医疗中生物医用高分子材料的应用探析

2023-12-11石明康

中国科技纵横 2023年16期

石明康

（南京师范大学，江苏南京 210023）

0 引言

目前，在医疗卫生领域，生理系统疾病的诊断与治疗上常应用生物医用高分子材料，总体来看其可以作为人工器官材料或高分子药物与医疗用品材料，对人体器官的机能恢复、延长药物功效时间、增强医疗用品稳定性有着重要价值。随着研究的深入，对生物医用高分子材料性能有了更丰富的了解，其优势也得到进一步开发。因此，还需从应用角度探究生物医用高分子材料的使用价值，使其在医疗领域发挥更大的作用，运用到更多的场景当中。

1 生物医用高分子材料的特点及性能

1.1 材料特点

生物医用高分子材料主要有两种类型，一种为天然生物材料制成，另一种为人工合成，前者主要以动物为载体，提取具有天然活性的高分子制作材料，由于原材料本身源自生物体内，材料具有良好的生物适应性，在医疗中可以提高伤口愈合效率；后者通过合成人工材料与活体组织制作高分子材料，主要应用于人体组织器官再生、细胞分裂生长等，可以加速组织器官功能的恢复速率[1]。目前生物医用高分子材料可以直接与人体血液、体液、皮肤进行接触，能够安全地置入患者体内。

1.2 材料性能

力学性能稳定。高分子材料耐疲劳度高，即使器械、治疗、护理任务时间较长，也可以稳定辅助、高质量完成任务，使用中尺寸稳定，拥有相对完美的模量。

物理性能稳定。在应用过程中，消毒、灭菌以及其他高温、高压操作条件下，材料性能稳定、无任何改变。

化学惰性良好。材料在加工制备中具有易成型的特点，但在与人体发生接触时无任何化学反应，可以预防使用中与人体发生排斥反应，避免诱发人体炎性反应。

生物相容性好。生物医用高分子材料与血液、人体组织均有良好相容性，具备可降解性和可吸收性，植入后可以有效预防排斥反应。

方便获取、性价比高。生物医用高分子材料方便获取、制备过程简便、材料价格低廉，适合平民消费。

2 生物医用高分子材料在医疗中的应用场景

2.1 与血液接触材料

在制造人工肺、人工心脏中使用的高分子材料均为与血液接触的生物医用高分子材料，要求此类材料必须具备良好的抗细菌黏附性、抗凝血性，使用中材料不得成为诱发血小板变形的介质，也不得在材料表面出现血栓，血液也不会与材料发生反应导致感染。同时，对材料的力学性能也有着特殊要求，应具有同人类血管类似的弹性、延展性，且必须具备耐疲劳特性。在实际应用时，多选择聚丙烯、聚酯、聚氨酯等高分子材料作为与血液接触的材料，但也要结合具体用途、应用位置进行考虑。例如，人工心脏制造原材料多为硅橡胶、聚醚氨酯，人工肺制造材料多为硅橡胶、聚四氟乙烯等材料，人工肾制造材料多为聚醚砜、乙酸纤维素等[2]。而从目前研究趋势以及实际应用需求来看，需要进一步提高与血液接触高分子材料的相容性，通过与亲水性长侧链接枝，将生物活性物质引入，对血液抑制与外源材料发生作用，材料会出现微相分离结构，并且可以将内皮细胞种植在聚合物表面，有效提高高分子材料与血液的相容性。

2.2 组织工程用材料

组织工程学以生命科学、工程学理论为基础，利用两个学科的原理与方法对哺乳类组织结构及其功能展开研究，开发生物代用品对组织进行改善、恢复或维持。在组织工程学领域大规模培养细胞的技术愈发成熟。因此，需要研发与之相容的生物高分子材料，结合活细胞生成人体组织或器官。在应用过程中，高分子材料为组织与器官的再生提供三维结构、支架，可以发挥细胞生理功能调节作用，且高分子材料在完成自己的使命后，自行降解成可以被机体吸收的小分子，发挥免疫保护作用。其中多将聚乳酸及聚羟基乙酸材料应用到组织工程领域。

