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1、浅析医用高分子材料产品的成型加工及发展现状来源:硕士毕业论文- 一、医用高分子材料种类塑料作为一种十分重要的材料，在医疗卫生领域得到了广泛应用。它既可制成一次性医疗器械如点滴瓶、注射器等，又能用于非一次性医疗设备如计量器、外科仪器等，医用塑料领域是目前塑料工业最有发展潜力的市场之一。根据实际应用，医用塑料材料大致分为制作人工脏器、修复人体缺陷和制作医疗器械三大类。(1)植入体内，永久性替代使用的人工脏器或部位的塑料材料。例如人工血管、人工心脏瓣膜、人工食道、人工气管、人工胆管、人工尿道等。此外，在手术过程中，用于体外暂时替代使用的人工脏器有人工肾脏、人工心脏、人工肺、人工肝脏等。(2)修复人体
2、某部分缺陷的人工材料。例如人工皮肤、人工骨、人工关节、人工耳朵、人工鼻、假肢、角膜接触眼镜等。(3)用作医疗器械的塑料材料。例如医用容器有输液瓶、输液袋、输血袋、腹膜透析液袋、血袋等；一次性医疗用品有注射器、输液器、输血器、静脉导液管、各种插管、血液导管、检验用具、病人用具、手术室用具、诊疗用具和绷带等。不同种类的塑料在医用塑料市场上的消费比例是不同的。聚氯乙烯(PVC)和聚乙烯(PE)用量最大，各占28%和24%；聚苯乙烯(PS)占18%；聚丙烯(PP)占16%；工程塑料占14%。在工程塑料中，聚对苯二甲酸乙二酯(PET)占23%，ABS/苯乙烯丙烯晴共聚物(SAN)占16%；聚碳酸酯(PC
3、)占12%；聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)占10%，其它医用工程塑料有尼龙(PA)、聚甲醛(POM)、聚氨酯(PUR)、有机硅、氟聚合物、纤维素塑料、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）等1。二、医用高分子材料特点同普通高分子材料相比，医用高分子材料在单体及其聚合物的残留、锌、铅、镉、铜、钡、锡等金属离子的残留及树脂纯度、分子量分布等都有较高要求。但是在塑料类医疗器械的制备和产业化过程中，决定医疗器械质量和水平的不仅仅是医用塑料本身的性能。实际上在塑料类医疗器械的制备中，加工工艺和技术装备条件在塑料类医疗器械的质量和水平中起着决定性的作用。医用高分子材料的特点如下：(1)优良的热稳定性、化学稳定性及可杀菌消
4、毒；(2)优良的生物体替代性和生物体相容性，不会引起炎症和过敏，不会致癌，具有抗血栓性；(3)长期埋植在体内，不会丧失拉伸强度和弹性模量等物理力学性能；(4)易于加工成所需要的复杂的形状2,3。三、中国医用塑料及器械产业随着全球人口数量的持续增长，特别是老龄化人口以及患有慢性病的人数的增加，促进了医疗服务市场的持续增长，特殊医疗器械得到广泛需求。由于高分子材料的优异特性而且能够降低成本，目前，医疗用品及器械从大型诊断仪器、一次性医疗用品以至精细的人造器官均离不开高分子材料，高分子材料已逐渐成为医疗用品及器械的重要原材料之一4,5,6,7,8。中国医用塑料及器械产业从上世纪末到现在的十余年间取得
5、了不同凡响的长足发展，应用领域也从药品、药剂包装和点滴瓶等一次性物品，延伸到了外科仪器等非一次性设备。但是由于起步较晚，我国医疗器械的生产水平仍然处于十分落后的局面，其主要原因倒不是材料问题，加工工艺和技术装备才是目前制约我国医疗器械水平的症结。与美国人均三百多美元年消费水平比较，中国的年人均消费额只有三十多元人民币，差距还是相当大的。目前我国医用塑料制品的产值仅占世界医用塑料制品产值的23%，人均消耗量也不到发达国家的5%。国内企业大都不掌握核心信息，中高档的市场仍然被国外公司占领。为了提高我国医疗器械产品的技术水平，推动医疗器械产业的发展，20 世纪90 年代开始国家对介入医学和介入导管工
