生物高分子材料doc-生物医学高分子材料

生物医学高分子材料沈新元一．概论生物材料（biomedicalmaterials）包括生物医学材料、生物模拟材料和仿生设计新材料。生物医学材料是用于生命系统接触和发生相互作用的，并能对其细胞、组织和器官进行诊断治疗、替换修复或诱导再生的一类天然或人工合成的特殊功能材料。生物模拟材料是模拟生物的机能的一类功能材料，如透析膜。仿生设计新材料是仿效生物体的结构与功能设计的新材料，将是今后发展的方向之一。生物医学材料包括金属生物医学材料、无机非金属生物医学材料和高分子生物医学材料。高分子生物医学材料也称医用高分子（Biomedica1Polymer）材料，它是一类用于临床医学的高分子及其复合材料，是生物医学材料的重要组成部分，是用于人工器官、外科修复、理疗康复、诊断检查、治疗疾患等医疗保健领域，并要求对人体组织、血液不产生不良影响。其研究内容包括两个方面，一是设计、合成和加工符合不同医用目的的高分子材料与制品；二是最大限度地克服这些材料对人体的伤害和副作用。生物医学高分子材料发展动力来自医学领域的客观需求。当人体器官或组织因疾病或外伤受到损坏时，迫切需要器官移植。然而，只有在很少的情况下，自体器官（如少量皮肤）可以满足需要。采用同种异体移植或异种移植，往往具有排异反应，严重时导致移植失败。在此情况下，人们自然设想利用其他材料修复或替代受损器官或组织。早在公元前4000年前，古埃及人就曾使用亚麻和由天然粘合剂粘合的亚麻来缝合伤口，以使伤口能及时愈合。在公元3500年前，古埃及人又用棉花纤维、马鬃缝合伤口。至公元前600年，古印度人在类似的情况下采用马鬃、棉线和细皮革条等。肠衣线和蚕丝，大致分别在2世纪和11世纪才被应用于伤口缝合。在19世纪，手术缝合线已成为医用纤维的主要使用形式。进入20世纪，随着高分子科学迅速发展，新的合成高分子材料不断出现，从而带动了生物医学高分子材料的发展，为医学领域提供了更多的选择余地。另一方面，自20世纪50年代初以来，由于人们在合成及加工技术和消毒技术等方面取得了成足的进步，因此生物医用高分子材料的发展更加迅速。人工血管、人工肾、人工肺、人工肝等人工器官，先后试用于临床。20世纪60年代以前，主要是医生根据特定需求从已有的生物医学高分子材料中筛选出合适的材料加以应用。由于这些材料不是专门为生物医学目的设计合成的，在初步试用中发现了许多问题，如凝血问题、炎症反应与组织病变问题，补体激活与免疫反应问题等。至60年代，人们意识到必须在一开始就针对医学应用的客观需要，设计合成高分子新材料。从70年代始，高分子科学家和医学家积极开展合作研究，医用高分子材料快速发展起来，并不断取得成果，复杂手术技术的发展进一步促进了生物医学高分子材料使用量的增长。在80年代，发达国家的医用高分子材料产业化速度加快，基本形成了一个崭新的生物材料产业，生物医学高分子材料产业是其中重要的一个分支。我国生物医学高分子材料的研究总体上起步于改革开放以后，并取得了一批研究成果。进入90年代，更多的基础研究成果和实用技术涌现出来，使我国的生物医学高分子材料研究水平接近国际水平，并在部分领域达到国际先进水平。目前，我国的生物医学高分子材料产业正在孕育之中，一批生物医学高分子材料和器件（器官）正在实现产业化。二、对生物医学高分子材料的基本要求生物医学高分子材料是直接用于人体或用于与人体健康密切相关的目的，因此进入临床使用阶段的生物医学高分子材料必须满足某些一般和特殊的要求。不然，用于治病救命的生物医学高分子材料会引起不良后果。对生物医学高分子材料的性能的要求比较复杂，它随使用的目的、显示的功能、与生物体是否接触、接触时间的长短等因素而异。具体来说，对生物医学高分子材料性能的要求如下。（一）对生物医学高分子材料本身性能的要求1．耐生物老化对于长期植入的生物医学高分子材料，例如人工腱用聚乙烯纤维，生物稳定性要好而且不对宿主产生有害反应。