有機(jī)硅高分子材料在造福人類上的應(yīng)用與貢獻(xiàn)
來源:360+唐明揚(yáng) 作者:強(qiáng)力化工 發(fā)布時間:2022-12-27 12:12 閱讀次數(shù):2650

醫(yī)用高分子材料是指那些可用以診斷、治療、修復(fù)或替換機(jī)體中的組織、器官或增進(jìn)其功能的具有優(yōu)良性能的高分子聚合物材料,是一門新興的邊緣學(xué)科,它涉及材料、生物、醫(yī)學(xué)、物理、化學(xué)、制造以及臨床醫(yī)學(xué)等諸多學(xué)科領(lǐng)域。



自古以來,人類就不斷與疾病和傷殘作斗爭,以求得自身和社會的生存和發(fā)展。早在公元前3500年,埃及人就用棉花纖維、馬鬃縫合傷口。墨西哥印地安人用木片修補(bǔ)受傷的顱骨。公元前500年的中國和埃及墓葬中發(fā)現(xiàn)假牙、假鼻、假耳。進(jìn)入20世紀(jì),高分子科學(xué)迅速發(fā)展,新的合成高分子材料不斷出現(xiàn),為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域提供了更多的選擇余地。1936年發(fā)明了有機(jī)玻璃(PMMA)后,很快就用于制作假牙和補(bǔ)牙,至今仍在使用。1943年,賽璐珞薄膜開始用于血液透析。1949年,美國首先發(fā)表了醫(yī)用高分子的展望性論文。在文章中,第一次介紹了利用PMMA作為人的頭蓋骨、關(guān)節(jié)和股骨,利用聚酰胺纖維作為手術(shù)縫合線的臨床應(yīng)用情況。50年代,有機(jī)硅聚合物被用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,使人工器官的應(yīng)用范圍大大擴(kuò)大,包括器官替代和整容等許多方面。此后,一大批人工器官在50年代試用于臨床。如人工尿道(1950年)、人工血管(1951年)、人工食道(1951年)、人工心臟瓣膜(1952年)、人工心肺(1953年)、人工關(guān)節(jié)(1954年)、人工肝(1958年)等。 進(jìn)入60年代,隨著各個學(xué)科的發(fā)展,醫(yī)用高分子材料開始進(jìn)入一個嶄新的發(fā)展時期,作為一門邊緣學(xué)科,融和了高分子化學(xué)、高分子物理、生物化學(xué)、合成材料工藝學(xué)、病理學(xué)、藥理學(xué)、解剖學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)等多方面的知識,還涉及許多工程學(xué)問題,如各種醫(yī)療器械的設(shè)計、制造等。上述學(xué)科的相互交融、相互滲透,促使醫(yī)用高分子材料的品種越來越豐富,性能越來越完善,功能越來越齊全。

我國作為世界人口最多的國家, 生物材料的市場潛力十分巨大。據(jù)民政部門報告: 我國現(xiàn)有的肢體不自由患者已超過1 500 萬, 其中肢殘患者約800 萬;由類風(fēng)濕引發(fā)的大骨節(jié)病患者有數(shù)百萬; 冠心病患者已超過1 000 萬; 白內(nèi)障盲人約500 萬; 牙缺損和牙缺失患者高達(dá)3 億~ 4 億人; 肝炎病毒攜帶者1. 2 億; 心血管病患者2 000 萬;需計劃生育的育齡婦女2 000 萬; 伴隨人口老齡化( 60 歲以上的老年人口已達(dá)1. 39 億人, 約占全國人口的10. 69%) 的骨質(zhì)疏松患者7 000 萬; 每年由于疾病、交通事故和運(yùn)動創(chuàng)傷等造成的骨缺損和缺失患者人數(shù)近1 000 萬人;需要進(jìn)行顱頜面和胸部美容整形的人數(shù)有千萬人。這還不包括數(shù)目龐大的各類軟組、血液和器官疾病患者人數(shù)。 


在美國等發(fā)達(dá)國家,還未見有像中國民政部發(fā)布的那些全面需求數(shù)據(jù)的報道,僅見有美國一些不完全數(shù)據(jù),如每年有數(shù)以百萬計的人患有各種組織、器官的喪失或功能障礙, 需進(jìn)行800 萬次手術(shù)進(jìn)行修復(fù), 年耗資超過400 億美元, 器官衰竭和組織缺損所需治療費(fèi)占整個醫(yī)療費(fèi)用的一半。

隨著人民生活水平的提高和對生命質(zhì)量的追求, 我國對醫(yī)用高分子材料的需求也會不斷增加。

2 醫(yī)用高分子材料在醫(yī)療器械中的應(yīng)用



用途

功能

主要使用的高分子材料

人工血管

置換病變血管或進(jìn)行搭橋手術(shù)

聚酯纖維、真絲、膨體聚四氟乙烯、聚氨酯、

人工瓣膜

置換病變瓣膜

聚氨酯、聚四氟乙烯、低溫同性碳、硅橡膠、聚酯纖維

人工臟及心臟輔助裝置

置換心臟或加強(qiáng)病變心臟的功能

聚氨酯、聚氯乙烯、硅橡膠、天然橡膠、Aveothane-51

心臟補(bǔ)片

心臟修復(fù)手術(shù)

