医用塑料应用与介绍

陶永亮 ，李彬杰 ，杨建京

(1. 重庆川仪工程塑料有限公司，重庆 400712 ；2. 广州市香港科大霍英东研究院，广东 广州 511458 ；3. 广东模科激光科技有限公司，广东 珠海 519001)

0 引言

高分子材料也称为聚合物材料，主要以高分子化合物为基体，再配有其他添加剂（助剂）所构成的材料。按特性可分为橡胶、纤维、塑料、高分子胶粘剂、高分子涂料和高分子基复合材料等[1]。其中以塑料为主的应用更为突出，塑料因其质轻、高强度、耐温、耐腐蚀等优异的性能，在各个领域得到广泛的应用，并促进各个领域的发展，塑料在医疗行业不例外。尤其在近年新冠病毒防疫中，我们见到最多的就是医用防护面罩、N95 口罩、核酸采集管等许多防疫用品都是医用塑料制作的，医用塑料为疫情防控做出巨大的贡献。

1 医用塑料应用与材料介绍

1.1 我国医用塑料应用

我国医用塑料制品发展起步较晚，在20 世纪70年代才进行开发并生产塑料输液袋，1987年卫生部颁发“关于推广使用一次性塑料输液器、输血器及注射器的通知” 后，鼓励和刺激了我国医用塑料的开发与生产[2]。医疗耗材的塑料化生产大都是在20 世纪80年代以后才开始。据中国医疗耗材协会的统计，目前中国有一定规模，从事一次性医用塑料生产的企业仅有1 000 多家。

由于我国基础工业落后，医用塑料产品所需的原料门类不全，质量标准不规范，产品质量稳定性差，可靠性差等问题[3]，一些特别高要求的产品原料还是要依赖进口，主要供应商有美国巴斯夫、杜邦；德国拜耳、荷兰利安德- 巴塞尔、沙特沙比克、韩国LG集团，日本东丽等。我国在医用塑料的研发上也与欧美日等发达国家的差距比较明显，尤其是在医用塑料的对材料的化学性能、物理性能、生物性能、塑料色母粒相容性、添加剂和改性剂方面的研究，塑料材料满足医疗级、食品卫生级的标准制定和执行。相关塑料材料对于人体健康的影响、与细胞和微生物、细菌的分子之间的结合力，塑料材料的降解和抗老化之间的关系等方面的研究只是刚刚起步，相关行业标准比较匮乏，需要迅速提升产业水平[4]。

1.2 医用塑料材料介绍

经过改革开放以来，我国在工程塑料研发生产上有了新的突破，塑料的使用量连续几年位居世界的第一位，同时也为医用塑料的应用拓宽了新途径。目前常用的医用塑料有工程塑料和生物降解材料，还有一些硅胶等物质，其中医用塑料大约有十几种，聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）、聚氨酯（PU）、PEEK（聚醚醚酮）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚碳酸酯（PC）、聚苯乙烯（PS）等，PVC 和PE 用量最大，各占28% 和24% ；PS 占18% ；PP 占16% ；其他工程塑料占14%。生物降解塑料有聚乳酸（PLA）、聚羟基丁酸酯（PHB）等等。

2 医用塑料应用情况

下面就目前医用塑料应用情况，结合应用案例做些介绍。

2.1 PVC

聚氯乙烯（PVC）材料在医疗器械行业中用途十分广泛，主要原因是聚氯乙烯类材料具有良好的物理性质。PVC 也是一次性使用无菌医疗器械用量最大的材料[5]，PVC 是一种低成本的无定型塑料，其物理性质有PVC 材料制造较方便，这类材料与静脉（intravenous，iv）注射液和血液之间有良好的相容性。在医疗方面的静脉注射血液袋、静脉注射管、人工肾结缔组织导管、鼓泡型氧合器、以及灌肠剂引流袋和导尿引流管等通常所使用的PVC 类产品中都含有邻苯二甲酸二己酯（DEHP）增塑剂[6]。邻苯二甲酸二己酯作用是增加PVC 产品的弹性。DEHP 作为最经济有效并且广泛使用的增塑剂之一，它的作用使PVC 具有柔软性和易弯曲性[7]。

使用增塑聚氯乙烯（plasticizedpvc）制成医疗产品最初是用来替代天然橡胶和玻璃在医疗设备中的使用。其原因增塑聚氯乙烯类材料具有容易杀菌和透明的特点，具有更好的化学稳定性和经济性。增塑聚氯乙烯类产品使用方便，自身具有柔软性和弹性，可以避免对病人敏感的组织造成损伤并避免使病人产生不舒适感[8]。医学应用的PVC 产品有：血袋、血液透析管路、呼吸面罩、吸氧管、尿袋、输液管、人工耳鼻等。如图1 所示。

