医用高分子材料的生物相容性剖析

医用高分子材料的生物相容性研究进展 戴立亮20090413310005 材料与化工学院 材料科学与工程0901班 摘要医用高分子材料作为医用生物材料中的一大类，在现代医疗中起着越来越 重要的作用。医用高分子材料常常应用于制作人工脏器以及一些可控药物的载体 直接进入人体。对人体来说，植入的材料不管其结构、性质如何，都是外来异物。 出于本能的自我保护，一般都会出现排斥现象，这种排斥的严重程度，决定了材 料的生物相容性【1】。高分子材料的生物相容性是其能否作为合格医用材料的关 键因素。所以，目前研究医用高分子生物材料的生物相容性是个热点。本文从概 念、进展、应用、发展趋势等方面评述医用高分子生物材料生物相容性研究进展。 并在最后作出结论和个人观点。 关键词医用高分子材料；外来异物；排斥；生物相容性；合格医用材料 ［前言］ 古代人已经开始用天然高分子材料治病，古埃及人用棉线和马鬃等做伤口缝 合线，中国人使用假牙假肢，印第安人用木片修补颅骨。1851年发明天然橡胶 的硫化法后，用天然高分子硬胶制作人工牙托和额骨。1936年邮寄玻璃用于临 床。1943年赛璐珞薄膜用于血液透析。1950年后高分子材料大发展。1970年后 高分子生物医学材料开始大量应用【2】。本世纪末以来，人类社会出现人口老龄 化的现象且人们对生活质量追求越来越高，一些脏器和组织需求量加大，人体自 身移植和其他个体移植远远不能满足需求，高分子医用材料制品应用越来越广， 前景可观，是各国各地区研究的重点课题。 医用高分子生物材料具有大多数金属材料和无机材料难以满足的优势。合成 高分子材料与生物体天然高分子有着极其相似的化学结构，而且来源丰富， 能够长期保存、种类繁多、性能可变化、范围广，如从坚硬的牙齿和骨头、强韧 类似筋腱和指甲，到柔软而富于弹性的肌肉组织、透明角膜和晶状体等，都可用 高分子材料制作，而且可以加工成各种复杂形状。医用高分子生物材料在医用生 物材料中占据绝对优势。 但是，高分子材料在医用中也需要考虑生物相容性。生物相容性是指合成材 料与有机体制和血液之间的适应性。尽管高分子材料与金属和陶瓷相比，其结构 与性能等方面更接近于天然高分子，但对于肌体来说，这毕竟是异物。生物体与 高分子接触时，如果材料生物相容性欠佳，生物体就会显现出排斥异物的本能， 会出现发炎、过敏或血凝固等不良现象甚至发生致癌或影响免疫系统等严重后 果。为了避免这些不良反应的发生，在医用中要求高分子材料具有良好的生物相 容性。 高分子生物相容性考察包括1.短期急性组织反应。可进行水或生理盐水的 溶出物数量、种类、毒性测定；材料中残存单体、中间体和添加物的抽出、提出 和毒性试验。毒性试验是采用将材料的浸出液或提取液作动物体内注入、灌胃等方式测定，或对眼睛粘膜刺激性等进行检测。2.中期发热原试验、溶血试验、细 菌培养和细胞生长等。3.长期皮下包埋、体内移植、排异性和致癌性等。高分子 材料的老化性、降解性和生物降解性也是实验内容【2】。 各种植入体将直接与人体组织细胞接触，一些人工血管、人工心脏瓣膜、人 工内脏、血管内导管、血管内支架还直接与血液接触。各种不同材料、不同结构、 不同形状、不同表面处理的植入体与不同组织、细胞、血液长期或短期接触均将 产生不同反应。以下是各种生物排斥反应如下【3】。 