聚四氟乙烯、聚酯纖維

人工血漿

代替血漿、血液增容

右旋糖肝、羥乙基淀粉、聚乙烯基吡咯烷酮、聚N-羥丙基丙基烯酰胺

人工血紅蛋白

代替紅血球輸運(yùn)氧氣

全氟三丁胺、全氟三丙胺、環(huán)氧乙烷與環(huán)氧丙烷共聚物乳膠

人工玻璃體

填充眼球玻璃體腔

硅橡膠海綿、聚四氟乙烯海綿、骨膠原

人工晶狀體

嬌治白內(nèi)障

甲基丙西酸甲酯、甲基丙西酸羥乙酯共聚物、聚丙烯、有機(jī)硅凝膠

人工角膜

提供光線傳遞到視網(wǎng)膜的透徑

甲基丙烯酸酯類共聚物水凝膠、共聚滌綸、硅橡膠

人工淚管

嬌治淚道慢性阻塞

硅橡膠、聚甲基丙西酸酯、

隱形眼鏡

矯正視力,治療角膜疾患

聚甲基丙西酸羥乙酯及其與乙烯基吡咯烷酮的共聚物、硅橡膠、聚氨基酸、甲殼素衍生物

耳鼓膜

康復(fù)聽力

硅橡膠

人工中耳骨

代替病變中耳骨,康復(fù)聽力

聚四氟乙烯與碳纖維復(fù)合物Froplest、聚甲基丙西酸乙酯與羥基磷灰石共混物Geravial、 甲基丙西酸甲酯與苯乙烯共聚多孔骨水泥、聚乙烯

人工食道

食道根除術(shù)后重建食道

硅橡膠滌綸復(fù)合物、聚乙烯、聚四氟乙烯、天然橡膠

人工喉

喉頭切除后發(fā)音功能恢復(fù)

硅橡膠滌綸復(fù)合物、膨體聚四氟乙烯、聚氨酯、聚乙烯、尼龍、聚甲基丙西酸甲酯

還需不斷完善的有人工腎、人工心臟、人工肺、人工胰臟、人工眼球、人造血液等。另有一些功能較為復(fù)雜的器官,如人工肝臟、人工胃、人工子宮等。則正處于大力研究開發(fā)之中。從應(yīng)用情況看,人工器官的功能開始從部分取代向完全取代發(fā)展,從短時間應(yīng)用向長時期應(yīng)用發(fā)展,從大型向小型化發(fā)展,從體外應(yīng)用向體內(nèi)植入發(fā)展、人工器官的種類從與生命密切相關(guān)的部位向人工感覺器官、人工肢體發(fā)展。


有機(jī)硅材料的特有性能

醫(yī)用高分子材料是與人體組織和體液直接接觸,除少數(shù)金屬、陶瓷和碳素外,絕大部分是橡膠、纖維、模型塑料等合成高分子材料。以它們?yōu)樵牧现瞥龅娜斯づK器,即具有部分或全部代替人體某一器官功能的器件,有的只需在體內(nèi)短期使用,如插入器件(導(dǎo)液管等),有的如用于體內(nèi)埋置和組織工程用生物醫(yī)用材料則需在體內(nèi)停留較長時間,甚至整個生命期。因此對這類材料有嚴(yán)格的要求:(1)必須無毒,而且是化學(xué)惰性的。(2)與人體組織和血液相容性要好,不引起刺激、炎癥、致癌和過敏等反應(yīng)。(3)有所需的物理性能(尺寸、強(qiáng)度、彈性、滲透性等),并能在使用期間保持其不變。(4)容易制備、純化、加工和消毒。

有機(jī)硅具有Si-O-Si類似石英結(jié)構(gòu)的骨架,其鍵能達(dá)444(kJ.mol-1 ),遠(yuǎn)高于其他含C聚合物,這意味著要有更高的溫度才可使它斷裂,由于鍵能高于300 nm紫外光的能量、側(cè)基受到保護(hù)且不含雙鍵,所以不易為大氣中的紫外線和臭氧分解。有機(jī)硅的這種耐高溫、耐老化(包括生物老化)和耐紫外性能,使得由它制成的醫(yī)用制品可經(jīng)高溫、輻照消毒、或長期植入人體而性能不變。

聚硅氧烷分子間作用力小,表面張力弱(MM的表面張力僅15.9MN/m,為表面張力最小的液體),因而表面能小,所以有機(jī)硅具優(yōu)異消泡性能。這開辟了它在醫(yī)療上治療腹脹、肺水腫等疾病的應(yīng)用領(lǐng)域,有機(jī)硅的良好不粘性,使得它在腹部手術(shù)中用作防止腸粘連的潤滑劑,它的成膜性和高的熱容量,使得有機(jī)硅在日用化妝品上也得到廣泛應(yīng)用。

聚硅氧烷分子自由體積大,分子彼此間距離也大,作用力小,恰如具微孔結(jié)構(gòu)一般,使得低分子氣體易于從分子自由體積間的空隙穿越,因而具有良好的透氣性,通常為一般合成材料的20倍。有機(jī)硅的透氣性,使得它在制造氣調(diào)窗、半透膜、富氧膜以及某些醫(yī)用材料上獲得了應(yīng)用。

有機(jī)硅原料易得、還易于加工成型的,硅橡膠可通過擠出、模壓、流延等加工手段制成各類形狀的制品。

綜上所述,由于有機(jī)硅的耐生物老化、良好的生物穩(wěn)定性和物理、機(jī)械性能,、易加工成型,、原料易得,、便于消毒滅菌等一系列優(yōu)點,因此受到人們普遍關(guān)注, 已成為生物材料中用途廣、用量大的品種之一。 

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