5.1 簡(jiǎn)介

生物材料是一個(gè)令人興奮的、高度多學(xué)科的領(lǐng)域。這些材料已經(jīng)發(fā)展成為現(xiàn)代改善人類健康和生活質(zhì)量不可或缺的元素。生物材料的應(yīng)用范圍從基因陣列和生物傳感器等診斷，到血袋和手術(shù)工具等醫(yī)療用品，到醫(yī)療植入物和設(shè)備等治療，再到涉及組織工程皮膚和軟骨的新興再生醫(yī)學(xué)等。一般將生物材料分為三大類：金屬、陶瓷和聚合物。聚合物本質(zhì)上是有機(jī)的，具有金屬和陶瓷無法比擬的多功能性。聚合物可以提供的廣泛物理、機(jī)械和化學(xué)特性推動(dòng)了聚合物生物材料的廣泛研究、開發(fā)和應(yīng)用。此外，聚合物在生物材料領(lǐng)域的重要性清楚地反映在醫(yī)用聚合物驚人的市場(chǎng)規(guī)模上，估計(jì)約為 10 億美元，每年增長(zhǎng)率為 10-20%。

本章簡(jiǎn)要概述了多年來聚合物在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域做出的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)。這里討論的許多聚合物最初是作為塑料、彈性體和纖維開發(fā)的，用于非醫(yī)療工業(yè)應(yīng)用。二戰(zhàn)后，外科醫(yī)生“借用”它們來解決醫(yī)療問題。從那時(shí)起，它們就導(dǎo)致了生物醫(yī)學(xué)專用材料的發(fā)展。目前，隨著現(xiàn)代生物學(xué)和協(xié)作努力的快速發(fā)展，涉及材料科學(xué)、工程、化學(xué)、生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的跨學(xué)科工作正在產(chǎn)生具有生物活性、仿生性、最重要的是具有優(yōu)異生物相容性的聚合物生物材料。本章還包括這種新一代聚合物生物材料的例子。

5.2 眼科中的聚合物生物材料

眼科專注于眼睛疾病，眼睛是日常生活中復(fù)雜而重要的器官。生物材料在眼科中的應(yīng)用可以追溯到十九世紀(jì)中葉，當(dāng)時(shí)阿道夫·菲克成功發(fā)明了玻璃隱形眼鏡。從那時(shí)起，各種各樣的眼科生物材料被開發(fā)出來，其中一些在臨床應(yīng)用中取得了巨大的成功。生物材料在眼科中的應(yīng)用包括隱形眼鏡、人工晶狀體 (IOL)、人工眼眶壁、人工角膜、人工淚管、青光眼濾過植入物、粘彈性替代品、藥物輸送系統(tǒng)、鞏膜扣帶、視網(wǎng)膜釘和粘合劑以及眼內(nèi)填充物。雖然陶瓷和金屬也已用于眼科，但現(xiàn)代眼科植入物主要由聚合物制成。本節(jié)將重點(diǎn)介紹用于隱形眼鏡、IOL 和人工角膜的聚合物。

5.2.1 聚合物隱形眼鏡

隱形眼鏡是一種放置在眼角膜上以達(dá)到矯正、治療或美容效果的光學(xué)裝置。據(jù)估計(jì)，全世界約有 1.25 億隱形眼鏡佩戴者。人們?cè)诟咝阅茈[形眼鏡材料中尋求各種主要特性，包括 (1) 良好的可見光透射率；(2) 高氧滲透性；(3) 淚膜潤(rùn)濕性；(4) 抗淚膜成分（如脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和粘液）沉積；(5) 離子滲透性；(6) 化學(xué)穩(wěn)定性；(7) 良好的熱導(dǎo)率；(8) 易于制造。隱形眼鏡中已使用了多種聚合物，它們的彈性模量決定了隱形眼鏡的硬度或軟度。圖 5.1 顯示了隱形眼鏡中常用的各種單體的結(jié)構(gòu)。第一代聚合物隱形眼鏡由聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) 制成，這種聚合物在商業(yè)上稱為 Plexiglas，是硬質(zhì)或剛性鏡片材料的經(jīng)典例子。PMMA 可以使用本體自由基聚合制備并車削成鏡片形狀。PMMA 隱形眼鏡具有優(yōu)異的光學(xué)性能，例如折射率比玻璃更高、耐久性出色，并且由于其疏水性而具有良好的抗淚膜成分沉積性。然而，PMMA 隱形眼鏡的主要缺點(diǎn)是透氧性差和容易改變眼球形狀，限制了其使用。為了提高氧氣的滲透性，硬性透氣性（RGP）隱形眼鏡在 20 世紀(jì) 70 年代末被開發(fā)出來。

圖 5.1 隱形眼鏡和人工晶狀體常用單體的化學(xué)結(jié)構(gòu)。

用于 RGP 隱形眼鏡的材料通常是甲基丙烯酸甲酯 (MMA) 與賦予高氧滲透性的單體的共聚物，例如甲基丙烯酰氧基丙基三（三甲基硅氧基硅烷） (TRIS)、六氟異丙基甲基丙烯酸酯 (HFIM) 和 2,2,2 三氟乙基甲基丙烯酸酯 (TFEMA)。將高度疏水性的硅氧烷加入共聚物中會(huì)降低鏡片的潤(rùn)濕性，從而導(dǎo)致脂質(zhì)沉積的不必要增加。因此，親水性單體，例如甲基丙烯酸 (MAA)、2-羥乙基甲基丙烯酸酯 (HEMA) 或 N-乙烯基-2-吡咯烷酮 (NVP)，通常用作 RGP 鏡片配方中的潤(rùn)濕劑，以彌補(bǔ)潤(rùn)濕性的降低。

