医用高分子材料产品的成型加工及发展现状

1医用高分子材料产品的成型加工及发展现状严志云，谢鹏程，丁玉梅，杨卫民*北京化工大学机电工程学院，北京（100029）摘要：本文介绍了医用高分子材料的种类、特点、加工成型技术如注射成型、挤出成型、二次成型技术等，并介绍了医用高分子材料、中国医疗器械行业的发展现状和趋势，对全面了解医用高分子材料成型加工将会有一定的帮助。关键词：医用塑料；医疗器械；注射成型；挤出成型中图分类号：TQ320.66文献标识码：A一、医用高分子材料种类塑料作为一种十分重要的材料，在医疗卫生领域得到了广泛应用。它既可制成一次性医疗器械如点滴瓶、注射器等，又能用于非一次性医疗设备如计量器、外科仪器等，医用塑料领域是目前塑料工业昀有发展潜力的市场之一。根据实际应用，医用塑料材料大致分为制作人工脏器、修复人体缺陷和制作医疗器械三大类。(1)植入体内，永久性替代使用的人工脏器或部位的塑料材料。例如人工血管、人工心脏瓣膜、人工食道、人工气管、人工胆管、人工尿道等。此外，在手术过程中，用于体外暂时替代使用的人工脏器有人工肾脏、人工心脏、人工肺、人工肝脏等。(2)修复人体某部分缺陷的人工材料。例如人工皮肤、人工骨、人工关节、人工耳朵、人工鼻、假肢、角膜接触眼镜等。(3)用作医疗器械的塑料材料。例如医用容器有输液瓶、输液袋、输血袋、腹膜透析液袋、血袋等；一次性医疗用品有注射器、输液器、输血器、静脉导液管、各种插管、血液导管、检验用具、病人用具、手术室用具、诊疗用具和绷带等。不同种类的塑料在医用塑料市场上的消费比例是不同的。聚氯乙烯(PVC)和聚乙烯(PE)用量昀大，各占28%和24%；聚苯乙烯(PS)占18%；聚丙烯(PP)占16%；工程塑料占14%。在工程塑料中，聚对苯二甲酸乙二酯(PET)占23%，ABS/苯乙烯－丙烯晴共聚物(SAN)占16%；聚碳酸酯(PC)占12%；聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)占10%，其它医用工程塑料有尼龙(PA)、聚甲醛(POM)、聚氨酯(PUR)、有机硅、氟聚合物、纤维素塑料、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）等[1]。二、医用高分子材料特点同普通高分子材料相比，医用高分子材料在单体及其聚合物的残留、锌、铅、镉、铜、钡、锡等金属离子的残留及树脂纯度、分子量分布等都有较高要求。但是在塑料类医疗器械的制备和产业化过程中，决定医疗器械质量和水平的不仅仅是医用塑料本身的性能。实际上在塑料类医疗器械的制备中，加工工艺和技术装备条件在塑料类医疗器械的质量和水平中起着决定性的作用。医用高分子材料的特点如下：(1)优良的热稳定性、化学稳定性及可杀菌消毒；(2)优良的生物体替代性和生物体相容性，不会引起炎症和过敏，不会致癌，具有抗血栓性；(3)长期埋植在体内，不会丧失拉伸强度和弹性模量等物理力学性能；(4)易于加工成所需要的复杂的形状[2,3]。三、中国医用塑料及器械产业随着全球人口数量的持续增长，特别是老龄化人口以及患有慢性病的人数的增加，促进了医疗服务市场的持续增长，特殊医疗器械得到广泛需求。由于高分子材料的优异特性而且能够降低成本，目前，医疗用品及器械从大型诊断仪器、一次性医疗用品以至精细的人造器官均离不开高分子材料，高分子材料已逐渐成为医疗用品及器械的重要原材料之一[4,5,6,7,8]。中国医用塑料及器械产业从上世纪末到现在的十余年间取得了不同凡响的长足发展，应用领域也从药品、药剂包装和点滴瓶等一次性物品，延伸到了外科仪器等非一次性设备。