生物医学材料与人类的未来

1、生物医学材料与人类的未来 摘要: ”福如东海,寿比南山”人类自古都是惧怕疾病,渴望长寿的.随着社会的进步,经济的发展,人类对自身的医疗康复事业愈加重视.然而当今社会,人口众多,交通事故频发.盛会节奏的加快,使人的身体更加脆弱,经济快速发展引起的环境恶化,更加重了疾病发生的概率.医学的发展成为时代的要求,生物医学材料的研究也被提上日程.近年来,生物医学材料蓬勃发展形成了新兴的生物材料工业体系,随着时代的发展,合金材料因为生物相容性差,所占比重下降,高分子材料乃是生物医用材料的重要组成部分.本文主要介绍了高分子材料在医学上的应用.关键词 高分子材料 人工脏器 人工组织 药用高分子正文1 医用高分子

2、材料概述 生物医用高分子材料是以医用为目的,用于和活体组织接触,具有诊断、治疗或替换机体中组织、器官或增进其功能的高分子材料,生物医用高分子材料是在高分子材料科学不断向医学和生命科学渗透,高分子材料广泛应用于医学领域的过程中,逐渐发展起来的一类生物材料,它已形成一门介于现代医学和高分子科学之间的边缘科学。 生物医用高分子材料的发展经历了三个阶段. 第一阶段,特点是所用高分子材料都是已有的现成材料, 如用丙烯酸甲酯制造义齿的牙床. 第二阶段, 标志是医用级有机硅橡胶的出现, 随后又发展了聚羟基乙酸酯缝合线以及四种聚(醚- 氨) 酯心血管材料, 从此进入了以分子工程研究为基础的发展时期。该阶段的特

3、点是在分子水平上对合成高分子的组成、配方和工艺进行优化设计, 有目的地开发所需要的高分子材料。 第三个阶段,标志是医用高分子材料研究焦点从寻找替代生物组织的合成材料转向研究一类具有主动诱导、激发人体组织器官再生修复的新材料.其特点是这种材料一般由活体组织和人工材料有机结合而成, 在分子设计上以促进周围组织细胞生长为预想功能, 其关键在于诱使配合基和组织细胞表面的特殊位点发生作用以提高组织细胞的分裂和生长速度.生物医用高分子材料作为一门边缘科学,融合了高分子化学和物理、高分子材料工艺学、药理学、病理学、解剖学和临床医学等方面的知识,还涉及许多工程学问题。生物医用高分子材料的发展,对于战胜危害人类

4、的疾病,保障人民身体健康,探索人类生命奥秘具有重大意义。2 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, 一般对其性能的要求是： (1) 安全性：必须无毒或副作用极少。这就要求聚合物纯度高，生产环境非常清洁，聚合助剂的残留少，杂质含量为 ppm级，确保无病、无毒传播条件。 (2) 物理、化学和机械性能：需满足医用所需设计和功能的要求。如硬度、弹性、机械强度、疲劳强度、蠕变、磨耗、吸水性、溶出性、耐酶性和体内老化性等。以心脏瓣膜为例，最好能使用25万小时，要求耐疲劳强度特别好。此外，还要求便于灭菌消毒，能耐受湿热消毒(120

5、140°C)、干热消毒(160190°C)、辐射消毒或化学处理消毒，而不降低材料的性能。要求加工性能好，可加工成所需各种形状，而不损伤其固有性能。 (3) 适应性：包括与医疗用品中其他材料的适应性，材料与人体各种组织的适应性。材料植入人体后,要求长时期对体液无影响；与血液相容性好,对血液成分无损害，不凝血，不溶血，不形成血栓；无异物反应，在人体内不损伤组织，不致癌致畸，不会导致炎症坏死、组织增生等。 (4) 特殊功能：不同的应用领域，要求材料分别具有一定的特殊功能。例如：具有分离透析机能的人工肾用过滤膜、人工肺用气体交换膜，以及人造血液用吸脱气体的物质等，都要求有各自特殊的

