聚偏氟乙烯在醫(yī)學(xué)上的研究進(jìn)展和應(yīng)用

劉一凡，朱偉偉，方 敏

（浙江省化工研究院有限公司，浙江 杭州 310023）

聚偏氟乙烯在醫(yī)學(xué)上的研究進(jìn)展和應(yīng)用

劉一凡，朱偉偉，方 敏

（浙江省化工研究院有限公司，浙江 杭州 310023）

聚偏氟乙烯（PVDF）作為適用范圍僅次于聚四氟乙烯的第二大氟樹脂品種，在石油化工、電子電器、氟碳涂料等方面均有廣泛應(yīng)用。由于PVDF具有良好的壓電性能和機(jī)械性能，再加上生物相容性，其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究也逐漸得到拓寬。本文主要介紹了其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展，并列舉了實例。

聚偏氟乙烯；壓電性能；機(jī)械性能；醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

0 引言

在含氟聚合物中，聚偏氟乙烯由于具有穩(wěn)定的耐熱性、耐化學(xué)性和可加工性受到材料界的關(guān)注。在材料的開發(fā)和應(yīng)用上，PVDF擔(dān)當(dāng)著更加重要的角色，已被廣泛應(yīng)用于涂料、管材、電池隔膜以及水處理等領(lǐng)域。除此之外，由于具有疏水性、耐磨性及在壓電膜上的高靈敏、耐沖擊、聲阻抗低等性能，因而可以滿足醫(yī)學(xué)領(lǐng)域特殊材料及元件的設(shè)計要求[1-2]。本文主要闡述了PVDF在醫(yī)用材料、醫(yī)用傳感器等方面的應(yīng)用和研究。

1 醫(yī)用材料

1.1 醫(yī)用膜

PVDF具有良好的壓電性，再加上其本身具有的生物相容性，制備的電刺激型醫(yī)用膜，促進(jìn)各種生長因子的表達(dá)和分泌，影響細(xì)胞的增殖和分化過程。

M.Wang等[3]開發(fā)了具有核殼結(jié)構(gòu)的PVDF/PVP復(fù)合納米纖維膜，通過對小鼠成纖維細(xì)胞培養(yǎng)時發(fā)現(xiàn)3 h后細(xì)胞的成活率達(dá)到94%，說明PVDF/PVP具有良好的生物相容性；上述制備的超疏水耐纖維膜可用于可傷口愈合和傷口敷料，其疏水性可防止水分從傷口處揮發(fā)，高孔率和較好的拉伸性能也能保持膜的透氣性和柔韌性。Guo等[4]研究了電紡制備的PU/PVDF纖維膜的力學(xué)性能和壓電性能。在支架膜上培養(yǎng)的小鼠成纖維細(xì)胞呈現(xiàn)正常的形態(tài)，且PVDF的壓電效應(yīng)有利于成纖維細(xì)胞的粘附和增殖過程。T.He等[5]制備了負(fù)載恩諾沙星（Enro）的PVDF納米纖維膜，并對纖維膜的機(jī)械強(qiáng)度、抗菌性能及藥物釋放功能進(jìn)行了探究。研究發(fā)現(xiàn)，Enro/PVDF復(fù)合纖維膜具有良好的彈性、柔韌性及優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度，通過控制藥物的釋放時間將藥效達(dá)到最大，釋放時間持續(xù)3 d。

1.2 醫(yī)用紗布

以高分子聚合物為材料制備醫(yī)用紗布已成為新型紗布的主要發(fā)展趨勢，不僅能吸收體液，使傷口表面保持干爽，使其不受細(xì)菌感染，還具有較好的生物相容性和可降解性。

NASA提出以PVDF為主要材料制備醫(yī)用紗布，通過受傷人員對該類紗布進(jìn)行輕微的觸碰或敲擊，產(chǎn)生的微量電流能夠加速傷口的愈合。主要是利用PVDF的壓電性和熱釋電性，人為產(chǎn)生電流，加速傷口愈合。溫度的變化和輕微動作產(chǎn)生定向張力或壓力導(dǎo)致的熱能或機(jī)械能使PVDF材質(zhì)紗布兩側(cè)感應(yīng)電荷產(chǎn)生相應(yīng)的變化，形成微電流，使血液加速循環(huán)，有利于傷口復(fù)原。另外產(chǎn)生電荷的方向垂直于應(yīng)力產(chǎn)生方向，同時需要根據(jù)基材來進(jìn)行傳導(dǎo)，因此施加不同方向的應(yīng)力導(dǎo)致產(chǎn)生電位差的方向不同，再加上紗布紋理（PVDF纖維）的排列，可以控制電流方向，進(jìn)而影響傷口的愈合程度[6]。

