聚氨酯醫學運用范文
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1人體修復用材料
1.1醫用膠黏劑
具有生物相容性并且能夠生物降解的親膚性聚氨酯黏膠適合于用做傷口敷料[6]。其基本形態由多醇與二異氰酸酯配合而成的有雙末端異氰酸基的預聚物。當遇到滲出的體液、血液等后,聚氨酯系膠黏劑通過以高反應性異氰酸基為中心的復雜交聯反應,就能在短時間內最后變成柔軟的黏接力較大的彈性體狀生成物。這種聚氨酯具有黏稠的特性,并且能夠包容其它的一些藥物,如:活性藥劑,局部麻醉劑,抗生素,局部類固醇藥,酵素,組織興奮劑,凝結劑及抗凝劑,抗真菌劑等[7]。松田等開發了用有全氟烷撐基的氟化脂肪族二異氰酸酯、1、1、6、6-四氫全氟己撐二異氰酸酯(OCN-CH2C4F8CH2-NCO)制造的醫用彈性膠黏劑(特開平1-227762)。其Ames實驗呈陰性,致癌可能性小;與使用結構大致相同的多醇制造的TDI系列黏膠相比,其在水中的黏接力較大,硬化物的彈性模量較低,礦柔軟性優良,且有水解速度快的優點。這就是說,這種醫用彈性黏膠能在數周內保持黏接力直到身體組織依靠本身的再生能力牢固的接合,而在發揮應有的作用之后又能分解成安全性的物質,迅速地排泄出身體。因此可認為這種氟化二異氰酸酯制造的醫用彈性黏膠具有高的可靠性[8]。
1.2人工皮膚(創口覆膜)
創口覆膜是創傷區(如燒傷、灼傷)皮膚再生前的臨時替代膜和保護膜。其要求是具有黏性、彈性、柔順性、細菌不透過、易操作、無毒以及高的水蒸氣透過性(以避免覆膜下的液體在創口處積聚),并且也允許適當的水蒸氣能從覆膜滲透以防止創面的干縮。為避免更換覆膜給新生皮膚帶來的損傷,現很多研究者均在研究將生物降解材料作為創口覆膜。Yannas和Burke描述了用于覆蓋在全皮(燒傷)創面的雙層人工皮膚的概念。其底層是可生物降解的,多孔的,它的功能為使皮膚再生的臨時替代膜。其頂層是透氣防水保護膜。根據這一概念Bruin等[9]最新研究合成了一種皮膚替代物,其頂層為微孔透氣性防水防菌聚醚聚氨酯,而隔離底層為可生物降解的聚酯型聚氨酯彈性體網狀結構。這種設計能迅速降解出無毒降解產物,從而可使覆膜從創面上毫無痛苦的剝離而不損傷其新生表皮。通過對鼠中厚皮創口愈合的研究,發現用該覆膜覆蓋的創口手術后2d的上皮再生率為85%,而用常用的覆膜裹覆或暴露于空氣中的創口再生率分別為66%和35%。用該覆膜覆蓋的創口在手術后3d可獲得100%的上皮再生,比其它的創口提前了1d。在覆膜使用過程中,其隔離底層逐漸降解,因此手術后5d覆膜既可從創面上毫無痛苦的剝離而不損傷其新生表皮。通過臨床和組織學觀察,其愈合程度較好,且極大的減輕了傷者的痛苦,因此在臨床上具有良好的發展前景。
1.3引導性組織再生材料
引導性組織再生是用外科手術方法放置一物理屏障來分隔不同的組織,其主要目的是建立一能使生物再生功能得到最大程度發揮的有利環境。傳統的引導性組織再生材料采用非降解性材料制成,在細胞再生完成后依然存在,會引起機械摩擦和機體的炎癥反應。所以目前的研究方向是以生物降解材料來制作引導性組織再生材料。作為合適的生物降解型引導性組織再生材料,應當具備以下性質[10]:良好的彈性和生物相容性;材料降解時間與組織再生時間平衡;降解產物不會引起體內的不良反應。神經導管(NGCs)是一種引導性組織再生材料,它為臨床上具有難度的較大的神經斷裂的修復提供了一種可能。