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聚氨酯材料在医疗行业的应用

作者:admin 来源:http://www.jxpus.com 时间:2016-09-19 16:30 次数:
  1.聚氨酯发展背景
 
  近年来由于社会的不断发展,科学技术水平的进步,全世界对功能性材料的需求越来越大,尤其是生物高分子材料。聚氨酯作为一种重要的生物高分子材料一直是研究的热点,在许多人工器官和医疗装置中发挥着至关重要的作用。
 
  虽然,聚氯乙烯、聚乙烯和硅橡胶等,都早于聚氨酯应用于生物材料领域,但是由于聚氨酯具有如下突出的优点:材料的性能可以调节,物理机械性能范围宽,加工性能好;生物相容性优良;抗扭结性好;表面光滑等,这就使聚氨酯成为一种“理想生物材料”。
 
  2.聚氨酯结构介绍
 
  聚氨酯是一类含有氨基甲酸酯(-NH-COO-)官能团的高分子材料,主要的合成方法是由聚醚、聚酯或聚碳二元醇先与二异氰酸酯进行加成反应,再经扩链剂扩链成高分子,主链分子是由软链段和硬链段嵌段组成,其化学结构可以表示为—(A—B)n—。由于硬段和软段在极性上存在差异且硬段本身的结晶性导致它们在热力学上的不相容性,而具有自发分离的倾向。而聚氨酯的性能本质上是取决于软段和硬段的化学结构及软段/硬段配比,软硬段的微相分离程度对聚氨酯的性能,尤其对血液相容性的影响不可忽略。
 
  3.聚氨酯分类
 
  按材料种类分:医用聚氨酯材料产品可分为医用聚氨酯泡沫、医用生物弹性体、医用聚氨酯黏合剂、医用聚氨酯水凝胶以及医用聚氨酯涂料等。
 
  按照可降解性可分为:非降解性医用聚氨酯材料,力学性能优异、耐磨损性好,因此在长期植入人体的人体器官和医用装置的应用十分广泛;降解性医用聚氨酯材料可应用于人体修复材料、组织工程材料和智能药物缓释材料等。
 
  按用途分:聚氨酯用品包括人工皮肤、人工心脏瓣膜、人工肺、烧伤敷料、各种夹板、导液管、人工血管、骨黏合剂、齿科材料、手术缝合线、计划生育用品等。
 
  按合成物结构分:聚醚型聚氨酯、聚酯型聚氨酯以及聚碳型聚氨酯等等。
 
  4.医用聚氨酯的性能研究
 
  4.1聚醚型聚氨酯
 
  1967年Boretos和Pierce首次将聚醚型聚氨酯用于左心辅助循环血泵,此后,聚醚型聚氨酯就成为了人工心脏和心室辅助循环系统中制造心室腔体的首选材料。
 
  通常地,聚醚型聚氨酯的聚醚软段的玻璃转变温度低于室温,软段的运动性很高,非常容易迁移到聚氨酯的表面,因此聚醚型聚氨酯的最表面没有硬段存在。然而,有研究认为由于聚醚型聚氨酯的聚醚软段的玻璃转变温度较低,在外界环境的影响下,其表面的链段能够转动,表面重排,硬段微区出现在最表面,使其表现出良好的血液相容性。
 
  另外,聚醚中的醚键耐水解,水解表现为交联慢慢断裂,分子量慢慢降低,拉伸强度下降缓慢,与聚酯型聚氨酯相比耐水解性较好。聚醚型聚氨酯被广泛地使用在与血液直接接触的场合,但其本身的生物相容性不足以达到人类的需求,学者一直持续不断地对它进行研究和改性来进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触装置的制造方面得到了较广泛的应用。
 
  下面将三种医疗级聚醚型聚氨酯的原料、性能及商品牌号举例如下:
 
  4.1.1脂肪族聚醚氨酯
 
  以HMDI或六亚甲基二异氰酸酯(HDI)、PTMEG及BD为原料的TPU具有良好的生物相容性、强度及可加工性。如美国Thermedics公司(原Thermo Electron公司)的医用聚氨酯Tecoflex的组成是PT-MEG-HMDI-BD,80年代美国DuPont公司的医用聚氨酯Adiprenelw 500的原料是PTMEG-HDI-BD。
 
  4.1.2芳香族聚醚氨酯
 
  这类TPU以MDI、PTMEG及BD为原料。与脂肪族聚醚氨酯相比,它们具有类似的生物相容性,而物理强度、耐溶剂性及高温可加工性比脂肪族TPU好,是一类应用较早、牌号较多的TPU。其缺点是暴露在光或γ射线下时间长了会变黄。如果操作温度不当可产生亚甲基-4,4’-二苯基二胺(MDA)。
 
