聚偏氟乙烯在醫學上的研究進展和應用

劉一凡，朱偉偉，方 敏

（浙江省化工研究院有限公司，浙江 杭州 310023）

聚偏氟乙烯在醫學上的研究進展和應用

劉一凡，朱偉偉，方 敏

（浙江省化工研究院有限公司，浙江 杭州 310023）

聚偏氟乙烯（PVDF）作為適用范圍僅次于聚四氟乙烯的第二大氟樹脂品種，在石油化工、電子電器、氟碳涂料等方面均有廣泛應用。由于PVDF具有良好的壓電性能和機械性能，再加上生物相容性，其在醫學領域的研究也逐漸得到拓寬。本文主要介紹了其在醫學領域的研究進展，并列舉了實例。

聚偏氟乙烯；壓電性能；機械性能；醫學領域

0 引言

在含氟聚合物中，聚偏氟乙烯由于具有穩定的耐熱性、耐化學性和可加工性受到材料界的關注。在材料的開發和應用上，PVDF擔當著更加重要的角色，已被廣泛應用于涂料、管材、電池隔膜以及水處理等領域。除此之外，由于具有疏水性、耐磨性及在壓電膜上的高靈敏、耐沖擊、聲阻抗低等性能，因而可以滿足醫學領域特殊材料及元件的設計要求[1-2]。本文主要闡述了PVDF在醫用材料、醫用傳感器等方面的應用和研究。

1 醫用材料

1.1 醫用膜

PVDF具有良好的壓電性，再加上其本身具有的生物相容性，制備的電刺激型醫用膜，促進各種生長因子的表達和分泌，影響細胞的增殖和分化過程。

M.Wang等[3]開發了具有核殼結構的PVDF/PVP復合納米纖維膜，通過對小鼠成纖維細胞培養時發現3 h后細胞的成活率達到94%，說明PVDF/PVP具有良好的生物相容性；上述制備的超疏水耐纖維膜可用于可傷口愈合和傷口敷料，其疏水性可防止水分從傷口處揮發，高孔率和較好的拉伸性能也能保持膜的透氣性和柔韌性。Guo等[4]研究了電紡制備的PU/PVDF纖維膜的力學性能和壓電性能。在支架膜上培養的小鼠成纖維細胞呈現正常的形態，且PVDF的壓電效應有利于成纖維細胞的粘附和增殖過程。T.He等[5]制備了負載恩諾沙星（Enro）的PVDF納米纖維膜，并對纖維膜的機械強度、抗菌性能及藥物釋放功能進行了探究。研究發現，Enro/PVDF復合纖維膜具有良好的彈性、柔韌性及優異的機械強度，通過控制藥物的釋放時間將藥效達到最大，釋放時間持續3 d。

1.2 醫用紗布

以高分子聚合物為材料制備醫用紗布已成為新型紗布的主要發展趨勢，不僅能吸收體液，使傷口表面保持干爽，使其不受細菌感染，還具有較好的生物相容性和可降解性。

NASA提出以PVDF為主要材料制備醫用紗布，通過受傷人員對該類紗布進行輕微的觸碰或敲擊，產生的微量電流能夠加速傷口的愈合。主要是利用PVDF的壓電性和熱釋電性，人為產生電流，加速傷口愈合。溫度的變化和輕微動作產生定向張力或壓力導致的熱能或機械能使PVDF材質紗布兩側感應電荷產生相應的變化，形成微電流，使血液加速循環，有利于傷口復原。另外產生電荷的方向垂直于應力產生方向，同時需要根據基材來進行傳導，因此施加不同方向的應力導致產生電位差的方向不同，再加上紗布紋理（PVDF纖維）的排列，可以控制電流方向，進而影響傷口的愈合程度[6]。

1.3 其他應用

PVDF形成的支架結構和細胞外基質相似，因此可與其他材料復合使用作為人造器官或修補元件。如利用PVDF的生物相容性將其和人造血管復合使用，利用其傳感能力可以準確測量修補后血管中的血流情況、管壁中固體物質的沉積情況和修補后血管孔隙中的細胞生長情況[7]。在疝氣病發過程中，通過PVDF修補片替代常規的PP修補片，不僅保持原來的蠕變形變和彈性回復率，同時提高了彈性和長期穩定性[8]。

2 壓電薄膜傳感器

以PVDF為材料制備的壓電薄膜具有柔軟、輕薄、壓電常數高、響應速度快等特點，可以適應大幅度的變形，薄膜的紅外光譜在7～20 μm波長范圍有很強的吸收，而人體的熱輻射也基本上處于這個范圍，因此可以利用其制備的薄膜傳感器檢測人體的各項生理指標，幫助醫生實時觀察病人病情及生理狀況。

2.1 醫用傳感器

PVDF壓電薄膜的響應頻率范圍很寬，低限截止頻率約為0.001 Hz，可以匹配不同的電荷放大器來同時獲取呼吸（約0.2 Hz）和心跳（約1 Hz）信號，進行長時實時監測，其主要應用包括脈搏傳感器、心電傳感器、體溫傳感器等。

