高分子材料.doc

生物高分子材料的发展探索 摘 要：对于生物高分子材料在这里我们主要讨论生物医用高分子材料。生物医用高分子材料分为医用高分子材料和药用高分子材料两大类。其中医用高分子材料包括用于人工脏器的医用高分子材料、用做人工组织的医用高分子材料和体外使用的医用高分子材料。药用高分子包括药物的载体、带有高分子链的药物、具有药效的高分子、药品包装材料等。关键词：生物 高分子材料 医用 药用 生物医用高分子材料是生物医学材料中发展最早、应用最广泛、用量最大的材料，也是一个正在迅速发展的材料。它既可以来源于天然产物，又可以人工合成。此类材料除应满足一般的物理、化学性能要求外，还必须具有足够好的生物相容性。 按照不同的性质，医用高分子材料可分为非降解型和可降解型两类 对于前者，要求其在生物环境中能长期保持稳定，不发生降解、交联或物理磨损等，并具有良好的物理机械性能。 非降解型高分子主要包括聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸酯、芳香聚酯、聚硅氧烷、聚甲醛等。 可降解型高分子主要包括胶原、线性脂肪族聚酯、甲壳素、纤维素、氨基酸、聚乳酸、聚乙醇酸、聚己内酯等。根据使用的目的或用途，医用高分子材料还可分为心血管系统、软组织及硬组织等修复材料对于用于人工脏器的医用高分子材料、用做人工组织的医用高分子材料和体外使用的医用高分子材料而言就要用到非降解型材料1. 用于人工脏器的医用高分子材料用途材料人工心脏聚氨酯橡胶、聚四氟乙烯、硅橡胶、尼龙人工肾赛珞玢、聚丙烯、硅橡胶、脂酸纤维素、聚碳酸酯尼龙66人工肺硅橡胶 、硅酮、聚烷基砜人工肝脏赛珞玢膜、聚苯乙烯型离子交换树脂、人工气管聚乙烯、聚乙烯醇、聚四氟乙烯、硅橡胶、聚氯乙烯人工输尿管和尿道硅橡胶、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯人工眼球和角膜硅橡胶、聚甲基丙烯酸甲脂人工耳硅橡胶、聚乙烯人工乳房聚乙烯醇缩甲醛海绵、硅橡胶海绵、涤纶人工喉涤纶、聚四氟乙烯、硅橡胶、聚氨酯、聚乙烯、尼龙以人工心脏的开发为例，1953年Gibbons将体外循环应用于临床。心肺机利用滚筒泵挤压泵管将血泵出，犹如自然的搏血功能进行体外循环。而人工心脏这个血液泵恰是受此启发而开始研究的。1957年美国 KOlff 和Akutsn将聚乙烯基盐制成的人工心脏植于人体内生存一个半小时，以此为开端展开了世界性人工心脏研究。1958年日本及前联邦德国均设立了专门研究中心。1964年KOlff利用人工心脏使小牛生存24小时。1966年DcBakey将人工心脏用于瓣膜置换病例，辅助数小时。1968年开始临床研究，1969年动物实验生存记录为40天。同年Cooley进行了第一个临床病例植入一时性完全人工心脏后因合并症死亡。1970年Nose等的动物实验生存100天。1973年以后，动物实验成活率迅速上升：1976年Kolff试验牛成活 89天、122天；1980年度美和彦试验山羊生存232天、242天、288天；1982年12月1日美国盐湖城犹它大学医学中心人工心脏研究小组为一患者植入完全人工心脏使其存活为112天。若人工心脏的使用寿命为10年，则需经过3亿多次的往复搏动。故作为永久性人工心脏的材料具备极高的弹性和机械强度，与血液、体液长期接触而不被腐蚀和老化，因此理想人工心脏的研制任重而道远。2用做人工组织的医用高分子材料以高分子材料制作的人工组织可包括：人工皮肤、人工血管、人工骨、人工关节、人工细胞、人工血液、人工神经、人工肌腱、人工软骨、人工齿、人工晶状体、人工玻璃体等材料。