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    聚氨酯材料在醫療行業的應用

    作者:admin 來源:http://www.jhgjcm.com 時間:2016-09-19
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      1.聚氨酯發展背景
     
      近年來由于社會的不斷發展,科學技術水平的進步,全WORD對功能性材料的需求越來越大,尤其是生物高分子材料。聚氨酯作為一種重要的生物高分子材料一直是研究的熱點,在許多人工器官和醫療裝置中發揮著至關重要的作用。
     
      雖然,聚氯乙烯、聚乙烯和硅橡膠等,都早于聚氨酯應用于生物材料領域,但是由于聚氨酯具有如下突出的優點:材料的性能可以調節,物理機械性能范圍寬,加工性能好;生物相容性優良;抗扭結性好;表面光滑等,這就使聚氨酯成為一種“理想生物材料”。
     
      2.聚氨酯結構介紹
     
      聚氨酯是一類含有氨基甲酸酯(-NH-COO-)官能團的高分子材料,主要的合成方法是由聚醚、聚酯或聚碳二元醇先與二異氰酸酯進行加成反應,再經擴鏈劑擴鏈成高分子,主鏈分子是由軟鏈段和硬鏈段嵌段組成,其化學結構可以表示為—(A—B)n—。由于硬段和軟段在極性上存在差異且硬段本身的結晶性導致它們在熱力學上的不相容性,而具有自發分離的傾向。而聚氨酯的性能本質上是取決于軟段和硬段的化學結構及軟段/硬段配比,軟硬段的微相分離程度對聚氨酯的性能,尤其對血液相容性的影響不可忽略。
     
      3.聚氨酯分類
     
      按材料種類分:醫用聚氨酯材料產品可分為醫用聚氨酯泡沫、醫用生物彈性體、醫用聚氨酯黏合劑、醫用聚氨酯水凝膠以及醫用聚氨酯涂料等。
     
      按照可降解性可分為:非降解性醫用聚氨酯材料,力學性能優異、耐磨損性好,因此在長期植入人體的人體器官和醫用裝置的應用十分廣泛;降解性醫用聚氨酯材料可應用于人體修復材料、組織工程材料和智能藥物緩釋材料等。
     
      按用途分:聚氨酯用品包括人工皮膚、人工心臟瓣膜、人工肺、燒傷敷料、各種夾板、導液管、人工血管、骨黏合劑、齒科材料、手術縫合線、計劃生育用品等。
     
      按合成物結構分:聚醚型聚氨酯、聚酯型聚氨酯以及聚碳型聚氨酯等等。
     
      4.醫用聚氨酯的性能研究
     
      4.1聚醚型聚氨酯
     
      1967年Boretos和Pierce首次將聚醚型聚氨酯用于左心輔助循環血泵,此后,聚醚型聚氨酯就成為了人工心臟和心室輔助循環系統中制造心室腔體的首材料。
     
      通常地,聚醚型聚氨酯的聚醚軟段的玻璃轉變溫度低于室溫,軟段的運動性很高,非常容易遷移到聚氨酯的表面,因此聚醚型聚氨酯的表面沒有硬段存在。然而,有研究認為由于聚醚型聚氨酯的聚醚軟段的玻璃轉變溫度較低,在外界環境的影響下,其表面的鏈段能夠轉動,表面重排,硬段微區出現在表面,使其表現出良好的血液相容性。
     
      另外,聚醚中的醚鍵耐水解,水解表現為交聯慢慢斷裂,分子量慢慢降低,拉伸強度下降緩慢,與聚酯型聚氨酯相比耐水解性較好。聚醚型聚氨酯被廣泛地使用在與血液直接接觸的場合,但其本身的生物相容性不足以達到人類的需求,學者一直持續不斷地對它進行研究和改性來進一步提高它的生物相容性,改性使得聚醚型聚氨酯的抗凝血性能在不同程度上得以提高,以至于聚醚型聚氨酯材料在植入和非植入式血液接觸裝置的制造方面得到了較廣泛的應用。
     