但是由于起步较晚，我国医疗器械的生产水平仍然处于十分落后的局面，其主要原因倒不是材料问题，加工工艺和技术装备才是目前制约我国医疗器械水平的症结。与美国人均三百多美元年消费水平比较，中国的年人均消费额只有三十多元人民币，差距还是相当大的。目前我国医用塑料制品的产值仅占世界医用塑料制品产值的2～3%，人均消耗量也不到发达国家的5%。国内企业大都不掌握核心信息，中高档的市场仍然被国外公司占领。为了提高我国医疗器械产品的技术水平，推动医疗器械产业的发展，20世纪90年代开始国家对介入医学和介入导管工业给予了前所未有的重视。科技部将“医疗器械关键技术研究及重大产品开发”列入国家“九五”重大攻关项目和“十五”国家科技攻关计划重点项目，国家计委将医用导管及附件的产业化列为高技术产业化示范项目，国家经贸委也三次立项支持介入医疗器械产业化项目。由此可见医疗器械加工技术的重要性和紧迫性[9,10]。四、医用高分子材料加工特点制备医疗器械的车间必须是全封闭式，并安装大功率空调换气机以及时排除有害气体，保证车间恒温及空气清洁，产品生产过程中，严禁使用脱模剂与除锈剂，确保产品不受到污染。目前我国已经出台相关标准对医疗器械的生产环境进行规定，如要求实施GMP规范和医疗ISO质量管理体系，确保生产流程各点不出现问题[11]。医用高分子材料产品一般生产工艺流程如图1所示。五、医用高分子材料产品加工技术5.1.专用设备与加工技术微注射、高速高精密注射、注拉吹成型、拉吹成型、挤吹成型、精密挤出、多层共挤吹塑、多层共挤流延、热压成型5.1.1医用导管高速精密挤出精密医用导管，如图2所示，主要特征是：尺寸微小(0.5毫米至数毫米)、形状复杂、几何精度要求高、卫生指标高、生化稳定性高等[12,13]。图2精密医用导管Fig2Precisionmedicalcatheter精密医用导管的管材部分采用挤出成型方法进行生产，配件主要采用注射成型方法进行生产。其中管材部分的生产工艺流程如图3所示[14,15]。原料干燥塑化挤出模具成型冷却定型牵引切断管材后处理稳压系统在线测量原料干燥塑化挤出模具成型冷却定型牵引切断管材后处理稳压系统在线测量图3精密医用导管管材部分生产工艺流程Fig3Generalproducingprocessofprecisionmedicalcatheter是一种微细介入导管机头的双管挤出式结构，当物料进入人字形机头体后，在分流锥的作用下逐渐分成两股，分别进入单管流道并独立成型，一次可连续成型两根导管。图5所示一种共挤出机头结构，采用共挤出技术制造的多层管具有单层管所没有的物理性质。共挤出成形管的内壁或外壁通常具有一层或多层厚度为0.002至0.005英寸的涂层薄皮。薄皮能与较厚的(0.005至0.100英寸)主要内层或中间过渡层组合在一起。外皮能够避免功能层材料的损伤，或防止管件的内置物与使用者和/或其他内置物相互接触[16]。图4双管挤出机头结构Fig4Structureofthedouble-pipeextrusiondie1-调节螺钉；2-加热线圈；3-整体芯棒；4-口模；5-固定螺钉；6-固定板；7-机头体(1)；8-机头体(2)；9-固定螺栓；10-分流体挤出成型是指将塑料熔化后泵送入加热的模具，使其冷却成形的过程。共挤出也是同样的过程，只是采用了多台挤压机泵送多种材料来制造产品。共挤出技术在当今医疗设备市场上的用途极为广泛。