热塑性弹性体在医疗器械中的应用

热塑性弹性体在医疗器械中的应用

文/汤飞 1 张华威 1 杨志华 1 殷敬华1，2 *

1.威高集团有限公司

2.中国科学院长春应用化学研究所

热塑性弹性体（Thermoplastic elastomer，TPE）是一类在常温显示橡胶弹性，高温能塑化成型的高分子材料，兼具橡胶和热塑性塑料的特性。其高分子链段由塑料段（硬段）和橡胶段（弹性软段）组成。TPE常温具有硫化橡胶的特性，高温呈现热塑性塑料的加工特性，被称为天然橡胶、合成橡胶后的“第三代橡胶”。热塑性弹性体可分为反应共聚型和橡塑共混型两个类型。常见的可分为以下几类：苯乙烯类(SBC)、聚氨酯类(TPU)、聚酰胺类(TPA)、聚酯类(TPEE)、聚氯乙烯类(TPVC)、聚烯烃类简单共混型(TPO)和热塑性硫化胶(TPV)。目前这些类型的TPE都已工业化生产，几乎涵盖了现代合成橡胶与合成树脂的所有领域。

TPE的应用领域颇多，其中医疗制品是其主要应用领域之一，广泛用于医药包装、药液和血液存储输注以及各类导管、医疗设备配件等。这是因为与橡胶相比，TPE不需要硫化，能够采用热塑性塑料的注射模塑或者挤出成型加工工艺，甚至能够在一些基材上进行二次注塑成型，简化生产过程，降低成本；与热塑性塑料相比，TPE可以循环利用，经济环保。除了具备这种加工性能的优势外，TPE还具备了优越的化学、物理和生物性能，如抗氧化性能好、硬度范围宽、无毒等，可谓是弥补了塑料和橡胶的缺点，并集塑料和橡胶优点于一身，这些独特性能使之成为医疗器械制造业的首选。美国和欧洲的医疗制品生产商以每年10%的比率增加TPE的使用量，更清洁、更安全的要求使得TPE在更多医疗制品中崭露头角。就应用在医疗器械方面而言，苯乙烯类和聚氨酯类热塑性弹性体的使用量最大，涉及到的产品也最广，聚酰胺类热塑性弹性体也占有部分的市场份额。

通讯联系人：殷敬华，中科院长春应用化学研究所研究员，博士生导师；威高集团总工程师；yinjh@https://www.360docs.net/doc/4c17001539.html,

一、热塑性弹性体作为医用材料所必须满足的条件

医用材料要与人体组织、血液、体液等接触，有的甚至永久性植入体内。因此，这类材料必须具有优良的生物体可替代性（力学性能、功能性）、生物相容性和血液相容性。热塑性弹性体同样需满足下列基本条件：

(1)在化学上是惰性的，不会因与体液接触而发生反应；

(2)对人体组织不会引起炎症和异物反应；

(3)不会致癌；

(4)不会发生变态反应性的过敏反应；

(5)具有良好的血液相容性，不溶血，不凝血；

(6)长期植入体内，也不会丧失拉伸强度和弹性等物理机械性能；

(7)能经受必要的消毒措施而不变形；

(8)易于加工成所需要的、复杂的形状。

本文将针对苯乙烯类、聚氨酯类和聚酰胺类热塑性弹性体在医疗器械上的应用状况及威高集团有限公司近几年来的产品开放情况作一介绍。

二、.苯乙烯类TPE在医疗器械中的应用

苯乙烯类TPE主要包括苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物（SBS）和苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯三嵌段共聚物（SIS）以及氢化SBS（SEBS）和SIS(SEPS)。这类热塑性弹性体力学性能优异；弹性好，断裂伸长率大，永久变形小；无毒；易加工，被誉为第四代橡胶。在TPE中，SBS占有重要的地位，是目前世界上发展最快、用量最大的一种可替代PVC、软硫化橡胶的环保型热塑性弹性体材料。SBS的不足就是抗老化性能较差，其氢化产物SEBS克服了这一缺陷。由于SEBS性能卓越，在业界享有“橡胶黄金” 之称。

目前国内主要生产厂家巴陵石化已生产SBS和SEBS等多种牌号的产品。2009年5月中旬巴陵石化合成橡胶事业部发布：经技术创新团队攻关，该部医用SEBS小试产品经国内大型医疗器械公司使用后，各项指标均媲美国际同类产品。国际知名的生产商有：美国科腾、日本可乐丽、台湾台橡、台湾荣化、意大利埃尼、西班牙DYNASOL公司以及日本旭化成。美国科腾公司作为苯乙烯嵌段共聚(SBC)化学的最初发明者其旗下产品类型多、牌号全，已经成为世界领先的苯乙烯嵌段共聚物(SBCs)和独特的聚异戊二烯（Polyisoprene）系列产品的制

造商，其产品大部分取得了FDA认证，有的取得了USPⅥ认证。SEPTON 是可乐丽通过独创技术开发出的苯乙烯类热塑性弹性体，也是可乐丽为医疗产品专门打造的品牌。其他公司虽然生产苯乙烯类热塑性弹性体则主要应用在工程领域。