      下面將三種醫療級聚醚型聚氨酯的原料、性能及商品號舉例如下:
     
      4.1.1脂肪族聚醚氨酯
     
      以HMDI或六亞甲基二異氰酸酯(HDI)、PTMEG及BD為原料的TPU具有良好的生物相容性、強度及可加工性。如美國Thermedics公司(原Thermo Electron公司)的醫用聚氨酯Tecoflex的組成是PT-MEG-HMDI-BD,80年代美國DuPont公司的醫用聚氨酯Adiprenelw 500的原料是PTMEG-HDI-BD。
     
      4.1.2芳香族聚醚氨酯
     
      這類TPU以MDI、PTMEG及BD為原料。與脂肪族聚醚氨酯相比,它們具有類似的生物相容性,而物理強度、耐溶劑性及高溫可加工性比脂肪族TPU好,是一類應用較早、牌號較多的TPU。其缺點是暴露在光或γ射線下時間長了會變黃。如果操作溫度不當可產生亞甲基-4,4’-二苯基二胺(MDA)。
     
      商品號有:美國BFGoodrich公司的Estane,美國DOW化學公司(早先的Upjohn公司)的Pellethane,Thermedics公司的Tecothane,Bayer美國公司的Texin,美國JPS彈性體公司的Stevens系列熱塑性聚氨酯MP-1880、MP-1882及MP1890<3>,德國Elastogran公司的Elastollan SP806,等等。
     
      4.1.3聚醚脲型聚氨酯
     
      Bayer(美國)公司的Texin 5590是一種脂肪族聚醚脲型TPU,設計用于與血液接觸的場合,以及管形材料及導液管等短期植入裝置。美國Ethicon公司的醫用聚氨酯彈性體Biomer是由PTMEG和MDI反應生成端異氰酸酯基預聚物。在二甲基甲酰胺(DMF)溶劑中以乙二胺為擴鏈劑,澆注而成的線性聚氨酯-脲嵌段聚合物。
     
      Corvita公司90年代研制的植入人體器官用TPU彈性體材料Corethane,未透露組成成分,據稱它具有與廣泛使用的芳香族聚醚聚氨酯相似的性能,但在人體內不會受酶的影響而降解。該公司還在開發研制聚氨酯共聚物以及與其它聚合物的復合材料,用于體內植入物。
     
      4.2聚酯型聚氨酯
     
      聚酯型聚氨酯在聚氨酯工業中,是出現早的基礎聚氨酯材料,其力學機械性能、耐化學品特性優異,至今仍是極其重要的一大類型聚氨酯材料。
     
      一般地,聚酯型聚氨酯的硬度與聚酯的相對分子量有直接的關系,聚酯型聚氨酯的硬度隨著聚酯相對分子質量的升高而下降,拉伸強度的變化趨勢則相反。這主要是因為聚酯的分子間作用力較強,容易形成結晶。線性聚酯呈蠟狀,具有晶狀結構,是決定聚氨酯具有良好的物理性能,尤其是彈性、抗張強度和沖擊強度等性能都與其結晶度有關系。
     
      然而,結晶性也帶來了一定的問題,比如,低溫時變硬,或者影響伸長率。與聚醚型聚氨酯相比,聚酯耐水解性能較差,酯基較易水解。隨著酯基之間碳原子數目上升,水解穩定性提高,聚酯的水解作用表現為主鏈斷裂,分子量降低,拉伸強度,伸長率急劇下降。然而聚酯型聚氨酯的氫鍵度高于聚醚型聚氨酯,耐熱空氣老化性能較好,因此聚酯型聚氨酯仍得到廣泛應用。
     
      下面將一種醫療級聚酯型聚氨酯的原料、性能及商品號舉例如下:
     
      4.2.1芳香族聚酯氨酯
     
      以聚己內酯或聚己二酸酯MDI和BD為原料,這類TPU的強度比PTMEG型聚氨酯的高,但易于水解和受微生物的侵襲。商品有BF Goodrich公司的Estane、Dow化學公司的Pellethane等。
     