用途人工皮肤聚乙烯醇缩甲醛、胶原纤维、聚丙烯织物、聚氨酯、尼龙等人工血管聚四氟乙烯、聚乙烯醇缩甲醛海绵、硅橡胶、尼龙人工骨和人工关节聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、超高分子质量聚乙烯、聚酯人工软骨软骨膜细胞+海绵状骨胶原人工血细胞氟碳化合物乳剂、人或动物血红蛋白+聚乙二醇人工血液葡聚聚唐、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮人工神经明胶、骨胶原、聚羟基乙酸人工肌腱尼龙、聚氯乙烯、涤纶、聚四氟乙烯、硅橡胶人工齿聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、环氧树脂人工晶状体玻璃体液状有机硅、骨胶原、聚乙烯醇水凝胶就人工皮肤而言理想的人工皮肤的特点包括： （1）无毒、无致热原性，具有良好的生物相容性； （2）可预防病原微生物入侵，降低感染发生率； （3）机械强度高，并且弹性好； （4）可促进上皮组织快速愈合； （5）减少创面体液渗出，并保持局部湿润的微环境； （6）具有良好的通透性和透气性; （7）可常规消毒和灭菌，便于储存和运输。 所以人工皮肤应是柔软、与创面具有良好的相容性、具有透气性和吸水性。初期使用的替代材料是涤纶、尼龙及丙纶等和成纤维；为增加透气性，宜采用聚四氟乙烯膜，但它的强度差。为此将聚氨酯泡沫层粘附在多空聚四氟乙烯表面上，或将尼龙粘贴在硅橡胶膜的表面上支撑复合型人工皮肤。目前一种体内培养法正在临床上应用，即将患者的表皮细胞移植到含有硫酸软骨素的骨胶原海绵纱布上，再把此纱布直接与患者接触，使纱布内的表皮细胞在体内培养，在于生物体的表皮层大致同样分裂形成多层结构的同时，纤维芽细胞、毛细血管侵入到骨胶原海棉纱布中，形成真皮层。目前美国 和中国都在着手大力研究，仅中国的需量一年几百万例，而传统的人工皮肤就是从人体其它隐蔽的地方挖取皮肤来填补易暴露的损伤处的皮肤，本身又造成2次损伤和不便。而且需量大时不易满足，特此需要一种能替代人体本身的皮肤的人工皮肤便应运而生。3体外使用的医用高分子材料体外使用的医用高分子材料主要用于临床检查、诊断和治疗等医疗器具，佷多产品以大量生产，如朔料输血袋、高分子缝合线、一次性朔料注射器、医用粘合剂、高分子夹板绷托、高吸水性树脂等。在这里我们以高分子夹板绷托和医用粘合剂为例。就高分子夹板绷托而言，其中高分子绷带是由多层经聚氨酯浸透的特制玻璃纤维构成。聚氨酯材料是一种含软链段的嵌段共聚物，他本身有较好的粘性，固化速度快，固化后强度硬且质量轻等优点。 聚氨酯在医学领域上应用是因为他具有较好的生物相容性，动物实验和急慢性毒性实验证实，医用聚氨酯无毒、无致畸变作用，对局部无刺激性反映和过敏反应。就绷托而言其硬度高、重量轻：聚氨酯材料构成有软链段和硬度段，而软链段使其内聚力增高，硬度增强。经检测固化后的绷带硬度是传统石膏的20倍，这一特点保证了正确复位后可靠牢固的固定作用。固定用材少，重量轻，相当于石膏重量的1/5，厚度的1/3，可使患处负重小，对固定后功能锻炼减轻了负荷，有利于血液循环，促使愈合。其次，石膏凝固后，仍然具有一定的脆性，因此负重过大时，可引起断裂，导致骨折整复后的再移位，而绷带的聚氨酯材料构成有软链段和硬度段，这个特点有效降低患部受外力作用而再次损伤的可能性，从而有效地保障了固定的作用。