一、生物医用高分子材料的特点 生物医用高分子材料是一种聚合物材料,主要用于制造人体内脏、体 外器官、药物剂型及医疗器械。按照来源的不同,生物医用高分子材料可以分为 天然生物高分子材料和合成生物高分子材料2种。前者是自然界形成的高分子材 料,如纤维素、甲壳素、透明质酸、胶原蛋白、明胶及海藻酸钠等;
后者主要通 过化学合成的方法加以制备,常见的有合聚氨酯、硅橡胶、聚酯纤维、聚乙烯基 吡咯烷酮、聚醚醚酮、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚乳酸、聚乙烯等。按照 材料的性质,生物医用高分子材料可以分为非降解材料和降解材料。前者主要包 括聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃,芳香聚酯、聚硅氧烷等;
后者包括聚乙烯亚胺—聚 氨基酸共聚物、聚乙烯亚胺—聚乙二醇—聚(β-胺酯)共聚物、聚乙烯亚胺—聚 碳酸酯共聚物等。
生物医用高分子材料作为植入人体内的材料,必须满足人体内复杂的 环境,因此对材料的性能有着严格的要求。首先,材料不能有毒性,不能造成畸 形;
其次,生物相容性比较好,不能与人体产生排异反应;
第三,化学稳定性强, 不容易分解;
第四,具备一定的物理机械性能;
第五,比较容易加工;
最后,性 价比适宜。其中最关键的性能是生物相容性。
根据国际标准化组织(InternationalStandardsOrganization,ISO)的解 释,生物相容性是指非活性材料进入后,生命体组织对其产生反应的情况。当生 物材料被植入人体后,生物材料和特定的生物组织环境相互产生影响和作用,这 种作用会一直持续,直到达到平衡或者植入物被去除。生物相容性包括组织相容 性、细胞相容性和血液相容性。二、生物医用高分子材料的发展历史 人类对生物医用高分子材料的应用经过了漫长的阶段。根据记载,公 元前3500年,古埃及人就用棉花纤维和马鬃缝合伤口,此后到19世纪中期,人类 还主要停留在使用天然高分子材料的阶段;
随后到20世纪20年代,人类开始学会 对天然高分子材料进行改性,使之符合生物医学的要求;
再后来人类开始尝试人 工合成高分子材料;
20世纪60年代以来,生物医用高分子材料得到了飞速发展和 广泛的普及。1949年,美国就率先发表了研究论文,在文中第1次阐述了将有机 玻璃作为人的头盖骨、关节和股骨,将聚酰胺纤维作为手术缝合线的临床应用情 况,对医用高分子的应用前景进行了展望。这被认为是生物医用高分子材料的开 端。
在20世纪50年代,人类发现有机硅聚合物功能多样,具有良好的生物 相容性(无致敏性和无刺激性),之后有机硅聚合物被大量用于器官替代和整容 领域。随着科技的发展,20世纪60年代,美国杜邦公司生产出了热塑性聚氨酯, 这种材料的耐屈挠疲劳性优于硅橡胶,因此在植入生物体的医用装置及人工器官 中得到了广泛应用。随后人工尿道、人工食道、人工心脏瓣膜、人工心肺等器官 先后问世。生物医用高分子材料也从此走上快速发展的道路。
三、生物医用高分子材料的发展现状、前景和趋势 据相关研究调查显示,我国生物医用高分子材料研制和生产发展迅速。
随着我国开始慢慢进入老龄化社会和经济发展水平的逐步提高,植入性医疗器械 的需求日益增长,对生物医用高分子材料的需求也将日益旺盛。2015年1月28日, 中国医药物资协会发布的《2014中国单体药店发展状况蓝皮书》显示,2014全年 全国医疗器械销售规模约2556亿元,比2013年度的2120亿元增长了436亿元,增 长率为20.06%。但是相比于医药市场总规模(预计为13326亿元)来说,医药和 医疗消费比为1∶0.19还略低,因此业内普遍认为,医疗器械仍然还有较广阔的 成长空间,生物医用高分子材料也将迎来良好的发展前景。
