医用高分子材料的结构与性能.docx

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医用高分子材料的结构与性能

摘要

由于其良好的生物相容性,医用高分子材料是现阶段最为安全的一类医用材料。

同时，合成加工的简便，来源的广泛，使得医用高分子材料的功能性越来越多，应用范围也越来越广泛。

但由于结构的限制,医用高分子材料在人体中的相容性还未达非常理想地到人们要求。

因此，也就产生了以表面改性为主的一系列增进其相容性的改性方法.本文通过对医用高分子材料的定义、分类、性质以及表面改性方法的介绍，体现了医用高分子材料的优越和不足之处,同时也对医用高分子材料的未来进行了展望。

关键词：

医用高分子；生物相容性；表面改性

1前言

医用高分子材料（medicalpolymer）是一类可对有机体组织进行修复、替代与再生，具有特殊功能作用的高分子材料，是生物医用材料的重要组成之一[1］。

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，这类材料必须具有优良的生物体替代性（力学性能、功能性）和生物相容性［2］。

生物医用高分子材料需要满足的基本条件:

在化学上是不活泼的，不会因与体液或血液接触而发生变化;对周围组织不会引起炎症反应；不会产生遗传毒性和致癌；不会产生免疫毒性；长期植入体内也应保持所需的拉伸强度和弹性等物理机械性能,具有良好的血液相容性；能经受必要的灭菌过程而不变形；易于加工成所需要的复杂的形态［3].

随着近代医学及材料科学的发展，对生物医用高分子材料的需求越来越大。

目前全世界应用的有90多个品种，西方国家消耗的医用高分子材料每年以10%-20%的速度增长.以美国为例，每年有数以百万计的人患有各种组织、器官的丧失或功能障碍，需进行800万次手术进行修复,年耗资超过400亿美元，器官衰竭和组织缺损所需治疗费占整个医疗费用的一半[4]。

随着人民生活水平的提高和对生命质量的追求，我国对医用高分子材料的需求也会不断增加。

2医用高分子材料的分类

2.1来源

按照来源,可将医用高分子材料分为合成医用高分子材料和天然高分子材料。

常见的合成医用高分子材料包括PE（polyethylene，聚乙烯）、PP（polypropylene，聚丙烯）、PC（polycarbonate，聚碳酸酯）、PLA（polylacticacid，聚乳酸）及其衍生物、有机硅橡胶等.其优点是工艺成熟，机械性能相对较好，加工性能较好，能够同时表现多种功能性［5]。

常见的天然医用高分子材料包括壳聚糖、明胶、海藻酸盐类、纤维素等。

天然医用高分子材料来源广泛，而且大多无毒无害，与人体的相容性相对较好，因此天然高分子材料逐渐成为医用高分子材料的首选,对其进行的研究也越来越深入[6］。

2.2降解性

按照降解性，可将医用高分子材料分为降解性和非降解性高分子材料。

降解性医用高分子大多为生物高分子材料，表1列举了常见的生物医用高分子及其应用。

同时也有不少合成的高分子材料，如聚乳酸及其衍生物，聚己内酯等具有可降解性.可降解医用高分子在生物体中能够被降解，降解产物大多为水和二氧化碳，对人体无毒无害，是应用最为广泛的医用高分子材料[7]。

非降解性医用高分子材料则包括聚乙烯、聚丙烯、聚偏氯乙烯、有机硅橡胶等.非降解性医用高分子材料多为合成材料,有着良好的相容性，同时因为是合成高分子,所以可以根据不同的需要得到不同的性能，加工性能相对更好。

