生，大批高分子化學(xué)家投入到新聚合物的合成和新材料開發(fā)的研究領(lǐng)域。從而導(dǎo)致了至今天仍有重要意義的大批通用高分子材料的誕生。例如順丁、丁苯、丁納等合成橡膠的出現(xiàn)；尼龍66、聚酯(PET)、聚丙烯腈等合成纖維的出現(xiàn)；聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚酰亞胺、有機(jī)硅、有機(jī)氟、雜環(huán)高分子等塑料和樹脂的出現(xiàn)。第4階段：從20世紀(jì)60年代至今，是人類對(duì)高分子材料大普及、大擴(kuò)展階段。在這個(gè)階段，人類對(duì)上述聚合物的使用更加合理，聚合物生產(chǎn)的價(jià)格更為低廉，從而使高分子材料滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)及人類生活的各個(gè)方面，使高分子材料成為了人類社會(huì)繼金屬材料，無(wú)機(jī)材料之后的第3大材

6、料。2.醫(yī)用高分子的現(xiàn)狀2.1醫(yī)用高分子材料的目前需求隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,尤其是生物技術(shù)的重大突破,生物材料的應(yīng)用將更加廣泛,需求量也隨之越來(lái)越大。生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展如此迅猛,主要?jiǎng)恿?lái)自于人口老齡化、中青年創(chuàng)傷的增多、疑難疾病患者的增加和高新技術(shù)的發(fā)展。生物材料的研究與開發(fā)被許多國(guó)家列入高技術(shù)關(guān)鍵新材料發(fā)展計(jì)劃,并迅速成為國(guó)際高技術(shù)制高點(diǎn)之一。作為世界人口最多的國(guó)家,生物材料的市場(chǎng)潛力十分巨大。據(jù)民政部門報(bào)告:我國(guó)現(xiàn)有的肢體不自由患者已超過(guò)1 500 萬(wàn),其中肢殘患者約800 萬(wàn);由類風(fēng)濕引發(fā)的大骨節(jié)病患者有數(shù)百萬(wàn);冠心病患者已超過(guò)1 000 萬(wàn);白內(nèi)障盲人約500 萬(wàn);牙缺損和牙缺失

7、患者高達(dá)3 億 4 億人; 肝炎病毒攜帶者1. 2 億;心血管病患者2 000 萬(wàn);需計(jì)劃生育的育齡婦女2 000 萬(wàn);伴隨人口老齡化(60 歲以上的老年人口已達(dá)1. 39 億人,約占全國(guó)人口的10. 69 %) 的骨質(zhì)疏松患者7 000 萬(wàn);每年由于疾病、交通事故和運(yùn)動(dòng)創(chuàng)傷等造成的骨缺損和缺失患者人數(shù)近1 000 萬(wàn)人;需要進(jìn)行顱頜面和胸部美容整形的人數(shù)有數(shù)千萬(wàn)人。這還不包括數(shù)目龐大的各類軟組織、血液和器官疾病患者人數(shù)4。我國(guó)醫(yī)用高分子材料研制和生產(chǎn)迅速發(fā)展,初具規(guī)模,已經(jīng)成為一個(gè)新興產(chǎn)業(yè),總產(chǎn)值的增長(zhǎng)率遠(yuǎn)高于國(guó)民經(jīng)濟(jì)平均發(fā)展速度。可見,生物材料是一個(gè)巨大的產(chǎn)業(yè),生物材料的不可缺少性,尤其是

8、進(jìn)口材料動(dòng)輒上萬(wàn)元的價(jià)格決定了我國(guó)必須加強(qiáng)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的生物材料的研究開發(fā)。12.2生物醫(yī)用功能高分子材料分類由于高分子生物材料由多學(xué)科參與研究工作，出現(xiàn)了不同的分類方式。高分子生物材料隨不同來(lái)源、應(yīng)用目的、活體組織對(duì)材料的影響等可以分為多種類型。目前，這些分類方法和各種高分子生物材料的名稱還處于混合實(shí)用狀態(tài)，尚無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。按材料來(lái)源可分為天然和人工合成兩大類，下面我們就分別對(duì)這兩種材料進(jìn)行詳細(xì)的論述。2.21天然生物材料天然生物材料是指從自然界現(xiàn)有的動(dòng)、植物體中提取的天然活性高分子，如從各種甲殼類、昆蟲類動(dòng)物體中提取的甲殼質(zhì)殼聚糖纖維，從海藻植物中提取的海藻酸鹽，從桑蠶體內(nèi)分泌的蠶絲經(jīng)

9、再生制得的絲素纖維與絲素膜，以及由牛屈肌腱重新組構(gòu)而成的骨膠原纖維6等。這些纖維由于他們來(lái)自生物體內(nèi)且都具有很高的生物功能和很好的生物適應(yīng)性，在保護(hù)傷口、加速創(chuàng)面愈方面具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，已引起國(guó)內(nèi)外醫(yī)務(wù)界廣泛的關(guān)注。自然界廣泛存在的天然生物材料仍有著人工材料無(wú)可比擬的優(yōu)越性能。根據(jù)研究報(bào)道，由于天然高分子醫(yī)用材料的獨(dú)特臨床效果，它的應(yīng)用前景相當(dāng)廣闊。2.22合成生物材料由于天然材料的有限，人們需要大量的生物材料來(lái)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極其相似的化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理性能，因而可以植入人體，部分或全部取代有關(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)

