生物醫(yī)用纖維及其應(yīng)用領(lǐng)域研究現(xiàn)狀

王建建

(東方紅學(xué)校,山東 菏澤 262700)

1 醫(yī)用高分子材料

1.1 現(xiàn)狀

生物醫(yī)學(xué)材料是具有診斷、治療、修復(fù)或替換受損的組織、器官或改善生物體功能的一類材料。它是人工器官和醫(yī)療器械研究的基礎(chǔ),已成為當(dāng)代材料科學(xué)的一個(gè)重要分支,特別是隨著生物技術(shù)的蓬勃發(fā)展和重大突破,生物醫(yī)學(xué)材料已成為世界各國科學(xué)家研究開發(fā)的熱點(diǎn)。伴隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展和人們生活水平的提高,許多科學(xué)工作者對(duì)生物組織的結(jié)構(gòu)和器官組織的關(guān)系有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí),這對(duì)于材料的性能提出了更高的要求,需要具有相似的化學(xué)結(jié)構(gòu),具有一定的物理機(jī)械性能,且要具有良好的生物相容性,從而促使性能優(yōu)異的新型醫(yī)用纖維材料得到不斷發(fā)展。高分子纖維因其綜合性能優(yōu)良,受到生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域的重視,除用已普遍使用的外科手術(shù)縫合線及敷料外,高分子纖維集合體在生物組織再生、組織支架、創(chuàng)傷修復(fù)、人造器官等領(lǐng)域也得到了關(guān)注[1]。

1.2 分類及要求

用于生物醫(yī)療的高分子材料種類繁多,生物醫(yī)用纖維根據(jù)原料來源主要分為天然纖維、再生纖維、合成高分子纖維及改性纖維[2]。天然纖維、再生纖維來源廣泛,有著與人體相近的大分子結(jié)構(gòu),具有生物相似性,性能優(yōu)異,但往往不能直接使用,通常進(jìn)行改性使之具有比原料更優(yōu)異的性能。合成高分子材料有著比天然再生纖維材料更優(yōu)異的力學(xué)性能,同時(shí)可以進(jìn)行大批量生產(chǎn),不受外界環(huán)境影響,大大降低成本,提高生產(chǎn)效率。用于醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域的合成纖維高分子材料除了要有醫(yī)療功能外,還不能對(duì)人體造成二次傷害,無毒無害,具有生物相容性,制備成本較低,可用于工業(yè)化生產(chǎn)[3]。

2 生物醫(yī)用纖維

2.1 天然與再生纖維

2.1.1 甲殼素纖維

甲殼素纖維是近幾年在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域研究較為熱門的新材料,甲殼素纖維原料主要通過對(duì)大型食品加工廠廢棄的蟹殼、蝦殼等資源進(jìn)行一系列的加工而制成。甲殼素反應(yīng)活性較高,生物相容性突出,能夠完全降解,其次還具有抗菌、吸濕等優(yōu)良性能和功效,因而被廣泛應(yīng)用于醫(yī)用縫合線、人造皮膚及傷口包扎等醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域[4]。Li等[5]通過濕法紡絲技術(shù)制備柔性甲殼素纖維,通過改性后纖維結(jié)晶度降低,伸長率提高,在創(chuàng)面敷料和創(chuàng)面繃帶領(lǐng)域有很好的應(yīng)用。

2.1.2 膠原纖維

膠原蛋白是細(xì)胞質(zhì)的基本組分,具有很好的生物相容性,能夠完全降解,在人體細(xì)胞中可以很好地滲透,修復(fù)創(chuàng)傷。程國清等[6]采用靜電紡的方法制備膠原蛋白纖維,因?yàn)槟z原蛋白可紡性差,所以經(jīng)常與其他纖維進(jìn)行混紡或者進(jìn)行改性整理等,提高纖維的強(qiáng)力,避免發(fā)生排異反應(yīng),從而在生物組織工程、愈合傷口、止血等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[7]。

2.1.3 海藻纖維

海藻纖維來源于天然植物中提取的海藻酸,具有良好的可加工性和低成本等優(yōu)點(diǎn),因此其在傷口敷料、保濕面膜、牙齒印模材料、止血敷料、消毒濕巾等功能性醫(yī)用紡織品領(lǐng)域具備良好的利用價(jià)值[8]。青島明月海藻集團(tuán)自主研發(fā)出“清潔絲”海藻纖維、“艾吉康”創(chuàng)可貼和醫(yī)用敷料等系列產(chǎn)品,研發(fā)出的產(chǎn)品具有較高的吸濕性,在傷口附近使用可為傷口提供濕潤環(huán)境,能夠促進(jìn)傷口愈合。然而海藻纖維強(qiáng)力和斷裂伸長率在濕態(tài)下較低,且纖維間抱合力較差,所以通常與其他斷裂強(qiáng)力優(yōu)異的纖維混紡[9]。此外,海藻纖維來自天然原料,易降解,不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生危害。