6、业给予了前所未有的重视。科技部将医疗器械关键技术研究及重大产品开发列入国家九五重大攻关项目和十五国家科技攻关计划重点项目，国家计委将医用导管及附件的产业化列为高技术产业化示范项目，国家经贸委也三次立项支持介入医疗器械产业化项目。由此可见医疗器械加工技术的重要性和紧迫性9,10。四、医用高分子材料加工特点制备医疗器械的车间必须是全封闭式，并安装大功率空调换气机以及时排除有害气体，保证车间恒温及空气清洁，产品生产过程中，严禁使用脱模剂与除锈剂，确保产品不受到污染。目前我国已经出台相关标准对医疗器械的生产环境进行规定，如要求实施GMP 规范和医疗ISO 质量管理体系，确保生产流程各点不出现问题11。
7、医用高分子材料产品一般生产工艺流程。五、医用高分子材料产品加工技术5.1.专用设备与加工技术微注射、高速高精密注射、注拉吹成型、拉吹成型、挤吹成型、精密挤出、多层共挤吹塑、多层共挤流延、热压成型5.1.1 医用导管高速精密挤出精密医用导管所示，主要特征是：尺寸微小(0.5 毫米至数毫米)、形状复杂、几何精度要求高、卫生指标高、生化稳定性高等。精密医用导管的管材部分采用挤出成型方法进行生产，配件主要采用注射成型方法进行生产。其中管材部分的生产工艺流程。是一种微细介入导管机头的双管挤出式结构，当物料进入人字形机头体后，在分流锥的作用下逐渐分成两股，分别进入单管流道并独立成型，一次可连续成型两根导管
8、。图5所示一种共挤出机头结构，采用共挤出技术制造的多层管具有单层管所没有的物理性质。共挤出成形管的内壁或外壁通常具有一层或多层厚度为0.002 至0.005 英寸的涂层薄皮。薄皮能与较厚的(0.005 至0.100 英寸)主要内层或中间过渡层组合在一起。外皮能够避免功能层材料的损伤，或防止管件的内置物与使用者和/或其他内置物相互接触。挤出成型是指将塑料熔化后泵送入加热的模具，使其冷却成形的过程。共挤出也是同样的过程，只是采用了多台挤压机泵送多种材料来制造产品。共挤出技术在当今医疗设备市场上的用途极为广泛。特别值得一提的是，制造商可以通过不同材料的组合来改善产品的性能，这些改变包括更好的化学耐受
9、性、机械性能、视觉美感，以及成本的降低。由于所用材料存在差异，管件可能具有完全不同的物理性质。例如，PVC 管可软可硬，可透明或不透明，其耐久性适用于大多数医疗领域；聚乙烯管的硬度和化学耐受性更强，却是半透明物质；聚碳酸脂管的透明度高，耐高温，却非常坚硬。如果用某种材料制成的管件缺少某种物理性质，通过共挤出技术就可以为其增加这种性质。图5 是一种共挤出成型机头，图6 显示的是一层很薄的高硬度热塑橡胶被压进低硬度热塑橡胶的内部。该组合提供了一个相对较硬的内表面，便于电缆的插入，而管件仍然保持其基本的物理柔韧性。5.1.2 中空成型（挤吹，注吹，注拉吹）中空吹塑成型的一般原理为将压缩空气鼓入熔融的
10、型坯，使之横向吹胀，紧贴于模具型腔表面，经过冷却成为中空制品，根据型坯制造方法不同，可分为注射吹塑、挤出吹塑、注射拉伸吹塑、挤出拉伸吹塑和多层吹塑等。见图7 和图8 的注射吹塑和挤出吹塑的工艺过程。5.1.3 医用多层薄膜生产德国Dr. Collin 公司医用多层薄膜生产线，能够生产大输液袋及其二次包装材料，在大输液袋及其二次包装领域，PE、PP、PA 和其它适用材料已渐渐取代PVC。但是，单层聚烯烃薄膜在性能上并不能完全取代PVC，因此需要3、5 甚至7 层的多层共挤系统才能解决此特殊问题。在生产过程中，从制膜到制袋，袋内保持高度洁净；薄膜各向性能均衡；可针对不同结构层应用合适材料。5.1.
