生物医用高分子材料

生物医用高分子材料生物医用高分子材料080804106黄涛摘要:：阐述了生物医用高分子材料的应用研究与发展状况,综述了生物医用高分子材料的分类、特性及研究成果，展望了未来的生物医用高分子材料的发展趋势。关键词：生物医用高分子材料分类进展综述发展趋势1概述在功能高分子材料领域，生物医用高分子材料可谓异军突起，目前已成为发展最快的一个重要分支。生物医用高分子材料指用于生理系统疾病的诊断、治疗、修复或替换生物体组织或器官，增进或恢复其功能的高分子材料。研究领域涉及材料学、化学、医学、生命科学。虽已有四十多年的研究历史，但蓬勃发展始于20世纪70年代。简单地说，所谓生物医用高分子材料(Poly-mericbio-materials)是指在生理环境中使用的高分子材料，它们中有的可以全部植入体内，有的也可以部分植入体内而部分暴露在体外，或置于体外而通过某种方式作用于体内组织。近十年来，由于生物医学工程、材料科学和生物技术的发展，医用高分子材料及其制品正以其特有的生物相容性、无毒性等优异性能而获得越来越多的医学临床应用。2生物医用高分子材料分类生物医用高分子材料主要有天然生物材料和合成高分子材料。2.1天然生物材料天然生物材料是指从自然现有的动、植物体中提取的天然活性高分子,如从各种甲壳类、昆虫类动物体中提取的甲壳质壳聚糖纤维,从海藻植物中提取的海藻酸盐,从桑蚕体内分泌的蚕丝经再生制得的丝素纤维与丝素膜,以及由牛屈肌腱重新组构而成的骨胶原纤维等。这些纤维都具有很高的生物功能和很好的生物适应性,在保护伤口、加速创面愈合方面具有强大的优势,已引起国内外医务界广泛的关注。甲壳质主要存在于甲壳类、昆虫类的外壳和霉菌类细胞壁中,是甲壳素和壳聚糖的统称(壳聚糖是甲索壳脱酰后的产物),兼有高等动物中的胶原质和高等植物中纤维素两者的生物功能,不溶于水、稀酸、稀碱及一般有机溶剂,可溶于浓无机酸和一些特殊的有机溶剂,其化学结构为N2乙酰基2D2葡胺糖通过β2(1,4)甙键联结的直链状多糖。目前,甲壳质壳聚糖纤维已有成熟的制备工艺。由于甲壳素具有极强的生物活性及生物亲和性,脱酰后的甲壳质(即壳聚糖)具有相容性、粘合性、降解性及良好的成纤、成膜能力,已被广泛地应用于医药、纺织、化工、食品、生物技术等众多领域。据日本、美国的多项专利介绍,由壳聚糖纤维制得的手术缝合线既能满足手术操作时对强度和柔软性的要求,同时还具有消炎止痛、促进伤口愈合、能被人体吸收的功效,是最为理想的手术缝合线;壳聚糖纤维制造的人造皮肤,通过血清蛋白质对甲壳素微细纤维进行处理,可提高对创面浸出的血清蛋白质的吸附性,有利于创口愈合,在各类人造皮肤中其综合疗效最佳。丝素纤维和丝素膜是近几年在世界范围发展非常快、并得到迅速推广应用的一类天然生物材料。由家蚕丝脱胶后可得到纯丝素蛋白成分,丝素蛋白是一种优质的生物医学材料,具有无毒、无刺激性、良好的好的血液相容性和组织相容性。据研究报道,已用于酶固定化、细胞培养、创面覆盖材料和人工皮肤以及药物缓释材料等医学各领域,尤其各种再生丝素膜在人工皮肤、烧伤感染创面上的应用显示了独特的优势,临床应用价值显著,前景广阔。2.2合成高分子材料合成高分子材料因与人体器官组织的天然高分子有着极其相似的化学结构和物理性能,因而可以植入人体,部分或全部取代有关器官。因此,在现代医学领域得到了最为广泛的应用,成为现代医学的重要支柱材料。与天然生物材料相比,合成高分子材料具有优异的生物相容性,不会因与体液接触而产生排斥和致癌作用,在人体环境中的老化不明显。通过选用不同成分聚合物和添加剂,改变表面活性状态等方法可进一步改善其抗血栓性和耐久性,从而获得高度可靠和适当有机物功能响应的生物合成高分子材料。目前,使用于人体植入产品的高分子合成材料包括聚酰胺、环氧树脂、聚乙烯、聚乙烯醇、聚乳酸、聚甲醛、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚醋酸乙烯酯、硅橡胶和硅凝胶等。应用场合涉及组织粘合、手术缝线、眼科材料(人工玻璃体、人工角膜和人工晶状体等)、软组织植入物(人工心脏、人工肾、人工肝等)和人工管形器(人工器官、食道)等。随着环保概念的提出,环保意识的增强,人们对生态可降解一词已不再陌生,材料的生态可降解性能要求逐渐被提上日程,生态可降解高分子材料的开发和应用也随之日益受到政府、企业和科研机构的重视。目前为止,开发的具有生态可降解性的高分子材料主要以国外产品为主,国内这方面还远远不能满足需要,尚处于国外产品的复制和仿制阶段。聚乳酸类高分子是目前已开发应用于生命科学新增长点———组织工程的生物可降解材料。