醫療中生物醫用高分子材料的應用探析

石明康

（南京師范大學，江蘇南京 210023）

0 引言

目前，在醫療衛生領域，生理系統疾病的診斷與治療上常應用生物醫用高分子材料，總體來看其可以作為人工器官材料或高分子藥物與醫療用品材料，對人體器官的機能恢復、延長藥物功效時間、增強醫療用品穩定性有著重要價值。隨著研究的深入，對生物醫用高分子材料性能有了更豐富的了解，其優勢也得到進一步開發。因此，還需從應用角度探究生物醫用高分子材料的使用價值，使其在醫療領域發揮更大的作用，運用到更多的場景當中。

1 生物醫用高分子材料的特點及性能

1.1 材料特點

生物醫用高分子材料主要有兩種類型，一種為天然生物材料制成，另一種為人工合成，前者主要以動物為載體，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體內，材料具有良好的生物適應性，在醫療中可以提高傷口愈合效率；后者通過合成人工材料與活體組織制作高分子材料，主要應用于人體組織器官再生、細胞分裂生長等，可以加速組織器官功能的恢復速率[1]。目前生物醫用高分子材料可以直接與人體血液、體液、皮膚進行接觸，能夠安全地置入患者體內。

1.2 材料性能

力學性能穩定。高分子材料耐疲勞度高，即使器械、治療、護理任務時間較長，也可以穩定輔助、高質量完成任務，使用中尺寸穩定，擁有相對完美的模量。

物理性能穩定。在應用過程中，消毒、滅菌以及其他高溫、高壓操作條件下，材料性能穩定、無任何改變。

化學惰性良好。材料在加工制備中具有易成型的特點，但在與人體發生接觸時無任何化學反應，可以預防使用中與人體發生排斥反應，避免誘發人體炎性反應。

生物相容性好。生物醫用高分子材料與血液、人體組織均有良好相容性，具備可降解性和可吸收性，植入后可以有效預防排斥反應。

方便獲取、性價比高。生物醫用高分子材料方便獲取、制備過程簡便、材料價格低廉，適合平民消費。

2 生物醫用高分子材料在醫療中的應用場景

2.1 與血液接觸材料

在制造人工肺、人工心臟中使用的高分子材料均為與血液接觸的生物醫用高分子材料，要求此類材料必須具備良好的抗細菌黏附性、抗凝血性，使用中材料不得成為誘發血小板變形的介質，也不得在材料表面出現血栓，血液也不會與材料發生反應導致感染。同時，對材料的力學性能也有著特殊要求，應具有同人類血管類似的彈性、延展性，且必須具備耐疲勞特性。在實際應用時，多選擇聚丙烯、聚酯、聚氨酯等高分子材料作為與血液接觸的材料，但也要結合具體用途、應用位置進行考慮。例如，人工心臟制造原材料多為硅橡膠、聚醚氨酯，人工肺制造材料多為硅橡膠、聚四氟乙烯等材料，人工腎制造材料多為聚醚砜、乙酸纖維素等[2]。而從目前研究趨勢以及實際應用需求來看，需要進一步提高與血液接觸高分子材料的相容性，通過與親水性長側鏈接枝，將生物活性物質引入，對血液抑制與外源材料發生作用，材料會出現微相分離結構，并且可以將內皮細胞種植在聚合物表面，有效提高高分子材料與血液的相容性。

2.2 組織工程用材料

組織工程學以生命科學、工程學理論為基礎，利用兩個學科的原理與方法對哺乳類組織結構及其功能展開研究，開發生物代用品對組織進行改善、恢復或維持。在組織工程學領域大規模培養細胞的技術愈發成熟。因此，需要研發與之相容的生物高分子材料，結合活細胞生成人體組織或器官。在應用過程中，高分子材料為組織與器官的再生提供三維結構、支架，可以發揮細胞生理功能調節作用，且高分子材料在完成自己的使命后，自行降解成可以被機體吸收的小分子，發揮免疫保護作用。其中多將聚乳酸及聚羥基乙酸材料應用到組織工程領域。

