功能高分子在医学上的应用.doc

学海无涯 功能高分子在医学上的应用 马聪（安徽工业大学化学与化工学院 安徽马鞍山 243000）摘要：在功能高分子材料领域，生物医用高分子材料可谓异军突起，目前已成为发展最快的一个重要分支。简单地说，所谓生物医用高分子材料是指在生理环境中使用的高分子材料1，它们中有的可以全部植人体内，有的也可以部分植入体内而部分暴露在体外，或置于体外而通过某种方式作用于体内组织。本文主要介绍了功能高分子在医学上的应用。关键词： 功能高分子 生物医用 体内组织Abstract: In the field of functional polymer materials, bio-medical polymer materials can be described as a meteoric rise. it has become an important branch of the fastest growing. Simply put, the so-called bio-medical polymer material is used in the physiological environment of the polymer materials. Some of them can all be planted in the human body, and some can also be implanted in the body part and partly exposed in vitro, or placed in a certain way through in vitro effect on body tissue. This paper main describes the functional polymer in medical applications.一功能高分子1.1功能高分子定义功能高分子材料一般指具有传递、转换或贮存物质、能量和信息作用的高分子及其复合材料，或具体地指在原有力学性能的基础上，还具有化学反应活性、光敏性、导电性、催化性、生物相容性、药理性、选择分离性、能量转换性、磁性等功能的高分子及其复合材料。功能高分子材料是上世纪60年代发展起来的新兴领域，是高分子材料渗透到电子、生物、能源等领域后开发涌现出的新材料。1.2功能高分子简介合成功能高分子的主要途径2：其一是将具有功能基团的单体与聚合物经缩聚或加聚而成；二是通过化学反应将功能性基团接到聚合物链上，如载上两个或两个以上的功能基团，则可呈现多种功能。可同时赋予高分子链以亲水性和疏水性，使之具有不同的反应环境；吸附和解吸附均较容易；大分子本身变形自如，能发生可逆的形态变化等等。功能高分子材料种类繁多。用途极为广泛。如分离工程中使用的多孔膜，可以分离气体、液体及固体混合物；反应工程中高分子酶催化剂；电子信息中使用的光敏、电敏、热敏等各种各样的高分子敏感材料；医学工程中的人工脏器、药物缓释剂材料等等。功能高分子材料以技术密集提高了廉价通用高分子材料的附加值，赢得了新的市场。它是少而精尖，成本虽高，但以特殊性能为优势的产品。功能高分子的发展方兴未艾，正以一个独特的性能和广泛的用途形成一个新领域，因而受到世界各国的普遍重视。随着时代的发展，在医学领域中越来越迫切地需要开发”出能应用于医疗的各种新型材料，经多年的研究已发现有多种高分子化合物可以符合医用要求，我们也把它归属于功能性高分子材料。 对于生物医用高分子材料来说，除了要有医疗功能外，还必须强调安全性，即不仅要治病，而且对人体健康无害。当然，对生物医用高分子材料的要求也不是一律不变的，可因其使用环境或功能的不同而异，如外用医疗材料与肌体接触时间短，要求可稍低，而与血液直接接触，或体内使用的材料则要求较高。本文我们将重点介绍功能高分子在医学上的应用。