2.3 药用材料

药用领域要求高分子材料具有无毒、长效、缓释、可定点释放等功能，与药物共同进入人体内，除不与机体组织发生变异、不易引发炎症、不具有致癌性、不会引起血栓等，还应在水中溶解，形成大量具有药理活性特点的基团，到达病灶位置后，可以积累到一定浓度，而产生的残基则会在代谢过程中通过排泄系统排至体外。目前，在研发药理活性高分子药物、低分子药物高分子化、高分子微胶囊中，高分子材料均是重要的物质载体。其中，药理活性高分子药物中所用的材料本身具有药理作用，如激素、酶制剂、葡萄糖等，断链后则会失去药性，利用此类材料中某些阳离子、阴离子聚合物可以开发出作用不同的药物。例如，利用主链型聚阳离子季铵盐可以制造出对痉挛性疾病有良好作用的药物；低分子药物高分子化过程中，通过高分子材料增加药物在人体内的作用时间，避免药物浓度降低过快、代谢速度过快等问题，且也可以对药物作用位置进行选择，高分子材料通过吸附、嵌段、共聚、接枝等方式与低分子药物结合在一起，常用载体为聚乙烯胺。在制造高分子微胶囊过程中，利用高分子材料作为细微药粒的包裹物，可以延缓药物效用，对药物释放做出控制，并将药物本身的刺激性、不便接受的味道掩盖掉，在提高药物效果的同时，使药物的刺激性减小。高分子材料作为外层保护，可以避免药物与氧气、湿气接触发生反应，提高药物贮存期间的稳定性，此类药用高分子材料多为明胶、骨胶、琼脂[3]。

2.4 医疗器件用材料

在一次性医疗用品制造中也可以广泛使用高分子材料，目前临床诊疗过程中使用的注射器、麻醉用具、护理用具、检查器具、手术器具中有诸多用品均为高分子材料制成，主要为聚丙烯、聚氯乙烯等，由其制成的医疗器件性能得到明显改善。例如，采用高分子合成纤维PU 制成的绷带，具有质量轻、层薄的特征，在骨折固定中使用，替代传统石膏材料，可以加速固化，降低皮肤发炎概率。此外，聚酯、聚乙烯醇、硅橡胶等方便制取的高分子材料也被制作为牙科、外科整形中所用矫正材料。

3 生物医用高分子材料在医疗中的具体应用

3.1 硅橡胶

硅橡胶属于橡胶制品，与普通橡胶的区别在于其主链的结构特殊，由硅原子与氧原子交替构成，且每个硅原子上均有两个有机基团。因此，其具有特殊的理化性能，有良好的抗老化性以及耐氧化性。在正常温度或高温条件下使用硅橡胶，其不会因温度、氧气的作用出现裂解或氧化现象，在低温条件下应用其性能也不受限制。目前，硅橡胶较多应用在医疗领域，发现其与人体之间有着良好的生物相容性，可以将硅橡胶材料制成的组织、器官植入人体内。

具体来讲，临床已利用硅橡胶材料开发出人工肺、人工手指、人工喉、人工脑膜、人工心脏瓣膜等组织器官，替代人体受损且功能无法恢复的器官，在体内发挥有效作用。例如，外伤导致硬脑膜发生破损，则可以由硅橡胶制成人工脑膜用于破损位置，长期滞留也能保证性能稳定。同时，硅橡胶的出现也使临床一部分材料被替代，如替代尼龙和聚酯纤维用于鼻梁、人造颅骨制作，成为医疗卫生领域不可或缺的辅助材料，为临床治疗、抢救等工作带来诸多便利。

3.2 聚氯乙烯

聚氯乙烯也就是常说的PVC，在多个领域均有所应用，也是目前医疗中应用范围最广、应用频率最高的一种高分子材料，常见的输液器、贮血袋等一次性医疗用品均采用聚氯乙烯制作而成。聚氯乙烯的大范围应用为临床带来诸多便利，可以有效预防病毒、细菌交叉感染，但在应用过程中发现利用聚氯乙烯制作医用食品袋、输液管对人体存在负面影响，从而也针对聚氯乙烯材料做出改良，研发出超低密度聚乙烯材料，该材料属于一种高弹性聚乙烯混料，性能有所优化、功能上也进行更新，与普通聚氯乙烯相比，其具有记忆功能，可以在使用中快速恢复形状。因此，可以在输液器具等方面替代聚氯乙烯材料使用[4]。此外，国内的研究中也取得突破性进展，我国有企业成功研制出医用级别的聚氯乙烯树脂，标志我国制作输血器材中所需高分子聚氯乙烯材料无需再进口，并且其为绿色聚氯乙烯产品，对人体副作用小，在医疗领域中使用更加安全。