一血小板血栓（血小板黏附激活） 凝血系统激活 血液纤溶系统激活 生物相容 性反应 反应溶血反应 白细胞反应 细胞因子反应 J蛋白粘附 厂补体系统激活 免疫 yJ 体液免疫反应（抗原一抗体反应） 反应］细胞免疫反应 炎症反应 组织 反应 细胞粘附 细胞增殖（异常分化） 形成囊膜（假内膜） 细胞质的转变（诱变） 「一物理性质变化 I材料Y 反应 J化学性质变化 由上图可见，生物相容性反应异常复杂，而且对人体影响非常之大，直接决 定了高分子材料植入手术的成功与否，考虑人体对各种高分子植入体的排斥反应 是高分子材料使用于医疗的前提条件。 材料与机体之间的相互作用使各自的功能和性质受到影响。这种影响不仅能 使生物材料变形，更重要的是对机体造成各种危害，通过许多动物实验和医疗临 床检验，人们总结出各种排斥反应的出现因素和人体的病态反应及症状。下图为 材料与机体相互作用反应示意模式图【4】。 物理性质变化 _r 机械相互作甲 急性全身毒性 大小形状弹性 生 摩擦 生 过敏反应 毒性反应 强度硬度脆性 软化相对密度 熔点导电硬化 磨耗蠕变 化学性质变化 亲水一疏水PH 吸附性 溶出性 渗透性 反应性 物医用材料方面的变化 冲击 曲绕 物理化学相互作用 溶出 吸收 渗透 降解 侔学相互作串 分解 修饰 物体方面的反应和变化 溶血反应发热反应 神经麻痹 慢」性全身反应 毒性致畸 免疫反应功能障碍 急性局部反应 炎症血栓形成 坏死排异 慢性局部反应 致癌钙化 炎症溃疡 生物医用材料的生物相谷性按材料接触人体部位不同一般分为两类。右材料 用于心血管系统与血液直接接触，主要考察与血液的相互作用，称为血液相容性; 若与心血管系统外的组织和器官接触，主要考察与组织的相互作用，称为组织相 容性或一般生物相容性【5】。 一、组织相容性 组织相容性是指材料与人体组织，如骨骼、牙齿、内部器官、肌肉、肌腱、 皮肤等的相互适应性。 （一）医用高分子材料对组织相容性的影响因素【6】 1. 高分子材料中的杂质 高分子材料的杂质,如残留单体，添加剂等，不仅会加速材料本身在体内的老化, 而且会加剧组织的生物学反应。 2. 物理力学性能 高分子材料的硬度、弹性等应尽可能与周围组织匹配。 3. 植入体形状 高分子材料的植入形状对生物体影响很大。现代医学认为人体致癌的原因是由于 正常细胞发生了变异。当高分子植入体内后，高分子材料本身的性质如交联度、 相对分子质量、构象，高分子材料中所含的杂质、单体、添加剂都有可能与致癌 因素有关。但研究表明，高分子材料与其他材料相比，并没有更多的致癌可能性, 而是植入的形状对癌症的产生影响较大。 4. 表面的形状结构 粗糙、不均匀的表面会加剧其周围组织的反应。 5. 高分子材料本体化学结构 高分子材料本体化学结构主要影响其在体内的老化稳定，而对其组织生物学反应 的影响不明显。 6. 材料表面的分子结构与性质 高分子材料表面与蛋白质等生物大分子级细胞之间的相互作用是产生组织生物 学反应的本质所在，也是近20年来高分子生物医用材料研究的重要内容。 （二）医用高分子材料针对组织相容性改善研究 组织相容性材料的设计，不但要考虑材料固有的表面化学结构的相容性，而 且，材料的宏观结构，表面拓扑结构是极为重要的。近年来，随着组织工程的发 展，广泛开展了杂化生物材料的研究。即将生理活性物质（如酶、多糖、抗体、 抗原、激素）或具有高度功能的细胞与人工材料复合在一起，制备生物体组织和 器官的代用品。这种杂化材料以人工材料为附着机构，支待高度的细胞功能，是 高度相容的。目前，应用较成功的是培养皮肤代用材料【8, 9】。这种人造皮肤