2.3 藥用材料

藥用領域要求高分子材料具有無毒、長效、緩釋、可定點釋放等功能，與藥物共同進入人體內，除不與機體組織發生變異、不易引發炎癥、不具有致癌性、不會引起血栓等，還應在水中溶解，形成大量具有藥理活性特點的基團，到達病灶位置后，可以積累到一定濃度，而產生的殘基則會在代謝過程中通過排泄系統排至體外。目前，在研發藥理活性高分子藥物、低分子藥物高分子化、高分子微膠囊中，高分子材料均是重要的物質載體。其中，藥理活性高分子藥物中所用的材料本身具有藥理作用，如激素、酶制劑、葡萄糖等，斷鏈后則會失去藥性，利用此類材料中某些陽離子、陰離子聚合物可以開發出作用不同的藥物。例如，利用主鏈型聚陽離子季銨鹽可以制造出對痙攣性疾病有良好作用的藥物；低分子藥物高分子化過程中，通過高分子材料增加藥物在人體內的作用時間，避免藥物濃度降低過快、代謝速度過快等問題，且也可以對藥物作用位置進行選擇，高分子材料通過吸附、嵌段、共聚、接枝等方式與低分子藥物結合在一起，常用載體為聚乙烯胺。在制造高分子微膠囊過程中，利用高分子材料作為細微藥粒的包裹物，可以延緩藥物效用，對藥物釋放做出控制，并將藥物本身的刺激性、不便接受的味道掩蓋掉，在提高藥物效果的同時，使藥物的刺激性減小。高分子材料作為外層保護，可以避免藥物與氧氣、濕氣接觸發生反應，提高藥物貯存期間的穩定性，此類藥用高分子材料多為明膠、骨膠、瓊脂[3]。

2.4 醫療器件用材料

在一次性醫療用品制造中也可以廣泛使用高分子材料，目前臨床診療過程中使用的注射器、麻醉用具、護理用具、檢查器具、手術器具中有諸多用品均為高分子材料制成，主要為聚丙烯、聚氯乙烯等，由其制成的醫療器件性能得到明顯改善。例如，采用高分子合成纖維PU 制成的繃帶，具有質量輕、層薄的特征，在骨折固定中使用，替代傳統石膏材料，可以加速固化，降低皮膚發炎概率。此外，聚酯、聚乙烯醇、硅橡膠等方便制取的高分子材料也被制作為牙科、外科整形中所用矯正材料。

3 生物醫用高分子材料在醫療中的具體應用

3.1 硅橡膠

硅橡膠屬于橡膠制品，與普通橡膠的區別在于其主鏈的結構特殊，由硅原子與氧原子交替構成，且每個硅原子上均有兩個有機基團。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。在正常溫度或高溫條件下使用硅橡膠，其不會因溫度、氧氣的作用出現裂解或氧化現象，在低溫條件下應用其性能也不受限制。目前，硅橡膠較多應用在醫療領域，發現其與人體之間有著良好的生物相容性，可以將硅橡膠材料制成的組織、器官植入人體內。

具體來講，臨床已利用硅橡膠材料開發出人工肺、人工手指、人工喉、人工腦膜、人工心臟瓣膜等組織器官，替代人體受損且功能無法恢復的器官，在體內發揮有效作用。例如，外傷導致硬腦膜發生破損，則可以由硅橡膠制成人工腦膜用于破損位置，長期滯留也能保證性能穩定。同時，硅橡膠的出現也使臨床一部分材料被替代，如替代尼龍和聚酯纖維用于鼻梁、人造顱骨制作，成為醫療衛生領域不可或缺的輔助材料，為臨床治療、搶救等工作帶來諸多便利。

3.2 聚氯乙烯

聚氯乙烯也就是常說的PVC，在多個領域均有所應用，也是目前醫療中應用范圍最廣、應用頻率最高的一種高分子材料，常見的輸液器、貯血袋等一次性醫療用品均采用聚氯乙烯制作而成。聚氯乙烯的大范圍應用為臨床帶來諸多便利，可以有效預防病毒、細菌交叉感染，但在應用過程中發現利用聚氯乙烯制作醫用食品袋、輸液管對人體存在負面影響，從而也針對聚氯乙烯材料做出改良，研發出超低密度聚乙烯材料，該材料屬于一種高彈性聚乙烯混料，性能有所優化、功能上也進行更新，與普通聚氯乙烯相比，其具有記憶功能，可以在使用中快速恢復形狀。因此，可以在輸液器具等方面替代聚氯乙烯材料使用[4]。此外，國內的研究中也取得突破性進展，我國有企業成功研制出醫用級別的聚氯乙烯樹脂，標志我國制作輸血器材中所需高分子聚氯乙烯材料無需再進口，并且其為綠色聚氯乙烯產品，對人體副作用小，在醫療領域中使用更加安全。