1.3 其他應(yīng)用

PVDF形成的支架結(jié)構(gòu)和細(xì)胞外基質(zhì)相似，因此可與其他材料復(fù)合使用作為人造器官或修補(bǔ)元件。如利用PVDF的生物相容性將其和人造血管復(fù)合使用，利用其傳感能力可以準(zhǔn)確測量修補(bǔ)后血管中的血流情況、管壁中固體物質(zhì)的沉積情況和修補(bǔ)后血管孔隙中的細(xì)胞生長情況[7]。在疝氣病發(fā)過程中，通過PVDF修補(bǔ)片替代常規(guī)的PP修補(bǔ)片，不僅保持原來的蠕變形變和彈性回復(fù)率，同時提高了彈性和長期穩(wěn)定性[8]。

2 壓電薄膜傳感器

以PVDF為材料制備的壓電薄膜具有柔軟、輕薄、壓電常數(shù)高、響應(yīng)速度快等特點，可以適應(yīng)大幅度的變形，薄膜的紅外光譜在7～20 μm波長范圍有很強(qiáng)的吸收，而人體的熱輻射也基本上處于這個范圍，因此可以利用其制備的薄膜傳感器檢測人體的各項生理指標(biāo)，幫助醫(yī)生實時觀察病人病情及生理狀況。

2.1 醫(yī)用傳感器

PVDF壓電薄膜的響應(yīng)頻率范圍很寬，低限截止頻率約為0.001 Hz，可以匹配不同的電荷放大器來同時獲取呼吸（約0.2 Hz）和心跳（約1 Hz）信號，進(jìn)行長時實時監(jiān)測，其主要應(yīng)用包括脈搏傳感器、心電傳感器、體溫傳感器等。

譚嘉俊[9]利用PVDF設(shè)計出一種符合中醫(yī)手指切脈特點、結(jié)構(gòu)簡單的脈搏傳感器，與目前應(yīng)用的單探頭脈搏傳感器不同，可以同時檢測脈搏軸向張力和徑向搏動力信號。通過動態(tài)測試分析及脈搏測量實驗，結(jié)果表明，利用PVDF制作的新型脈搏傳感器科學(xué)合理，具有實用價值。羅衍鑫等[10]根據(jù)PVDF的應(yīng)變傳感機(jī)理，設(shè)計了一種測量心率信號的系統(tǒng)。系統(tǒng)中兩個濾波電路可以有效地將雜波濾除，增強(qiáng)了傳感器的靈敏度和精確度，并且對傳感器的實際應(yīng)用效果進(jìn)行了仿真工作，具有較好的抗干擾性和線性度。Javad和Ram等[11]利用PVDF薄膜具有機(jī)械柔性的特點，開發(fā)了內(nèi)窺鏡檢查用齒形觸覺傳感器，用于對敏感性組織的力和順應(yīng)性進(jìn)行測量，為醫(yī)學(xué)上敏感組織的力和順應(yīng)性測量提供了一種參考方法。使用PVDF壓電膜還可以制作B超用超聲探頭、紅外圖像儀、熱圖像儀等。

2.2 仿生傳感器

仿生傳感器是近年來臨床研究中比較熱門的研究領(lǐng)域，并且在刺激、視聽辨別、觸覺等方面都已有最新成果問世。人造皮膚觸覺傳感器中的電子鼻就是典型的產(chǎn)品，通過PVDF、無觸點皮膚敏感系統(tǒng)以及具有壓力敏感傳導(dǎo)功能的橡膠觸覺傳感器等組成，對產(chǎn)生觸覺的多個參數(shù)都敏感。通過分析由此傳感器陣列所收集到的輸出值來識別未知分析物。在臨床應(yīng)用中，電子鼻根據(jù)信號能繪出患者的呼吸圖，醫(yī)生可以從中看出患者是否受到細(xì)菌的侵害，電子鼻還能根據(jù)細(xì)菌種類提供對抗這種細(xì)菌的最有效的抗生素[12]。張玲等[13]使用PVDF制作具有觸覺、滑覺、溫覺的仿生皮膚傳感器，研究其壓電特性，建立仿生皮膚的分析模型，對其動態(tài)特性和靜態(tài)特性進(jìn)行分析，證明其擁有良好的觸覺、溫覺和滑覺。

