生物醫(yī)用高分子材料性能優(yōu)勢(shì)及器械抗菌表面構(gòu)建研究

許 盛

(西安醫(yī)學(xué)院,陜西西安 712000)

在醫(yī)療服務(wù)體系與公共衛(wèi)生體系中,醫(yī)療器械作為最為關(guān)鍵的基礎(chǔ)裝備,需要全面強(qiáng)化對(duì)于制備材料的重視,以確保器械功能得以充分有效發(fā)揮[1]。高分子材料是醫(yī)療器械制備材料的重要組成部分,其中塑料、橡膠、纖維等最為常見(jiàn),已實(shí)現(xiàn)了各種醫(yī)療器械生產(chǎn)制造中的普遍應(yīng)用,例如全降解冠脈支架、植骨材料、人工皮膚與血管、醫(yī)用導(dǎo)管、介入診療導(dǎo)管、抗菌高分子敷料等等[2]。而在醫(yī)療器械進(jìn)入人體之后,其表面滋生的細(xì)菌很容易造成感染,影響病人生命安全。所以,必須加強(qiáng)對(duì)醫(yī)療器械表面抗菌的重視。造成感染的關(guān)鍵在于細(xì)菌依附于醫(yī)療器械表面,基于信號(hào)分子彼此交流,引導(dǎo)相同類型細(xì)菌積聚。在信號(hào)分子濃度上升之后,細(xì)菌體內(nèi)基因激活,便會(huì)分泌出蛋白成分,以此生成完整生物膜結(jié)構(gòu),若生物被膜生成,那么膜內(nèi)部細(xì)菌的殺菌要素抵抗能力與防止機(jī)體免疫系統(tǒng)清除能力就會(huì)顯著提高,進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)菌持續(xù)感染。據(jù)此本文針對(duì)醫(yī)療器械用高分子材料性能優(yōu)勢(shì)及其抗菌表面構(gòu)建進(jìn)行了深入研究與分析。

1 醫(yī)療器械用高分子材料性能優(yōu)勢(shì)分析

1.1 完善醫(yī)療體系

隨著化學(xué)合成與生物工藝水平整體提高,高分子材料的應(yīng)用越發(fā)廣泛,基于可降解高分子材料引進(jìn),設(shè)計(jì)醫(yī)療器械,可完善醫(yī)療體系,有些解決臨床醫(yī)學(xué)問(wèn)題。而且高分子材料力學(xué)性能良好,具備耐受滅菌效果,在制備醫(yī)療器械時(shí),可加工為多形態(tài)成品,成本低,重金屬污染小,且不會(huì)造成材料表面鈣化。以往心血管冠脈支架均以不可降解材料制備,并不適合大范圍使用[3]。但高分子材料的衍生,徹底解決了此難題,其同時(shí)也是冠脈支架自主研發(fā)的熱門,是醫(yī)療器械生產(chǎn)制造的重要措施。當(dāng)前生物可吸收冠脈支架已投入實(shí)踐應(yīng)用,不僅可為人體部位提供支撐,還可加快血管流通速度。若將支架安裝于人體部位,在完全吸收之后,可自動(dòng)分解于人體,吸收或排出。而且醫(yī)護(hù)人員需對(duì)靶血管中的殘?jiān)锱c異物進(jìn)行詳細(xì)檢測(cè),以評(píng)估血管疏通成效,并為后續(xù)干預(yù)性治療奠定基礎(chǔ)。此支架結(jié)構(gòu)原料為可吸收左旋聚乳酸與外消旋聚乳酸所制,可長(zhǎng)期留存人體,可吸收左旋聚乳酸是目前應(yīng)用最為常見(jiàn)的可降解高分子材料,人體只需2～12 個(gè)月便可完全吸收,在經(jīng)過(guò)降解之后便會(huì)轉(zhuǎn)化成二氧化碳與水。就臨床表現(xiàn)可知,可吸收心血管冠脈支架可能會(huì)引發(fā)一定的心臟不適問(wèn)題,但是可以緩慢適應(yīng),以此獲取良好效果。