11、4 真空和热压成型将裁成一定尺寸和形状的片材，夹在模具的框架上，让其在高弹态的适宜温度加热软化，片材一边受热、一边延伸，而后凭借施加的压力，使其紧贴模具的型面，取得与型面相仿的形样，经冷却定型和修整后即得制品。5.1.5 医用产品注塑成型技术运用注塑成型技术生产的医用塑料制品占整个生产量的70%以上，是医用塑料制品生产的最主要形式。医用注塑机是以普通注塑机为基础，并严格根据医用塑料制品成型的要求进行设计制造的，以满足相应的洁净度要求和卫生指标。医用产品注塑成型生产时注塑机的布局有以下三种方案：(1)注塑机整体放置于洁净室内，如所示，瑞士耐驰特Netstal 公司SYNERGY 系列注塑机可整体
12、放置于洁净室内进行生产，广东泓利机器有限公司开发了JPH H 系列医用专用注塑机，整机成为独立于洁净室的洁净系统，并分为锁模单元和注射单元。是医疗、制药、化妆品和光学媒介行业专用的洁净室注塑系统；(2)只将注塑机的锁模部分放置于洁净室内，如所示，德国克劳斯玛菲Krauss-Maffei公司CX 系列二板式注塑机，悬臂式的锁模单元单独作为一个洁净单元。处于生产状态的注塑机可沿着轨道移动，悬臂式的锁模单元被移入洁净室生产。安装更换模具时，注塑机的锁模单元再移出洁净室；(3)仅对模具空间进行净化处理，从空气净化层流箱出来的洁净空气流经模具空间，产品从净化空气通道被输送到洁净室装配线上。如图13 所示
13、，一个提供层流空气的净化箱安装在模具上方，可以保持模具部位洁净。目前，国内通常采用的是第1 种方案，国外，克劳斯玛菲的CX 系列双模板注塑机采用第2 种方案，最节省洁净成本的方案应该是第3 种。5.2.二次成型设备表面改性、管体的端部成形、管体的焊接、气囊成形、气囊组装、管体开孔等组装机(线)：输液器组装机、注射器组装机、管路组装机5.2.1 表面改性表面改性可以改善导管的物理机械性能，增进生物相容性。事实上，大多数的生物反应发生在表面，因此，对医疗器械尤其是介入性和植入性器械界面、表面特性在医疗器械中有现实的重要意义，也是考察医疗器械技术水平的重要指标。导管涂层的处理方法包括喷涂、浸渍、真空
14、沉积技术、等离子沉积、化学电镀、接技或键合、水凝胶包覆法、导管的复合挤出等。通过表面处理可以改变医疗器械的性能或赋予产品的特殊功能如硬度、耐磨性、结合强度、润滑性、润湿性、血液相容性、抗菌性和耐细菌粘附性、细胞生长和组织整合、蛋白质和细胞粘附性能等。常见涂层有：(1)抗凝血涂层，可提高生物相容性，延长医用塑料产品与血液的安全接触时间，提高治疗效果；(2)超润滑涂层，可避免损伤，减少阻碍，减少手术时间，减低插管力量，增加病人舒适度，降低痛苦，增强导管进入弯曲组织如血管等的能力，减少组织刺激和损伤，涂层同样可以提供抗菌和药物释放功能；(3)抗粘附涂层，可防止与人体组织的粘联等；(4)抗菌涂层，可使
15、长期植入人体部件抗菌；(5)超声涂层，可提高超声显像度；(6)磁性涂层，可提高磁性显像度。文献中采用静电吸引层层自组装技术(Layer-by-Layer self-assembly，LBL)，在体外循环PVC 导管表面组装锌/多糖多层薄膜，使得材料表面形成稳定的糖锌络合物涂层，进行表面抗凝血修饰以提高其血液相容性。5.2.2 焊接目前塑料的常用连接方式有粘接、机械连接、焊接等，其中焊接是重要的一种，它具有连接强度高、表面连续性好、应用范围广、工艺简单、可实现机械化、生产效率高等优点，得到了广泛应用。(1)热熔焊接利用加热板或加热丝使被焊接的塑料件对接面熔化，再通过压力使对接面连接达到焊接牢固的目的。热融焊接常用于焊面为圆形的医用塑料制品及医用包装袋等的制作。比如，医用塑料输液瓶的瓶口、医用塑料或纸塑复合包装袋等。(2)超声焊接超声焊接的原理是以 20kHz 的频率造成高速振动，使塑料与塑料的对接面因摩擦生热而融合；若用于塑料与金属的焊接， 可在不足 1s 内将金属焊接于塑料驳口内。超声焊接是一种新颖的塑料二次加工技术，以其高效、优质、美观、节能等优势而发展起来。超声焊接使用范围广，可实施的方法多，如平面焊接法、铆接法、点焊法、镶嵌法等。超声焊接已应用于血液透析器、血浆采集器等医用制品的制作中，如