Borkenhagen等[11]以聚[(R)-3-羥基丁酸-co-3羥基戊酸]二醇(PHB),和聚[乙交酯-己內酯]進行共縮聚,并以2,2,4-三甲基環己烷二異氰酸酯(TMD)為擴鏈劑制成了相分離的彈性嵌段PU。用此材料制成NGCs并經環氧乙烷蒸汽消毒后,植入雄鼠體內,用于其坐骨神經的修復。神經斷端用尼龍線縫合。觀察發現,植入4周后,再生神經組織的軸索已經形成,所有NGCs的軸線上均出現大的裂縫。植入12周后,軸索的密度未變,但其平均體積顯著增大。而NGCs表面產生了很多裂縫,導管斷分裂為2～3片。24周后,神經軸索的狀態基本穩定下來,并且很難在新生組織區分辨出導管材料。即材料降解時間與組織再生時間可以達到平衡。整個過程中,聚合物降解的碎片引起的炎癥反應主要集中在碎片表面,并未影響到再生的神經組織(這可能是因為該PU材料的降解產物較小,可被巨噬細胞吞噬)。可以得出結論,該PU聚合物系統適合用作引導性組織再生材料,其降解時間與新生神經組織的生成和定形時間較吻合,且降解產物不引起炎癥反應。再加上該材料極低的膨脹率和良好的彈性、生物相容性,就較之其他的可吸收材料有了更大的優勢。
1.4醫用縫線
一些學者進行了生物降解型聚氨酯作為醫用縫線的探討。如Alok等[12]報道生物降解型聚氨酯具有良好的加工成型性,機械強度高,作為手術后縫線力學強度好,但因降解較慢,因此至今未見其臨床應用報道。
2作為智能藥物緩釋材料
目前,在藥物緩釋材料的研究中,對“用智能材料,使藥物釋放體系(DDS)智能化——即生物響應給藥系統”的研究成為其中的熱點[13]。該體系的特點為藥物是否需要可由藥劑本身判斷。它可以感知疾病所引起的化學物質及物理量變化的信號,藥劑能對信號響應,并自主的控制藥物釋放。例如由于腫瘤細胞表面富集神經氨酸,其微環境比正常細胞更顯酸性,因而可將PH響應藥物釋放體系應用于腫瘤化療等[14,15]。Woo等[16]設計了一種將無毒的HDI和PCL以及喹啉共聚而得到的新型的抗生素釋放系統,當感染癥狀出現時,由炎癥釋放出的尿素可觸發含有抗生素的聚酯聚氨酯聚合物的降解,以引起抗生素的釋放,加速藥物的傳輸。這種抗生素釋放系統被直接的應用于植入人體的醫療裝置的表面,以防止細菌感染。相比起傳統的用于防止醫療裝置植入性感染的方法(如:表面改性、直接涂附抗生素等),它具有以下一些優點,其實用效果更加明顯:(1)在細菌黏附生長以前就可將其殺死;(2)明顯提高了感染區域的抗生素濃度;(3)抗生素在較長時間內保持高濃度,不會產生短時的快速流失。為了驗證其降解性能,聚合物以用14C放射性同位素標記的HDI合成。在降解實驗中根據聚合物放射性的減少速率推算出聚合物以2.09×105每分鐘(dpm)/mg的速率分解,并且前10d的分解速率很快,后來就越來越慢了。可以預見,智能化、微囊化藥物的成功應用將全面促進新型生物醫學高分子材料的應用與開發。
3作為組織工程材料
降解型組織工程材料利用其降解特性,可使表面不斷更新,為組織提供不斷變化的黏附和生長界面,其降解速率和降解產物均會對細胞的黏附、分化、繁殖造成很大影響。若降解產物呈酸性,會加速降解,并抑制細胞和組織的生長[17]。目前研究最多的高分子材料是聚乳酸(PLA)和聚羥基乙酸(PGA)以及它們的共聚物,其生物相容性、可降解性,易加工性好,適合用做組織工程材料。但其降解后的酸性代謝物會降低聚合物周圍的pH值,從而影響細胞和組織的生長,且其降解率低,植入身體后可導致纖維化,有可能發生周圍組織的免疫反應,再加上其細胞黏附性差,費用昂貴,可塑性不滿意等缺點,使人們考慮使用其他的材料[18,19]。