      4.3聚碳酸酯型聚氨酯
     
      這種聚氨酯材料中的軟段由聚碳酸酯鏈段構成,在生理環境下,碳酸酯鍵比醚鍵更加穩定。聚碳酸酯型聚氨酯軟段的玻璃轉變溫度較高,相混合大,硬段存在于表面,而且在10 nm范圍內,有明顯的硬段微區。導致不同種類的聚氨酯的表面結構差異的原因是由于本體結構與表面結構密切。相對于聚醚聚氨酯,在醫用材料的長期移植中,脂肪族聚碳酸酯型聚氨酯有更好的生物穩定性和生物相容性。此外,由于軟段的聚碳酸酯結構與聚醚結構相比在更大程度上限制了鏈段的運動,因此聚碳酸酯聚氨酯的純水透過率和生理介質的透過率都遠遠低于聚醚型聚氨酯,在相同膜厚度的條件下,聚碳酸酯聚氨酯的水蒸氣透過率比聚醚型聚氨酯低2-4倍。實驗表明,聚碳酸酯聚氨酯表面的血小板粘附數量與聚醚型聚氨酯相比大大減少,同時,對補體的激活程度也明顯降低。同時,與聚醚聚氨酯相比,PCU在小直徑血管和內部血管治療中,顯示出了更好的向內生長能力。此外,PCU大的優點是比聚醚聚氨酯優的耐氧化穩定性。聚碳酸酯聚氨酯也具有長期移植后材料柔順性的損失小和表面性能突出的特點。
     
      下面將兩種醫療級聚碳型聚氨酯的原料、性能及商品號舉例如下:
     
      4.3.1脂肪族聚碳酸酯氨酯
     
      這類TPU以HMDI、聚碳酸酯二醇為原料。它具有與聚醚氨酯類似的生物相容性,耐氧化降解性及生物穩定性更好,有良好的強度和操作性。商品有Thermedics公司的Carbothane、PolyMedica工業公司的Chronoflex等。這種TPU能抵抗酶誘發的降解,用于人造心臟及血管。
     
      4.3.2芳香族聚碳酸酯氨酯
     
      其原料是MDI、聚碳酸酯二醇和BD。它具有與脂肪族聚碳酸酯氨酯類似的生物穩定性及生物相容性,芳香族聚氨酯的強度和耐溶劑性,缺點是可能產生MDA及黃變。商品有美國聚合物技術集團公司的Bionate等。
     
      5.聚氨酯的改性
     
      國內外的研究報道有許多聚氨酯改性方法,主要有聚氨酯本體改性、表面化學接枝修飾、等離子體技術表面修飾、光固定法、超分子化學改性等。
     
      5.1聚氨酯本體的改性
     
      本體改性是指通過調節聚氨酯結構的軟段或硬段的結構、長度及分布,來改變相對比例和相對分子質量,或把將軟段或硬段上接枝其它分子鏈,通過共混、互穿聚合物網絡等方法,用來調節聚氨酯的性能。
     
      5.2表面化學接枝修飾
     
      人們嘗試在聚氨酯表面附加各種細胞黏附因子如膠原、纖維粘連蛋白、白蛋白等,使材料表面更生物化、更接近細胞生長的生理條件,進而改善內皮細胞在聚氨酯材料表面的粘附和生長的問題,近年,在聚氨酯材料表面固定 RGD三肽序列成為一種提高內皮細胞黏附和生長的重要途徑,這已在多種生物材料的有關研究中得到證實。
     
      5.3等離子體技術表面修飾
     
      聚氨酯材料表面性能受到聚合物的化學性質、表面結構及表面處理方式的影響。等離子體技術處理聚合物材料的表面可以使其表面富含活性基團,使聚氨酯表面活化,再表面接枝可生物降解的分子,提高原聚氨酯表面的性能,改善聚氨酯材料的生物相容性。
     
