论文
(理工类)
课程名称:____ 功能高分子材料概论_ ___ 论文题目:__ 生物医用高分子材料的现状、研究进展 学 院: 先进材料与能源中心 ______ 学生姓名:_ 陈____俊 _______ 学
号: 212013080501003 ______ 完成时间: 2013 年 12月15日___ ________
摘要：了解生物医用功能高分子材料近年来的现状、发展方向及应用研究，综述国内外生物医用高分子材料的分类、特性及研究成果，展望对未来的生物医用高分子材料的发展趋势，通过介绍医用高分子材料在人工脏器、药剂及医疗器械方面的应用，以及我国近年来的研究情况和存在的问题,形成对生物医用功能高分子的认识和其重要性的认识。
关键词：功能高分子材料；生物医用高分子材料
1 生物医用高分子材料的现状
生物医用高分子材料(Poly-meric biomaterials)是指在生理环境中使用的高分子材料[1],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。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[2]。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[3]。生物医用高分子材料需要满足的基本条件: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; 对周围组织不会引起炎症反应;不会产生遗传毒性和致癌;不会产生免疫毒性;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;具有良好的血液相容性;能经受必要的灭菌过程而不变形;易于加工成所需要的、复杂的形态[4]。
2 医用高分子材料的特殊要求
医用高分子材料是要用在人身上的, 必须对人体组织无害, 所以对其要求十分严格, 总体上可以概括为以下四个方面: 1) 生物功能性: 因各种生物材料的用途而异,如: 作为缓释药物时, 药物的缓释性能就是其生物功能性。
2) 生物相容性: 可概括为材料和活体之间的相互关系, 主要包括血液相容性和组织相容性。组织相容性主要指无毒性, 无致癌性, 无热原反应, 无免疫排斥反应, 不破坏邻近组织等。血液相容性一般指不引起凝血, 不破坏红细胞, 不破坏血小板, 不改变血中蛋白, 不扰乱电解质平衡。
3) 化学稳定性: 耐生物老化性或可生物降解性。对于长期植入的医用高分子材
料, 生物稳定性要好; 对于暂时植入的医用高分子材料, 则要求在确定时间内降解为无毒的单体或片段.通过吸收、代谢过程排出体外。
4) 生产加工性：首先, 严格控制用于合成医用高分子材料的原料纯度, 不能带入有害物质, 重金属含量不能超标；其次, 材料加工助剂必须符合医用标准；第三, 对于体内应用的高分子材料, 生产环境应当具有符合标准的洁净级别；第四, 便于消毒灭菌( 紫外灭菌、高压煮沸、环氧乙烷气体消毒和酒精消毒等) 。正因为对于医用高分子材料的要求严格, 相关的研发周期一般较长, 需要经过体外实验、动物实验、临床实验等不同阶段的试验, 材料市场化需要经国家药品和医疗器械检验部门的批准, 且报批程序复杂, 费用高。这也是生物材料的市场价格居高不下的一个重要原因。
3 生物医用高分子材料的种类
生物医用高分子材料按性质可分为非降解和可生物降解两大类。非生物降解的生物医用高分子包括：聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸酯、芳香聚酯、聚硅氧烷、聚甲醛等，其在生理环境中能长期保持稳定，不发生降解、交联或物理磨损等，并具有良好的力学性能。可生物降解的生物医用高分子材料则包括胶原、脂肪族聚酯、聚氨基酸、聚己内酯等，这些材料能在生理环境中发生结构性破坏，且降解产物能通过正常的新陈代谢被基体吸收或排出体外。非降解和可生物降解生物医用高分子材料在生物医学领域各具有自己独特的发展地位，然而，随着生物医学和材料科学的发展，人们对生物医用高分子材料提出了更高的要求，可生物降解生物医用高分子材料越来越得到人们的亲睐。因此，在这里主要讨论可生物降解医用高分子材料的种类。
根据来源来划分，可生物降解医用高分子材料可分为天然可生物降解和合成可生物降解两大类。
4 生物医用高分子材料的应用
根据不同的角度、目的甚至习惯，医用高分子材料应用有不同的分类方法，尚无统一标准。主要在人造器官、人造组织、以及其它的一些高分子药剂等。 4.1人造器官
（1）人工肾：四十年前荷兰医生用赛璐洛玻璃纸作为透析膜, 成功地滤除了患者血液中的毒素。目前人工肾以中空丝型最为先进, 其材质有醋酸纤维, 赛
璐洛和聚乙烯醇。其中以赛璐路居多, 占98%, 它是一种亲水性的、气体和水都能通过的材料, 同时要求有很好的选择过滤性, 病人的血液从人工肾里流过由它们所构成的中空丝膜, 就可将尿素、尿酸,Ca2+等物质通过, 并留在人工肾里继而排出, 而人体所需的营养、蛋白质却被挡住,留在血液里返回人体, 从而对血液起到过滤作用, 目前中空纤维膜已在西德的恩卡公司、日本旭化成和夕沙毛公司研究成功, 并用于工业化生产。（2）人工肺：人工肺并不是对于人体肺的完全替代，而是体外执行血液氧交换功能的一种装置，目前以膜式人工肺最为适合生理要求,它是以疏水性硅橡胶, 聚四氟乙烯等高分子材料制成。(3)人工心脏：1982年美国犹他大学医疗中心, 成功地为61岁的牙科医生克拉克换上了Jarvak一7型人工心脏, 打破了人造心脏持久的世界纪录, 美国人工心脏专家考尔夫博士指出闭,人工心脏研制成功与否取决于找到合适的弹性体, 作为人工心脏主体心泵的高分子材料,现在所用的材料主要为硅橡胶。（4）其它，如人工心脏瓣膜、心脏起搏器电极的高分子包覆层、人工血管、人工喉、人工气管、人工食管、人工膀胱等。 4.2人造组织
