醫(yī)療中生物醫(yī)用高分子材料的應(yīng)用探析

石明康

（南京師范大學(xué)，江蘇南京 210023）

0 引言

目前，在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域，生理系統(tǒng)疾病的診斷與治療上常應(yīng)用生物醫(yī)用高分子材料，總體來(lái)看其可以作為人工器官材料或高分子藥物與醫(yī)療用品材料，對(duì)人體器官的機(jī)能恢復(fù)、延長(zhǎng)藥物功效時(shí)間、增強(qiáng)醫(yī)療用品穩(wěn)定性有著重要價(jià)值。隨著研究的深入，對(duì)生物醫(yī)用高分子材料性能有了更豐富的了解，其優(yōu)勢(shì)也得到進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。因此，還需從應(yīng)用角度探究生物醫(yī)用高分子材料的使用價(jià)值，使其在醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，運(yùn)用到更多的場(chǎng)景當(dāng)中。

1 生物醫(yī)用高分子材料的特點(diǎn)及性能

1.1 材料特點(diǎn)

生物醫(yī)用高分子材料主要有兩種類型，一種為天然生物材料制成，另一種為人工合成，前者主要以動(dòng)物為載體，提取具有天然活性的高分子制作材料，由于原材料本身源自生物體內(nèi)，材料具有良好的生物適應(yīng)性，在醫(yī)療中可以提高傷口愈合效率；后者通過(guò)合成人工材料與活體組織制作高分子材料，主要應(yīng)用于人體組織器官再生、細(xì)胞分裂生長(zhǎng)等，可以加速組織器官功能的恢復(fù)速率[1]。目前生物醫(yī)用高分子材料可以直接與人體血液、體液、皮膚進(jìn)行接觸，能夠安全地置入患者體內(nèi)。

1.2 材料性能

力學(xué)性能穩(wěn)定。高分子材料耐疲勞度高，即使器械、治療、護(hù)理任務(wù)時(shí)間較長(zhǎng)，也可以穩(wěn)定輔助、高質(zhì)量完成任務(wù)，使用中尺寸穩(wěn)定，擁有相對(duì)完美的模量。

物理性能穩(wěn)定。在應(yīng)用過(guò)程中，消毒、滅菌以及其他高溫、高壓操作條件下，材料性能穩(wěn)定、無(wú)任何改變。

化學(xué)惰性良好。材料在加工制備中具有易成型的特點(diǎn)，但在與人體發(fā)生接觸時(shí)無(wú)任何化學(xué)反應(yīng)，可以預(yù)防使用中與人體發(fā)生排斥反應(yīng)，避免誘發(fā)人體炎性反應(yīng)。

生物相容性好。生物醫(yī)用高分子材料與血液、人體組織均有良好相容性，具備可降解性和可吸收性，植入后可以有效預(yù)防排斥反應(yīng)。

方便獲取、性價(jià)比高。生物醫(yī)用高分子材料方便獲取、制備過(guò)程簡(jiǎn)便、材料價(jià)格低廉，適合平民消費(fèi)。

2 生物醫(yī)用高分子材料在醫(yī)療中的應(yīng)用場(chǎng)景

2.1 與血液接觸材料

在制造人工肺、人工心臟中使用的高分子材料均為與血液接觸的生物醫(yī)用高分子材料，要求此類材料必須具備良好的抗細(xì)菌黏附性、抗凝血性，使用中材料不得成為誘發(fā)血小板變形的介質(zhì)，也不得在材料表面出現(xiàn)血栓，血液也不會(huì)與材料發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致感染。同時(shí)，對(duì)材料的力學(xué)性能也有著特殊要求，應(yīng)具有同人類血管類似的彈性、延展性，且必須具備耐疲勞特性。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，多選擇聚丙烯、聚酯、聚氨酯等高分子材料作為與血液接觸的材料，但也要結(jié)合具體用途、應(yīng)用位置進(jìn)行考慮。例如，人工心臟制造原材料多為硅橡膠、聚醚氨酯，人工肺制造材料多為硅橡膠、聚四氟乙烯等材料，人工腎制造材料多為聚醚砜、乙酸纖維素等[2]。而從目前研究趨勢(shì)以及實(shí)際應(yīng)用需求來(lái)看，需要進(jìn)一步提高與血液接觸高分子材料的相容性，通過(guò)與親水性長(zhǎng)側(cè)鏈接枝，將生物活性物質(zhì)引入，對(duì)血液抑制與外源材料發(fā)生作用，材料會(huì)出現(xiàn)微相分離結(jié)構(gòu)，并且可以將內(nèi)皮細(xì)胞種植在聚合物表面，有效提高高分子材料與血液的相容性。