3.3 聚氨酯弹性体

医疗领域应用聚氨酯始于20 世纪50 年代，由于材料的特殊性质，使其受到医疗领域的广泛关注，关于其性能、应用等方面的研究也从未停止，从而使聚氨酯的应用不断拓展。目前，聚氨酯是制作人工心脏的主要材料，也是进行骨折修复和血管修复的主要材料，在加工制备过程中利用硬段、软段玻璃温度转化过程中出现的差异使材料具有极强的形状记忆功能，在医疗领域各项矫正工作中应用也具有良好的效果。例如，在牙齿矫正过程中医生先对材料进行处理，制作成矫正所需形状，再通过加热使其变形，随后可以自行恢复回原来形状。但目前聚氨酯的应用成本较高，难以进行大规模推广，主要因恢复形状时温度调控技术难度高。因此，综合材料性能特点与现有技术条件，应以热塑聚氨酯弹性体为研究方向，利用其形状记忆性好的优势，在组织工程领域发挥更大的作用，也可以研发拥有生物活性的聚氨酯材料，通过材料性能的改善使其使用价值得到开发。

3.4 两亲性多糖衍生物

多糖是一种在自然界中广泛存在的无毒性物质，如海藻酸钠、壳聚糖等，其本身具有良好的可降解性、生物相容性，是目前用于药物载体上的最理想材料。基于偶联反应使一些具有良好生物相容性的疏水基团出现在亲水性多糖链上，可以合成两亲性多糖衍生物，而两者之间因非极性关系出现自聚性，将会形成纳米胶束，作为药物传输的载体，更好地辅助药物完成缓释。

3.5 聚乳酸

聚乳酸是一种以再生乳酸为主要原料制成的高分子材料，而可再生乳酸本身属于脂肪聚酸酯，具有良好的环保性、生物降解性以及热塑性，由于其具有完全降解、无毒、无刺激性、可溶解、生物相容性好、力学强度高等特点，可以作为药物缓释材料、处理骨折内固定材料，也可以用于外科，作为黏合剂使用。在聚乳酸材料加工制备过程中，先从具有可再生功能的植物资源中提取出淀粉，通过糖化处理后获得葡萄糖，再在发酵条件下联合葡萄糖与菌种，发硬后生成具有高纯度特点的乳酸，最后经过化学合成完成聚乳酸的制作，由于其原料本身来自自然界，使用过程中也可以被自然界中的微生物完全降解，最终以水、二氧化碳的形式消失；处理时可以直接将其埋在土壤中，由植物直接吸收二氧化碳。因此，聚乳酸对环境无任何影响，是临床大力倡导使用的环境友好型材料[5]。

3.6 聚丙烯腈

聚丙烯腈是以腈纶为主要材料制成的一种高分子化合物，其本身属于合成纤维材料，在人工血管、临床超滤装置、人工肾脏制造中均有所应用。加工制备过程中在高温条件下经碳化后产生碳纤维，从而可以制造加强版的人体组织，如牙槽骨、人工软骨等。同时，也可以将聚丙烯腈应用在脑动脉瘤加固保护剂制作中[6]。

3.7 四臂多功能嵌段聚合物

目前，国外在利用可控聚合方法制备生物医用高分子材料过程中，成功研制出可作为非病毒转基因载体的四臂多功能嵌段聚合物，在加工制备期间选择聚环氧乙烷作为大分子的自由基引发剂，在引发剂的作用下可以使大分子与活性阴离子之间发生聚合反应，从而生成三嵌段共聚物，在此基础上又形成高分子胶束，高分子胶束是一种具有较高生物学应用价值、性质在纳米离子与微凝胶间的一种物质。在该项研究基础上，制备生物医用高分子材料过程中，可以根据需要对嵌段共聚物进行调整，从而改善聚合物的性能，使其应用于不同的医疗场景。例如，前端共聚物选择聚异丁烯时，聚合物两端极性被改变，可作用药用高分子材料，在药物进入人体后对缓释情况做出调整；同时，国内的研究中也利用异丙基丙烯酰胺联合丙烯酸叔丁酯制作嵌段共聚物，研究在异丙醇混合溶剂基础上展开，发现物质对温度、pH 值均具有敏感性。因此，四臂多功能嵌段聚合物可以应用于药物控制中[7]。