  商品牌号有:美国BFGoodrich公司的Estane,美国DOW化学公司(早先的Upjohn公司)的Pellethane,Thermedics公司的Tecothane,Bayer美国公司的Texin,美国JPS弹性体公司的Stevens系列热塑性聚氨酯MP-1880、MP-1882及MP1890<3>,德国Elastogran公司的Elastollan SP806,等等。
 
  4.1.3聚醚脲型聚氨酯
 
  Bayer(美国)公司的Texin 5590是一种脂肪族聚醚脲型TPU,设计用于与血液接触的场合,以及管形材料及导液管等短期植入装置。美国Ethicon公司的医用聚氨酯弹性体Biomer是由PTMEG和MDI反应生成端异氰酸酯基预聚物。在二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中以乙二胺为扩链剂,浇注而成的线性聚氨酯-脲嵌段聚合物。
 
  Corvita公司90年代研制的植入人体器官用TPU弹性体材料Corethane,未透露组成成分,据称它具有与广泛使用的芳香族聚醚聚氨酯相似的性能,但在人体内不会受酶的影响而降解。该公司还在开发研制聚氨酯共聚物以及与其它聚合物的复合材料,用于体内植入物。
 
  4.2聚酯型聚氨酯
 
  聚酯型聚氨酯在聚氨酯工业中,是出现最早的基础聚氨酯材料,其力学机械性能、耐化学品特性优异,至今仍是极其重要的一大类型聚氨酯材料。
 
  一般地,聚酯型聚氨酯的硬度与聚酯的相对分子量有直接的关系,聚酯型聚氨酯的硬度随着聚酯相对分子质量的升高而下降,拉伸强度的变化趋势则相反。这主要是因为聚酯的分子间作用力较强,容易形成结晶。线性聚酯呈蜡状,具有晶状结构,是决定聚氨酯具有良好的物理性能,尤其是弹性、抗张强度和冲击强度等性能都与其结晶度有关系。
 
  然而,结晶性也带来了一定的问题,比如,低温时变硬,或者影响伸长率。与聚醚型聚氨酯相比,聚酯耐水解性能较差,酯基较易水解。随着酯基之间碳原子数目上升,水解稳定性提高,聚酯的水解作用表现为主链断裂,分子量降低,拉伸强度,伸长率急剧下降。然而聚酯型聚氨酯的氢键度高于聚醚型聚氨酯,耐热空气老化性能较好,因此聚酯型聚氨酯仍得到广泛应用。
 
  下面将一种医疗级聚酯型聚氨酯的原料、性能及商品牌号举例如下:
 
  4.2.1芳香族聚酯氨酯
 
  以聚己内酯或聚己二酸酯MDI和BD为原料,这类TPU的强度比PTMEG型聚氨酯的高,但易于水解和受微生物的侵袭。商品有BF Goodrich公司的Estane、Dow化学公司的Pellethane等。
 
  4.3聚碳酸酯型聚氨酯
 
  这种聚氨酯材料中的软段由聚碳酸酯链段构成,在生理环境下,碳酸酯键比醚键更加稳定。聚碳酸酯型聚氨酯软段的玻璃转变温度较高,相混合大,硬段存在于表面,而且在10 nm范围内,有明显的硬段微区。导致不同种类的聚氨酯的表面结构差异的原因是由于本体结构与表面结构密切。相对于聚醚聚氨酯,在医用材料的长期移植中,脂肪族聚碳酸酯型聚氨酯有更好的生物稳定性和生物相容性。此外,由于软段的聚碳酸酯结构与聚醚结构相比在更大程度上限制了链段的运动,因此聚碳酸酯聚氨酯的纯水透过率和生理介质的透过率都远远低于聚醚型聚氨酯,在相同膜厚度的条件下,聚碳酸酯聚氨酯的水蒸气透过率比聚醚型聚氨酯低2-4倍。实验表明,聚碳酸酯聚氨酯表面的血小板粘附数量与聚醚型聚氨酯相比大大减少,同时,对补体的激活程度也明显降低。同时,与聚醚聚氨酯相比,PCU在小直径血管和内部血管治疗中,显示出了更好的向内生长能力。此外,PCU最大的优点是比聚醚聚氨酯优秀的耐氧化稳定性。聚碳酸酯聚氨酯也具有长期移植后材料柔顺性的损失小和表面性能突出的特点。
 
  下面将两种医疗级聚碳型聚氨酯的原料、性能及商品牌号举例如下:
 