根据evaluateMedTech公司基于全球300家顶尖医疗器械生产商的公 开数据而得出的报告《2015-2020全球医疗器械市场》预测,2020年全球医疗器 械市场将达到4775亿美元,2016-2020年间的复合年均增长率为4.1%。世界医疗 器械格局的前6大领域包括:诊断、心血管、影像大型设备、骨科、眼科、内窥 镜,其中生物医用高分子材料在其中都得到了广泛的应用。以往的医学研究对组织和器官的修复,更多是选择一种替代品,实现 原有组织和器官的部分功能。随着再生医学和干细胞技术的迅速发展,利用生物 技术再生和重建器官、个性化治疗和精准医学已经成为趋势。因此传统的生物医 药高分子材料已经不能满足现有的需求,需要模拟生物的结构,恢复和改进生物 体组织与器官的功能,最终实现器官和组织的再生,这也是生物医用高分子材料 未来的发展方向。
生物医用高分子材料在医疗器械领域中得到了非常广泛的应用,主要 体现在人工器官、医用塑料和医用高分子材料3个领域。
1.人工器官 人工器官指的是能植入人体或能与生物组织或生物流体相接触的材 料;
或者说是具有天然器官组织或部件功能的材料,如人工心瓣膜、人工血管、 人工肾、人工关节、人工骨、人工肌腱等,通常被认为是植入性医疗器械。人工 器官主要分为机械性人工器官、半机械性半生物性人工器官、生物性人工器官3 种。第1种是指用高分子材料仿造器官,通常不具有生物活性;
第2种是指将电子 技术和生物技术结合;
第3种是指用干细胞等纯生物的方法,人为“制造”出器官。
目前生物医用高分子材料主要应用在第1种人工器官中。
目前,植入性医疗器械中骨科占据约为38%的市场份额;
随后是心血 管领域的36%;
伤口护理和整形外科分别为8%左右。人工重建骨骼在骨科产品 市场中占据了超过31%的市场份额,主要产品是人工膝盖,人工髋关节以及骨骼 生物活性材料等,主要应用的生物医用高分子材料有聚甲基丙烯酸甲酯、高密度 聚乙烯、聚砜、聚左旋乳酸、乙醇酸共聚物、液晶自增强聚乳酸、自增强聚乙醇 酸等。心血管产品市场中支架占据了一半以上的市场份额,此外还有周边血管导 管移植、血管通路装置和心跳节律器等。
目前各国都认识到了人工器官的重要价值,加大了研发力度,取得了 一些进展。2015年,美国康奈尔大学的研究人员开发出了一种轻量级的柔性材料, 并准备将其用于创建一个人工心脏。在我国,3D打印人工髋关节产品获得国家 食品药品监督管理总局(CFDA)注册批准,这也是我国首个3D打印人体植入物。
人工器官未来发展趋势是诱导被损坏的组织或器官再生的材料和植 入器械。人工骨制备的发展趋势是将生物活性物质和基质物质组合到一起,促进 生物活性物质的黏附、增殖和分化。血管生物支架的发展趋势是聚合物共混技术,如海藻酸钠/壳聚糖、胶原/壳聚糖、胶原/琼脂糖、壳聚糖/明胶、壳聚糖/聚己内 酯、聚乳酸/聚乙二醇等体系。
2.医用塑料 医用塑料,主要用于输血输液用器具、注射器、心导管、中心静脉插 管、腹膜透析管、膀胱造瘘管、医用粘合剂以及各种医用导管、医用膜、创伤包 扎材料和各种手术、护理用品等。注塑产品是医用塑料制品当中产量最大的品种。
与普通塑料相比,医用塑料要求比较高,严格限制了单体、低聚物、金属离子的 残留,对于原材料的纯度要求很高,对加工设备的要求也非常严格,在加工和改 性过程中避免使用有毒助剂,通常具有表面亲水、抗凝血等特殊功能。常用医用 塑料包括聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚四氟乙烯(PTFE)、 热塑性聚氨酯(TPU)、聚碳酸酯(PC)、聚酯(PET)等。
目前医用塑料市场约占全球医疗器械市场的10%,并保持着每年7% ~12%的年均增长率。统计数据显示,美国每人每年在医用塑料领域消费额为300 美元,而我国只有30元,由此可见医用塑料在我国的发展潜力非常大。
我国医用塑料制品产业经过多年的发展,取得了长足的进步。中国医 药保健品进出口商会统计数据显示,2015年上半年,纱布、绷带、医用导管、药 棉、化纤制一次性或医用无纺布物服装、注射器等一次性耗材和中低端诊断治疗 器械等成为我国医疗器械的出口大户。但是也必须清醒地认识到,我国的医用塑 料发展水平还比较落后。医用塑料的原料门类不全、生产质量标准不规范、新技 术和新产品的创新能力薄弱,导致一些高端原料导致国内所需的高端产品原料还 主要靠进口。