2.1.4 竹纖維

竹纖維是用于醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域的纖維原料,具有很好的抗菌性能,制成的織物具有優(yōu)異的吸濕透氣性。在醫(yī)療領(lǐng)域,往往需要進(jìn)行消毒或抗菌來減少細(xì)菌等微生物的污染,正因?yàn)橹窭w維所具有的諸多優(yōu)異性能,目前已經(jīng)有竹纖維抗菌口罩、襪子、床上用品等衛(wèi)生產(chǎn)品。美國Entegrion公司將竹纖維和玻璃纖維結(jié)合,率先制成了抑菌透氣、吸濕性良好的醫(yī)用繃帶,用于止血以及其他醫(yī)療用途[10]。

2.2 合成高分子纖維

2.2.1 聚乳酸纖維

聚乳酸纖維成為新一代的高分子纖維材料,是從玉米、甜菜等淀粉含量豐富的原材料中制得的,淀粉經(jīng)發(fā)酵轉(zhuǎn)化成乳酸分子,然后經(jīng)過聚合反應(yīng)成聚乳酸,經(jīng)過化學(xué)改性,增加其強(qiáng)度,同時(shí)保水性能也得到優(yōu)化,最后得到性能優(yōu)異的聚乳酸纖維[11]。這種纖維的原料成本低,是人體內(nèi)源性活性物質(zhì),不會(huì)產(chǎn)生排斥反應(yīng),不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生危害并且容易被人體吸收,因此在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域常常被制成醫(yī)用組織、骨架材料而用于人體治療,且在可吸收手術(shù)縫合線等醫(yī)療器械材料領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。Li等[12]研究了以聚乳酸(PLA)和聚乳酸/羥基磷灰石(PLA/HA)為成分的生物支架,能促進(jìn)人體造骨細(xì)胞的增長,起到快速修復(fù)骨質(zhì)的效果。

2.2.2 聚羥基烷酸酯(PHA)

聚羥基脂肪酸酯(PHA)是一種生物高分子材料,可以通過熱塑性成型加工。PHA 最突出的特性是其良好的生物相容性和生物降解性[13],因此PHA 在醫(yī)療、制藥、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和其他領(lǐng)域有著獨(dú)特的應(yīng)用。Michal等[14]基于生物降解和生物相容性等優(yōu)異特征,引入了諸如將藥物與低分子量聚3-羥基丁酸結(jié)合或制備負(fù)載藥物的PHA 顆粒等方法。將PHA 作為藥物載體和組織工程支架等,此外,PHA 可作為醫(yī)療或美容目的的生物活性物質(zhì)透皮給藥的材料。新型功能化PHA 的開發(fā)為將基于PHA 的藥物傳遞系統(tǒng)的良好生物相容性與改進(jìn)的藥物負(fù)載和釋放特性、靶向性或成像的可能性相結(jié)合開辟了新的可能性。由于這些生物聚合物的優(yōu)異生物相容性和對(duì)藥物給藥的強(qiáng)有利作用,預(yù)計(jì)在以PHA 為基礎(chǔ)的藥物傳遞系統(tǒng)方面將進(jìn)一步取得進(jìn)展。

2.2.3 其他合成纖維

其他合成纖維如聚乙交酯、聚乙丙交酯(PGLA)、聚己內(nèi)酯等[15],都具有生物可降解性,能夠被人體直接吸收,不會(huì)對(duì)人體造成傷害,因此在手術(shù)縫合線及載藥敷料等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