  4.3.1脂肪族聚碳酸酯氨酯
 
  这类TPU以HMDI、聚碳酸酯二醇为原料。它具有与聚醚氨酯类似的生物相容性,耐氧化降解性及生物稳定性更好,有良好的强度和操作性。商品有Thermedics公司的Carbothane、PolyMedica工业公司的Chronoflex等。这种TPU能抵抗酶诱发的降解,用于人造心脏及血管。
 
  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。它具有与脂肪族聚碳酸酯氨酯类似的生物稳定性及生物相容性,芳香族聚氨酯的强度和耐溶剂性,缺点是可能产生MDA及黄变。商品有美国聚合物技术集团公司的Bionate等。
 
  5.聚氨酯的改性
 
  国内外的研究报道有许多聚氨酯改性方法,主要有聚氨酯本体改性、表面化学接枝修饰、等离子体技术表面修饰、光固定法、超分子化学改性等。
 
  5.1聚氨酯本体的改性
 
  本体改性是指通过调节聚氨酯结构的软段或硬段的结构、长度及分布,来改变相对比例和相对分子质量,或把将软段或硬段上接枝其它分子链,通过共混、互穿聚合物网络等方法,用来调节聚氨酯的性能。
 
  5.2表面化学接枝修饰
 
  人们尝试在聚氨酯表面附加各种细胞黏附因子如胶原、纤维粘连蛋白、白蛋白等,使材料表面更生物化、更接近细胞生长的生理条件,进而改善内皮细胞在聚氨酯材料表面的粘附和生长的问题,近年,在聚氨酯材料表面固定 RGD三肽序列成为一种提高内皮细胞黏附和生长的重要途径,这已在多种生物材料的有关研究中得到证实。
 
  5.3等离子体技术表面修饰
 
  聚氨酯材料表面性能受到聚合物的化学性质、表面结构及表面处理方式的影响。等离子体技术处理聚合物材料的表面可以使其表面富含活性基团,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光固定法修饰
 
  光固定法是指将具有特定作用、功能的分子或组分通过紫外或可见光偶联到材料表面的方法。它在改善材料表面性能的同时,不影响材料的基体性能。
 
  5.5超分子化学改性
 
  超分子化学是基于分子间的非共价键相互作用而形成的分子聚集体的化学超分子组装过程,是生物体系中形成复合、功能结构的重要手段,它提供了一种通过设计分子和超分子实体,利用形体互补原则获得预期结构的纳米设计和制备手段。和传统的表面修饰不同,超分子表面修饰技术不单单地通过化学组分的共价键进行修饰,而是在组成修饰的基础上,通过对基于非共价键的作用控制,实现对表面二维、甚至三维微观结构的设计,实现对材料表面更精确的修饰。
 
  6.医用聚氨酯的应用现状
 
  聚氨酯材料因为其特殊的化学结构、具有良好的生物相容性和血液相容性、优异的物理机械性能、加之稳定性好,广泛应用于医学领域。20世纪50年代以来,聚氨酯弹性体开始应用于医用材料,70年代开始聚氨酯作为一种医用材料已受到重视。到了80年代初,用聚氨酯弹性体制作人工心脏移植手术获得成功,使聚氨酯材料在生物医学上的应用得到进一步的发展。至今已经历了50多年的历史,其产品包括人工心脏辅助装置、医疗导管和人造血管、聚氨酯敷料、聚氨酯医用薄膜制品、人造皮、假肢、聚氨酯绷带、人工肾、人工肺、人工肝脏等。
 
  6.1人工心脏辅助装置
 
  医用聚氨酯在血液相容性和生物相容性方面,比硅橡胶和天然橡胶更好,是人工心脏及其辅助装置的最佳材料。人工心脏上用的聚氨酯弹性体隔膜材料,为聚醚型热塑性聚氨酯,其组成成分一般是聚四呋喃醚二(PTMEG)—MDI(或HDI)—BD或乙二胺,溶液浇注或注射成型。为利用硅橡胶的优异生物相容性,也有采用聚氨酯-硅烷嵌段共聚物。用于人工心脏隔膜及包囊的弹性体,80年代初研制成功的聚氨酯弹性囊,经试验,其耐曲挠超过5亿次,开始用硅橡胶和天然橡胶制作人工心脏气囊,应用于人工心脏获得成功。故世界各国研制人工心脏及其辅助装置的材料,都倾向于使用聚氨酯材料。
 
  6.2医疗导管和人造血管
 
  聚氨酯弹性体具有优异的机械强度、柔韧性、耐磨性以及生物相容性,可用于各种医用胶管管材,如胃镜软管、导液管、输液管、导尿管等,产品满足韧性、弹性和无毒等医用要求,且在制作工艺上无变形,管径均匀,表面光洁。
 