一般来说，非降解性医用高分子的机械性能也较好，故常用于医疗器械或者组织填充物[8］。

表1常见的生物医用高分子及其应用

聚合物

特点

应用

蛋白质

良好的血液相容性

静脉注射类药物释放体系

胶原

良好的生物相容性，可消化吸收性对组织的恢复有促进作用,无异物反应

可降解缝线，人造皮肤，伤口敷料,人造腱、血管，硬脑膜代用品，止血剂，眼科治疗装置，取代眼睛玻璃体及药物缓释体系

明胶

水溶性生物可降解材料

药物的微胶囊化及包衣，人造皮肤，防止伤口体液流出和感染

多糖

优良的生物相容性和降解性

手术缝合线,人工皮肤,核聚糖作用载体

生物合成聚酯

热塑性，良好组织相容性和物理性能

骨科材料，药物控释体系

2.3应用方向

根据应用方向的不同，医用高分子可以分为以下四类：

2。

3。

1人工脏器

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。

表2列举了一些可以用于人工脏器的医用高分子材料［9］。

表2用于人工脏器的部分医用高分子材料

人工脏器

医用高分子材料

心脏

嵌段聚醚氨酯弹性体、硅橡胶

肾脏

醋酸纤维,聚甲基丙烯酸甲酯，聚丙烯腈，聚碳酸酯，聚甲基丙烯酸—β-羟乙酯

肝脏

赛璐玢（cellophane），聚甲基丙烯酸-β-羟乙酯

肺

硅橡胶，聚丙烯中空纤维，聚烷砜

血管

聚酯纤维，聚四氟乙烯

鼓膜

硅橡胶

腹膜

硅酮，聚乙烯，聚酯纤维

2。

3。

2人工组织

指用于口腔科、五官科、骨科、创伤外科和整型外科等用材料，主要包括:

牙科材料（蛀牙填补用树脂和人工齿冠材料等），眼科材料（人工角膜、人工晶状体和人工眼球等），整形外科材料（人工乳房，人工鼻及鞍鼻整形）等。

2。

3。

3护理和医疗用具相关的医用材料

该分类包括一次性高分子用品（注射器、输血输液袋等）、高分子绷带材料（弹性绷带、高分子代用石膏绷带、防滑脱绷带）、医用缝合线、护理用高分子材料,如：

吸水性树脂（尿不湿、卫生巾、弹性冰、防褥疮护理材料）等［10］。

2。

3。

4药用高分子

药用高分子是医用高分子材料中研究最为广泛的一个分类。

根据药用方向的不同，又分为以下三个小类［11］:

1）高分于缓释药物载体：

时间控制缓释体系（如康泰克等，理想情形为零级释放）、部位控制缓释体系（脉冲释放方式）；

2）高分子药物（带有高分子链的药物和具有药效的高分子）：

抗癌高分子药物（非靶向、靶向）、用于心血管疾病的高分子药物（治疗动脉硬化、抗血栓、凝血）、抗菌和抗病毒高分子药物（抗菌、抗病毒）、抗辐射高分子药物、高分子止血剂；

3）药物制剂和包装用高分子材料（这里的包装材料不涉及外包装材料，特指药物在制备过程中需要的高分子材料，它们往往对提高药效、方便药物起作用等方面有一定效果）：

药物制剂用高分子材料（液状制剂中的高分子增稠剂、稀释剂、分散剂和消泡剂;固体制剂中的高分子粘合剂、包衣剂、膏剂和涂膜剂）、微胶囊等。

3医用高分子的性质

3。

1生物功能性

医用高分子的生物功能性是使用的依据,根据不同的使用环境和用途,医用高分子应展现不同的生物功能性。

例如：

当羟基磷灰石作为骨组织工程材料时,机械强度是它的功能性[12］;壳聚糖作为缓释药物时,缓释性是其生物功能，作为靶向修饰物时，靶向性又是其生物功能[13]。

3。

2生物相容性

医用高分子材料的生物相容性包括2个方面：

一是材料反应，主要包括材料在生物环境中被腐蚀、吸收、降解、磨损和失效等;二是宿主反应，包括局部和全身反应，如炎症、细胞毒性、凝血、过敏、致畸和免疫反应等。

对于非降解型医用高分子材料,稳定性和相容性是重要的,这些问题包括与细胞组织（包括血液）的相容、水解的稳定性，与药物和药物处理的反应,钙化作用，长期的功能，诱变的或致癌的作用以及无菌性。

