高分子材料在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

1、 高分子材料在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用摘要：本文簡(jiǎn)要介紹了高分子材料的醫(yī)用情況,詳細(xì)介紹了生物可降解醫(yī)用高分子材料的分類(lèi)及應(yīng)用現(xiàn)狀,并簡(jiǎn)要介紹了生物降解高分子材料的定義、分類(lèi)和降解機(jī)理。關(guān)鍵詞：高分子材料、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用引言：合成高分子材料，特別是塑料、橡膠、纖維這三大合成材料的發(fā)現(xiàn)及工業(yè)化生產(chǎn)，為人類(lèi)提供了大量?jī)r(jià)廉易得而性能優(yōu)異的新材料，它們?cè)谌藗兊娜粘Ｉ詈蜕鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用。 降解高分子材料1是指在使用后的特定環(huán)境條件下,在一些環(huán)境因素如光、氧、風(fēng)、水、微生物、昆蟲(chóng)以及機(jī)械力等因素作用下,使其化學(xué)結(jié)構(gòu)能在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生明顯變化,從而引起物性下降,最終被環(huán)境所消納的高分子材料。根據(jù)降解機(jī)理1

2、,2的不同,降解高分子材料可分為光降解高分子材料、生物降解高分子材料、光-生物降解高分子材料、氧化降解高分子材料、復(fù)合降解高分子材料等,其中生物降解高分子材料是指在自然界微生物或在人體及動(dòng)物體內(nèi)的組織細(xì)胞、酶和體液的作用下,使其化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,致使分子量下降及性能發(fā)生變化的高分子材料。1 生物降解高分子材料的定義和分類(lèi) 生物降解高分子材料是指在一定的條件下, 一定的時(shí)間內(nèi), 能被微生物或其分泌物在酶或化學(xué)分解作用下發(fā)生降解的高分子材料2。生物降解的高分子材料具有以下特點(diǎn): 易吸附水, 含有敏感的化學(xué)基團(tuán), 結(jié)晶度低,分子量低, 分子鏈線性化程度高和較大的比表面積等3。按照來(lái)源, 生物可降解高

3、分子材料可分為天然高分子和人工合成高分子兩大類(lèi); 按照用途, 分為醫(yī)用和非醫(yī)用生物降解高分子材料兩大類(lèi); 按照原料組成和制造工藝不同可分為天然高分子合成材料、微生物合成高分子材料和化學(xué)合成生物可降解高分子材料4。1.1天然高分子材料5,6 價(jià)格低廉,特別是天然產(chǎn)量居首位的纖維素和甲殼素,年生物合成量超過(guò)1010噸。利用它們制備的生物高分子材料可完全降解、具有良好的生物相容性、安全無(wú)毒,由此形成的產(chǎn)品兼具天然再生資源的充分利用和環(huán)境治理的雙重意義。 天然高分子材料雖然具有價(jià)格低廉、完全降解等諸多優(yōu)點(diǎn),但是它的熱力學(xué)性能較差,不能滿足工程高分子材料加工的性能要求。1.2微生物合成高分子材料5,6,

4、7 微生物合成高分子材料是由生物通過(guò)各種碳源發(fā)酵制得的一類(lèi)高分子材料,主要包括微生物聚酯、聚乳酸及微生物多糖,產(chǎn)品特點(diǎn)是能完全生物降解。 微生物合成高分子材料有良好的降解性和熱塑性,易加工成型,但在耐熱和機(jī)械強(qiáng)度方面還需改進(jìn),而且成本較高,現(xiàn)在只在醫(yī)藥、電子等附加值較高的行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。1.3化學(xué)合成高分子材料8 由于在自然界中酯基容易被微生物或酶分解,所以化學(xué)合成生物降解高分子材料大多是分子結(jié)構(gòu)中含有酯基結(jié)構(gòu)的脂肪族聚酯。聚酯及其共聚物可由二元醇和二元酸、羥基酸的逐步聚合來(lái)獲得,也可由內(nèi)酯環(huán)的開(kāi)環(huán)聚合來(lái)制備?？s聚反應(yīng)因受反應(yīng)程度和反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的水或其他小分子的影響,很難得到高分子量的產(chǎn)物