2.2 組織工程用材料

組織工程學(xué)以生命科學(xué)、工程學(xué)理論為基礎(chǔ)，利用兩個(gè)學(xué)科的原理與方法對(duì)哺乳類組織結(jié)構(gòu)及其功能展開(kāi)研究，開(kāi)發(fā)生物代用品對(duì)組織進(jìn)行改善、恢復(fù)或維持。在組織工程學(xué)領(lǐng)域大規(guī)模培養(yǎng)細(xì)胞的技術(shù)愈發(fā)成熟。因此，需要研發(fā)與之相容的生物高分子材料，結(jié)合活細(xì)胞生成人體組織或器官。在應(yīng)用過(guò)程中，高分子材料為組織與器官的再生提供三維結(jié)構(gòu)、支架，可以發(fā)揮細(xì)胞生理功能調(diào)節(jié)作用，且高分子材料在完成自己的使命后，自行降解成可以被機(jī)體吸收的小分子，發(fā)揮免疫保護(hù)作用。其中多將聚乳酸及聚羥基乙酸材料應(yīng)用到組織工程領(lǐng)域。

2.3 藥用材料

藥用領(lǐng)域要求高分子材料具有無(wú)毒、長(zhǎng)效、緩釋、可定點(diǎn)釋放等功能，與藥物共同進(jìn)入人體內(nèi)，除不與機(jī)體組織發(fā)生變異、不易引發(fā)炎癥、不具有致癌性、不會(huì)引起血栓等，還應(yīng)在水中溶解，形成大量具有藥理活性特點(diǎn)的基團(tuán)，到達(dá)病灶位置后，可以積累到一定濃度，而產(chǎn)生的殘基則會(huì)在代謝過(guò)程中通過(guò)排泄系統(tǒng)排至體外。目前，在研發(fā)藥理活性高分子藥物、低分子藥物高分子化、高分子微膠囊中，高分子材料均是重要的物質(zhì)載體。其中，藥理活性高分子藥物中所用的材料本身具有藥理作用，如激素、酶制劑、葡萄糖等，斷鏈后則會(huì)失去藥性，利用此類材料中某些陽(yáng)離子、陰離子聚合物可以開(kāi)發(fā)出作用不同的藥物。例如，利用主鏈型聚陽(yáng)離子季銨鹽可以制造出對(duì)痙攣性疾病有良好作用的藥物；低分子藥物高分子化過(guò)程中，通過(guò)高分子材料增加藥物在人體內(nèi)的作用時(shí)間，避免藥物濃度降低過(guò)快、代謝速度過(guò)快等問(wèn)題，且也可以對(duì)藥物作用位置進(jìn)行選擇，高分子材料通過(guò)吸附、嵌段、共聚、接枝等方式與低分子藥物結(jié)合在一起，常用載體為聚乙烯胺。在制造高分子微膠囊過(guò)程中，利用高分子材料作為細(xì)微藥粒的包裹物，可以延緩藥物效用，對(duì)藥物釋放做出控制，并將藥物本身的刺激性、不便接受的味道掩蓋掉，在提高藥物效果的同時(shí)，使藥物的刺激性減小。高分子材料作為外層保護(hù)，可以避免藥物與氧氣、濕氣接觸發(fā)生反應(yīng)，提高藥物貯存期間的穩(wěn)定性，此類藥用高分子材料多為明膠、骨膠、瓊脂[3]。

2.4 醫(yī)療器件用材料

在一次性醫(yī)療用品制造中也可以廣泛使用高分子材料，目前臨床診療過(guò)程中使用的注射器、麻醉用具、護(hù)理用具、檢查器具、手術(shù)器具中有諸多用品均為高分子材料制成，主要為聚丙烯、聚氯乙烯等，由其制成的醫(yī)療器件性能得到明顯改善。例如，采用高分子合成纖維PU 制成的繃帶，具有質(zhì)量輕、層薄的特征，在骨折固定中使用，替代傳統(tǒng)石膏材料，可以加速固化，降低皮膚發(fā)炎概率。此外，聚酯、聚乙烯醇、硅橡膠等方便制取的高分子材料也被制作為牙科、外科整形中所用矯正材料。