二.医用高分子简介2.1医用高分子材料医用高分子材料用于人工器官、治疗疾患、诊断检查等医疗领域中，由于它与生命科学相关连，因此越来越受到人们的重视。它是生物、医学、化学和材料科学交叉形成的边缘学科。医用高分子材料必须具备高纯度、化学惰性、稳定性、耐生物老化等优点。对于非永久植入体内的材料要求在一定时间内能被生物降解，降解产物对身体无毒害，容易排出；而对于永久性植人体内的材料，要求能耐长时间的生物老化作用，如能经受血液、体液和各种酶的作用，还必须无毒、无致癌、无致炎、无排异反应、无凝血现象；还要有相应的生物力学性能、良好的加工成型性和一定的耐热性，便于消毒等等。人们常用的医用高分子材料有：有机硅聚合物、有机玻璃、尼龙、聚酯、聚四氟乙烯等。1960年以前，人们都是根据要求，在已有现成的高分子材料中筛选合适的材料加以利用，但在实用中发现凝血现象和炎症反应等诸多问题难以解决，由此人们意识到必须在一开始就要根据医学应用的客观需要，特别是生物相容性等，设计医用高分子材料，才能安全可靠。近年来美国、欧洲和日本对生物医用高分子材料的研究与开发突飞猛进，从人工器官到高效缓释高分子药物都取得了很多成果和巨大效益。就美国健康工业制造者协会资料报告，1995年世界市场达1200亿美元，美国为510亿美元，预计在21世纪将成为国民经济的支柱产业3。2.2高分子药物高分子药物是20世纪50年代才发展起来的一种新型药物，其中的一类是以高分子本身作为新型药物。有些可溶性高分子可直接用作药物如天然高分子酶制剂、抗凝血的天然肝素和各种模拟酶药物。合成的有聚乙烯吡咯烷酮可用作血容量扩充剂、抗癌药二乙烯醚和顺丁烯二酸酐交替共聚物等等，但目前品种不多，有待进一步开发。二是主要的一类，以高分子为药物的载体，将具有药理活性的低分子化合物以离子键或共价键的形式接到该载体上，制成高分子药物控制释放制剂，其作用有二：一是为了使药物以最小的剂量在特定的部位产生治疗效应，二是优化药物释放速率，以提高疗效，降低毒副作用，实现：(1)长效作用：常用的低分子药物由于相对分子质量小，在血液中停留时间短，易排出体外，故药效短。青霉素G、青霉素V的持续药效不长，若将它们接到聚乙烯醇和乙烯胺共聚物分子链上，可使药效延长近40倍4。(2)增效作用：并不是所有药物高分子化后都能提高药效，但只要选好载体，合适的载体即能引导药物直接进攻病变细胞的靶区，或改变药物在靶组织内的转运和分布，或增加渗透作用，导致增效。三、功能高分子在医学上的应用3.1多孔性聚砜微球多孔性聚砜微球采用液-液相分离的方法制备5-8。微球表面是一皮层结构，之后是指状孔结构。微球内部有很多大的孔。这些均为相转化法制备的膜或微球粒子的典型结构。微球的皮层是吸附过程的控制层，皮层表面有纳米级的小孔。皮层和小孔是在液一液相分离的过程中由于溶剂和非溶剂小分子的相互交换而形成的。它只允许小分子自由通过，而截留大分子，这在吸附牛奶中的环境毒素时非常有用。微球的孔隙率可以通过聚砜的密度和干燥前后的重量计算，用12.5%的聚砜溶液制备的微球的孔隙率在80左右，且孔隙率随高分子溶液浓度的增大而减小。微球的比表面积可以通过压汞仪或氮气吸附法测定，其吸附的比表面积可以达到50m2/g，且随高分子溶液的浓度增大而迅速增大。随高分子溶液的浓度增大，微球的孔隙率减小，而比表面积却增大，这是由于随溶液浓度增大，微球内部小孔数目增多，大孔数目减少，孔隙率自然降低；然而小孔对比表面积的贡献远大于大孔，因此比表面积增大。但是，目前采用液一液相分离方法制备的聚砜或聚醚砜微球的尺寸较大，直径一般在15mm左右，对环境毒素的吸附还远没有达到最好效果，尤其是吸附速度还有待提高。因此采用一定压力将液滴在较小时吹入非溶剂中成球9，得到尺寸较小的微球，直径在05mm左右甚至以下，则可以得到更好的吸附效果。