5、。開(kāi)環(huán)聚合只受催化劑活性和外界條件的影響,可得到高分子量的聚酯,相對(duì)分子量高達(dá)106,單體完全轉(zhuǎn)化聚合。因此,開(kāi)環(huán)聚合成為內(nèi)酯、乙交酯、丙交酯的均聚和共聚合成生物降解高分子材料的理想聚合方法。 合成高分子材料比天然高分子材料具有更多的優(yōu)點(diǎn),它可以從分子化學(xué)的角度來(lái)設(shè)計(jì)分子主鏈的結(jié)構(gòu),從而來(lái)控制高分子材料的物理性能,而且可以充分利用來(lái)自自然界中提取或合成的各種小分子單體。不過(guò)在如何精確的通過(guò)設(shè)計(jì)分子結(jié)構(gòu)控制其性能方面還有待進(jìn)一步的研究。1.4摻混型高分子材料9 摻混型高分子材料主要是指將兩種或兩種以上的高分子物共混或共聚,其中至少有一種組分是可生物降解的,該組分多采用淀粉、纖維素、殼聚糖等天然高

6、分子。2 生物降解高分子材料的降解機(jī)理 一般高分子材料的生物降解可分為完全生物降解機(jī)理和光生物降解機(jī)理10。完全生物降解機(jī)理大致有三種途徑: 生物物理作用: 由于生物細(xì)胞增長(zhǎng)而使聚合物組分水解, 電離質(zhì)子化而發(fā)生機(jī)械性的毀壞, 分裂成低聚物碎片; 生物化學(xué)作用:微生物對(duì)聚合物作用而產(chǎn)生新物質(zhì)( CH4、CO2和 H2O) ; 酶直接作用:被微生物侵蝕部分導(dǎo)致材料分裂或氧化崩裂。 而從化學(xué)角度考慮，聚合物的降解存在下列3種機(jī)制11：疏水性聚合物通過(guò)主鏈上不穩(wěn)定鍵的水解變成低相對(duì)分子質(zhì)量、水溶性分子。不溶于水的聚合物通過(guò)側(cè)鏈基團(tuán)的水解、離子化或質(zhì)子化，變成水溶性聚合物。不溶于水的聚合物水解掉不穩(wěn)定

7、的交聯(lián)鏈變成可溶于水的線型高分子。3生物降解高分子材料的應(yīng)用 生物降解高分子材料具有無(wú)毒、可生物降解及良好的生物相容性等優(yōu)點(diǎn), 所以應(yīng)用極為廣泛, 可用于醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、園林、包裝衛(wèi)生、化妝品等領(lǐng)域, 研究最熱的當(dāng)推醫(yī)用生物降解高分子材料。3.1藥物/基因控制釋放系統(tǒng)13,14為了使藥物達(dá)到最佳的治療效果，必須使藥物在指定的時(shí)間內(nèi)按預(yù)定的速度釋放到指定的治療部位。用可降解高分子材料制成的納米顆粒作為藥物/基因控制釋放系統(tǒng)是目前的研究熱點(diǎn)。 在藥物控制釋放體系中, 藥物載體一般是由高分子材料來(lái)充當(dāng)?shù)? 它們可分別用在不同的控制釋放體系中, 如凝膠控制釋放、微球和微膠囊控制釋放、體內(nèi)埋置控制釋放、靶向

8、控制釋放等等。由于這些聚合物具有被人體吸收代謝的功能, 與不可降解的藥物載體聚合物相比, 具有緩釋速率對(duì)藥物性質(zhì)的依賴性小、更適應(yīng)不穩(wěn)定藥物的釋放要求及釋放速率更為穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。初期的藥物控制釋放體系是將活性物質(zhì)加載到高分子基質(zhì)中,然后再輸入人體。在該體系中, 藥物釋放主要是由擴(kuò)散驅(qū)動(dòng), 而后高分子基質(zhì)本體水解。這方面用得較好的是DLLA( 無(wú)規(guī)右、左旋乳酸) /GA( 乙交酯) 共聚物。PGA 是高度結(jié)晶的高分子, 具有很高的降解速率。而 PDLLA 是無(wú)定形材料, 藥物滲透性低, 降解速率高14。作為藥物控制釋放載體被廣泛研究的生物降解高分子有聚乳酸、乳酸- 己內(nèi)酯共聚物、乙交酯- 丙交酯共