3 存在的問題

將PVDF應(yīng)用于醫(yī)學(xué)研究，與傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)材料相比，具有方便、可靠、性價比高等優(yōu)點，但在推廣上也存在不少問題，一是醫(yī)用PVDF多為靜電紡絲纖維或壓電膜，產(chǎn)量較小，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)較為困難；二是目前對PVDF為基的醫(yī)學(xué)材料或傳感器的特性和應(yīng)用研究不夠透徹。因此如何實現(xiàn)醫(yī)用PVDF的產(chǎn)業(yè)化，優(yōu)化PVDF或其復(fù)合材料的特性會是將來的主要研究內(nèi)容。

[1] 魏建華，錢勇，吳君毅，等.PVDF/PMMA復(fù)合材料膜的性能及應(yīng)用[J].有機(jī)氟工業(yè)，2015，（2）：40-45.

[2] 張雨，王清海，崔劍，等.聚偏氟乙烯壓電薄膜研究進(jìn)展[J].工程塑料應(yīng)用，2003，31（8）：62-64.

[3] Wang M，F(xiàn)ang D，Wang N，et al.Preparation of PVDF/PVP core-shell nanofibers mats via homogeneous electrospinning[J].Polymer，2014，55（9）：2188-2196.

[4] Guo H F，Li Z S，Dong S W，et al.Piezoelectric PU/PVDF electrospun scaffolds for wound healing applications[J].Colloids and Surfaces B：Biointerfaces，2012，96：29-36.

[5]He T，Wang J，Huang P，et al.Electrospinning polyvinylidene fluoride fibrous membranes containing anti-bacterial drugs used as wound dressing[J].Colloids and Surfaces B：Biointerfaces，2015，130：278-286.

[6] 醫(yī)療紗布[J].高科技與產(chǎn)業(yè)化，2016，11：20.

[7] 孫慶蘭.小口徑組織工程血管構(gòu)建的初步研究[D].天津：天津工業(yè)大學(xué)，2010.

[8] 王穎初.聚偏二氟乙烯（PVDF）疝修補(bǔ)片的制備與研究[D].上海：東華大學(xué)，2014.

[9] 譚嘉俊.基于PVDF的脈搏傳感器研究[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2013.

[10]羅衍鑫，張森，鞏建福，等.基于PVDF的心率傳感器設(shè)計[J].科技風(fēng)，2016，18：245.

[11]Javad D，Ramin S，Singh H，et al.Modeling and testing of an endoscopic piezoelectric-based tactilesensor[J].Mechatronics，2007，17：462-467

[12]王明時，高偉，李寧，孫偉.醫(yī)用傳感器的發(fā)展[J].中 國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報，2005，24（6）：668-671.

[13]張玲，何偉，蔣陽.一種適合于機(jī)器人仿生皮膚傳感器的性能研究[J].機(jī)器人，1999，21（4）：309-311.

Research and Application of Polyvinylidene Fluoride in Medicine

LIU Yi-fan， ZHU Wei-wei， FANG Min
（Zhejiang Chemical Industry Research Institute Co.,Ltd.,Hangzhou， Zhejiang 310023，China）

Absrtact： As the second scope of application after PTFE，PVDF is widely used in the petrochemical，electrical and electronic，fluorocarbon coatings.Having good piezoelectric properties and mechanical properties， coupled with its biocompatibility， its research in the medical field has gradually been widened.This paper mainly introduced its application in the field of medicine and listed examples.

PVDF；piezoelectric properties；mechanical properties；medical field

1006-4184（2017）11-0001-03

2017-09-21

劉一凡（1988-），男，碩士，工程師，主要研究方向為含氟聚合物產(chǎn)品開發(fā)。E-mail：liuyifan@sinochem.com。