      5.4光固定法修飾
     
      光固定法是指將具有特定作用、功能的分子或組分通過紫外或可見光偶聯到材料表面的方法。它在改善材料表面性能的同時,不影響材料的基體性能。
     
      5.5超分子化學改性
     
      超分子化學是基于分子間的非共價鍵相互作用而形成的分子聚集體的化學超分子組裝過程,是生物體系中形成復合、功能結構的重要手段,它提供了一種通過設計分子和超分子實體,利用形體互補原則獲得預期結構的納米設計和制備手段。和傳統的表面修飾不同,超分子表面修飾技術不單單地通過化學組分的共價鍵進行修飾,而是在組成修飾的基礎上,通過對基于非共價鍵的作用控制,實現對表面二維、甚至三維微觀結構的設計,實現對材料表面更準確的修飾。
     
      6.醫用聚氨酯的應用現狀
     
      聚氨酯材料因為其特殊的化學結構、具有良好的生物相容性和血液相容性、優異的物理機械性能、加之穩定性好,廣泛應用于醫學領域。20世紀50年代以來,聚氨酯彈性體開始應用于醫用材料,70年代開始聚氨酯作為一種醫用材料已受到重視。到了80年代初,用聚氨酯彈性體制作人工心臟移植手術獲得成功,使聚氨酯材料在生物醫學上的應用得到進一步的發展。至今已經歷了50多年的歷史,其產品包括人工心臟輔助裝置、醫療導管和人造血管、聚氨酯敷料、聚氨酯醫用薄膜制品、人造皮、假肢、聚氨酯繃帶、人工腎、人工肺、人工肝臟等。
     
      6.1人工心臟輔助裝置
     
      醫用聚氨酯在血液相容性和生物相容性方面,比硅橡膠和天然橡膠更好,是人工心臟及其輔助裝置的佳材料。人工心臟上用的聚氨酯彈性體隔膜材料,為聚醚型熱塑性聚氨酯,其組成成分一般是聚四呋喃醚二(PTMEG)—MDI(或HDI)—BD或乙二胺,溶液澆注或注射成型。為利用硅橡膠的優異生物相容性,也有采用聚氨酯-硅烷嵌段共聚物。用于人工心臟隔膜及包囊的彈性體,80年代初研制成功的聚氨酯彈性囊,經試驗,其耐曲撓超過5億次,開始用硅橡膠和天然橡膠制作人工心臟氣囊,應用于人工心臟獲得成功。故WORD各國研制人工心臟及其輔助裝置的材料,都傾向于使用聚氨酯材料。
     
      6.2醫療導管和人造血管
     
      聚氨酯彈性體具有優異的機械強度、柔韌性、耐磨性以及生物相容性,可用于各種醫用膠管管材,如胃鏡軟管、導液管、輸液管、導尿管等,產品滿足韌性、彈性和無毒等醫用要求,且在制作工藝上無變形,管徑均勻,表面光潔。
     
      聚氨酯是一種彈性優良的功能高分子材料,由聚氨酯制作的血管表現出良好的血液相容性,無致血栓性,可減少血管內膜增生。
     
      6.3聚氨酯敷料
     
      新型敷料,特別是新型聚氨酯敷料不斷出現,醫用聚氨酯敷料大多為兩層結構,內層為聚氨酯基泡沫(海綿),外層是聚氨酯基彈性體薄膜。內層結構親水、吸收傷口表面的滲出液,減少感染,加之優良的柔軟性,可以和創面較好的貼合,減少傷口區域的不適和疼痛。外層薄膜結構,具有隔菌、透濕、透氣、防水的功能,保持一定的溫度和濕度,從而營造一個有利于傷口愈合的創面環境。聚氨酯敷料具有良好的柔軟性、彈性、耐磨性和抗撕裂性,可以使敷料隨皮膚一起運動而不易破壞。
     