10、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(huì)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(guò)選用不同成分聚合物和添加劑，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適當(dāng)有機(jī)物功能響應(yīng)的生物合成高分子材料。目前，使用于人體植入產(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、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚醋酸乙烯酯、硅橡膠和硅凝膠等。應(yīng)用場(chǎng)合涉及組織粘合、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。22

11、.3醫(yī)用高分子材料的特殊要求大部分醫(yī)用高分子材料是要用于人體的，它在植入后將會(huì)與人體發(fā)生一系列的相互作用，為保證其使用的安全性和有效性，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)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(píng)價(jià)體系。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),藥物的緩釋性能就是其生物功能性。2) 生物相容性:可概括為材料和活體之間的相互關(guān)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(wú)毒性,無(wú)致癌性,無(wú)熱原反應(yīng),無(wú)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

12、血,不破壞紅細(xì)胞,不破壞血小板,不改變血中蛋白,不擾亂電解質(zhì)平衡。3) 化學(xué)穩(wěn)定性: 耐生物老化性或可生物降解性。對(duì)于長(zhǎng)期植入的醫(yī)用高分子材料,生物穩(wěn)定性要好;對(duì)于暫時(shí)植入的醫(yī)用高分子材料,則要求在確定時(shí)間內(nèi)降解為無(wú)毒的單體或片段,通過(guò)吸收、代謝過(guò)程排出體外。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,不能帶入有害物質(zhì),重金屬含量不能超標(biāo);其次,材料加工助劑必須符合醫(yī)用標(biāo)準(zhǔn);第三,對(duì)于體內(nèi)應(yīng)用的高分子材料,生產(chǎn)環(huán)境應(yīng)當(dāng)具有符合標(biāo)準(zhǔn)的潔凈級(jí)別; 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等) 。正因?yàn)閷?duì)于醫(yī)用高分子材料的要求嚴(yán)格,相關(guān)的研發(fā)周期一般較

13、長(zhǎng),需要經(jīng)過(guò)體外實(shí)驗(yàn)、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)、臨床實(shí)驗(yàn)等不同階段的試驗(yàn),材料市場(chǎng)化需要經(jīng)國(guó)家藥品和醫(yī)療器械檢驗(yàn)部門的批準(zhǔn),且報(bào)批程序復(fù)雜,費(fèi)用高。這也是生物材料的市場(chǎng)價(jià)格居高不下的一個(gè)重要原因。33.醫(yī)用高分子材料的主要類別和應(yīng)用醫(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(wú)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(duì)于各種治療目的的適用性,按生物醫(yī)學(xué)用途分類如下:3. 1 硬組織相容性高分子材料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、頜面外科、口腔科、顱腦外科和整形外科等多個(gè)專科,往往要求具有與替代組織

14、類似的機(jī)械性能,同時(shí)能夠與周圍組織結(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)材料聚甲基丙烯酸甲酯等。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,此類材料具有越來(lái)越廣闊的臨床應(yīng)用前景和巨大的經(jīng)濟(jì)效益。3.2 軟組織相容性高分子材料軟組織相容性高分子材料主要用于軟組織的替代與修復(fù),如隆鼻豐胸材料、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(duì)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。43.3 血液相容性高

15、分子材料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(duì)苯二甲酸乙二酯) 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血、溶血等生理反應(yīng),與活性組織有良好的互相適應(yīng)性。3.4 高分子藥物和藥物控釋高分子材料高分子藥物指帶有高分子鏈的藥物和具有藥效的高分子,如: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(dòng)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子止血?jiǎng)┑取８叻肿硬牧现苽渌幬锟刂漆尫胖苿┲饕袃蓚€(gè)目的:1) 為了使藥物以最小的劑量在特

16、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,降低毒副作用。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(jí)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) 。54 .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晚，但這幾年的發(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)300 t 。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 ,還沒(méi)有能夠建立在分子設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上。展望未來(lái),高新技術(shù)的注入將極大地增強(qiáng)醫(yī)用高分子材料產(chǎn)業(yè)的活力。常規(guī)醫(yī)學(xué)材料的

17、應(yīng)用中所面臨的人工關(guān)節(jié)失效的磨損碎屑問(wèn)題,心血管器件的抗凝血問(wèn)題,材料的降解機(jī)制問(wèn)題,評(píng)價(jià)材料和植入體長(zhǎng)期安全性、可靠性的可靠方法和模型等問(wèn)題有望得到改善。但同發(fā)達(dá)國(guó)家相比,我國(guó)的醫(yī)用高分子相關(guān)產(chǎn)業(yè)的規(guī)模以及研究開發(fā)的水平都還有較大的差距。我國(guó)加入WTO 后醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)將面臨重大挑戰(zhàn)和機(jī)遇,所以應(yīng)在國(guó)家的大力支持下,跨部門、跨學(xué)科通力合作,通過(guò)走自力更生與技術(shù)引進(jìn)相結(jié)合之路,在生物材料、分子設(shè)計(jì)、仿生模擬、智能化藥物控施等方面重點(diǎn)投入。醫(yī)用高分子材料必將為造福人類做出更大貢獻(xiàn)。 參考文獻(xiàn)(References)1劉傳貴,孫昌,孫康寧. 生物材料的研究現(xiàn)狀與發(fā)展J .甘肅科學(xué)學(xué)報(bào),2004 ,1

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