多孔、具有良好的透气性，有利于皮肤透气，解决了局部管式包扎所致的皮肤潮热、瘙痒等问题。硬化速度快：绷带硬化过程快，在打开包装后3-5分钟开始硬化，20分钟就可以承重了，而石膏绷带需24小时左右才能完全硬化承重。极好的X线透射性：绷带对放射线的通透性极佳，X线效果清晰，有利于医生在治疗过程中，随时可以了解患肢的愈合情况。而石膏的透射性比较差，有时只有去除固定后，才能清楚的了解愈合情况。因而避免了有时在石膏拆除后通过X线检查发现未达到愈合标准，而需要二次重新包扎的麻烦。良好的防水性：绷带硬化后，表面光滑，对水分的吸收率比石膏和一般玻璃纤维制成的绷带和夹板低85，即使患肢接触水的环境后，也能有效的保证患部干燥。亦不怕二次浸水，可以佩戴绷带进行沐浴和水疗。操作方便、灵活、可塑性好：绷带只需在常温水中挤压2-3次就可以使用了。如果固定部位有皮外伤或操作时间长时，可不先浸水，直接进行固定，固定后，可在外层喷洒水来加快硬化速度。塑型性好，弯曲和拉伸强度高，可随意弯曲，绷带可做成管型或者托。高分子医用粘合剂主要采用+氰基丙烯酸酯，它能在微量水分下迅速进行阴离子聚合，这种单体还可与蛋白质结合，因此可与机体组织有机的结合在一起。研究发现，在生物体中其长链化合物的聚合速度比短链化合物要快得多，即高级脂的止血效果较好。但从体内分解速度、抗菌性、组织反应来看，低级脂较好。因此可将不同的脂结合起来以取长补短，折中方法可采用+氰基丙烯酸丁酯。其在临床上应用广泛，对用通常方法无法治学的病例具有迅速和持久的止血效果，可作为对肝、肾、肺部、食道、肠管等脏器手术中的黏合和止血剂。4.药用高分子材料药用高分子的定义至今还不甚明确。在不少专著中，将药用高分子按其应用目的不同分为药用辅助材料和高分子药物两类。药用辅助材料是指在药剂制品加工时所用的和为改善药物使用性能而采用的高分子材料，例如稀释剂、润滑剂、粘合剂、崩解剂、糖包衣、胶囊壳等。 药用辅助材料本身并不具有药理作用，只是在药品的制造和使用中起从属或辅助的作用。因此这类高分子从严格意义上讲不属于功能高分子，但显然属于特种高分子的范畴。而高分子药物则不同，它依靠连接在聚合物分子链上的药理活性基团或高分子本身的药理作用，进入人体后，能与肌体组织发生生理反应，从而产生医疗效果或预防性效果。除了上述两类药用高分子材料外，今年来还逐渐形成了介于这二者之间的一类处于过渡态的高分子化合物。这类材料虽然本身染不具有药理作用，但由于它的使用和存在却延长了药物的效用，为药物的长效化、低毒化提供帮助。例如用于药物控制释放的高分子材料。4.1高分子药物一些水溶性高分子材料本身具有药理作用，可直接作药物使用，这就是高分子药物。按分子结构和制剂的形式，高分子药物可分为三大类：(a) 高分子化的低分子药物这类高分子药物亦称高分子载体药物，其药效部分是低分子药物，以某种化学方式连接在高分子链上。(b) 本身具有药理活性的高分子药物这类药物只有整个高分子链才显示出医药活性，它们相应的低分子模型化合物一般并无药理作用。(c) 物理包埋的低分子药物这类药物中，起药理活性作用的是低分子药物，它们以物理的方式被包裹在高分子膜中，并通过高分子材料逐渐释放。典型代表为药物微胶囊。4.2药用高分子应具备的基本性能由于药用高分子的使用对象是生物体，通过口服或注射等方式进入消化系统、血液或体液循环系统，因此必须具备一些基本的特性。对高分子药物的要求包括：(1) 高分子药物本身以及它们的分解产物都应是无毒的，不会引起炎症和组织变异反应，没有致癌性；(2) 进入血液系统的药物，不会引起血栓；(3) 具有水溶性或亲水性，能在生物体内水解下有药理活性的基团。