高分子材料在医学中的应用

高分子材料在医学中的应用

摘要：本文简要介绍了高分子材料的医用情况,详细介绍了生物可降解医用高分子材料的分类及应用现状,并简要介绍了生物降解高分子材料的定义、分类和降解机理。

关键词：高分子材料、医学领域应用

引言：合成高分子材料，特别是塑料、橡胶、纤维这三大合成材料的发现及工业化生产，为人类提供了大量价廉易得而性能优异的新材料，它们在人们的日常生活和社会经济发展中发挥着重要的作用。

降解高分子材料[1]是指在使用后的特定环境条件下,在一些环境因素如光、氧、风、水、微生物、昆虫以及机械力等因素作用下,使其化学结构能在较短时间内发生明显变化,从而引起物性下降,最终被环境所消纳的高分子材料。根据降解机理[1,2]的不同,降解高分子材料可分为光降解高分子材料、生物降解高分子材料、光-生物降解高分子材料、氧化降解高分子材料、复合降解高分子材料等,其中生物降解高分子材料是指在自然界微生物或在人体及动物体内的组织细胞、酶和体液的作用下,使其化学结构发生变化,致使分子量下降及性能发生变化的高分子材料。

1 生物降解高分子材料的定义和分类

生物降解高分子材料是指在一定的条件下, 一定的时间内, 能被微生物或其分泌物在酶或化学分解作用下发生降解的高分子材料[2]。生物降解的高分子材料具有以下特点: 易吸附水, 含有敏感的化学基团, 结晶度低,分子量低, 分子链线性化程度高和较大的比表面积等

[3]。按照来源, 生物可降解高分子材料可分为天然高分子和人工合成高分子两大类; 按照用途, 分为医用和非医用生物降解高分子材料两大类; 按照原料组成和制造工艺不同可分为天然高分子合成材料、微生物合成高分子材料和化学合成生物可降解高分子材料[4]。

1.1天然高分子材料[5,6]

价格低廉,特别是天然产量居首位的纤维素和甲壳素,年生物合成量超过1010吨。利用它们制备的生物高分子材料可完全降解、具有良好的生物相容性、安全无毒,由此形成的产品兼具天然再生资源的充分利用和环境治理的双重意义。

天然高分子材料虽然具有价格低廉、完全降解等诸多优点,但是它的热力学性能较差,不能满足工程高分子材料加工的性能要求。1.2微生物合成高分子材料[5,6,7]

微生物合成高分子材料是由生物通过各种碳源发酵制得的一类高分子材料,主要包括微生物聚酯、聚乳酸及微生物多糖,产品特点是能完全生物降解。

微生物合成高分子材料有良好的降解性和热塑性,易加工成型,但在耐热和机械强度方面还需改进,而且成本较高,现在只在医药、电子等附加值较高的行业得到广泛应用。

1.3化学合成高分子材料[8]

由于在自然界中酯基容易被微生物或酶分解,所以化学合成生物降解高分子材料大多是分子结构中含有酯基结构的脂肪族聚酯。聚酯及其共聚物可由二元醇和二元酸、羟基酸的逐步聚合来获得,也可由

内酯环的开环聚合来制备。缩聚反应因受反应程度和反应过程中产生的水或其他小分子的影响,很难得到高分子量的产物。开环聚合只受催化剂活性和外界条件的影响,可得到高分子量的聚酯,相对分子量高达106,单体完全转化聚合。因此,开环聚合成为内酯、乙交酯、丙交酯的均聚和共聚合成生物降解高分子材料的理想聚合方法。

合成高分子材料比天然高分子材料具有更多的优点,它可以从分子化学的角度来设计分子主链的结构,从而来控制高分子材料的物理性能,而且可以充分利用来自自然界中提取或合成的各种小分子单体。不过在如何精确的通过设计分子结构控制其性能方面还有待进一步的研究。

1.4掺混型高分子材料[9]