  聚氨酯是一种弹性优良的功能高分子材料,由聚氨酯制作的血管表现出良好的血液相容性,无致血栓性,可减少血管内膜增生。
 
  6.3聚氨酯敷料
 
  新型敷料,特别是新型聚氨酯敷料不断出现,医用聚氨酯敷料大多为两层结构,内层为聚氨酯基泡沫(海绵),外层是聚氨酯基弹性体薄膜。内层结构亲水、吸收伤口表面的渗出液,减少感染,加之优良的柔软性,可以和创面较好的贴合,减少伤口区域的不适和疼痛。外层薄膜结构,具有隔菌、透湿、透气、防水的功能,保持一定的温度和湿度,从而营造一个有利于伤口愈合的创面环境。聚氨酯敷料具有良好的柔软性、弹性、耐磨性和抗撕裂性,可以使敷料随皮肤一起运动而不易破坏。
 
  6.4聚氨酯医用薄膜制品
 
  医用聚氨酯能够通过溶液浇注成型或挤塑、吹塑成型制成薄而韧的薄膜。这种薄膜具有较高的强度和弹性,聚氨酯薄膜拉伸强度高,伸长率大,拉伸后回到原来的尺寸而无明显的形变。它们不含增塑剂,能长期、并在较宽温度范围保持其柔韧性,还具有良好的透气性、耐药品性、耐微生物、耐辐射性能,可用于多种医疗卫生用途,如灼伤覆盖层、伤口包扎材料和取代缝线的外科手术用拉伸薄膜、用于病人退烧的冷敷冰袋、一次性给药软袋、填充液体的义乳、避孕套、医院床垫及床套等。以聚氨酯薄膜为囊避材料、采用液体填充而成的义乳,手感柔软,与皮肤接触无异物感,放入高档胸罩中,适合于乳房手术者及女性乳房偏小者佩戴,效果逼真,国内已有生产。
 
  6.5聚氨酯人造皮
 
  采用聚氨酯弹性体软泡沫可制作人造皮,聚氨酯人造皮与皮肤手感柔软,且透气性好,能促使表皮加速生长,可防止伤口水份和无机盐的流失,以及阻止外界细菌进入,可防止感染。一种聚氨酯人造皮是用两种泡孔不同的软质聚氨酯薄片,通过特殊技术层压而成。孔径小的一片与外界空气接触,孔径大的一片与伤口创面接触。聚氨酯人造皮可适用于三度烧伤病人,这种聚氨酯人造皮在制造后用钴-60照射杀菌或蒸汽消毒,密封在纸塑复合袋中可长期保存。
 
  6.6假肢
 
  共聚醚脲型聚氨酯弹性体或聚醚型聚氨酯与人体组织有很好的相容性,可以用来制作人体假肢。聚酯聚氨酯泡沫弹性体可制作假脚。水发泡聚氨酯弹性体可制作假肢护套,其表面模仿人的真正皮肤,很容易洗涤,这种护套有很好的物理和机械性能,特别是在耐磨性能方面超过乳胶护套。
 
  6.7聚氨酯绷带
 
  用聚氨酯材料制作的绷带,操作简便、使用卫生、固化速度快、质轻层薄、坚而韧,不易使皮肤发炎,是一种较为理想的新型矫形材料,代替了骨折病人一般使用的石膏绷带,避免了石膏存在的很多缺点和不足,比如,质重、强度低、透气性差,特别在夏天,病人感到不舒服,而且石膏的透X射线能力差,固定后也不便检查复位情况。
 
  6.8其它应用
 
  聚氨酯弹性体还可用于制假牙和修补假牙上,这种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胶可作为隐形眼镜材料。在人工肾、人工肺、人工肝脏等方面,高分子分离膜已逐渐代替纤维素膜。采用双组分聚氨酯胶料,采用离心浇注的方法浇注在高分子中空纤维肾的末端周围,而形成聚氨酯弹性体密封的肾分离膜,可把血液和渗析物分离开来。聚氨酯弹性材料可制作的人造软骨,具有很好的减震性能,优异的生物相容性及弹性和低的摩擦系数,类似于人类的软骨,所以可用来制作肘部和腿部的人工骨或软骨。
 
  7.结语
 
  医用聚氨酯由于其特殊的结构,使其具有结构性能设计自由度大、优异的物理机械性能以及较好的生物相容性等优势,因此被广泛地应用于医用材料。但聚氨酯的生物相容性还不能完全满足临床医用要求,解决此类问题是今后研究的重点。
 
  除了将其生物相容性改良外,现在国内也已开始对可生物降解聚氨酯制造药物缓释材料、组织工程材料和人体修复材料等进行研究,国内应该加强医用聚氨酯材料的研究和临床试验,形成系列化和规模化,满足广大患者的需求。
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