3 應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 醫(yī)用敷料

醫(yī)用敷料主要是用來覆蓋傷口和瘡口、隔離外界細(xì)菌和病毒的覆蓋物,這就需要醫(yī)用敷料能夠很好地與皮膚接觸,貼合度要好。隨著醫(yī)用器械的發(fā)展,人們已經(jīng)針對(duì)傳統(tǒng)敷料不能滿足人們需求的問題,開發(fā)出具有保濕透氣,能夠有效阻止病毒的入侵和細(xì)菌的危害,全面貼合人體皮膚的醫(yī)用敷料[16]。醫(yī)用敷料往往會(huì)和血液直接接觸,因此要求兩者要具有良好的相互關(guān)系。以E 玻璃纖維為原料,研制成醫(yī)用玻璃纖維經(jīng)編織物,經(jīng)過涂覆改性聚氨酯,制成醫(yī)用專用玻璃纖維聚氨酯,在專用涂覆設(shè)備下,進(jìn)行復(fù)合、涂覆,制成性能優(yōu)異的醫(yī)用纖維繃帶,并得到應(yīng)用[17]。理想的創(chuàng)傷敷料應(yīng)能阻止外界污染的同時(shí)具有一定的防水透濕透氣性,能以合適的速率轉(zhuǎn)移水氣,使傷口周圍空氣得到流通凈化,且能夠很好地貼合傷口表面[18]。靜電紡制成的纖維膜材料因其纖維為納米級(jí),具有較高的比表面積和孔隙率及良好的透氣性,為傷口提供理想的濕度環(huán)境。此外,靜電紡絲納米纖維可以阻隔空氣中絕大部分的細(xì)菌和微塵,避免傷口再受感染。Sofokleous等[19]利用靜電紡絲法制備了可實(shí)現(xiàn)藥物釋放的聚乳酸-羥基乙酸共聚物敷料,為傷口愈合提供了理想環(huán)境。

3.2 醫(yī)用支架/骨架

隨著交通安全問題的凸顯以及人口老齡化趨勢加劇,外傷及骨科等問題也顯著增加,在臨床醫(yī)學(xué)骨科重建手術(shù)領(lǐng)域中,需要一種理想的材料進(jìn)行體外移植,體外移植最常見的問題是排異現(xiàn)象。隨著3D 打印技術(shù)的發(fā)展,具有三維立體結(jié)構(gòu)的生物支架材料近年在醫(yī)用支架移植等領(lǐng)域成為熱門,被視為理想的骨骼替代材料[20]。Mur phy等[21]研究了醫(yī)用支架孔徑尺寸和數(shù)量對(duì)人體骨骼細(xì)胞的影響,了解到小孔徑支架的比表面積較大,有利于初期細(xì)胞的黏附,而大孔徑支架能促進(jìn)細(xì)胞的遷移生長,可以降低細(xì)胞的聚集度。

3.3 人工皮膚

皮膚作為人體免疫系統(tǒng)第一道防線,能夠抵抗外界抗原侵入人體[22]。當(dāng)人們發(fā)生燒傷燙傷或因其他原因造成皮膚損傷等問題,皮膚在受到損傷后往往很難恢復(fù)如初,尤其是大面積燒傷的病人,只能通過皮膚移植來解決。人體皮膚組織培養(yǎng)困難,若依靠體外移植則可能會(huì)產(chǎn)生排異反應(yīng),對(duì)身體造成更大傷害[23]。所以能夠簡單快速替代人體皮膚組織的材料要具備以下特點(diǎn):不會(huì)與人體產(chǎn)生排異反應(yīng),活體組織不發(fā)生炎癥和排拒,材料表面不產(chǎn)生鈣沉積,能夠很好地貼合傷口,無毒無刺激,最重要的是不影響本身皮膚的愈合,同時(shí)應(yīng)具有一定的物理性能,如柔軟舒適性、透氣透濕性,防止細(xì)菌侵入及水分丟失的屏障作用等。

3.4 緩釋藥物纖維

傳統(tǒng)的低分子藥以口服或外敷的形式使用在藥物治療領(lǐng)域,某些藥物往往需要在特定的位置才能發(fā)揮最好的效果,所以研究出了靜脈注射技術(shù),但靜脈注射技術(shù)因其速度不可控,所以也不能達(dá)到所希望的效果[24]。靜電紡絲技術(shù)是模擬組織器官細(xì)胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu)的最廉價(jià)、最高級(jí)的技術(shù)之一。若通過靜電紡絲技術(shù)將所需的藥物加入到紡絲液,制備復(fù)合納米纖維,在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間將所需的藥物量釋放到人體器官適當(dāng)部位,然后納米纖維通過降解或者遇水溶脹,將藥物成分緩慢釋放,可提高藥物利用的高效性[25]。

4 結(jié)束語

常見醫(yī)用纖維都要求具有較好的生物相容性,良好的生物可降解性,不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。隨著醫(yī)用纖維的不斷發(fā)展,人們對(duì)醫(yī)用材料的性能提出了更高的要求,但是目前技術(shù)并不能完全克服排異反應(yīng),且治療時(shí)往往需要支付高額費(fèi)用。研究和開發(fā)新型纖維或者通過混紡、接枝共聚改性的方式來研究出性能更好的纖維材料,降低成本,進(jìn)而降低醫(yī)療費(fèi)用。