合成樹(shù)脂在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

黃宗武

（嘉寶莉化工集團(tuán)股份有限公司，廣東江門(mén) 529000）

1 合成樹(shù)脂應(yīng)用現(xiàn)狀

合成樹(shù)脂是由碳原子、氫原子和少量的氧原子、硫原子通過(guò)一定的化學(xué)鍵結(jié)合而成的有機(jī)高分子化合物。

2021年全球醫(yī)用高分子市場(chǎng)規(guī)模估計(jì)為184.1億美元，預(yù)計(jì)2022年將達(dá)到199.1億美元。而北美作為引領(lǐng)全球醫(yī)用聚合物市場(chǎng)的巨頭，2021年的收入份額為42.34%。預(yù)計(jì)從2022年到2030年，全球醫(yī)用高分子市場(chǎng)將會(huì)以8.0%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，到2030年將達(dá)到368億美元。

盡管大多數(shù)高分子聚合物是生物相容的，但并不是所有的都被批準(zhǔn)用于商業(yè)用途。醫(yī)用聚合物可以大致分為樹(shù)脂、彈性體和生物可降解塑料。廣泛使用的主要樹(shù)脂包括聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）、聚四氟乙烯（PFTE）、聚碳酸酯（PC）、聚醚醚酮（PEEK）、水凝膠（丙烯酸酯）、丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）。醫(yī)療行業(yè)使用的主要彈性體包括苯乙烯嵌段共聚物（SBC）、橡膠膠乳熱塑性聚氨酯（TPU）和熱塑性烯烴（TPO）。常用的生物降解塑料包括聚乳酸（PLA）和聚乙醇酸（PGA）。

而纖維和樹(shù)脂則主導(dǎo)了醫(yī)用聚合物市場(chǎng)，在各種醫(yī)療器械中的使用則越來(lái)越多，由于其具有強(qiáng)度高、耐彎曲、化學(xué)穩(wěn)定性高、生物相容性好，故廣泛應(yīng)用在脊柱植入物、顱腦損傷、心血管修補(bǔ)材料、髖關(guān)節(jié)和關(guān)節(jié)置換，預(yù)計(jì)將推動(dòng)該領(lǐng)域的迅速發(fā)展[1]。

2021年，纖維和樹(shù)脂嵌段以73.23%的份額主導(dǎo)著醫(yī)用高分子市場(chǎng)，PVC和PP是消費(fèi)量最高的樹(shù)脂，占細(xì)分市場(chǎng)銷(xiāo)售額的55%以上；然而，工程熱塑性塑料，如PC和ABS，預(yù)計(jì)將在樹(shù)脂和纖維領(lǐng)域增長(zhǎng)最快，從2012年到2018年CAGR增長(zhǎng)超過(guò)8%。SBC、TPU、TPO、硅橡膠和TPV等醫(yī)用彈性體是市場(chǎng)上第二大消費(fèi)產(chǎn)品。盡管生物降解塑料的市場(chǎng)規(guī)模很小，但預(yù)計(jì)將在預(yù)測(cè)期內(nèi)呈指數(shù)增長(zhǎng)。此外，醫(yī)用聚合物也可用于醫(yī)療器械和設(shè)備、包裝、心臟病支架和組織工程等領(lǐng)域。

PEEK和PE等樹(shù)脂，尤其是超高分子量聚乙烯（UHMWPE），在醫(yī)用聚合物領(lǐng)域具有最大的市場(chǎng)潛力。這些聚合物因其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、生物惰性、商業(yè)可行性和生物相容性而越來(lái)越受歡迎。PEEK和UHMWPE在醫(yī)療植入物中的使用有所增加，包括骨科和電子植入式器械。PP、PC和其他樹(shù)脂（包括ABS、PMMA和PET）在醫(yī)療器械制造中的利用率也有所提高。這些工程熱塑性塑料表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性、耐久性和成型性，是設(shè)計(jì)醫(yī)療器械和植入物時(shí)首選的材料。

以下主要介紹當(dāng)下幾種合成樹(shù)脂在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用。