1.2 解決醫(yī)學(xué)問(wèn)題

常見(jiàn)的醫(yī)療器械主要有體外診斷裝備、醫(yī)用耗材、醫(yī)療設(shè)備等,呈現(xiàn)出多元化特征。在醫(yī)療器械體系中,最普遍的材料是塑料,不僅成本低,易于加工,且質(zhì)量較高。目前來(lái)說(shuō)并不是全部的高分子材料都可實(shí)現(xiàn)在醫(yī)療器械中的應(yīng)用,其中一些還存在安全性隱患[4]。因此在實(shí)踐應(yīng)用時(shí),應(yīng)由多角度充分考慮,通過(guò)環(huán)境需求加以分析并合理選擇?；赑E 與НDPE 高分子材料制備人工氣管與矯型外殼修補(bǔ)材料。需煮沸消毒,加以整合,明確標(biāo)識(shí)醫(yī)療器械各組成部位,使用時(shí)遵守具體規(guī)則,避免零部件被損壞。例如非血管內(nèi)支架制備,便可融入高分子材料,以保障支架穩(wěn)定性,提升手術(shù)效率。此類型醫(yī)療器械產(chǎn)品通常更加趨向于生物可吸收材料,外層使用丙交酯-乙交酯共聚物,藥物涂層則選擇藥物糠酸莫米松、丙交酯-乙交酯共聚物、聚乙二醇,適用于鼻竇炎手術(shù),可有效避免FESS 術(shù)后黏連,確保鼻腔通暢,防止炎癥發(fā)生。而且此醫(yī)療器械通過(guò)編織成型,完成了熱處理定型工藝,若在基礎(chǔ)性鼻竇炎手術(shù)中使用,可輔助藥物順利進(jìn)入病變位置,由某種角度來(lái)講,相當(dāng)于運(yùn)輸帶,可切實(shí)避免炎癥與交叉感染。

1.3 提高醫(yī)學(xué)技術(shù)性

作為生物醫(yī)用材料,高分子材料同時(shí)具備多結(jié)構(gòu)、高活性、強(qiáng)性能等優(yōu)勢(shì)特征,是現(xiàn)代化醫(yī)療體系的關(guān)鍵要素,也是醫(yī)療器械制備的重要組成部分[5]。例如導(dǎo)尿管、植入器械等,都融入了高分子材料,使得醫(yī)學(xué)技術(shù)性得以顯著提升。而且高分子材料在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用愈發(fā)廣泛,為節(jié)約資源,需創(chuàng)造一體化醫(yī)療設(shè)備體系,以呈現(xiàn)高分子材料的實(shí)踐作用。在具體計(jì)劃時(shí),還需充分考慮現(xiàn)實(shí)情況,根據(jù)臨床數(shù)據(jù),由多角度探索分析,以制備出高質(zhì)高效醫(yī)療器械。例如PC,韌性強(qiáng)且耐熱蒸汽消毒,可結(jié)合血液過(guò)濾器,制備過(guò)濾帶,以強(qiáng)化血液去除效果,降低血液內(nèi)二氧化碳,增加氧氣量。同時(shí),還可應(yīng)用于無(wú)針注射體系、血液離心與活塞內(nèi),通過(guò)高透明性能,透視觀察人體結(jié)構(gòu)。而熱塑性彈性體由于化學(xué)結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜,需進(jìn)行分子排列,對(duì)比聚酯結(jié)晶與聚醚,并應(yīng)用于導(dǎo)管和IV 連接器制備,通過(guò)不同氣體、混合液體加以測(cè)試分析,以觀察醫(yī)療器械的抗水解反應(yīng)。

1.4 提升醫(yī)療水平

雖然PVC 與PP 已實(shí)現(xiàn)自主,但是許多材料都是進(jìn)口而來(lái),在醫(yī)療器械應(yīng)用上依舊存在不足[6]。因此在實(shí)踐應(yīng)用中需充分掌握高分子材料特征,以實(shí)現(xiàn)醫(yī)療器械規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化制備。例如聚乙烯醇纖維,在強(qiáng)化血管球囊導(dǎo)管的心血管產(chǎn)品中的應(yīng)用比較常見(jiàn),主要體現(xiàn)在高強(qiáng)縫合線上,可用于前交叉韌帶修復(fù)的固定裝置制備中,還可用于由環(huán)形修復(fù)到全椎間盤(pán)修復(fù)的脊柱植入物中,以此緩解病人機(jī)體痛楚。常見(jiàn)醫(yī)用防護(hù)服主要應(yīng)用SMS 結(jié)構(gòu)聚丙烯無(wú)紡布與膜織物復(fù)合材料,既提升了防護(hù)性,又降低了成本。

