生物医用高分子材料的应用与发展

生物医用高分子材料的应用与发展

生物材料也称为生物医学材料,是指以医疗为目的,用于与生物组织接触以形成功能的无生命的材料。主要包括生物医用高分子材料、生物医用陶瓷材料、生物医用金属材料和生物医用复合材料等。研究领域涉及材料学、化学、医学、生命科学，生物医用高分子材料是一门介于现代医学和高分子科学之间的新兴学科。它涉及到物理学、化学、生物化学、病理学、血液学等多种边缘学科。目前医用高分子材料的应用已遍及整个医学领域(如:人工器官、外科修复、理疗康复、诊断治疗等)。

由于医用高分子材料可以通过组成和结构的控制而使材料具有不同的物理和化学性质,以满足不同的需求,耐生物老化,作为长期植入材料具有良好的生物稳定性和物理、机械性能,易加工成型,原料易得,便于消毒灭菌,因此受到人们普遍关注,已成为生物材料中用途最广、用量最大的品种,近年来发展需求量增长十分迅速。医用高分子材料的研究目前仍然处于经验和半经验阶段,还没有能够建立在分子设计的基础上,以材料的结构与性能关系,材料的化学组成、表面性质和生命体组织的相容性之间的关系为依据来研究开发新材料。目前全世界应用的有90多个品种,西方国家消耗的医用高分子材料每年以

10%~20%的速度增长。随着人民生活水平的提高和对生命质量的追求,我国对医用高分子材料的需求也会不断增加。

1 医用高分子材料的特点及基本条件

医用高分子材料需长期与人体体表、血液、体液接触,有的甚至要求永久性植入体内。因此,这类材料必须具有优良的生物体替代性(力学性能、功能性)和生物相容性。

a·生物功能性:因各种医用高分子材料的用途而异,如:作为缓释药物时,药物的缓释性能就是其生物功能性。

b·生物相容性:医用高分子材料的生物相容性包括2个方面:一是材料反应,主要包括材料在生物环境中被腐蚀、吸收、降解、磨损和失效等;二是宿主反应,包括局部和全身反应,如炎症、细胞毒性、凝血、过敏、致畸和免疫反应等。

c·可加工性:能够成型、消毒(紫外灭菌、高压煮沸、环氧乙烷气体消毒、酒精消毒等)。

在物理性能、化学性能实验、型式检验、动物实验、临床实验等不同阶段的试验,材料市场化需要经国家和地方食品药品监督管理局的批准,且报批程序复杂、费用高,所以医用高分子材料的研发成本高、风险大。

2医用高分子材料的主要类别

生物医用高分子材料主要有天然生物材料和合成高分子材料。

2.1 天然生物材料

天然生物材料是指从自然界现有的动、植物体中提取的天然活性高分子,如从各种甲壳类、昆虫类动物体中提取的甲壳质壳聚糖纤维,从海藻植物中提取的海藻酸盐,从桑蚕体内分泌的蚕丝经再生制得的丝素纤维与丝素膜,以及由牛屈肌腱重新组构而成的骨胶原纤维等。这些纤维都具有很高的生物功能和很好的生物适应性,在保护伤口、加速创面愈合方面具有强大的优势,已引起国内外医务界广泛的关注。

据日本、美国的多项专利介绍,由壳聚糖纤维制得的手术缝合线既能满足手术操作时对强度和柔软性的要求,同时还具有消炎止痛、促进伤口愈合、能被人体吸收的功效,是最为理想的手术缝合线;壳聚糖纤维制造的人造皮肤,通过血清蛋白质对甲壳素微细纤维进行处理,可提高对创面浸出的血清蛋白质的吸附性,有利于创口愈合,在各类人造皮肤中其综合疗效最佳。据研究报道,已用于酶固定化、细胞培养、创面覆盖材料和人工皮肤以及药物缓释材料等医学各领域,尤其各种再生丝素膜在人工皮肤、烧伤感染创面上的应用显示了独特的优势,临床应用价值显著,前景广阔。