3 生物醫(yī)用高分子材料在醫(yī)療中的具體應(yīng)用

3.1 硅橡膠

硅橡膠屬于橡膠制品，與普通橡膠的區(qū)別在于其主鏈的結(jié)構(gòu)特殊，由硅原子與氧原子交替構(gòu)成，且每個(gè)硅原子上均有兩個(gè)有機(jī)基團(tuán)。因此，其具有特殊的理化性能，有良好的抗老化性以及耐氧化性。在正常溫度或高溫條件下使用硅橡膠，其不會(huì)因溫度、氧氣的作用出現(xiàn)裂解或氧化現(xiàn)象，在低溫條件下應(yīng)用其性能也不受限制。目前，硅橡膠較多應(yīng)用在醫(yī)療領(lǐng)域，發(fā)現(xiàn)其與人體之間有著良好的生物相容性，可以將硅橡膠材料制成的組織、器官植入人體內(nèi)。

具體來(lái)講，臨床已利用硅橡膠材料開(kāi)發(fā)出人工肺、人工手指、人工喉、人工腦膜、人工心臟瓣膜等組織器官，替代人體受損且功能無(wú)法恢復(fù)的器官，在體內(nèi)發(fā)揮有效作用。例如，外傷導(dǎo)致硬腦膜發(fā)生破損，則可以由硅橡膠制成人工腦膜用于破損位置，長(zhǎng)期滯留也能保證性能穩(wěn)定。同時(shí)，硅橡膠的出現(xiàn)也使臨床一部分材料被替代，如替代尼龍和聚酯纖維用于鼻梁、人造顱骨制作，成為醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域不可或缺的輔助材料，為臨床治療、搶救等工作帶來(lái)諸多便利。

3.2 聚氯乙烯

聚氯乙烯也就是常說(shuō)的PVC，在多個(gè)領(lǐng)域均有所應(yīng)用，也是目前醫(yī)療中應(yīng)用范圍最廣、應(yīng)用頻率最高的一種高分子材料，常見(jiàn)的輸液器、貯血袋等一次性醫(yī)療用品均采用聚氯乙烯制作而成。聚氯乙烯的大范圍應(yīng)用為臨床帶來(lái)諸多便利，可以有效預(yù)防病毒、細(xì)菌交叉感染，但在應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)利用聚氯乙烯制作醫(yī)用食品袋、輸液管對(duì)人體存在負(fù)面影響，從而也針對(duì)聚氯乙烯材料做出改良，研發(fā)出超低密度聚乙烯材料，該材料屬于一種高彈性聚乙烯混料，性能有所優(yōu)化、功能上也進(jìn)行更新，與普通聚氯乙烯相比，其具有記憶功能，可以在使用中快速恢復(fù)形狀。因此，可以在輸液器具等方面替代聚氯乙烯材料使用[4]。此外，國(guó)內(nèi)的研究中也取得突破性進(jìn)展，我國(guó)有企業(yè)成功研制出醫(yī)用級(jí)別的聚氯乙烯樹(shù)脂，標(biāo)志我國(guó)制作輸血器材中所需高分子聚氯乙烯材料無(wú)需再進(jìn)口，并且其為綠色聚氯乙烯產(chǎn)品，對(duì)人體副作用小，在醫(yī)療領(lǐng)域中使用更加安全。

3.3 聚氨酯彈性體

醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用聚氨酯始于20 世紀(jì)50 年代，由于材料的特殊性質(zhì)，使其受到醫(yī)療領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，關(guān)于其性能、應(yīng)用等方面的研究也從未停止，從而使聚氨酯的應(yīng)用不斷拓展。目前，聚氨酯是制作人工心臟的主要材料，也是進(jìn)行骨折修復(fù)和血管修復(fù)的主要材料，在加工制備過(guò)程中利用硬段、軟段玻璃溫度轉(zhuǎn)化過(guò)程中出現(xiàn)的差異使材料具有極強(qiáng)的形狀記憶功能，在醫(yī)療領(lǐng)域各項(xiàng)矯正工作中應(yīng)用也具有良好的效果。例如，在牙齒矯正過(guò)程中醫(yī)生先對(duì)材料進(jìn)行處理，制作成矯正所需形狀，再通過(guò)加熱使其變形，隨后可以自行恢復(fù)回原來(lái)形狀。但目前聚氨酯的應(yīng)用成本較高，難以進(jìn)行大規(guī)模推廣，主要因恢復(fù)形狀時(shí)溫度調(diào)控技術(shù)難度高。因此，綜合材料性能特點(diǎn)與現(xiàn)有技術(shù)條件，應(yīng)以熱塑聚氨酯彈性體為研究方向，利用其形狀記憶性好的優(yōu)勢(shì)，在組織工程領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，也可以研發(fā)擁有生物活性的聚氨酯材料，通過(guò)材料性能的改善使其使用價(jià)值得到開(kāi)發(fā)。