1.1 ePTFE

預(yù)計(jì)2019—2025年全球心血管修復(fù)與重建器械市場(chǎng)將以5.2%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，到2025年將達(dá)到44.8億。

血管移植物作為GORE醫(yī)療的主要產(chǎn)品線(xiàn)之一，在亞太地區(qū)主要銷(xiāo)售4類(lèi)產(chǎn)品：GORE-TEX?血管移植物、GORE-TEX?拉伸血管移植物、GOREINTERING?血管移植物?和 GORE-PROPATEN?血管移植物?。

GORE血管移植物，由發(fā)泡聚四氟乙烯（ePTFE）材料制成，旨在實(shí)現(xiàn)最佳的組織向內(nèi)生長(zhǎng)，同時(shí)最大限度地減少動(dòng)脈瘤擴(kuò)張，適用于多種心血管應(yīng)用，包括心臟、大血管和外周血管重建。

同時(shí)，膨體聚四氟乙烯（ePTFE）是GORE許多產(chǎn)品的核心材料。當(dāng)PTFE膨脹時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生ePTFE膜，從而產(chǎn)生具有理想特性的微孔結(jié)構(gòu)，其性能表現(xiàn)出高強(qiáng)度重量比、生物相容性、高熱阻等。由于其優(yōu)良的生物相容性，很少產(chǎn)生血凝塊，適合植入人體人造血管。它們可以與人體組織長(zhǎng)時(shí)間結(jié)合，具有良好的血液滲透性，并具有允許天然組織生長(zhǎng)的微孔結(jié)構(gòu)。在中小直徑人造血管中，過(guò)去大多使用整體成型的膨體聚四氟乙烯（ePTFE）。

膨體聚四氟乙烯（ePTFE）還可用于制造植入物的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)雖然柔軟、堅(jiān)固、柔韌，但也非常多孔。當(dāng)植入時(shí)，允許身體組織無(wú)縫地生長(zhǎng)入其中，使其成為用于血管移植、疝氣修復(fù)和其他重建手術(shù)的優(yōu)良材料。

膨脹聚四氟乙烯（ePTFE）的另一種應(yīng)用是在各種牙科手術(shù)和外科移植過(guò)程中使用。采用正確的產(chǎn)品密度和配制。該材料可作為屏障膜阻止細(xì)菌生長(zhǎng)和上皮遷移，或?yàn)橹亟ㄌ峁┙M織支架。這些膜可以在有或沒(méi)有加強(qiáng)件的情況下使用，加強(qiáng)件可以幫助膜保持期望的形狀。

GORE能夠根據(jù)所需用途和功能定制ePTFE，使其具有基于應(yīng)用的不同結(jié)構(gòu)：例如高密度或低密度、緊密或開(kāi)放的孔隙率、薄度或厚度、表面或橫截面方向，以及多種幾何形狀和不對(duì)稱(chēng)性，進(jìn)而形成包括膠帶、薄膜、管材、纖維或棒材等多種產(chǎn)品形式。工程師再根據(jù)產(chǎn)品的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)原纖維連接節(jié)點(diǎn)的幾何形狀進(jìn)行修改，進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)品所需的性能。

隨著1975年第一款GORE-TEX?植入物的商業(yè)化，GORE正式在醫(yī)療領(lǐng)域開(kāi)拓商業(yè)市場(chǎng)。GORE利用ePTFE優(yōu)秀的 生物相容性、化學(xué)惰性以及抗菌能力，在過(guò)去的近50年里將產(chǎn)品管線(xiàn)擴(kuò)展至血管移植物、血管內(nèi)介入設(shè)備、假體支架、生物合成組織貼片、縫合線(xiàn)和縫合線(xiàn)加固材料等。截至目前，GORE已向全球范圍內(nèi)的心血管外科、胸外科、普外科、胃腸科、口腔科、兒科等科室提供 近5 000萬(wàn)例醫(yī)療植入物，成為生物材料領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)者。