图1 PVC 医用产品示意图

2.2 PE

聚乙烯（PE）是产量最大的通用塑料，医用聚乙烯是由乙烯聚合而得的一种塑料，具有优良的机械强度和生物相容性，无味，无毒，容易着色，化学稳定性好，耐寒，耐辐射，电绝缘性好。具有加工性能良好、成本低、无毒无味、生物相容性良好等优点植入体内无不良影响。它适合做食品和药物的包装材料，制作食具、医疗器械等，普通PE 通常可用于药瓶、针帽、注射器推杆、输液器流量调节器、输液器和注射器的包装袋等。如图2 所示。

图2 注射器推杆

其中超高分子量聚乙烯（UHMW PE）是特种工程塑料，具有高抗冲性、耐磨性强（塑料之冠）、摩擦系数小、生物惰性和较好的吸能特性，其耐化学药品性可与PTFE 媲美，是人造臀、人工关节的理想材料。已经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磨损问题，延长了使用寿命[9]，UHMW PE 良好生物相容性和优秀的机械强度在生物支架有着较好的应用[10]。现在已有PEEK 用于人工假体方面。如图3 所示。

图3 UHMW PE 用于人工关节示意图

2.3 PP

聚丙烯（PP）具有优良的耐化学品性、抗疲劳性，耐热性好，能在100 ℃以上的温度下进行消毒灭菌。易于加工，没有环境应力开裂问题。医用PP 具有较高的透明度、较好阻隔性和耐辐射性。可应用于输液袋、一次性注射器、一次性手套、点滴透明带、连接件、肠外注射营养包装、渗析膜等。聚丙烯纤维料在医学领域用处较多，PP 无纺布就属于聚丙烯专用纤维料。PP 纤维料还可以做血液过滤网，手术修补片，缝线等等。

当然，聚丙烯也可作硬件类制品，因其具有良好的化学稳定性，力学性能及生理降性，常作平板式人工肾夹板等类制品，若聚丙烯表面经活性剂处理，还可制成人工肺。

在新冠病毒防疫中，最常见的PP 医用制品是医用口罩由熔喷布和无纺布组成。熔喷布主要材料是专用聚丙烯熔喷专用料。这种材料是一款熔指为1 500左右的熔喷专用PP，熔喷法是一种长纤维拉伸工艺，聚合物经由直线排列的小孔挤出，在呈一定角度的高速热气流喷射下形成纤维。这些纤维因拉伸或者延伸变细，经由空气冷却，在运动着的带有真空抽吸的传送带上形成一张多空结构的平网，获得熔喷布[11]。无纺布即非织造布。非织造技术有纺丝成网法（即纺黏法）和熔喷法。两种方法工艺原理相似，即聚合物都要在熔融状态下，由喷丝孔挤出。纺黏法工艺是使离开喷丝孔的细丝经气流拉伸后形成长丝，铺放到成网帘上；熔喷发工艺是使喷丝孔的溶体在高速热空气作用下被吹成超细的短纤维，以极高速率飞向凝网帘带或者滚筒形成纤网，纤网经热黏合或者自身黏合加固成无纺布[12]。

2.4 PS 与K 树脂

聚苯乙烯（PS）在医疗领域的用量仅次于PVC和PE，质地硬而脆，有较高的热膨胀系数，因此，限制了它在工程上的应用。近几十年来，发展了改性聚苯乙烯和以苯乙烯为基体的共聚物，在一定程度上克服了聚苯乙烯的缺点[13]。图4 为新冠抗原自测盒，上盖与下壳扣合装配，在今年上海疫情中发挥了作用。目前用PS 生产，也有用ABS 生产[14]。K 树脂就是其中的一种。丁苯透明抗冲树脂，又称K-Resin（K-树脂）。K- 树脂是以苯乙烯、丁二烯为单体，聚合而成的一种嵌段共聚物。其主要特性是兼有高透明性和良好的抗冲击性、密度小、着色力强，加工性能优异、无毒性。K 树脂主要应用在加工技术难度大、技术含量高、附加值高的医用塑料制品上，如人工肺- 氧合器的变温室、动脉血管出口、回收器动脉出口、心脏内吸引头、主动脉插管、血液过滤器、透吸器、变温器等，同时K 树脂符合美国药品包装法V I-50 级要求[15]。