对于生物降解型医用高分子材料，关键问题是可吸收性和它的测量及定义界限以及对细胞组织部位的效果，酶和其他活性物质对于高分子材料吸收性的作用，退化产品的吸收作用，消毒对于功能度和退化性能不稳定的释放媒介物渗到高分子材料行为的作用，以及材料对于伤口愈合的效果[14］。

4医用高分子的表面改性方法

材料与生物体的相互作用情况决定了材料组织相容性的程度.材料对组织相容性的影响包含着两种特征尺度水平上的因素。

一是微观分子水平，这类影响主要表现为材料表面的化学组成、形态结构、电荷性质及其分布等等。

另一个是宏观尺度水平，这类影响包括材料的物理力学性质、材料的宏观形态尺寸等。

生物医用高分子材料与生物体接触时，可能会使生物体发生毒性、致敏、炎症、致癌、血栓等生物反应,材料表面与生物环境的相互作用是影响发生这些反应的最主要因素，而两者的相互作用与生物医用高分子材料表面的结构、成分、形貌、能量状态、亲疏水性、所带电荷、导电特征等有关。

通过物理、化学、生物等方法改善、优化材料的表面性质，可改善和促进材料表面与生物环境的相互作用，大幅度提高生物医用高分子材料与生物体的相容性［15］.

4。

1物理方法

4。

1.1表面涂层

当异体与血液相接触，其表面很快会吸附一层蛋白质，一些能促进血小板粘附的蛋白质及吸附在异体表面的血纤维蛋白原通过作用将会粘附和活化血小板，致使产生凝血现象.通过在生物医用高分子材料表面增加抗凝血涂层,钝化敏感的生物材料表面，即血液不会直接接触材料表面，可有效提高生物医用高分子材料表面的抗凝血性。

。

Lewis[16]等合成了可交联的2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酰胆碱、甲基丙烯酸月桂醇酯、甲基丙烯酸羟丙酯和甲基丙烯酸三甲氧基硅丙酯的共聚物抗凝血涂层.这种涂层与基材表面的粘合力增强，可用于涂层易脱落或发生形变的医疗器件.

表面涂层技术是将生物活性物质涂抹在高分子材料表面，形成生物相容性涂层，涂层与基底材料之间的粘附作用主要依赖氢键、范德华力等物理作用来维系，这也导致涂层与基材表面的粘合力较弱，涂层稳定性较差，特别是一些易脱落、易变形的医疗器件，会使涂层从基材表面脱落。

尽管如此,表面涂层技术以其设备简单、易于操作、均一性好等其他方法所不具备的特点和优势,在生物材料表面改性过程中常被优先考虑［17］。

4.1。

2物理共混

将少许的抗凝血添加剂与基材共混得到性能优良的抗凝血材料。

多为两亲性共聚物的抗凝血添加剂，进入基材本体后，为减少界面自由能，会富集在基材的表面。

Ishihara[18］等合成的2—甲基丙烯酰氧基乙基磷酰胆碱—甲基丙烯酸正十二烷基酯和2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酰胆碱—甲基丙烯酸正丁酯的共聚物，将其共混于聚砜,可提高聚砜渗析膜的血液相容性。

4。

2化学方法--表面接枝法

通过接枝亲水基团或疏水基团来改善血液相容性是提高材料抗凝血性的一个重要途径,通过这种方法获得的表面层与基材结合牢固，不会轻易脱落。

用于表面接枝改性的方法有化学试剂法、偶联剂法、紫外光照射法、等离子体法、高能辐射法、光化学法等。

这些方法是基于接枝侧链对血蛋白和血细胞的排斥而减少吸附或是基于侧链的水溶性、柔顺性使材料的表面有利于维持血蛋白和血细胞的正常构象，从而使材料表面类似于人体生物膜来达到抗凝血性的目的[19］。