一般以组织工程为应用目的的生物材料应符合1)表面能使细胞黏附并生长;2)植入体内后,高分子材料及其降解产物不会引起炎症及毒副作用;3)材料能加工成三维结构;4)为了保证细胞2高分子反应能大面积进行,并提供细胞外再生的足够空间,且在体外人工培养时有最小的扩散,材料孔隙率不得降低于90%;5)在完成组织再生后,高分子能立即被机体吸收;6)高分子支架的降解速率应控制在与不同组织细胞再生速度相匹配。对聚乳酸高分子材料进行的研究,在力求符合上述要求时已形成了多种品种,如未经编织的单纤维合成材料,经编织的网状合成材料,具有包囊的多孔海绵状材料等。尽管如此,目前应用的生物可降解材料在生物相容性、理化性能、降解速率的控制及缓释性等方面仍存在诸多未解决的问题,有待进一步研究。3生物医用高分子材料特性人们常用的医用高分子材料有:有机硅聚合物、有机玻璃、尼龙、聚酯、聚四氟乙烯等。医用高分子材料必须具备高纯度、化学惰性、稳定性和耐生物老化等优点。对于非永久植入体内的材料,要求在一定时间内能被生物降解,降解产物对身体无毒害,容易排出;而对于永久性植入体内的材料,要求能耐长时间的生物老化,如能经受血液、体液和各种酶的作用,还必须无毒、无致癌、无致炎、无排异反应、无凝血现象,还要有相应的生物力学性能、良好的加工成型性和一定的耐热性,便于消毒等等。1960年以前,人们都是根据要求,在已有现成的高分子材料中筛选合适的材料加以利用,但在实用中发现凝血现象和炎症反应等诸多问题难以解决,由此人们意识到必须在一开始就要根据医学应用的客观需要,特别是生物相容性等,设计医用高分子材料,才能安全可靠。因此,要求医用高分子材料及其降解产物必须具有良好的生物相容性。材料的生物相容性主要包括组织相容性和血液相容性。医用高分子材料需长期与人体体表、血液、体液接触，有的甚至要求永久性植入体内。因此,这类材料必须具有优良的生物体替代性(力学性能、功能性)和生物相容性。一般要满足下列基本条件：(1)在化学上是不活泼的，不会因与体液或血液接触而发生变化；(2)对周围组织不会引起炎症反应；(3)不会产生遗传毒性和致癌；(4)不会产生免疫毒性；(5)长期植入体内也应保持所需的拉伸强度和弹性等物理机械性能；(6)具有良好的血液相容性；(7)能经受必要的灭菌过程而不变形；(8)易于加工成所需要的、复杂的形态。3国内外研究进展近年来,美国、欧洲和日本对生物医用高分子材料的研究与开发突飞猛进,从人工器官到高效缓释高分子药物都取得了很多成果和巨大效益。据美国健康工业制造者协会资料报告,1995年世界市场达1200亿美元,美国为510亿美元,预计在21世纪将成为国民经济的支柱产业。目前,除人脑外的大部分人体器官都可用高分子材料来制作,有保健作用的功能高分子也在开发之中。目前植入的人工器官市场已达30亿美元/a,人工心脏导管市场的年增长率为10%,1999年达到6亿美元。预计药物释放系统的营业额将从1993年的50亿美元增长到2000年的70亿美元。目前,生物材料制品的总产值已达40亿美元,其中生物高分子及制品的产值为25亿美元。据统计:截至1990年,美国、日本和西欧等国发表的有关医用高分子的学术论文和专利已超过3万篇。我国生物医学高分子研究起步较晚。自20世纪70年代末起,北京大学和南开大学从事这一领域的研究。“九五”期间由何炳林与卓仁禧主持的国家自然科学基金重大项目组织大批科研力量进行研究,在此领域取得了显著成绩。1998年“生物医学高分子”项目获教育部科技进步一等奖。例如,冯新德等设计合成的链段化聚醚氨酯以及由铈离子引发的接枝聚合物,具有良好的抗凝血性能;通过丙交酯与己内酯的开环共聚合反应制备了恒速降解的生物降解高分子,可用作药物缓释材料。何炳林等根据分子识别原理设计合成的血液净化材料不仅可通过血液灌流清除肝衰竭、肾衰竭、自免疫疾病患者体内积蓄的内源性物质,而且还可以救治安眠药等药物中毒患者,已在临床试用千余例;在医用固定化酶和高分子修饰酶研究中,发展了若干有效的反应方法,使生物高分子保持高活性的前提下达到较高的固载量。卓仁禧等不仅设计合成了大量的始于药物控释的生物降解聚磷酸酯,而且发展了以42二甲氨基吡啶催化磷酸酯的缩聚反应制备高分子量聚磷酸酯和用脂肪酶催化含磷杂环化合物的开环聚合方法,并研究发现聚磷酸酯的免疫活性。林思聪等提出设计抗凝血材料的表面结构的“维持正常构象”假说,并发展了聚氨酯、聚硅氧烷、聚烯烃的表面接枝反应,合成了多种表面抗凝血性能良好的新材料。这些研究成果不仅在国际上产生了重要影响,而且对于我国生物医用高分子领域的发展奠定了基础。如1988年在昆明召开了国际高分子生物材料讨论会,它是继在日本召开的BiomaterialCongress的Post—symposium。此外,在天津、桂林、武汉、昆明也召开过多次国际生物医学高分子讨论会。目前,国内主要有十几个高校和研究机构从事生物医用高分子研究,研究队伍不断扩大,研究方向几乎包括生物医用高分子的各个方面。