2.2 合成高分子材料

合成高分子材料因与人体器官组织的天然高分子有着极其相似的化学结构和物理性能，因而可以植入人体，部分或全部取代有关器官。因此，在现代医学领域得到了最为广泛的应用，成为现代医学的重要支柱材料。当前研究主要集中在外科置入件用高分子材料和生物降解及药物控制释放材料。

外科置入件用高分子材料耐生物老化,作为长期置入材料具有良好的生物稳定性和物理、机械性能，易于加工成型,原料易得，便于消毒,受到人们普遍的关注,这类材料主要用于生物体软、硬组织修复体、人工器官、人工血管、接触镜、膜材、粘结剂和空腔制品诸方面。其特点是大多数不具有生物活性，与组织不易牢固结合，易导致毒性、过敏性等反应。不过作为承重的植入件用高分子材料还有许多方面的问题，目前研究主要

集中在提高材料的对生物体的安全性；提高组织相容性和血液相容性；改善生物学性能，改善提高力学、机械、物理性能。在生物膜材料方面，属于线性高分子多糖结构的壳聚糖是甲壳质脱乙酰基的衍生物，无毒、无抗原性，可在生物体内自行降解.壳聚糖膜有促进创面愈合的作用，具有良好通透性，且含有游离氨基，能结合酸分子，是天然多糖中唯一的碱性多糖。因而具有许多特殊的物理化学性质和生理功能，在医学生物材料上可作为人工肾膜和人造皮肤。

生物降解型医用高分子材料的主要成分是聚乳酸、聚乙烯醇及改性的天然多糖和蛋白质等，在临床上主要用于暂时执行替换组织和器官的功能，或作药物缓释系统和送达载体、可吸收性外科缝线、创伤敷料等。其特点是易降解，降解产物经代谢排出体外，对组织生长无影响，目前已成为医用高分子材料发展的方向。

高分子药物控制释放体系不仅能提高药效，简化给药方式，大大降低了药物的毒副作用，而且纳米靶向控制释放体系使药物在预定的部位，按设计的剂量，在需要的时间范围内以一定的速度在体内缓慢释放，而达到治疗某种疾病或调节生育的目的，比如高分子多肽或蛋白药物控制释放体系新的研究进展，为那些口服无效的多肽或蛋白药物的临床应用，展示了令人鼓舞的前景。

3医用高分子材料的几个典型应用

3.1 人工组织

在各种人工骨、人工关节、牙根等方面，医药高分子材料是医学临床上应用量很大的一类产品,涉及医学临床的骨科、颌面外科、口腔科、颅脑外科和整形外科等多个专科,往往要求具有与替代组织类似的机械性能,同时能够与周围组织结合在一起。最常用的是超高分子量聚乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯等非降解材料，而聚乳酸（PLA）、壳聚糖和聚酸酐等可生物降解材料也得到了广泛研究和应用。

传统的金属－超高分子量聚乙烯（UHMWPE）广泛应用于人工髋关节领域，Harris等的研究证明，采用电离辐射或γ射线辐射，剂量达到50kGy时就能增加PE的交联度、提高PE的抗磨损。目前，高交联UHMWPE已作为最有希望的减少PE磨损及其后续骨溶解的措施，获得了临床的广泛应用。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）即通常所指的普通骨水泥，最常用于人工关节置换术中填充骨和假体之间的缝隙，可使人工假体机械嵌插负重面积增加，负重能力增强。黄平等，研究表明，骨水泥病灶充填治疗骨盆