目前各国都认识到了医用塑料的重要价值,加大了研发力度,取得了 一些进展。2015年,英国伦敦克莱蒙特诊所率先开展了塑胶晶状体移植手术,不 仅可以治疗远视眼或近视眼,还可以恢复患有白内障和散光者的视力;
住友德马 格公司推出一种聚甲醛(POM)齿轮微注塑设备,在新型白内障手术器械中具 有重要作用;
美国美利肯公司开发了一项技术,可使非处方药和保健品塑料瓶的 抗湿性和抗氧化性提高30%;
MHT模具与热流道技术公司开发出了PET血液试管, 质量不足4g,优于玻璃试管;
Rollprint公司与TOPAS先进高分子材料公司合作, 采用环烯烃共聚物作为聚丙烯腈树脂的替代品,以满足苛刻的医疗标准;
美国化 合物生产商特诺尔爱佩斯推出了一款硬质PVC,以取代透明医疗零部件中用到的 PC材料,如连接器、止回阀、Y接头、套管、鲁尔接口配件、过滤器、滴注器和盖子,以及样本容器。
未来医用塑料的发展趋势是开发可耐多种消毒方式的医用塑料,改善 现有医用塑料的血液相容性和组织相容性,开发新型的治疗、诊断、预防、保健 用塑料制品等。
3.药用高分子材料, 药用高分子材料在现代药物制剂研发及生产中扮演了重要的角色,在 改善药品质量和研发新型药物传输系统中发挥了重要作用。药用高分子材料的应 用主要包括2个方面:用于药品剂型的改善以及缓释和靶向作用,此外还可以合 成新的药物。
药物缓释技术是指将衣物表面包裹一层医用高分子材料,使得药物进 入人体后短时间内不会被吸收,而是在流动到治疗区域后再溶解到血液中,这时 药物就可以最大限度的发挥作用。药物缓释技术主要有贮库型(膜控制型)、骨 架型(基质型)、新型缓控释制剂(口服渗透泵控释系统、脉冲释放型释药系统、 pH敏感型定位释药系统、结肠定位给药系统等)。
贮库型制剂是指在药物外包裹一层高分子膜,分为微孔膜控释系统、 致密膜控释系统、肠溶性膜控释系统等,常用的高分子材料有丙烯酸树脂、聚乙 二醇、羟丙基纤维素、聚维酮、醋酸纤维素等。骨架型制剂是指向药物分散到高 分子材料形成的骨架中,分为不溶性骨架缓控释系统、亲水凝胶骨架缓控释系统、 溶蚀性骨架缓控释系统,常用的高分子材料有无毒聚氯乙烯、聚乙烯、聚氧硅烷、 甲基纤维素、羟丙甲纤维素、海藻酸钠、甲壳素、蜂蜡、硬脂酸丁酯等。
我国的高分子基础研究处于世界一流,但是药用高分子的应用发展相 对滞后,品种不够多、规格不完整、质量不稳定,导致制剂研发能力与国际产生 差距。国内市场规模前10大种类分别为明胶胶囊、蔗糖、淀粉、薄膜包衣粉、1, 2-丙二醇、PVP、羟丙基甲基纤维素(HPMC)、微晶纤维素、HPC、乳糖。高 端药用高分子材料几乎全部依赖进口。专业药用高分子企业则存在规模小、品种 少、技术水平低、研发投入少的问题。
目前,药物剂型逐步走向定时、定位、定量的精准给药系统,考虑到 医用高分子材料所具备的优异性能,将会在这一发展过程中发挥关键性的作用。
未来发展趋势是开发生物活性物质(疫苗、蛋白、基因等)靶向控释载体。四、结语 虽然生物医用高分子材料的应用已经取得了一些进展,但是,随着临 床应用的不断推广,也暴露出不少问题,主要表现出功能有局限、免疫性不好、 有效时间不长等问题。如植入血管支架后,血管易出现再度狭窄的情况;
人工关 节有效期相对较短,之所以出现这些问题,主要原因是人体与生俱来的排异性。
生物医用高分子材料隶属于医疗器械产业,其发展备受政策支持。国 务院于2015年5月印发的《中国制造2025》明确指出,大力发展生物医药及高性 能医疗器械,重点发展全降解血管支架等高值医用耗材,以及可穿戴、远程诊疗 等移动医疗产品。可以预见,在未来20~30年,生物医用高分子材料就会迎来新 一轮的快速发展。
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