但是，对于暂时植入的生物医学高分子材料，例如手术缝合线、牙周再生片等用聚乙交酯-丙交酯纤维，则要求能够在确定时间内降解为无毒的单体或片断，通过吸收、代谢过程排出体外。因此，耐生物老化只是针对某些医学用途的纤维材料的一种要求。2．物理和力学稳定性针对不同的用途，在使用期内生物医学高分子材料的强度、弹性、尺寸稳定性、耐曲挠疲劳性、耐磨性应适当。例如，当用涤纶作人工韧带时，应该用断裂强度高的工业丝作为原料。对于某些用途，还要求具有界面稳定性。3．易于加工成制品4．材料易得，医用价格适当5．便于消毒灭菌（二）对生物医学高分子材料的人体效应的要求异体材料与生物接触时，在生物体方面往往出现血栓、炎症、毒性反应、变态反应以及致癌等各种生物化学性拒绝反应。所以作为生物医学高分子材料必不可少的条件是生物相容性。生物相容性是一个描述生物医学材料与生物体相互作用情况的概念。如果说某种材料的生物相容性好，是指这种材料能够与肌体相互适应，即材料对肌体没有显著或严重的不良反应，肌体也不引起材料性能的改变。由于不同类型的生物医学高分子材料在医学中的应用目的不同，生物相容性又具体化为硬组织相容性、软组织相容性、血液相容性。硬组织替代或修复材料必须具有良好的硬组织相容性，能与骨骼或牙齿相互适应。软组织替代或修复材料应具有适当的软组织相容性，材料在发挥其功能的同时，不对邻近软组织（如肌肉、肌腱、皮肤、皮下等）产生不良反应。凡是与血液接触的材料必须具有良好的血液相容性，不引起凝血、溶血，不影响血相。其实，只要生物医学高分子材料与肌体某部位接触，必然会相互影响。反之，材料本身也有可能在生物体的作用下发生结构、功能变化。导致材料与生物体相互影响的原因，在于生物体处于动态平衡之中。一旦材料进入体内，就会使这种动态平衡遭到破坏，肌体就会做出反应。这种反应的严重程度或这种反应是向正向性还是向负向性发展，决定着材料的生物相容性。生物相容性包括血液相容性、组织相容性和生物降解吸收性。1．血液相容性血液相容性指材料与血液接触时，不发生溶血或凝血。血液流动一般在以下两种情况发生异常：一是血管损伤，血液进入组织就会自动凝血；二是当血液与异物如血管内表面以外的材料接触时，可能会产生溶血或在异物材料表面凝结产生血栓即凝血。显然，后一种情况是生物医学高分子材料植入人体或与血液接触时容易发生的问题。凝血过程是一个非常复杂的生物化学变化过程，既与血液中的多种成分如血浆蛋白质、凝血因子、血小板等有关，也与异物材料的结构相关。前者是生物体自身固有的，这就要求生物医学高分子材料要有与良好的抗血栓性能和一定的抗凝血时间相适应的结构。大量的科学研究表明，材料的抗血栓性能，直接与其表面结构相关。例如在涤纶的表面蒸镀一平滑碳膜层后，具有与生物活体状态相近的负电位和电导率，可以提高材料的抗血栓性能；若在涤纶的表面于-1000C温度下涂覆上超低温各向同性碳素，用作人造血管的材料，则显示出良好的抗血栓性能。甲壳素及其衍生物是天然的抗凝血物质，因此甲壳素及其衍生物纤维本身具有良好的抗凝血性能。对于无抗凝血性能的生物医学高分子材料，在其表面浸渍涂覆或化学键合接枝上甲壳素及其衍生物或其它天然抗凝血物质，可形成生物化表面，使它们具有抗凝血性能。例如，我们研制的聚乙交酯-丙交酯（PGLA）缝合线的涂层采用甲壳素进行涂层，使缝合线既柔软、光滑，又具有良好的抗凝血性能。采用缓释肝素方法，可使生物医学高分子材料和血液在接触界面上只生成一个很薄的血栓层，而后内皮细胞、纤维芽细胞在这血栓层上粘附、生长、繁殖，从而在生物医学高分子材料的表面形成与血管内膜相同的伪内膜，因而具有抗凝血性。2．组织相容性组织相容性是指材料与血液以外的生物组织接触时，材料本身的性能满足使用要求而对生物体无刺激性、不使组织和细胞发生炎症、坏死和功能下降，并能按照需要进行增殖和代谢。因为异体材料与生物活体组织接触时，二者相互影响发生各种各样的作用。这些相互作用包括机械作用（摩擦、冲击、反复曲伸）、物理作用（溶出、吸附、渗透）、化学作用（分解、水解、氧化、修饰、腐蚀等）。