掺混型高分子材料主要是指将两种或两种以上的高分子物共混或共聚,其中至少有一种组分是可生物降解的,该组分多采用淀粉、纤维素、壳聚糖等天然高分子。

2 生物降解高分子材料的降解机理

一般高分子材料的生物降解可分为完全生物降解机理和光—生物降解机理[10]。完全生物降解机理大致有三种途径: ①生物物理作用: 由于生物细胞增长而使聚合物组分水解, 电离质子化而发生机械性的毁坏, 分裂成低聚物碎片; ②生物化学作用:微生物对聚合物作用而产生新物质( CH4、CO2和H2O) ; ③酶直接作用:被微生物侵蚀部分导致材料分裂或氧化崩裂。

而从化学角度考虑，聚合物的降解存在下列3种机制[11]：①疏水

性聚合物通过主链上不稳定键的水解变成低相对分子质量、水溶性分子。②不溶于水的聚合物通过侧链基团的水解、离子化或质子化，变成水溶性聚合物。③不溶于水的聚合物水解掉不稳定的交联链变成可溶于水的线型高分子。

3生物降解高分子材料的应用

生物降解高分子材料具有无毒、可生物降解及良好的生物相容性等优点, 所以应用极为广泛, 可用于医药、农业、园林、包装卫生、化妆品等领域, 研究最热的当推医用生物降解高分子材料。

3.1药物/基因控制释放系统[13,14]

为了使药物达到最佳的治疗效果，必须使药物在指定的时间内按预定的速度释放到指定的治疗部位。用可降解高分子材料制成的纳米颗粒作为药物/基因控制释放系统是目前的研究热点。

在药物控制释放体系中, 药物载体一般是由高分子材料来充当的, 它们可分别用在不同的控制释放体系中, 如凝胶控制释放、微球和微胶囊控制释放、体内埋置控制释放、靶向控制释放等等。由于这些聚合物具有被人体吸收代谢的功能, 与不可降解的药物载体聚合物相比, 具有缓释速率对药物性质的依赖性小、更适应不稳定药物的释放要求及释放速率更为稳定等优点。初期的药物控制释放体系是将活性物质加载到高分子基质中,然后再输入人体。在该体系中, 药物释放主要是由扩散驱动, 而后高分子基质本体水解。这方面用得较好的是DLLA( 无规右、左旋乳酸) /GA( 乙交酯) 共聚物。PGA 是高度结晶的高分子, 具有很高的降解速率。而PDLLA 是无定形材料, 药

物渗透性低, 降解速率高[14]。作为药物控制释放载体被广泛研究的生物降解高分子有聚乳酸、乳酸- 己内酯共聚物、乙交酯- 丙交酯共聚物等脂肪族聚酯以及天然高分子材料甲壳素/壳聚糖及其衍生物。

药物/基因纳米载体优点是：具有高度靶向、药物控制释放、提高难溶药物的溶解率和吸收率、减少了给药量和给药次数、提高了药物的利用效率，而且很大程度上减少了药物对全身，特别是对肝、肾的毒副作用。

3.2外科手术缝合线[15,13]

生物降解性手术缝合线既可以缝合伤口, 又可在伤口愈合后自动降解, 不需再拆除, 所以发展越来越快。最初采用的生物吸收性缝合线是肠线[16], 肠线的初期弹性率小, 平滑性优良, 结节部位稳定性好, 但同时也存在机械强度损失快, 处理不方便, 必须用湿的缝合线缝合伤口, 易引起组织发炎, 分解速度过快等缺点。现改进采用聚乙交酯、聚L- 丙交酯( PLLA) 及其共聚物制成的外科缝合线, 目前已商业化。由于PGA、PLLA 等单丝缝合线太硬, 强度小, 所以现阶段的研究热点是如何提高缝合线的柔软性和机械强度, 同时加入增塑剂增加线的韧性和调节降解速度。研究发现, 用甲壳质制成的手术线不但机械性能良好, 打结不易滑脱, 而且无毒性。用改进工艺制成的单根甲壳质纤维缝合线在使用初始10～15天中有很大的强度, 而此后强度迅速下降, 有利于生物体的迅速吸收[13]。

3.3骨内固定材料[17,18]

骨内固定材料的应用包括两个方面, 一是要求植入聚合物在创

伤愈合过程中缓慢降解, 主要用于骨折内固定高分子材料, 如骨夹板、骨螺钉等; 另一类要求在相当时间内聚合物缓慢降解, 在初期或一定时间内在高分子材料上培养组织细胞, 让其生长成组织、器官, 如软骨、肝、血管、皮肤等。