3.3 聚氨酯彈性體

醫療領域應用聚氨酯始于20 世紀50 年代，由于材料的特殊性質，使其受到醫療領域的廣泛關注，關于其性能、應用等方面的研究也從未停止，從而使聚氨酯的應用不斷拓展。目前，聚氨酯是制作人工心臟的主要材料，也是進行骨折修復和血管修復的主要材料，在加工制備過程中利用硬段、軟段玻璃溫度轉化過程中出現的差異使材料具有極強的形狀記憶功能，在醫療領域各項矯正工作中應用也具有良好的效果。例如，在牙齒矯正過程中醫生先對材料進行處理，制作成矯正所需形狀，再通過加熱使其變形，隨后可以自行恢復回原來形狀。但目前聚氨酯的應用成本較高，難以進行大規模推廣，主要因恢復形狀時溫度調控技術難度高。因此，綜合材料性能特點與現有技術條件，應以熱塑聚氨酯彈性體為研究方向，利用其形狀記憶性好的優勢，在組織工程領域發揮更大的作用，也可以研發擁有生物活性的聚氨酯材料，通過材料性能的改善使其使用價值得到開發。

3.4 兩親性多糖衍生物

多糖是一種在自然界中廣泛存在的無毒性物質，如海藻酸鈉、殼聚糖等，其本身具有良好的可降解性、生物相容性，是目前用于藥物載體上的最理想材料?；谂悸摲磻挂恍┚哂辛己蒙锵嗳菪缘氖杷鶊F出現在親水性多糖鏈上，可以合成兩親性多糖衍生物，而兩者之間因非極性關系出現自聚性，將會形成納米膠束，作為藥物傳輸的載體，更好地輔助藥物完成緩釋。

3.5 聚乳酸

聚乳酸是一種以再生乳酸為主要原料制成的高分子材料，而可再生乳酸本身屬于脂肪聚酸酯，具有良好的環保性、生物降解性以及熱塑性，由于其具有完全降解、無毒、無刺激性、可溶解、生物相容性好、力學強度高等特點，可以作為藥物緩釋材料、處理骨折內固定材料，也可以用于外科，作為黏合劑使用。在聚乳酸材料加工制備過程中，先從具有可再生功能的植物資源中提取出淀粉，通過糖化處理后獲得葡萄糖，再在發酵條件下聯合葡萄糖與菌種，發硬后生成具有高純度特點的乳酸，最后經過化學合成完成聚乳酸的制作，由于其原料本身來自自然界，使用過程中也可以被自然界中的微生物完全降解，最終以水、二氧化碳的形式消失；處理時可以直接將其埋在土壤中，由植物直接吸收二氧化碳。因此，聚乳酸對環境無任何影響，是臨床大力倡導使用的環境友好型材料[5]。

3.6 聚丙烯腈

聚丙烯腈是以腈綸為主要材料制成的一種高分子化合物，其本身屬于合成纖維材料，在人工血管、臨床超濾裝置、人工腎臟制造中均有所應用。加工制備過程中在高溫條件下經碳化后產生碳纖維，從而可以制造加強版的人體組織，如牙槽骨、人工軟骨等。同時，也可以將聚丙烯腈應用在腦動脈瘤加固保護劑制作中[6]。

3.7 四臂多功能嵌段聚合物

目前，國外在利用可控聚合方法制備生物醫用高分子材料過程中，成功研制出可作為非病毒轉基因載體的四臂多功能嵌段聚合物，在加工制備期間選擇聚環氧乙烷作為大分子的自由基引發劑，在引發劑的作用下可以使大分子與活性陰離子之間發生聚合反應，從而生成三嵌段共聚物，在此基礎上又形成高分子膠束，高分子膠束是一種具有較高生物學應用價值、性質在納米離子與微凝膠間的一種物質。在該項研究基礎上，制備生物醫用高分子材料過程中，可以根據需要對嵌段共聚物進行調整，從而改善聚合物的性能，使其應用于不同的醫療場景。例如，前端共聚物選擇聚異丁烯時，聚合物兩端極性被改變，可作用藥用高分子材料，在藥物進入人體后對緩釋情況做出調整；同時，國內的研究中也利用異丙基丙烯酰胺聯合丙烯酸叔丁酯制作嵌段共聚物，研究在異丙醇混合溶劑基礎上展開，發現物質對溫度、pH 值均具有敏感性。因此，四臂多功能嵌段聚合物可以應用于藥物控制中[7]。

4 結語

生物高分子材料在醫療領域中發揮著重要作用，在全世界的共同努力下開發出越來越多可以醫用的高分子材料，提升了診療效果。因此，在不斷開發過程中還要關注材料的推廣，將更多性能佳、成本低、方便制取的高分子材料推廣到醫療領域，開發新的應用場景，使高分子材料在保障人類健康、推動醫療事業發展上發揮更大的價值。