苯乙烯类TPE所占总热塑性弹性体市场的份额最大，约50%，不过最近几年所占份额有所下降。近年来，随着国际医疗卫生领域对医用耗材卫生要求的日益严格，以及人们对健康的越来越重视，医疗制品的材质选用也就成为医用耗材制造商寻求突破的关键。因SEBS具有透明度高、热稳定性好、可采用蒸汽和环氧乙烷及紫外线消毒、本身无毒等特点，已被美国及欧盟相关认证机构认可用于医疗器材，如一次性输液管、血袋、婴儿奶嘴等生产，是一种理想的绿色环保的医用材料，得到推广和应用。近几年来，国外发达国家和地区苯乙烯类TPE产品市场成熟，需求增长稳定，国内外新品种开发主要集中在茂金属合金、医疗用无毒透明产品等方面。如国外最新开发的新型茂金属聚合物聚苯弹性体（PSE），其中苯乙烯含量达到80%。美国Teknor Apex公司开发用于医用导管用的是MP1508L1和MP1871-R配混料，是氢化异戊二烯橡胶与苯乙烯嵌段共聚物，替代传统胶乳和塑料填充管，具有更好的透明度和加工性能。苯乙烯类TPE在医疗器械方面的应用还有滴室、密封件及医用导管等。

三、聚氨酯类TPE在医疗器械中的应用

聚氨酯弹性体是有软段（长链多元醇）和硬段（二异氰酸酯及扩链剂）嵌段共聚合成的聚合物，通过调整这两个链段的比率，可以制备不同硬度的聚氨酯弹性体，硬度范围在60A-84D之间。由于医用级聚氨酯弹性体要求纯度高、反应条件和工艺条件要求苛刻，用量不大，生产技术只集中在少数的几家国外大公司手中，如：路博润、拜耳、巴斯夫、陶氏化学和亨斯迈等。

医用聚氨酯弹性体具有良好的延伸性和抗挠曲性，强度高、耐磨损，生物相容性好、无致畸变作用、无过敏反应，血液相容性、抗血栓性能好，且不损伤血液成分，同时聚氨酯材料具有优异的物理机械性能和加工性能，使其在医疗领域得到广泛应用。上世纪50 年代，聚氨酯弹性体开始应用于医用材料，最初用于骨修复材料，之后又成功用于血管外科手术缝合用补充涂层。聚氨酯弹性体作为一种医用材料受到越来越多的重视，各种医用聚氨酯弹性体迅速被开发出来。上世纪80年代初，用聚氨酯弹性体制作人工心脏移植手术获得巨大成功，使聚

氨酯弹性体材料在生物医学领域得到进一步的发展。目前，应用聚氨酯弹性体开发的医疗产品主要有人工心脏辅助装置、人工血管、各种导管。

人工心脏以及心脏辅助装置对材料的性能是多方面的，临床实践证明，聚氨酯弹性体在血液相容性、生物相容性、耐久性等方面均优于其他橡胶，成为国内外研制人工心脏及其辅助装置的首选材料。目前，人工心脏用聚氨酯弹性体有几种已商品化如Biomer、Cardiothane、Pellethane、Tecoflex EG等。

聚氨酯弹性体良好的弹性、血液相容性以及与天然血管的顺应性成为制备人工血管良好选择。首个应用于人工血管的TPU是Covita公司的聚碳酸酯型聚氨酯，其商品名为Corethane。据有消息称美国的美国莱斯大学研究团队已经生产出了一种新型的聚氨酯弹性体材料，该材料可用于制造小直径的人工血管。小直径人工血管由于血液凝结或组织堵塞的原因使得其他材料无能为力。

当前，在我国医用导管大多采用的原料是软质聚氯乙烯，在医用输注器械中的用量超过10万吨/年，但材料中残留的氯乙烯单体和添加在其中的增塑剂DEHP都会对人体造成潜在的危害。TPU的生物性能、机械性能以及加工性能均与PVC相当，甚至更加优异，同时无毒，且不需要添加助剂进行加工。因此在医用导管方面，TPU从理论上有替代PVC的可能性，统计资料表明，仅美国每年就有1.6万吨聚氨酯弹性体用于医用导管的生产，各种导管产值已超过20亿美元。世界年销售各种导管已达数十亿美元。TPU的唯一不足的是医用级TPU价格昂贵，目前主要是应用于高附加值精密介入导管的开发，如：留置针套管、中心静脉导管、外周置入中心静脉导管、电生理导管、造影导管、扩张球囊导管、微导管等。

采用热塑性聚氨酯弹性体和软质聚氯乙烯共混树脂，可制成各种医用特殊输液和输血装置，用聚氨酯弹性体制作的双压胶管的内胶层，能防止聚氯乙烯中增塑剂向溶液中迁移。用此种材料生产的血袋能够有效解决单独聚氯乙烯材料制成的血袋所存在的增塑剂迁移问题。