3.4 兩親性多糖衍生物

多糖是一種在自然界中廣泛存在的無(wú)毒性物質(zhì)，如海藻酸鈉、殼聚糖等，其本身具有良好的可降解性、生物相容性，是目前用于藥物載體上的最理想材料?；谂悸?lián)反應(yīng)使一些具有良好生物相容性的疏水基團(tuán)出現(xiàn)在親水性多糖鏈上，可以合成兩親性多糖衍生物，而兩者之間因非極性關(guān)系出現(xiàn)自聚性，將會(huì)形成納米膠束，作為藥物傳輸?shù)妮d體，更好地輔助藥物完成緩釋。

3.5 聚乳酸

聚乳酸是一種以再生乳酸為主要原料制成的高分子材料，而可再生乳酸本身屬于脂肪聚酸酯，具有良好的環(huán)保性、生物降解性以及熱塑性，由于其具有完全降解、無(wú)毒、無(wú)刺激性、可溶解、生物相容性好、力學(xué)強(qiáng)度高等特點(diǎn)，可以作為藥物緩釋材料、處理骨折內(nèi)固定材料，也可以用于外科，作為黏合劑使用。在聚乳酸材料加工制備過(guò)程中，先從具有可再生功能的植物資源中提取出淀粉，通過(guò)糖化處理后獲得葡萄糖，再在發(fā)酵條件下聯(lián)合葡萄糖與菌種，發(fā)硬后生成具有高純度特點(diǎn)的乳酸，最后經(jīng)過(guò)化學(xué)合成完成聚乳酸的制作，由于其原料本身來(lái)自自然界，使用過(guò)程中也可以被自然界中的微生物完全降解，最終以水、二氧化碳的形式消失；處理時(shí)可以直接將其埋在土壤中，由植物直接吸收二氧化碳。因此，聚乳酸對(duì)環(huán)境無(wú)任何影響，是臨床大力倡導(dǎo)使用的環(huán)境友好型材料[5]。

3.6 聚丙烯腈

聚丙烯腈是以腈綸為主要材料制成的一種高分子化合物，其本身屬于合成纖維材料，在人工血管、臨床超濾裝置、人工腎臟制造中均有所應(yīng)用。加工制備過(guò)程中在高溫條件下經(jīng)碳化后產(chǎn)生碳纖維，從而可以制造加強(qiáng)版的人體組織，如牙槽骨、人工軟骨等。同時(shí)，也可以將聚丙烯腈應(yīng)用在腦動(dòng)脈瘤加固保護(hù)劑制作中[6]。

3.7 四臂多功能嵌段聚合物

目前，國(guó)外在利用可控聚合方法制備生物醫(yī)用高分子材料過(guò)程中，成功研制出可作為非病毒轉(zhuǎn)基因載體的四臂多功能嵌段聚合物，在加工制備期間選擇聚環(huán)氧乙烷作為大分子的自由基引發(fā)劑，在引發(fā)劑的作用下可以使大分子與活性陰離子之間發(fā)生聚合反應(yīng)，從而生成三嵌段共聚物，在此基礎(chǔ)上又形成高分子膠束，高分子膠束是一種具有較高生物學(xué)應(yīng)用價(jià)值、性質(zhì)在納米離子與微凝膠間的一種物質(zhì)。在該項(xiàng)研究基礎(chǔ)上，制備生物醫(yī)用高分子材料過(guò)程中，可以根據(jù)需要對(duì)嵌段共聚物進(jìn)行調(diào)整，從而改善聚合物的性能，使其應(yīng)用于不同的醫(yī)療場(chǎng)景。例如，前端共聚物選擇聚異丁烯時(shí)，聚合物兩端極性被改變，可作用藥用高分子材料，在藥物進(jìn)入人體后對(duì)緩釋情況做出調(diào)整；同時(shí)，國(guó)內(nèi)的研究中也利用異丙基丙烯酰胺聯(lián)合丙烯酸叔丁酯制作嵌段共聚物，研究在異丙醇混合溶劑基礎(chǔ)上展開(kāi)，發(fā)現(xiàn)物質(zhì)對(duì)溫度、pH 值均具有敏感性。因此，四臂多功能嵌段聚合物可以應(yīng)用于藥物控制中[7]。

4 結(jié)語(yǔ)

生物高分子材料在醫(yī)療領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用，在全世界的共同努力下開(kāi)發(fā)出越來(lái)越多可以醫(yī)用的高分子材料，提升了診療效果。因此，在不斷開(kāi)發(fā)過(guò)程中還要關(guān)注材料的推廣，將更多性能佳、成本低、方便制取的高分子材料推廣到醫(yī)療領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)新的應(yīng)用場(chǎng)景，使高分子材料在保障人類健康、推動(dòng)醫(yī)療事業(yè)發(fā)展上發(fā)揮更大的價(jià)值。