它既引起生物体方面发生变态反应、急慢性反应、血栓形成、急性炎症、催畸、致癌等排异反应以及促进组织功能恢复，免疫系统活化等医疗上的有效反应，也使材料在生物体内发生理化性质变化导致劣化、功能下降等。因此，作为生物医学高分子材料除应具有良好的血液相容性外，还必须有组织相容性。具体来说，要求生物医学高分子材料置于一般组织表面、器官空间组织内等处后，活体组织不发生排斥反应，材料自身也不因与活体组织、体液中多成分长期接触发生性质劣化，功能下降。否则将会造成严重的后果。例如，人工血管长期与血液接触时，由于生物活体内的脂质、蛋白质、钙等吸附、沉积、渗透等作用，使其丧失了弹性，变成动脉硬化型。由此，生物医学高分子材料的组织相容性也是十分重要的。3.生物降解吸收性生物降解吸收性是指材料在活体环境中可发生速度能控制的降解，并能被活体在一定时间内自行吸收代谢或排泄。这类材料用于只需要暂时存在体内最终应降解消失的医疗中，如吸收型缝合线等。按照在生物体内降解方式可分为水解型和酶解型两种。合成的聚乙交酯纤维、聚丙交酯纤维等属水解型，大多数天然高分子基纤维，例如骨胶原纤维、甲壳素及其衍生物等则属于酶解型。它们都是在37。C、近中性的活体环境中降解，其降解产物对机体无毒无刺激性，可直接排出体外或被吸收进一步参于生物体的新陈代谢。生物吸收性纤维材料的生物吸收分为两个步骤：降解和吸收。前者往往涉及主链的断裂，使分子量降低，要求裂解生成的单体或低聚体无毒副作用，最常用的裂解反应为水解反应，包括酶催化水解和非酶催化水解。从严格意义上讲，只有酶催化降解才称得上生物降解，但习惯上将两种降解统称为生物降解。吸收过程是生物体为了摄取营养或排泄废物（通过肾脏、汗腺、或消化道）的正常生理过程。生物医学高分子材料在体内降解以后，进入生物体的代谢循环。这就要求生物吸收性纤维材料应当是正常代谢物或其衍生物通过可水解键型连接起来的。例如，聚丙交酯纤维在体内的降解产物是二氧化碳和水，因此是理想的生物吸收性纤维材料。而一般情况下，由C一C键形成的聚烯烃纤维材料在体内难以降解，只有某些具有特殊结构的聚合物能够被某些酶所分解。用于生物组织治疗的生物吸收性纤维材料，其吸收速度必须与组织愈合速度同步。人体中不同组织不同器官的愈合速度是不同的，例如表皮愈合需要3~10天，膜组织要15~30天，内脏器官1~2个月，硬组织2~3个月，较大器官的再生需要半年以上。在组织或器官完全愈合之前，生物降解纤维材料必须保持适当的机械性能和功能。生物组织愈合之后，植入的生物医学高分子材料应尽快降解并被吸收，以减少材料存在产生的副作用。例如，我们研制的聚乙交酯－聚丙交酯手术缝合线的吸收周期为60天左右，完全能满足上述两方面的要求。然而，大多数生物医学高分子材料只是缓慢降解，在失去功能之后还会作为废品存在相当长时间。（三）具备效果显示功能作为人工器官、组织、药物载体、临床检查诊断和治疗用生物医学高分子材料，除要求与生物体相互适应、融合共存外，还必须具有显示其医用效果的功能，即生物功能性。由于使用的目的、各种器官在生物体外所处的位置和功能不同，对材料的要求也各有侧重，简单归纳如下。1．可检查、诊断疾病作生物传感器、医疗测定仪器零件和检查用生物医用纤维材料应具备这种功能。如将由梅毒心磷脂、胆舀醇和卵磷脂组成的抗原材料固定在醋酸纤维膜上形成免疫传感器，可感知血清中梅毒抗体发生反应，产生膜电位，从而用来诊断梅毒。2．可辅助治疗疾病例如，由甲壳素纤维制成的医用敷料，除能保护伤口不受污染外，还能促进伤口愈合。2．分别满足各脏器对维持或延长生命功能的性能要求例如，作为人工肾透析器的材料，要有高度的选择透过功能；作为人工血管材料，要具有高度的机械性能和耐疲劳性能；作为人工皮肤材料，要具有细胞亲和性和透气性（例如，我们研制的甲壳素人工皮肤，是由甲壳素短纤维制成的非制造布，透气性十分优异）；作为人工血液，要具有吸、脱氧功能。3．具备支持活体、保护软组织、脑和内脏的功能等例如，由纤维制成的人工韧