此外聚氨酯弹性体还应用于气管套管、人工假肢、义齿、计生用品、体外循环血液管路、医用连接管路和介入耗材的涂层材料。

在欧美发达国家，医用聚氨酯弹性体材料早已商业化而且新材料、新用途仍在持续开发中，而在国内，这一市场还未被真正开发，很多产品一直靠进口，

与国外差距甚大。有媒体报道目前国内对TPU的需求量每年将以20％的速度持续增长。所以，在国内医用聚氨酯弹性体材料的研究迫在眉睫。

四、聚酰胺类TPE在医疗器械中的应用

聚酰胺热塑性弹性体是由高熔点结晶性硬段(聚酰胺)和非结晶性软段(聚酯或聚醚)组成，简称TPEA。1979年由德国Hula公司推向市场，世界需求量约在万吨左右，其性能取决于硬段类型及两种嵌段的长度。由于硬段聚酰胺的存在，使聚酰胺热塑性弹性体具有优异的韧性、耐化学性、耐磨性及消音性。由于聚醚嵌段的存在而产生内增韧效应。由于该类热塑性弹性体的熔体强度高，适于挤出、吹塑和热成型，一般使用螺杆挤压机。加工前必须彻底干燥。这类热塑性弹性体也是众多弹性体中价格较昂贵的之一，但是在医疗领域却发挥着举足轻重的作用。

在聚酰胺类热塑性弹性体家族中Peba材料是其重要的一员。Peba材料是由聚醚和聚酰胺嵌段制备的嵌段共聚物。Deleens发现的四醇盐催化剂族的效率使得超高分子量的材料得以生产，并在1981年以Pebax商标推向市场。它们独特的性能归功于其独特的相分离结构。Pebax?树脂广泛应用于医疗行业，特别是医用输送导管。这是因为其弹性、柔性、硬度与韧度的完美结合，制成软管具有较高的肿胀强度。由于具有较高的肿胀强度和耐弯曲性能，其在膨胀导管中具有广泛的应用；同时其低吸水率、滑动摩擦小、高尺寸稳定性、不易裂开或凹陷、薄壁产品仍具有较高的内部爆裂压力以及与体液相容且对人体无害等特点使得其一些等级材料被应用于血液制品中，如连接器、适配器和活拴。Pebax?树脂的优异性能、良好触感、不含增塑剂及挤出工艺中易加工性使其成为生产医疗导管的理想材料。医用级Pebax?树脂可使用各种方法消毒，可射频焊接。德国赛是世界最大的聚酰胺12（尼龙12，PA12）生产商，其旗下的VESTAMID?E(聚酰胺12弹性体) 与基体组织血管具有较低的相互作用，完全符合美国FDA和欧盟对医用产品的要求，所以可以制成较小的导管插入到人的身体。聚酰胺热塑性弹性体的应用是热塑性弹性体当前研究重点，改性并制成各种合金是其拓展应用的主要方向。

五、聚烯烃类TPE在医疗器械中的应用

六、威高集团有限公司研发的TPE类医疗器械

目前一次性医疗输注器械依然广泛使用聚氯乙烯（PVC）制作，通常采用邻苯二甲酸二乙基己酯(DEHP)作为增塑剂，添加量达40-60%。PVC在医用输注器械中的用量超过10万吨/年。其主要应用对象有血袋、输液器、导液管、呼吸面具、营养袋（管）、膜式氧合器、腹膜透析袋、体外循环管路、血液透析管路、各种医用导管等。许多研究资料表明：PVC材料对人体和环境都构成了潜在的危害，具体表现在：（1）PVC制品在使用过程中释放出增塑剂DEHP，对人体的血液系统、神经系统、生殖系统、肾胆系统造成危害，同时还有致癌性和致畸性；（2）PVC材料对一些药物有吸附作用，使处方用药不准，延误治疗或病人康复的时间；（3）PVC材料在加工过程中会加入含有金属离子（如钙、锌、钡等）的稳定剂，在输液过程中这些金属离子极有可能进入人体，对人的身体健康带来危害；（4）PVC材料加工时会分解产生的微量的氯化氢，会对加工设备造成腐蚀，同时对操作人员的健康也带来威胁；（5）废弃PVC燃烧处理比较困难，掩埋会对土壤造成严重污染，焚烧会产生氯化氢和二噁英气体，对大气会造成严重污染。欧美日等发达国家开始逐步限制PVC材料在医疗行业中的应用。新型环保型材料取代PVC材料必然会成为医疗行业中的趋势。

近年来，威高集团有限公司与中国科学院长春应用化学研究所合作研发成功了系列具有知识产权的功能化和高性能化的聚烯烃热塑弹性体新材料，并成功的实现产业化。研发的新材料用于制作输液器、输血器、血袋、体外循环管路、营养袋（管）、血液透析管路、压力延长管和引流管等多种产品。其中输液器等产品已进入市场，其他产品也将陆续进入市场。

随着人们对TPE材料认识的进一步加深，TPE材料正成为广泛替代传统橡胶和部分塑料的极具发展前景的新型材料。同时，随着人们对医疗产品的需求的多样化，开发新型的TPE材料正成为当前国内外争相研发的课题。市场的不断刺激与需求促使着TPE材料的蓬勃发展，开发新型医用TPE新材料以及提升现有TPE医用材料的性能是当今高分子材料科学的发展趋势和研究热点。