特别值得一提的是，制造商可以通过不同材料的组合来改善产品的性能，这些改变包括更好的化学耐受性、机械性能、视觉美感，以及成本的降低。由于所用材料存在差异，管件可能具有完全不同的物理性质。例如，PVC管可软可硬，可透明或不透明，其耐久性适用于大多数医疗领域；聚乙烯管的硬度和化学耐受性更强，却是半透明物质；聚碳酸脂管的透明度高，耐高温，却非常坚硬。如果用某种材料制成的管件缺少某种物理性质，通过共挤出技术就可以为其增加这种性质。图5是一种共挤出成型机头，图6显示的是一层很薄的高硬度热塑橡胶被压进低硬度热塑橡胶的内部。该组合提供了一个相对较硬的内表面，便于电缆的插入，而管件仍然保持其基本的物理柔韧性[17,18,19]。中空成型（挤吹，注吹，注拉吹）中空吹塑成型的一般原理为将压缩空气鼓入熔融的型坯，使之横向吹胀，紧贴于模具型腔表面，经过冷却成为中空制品，根据型坯制造方法不同，可分为注射吹塑、挤出吹塑、注射拉伸吹塑、挤出拉伸吹塑和多层吹塑等。见图7和图8的注射吹塑和挤出吹塑的工艺过程[20]。1-注塑机；2-注射型坯；3-空心凸模；4-加热器；5-吹塑模；6-制品图7注射吹塑成型工艺过程Fig7Injectionblowmoldingprocess挤出机头；2-吹塑模；3-管状型坯；4-压缩空气吹管；5-制品图8挤出吹塑成型工艺过程Fig8Extrusionblowmoldingprocess5.1.3医用多层薄膜生产图9是德国Dr.Collin公司医用多层薄膜生产线，能够生产大输液袋及其二次包装材料，在大输液袋及其二次包装领域，PE、PP、PA和其它适用材料已渐渐取代PVC。但是，单层聚烯烃薄膜在性能上并不能完全取代PVC，因此需要3、5甚至7层的多层共挤系统才能解决此特殊问题。在生产过程中，从制膜到制袋，袋内保持高度洁净；薄膜各向性能均衡；可针对不同结构层应用合适材料[21]。图9医用多层薄膜生产线Fig9Medicalmultilayerfilmproductionline5.1.4真空和热压成型将裁成一定尺寸和形状的片材，夹在模具的框架上，让其在高弹态的适宜温度加热软化，片材一边受热、一边延伸，而后凭借施加的压力，使其紧贴模具的型面，取得与型面相仿的形样，经冷却定型和修整后即得制品[22]。以上，是医用塑料制品生产的昀主要形式。医用注塑机是以普通注塑机为基础，并严格根据医用塑料制品成型的要求进行设计制造的，以满足相应的洁净度要求和卫生指标。医用产品注塑成型生产时注塑机的布局有以下三种方案：(1)注塑机整体放置于洁净室内，如图11所示，瑞士耐驰特Netstal公司SYNERGY系列注塑机可整体放置于洁净室内进行生产，广东泓利机器有限公司开发了JPHH系列医用专用注塑机，整机成为独立于洁净室的洁净系统，并分为锁模单元和注射单元。是医疗、制药、化妆品和光学媒介行业专用的洁净室注塑系统[23]；(2)只将注塑机的锁模部分放置于洁净室内，如图12所示，德国克劳斯玛菲Krauss-Maffei公司CX系列二板式注塑机，悬臂式的锁模单元单独作为一个“洁净单元”。处于生产状态的注塑机可沿着轨道移动，悬臂式的锁模单元被移入洁净室生产。安装更换模具时，注塑机的锁模单元再移出洁净室；(3)仅对模具空间进行净化处理，从空气净化层流箱出来的洁净空气流经模具空间，产品从净化空气通道被输送到洁净室装配线上。如图13所示，一个提供层流空气的净化箱安装在模具上方，可以保持模具部位洁净。目前，国内通常采用的是第1种方案，国外，克劳斯玛菲的CX系列双模板注塑机采用第2种方案，昀节省洁净成本的方案应该是第3种[24,25]。安装洁净箱的医用注