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1、生物医用高分子材料摘 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-meric bio - mat
2、erials) 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。一、 生物医用高分子材料分类按照材料的组成和性质，生物医用材料可分为医用金属材料、医用陶瓷材料和医用高分子材料3大类（以及3者组合而成的复合材料）。3类材料均有广阔市场，其中，高分子材料的物理化学性能与金属、陶瓷等材料相比，与人体组织更加匹配（骨密质等除外）， 并且改性和成型加工也相对较容易，因
3、此其适用面最广，在未来医学的高、精、尖领域有极大潜力。制备医用高分子材料的来源广泛，大致可以分为天然高分子材料、合成高分子材料两类。目前已开发并投入使用的医用高分子材料的原材料分类列于表1。表1医用高分子材料的原材料分类二、 医用高分子材料的特点及基本条件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)
4、 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。下面，本文将对生物医用高分子材料的一些主要类型及用途进行概述。三、 医用高分子材料的主要类别和用途（1） 与血液接触的高分子材料与血液接触的高分子材料是指用来制造人工血管、人工心脏瓣膜、人工心脏血囊、人工肺等的医用材料 ,要求这种材料要有良好的抗凝血性、抗细菌粘附性 ,并且具有与人体血管相似的弹性和延展性 ,以及良好的耐疲劳性等。为提高人造器官的血液相容性，现阶段的研究重点是对现有生物材料的表面进行改性和修饰，方法有：接枝亲水性长
5、侧链；引入生物活性物质抑制血液与外源材料的相互作用；使材料具有微相分离结构以及在聚合物表面种植内皮细胞等。（2） 组织工程用高分子材料组织工程学是近十年来新兴的一门交叉学科,它是应用工程学和生命科学的原理和方法来了解正常和病理的哺乳类组织的结构 - 功能关系 , 以及研制生物代用品以恢复、维持或改善其功能的一门科学。细胞大规模培养技术的日臻成熟和生物相容性材料的开发与研究 , 使得创造由活细胞和生物相容性材料组成的人造生物组织或器官成为可能。生物相容性材料的开发是组织工程核心技术之一。作为这种材料使用的聚合物主要有聚乳酸 ( PLA) 、聚羟基乙酸 ( PGA) 及其共聚物 ( PL GA)
6、等。（3） 药用高分子材料与低分子药物相比, 药用高分子具有低毒、高效 、缓释、长效、可定点释放等优点。作为药用高分子必须具备下列条件：1) 本身及其分解产物应无毒 , 不会引起炎症和组织变异反应 , 无致癌性; 2) 进入血液系统的药物不会引起血栓; 3) 具有水溶性 , 能在体内水解为具有药理活性的基团;4) 能有效到达病灶处 , 并积累一定浓度; 5) 口服药剂的高分子残基能通过排泄系统排出体外; 对于导入方式进入循环系统的药物 , 聚合物主链必须易降解 , 使之有可能排出体外或被人体吸收。（4） 医药包装用高分子材料包装药物的高分子材料可分为软、硬两种类型。硬性材料（如：聚醋等）的特点
7、是强度高、透明性好 、尺寸稳定、气密性好 ,可替代玻璃容器和金属容器 。软性材料（如：聚乙烯、聚丙烯等）可加工成复合薄膜。（5） 眼科用高分子材料这类材料的基本要求是：具有优良的光学性质，折光率与角膜相接近；良好的润湿性和透氧性；生物惰性，即耐降解且不与接触面发生化学反应；有一定的力学强度，易于精加工及抗污渍沉淀等。主要制品有隐形眼镜、人工角膜、人工晶状体等。（6） 医用粘合剂与缝合线生物医用粘合剂是指将组织粘合起来的组织粘合剂，它们除了应具备一般软组织植入物所应有的条件外，还应满足下列要求： 在活体能承受的条件下固化，使组织粘合； 能迅速聚合而没有过量的热和毒副产物产生; 在创伤愈合时粘合剂