6、分离透过机能。在大多数情况下，现有高分子材料的表面化学组成与结构很难满足上述要求，通常要采用表面改性处理，如接枝共聚，以改进其抗凝血性等性能。3 生物高分子材料的主要应用 目前用高分子材料制成的人工器官中，比较成功的有人工血管,人工食道、人工尿道、人工心脏瓣膜、人工关节、人工骨、整形材料等，已取得重大研究成果。 还需不断完善的有人工肾、人工心脏、人工肺、人工胰脏、人工眼球、人造血液等。 还有一些功能较为复杂的器官，如人工肝脏、人工胃、人工子宫等，则正处于大力研究开发之中。3-1医用高分子材料用作人工脏器 人造器官主要有三种：机械性人造器官、半机械性半生物性人造器官、生物性人造器官。机械性人造器

7、官是完全用没有生物活性的高分子材料仿造一个器官，并借助电池作为器官的动力。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。下面是几种人工脏器的介绍:（1）人工肾：四十年前荷兰医生用赛璐洛玻璃纸作为透析膜, 成功地滤除了患者血液

8、中的毒素。目前人工肾以中空丝型最为先进, 其材质有醋酸纤维, 赛璐洛和聚乙烯醇。其中以赛璐路居多, 占98%, 它是一种亲水性的、气体和水都能通过的材料, 同时要求有很好的选择过滤性, 病人的血液从人工肾里流过由它们所构成的中空丝膜, 就可将尿素、尿酸,Ca2+等物质通过, 并留在人工肾里继而排出, 而人体所需的营养、蛋白质却被挡住,留在血液里返回人体, 从而对血液起到过滤作用, 目前中空纤维膜已在西德的恩卡公司、日本旭化成和夕沙毛公司研究成功, 并用于工业化生产。（2）人工肺：人工肺并不是对于人体肺的完全替代，而是体外执行血液氧交换功能的一种装置，目前以膜式人工肺最为适合生理要求,它是以疏水

9、性硅橡胶, 聚四氟乙烯等高分子材料制成。(3)人工心脏：1982年美国犹他大学医疗中心, 成功地为61岁的牙科医生克拉克换上了Jarvak一7型人工心脏, 打破了人造心脏持久的世界纪录, 美国人工心脏专家考尔夫博士指出闭,人工心脏研制成功与否取决于找到合适的弹性体, 作为人工心脏主体心泵的高分子材料,现在所用的材料主要为硅橡胶。图-1美造出人工肺,可使老鼠存活六小时 图-2 安装在巴尼·克拉克胸腔内的人造心脏。 3-2高分子材料制作的部分人工组织： 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

10、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。用途材料人工皮肤人工血管人工骨和人工关节人工软骨人工血细胞人工血液人工神经人工肌腱人工齿人工晶体/玻璃体聚乙烯醇缩甲醇、胶原纤维、聚丙烯织物、聚氨酯尼龙等。 聚四氯乙烯、聚乙烯醇缩甲醛海绵、硅橡胶、尼龙等。聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氯乙烯、超高相对分子质量聚乙烯。软骨膜细胞+海绵状骨氟碳化合物乳剂、人或动物的血红蛋白+聚乙二醇葡聚糖、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮明胶、骨原胶、聚羟基乙酸尼龙

11、、聚氯乙烯、硅橡胶聚甲基丙烯酸、聚碳酸酯、聚苯乙烯、环氧树脂液状有机硅、骨原胶、聚乙烯醇水凝胶表-1 高分子材料制作的部分人工组织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

12、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

13、用于疫苗和生物菌的控释和靶向给药。4 医用高分子材料的发展及展望 人类的健康长寿依赖于医学的发展。现代医学的进步已经越来越依赖于生物材料和器械的发展,没有医用材料的医学诊断和治疗在现代医学中几乎是不可想象的。目前全球大量用于医疗器械的生物医学材料主要有20种,其中医用高分子12种,金属4种,陶瓷2种,其他2种2。利用现有的生物医学材料已开发应用的医用植入体、人工器官等近300种,主要包括:起搏器、心脏瓣膜、人工关节、骨板、骨螺钉、缝线、牙种植体,以及药物和生物活性物质控释载体等。近年来,西方国家在医学上消耗的高分子材料每年以10%20%的速度增长3,而国内也以20%左右的速度迅速增长。随着现代科学技术的发展,尤其是生物技术的重大突破,生物材料的应用将更加广泛,需求量也随之越来越大。生物医用材料产业发展如此迅猛,主要动力来自于人口老龄化、中青年创伤的增多、疑难疾病患者的增加和高新技术的发展。生物材料的研究与开发被许多国家列入高技术关键新材料发展计划,并迅速成为国际高技术制高点之