图4 新冠抗原自测盒（查鸿达提供）

2.5 ABS

ABS 是丙烯腈（A）、丁二烯（B）、苯乙烯（S）三元共聚物，是应用较广泛的工程塑料。医用ABS 具有一定的刚性、硬度、耐冲击和耐化学性能、耐辐射和耐环氧乙烷消毒。ABS 在医疗上的应用主要用作外科工具、滚筒夹子、塑料针、工具盒、诊断器件和助听器外壳，特别是一些大型医疗设备的外壳。如图5 所示。根据医用器械的结构和强度要求，选择合适ABS 类型和恰当的牌号，并加工工艺。这些性能包括加工性能、力学强度、使用成本、装配方式、可靠性等[16]。

图5 医疗仪器用ABS 做外壳示意图

透明ABS 具有高透明、高刚性、耐化性，以及耐伽马消毒和高温消毒等特性。在医疗领域，可应用于耐化性和抗伽马病毒要求较高的留置针，雾化器透明和光泽度较高的部件，以及其他一些硬质的透明接口，比如呼吸配件的接口、三通接口、鲁尔接头，透明接头等[17]。

2.6 PC

聚碳酸酯（PC）是分子主链中含有—[O-R-OCO]— 链节的热塑性树脂，实际应用中具有实用价值的是芳香族聚碳酸酯为主，并以双酚 A 型聚碳酸酯为应用最多[18]。聚碳酸酯是应用较广泛的工程塑料，PC应用于医疗行业中所具备重要性能优势有：强度高、韧性好、刚性大、透明好、能承受严格的消毒条件等。PC 常用于开放式心脏手术使用的渗析过滤膜、手术器材手柄以及血液供氧设备外壳，静脉连接器的导管和活栓以及无针注射系统材料、灌注材料、血液储存材料等，PC 也可以用于套管针（长管）以及用于内窥镜检查手术的牵引器[19]。PC 的特点有较高的韧性、强度和耐热蒸汽消毒，这些特点使得PC 优先选择成为血液渗析过滤器、外科工具柄和氧气罐；PC 在医学上的应用还包括无针注射体系、灌注仪器、血液离心机碗和活塞。如图6 所示。

图6 血透机过滤器示意图

除了芳香族聚碳酸酯的应用外，脂肪族聚碳酸酯具有优良的生物降解性、生物相容性和可功能化性等特点，近十几年来在生物医学领域得到了迅速发展。脂肪族聚碳酸酯由于可在生理条件下降解，在生物医学领域特别适合与一些需暂时性存在于体内的植入场合，如药物控制释放系统的载体、组织工程、手术缝合线等[20]。

2.7 PTFE

聚四氟乙烯（PTFE）是氟塑料的一种，PTFE 是白色不透明蜡状粉末，密度为2.14～2.20 g/cm3，是树脂材料中密度最大，被称为塑料王，有塑料中最低的摩擦系数和最好的耐化学性。生物相容性和抗凝血性好，不分解，植人体内无不良反应且老化不明显，耐热性极好，连续使用温度260 ℃，可采用高温消毒。在医疗方面使用的聚四氟乙烯制品，有三方面应用：一，直接进入人体；二，外部使用的制品；三，做生物化学合成设备中功能元件和装置等[21]。

在医用方面主要是膨体聚四氟乙烯，由聚四氟乙烯树脂经过拉伸等特殊加工方法制成，无毒、无致癌、无致敏等副作用。由于其特有的微孔结构，而且人体组织细胞及血管可长入其微孔形成组织连接，如同自体组织一样。这种组织长入的组织愈合方式，较传统硅橡胶的纤维包裹的组织愈合方式更加优越，膨体聚四氟乙烯已成为医学上的重要填充材料，是目前理想的生物组织代用品。目前已用于鼻部整形、心脏瓣膜、人造血管、消除肺部残腔[22]和各类人工气管、食管、胆管、尿道和人工腹膜、脑硬膜及人工皮肤、人工骨骼等方面。

2.8 TPU

热塑性聚氨酯弹性体（TPU）用于医疗的聚氨酯弹性体主要是热塑性聚氨酯（TPU）弹性体。热塑性聚氨酯是由软链段（长链低聚物二醇）和硬链段（二异氰酸酯和扩链剂）组成的线性嵌段聚合物。由于硬链段的强极性，硬链段微相区通过氢键形成，分布在软链段基体中形成一种物理交联点，从而使弹性体具有硫化橡胶的弹性回复性能。由于聚氨酯分子结构中软链段和硬链段之间的极性不同，这种结构使其与生物相容。由于其方便的处理和优异的性能，TPU 已广泛用于各种医疗和保健产品，例如可用于人体长期和短期植入的医疗材料[23]。