2 高分子材料醫(yī)療器械抗菌表面構(gòu)建策略分析

2.1 抗菌

對(duì)于生物器械感染而言,細(xì)菌粘附于表面是首要步驟,因此對(duì)細(xì)菌的表面粘附進(jìn)行有效防控是抗菌表面構(gòu)建的關(guān)鍵。醫(yī)療器械表面細(xì)菌粘附與細(xì)菌類型、生化性能息息相關(guān),但最為重要的因素是器械表面性能,即表面化學(xué)組分、臨界表面張力、界面性能、親疏水性等。

2.1.1 親水性

通過(guò)親水性物質(zhì)改性,以水環(huán)境下構(gòu)成水化層,控制細(xì)菌粘附于醫(yī)療器械表面,防止交叉感染,是醫(yī)療器械表面抗菌構(gòu)建的主要策略[7]。親水性改性物質(zhì)通常包括乙二醇與內(nèi)鹽等等,即聚乙二醇通過(guò)氫鍵和水分子相結(jié)合構(gòu)成水化層、分子鏈的空間抵抗細(xì)菌粘附于表面,而內(nèi)鹽材料通過(guò)電核價(jià)態(tài)的相關(guān)作用,與水分子共同作用,構(gòu)成水化層,從而抵抗細(xì)菌粘附于表面。

例如在外周靜脈導(dǎo)管表面基于氧化-還原聚合反應(yīng)實(shí)現(xiàn)磺酸內(nèi)鹽接枝,具體如圖1 所示。

圖1 外周靜脈導(dǎo)管表面接枝磺酸內(nèi)鹽Fig.1 Grafting of endosulfonate onto the surface of the peripheral venous catheter

其中磺酸內(nèi)鹽可切實(shí)改善外周靜脈導(dǎo)管,以降低各種細(xì)菌在醫(yī)療器械表面的粘附幾率,且抗凝血性能良好。親水性內(nèi)鹽類聚合物基于離子鍵與水分子之間發(fā)生水化作用,構(gòu)成致密度較高的水化層,以此抑制蛋白、細(xì)菌、細(xì)胞等粘附于外周靜脈導(dǎo)管表面,并避免生成生物膜。

2.1.2 超疏水性

疏水性作用通常會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌粘附于醫(yī)療器械表面,基于強(qiáng)化細(xì)菌和表面之間的彼此作用,移除界面水,并降低系統(tǒng)自由能[8]。但是超疏水性表面具備良好抗細(xì)菌粘附性,可有效防止醫(yī)療器械表面附帶細(xì)菌。例如氟化鈉米硅涂層具備超疏水性能,且金黃葡萄球菌與綠膿桿菌在表面的粘附相對(duì)較少。

總之,抗菌構(gòu)建策略雖然可以在一定程度上抑制細(xì)菌依附于醫(yī)療器械表面,并生成生物膜,但是卻不具備百分百抑菌能力,若是少數(shù)細(xì)菌粘附在表面,抗菌粘附機(jī)制根本無(wú)法阻止細(xì)菌繁衍。

2.2 殺菌

基于殺菌機(jī)制可具體劃分為接觸型殺菌機(jī)制與釋放型殺菌機(jī)制。接觸型殺菌機(jī)制主要針對(duì)醫(yī)療器械表面進(jìn)行陽(yáng)離子聚合物、抗菌肽或者活性氧等構(gòu)建,以表面直接接觸抵抗細(xì)菌[9]。釋放型殺菌機(jī)制即由殺菌劑從醫(yī)療器械內(nèi)部緩釋于環(huán)境內(nèi),以發(fā)揮殺菌效用,即抗生素與氮氧化物等等,可殺死表面細(xì)菌,從而實(shí)現(xiàn)抗菌作用。