1.2 硅氧彈性體

硅樹(shù)脂可以是液體、凝膠、彈性體（橡膠）甚至硬塑料。硅酮的生產(chǎn)從砂開(kāi)始，通過(guò)改變-Si-O-Si鏈的長(zhǎng)度、使用不同的有機(jī)側(cè)基和化學(xué)交聯(lián)聚合物鏈來(lái)完成。硅氧烷主鏈由于其大的鍵角和鍵長(zhǎng)較具有碳主鏈的聚合物（例如聚乙烯）更柔韌。因此，所有硅酮都具有不同程度的橡膠性質(zhì)。

無(wú)機(jī)硅氧烷主鏈也使硅氧烷和硅基材料具有其他特殊性能。盡管-Si-O-鍵很靈活，但化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，石英礦物（二氧化硅、二氧化硅）中Si和O之間的鍵也是如此。故硅樹(shù)脂可以被視為液體或固體聚合材料，具有陶瓷的某些特性[2]。

硅氧烷彈性體主要由于Si-O-Si鍵的穩(wěn)定性，在許多方面，硅彈性體比碳基塑料和橡膠更適合于醫(yī)療植入物：優(yōu)異的生物相容性和低過(guò)敏性、化學(xué)惰性，耐油、耐溶劑和耐沾污、抗菌，易于清洗和消毒、保質(zhì)期長(zhǎng)，在-80C~300C等惡劣條件下保持性能和絕緣性能優(yōu)異的電介質(zhì)。

由于硅氧烷彈性體具有這些優(yōu)異的特性，硅氧烷已在長(zhǎng)期植入體中使用了數(shù)十年。1946年Franklin H Lahey博士發(fā)表了第一篇關(guān)于長(zhǎng)期植入硅酮彈性體用于膽管修復(fù)的報(bào)告。到20世紀(jì)60年代末，醫(yī)用級(jí)硅樹(shù)脂彈性體已經(jīng)應(yīng)用于許多長(zhǎng)期植入物中，如關(guān)節(jié)成形術(shù)、導(dǎo)管、引流管和腦積水分流器。半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，硅彈性體已被證明是一種安全的材料，使數(shù)百萬(wàn)患者能夠克服虛弱的狀況。

被稱(chēng)為2019年最具創(chuàng)新性的17種醫(yī)療器械之一，同時(shí)榮獲2019年第13屆Prix Galien USA獎(jiǎng)提名的CustomFlex?Artificial Iris。是一款由德國(guó)Human Optics AG公司開(kāi)發(fā)、被美國(guó)FDA批準(zhǔn)的全球首款人工虹膜。該人工虹膜由可折疊的市售眼科硅氧烷彈性體材料制成，材料包括二苯基-co-二甲基聚硅氧烷和硅增強(qiáng)樹(shù)脂，具有3.35mm的固定孔徑，不透明的周邊和黑色的后表面可以完全吸收光線(xiàn)，減少光現(xiàn)象，正面為可定制的彩色表面，為提高美容效果，可在硅氧烷中添加不同無(wú)機(jī)顏料著色劑，使它的結(jié)構(gòu)更加酷似天然虹膜。

Elkem Silicones正在推進(jìn)一個(gè)強(qiáng)大的創(chuàng)新組合，涵蓋高性能硅材料和工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)未來(lái)的醫(yī)療設(shè)備。在即將到來(lái)的明尼阿波利斯MDM上，Elkem Silicones將推出長(zhǎng)期植入級(jí)、高性能、單組分、不含錫、室溫固化黏合劑。這種黏合劑可以黏合到不同的表面，如硅彈性體、聚氨酯、聚酯、鋁和鈦等。由于無(wú)需加熱和加濕即可快速固化，因此它顯著提高了生產(chǎn)率并簡(jiǎn)化了制造過(guò)程。這是市場(chǎng)上第一個(gè)不含錫的長(zhǎng)期植入硅膠黏合劑[3]。