9、聚物等脂肪族聚酯以及天然高分子材料甲殼素/殼聚糖及其衍生物。藥物/基因納米載體優(yōu)點(diǎn)是：具有高度靶向、藥物控制釋放、提高難溶藥物的溶解率和吸收率、減少了給藥量和給藥次數(shù)、提高了藥物的利用效率，而且很大程度上減少了藥物對(duì)全身，特別是對(duì)肝、腎的毒副作用。3.2外科手術(shù)縫合線15,13 生物降解性手術(shù)縫合線既可以縫合傷口, 又可在傷口愈合后自動(dòng)降解, 不需再拆除, 所以發(fā)展越來(lái)越快。最初采用的生物吸收性縫合線是腸線16, 腸線的初期彈性率小, 平滑性優(yōu)良, 結(jié)節(jié)部位穩(wěn)定性好, 但同時(shí)也存在機(jī)械強(qiáng)度損失快, 處理不方便, 必須用濕的縫合線縫合傷口, 易引起組織發(fā)炎, 分解速度過(guò)快等缺點(diǎn)?，F(xiàn)改進(jìn)采用聚乙交

10、酯、聚 L- 丙交酯( PLLA) 及其共聚物制成的外科縫合線, 目前已商業(yè)化。由于 PGA、PLLA 等單絲縫合線太硬, 強(qiáng)度小, 所以現(xiàn)階段的研究熱點(diǎn)是如何提高縫合線的柔軟性和機(jī)械強(qiáng)度, 同時(shí)加入增塑劑增加線的韌性和調(diào)節(jié)降解速度。研究發(fā)現(xiàn), 用甲殼質(zhì)制成的手術(shù)線不但機(jī)械性能良好, 打結(jié)不易滑脫, 而且無(wú)毒性。用改進(jìn)工藝制成的單根甲殼質(zhì)纖維縫合線在使用初始1015天中有很大的強(qiáng)度, 而此后強(qiáng)度迅速下降, 有利于生物體的迅速吸收13。3.3骨內(nèi)固定材料17,18 骨內(nèi)固定材料的應(yīng)用包括兩個(gè)方面, 一是要求植入聚合物在創(chuàng)傷愈合過(guò)程中緩慢降解, 主要用于骨折內(nèi)固定高分子材料, 如骨夾板、骨螺釘?shù)?

11、 另一類(lèi)要求在相當(dāng)時(shí)間內(nèi)聚合物緩慢降解, 在初期或一定時(shí)間內(nèi)在高分子材料上培養(yǎng)組織細(xì)胞, 讓其生長(zhǎng)成組織、器官, 如軟骨、肝、血管、皮膚等。3.4組織修復(fù)14,19 將聚乳酸及其共聚物用作支撐材料，在其上移植器官、組織的生長(zhǎng)細(xì)胞，使其形成自然組織，稱(chēng)為外科替代療法，即組織工程。采用具有生物降解性及生物相容性的高分子作為組織工程的的植入物，其優(yōu)勢(shì)在于可避免非降解材料長(zhǎng)期存在造成的免疫排斥及其綜合癥，可使新生組織逐漸生長(zhǎng)滲入植入物并完全取代植入的細(xì)胞支架，長(zhǎng)成預(yù)定形狀的組織。目前已在肝細(xì)胞、皮膚細(xì)胞、軟骨、血管修復(fù)、神經(jīng)修復(fù)等方面應(yīng)用。聚酯，特別是聚-羥基酯（如聚乳酸、聚乙醇酸及聚-己內(nèi)酯等）組織

12、工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。近年來(lái), 由于合成生物可降解高分子具有比天然高分子更優(yōu)越的性質(zhì), 合成高分子PLLA、PGA 和 PLGA 作為支架材料, 其合適的性質(zhì)、合適的降解速率已獲得了美國(guó)食物及藥物管理局( FDA)的認(rèn)可。PLLA 的物理化學(xué)性能能讓它作為象肝這樣的軟組織, 象軟骨和骨骼這樣的硬組織的支架材料; PGA被用作細(xì)胞移植和器官再生的人造支架; PLGA 被用于腸和肝的再生以及骨組織工程上。3.5組織工程材料 組織工程學(xué)是近10年來(lái)新興的一門(mén)交叉科學(xué)，它是應(yīng)用工程學(xué)的原理和方法來(lái)了解正常和病理的哺乳類(lèi)組織結(jié)構(gòu) - 功能關(guān)系，以及研制生物代用品以恢復(fù)、維持或改善其功能的一門(mén)科學(xué)20