3.2高分子水凝胶高分子水凝胶是由具有三维交联网络结构的高聚物和作为溶胀剂的水组成的这类材料在医用生物材料方面有重要的应用。与一般或其它功能高分子水凝胶不同医用高分子水凝胶由于直接与生物系统相作用，除需具备一般理化性能要求外还需满足下述一些特殊性能要求：水凝胶本身无毒不致癌不致畸不引起人体细胞的突变和不良组织反应；具有良好的生物或组织相容性，不引起溶血、凝血、发热、和过敏等现象；具有与人体天然组织相适应的力学性能；针对不同的使用目的而具有特定的功能。因此在进行医用高分子水凝胶的设计和合成时便需从原材料制备方法和材料结构与形态等方面进行综合考虑。迄今为止，已报导的医用水凝胶可划分为天然高分子水凝胶、合成高分子水凝胶以及天然与合成高分子杂化水凝胶三大类其物理形态不仅有片状胶囊状微球状也有胶膜涂层状。医用高分子水凝胶因其在药物控释软骨支架构建活性细胞封装等方面的广阔应用，前景越来越受到人们的关注研究者们也不断提出了有关凝胶设计与合成的新思想和新方法。较之化学交联水凝胶，物理交联水凝胶因其相对“清洁”更适合用作包埋蛋白质酶、核酸细胞、多肽一类生物活性大分子的理想载体。而伴随着超分子化学研究的蓬勃兴起，具有精细、可控结构的性能优异的新型医用高分子凝胶材料必将得到进一步研究和开发10。3.3隆鼻术材料隆鼻术是利用充填材料。通过手术矫正鼻根、鼻梁或鼻尖塌陷等外鼻畸形的一种整形手术。充填材料选择是隆鼻术成功与否的关键，人们先后研制和使用了许多种隆鼻材料，但至今没有一种完美。理想的隆鼻材料应具备以下要求：无毒性、无刺激性、无致癌性和无免疫源性；生物相容性、组织结合性和耐生物老化性好，不易变形或吸收；可塑性好，易加工塑形；具有一定的物理机制性能；易于消毒灭菌处理；手术放置时容易植入人体，操作便利，取出时可干净彻底地取出；隆鼻后不影响皮肤颜色；取材方便，材料来源充足；在体内对X线具有可透射性，热及电传导性低。先简单介绍一下当今几种使用的隆鼻填充材料11。3.3.1硅橡胶硅橡胶高聚物分子主要曲线型聚硅氧烷组成，其可塑性强，具有疏水性、透气性、耐热性，理化稳定性和物理惰性良好，能耐组织液腐蚀，不被机体代谢、吸收和降解，还有较好的血液和组织相容物，能耐高温高压消毒12。液态硅橡胶：液态硅橡胶隆鼻术不用开刀、组织创伤小，易被受术者接受，80年代后期进人我国并广受欢迎。但是，随着时间的推移，该手术所引起的并发症逐渐出现：感染；塑型失败致鼻部畸形；注射区皮肤潮红、瘙痒或疼痛；异物反应；可能引起自体免疫性疾病。液态硅橡胶植入体内后难以彻底清除，目前已被临床淘汰。3.3.2膨体聚四氟乙烯膨体聚四氟乙烯(e-PTEF)是整形外科材料学又一重大突破，1997年引进国内，其商品名有Gore-Tex、Teflon等。它组织相容性优于硅橡胶，理化性能稳定、无毒、耐高温和低温、耐化学腐蚀。它容易塑形，材质较硅胶软，假体与周围组织之间接的过渡较平滑，术后鼻外观更自然。其内部为“节与纤维”的超微多孔结构(0.5-30.0m)，可诱导周围的血管及肉芽组织向内生长，假体远期固定效果较好，临床上无排斥反应的报道，需取出假体时也不困难。这样可从根本上避免术后远期发生假体活动、鼻背皮肤变薄、发红、发亮、鼻尖假体外露的不良效果，因而是隆鼻及改善鼻尖部形态较理想的材料13。但是，由于e-PTFE质地软软，以鼻小柱上端蝶形切口置人较为容易，创伤大，手术复杂，易留瘢痕。也因为如此，在雕刻塑形时须轻柔切削，避免用力挤压，以免使组织的长人减少。3.3.3高密度聚乙烯高密度聚乙烯商品名为Medpor，是一种多孔线状的甲基烯酸甲脂聚合物。它具有开放和相互交通的多孔形结构，组织可长入孔内与其达到生物性紧密结合，具有一定的骨传导性。它有一定的柔韧性，有良好的组织相容性且吸收率低。它的缺点是，其强度与温度有关，超过110可能引起变形，不能高温消毒。但有学者利用它的这种特性进行塑性，取得良好效果14。