指用于口腔科、五官科、骨科、创伤外科和整型外科等的材料，包括：(1)牙科材料：主要采用聚甲基丙烯酸甲酯系、聚砜和硅橡胶等，如蛀牙填补用树脂、假牙和人工牙根、人工齿冠材料和硅橡胶牙托软衬垫等；(2)眼科材料：这类材料特别要求具有优良的光学性质、良好的润湿性和透氧性、生物惰性和一定的力学性能，主要制品有人工角膜(PTFE、PMMA)、人工晶状体(硅油、透明质酸水溶液)、人工玻璃体、人工眼球、人工视网膜、人工泪道、隐型眼镜(PMMA、PHEMA、PVA)等；；(3)骨科材料：人工关节、人工骨、接骨材料(如骨钉)等，原材料主要有高密度聚乙烯、高模量的芳香族聚酰胺、聚乳酸、碳纤维及其复合材料；(4)肌肉与韧带材料：人工肌肉、人工韧带等，原材料有PET、PP、PTFE、碳纤维等；(5)皮肤科材料：人工皮肤，含层压型人工皮肤、甲壳素人工皮肤、胶原质人工皮肤、组织膨胀器。 4.3药用高分子
(1)高分子缓释药物载体：药物的缓释是近年来人们研究的热点。目前的部分药物尤其是抗癌药物和抗心血管病类药物(如强心苷)具有极高的生物毒性而
较少有生物选择性，通常利用生物吸收性材料作为药物载体，将药物活性分子投施到人体内以扩散、渗透等方式实现缓慢释放。通过对药物医疗剂量的有效控制，能够降低药物的毒副作用，减少抗药性，提高药物的靶向输送，减少给药次数，减轻患者的痛苦，并且节省财力、人力、物力。目前存在时间控制缓释体系(如“新康泰克”等，理想情形为零级释放)、部位控制缓释体系(脉冲释放方式)。近年来研究较多的是利用聚合物的相变温度依赖性(如智能型凝胶)，在病人发烧时按需释放药物，还有利用敏感性化学物质引致聚合物相变或构象改变来释放药物的物质响应型释放体系。(2)高分子药物(带有高分子链的药物和具有药理活性的高分子)：如抗癌高分子药物(非靶向、靶向)、用于心血管疾病的高分子药物(治疗动脉硬化、抗血栓、凝血)、抗菌和抗病毒高分子药物(抗菌、抗病毒、抗支原体感染)、抗辐射高分子药物、高分子止血剂等。将低分子药物与高分子链结合的方法有吸附、共聚、嵌段和接枝等。第一个实现高分子化的药物是青霉素(1 962年)，所用载体为聚乙烯胺，以后又有许多的抗生素、心血管药和酶抑制剂等实现了高分子化。天然药理活性高分子有激素、肝素、葡萄糖、酶制剂等。
5 生物医用高分子材料的发展方向
（1）可生物降解医用高分子材料因其具有良好的生物降解性和生物相容性而受到高度重视, 无论是作为缓释药物还是作为促进组织生长的骨架材料, 都将得到巨大的发展。
（2）1906 年En rililich 首次提出药物选择性地分布于病变部位以降低其对正常组织的毒副作用, 使病变组织的药物浓度增大, 从而提高药物利用率这一靶向给药的概念。此后一个世纪以来, 靶向药物的载体材料一直吸引了医药工作者的兴趣。其中高分子纳米粒子以其特有的优点是近年来国内外一个极为重要的研究热点。
（3）任何一种材料都是通过其表面与环境介质相接触的, 因此材料的开发与应用必然涉及其表面问题的研究。一般高分子材料的表面对外界响应性较弱, 但有些高分子表面的结构形态会因外界条件(如pH、温度、应力、光及电场等) 的改变在极短时间内发生相应的变化, 从而造成表面性质的改变, 此乃智能高分子表面。因此设计这类智能表面将是生物医用高分子材料发展的一个重要方面。
（4）随着科学的发展,由高分子材料制成的人工脏器正在从体外使用型向内
植型发展,为满足医用功能性、生物相容性的要求,把酶和生物细胞固定在合成高分子材料上,从而制成各种脏器，将使生物医用高分子材料发展前景越来越广阔。
（5）通常,在组织工程的应用中,高分子材料支架要负载上生长因子,以促进组织在生物体内的再生,另一方面,把特殊的粘附因子,如粘连蛋白结合到支架上,可使聚合物表面能够促进对某种细胞的粘附,而排斥其它种类的细胞,即支架对细胞进行有选择的粘附。为了使生长因子和粘附因子能够结合到可降解高分子材料上,就需要对材料进行表面改性,而有时表面改性很困难, 因此，可利用与天然聚合物杂化的方法来达到上述目的, 同时由于这些材料有良好的机械性能,又可以弥补天然聚合物强度不高、稳定性差的缺点。可见，生物杂化材料在这方面的表现是相当突出的, 必将成为医用生物高分子材料发展的一个主要趋势。
6.生物医用高分子材料的研究进展
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1 200 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[5]、肾衰竭、自免疫疾病患者体内积蓄的内源性物质[6] , 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[7] 。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4-二甲氨基吡啶催化磷酸酯的缩聚反应制备高分量聚磷酸酯[8] 和用脂肪酶催化含磷杂环化合物的开环聚合方法[9] , 并研究发现聚磷酸酯的免疫活性[10] 。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[11] 。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Biomaterial Congre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。
参考文献
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