四肢转移性骨肿瘤能提高生存时间，改善生活质量。

常用作骨科材料的可降解吸收高分子材料主要有聚乳酸、甲壳素等，而抗生素－聚酸酐缓释剂也已得到了深入的研究。聚乳酸（PLA）属于聚酯类材料，不仅具有良好的生物相容性，还具有适宜的生物降解特性、优良的力学性能和可加工性，在实验及临床应用中表现出良好的骨修复作用，由PLA制作的螺钉、髓内棒、针、膜已商业化。聚酸酐是20世纪80年代初美国麻省理工学院Langer等发现的一类新型可生物降解的合成高分子材料，现已广泛用于化疗剂、抗生素药物、多肽和蛋白制剂（如胰岛素、生长因子）、多糖（如肝素）等药物的控释研究。庆大霉素等抗生素与聚酸酐组成的缓释给药系统应用于骨髓炎的治疗也已取得初步成功。对于聚酸酐释药模型、剂型工艺和质量标准的研究将是未来的重点之一。

3.2 人工脏器

随着科学的发展，由高分子材料制成的人工脏器正在从体外使用型向内植型发展，为满足医用功能性、生物相容性的要求，把酶和生物细胞固定在合成高分子材料上，能够克服合成材料的缺点，从而制成各种脏器满足医学要求。作为软组织材料的一个重要组成部分的人工器官,其应用前景已为人们所看好。随着人工脏器性能的不断完善,其在临床上的应用必将越来越广泛。主要有：人工肺、人工肾(透析型、过滤型、吸附型)、人工肝脏、人工心脏、人工食管、人工膀胱等。

美国开发了“左心室同轴对称辅助泵”。此设备是气动的，压缩空气使聚氨酯橡胶球式泵腔张合，帮助输送血液。球囊外包一金属钛壳，在钛壳和球囊与血液接触的表面按严格规定栽植了聚酯纤维，以有利于生物衬里的生成。通过手术将此设备安置在左心室顶部(人血口)和主动脉(出血口)之间，压缩空气管从胸腔

和腹部引出。膜式人工肺从1955年开始试制。曾用过聚乙烯、醋酸纤维素、聚四氟乙烯等，但对气体的透过性不够好。正在研制的富氧膜有硅橡胶(SR)、聚烷基砜(PAS)、硅酮、聚碳酸酯，它们的综合性能很好。加拿大皮埃尔、莫林等研制的一种人工肺，构造比较简单，没有电子或机械仪器，是用具有特殊性能的人造海绵制成的。，但要把这种人工肺移植到人体，尚需解决排异反应和凝血等问题。

人工肾血液透析器所用中空纤维的材质大多为再生纤维素或纤维素酯，如ENKA Glanzstoff公司的铜胺膜（cuprophane），Cordis DOW公司的醋酸纤维素膜，东华大学开

发的粘胶法纤维素和非水溶剂法纤维素膜。东华大学研制的聚丙烯腈中空纤维腹水超滤浓缩回输器，已在上海华东医院和中山医院临床应用，治疗效果明显，东华大学与上海德圆科技发展公司合作制成的腹水透析浓缩器及其配套设备，已经国家医药管理总局和上海医药局批准生产和应用。

3.3 药用高分子

目前药用高分子材料主要以下 3 种用途：（1）药物制剂和包装用高分子材料。（2）高分子药物，包括带有高分子链的药物和具有药理活性的高分子；（3）

高分子缓释药物载体。与低分子药物相比,药高分子材料具有低毒、高效、缓释、长效、可定点释放等优点。高分子材料制备药物控制释放制剂主要有两个目的:1)为了使药物以最小的剂量在特定部位产生治疗药效;2)优化药物释放速率以提高疗效,降低毒副作用。

近期研究如：Meyer DE,Chikoti A 等将异丙基丙烯酰胺聚合物( PNIPAM) 用于局部高热性实质性肿瘤靶向给药, 用于控释药物的包衣, PNIPAM聚合物被用于眼药水的制备, 发现体外试验中无细胞毒性,在小鼠实验中也没发现严重的神经毒性。最近Krum Kafedjiiski等人合成了壳聚糖- 硫代酰胺盐, 解决了其他衍生物不够稳定的特点, 虽然