由于材料多孔，易藏匿细菌，消毒须严格，经两次消毒才可使用。MEDPOR于90年代初在国外投入市场，现已广泛用于颅面部整形。3.4 人工关节人体的关节是一个非常复杂的结构，由骨连接、韧带、关节囊、缓冲结构等组成，具有灵活的多方向活动能力，是完成旋转、曲伸等复杂动作的基础，同时关节还能承受一定的压、拉、屈、折等负荷。一旦关节受损，就会造成关节疼痛、功能障碍。人工关节置换能有效的重建关节功能，提高患者的生活质量。而对于人工关节的材料要求是很高的，机械物理性能良好，化学性能稳定，生物相容性要好。人工关节材料作为重要的生物材料组成部分，近百年来，特别是近20年来得到了长足的发展。人工关节包括髋、膝、肩、肘、腕、踝等关节，其中以髋关节、膝关节置换为主。3.4.1高分子材料人工关节 国外用合成高分子材料制作人工关节最早开始于20世纪40年代15，早期一般使用聚氯乙烯、聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲脂。聚乙烯是最早被用于人工关节的高分子材料，以后又采用性能更好的超高分子聚乙烯，已成功用于人工腕关节、膝关节与髋臼等，较好地解决了人工关节的摩擦和磨损问题，延长了使用寿命。但长期随访病例显示，由于聚乙烯或超高分子聚乙烯晚期磨损严重，造成聚乙烯或超高分子聚乙烯人工关节出现晚期松动现象等。这些早期假体易折断，磨损严重，分解的微粒常造成无菌性炎症，引起关节旁积液。此后有人选用了尼龙，但是它在体内耐老化性能差，磨损微粒刺激肉芽组织增生，且在体内变形。硅橡胶在医学上被广泛的应用，用于指关节，肘关节等硅橡胶人工指关节优于金属人工指关节16，尤其适宜于掌指关节伸屈肌腱损坏者。然而，尽管有不少成功的应用，但远期疗效分析已存在大量由硅橡胶引起异物反应的报道。断裂和感染是人工指关节置换失败的两个主要原因。高分子材料虽然具有优异的生物相容性，有些还具有较好的抗磨损性能，但当承受数倍于人体体重的负荷时，这种材料就显得器度不足，容易产生磨损。目前，提高高分子关节材料的抗磨损性能的主要方法有复合增强法和表面处理法。复合增强法可以分为颗粒增强法和纤维增强法两大类；颗粒增强法17是通过将粒子填料与高分子材料复合，来提高其硬度、机械强度等力学性能。一般来说软质填料可以改善其减摩特性，而硬质填料则能够显著提高其耐磨性。纤维增强法18是通过在高分子材料中加入聚丙烯纤维、矽酸钙纤维等，通过调整纤维种类、含量、取向与铺展顺序等使复合材料具有低磨损量和高机械强度。对高分子材料表面进行处理的主要方法是离子注入法19，即通过在高分子材料表面注入Xe+、H+、He+、Ar+、N+、O+、C+等，使得处理后的表面层发生结构上的变化。这主要是由于等离子体与高分子材料表面相结合，在表面形成了新的官能团，并改变了高分子材料的链结构而造成的。结果就如同在基体表面覆盖了一层性能强化后的薄膜，从而改善了表面的硬度和抗磨损性能。结语：医用功能高分子对我们的生活起到了越来越大的作用。如果在将来我们能够在医用功能高分子方面投入更多的研究，将对我们的未来产生巨大的影响。参考文献：1 凌绳等编著聚合物材料，北京：中国轻工出版社，2000，2042 张广艳，王旭红，宁志强功能高分子材料，2003,1-23 路凯，陈亚妍，李士英，等国外医学卫生学分册M，2000，27(6)：364-3674 何门凡胡汉东功能高分子与新技术M北京：化学工业出版社，20015 Zhao C S，Lin X D，Nomizu M，Nishi NJ Collid Interface Sci，2004，275(2)：4706 Zhao C S，Wei Q R，Yang K G，Nomizu M，Nishi NSep Purifi Technol，2004，40(3)：2977 Zhao C S，Liu X D，NomiZU M，Nishi N