譚嘉俊[9]利用PVDF設計出一種符合中醫手指切脈特點、結構簡單的脈搏傳感器，與目前應用的單探頭脈搏傳感器不同，可以同時檢測脈搏軸向張力和徑向搏動力信號。通過動態測試分析及脈搏測量實驗，結果表明，利用PVDF制作的新型脈搏傳感器科學合理，具有實用價值。羅衍鑫等[10]根據PVDF的應變傳感機理，設計了一種測量心率信號的系統。系統中兩個濾波電路可以有效地將雜波濾除，增強了傳感器的靈敏度和精確度，并且對傳感器的實際應用效果進行了仿真工作，具有較好的抗干擾性和線性度。Javad和Ram等[11]利用PVDF薄膜具有機械柔性的特點，開發了內窺鏡檢查用齒形觸覺傳感器，用于對敏感性組織的力和順應性進行測量，為醫學上敏感組織的力和順應性測量提供了一種參考方法。使用PVDF壓電膜還可以制作B超用超聲探頭、紅外圖像儀、熱圖像儀等。

2.2 仿生傳感器

仿生傳感器是近年來臨床研究中比較熱門的研究領域，并且在刺激、視聽辨別、觸覺等方面都已有最新成果問世。人造皮膚觸覺傳感器中的電子鼻就是典型的產品，通過PVDF、無觸點皮膚敏感系統以及具有壓力敏感傳導功能的橡膠觸覺傳感器等組成，對產生觸覺的多個參數都敏感。通過分析由此傳感器陣列所收集到的輸出值來識別未知分析物。在臨床應用中，電子鼻根據信號能繪出患者的呼吸圖，醫生可以從中看出患者是否受到細菌的侵害，電子鼻還能根據細菌種類提供對抗這種細菌的最有效的抗生素[12]。張玲等[13]使用PVDF制作具有觸覺、滑覺、溫覺的仿生皮膚傳感器，研究其壓電特性，建立仿生皮膚的分析模型，對其動態特性和靜態特性進行分析，證明其擁有良好的觸覺、溫覺和滑覺。

3 存在的問題

將PVDF應用于醫學研究，與傳統醫學材料相比，具有方便、可靠、性價比高等優點，但在推廣上也存在不少問題，一是醫用PVDF多為靜電紡絲纖維或壓電膜，產量較小，實現產業化生產較為困難；二是目前對PVDF為基的醫學材料或傳感器的特性和應用研究不夠透徹。因此如何實現醫用PVDF的產業化，優化PVDF或其復合材料的特性會是將來的主要研究內容。

[1] 魏建華，錢勇，吳君毅，等.PVDF/PMMA復合材料膜的性能及應用[J].有機氟工業，2015，（2）：40-45.

[2] 張雨，王清海，崔劍，等.聚偏氟乙烯壓電薄膜研究進展[J].工程塑料應用，2003，31（8）：62-64.

[3] Wang M，Fang D，Wang N，et al.Preparation of PVDF/PVP core-shell nanofibers mats via homogeneous electrospinning[J].Polymer，2014，55（9）：2188-2196.

[4] Guo H F，Li Z S，Dong S W，et al.Piezoelectric PU/PVDF electrospun scaffolds for wound healing applications[J].Colloids and Surfaces B：Biointerfaces，2012，96：29-36.

[5]He T，Wang J，Huang P，et al.Electrospinning polyvinylidene fluoride fibrous membranes containing anti-bacterial drugs used as wound dressing[J].Colloids and Surfaces B：Biointerfaces，2015，130：278-286.

[6] 醫療紗布[J].高科技與產業化，2016，11：20.

[7] 孫慶蘭.小口徑組織工程血管構建的初步研究[D].天津：天津工業大學，2010.

[8] 王穎初.聚偏二氟乙烯（PVDF）疝修補片的制備與研究[D].上海：東華大學，2014.

[9] 譚嘉俊.基于PVDF的脈搏傳感器研究[D].昆明：昆明理工大學，2013.

[10]羅衍鑫，張森，鞏建福，等.基于PVDF的心率傳感器設計[J].科技風，2016，18：245.

[11]Javad D，Ramin S，Singh H，et al.Modeling and testing of an endoscopic piezoelectric-based tactilesensor[J].Mechatronics，2007，17：462-467

[12]王明時，高偉，李寧，孫偉.醫用傳感器的發展[J].中 國生物醫學工程學報，2005，24（6）：668-671.

[13]張玲，何偉，蔣陽.一種適合于機器人仿生皮膚傳感器的性能研究[J].機器人，1999，21（4）：309-311.

Research and Application of Polyvinylidene Fluoride in Medicine

LIU Yi-fan， ZHU Wei-wei， FANG Min
（Zhejiang Chemical Industry Research Institute Co.,Ltd.,Hangzhou， Zhejiang 310023，China）

Absrtact： As the second scope of application after PTFE，PVDF is widely used in the petrochemical，electrical and electronic，fluorocarbon coatings.Having good piezoelectric properties and mechanical properties， coupled with its biocompatibility， its research in the medical field has gradually been widened.This paper mainly introduced its application in the field of medicine and listed examples.

PVDF；piezoelectric properties；mechanical properties；medical field

1006-4184（2017）11-0001-03

2017-09-21

劉一凡（1988-），男，碩士，工程師，主要研究方向為含氟聚合物產品開發。E-mail：liuyifan@sinochem.com。