4.2.1表面接枝改性

目前，关于高分子生物材料表面接枝技术的研究主要集中在接枝方法和接枝表面的抗凝血性上，前者是寻找材料表面产生接枝活性点的有效方法，而后者主要是通过接枝单体的设计和选择来研究表面结构、性质的改变对抗凝血性的影响[20］。

近年来，基于仿细胞膜外层结构的2—甲基丙烯酰氧基乙基磷酰胆碱（2-methacryloyloxyethylphosphorylcholine，MPC）及其共聚物在生物材料表面改性方面表现出良好的血液相容性和组织相容性,已成为生物材料表面接枝单体研究的新热点。

王康［21]等通过臭氧活化的方法在Dacron人工血管表面接枝MPC，并证实了在Dacron人工血管补片表面接枝MPC的存在，有效抑制了早期补片表面血栓形成，抑制炎症细胞的浸润，抑制纤维蛋白原的沉积，使早期的新内膜增生减少，较接枝前有更好的生物相容性.

4。

2.2等离子体表面改性

等离子体表面改性用等离子体方法来改善生物医用高分子材料的血液相容性，一般通过等离子体表面处理、表面聚合、表面接枝聚合来实现[22］。

1）等离子体表面处理：

等离子体表面处理是将材料置于非聚合性气体（如CH4、NH3、N2、O2、Ar）中,利用等离子体中的能量粒子、活性物种与材料的表面发生反应，在材料表面产生特定的官能团，改变材料的表面结构，达到对材料进行改性。

采用O2等离子体处理聚丙烯中空纤维膜表面，处理后材料表面羰基、烷氧基等极性基团明显增加，其表面自由能得以提高，进而使得材料的溶血率和血小板粘附密度下降.

2）等离子体表面聚合［23]:

等离子体表面聚合是将高分子材料置于聚合性气体中，在其表面沉积形成一层较薄的聚合物。

等离子体表面聚合具有以下特点：

（1）单体的种类可为多种有机化合物；

（2）等离子体聚合物膜为无针孔的薄膜，化学稳定性好、热稳定性及机械强度优良，具有高度交联的网状结构，对基材的粘着性很好；（3）可以调控等离子体聚合物膜的交联度以及物理、化学特性；（4）聚合过程中无需使用溶剂,运用方便、灵活.

3）等离子体表面接枝聚合:

等离子体接枝聚合是将等离子体作为一种能源基体，对材料表面进行预处理，并在材料表面产生活性自由基，引发功能性单体在材料表面进行热接枝或紫外光接枝.但热接枝需要高温，且耗时较长。

紫外光接枝具有反应时间短、反应条件温和的特点,是近年来等离子体表面技术研究的热点［24]。

4.2.3光化学固定法

光化学固定法是在紫外或可见光（200～800nm）照射下，带有双官能团（热活性基团和光活性基团）的光偶联剂将含有生物活性成分的化合物分子偶联到材料表面,其途径通常有2种：

（1）将目标分子与光偶联剂先进行化学反应，生成带有光活性基团的衍生物,然后进行光化学反应使目标分子共价偶联到高分子材料表面，是光化学固定法表面改性中最常用的一种途径；

（2）先用光偶联剂对高分子材料表面进行光化学处理，再通过光偶联剂与目标分子发生反应。

光化学固定法在改善材料表面性能的同时,不会影响材料的本体性质；不需要复杂的仪器和苛刻的工艺条件，操作简便、反应迅速、成本较低。

此外，此法通用性较强，材料表面不需要反应性官能基团，同时能使材料表面处于高度有序状态,抗凝血性更显著[25]。

4。

3表面仿生化改性

改善生物医用高分子材料血液相容性的理想方法是对材料表面进行仿生化改性，使其不被血液视为异物，在机体内不会被新陈代谢掉。

实现仿生化的途径主要有3种:

（1）表面肝素化；

（2）仿生物膜结构—表面磷脂化；（3）表面内皮化—在材料表面种植、培养血管内皮细胞。

4.3.1表面肝素化

肝素是最早被认识的天然抗凝血药物，通过抑制凝血酶原的活化,延缓和阻止纤维蛋白网络的形成而阻止凝血，具有很好的抗凝血效果，亦可能会减少导管介入所引起的细菌感染［26]。

将肝素固定于医用生物高分子材料表面，是材料的抗凝血性改善的重要途径，采用的方法有物理吸附法和化学偶合法，物理吸附法结合不太牢固，但能够保持肝素的构象不变；化学偶合法的结构稳定，但不易保持肝素的构象,从而使得抗凝血性能降低.刘建伟[27]等采用逐步偶合接枝方法，先将聚乙二醇接枝在聚对苯二甲酸乙二醇酯表面，然后在聚乙二醇末端通过化学偶合方法接枝抗凝血药物肝素。

4。

3.2表面磷脂化

细胞膜外表面主要由卵磷脂构成.卵磷脂中的两亲性磷酸胆碱（phosphorylcholine，PC）基团具有很强的抗凝血活性，含有PC端基的表面对血细胞呈惰性，不会吸附和激活血小板；另外，PC端基带有等量正、负电荷，亲水性较好，可减弱与蛋白的相互作用，并可逆吸附蛋白，因此，被吸附的蛋白能购保持其自然构象［28］。

改善材料的血液相容性的有效方法是在医用材料中引入磷酸胆碱基团。

Konno[29]等利用2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱和甲基丙烯酸共聚物侧链上的羧基修饰芳香叠氮基团,在“掩蔽曝光”条件下进行特定位点的接枝反应，改性区域对蛋白吸附和血小板粘附得到明显改善。

4.3.3表面内皮化—-内皮细胞固定法

生物医用高分子材料由于接触到的生物体系成分（如体液、酶、细胞、自由基等）复杂,生物学环境极其复杂，仅仅依靠表面修饰很难使其血液相容性得到很大的改善。

研究者发现改善血液相容性的重要途径是通过应用组织工程技术在材料表面原位培养人体内皮细胞.血管内皮细胞是体内新陈代谢十分活跃的内分泌器官。

通过血管内皮细胞的物理屏障作用及调节维持凝血因子和抗凝血因子之间的动态平衡，可使血液正常流动，而不发生凝血.目前，改善材料血液相容性的理想方法是在生物医用高分子材料表面种植、培养血管内皮细胞,但直接将内皮细胞种植在基质材料表面不仅增殖速度慢，而且容易脱落分离。

因此，通过共价键结合作用可将内皮细胞固定在材料表面,然后再在其上种植和培养内皮细胞[30]。

5总结与展望

生物技术将是21世纪最有前途的技术，医用高分子材料将在其中起到重要的作用，其性能将不断提高，应用领域也将进一步拓宽,尤其在医疗卫生领域。

其未来发展可概括为四个方面：

一是，生物可降解高分子材料的应用前景更加广阔，医用可生物降解高分子材料因其具有良好的生物降解性和生物相容性而受到高度重视,无论是作为缓释药物还是作为促进组织生长的骨架材料，都将得到巨大的发展；二是，复制具有人体各部天然组织的物理力学性质和生物学性质的生物医用材料,达到高分子的生物功能化和生物智能化，是医用高分子材料发展的重要方向。

三是，人工代用器官在材料本体及表面结构的有序化、复合化方面将取得长足进步,以达到与牛物体相似的结构和功能，其生物相容性也将明显提高·四是，药用高分子和医药包装用高分子材料的应用将会继续扩大。

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