13、。組織工程等技術(shù)的創(chuàng)立標(biāo)志著生物醫(yī)學(xué)材料科學(xué)的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。組織工程的核心是建立由細(xì)胞和生物材料所構(gòu)成的三維復(fù)合體，其中由生物材料所構(gòu)成的細(xì)胞支架的作用是為細(xì)胞增殖提供空間，使細(xì)胞按照生物材料支架的構(gòu)形分化、增殖，最終成為所要求的組織或器官。因此，細(xì)胞支架不但應(yīng)使細(xì)胞能進(jìn)行氣體交換、排除代謝廢物，同時(shí)還能為細(xì)胞增殖提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)21。組織引導(dǎo)再生(guided tissue regeneration, GTR)是近幾年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)促進(jìn)組織再生性愈合的新理論及新技術(shù)，醫(yī)用組織引導(dǎo)再生材料的研究是國(guó)內(nèi)外生物材料研究的熱點(diǎn)之一。我們所期待的降解材料是先選擇性地引導(dǎo)組織再生，當(dāng)這一過(guò)程完成

14、時(shí)，材料完全降解或被組織吸收。據(jù) Fleisher、Magnusson、Blumenthal等的研究報(bào)道22，乳酸與乙交酯共聚物膜、聚乳酸膜和膠原膜等是一類(lèi)較理想的 GTR 材料。孫毅23等報(bào)道聚吡咯在神經(jīng)組織、皮膚、肝臟、腎上腺、骨和血管中都有廣泛的應(yīng)用。此外，聚乙交酯(PGA)、聚乳酸(PLA)及乳酸與乙交酯的共聚物(PLGA)用于組織工程進(jìn)行肝的再生，具有很好的生物適應(yīng)性24。3.6人工皮膚25 目前在臨床中得到應(yīng)用的皮膚修復(fù)材料分為兩大類(lèi):一類(lèi)是天然皮膚(包括自體皮、異體皮或異種皮)或動(dòng)物組織(羊膜、胎盤(pán)、腹膜等);另一類(lèi)是人工皮膚,原料取自于天然高分子(膠原、甲殼素等)或合成高分子(

15、尼龍、滌綸、硅橡膠等)。組成人工皮膚的材料如表-2所示。醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)ι锟山到飧叻肿硬牧系男枨蠓较颍焊玫臋C(jī)械性能:較高分子量的聚乳酸等的合成是提高其機(jī)械性能的努力方向之一,無(wú)毒高效催化體系的尋找是其關(guān)鍵所在?？刂平到馑俣?目前主要是制件的形狀即與活體環(huán)境的接觸面積來(lái)控制速度以后的方向是通過(guò)親水性功能的引入及共聚的比例和控制來(lái)調(diào)節(jié)降解速度。良好的生理活性:目前最熱門(mén)的聚羥基烯酸難以進(jìn)一步功能化,以引入生理活性物質(zhì)如酶、藥物等來(lái)增進(jìn)其生理活性。藥物擴(kuò)散速度的控制:通過(guò)聚丙交酯,聚已內(nèi)酯嵌段共聚來(lái)達(dá)到降解和透過(guò)性能兼容。結(jié)束語(yǔ)： 從環(huán)境保護(hù)、合理利用資源、合成新型材料等角度都說(shuō)明可生物降解高分子材料

16、具有良好的發(fā)展前景，因此已成為化學(xué)家、生物學(xué)家和環(huán)境學(xué)家共同感興趣的一個(gè)研究領(lǐng)域。高分子材料的研究開(kāi)發(fā)方興未艾，任重道遠(yuǎn)。參考文獻(xiàn)：1賀愛(ài)軍.降解塑料的開(kāi)發(fā)進(jìn)展J .化工新型高分子材料,2002,30(3):17.2王身國(guó).可生物降解的高分子類(lèi)型、合成和應(yīng)用J .化學(xué)通報(bào),1997,2:4548.3鐘世云, 許乾慰, 王公善編著.聚合物降解與穩(wěn)定化M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2001.4袁華, 任杰, 馬廣華.生物可降解高分子材料的研究與發(fā)展J.建筑材料學(xué)報(bào), 2002, 5( 3) :263- 265.5翁端,等.環(huán)境高分子材料發(fā)展與展望第三屆國(guó)際環(huán)境高分子材料大會(huì)綜述J .高分子材料導(dǎo)報(bào),

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