聚氨酯弹性体的应用聚氨酯首先用于骨折修复材料，然后成功地用作血管外科手术缝合线的辅助涂层。20 世纪80年代成功地将聚氨酯弹性体用于人工心脏移植。人造心脏辅助装置用于人造心脏隔膜的弹性体和包封，并且要求良好的生物和血液相容性，以及优异的机械强度，特别是抗弯曲性。如果心跳以每分钟70次跳动计算，则植入人体的心脏每年将必须承受4 000万弯曲，如果植入10年，则将需要承受4 亿弯曲。人造心脏在上世纪60年代开发的人造心脏气球由硅橡胶和天然橡胶制成。尽管它具有良好的生物相容性，但不能满足抗挠性的要求。于1980年代初期成功开发的聚氨酯弹性气囊经过测试可承受超过5 亿次屈曲循环，并已成功应用于人造心脏。因此，世界上所有国家倾向于将聚氨酯材料用于人造心脏和辅助装置的开发。用于人造心脏的聚氨酯弹性体隔膜材料是聚醚热塑性聚氨酯，其组成通常为聚四呋喃醚乙二醇（PTMEG）-MDI（二苯基甲烷二异氰酸酯）或HDI（六甲撑二异氰酸酯）-BD 或乙二胺，溶液浇铸或注塑。为了利用硅橡胶的优异生物相容性，还使用了聚氨酯- 硅烷嵌段共聚物[24]。热塑性弹性体（TPU）具有优异的低温柔韧性和抗水解、抗凝血性、抗微生物攻击性，还可用于医疗导管、氧气面罩、药物释放装备、IV 连接器、血压计的橡皮囊袋、皮外给药的裹伤布等，如图7 所示。

图7 TPU 可替代PVC 制造血袋

2.9 PEEK 与PEKK

聚醚醚酮（简称PEEK）是在主链结构中含有两个醚键和一个酮键的重复单元所构成的高聚物，属特种高分子材料，是聚芳醚酮的一个材料系列，拥有半结晶态的特点，具有耐高温、耐化学腐蚀等特性。聚醚醚酮是一种性能优异的特种工程塑料，与其他特种工程塑料相比具有诸多显著优势，耐高温、机械性能优异、自润滑性好、耐化学品腐蚀、阻燃、耐剥离性、耐辐照性、绝缘性稳定、耐水解和易加工等[25]，在医疗领域得到广泛应用。PEEK 树脂可在134 ℃下经受多达3 000 次的循环高压灭菌，这一特性使其可用于生产灭菌要求高、需反复使用的手术和牙科设备。PEEK 不仅具有质量轻、无毒、耐腐蚀等优点，还拥有与人体皮质骨弹性模量极其接近的特性，可与肌体有机结合，所以用PEEK 树脂代替金属制造人体骨骼。PEEK1999年首度应用于临床，至今已有超过五百万件PEEK 制品被植入人体，在脊柱融合领域已成为行业标准[26]。近年来，随着3D 打印技术的广泛应用，让PEEK 更是被誉为“下一代植入型医疗产品的理想材料” 发挥更大优势。

目前由PEEK 制成的植入体有这些：①骨骼替代物—— 颌面和颅骨植入体；②脊柱手术—— 脊椎椎间融合器；③骨头和臀部替代物—— 关节植入体；④牙齿替代物—— 用CFR-PEEK 做的牙科植入体，义齿，根内固位；⑤心脏手术—— 心脏泵和瓣膜等。

聚醚酮酮（PEKK）是一种是在主链结构中含有两个酮键和一个醚键的重复单元所构成的高聚物[27]。与聚醚醚酮(PEEK) 是在主链结构中含有一个酮键和两个醚键的重复单元所构成的高聚物[28]有相同处也有不同之处。聚醚酮酮（PEKK）是继聚醚醚酮（PEEK）之后开发的又一性能优异热塑性特种高分子材料，均属于聚芳醚酮族。PEKK 用作口腔修复材料和骨缺损修复材料[29]等，并且PEKK 被认为是与人体骨骼非常接近的材料，具有良好的生物相容性，在医疗领域具有显着的实用价值，