1.3 PEEK

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，聚芳醚酮（PAEKs）越來(lái)越多地被用作創(chuàng)傷、矯形和脊柱植入物的生物材料。合成了大量與PAEK生物材料的結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和耐化學(xué)性相關(guān)的聚合物。有了這個(gè)基礎(chǔ)，人們就可以更容易地理解為什么這個(gè)聚合物家族會(huì)天生強(qiáng)大、惰性和生物相容性。由于其相對(duì)惰性，聚醚醚酮生物材料是開(kāi)發(fā)新型生物活性材料的有吸引力的平臺(tái)，并且已經(jīng)朝著這個(gè)方向采取了一些步驟，將HA和TCP混合到燒結(jié)的聚醚醚酮中。然而，迄今為止，共混的HA-PEEK復(fù)合材料在機(jī)械性能方面進(jìn)行了權(quán)衡，以換取其生物活性的提高。聚醚醚酮在脊柱植入物設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有最大的臨床影響，目前在脊柱領(lǐng)域，聚醚醚酮被廣泛接受為金屬生物材料的可透過(guò)射線(xiàn)的替代品。對(duì)于成熟領(lǐng)域，如全關(guān)節(jié)置換和骨折固定植入物，透射線(xiàn)性是一個(gè)有吸引力但不一定是關(guān)鍵的材料特性。

到20世紀(jì)90年代末，PEEK已經(jīng)成為替代金屬植入物組件的領(lǐng)先高性能熱塑性候選材料，特別是在骨科和創(chuàng)傷中。這種材料不僅能耐受模擬體內(nèi)降解，包括由脂質(zhì)暴露引起的損傷，而且從1998年4月開(kāi)始，PEEK作為植入物的生物材料在商業(yè)上被提供。在穩(wěn)定供應(yīng)的推動(dòng)下，聚醚醚酮（PEEK）生物材料的研究蓬勃發(fā)展，并有望在未來(lái)繼續(xù)推進(jìn)[4]。

聚醚醚酮的結(jié)構(gòu)賦予了優(yōu)異的耐化學(xué)性。芳基環(huán)通過(guò)位于環(huán)兩端的酮和醚基團(tuán)（化學(xué)上稱(chēng)為“對(duì)位”）相互連接。聚醚醚酮的共振穩(wěn)定化學(xué)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致較高軌道電子沿整個(gè)大分子離域，使其極其不活潑，并固有地抵抗化學(xué)、熱和輻照后降解。PEEK不會(huì)因暴露于濃硫酸以外的溶劑而受損。聚醚醚酮化學(xué)結(jié)構(gòu)的固有惰性也解釋了其生物相容性。

到目前為止，PEEK在脊柱植入物設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有最大的臨床影響，目前在脊柱領(lǐng)域，PEEK被廣泛接受為金屬生物材料的一種可透過(guò)射線(xiàn)的替代品。對(duì)于更成熟的領(lǐng)域，如全關(guān)節(jié)置換和骨折固定植入物，透射線(xiàn)性是一個(gè)有吸引力但不一定是關(guān)鍵的材料。只有面對(duì)新設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)，例如等彈性桿和髖關(guān)節(jié)表面置換，聚醚醚酮生物材料才能提供一個(gè)有吸引力的機(jī)會(huì)。盡管新的PEEK干細(xì)胞和髖關(guān)節(jié)表面置換設(shè)計(jì)令人鼓舞，并處于臨床應(yīng)用的不同階段，但要判斷這些新方法是否優(yōu)于其歷史上成功的前輩，仍需許多年，或許十年或更長(zhǎng)時(shí)間。由于這些原因，盡管預(yù)計(jì)聚醚醚酮生物材料將在醫(yī)療器械中大量使用，但聚醚醚酮將繼續(xù)在脊柱植入物的設(shè)計(jì)中提供更大的機(jī)會(huì)。

2 結(jié)束語(yǔ)

合成樹(shù)脂為醫(yī)療產(chǎn)品的生產(chǎn)提供了一系列公認(rèn)的優(yōu)勢(shì)，包括優(yōu)異的生物相容性、良好的機(jī)械特性、耐化學(xué)性和耐溫性以及加工靈活性。憑借其在該行業(yè)中成功使用的悠久歷史和獨(dú)特的性能組合，合成樹(shù)脂能夠很好地滿(mǎn)足醫(yī)療器械制造商日益苛刻的材料要求。