Jian等[20]開發了以肽為基礎的泡沫型聚脲聚氨酯作為組織工程材料。其獨特之處在于該聚合物由賴氨酸、脂肪族二異氰酸酯和甘油(丙三醇)組成,其降解產物-賴氨酸、甘油、乙醇等均為無毒。除此以外,該聚合物還有以下一些優異性質:在材料中允許加入蛋白質(蛋白質的存在是細胞附著及生長的要素),可局部提升微環境,以使細胞形成和興奮的外部條件達到最優;該交聯型聚氨酯泡沫有很多氣孔,不僅增大了材料的表面積(使細胞的附著更為容易),而且有利于帶有養分的流體在其中自由循環以促進細胞的新陳代謝。并且孔與孔相通使細胞在體外遷徙成為可能;在不同溫度的降解實驗說明,該高聚物可以在足量溶液中降解,且降解產物不會顯著影響環境的pH值及抑制細胞和組織的生長;可通過改變官能團而調節該聚脲聚氨酯的物理機械性能。將兔骨髓基質細胞(BMSC)以三氯甲烷(TCM)為溶劑,在消好毒的聚合物上孵育4h后,通過SEM可觀測到BMSC細胞的附著。細胞種植5d后,測試生長在這種泡沫型聚脲聚氨酯上的和聚苯乙烯組織種植盤中的由BMSC合成的Ⅰ型膠原的量,以測定細胞活性。結果發現二者無顯著差別,由此說明這種泡沫型聚脲聚氨酯降解產物對細胞活性沒有影響。測試聚合物在60d內,于磷酸緩沖溶液(PBS)中降解所產生的賴氨酸總量來測定其降解率。結果發現它在100℃下沸水煮6h僅有2%的聚合物降解,說明該泡沫型聚脲聚氨酯具有承受短時高溫的熱穩定性,可以用高溫消毒法進行消毒。其降解率在22℃時為37℃時的150%,4℃時幾乎為37℃時的195%.37℃時降解速率為1.8mm/10d。用掃描顯微鏡間歇性觀察種植于高聚物上的BMSC細胞,發現細胞分布于材料表面,4～6h后細胞逐漸黏附于材料上,7d后觀察,這些細胞的形態學特征及其生長率與生長在聚苯乙烯組織盤中(作為細胞生長狀態評價的基本樣品)的細胞十分近似。綜上,我們可以判斷這種泡沫型聚脲聚氨酯具有良好的生物相容性和機械性能,能較好地支持細胞的生長,作為一種組織工程材料,它必有很好的應用前景。
4作為外科用材料
目前,生產醫療上使用的導管、手套、圍裙以及其它薄壁制品等使用的主要原料仍然是天然橡膠(NR)。由于天然橡膠在加工過程中要加入硫化劑,加工助劑等,若以這樣的制品與人體體液接觸,一些對人體有害的低分子物則會被抽提出來,如以萃取液做細胞毒性實驗表面,則10%NR制品對細胞顯示強烈毒性[21],由NR制造的輸液系統和模壓零件會引起細胞變形,消失或停止其繁殖,這就在一定程度上限制了NR在醫療上的應用。后來開發的一系列乳膠代用合成材料則由于其耐腐蝕性好,在自然環境中難以降解,且使用量很大,而造成了嚴重的環境污染,因此對具有良好生物相容性、易于大批量生產,且能生物降解的材料的研究成為必然[22]。陳大俊等[23]報道了以淀粉為多元醇合成生物降解型PU彈性體的報道,其膜的斷裂伸長率可達到900%,具有良好回彈性,且價格便宜,適用于制作大用量的產品,具有良好的市場前景。
5結論
生物降解型聚氨酯具有生物相容性、機械強度好,易加工成型,價位較低等優異特點是一類具有良好市場前景的醫用材料。目前對生物降解型聚氨酯的研究重點集中在控制其降解速率,尋找新型經濟型無毒配方,探索無毒環保型的生產工藝,進一步改進其生物相容性等方面。可以預見,在更為重視健康和環保的21世紀,生物降解型聚氨酯材料必將有非常廣闊的應用前景。