例如長(zhǎng)效抗菌導(dǎo)尿管,相較于普通商品抗菌導(dǎo)尿管,其抑菌繁殖周期可以達(dá)到大約49～84 d。在導(dǎo)尿管中,抗生素等殺菌藥物逐步緩釋,其力學(xué)性能并不會(huì)被影響,而抗菌機(jī)制即抗生素基于溶液浸漬于導(dǎo)尿管內(nèi),可緩釋于水環(huán)境,所以殺菌周期較長(zhǎng),而且多種抗生素結(jié)合使用,能夠有效應(yīng)對(duì)人體環(huán)境內(nèi)多種細(xì)菌引發(fā)的感染。

2.3 抗菌-殺菌

通過(guò)有機(jī)結(jié)合抗菌與殺菌表面構(gòu)建策略,可彌補(bǔ)二者各自缺陷[10],即抗菌與殺菌單體接枝共聚；抗菌劑與殺菌劑共混；抗菌劑與釋放型殺菌劑共用。

例如基于聚乙二醇、陽(yáng)離子、多巴胺多功能組分的聚碳酸酯共聚物,其抗菌機(jī)制如圖2 所示。

圖2 聚碳酸酯共聚物抗菌機(jī)制Fig.2 Antibacterial mechanism of polycarbonate copolymer

聚碳酸酯共聚物在水溶液內(nèi)可消殺大腸桿菌與金黃葡萄球菌,固定在醫(yī)療器械表面之后,可在很大程度上抑制細(xì)菌粘附。而且聚碳酸酯共聚物在接觸到金黃葡萄球菌14d 后,依舊可以保持良好抗污性能與殺菌活性,還可以防止蛋白質(zhì)與血小板吸附,血液相容性較好,同時(shí)還可將其涂抹在醫(yī)用導(dǎo)管表面,使其具備抗菌-殺菌功能,尤其是抗菌性能穩(wěn)定且持久。

2.4 抗菌-殺菌轉(zhuǎn)化

殺菌表面構(gòu)建策略一般情況下,在殺菌之后會(huì)導(dǎo)致已死細(xì)菌積聚于醫(yī)療器械表面,以此不僅會(huì)降低醫(yī)療器械表面的殺菌活性,還會(huì)引發(fā)免疫系統(tǒng)反應(yīng),造成感染。所以通過(guò)殺菌表面構(gòu)建,以殺菌組分將細(xì)菌殺死之后,基于pН 值、干-濕態(tài)、溫度等響應(yīng),醫(yī)療器械表面便會(huì)由殺菌表面轉(zhuǎn)化為抗污表面,所殺細(xì)菌便會(huì)由表面釋放于環(huán)境內(nèi),以此實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)效抗菌表面構(gòu)建。

例如雙層結(jié)構(gòu)平臺(tái)構(gòu)建,把陽(yáng)離子抗菌聚合物隱匿于抗生物污染的干凈表面,基于干態(tài)條件,外層分子刷表面失水發(fā)生坍塌,造成內(nèi)部抗菌聚合物通過(guò)接觸殺菌形式及時(shí)將細(xì)菌殺死。水相環(huán)境下,外層兩性聚合物構(gòu)成水化層,可抑制溶液細(xì)菌粘附于醫(yī)療器械表面。若細(xì)菌粘附于表面,那么內(nèi)部陽(yáng)離子抗菌聚合物還可發(fā)揮作用殺死細(xì)菌,避免交叉感染。而覆蓋層可通過(guò)隔離細(xì)胞、血液組分與殺菌層之間的直接性接觸,提升抗菌表面生物之間的相容性。

3 結(jié)語(yǔ)

總之,在醫(yī)療器械進(jìn)入人體之后,表面滋生附帶的細(xì)菌極易造成感染,威脅病人生命安全。細(xì)菌在醫(yī)療器械或者高分子材料表面粘附,生成生物膜,此時(shí)若形成生物被膜,便會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌交叉感染。為確保醫(yī)療器械表面具備有效抗菌性能,必須進(jìn)行表面抗菌構(gòu)建,以此本文提出了抗菌構(gòu)建策略、殺菌構(gòu)建策略和抗菌-殺菌構(gòu)建策略和抗菌-殺菌轉(zhuǎn)化構(gòu)建策略。