3.4组织修复[14,19]

将聚乳酸及其共聚物用作支撑材料，在其上移植器官、组织的生长细胞，使其形成自然组织，称为外科替代疗法，即组织工程。采用具有生物降解性及生物相容性的高分子作为组织工程的的植入物，其优势在于可避免非降解材料长期存在造成的免疫排斥及其综合症，可使新生组织逐渐生长渗入植入物并完全取代植入的细胞支架，长成预定形状的组织。目前已在肝细胞、皮肤细胞、软骨、血管修复、神经修复等方面应用。聚酯，特别是聚α-羟基酯（如聚乳酸、聚乙醇酸及聚ε-己内酯等）组织工程领域得到了广泛的应用。近年来, 由于合成生物可降解高分子具有比天然高分子更优越的性质, 合成高分子PLLA、PGA 和PLGA 作为支架材料, 其合适的性质、合适的降解速率已获得了美国食物及药物管理局( FDA)的认可。PLLA 的物理化学性能能让它作为象肝这样的软组织, 象软骨和骨骼这样的硬组织的支架材料; PGA被用作细胞移植和器官再生的人造支架; PLGA 被用于肠和肝的再生以及骨组织工程上。

3.5组织工程材料

组织工程学是近10年来新兴的一门交叉科学，它是应用工程学的原理和方法来了解正常和病理的哺乳类组织结构- 功能关系，以

及研制生物代用品以恢复、维持或改善其功能的一门科学[20]。组织工程等技术的创立标志着生物医学材料科学的发展进入了一个崭新的阶段。组织工程的核心是建立由细胞和生物材料所构成的三维复合体，其中由生物材料所构成的细胞支架的作用是为细胞增殖提供空间，使细胞按照生物材料支架的构形分化、增殖，最终成为所要求的组织或器官。因此，细胞支架不但应使细胞能进行气体交换、排除代谢废物，同时还能为细胞增殖提供营养物质[21]。组织引导再生(guided tissue regeneration, GTR)是近几年发展起来的一项促进组织再生性愈合的新理论及新技术，医用组织引导再生材料的研究是国内外生物材料研究的热点之一。我们所期待的降解材料是先选择性地引导组织再生，当这一过程完成时，材料完全降解或被组织吸收。据Fleisher、Magnusson、Blumenthal等的研究报道[22]，乳酸与乙交酯共聚物膜、聚乳酸膜和胶原膜等是一类较理想的GTR 材料。孙毅[23]等报道聚吡咯在神经组织、皮肤、肝脏、肾上腺、骨和血管中都有广泛的应用。此外，聚乙交酯(PGA)、聚乳酸(PLA)及乳酸与乙交酯的共聚物(PLGA)用于组织工程进行肝的再生，具有很好的生物适应性[24]。

3.6人工皮肤[25]

目前在临床中得到应用的皮肤修复材料分为两大类:一类是天然皮肤(包括自体皮、异体皮或异种皮)或动物组织(羊膜、胎盘、腹膜等);另一类是人工皮肤,原料取自于天然高分子(胶原、甲壳素等)或合成高分子(尼龙、涤纶、硅橡胶等)。组成人工皮肤的材料如表-2所示。

医学领域对生物可降解高分子材料的需求方向：

①更好的机械性能:较高分子量的聚乳酸等的合成是提高其机械性能的努力方向之一,无毒高效催化体系的寻找是其关键所在。②控制降解速度:目前主要是制件的形状即与活体环境的接触面积来控制速度以后的方向是通过亲水性功能的引入及共聚的比例和控制来调节降解速度。③良好的生理活性:目前最热门的聚羟基烯酸难以进一步功能化,以引入生理活性物质如酶、药物等来增进其生理活性。④药物扩散速度的控制:通过聚丙交酯,聚已内酯嵌段共聚来达到降解和透过性能兼容。

结束语：

从环境保护、合理利用资源、合成新型材料等角度都说明可生物降解高分子材料具有良好的发展前景，因此已成为化学家、生物学家和环境学家共同感兴趣的一个研究领域。高分子材料的研究开发方兴未艾，任重道远。

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