      6.4聚氨酯醫用薄膜制品
     
      醫用聚氨酯能夠通過溶液澆注成型或擠塑、吹塑成型制成薄而韌的薄膜。這種薄膜具有較高的強度和彈性,聚氨酯薄膜拉伸強度高,伸長率大,拉伸后回到原來的尺寸而無明顯的形變。它們不含增塑劑,能長期、并在較寬溫度范圍保持其柔韌性,還具有良好的透氣性、耐藥品性、耐微生物、耐輻射性能,可用于多種醫療衛生用途,如灼傷覆蓋層、傷口包扎材料和取代縫線的外科手術用拉伸薄膜、用于病人退燒的冷敷冰袋、一次性給藥軟袋、填充液體的義乳、避孕套、醫院床墊及床套等。以聚氨酯薄膜為囊避材料、采用液體填充而成的義乳,手感柔軟,與皮膚接觸無異物感,放入高胸罩中,適合于乳房手術者及女性乳房偏小者佩戴,效果逼真,國內已有生產。
     
      6.5聚氨酯人造皮
     
      采用聚氨酯彈性體軟泡沫可制作人造皮,聚氨酯人造皮與皮膚手感柔軟,且透氣性好,能促使表皮加速生長,可防止傷口水份和無機鹽的流失,以及阻止外界細菌進入,可防止感染。一種聚氨酯人造皮是用兩種泡孔不同的軟質聚氨酯薄片,通過特殊技術層壓而成。孔徑小的一片與外界空氣接觸,孔徑大的一片與傷口創面接觸。聚氨酯人造皮可適用于三度燒傷病人,這種聚氨酯人造皮在制造后用鈷-60照射殺菌或蒸汽消毒,密封在紙塑復合袋中可長期保存。
     
      6.6假肢
     
      共聚醚脲型聚氨酯彈性體或聚醚型聚氨酯與人體組織有很好的相容性,可以用來制作人體假肢。聚酯聚氨酯泡沫彈性體可制作假腳。水發泡聚氨酯彈性體可制作假肢護套,其表面模仿人的真正皮膚,很容易洗滌,這種護套有很好的物理和機械性能,特別是在耐磨性能方面超過乳膠護套。
     
      6.7聚氨酯繃帶
     
      用聚氨酯材料制作的繃帶,操作簡便、使用衛生、固化速度快、質輕層薄、堅而韌,不易使皮膚發炎,是一種較為理想的新型矯形材料,代替了骨折病人一般使用的石膏繃帶,避免了石膏存在的很多缺點和不足,比如,質重、強度低、透氣性差,特別在夏天,病人感到不舒服,而且石膏的透X射線能力差,固定后也不便檢查復位情況。
     
      6.8其它應用
     
      聚氨酯彈性體還可用于制假牙和修補假牙上,這種假牙的生物相容性很好,具有良好吸水性及透氧性的透明聚氨酯水凝膠可作為隱形眼鏡材料。在人工腎、人工肺、人工肝臟等方面,高分子分離膜已逐漸代替纖維素膜。采用雙組分聚氨酯膠料,采用離心澆注的方法澆注在高分子中空纖維腎的末端周圍,而形成聚氨酯彈性體密封的腎分離膜,可把血液和滲析物分離開來。聚氨酯彈性材料可制作的人造軟骨,具有很好的減震性能,優異的生物相容性及彈性和低的摩擦系數,類似于人類的軟骨,所以可用來制作肘部和腿部的人工骨或軟骨。
     
      7.結語
     
      醫用聚氨酯由于其特殊的結構,使其具有結構性能設計自由度大、優異的物理機械性能以及較好的生物相容性等優勢,因此被廣泛地應用于醫用材料。但聚氨酯的生物相容性還不能完全滿足臨床醫用要求,解決此類問題是今后研究的重點。
     
      除了將其生物相容性改良外,現在國內也已開始對可生物降解聚氨酯制造藥物緩釋材料、組織工程材料和人體修復材料等進行研究,國內應該加強醫用聚氨酯材料的研究和臨床試驗,形成系列化和規模化,滿足廣大患者的需求。
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