在水溶液中的溶胀没有明显提高, 但空白

基质片中3h 内的累积释放呈零级动力学。所以说,chitosan- TEA 有望成为各种给药系统的新型辅料。Carmen Calinesu 等合成了三种不同分子量的CM-HAS, 用于含有生物成分的剂型, 调节和保护药物的释放。CM- HAS 作为一种新型的药用辅料可以用于疫苗和生物菌的控释和靶向给药。

3.4其他

一次性高分子用品(注射器、输血输液袋等)、高分子绷带材料(弹性绷带、高分子代用石膏绷带、防滑脱绷带)、医用缝合线、护理用高分子材料,如:吸水性树脂(尿不湿、卫生巾、弹性冰、防褥疮护理材料)等护理和医疗用具均选用高分子材料制的。常用的材料有：聚氯乙烯(PVC)是常用的制造一次性医用导管的材料。聚乳酸酯是第一批被FDA 认可的可降解材料,现正开发用于手术缝线、骨钉等,有很好的发展前景。

除上述几个方面的用途之外,医用高分子材料还可用于医疗诊断(如免疫荧光微球)和生物工程试剂等方面。

总之,医用高分子材料在生命科学、医疗器械、药物等领域中已得到广泛而重要的应用,但还有巨大潜力可挖,随着生命科学的发展及生物材料的研究,将为人类社会做出更大的贡献。

4展望

目前对医用高分子材料的研究主要集中在以下几个方面:

a·提高材料对人体的安全性;

b·提高组织相容性和血液相容性;

c·改善生物学性能;

d·改善、提高力学、机械、物理性能

我国医用高分子材料的研究起步较早、发展较快，但同发达国家相比,我国的医用高分子相关产业的规模以及研究开发的水平都还有较大的差距。我国加入WTO后医用材料产业将面临重大挑战和机遇,所以应在国家的大力支持下,跨部门、跨学科通力合作,通过走自力更生与技术引进相结合之路,在生物材料、分子设计、仿生模拟、智能化药物控施等方面重点投入。

更多医用高分子材料的研究将更多地挽救临危病人,高分子长效缓释药物将给人类的健康带来福音。由于一切生命物质的基本单元都是有机分子,而人体就是由多种功能高分子复杂组装起来的有机结合体,因此,从分子设计理论的角度来看,由人工合成各种功能的生物医用高分子都是可能的,功能高分子具有向一切领域纵深发展的美妙前景。

5 我司的研究方向

我们公司研发的PDO中文名对二氧环己酮除了自身可以做防霉剂应用外，更重要的是他是合成一种生物可吸收降解的材料PPDO及其衍生物的单体。到目前为止PDO还未有工业化生产的报道。因此对PDO及其衍生物的研究，能为一类新的人体可吸收降解材料提供单体，研发并生产一种生物可吸收降解，环境有好的新型高性能材料能带来很大的社会利益和经济利益。

PPDO作为一种独特的生物可降解和吸收的脂肪族聚酯，在医药材料领域有着广泛的应用。由于PPDO独特的醚键结构。因此具有良好的柔韧性，是理想的手术缝合线材

料。另外，由于PPDO分子链中还有易于受到进攻而断裂的脂键，因此PPDO具有很好的生物降解性，可以应用于制造骨骼修复材料，具有广泛的应用前景。

随着有PPDO改性的药物载体在体内的降解，结构变得疏松，药物从载体中扩散出来的速度也逐渐提高，当正好与含药量减少所引起的释放药物速度减少相一致时，就可以实现药物的长期恒量释放。因此PPDO这种生物降解高分子材料是抗癌药物、心脏病药物、高血压药物等需长期服药的良好载体。

另外PPDO以其优良的生物可降解吸收性能和柔韧性。在环保材料方面也有着广阔的应用前景。