(4) 能有效地到达病灶处，并在病灶处积累，保持一定浓度。(5) 对于口服的药剂，聚合物主链应不会水解，以便高分子残骸能通过排泄系统被排出体外。如果药物是导入循环系统的，为避免其在体内积累，聚合物主链必须是易分解的，才能排出人体或被人体所吸收。4.3高分子载体药物通过对许多低分子药物的结构分析发现，在低分子药物中常常含有氨基、羧基、羟基脂基等活性基团。这些基团是与高分子化合物结合的极好反应点。低分子药物与高分子化合物结合后，起医疗作用的任然是低分子活性基团，高分子仅起了骨架和载体的作用。药用高分子的研究工作是从高分子载体药物的研究开始的。第一个高分子载体药物是1962年研究成功的将青毒素与聚乙烯胺结合的产物。至今已研制成功许多品种，目前在临床中实际应用的药用高分子大多属于此类。例如碘酒曾经是一种最常用的外用杀菌剂，消毒效果很好。但是由于它的刺激性和毒性较大，近年来日益受到人们的冷落。如果将碘与聚乙烯吡咯烷酮结合，可形成水溶性的络合物。这种络合物在药理上与碘酒有同样的杀菌作用。由于络合物中碘的释放速度缓慢，因此刺激性小，安全性高，可用于皮肤，口腔和其他部位的消毒。青霉素是一种抗多种病菌的广谱抗菌素，应用十分普遍。它具有易吸收，见效快的特点，但也有排泄快的缺点。利用青霉素结构中的羧基、氨基与高分子载体反应，可得到疗效长的高分子青霉素。例如将青霉素与乙烯醇乙烯胺共聚物以酰胺键相结合，得到水溶性的药物高分子。这种高分子青霉素在人体内停留时间比低分子青霉素长3040倍。以乙烯基吡咯烷酮乙烯胺共聚物或乙烯基吡咯烷酮丙烯酸共聚物作骨架，也得到水溶性高分子青霉素，并具有更好的稳定性和药物长效性。而且聚乙烯吡咯烷酮本身可作血液增量剂，与生物体相容性良好。利用分子中羧基和胺基的缩聚反应，可制得药理活性基团位于主链的聚青霉素。此外，青霉素在一定条件下还可发生开环聚合：这种聚合物的分子量一般只能达到10003000，其水解后的结构与原来青霉素结构不同，但实验结果表明仍有良好的抗菌作用，且比低分子青毒素有更好的持久性。维生素是人体生长和代谢所必须的微量有机物，但所需量很小。按理说，人们每天食用的蔬菜、水果、谷物中的维生素已足够维持肌体活动的需要。但实际上，维生素并不易被人体吸收，其中大部分在进入人体后又被排泄掉了，浪费很大。已经研制了多种维生素与高分子化合物结合的产物，药效大大提高。例如 VB1 中的羟基能顺利地与聚丙烯酸中的羧基结合。利用半胱氨酸型聚合物中的SH基使VB1开环加成，可得到与上述高分子VB1不同结构的产物，但药效基本不变。同样，VC（抗坏血酸）中羟基与聚合物中的羧基以酯的形式结合，也可得到含VC的聚合物。低分子抗癌药常常伴有恶心、脱发、全身不适等不良反应。如将这些药物与高分子结合，可定向地将药物输送到病灶处，为变异细胞所吸收，不会在全身循环过久，从而避免了毒性作用。5.结束语对于生物医用高分子材料的种类远不止上面介绍的几种，在这里受篇幅的影响只能粗略的介绍几种，希望对大家有帮助。且对生物医用高疯子材料的研究和探索也是任重而道远，因为它有很大的发展空间。若大家对这方面的课题有兴趣，可参考参考文献中的几本书。参考文献【1】 王高潮 主编材料科学与工程导论， 机械工业出版社 2010.10第一版【2】 王国建 王德海 邱军 赵立群编著功能高分子材料 华东理工大学出版社2006.8第一版【3】 青岛科技大学 吴其哗 冯莹 编,高分子材料概论 机械工业出版社2004.8第一版【4】 王琛 主编 严玉蓉 副主编