2.10 PLA

聚乳酸（PLA），又称为聚丙交酯。以乳酸为原料聚合得到的聚合物，乳酸来源于玉米、木薯等原料，其生产过程无污染，所得产品可以生物降解，实现在自然界中循环，是典型的“绿色塑料”，在生物降解高分子材料的发展领域备受关注[30]。PLA 制品除了生物降解优点外，还有良好的生物相容性，在医疗领域得到较好基础研究和临床应用[31]。

PLA 制成的手术缝合线，有可生物降解，在伤口愈合后自动降解消失，无需二次手术。聚乳酸手术缝合线具有较强的抗张强度，能有效控制降解速率，随着伤口愈合，缝合线自动缓慢降解；在牙科上，一种用于治疗牙周病，手术后由PLA 制作的引导组织再生膜被用来植入牙周组织内以排斥上皮细胞移动，使牙周组织得到支撑，并缓慢生长而再生，另一种是用于拔牙的空间填充材料，能填充入空洞以帮助尽快治愈伤口；视网膜脱落在手术治疗中采用在眼巩膜表面植入填充物解决，传统填充物用硅橡胶和硅橡胶海绵制成，由于其不能生物降解，会引起不同程度的异物反应，用聚乳酸的生物降解性和生物相容性，将其作为填充料，则解决异物反应问题，聚乳酸在眼科还有其他用途；传统治疗骨折和骨缺损时，内置物材料基本上用不锈钢金属材料，如金属骨板和螺钉。不锈钢材料强度和韧性远大于人体骨，而且力学性能不能随骨愈合过程动态地变化，骨折愈合后需二次手术，取出不锈钢件，用PLA 和聚乙醇酸（PGA）都有很高的模量和拉伸强度、较低的断裂伸长率，因而适合做骨科固定材料，无需二次手术取出，减轻病人痛苦，简化手术程序；聚乳酸作为组织工程支架材料，早期通过在材料上培养组织细胞，并逐渐生长成组织和器官，同时聚乳酸缓慢降解并最终被肌体吸收[32]；PLA 用作药物长效缓释制剂载体，近30年来，聚乳酸及其共聚物被用作一些半衰期短、稳定性差、易降解及毒副作用大的药物控释制剂的可溶蚀基材，有效地拓宽了给药途径，减少给药次数和给药量，提高药物的生物利用度，最大成都减少药物对肝、肾的毒副作用[33]。

2.11 PHB

聚羟基丁酸酯（PHB）是微生物在不平衡生长条件下储存于细胞内的一种天然高分子聚合物，广泛存在于自然界许多原核生物中，是一类由微生物发酵剂制造的热塑性生物降解材料。它不仅具有化学合成高分子材料相似的性质，而且还有一般合成高分子没有的性质。如生物可降解性、生物相容性、无毒性、无免疫原性等特殊性质[34]。

PHB 用作药物缓释载体材料，用PHB 微球缓释抗癌药物，低分子量PHB 微球具有更快的药物释放速度，高分子量PHB 微球释药速度慢，却有更好的治疗效果；PHB 应用于细胞支架材料，具有良好的生物降解性和生物相容性，无毒性、无刺激性、无免疫原性、不溶于血、有利于细胞吸附和保持分化等优点，其在价格上更具有优势；PHB 多孔支架作为软骨细胞载体材料，对损伤的软骨组织修复有较好的效果，用于关节软骨、耳软骨及气管软骨等；PHB 膜引导种植体周围骨组织再生以及PHB 作为组织工程骨的基质材料、接骨板和骨修复材料为外伤或疾病引起的骨组织缺损的修复；PHB 用于修复或重建受损的心脏瓣膜的材料，也能为血管、皮肤、神经等组织材料应用；PHB 具有生物相容性等特殊性能，在医用手术缝合线领域获得成功的应用，PHB 制成的缝合线已经上市，结束了可吸收缝合线依靠进口的历史[35]。当然医用生物降解塑料还有其他材料。

3 结束语

医用塑料在医学行业的应用大致上分为两种，一种是人体外的使用，做成医疗仪器外壳和药物包装物等，还有一种是植入人体内部或表面，做成心脏泵、瓣膜、缝合线和药物缓释载体等。目前，生物降解材料将医用领域有着广泛的前景，其相容性、降解性、无毒性、无刺激性、无免疫原性、不溶于血等优势，尤其在人体内部的应用更加具有优越性。3D 打印技术与医学融合，形成3D 生物打印技术，为人体骨骼修复、义齿等应用造福人类，医用塑料起着重要的贡献。随着科学技术的发展，医用塑料开发与利用将更好的服务人类。（文中图片除署名外均为网图）