8、可被吸收而不干扰正常的愈合过程。医用粘合剂可粘合各种组织 , 例如可进行牙齿粘合, 血管、组织、肌肉粘合 , 脑动脉瘤表面补强、防止破裂粘合 , 及骨粘合等。常用的粘合剂有- 氰基丙烯酸烷基酯类 , 甲基丙烯酸甲酯 - 苯乙烯共聚物及亚甲基丙二酸甲基烯丙基酯等。手术用缝合线可分为非吸收型和可吸收型两大类。非吸收类包括天然纤维 (如蚕丝、木棉、麻及马毛等) 和合成纤维 (如 PET、PA、PP、PE 单丝、PTFE及 PU 等) 。可吸收类包括天然高分子材料 (如羊肠线、骨胶原、纤维蛋白等) 和合成高分子材料 (如聚乙烯醇、聚羟乙基丁酸酯、聚乳酸、聚氨基酸及聚羟基乙酸等) 。其中 , 由聚乳酸和
9、聚羟基乙酸或两者的共聚物制成的缝合线因性能优越而倍受关注。这种缝合线强度可靠 , 对创口缝合能力强 , 又可生物降解而被肌体吸收 , 是一种理想的医用缝合线。（7） 医疗器件用高分子材料高分子材料制的医疗器件有一次性医疗用品(注射器、输液器、检查器具、护理用具、麻醉及手术室用具等) 、血袋、尿袋及矫形材料等。一次性医疗用品多采用常见高分子材料如聚丙烯和聚 4- 甲基 - 1 - 戊烯制造。血袋一般由软 PVC 或LDPE制成。由 PU 制的绷带固化速度快, 质轻层薄, 不易使皮肤发炎, 可取代传统的固定材料 石膏用于骨折固定。硅橡胶、聚酯、聚四氟乙烯、聚酸酐及聚乙烯醇等都是性能良好的矫形材料,
10、 已广泛用于假肢制造及整形外科等领域。表2列出了通用一次性高分子医疗用具的种类和材料：表2通用一次性高分子医疗用具的种类和材料四、 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 %
11、 ,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
12、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
13、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Biomaterial Congress 的 Postsymposium。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
14、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。展望未来，生物医用高分子材料今后的发展趋势将主要体现在以下几个方面：(1) 医用可生物降解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) 复制具有人体各部天然组织的物理力学性质和生物学性质的生物医用材料 , 达到高分子的生物功能化和生物智能化, 是医用高分子材料发展的重要方向。生物高分子的研究从以人工合成为主转向生物材料的“软合成”和“自组装” 。此外 , 用生物技术合成高分子的反应条件更温和、产物的生物降解性能更
15、好 , 因而具有诱人的前景。(3) 人工代用器官在材料本体及表面结构的有序化、复合化方面将取得长足进步 , 以达到与生物体相似的结构和功能 , 其生物相容性将大大提高。(4) 药用高分子及医药包装用高分子材料的应用将继续扩大。五、 结束语21 世纪是生物技术时代，克隆技术的突破性进展已给人类带来了无限的想象空间。用储存容量提高 10 亿倍的生物计算机模拟人脑将成为可能 ,智能机器人将在广泛的领域发挥作用。此外 ,人工脏器将更多地挽救临危病人 ,高分子长效缓释药物将给人类的健康带来福音。由于一切生命物质的基本单元都是有机分子 ,而人体就是由多种功能高分子复杂组装起来的有机结合体 ,因此 ,从分子设计理论的角度来看 ,由人工合成各种功能的生物医用高分子都是可能的，功能高分子具有向一切领域纵深发展的美妙前景。参考文献1 谭英杰,梁玉蓉.生物医用高分子材料J.山西化工,2005,25(4):1719.2 汤顺清,周长忍,邹翰.生物材料的发展现状与展望J .暨南大学学报(自然科版) ,2000,21 (5) :122125.3 温变英.生物医用高分子材料及其应用J .化工新型材料,2001,29（9）:4144.4 韩建军,彭仁会,郁建生.21 世纪的功能高分子材料J. 铜仁职业技术学院学报(自然科学版)2008,6(2):5961.5 王正伟,刘吉平,王君