軟性隱形眼鏡出現(xiàn)于 20 世紀(jì) 60 年代，當(dāng)時(shí) Otto Wichterle 開發(fā)了聚（2-羥乙基甲基丙烯酸酯）（PHEMA），并徹底改變了隱形眼鏡行業(yè)。一般來說，軟性隱形眼鏡由水凝膠制成，水凝膠是一種能夠保留大量水分的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。第一個(gè) PHEMA 軟鏡片含有 40% 的水合物。盡管與硬性鏡片相比，PHEMA 的佩戴舒適度有所提高，但其低氧滲透性會(huì)干擾正常的角膜代謝。由于水合程度直接影響氧氣的滲透性，因此通過將 HEMA 與高親水性單體（如 NVP、MAA 和甲基丙烯酸甘油酯 (GMA)）共聚，開發(fā)了含水量高（>50%）的水凝膠。親水性增加的一個(gè)缺點(diǎn)是蛋白質(zhì)與鏡片的結(jié)合率更高，這可能會(huì)導(dǎo)致不適和并發(fā)癥，例如細(xì)菌粘附增加。高含水量的水凝膠也容易導(dǎo)致角膜干燥。為了提高透氧性，研究人員開發(fā)了一種用于軟性隱形眼鏡的新型含硅氧烷水凝膠。眾所周知，由于硅氧烷基團(tuán)（eSi(CH3)2eOe）體積大且鏈移動(dòng)性強(qiáng)，含硅氧烷材料通常具有較高的氧擴(kuò)散率。另一方面，硅氧烷材料具有高度疏水性，因此容易發(fā)生脂質(zhì)沉積，并且橡膠狀行為不太舒適。為了彌補(bǔ)這些缺點(diǎn)，將功能化硅氧烷大分子單體（如圖 5.1 所示）與親水單體（例如 NVP 和 HEMA）共聚成水凝膠，該水凝膠可提供角膜所需的足夠高的透氧性，并具有柔軟性，可舒適地長(zhǎng)時(shí)間佩戴。目前，商業(yè)化的硅氧烷水凝膠隱形眼鏡包括 Focus Night & Day（CIBA Vision Corp. 的 lotrafilcon A）和 PureVision（Bausch and Lomb 的 balafilcon A）。值得注意的是，這些水凝膠表面存在硅氧烷部分，需要進(jìn)一步處理才能使鏡片在眼睛上耐受。硅氧烷水凝膠的表面處理示例包括射頻輝光放電 (RFGD) 和在鏡片表面接枝聚合親水單體（例如丙烯酰胺）以改善表面親水性。

5.2.2 聚合物人工晶狀體

IOL 通常用于替代自然晶狀體，并為接受白內(nèi)障手術(shù)的患者提供清晰的光學(xué)成像。IOL 是眼部生物材料研究的一個(gè)主要領(lǐng)域，因?yàn)樗谥委煱變?nèi)障引起的失明方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，預(yù)計(jì)到 2020 年，白內(nèi)障引起的失明病例將達(dá)到 4000 萬例。IOL 在生物材料史上也占有特殊地位，其發(fā)明源于 Harold Ridley 爵士對(duì)二戰(zhàn)飛行員眼睛中意外植入眼罩碎片的生物反應(yīng)的精確觀察。由于眼罩材料 PMMA 對(duì)眼睛具有良好的耐受性，Ridley 受啟發(fā)使用該材料發(fā)明了第一個(gè)生物相容性 IOL，并且它被公認(rèn)為生物材料科學(xué)的開創(chuàng)性突破。IOL 的關(guān)鍵材料要求包括光學(xué)特性，即能夠保持清晰的光學(xué)成像路徑和長(zhǎng)期生物相容性，因?yàn)橹踩胛镏荚谟谰昧粼谘劬χ?。在其他材料出現(xiàn)之前，PMMA 主導(dǎo)了 IOL 市場(chǎng) 40 年。盡管 PMMA 具有出色的光學(xué)性能和眼睛的相對(duì)耐受性，但它仍然會(huì)對(duì) IOL 植入物周圍的組織造成損害。最令人擔(dān)憂的是晶狀體僵硬引起的角膜內(nèi)皮損傷，以及炎癥細(xì)胞在 IOL 表面的積聚，這可能導(dǎo)致虹膜粘連到 IOL、葡萄膜炎和視力喪失等并發(fā)癥。這些問題促使人們不斷更新 IOL 設(shè)計(jì)和材料選擇。與原來堅(jiān)硬笨重的 PMMA IOL 相比，現(xiàn)在常見的 IOL 具有柔軟和可折疊的特點(diǎn)。

最廣泛使用的可折疊 IOL AcrySof 是由苯乙基丙烯酸酯和苯乙基甲基丙烯酸酯的共聚物與交聯(lián)劑和紫外線吸收發(fā)色團(tuán)制成的。與 PMMA（n=1.49）相比，其改進(jìn)的光學(xué)特性（即更高的折射率（n=1.55））允許更薄的 IOL 配置。共聚物的機(jī)械特性導(dǎo)致 IOL 展開緩慢且控制性更好，這有助于顯著減少后囊膜混濁 (PCO)。用于可折疊 IOL 制造的其他材料包括硅酮彈性體、親水性丙烯酸樹脂（含水量高于 18%）和膠原共聚物（表 5.1）。雖然親水性丙烯酸 IOL 由于減少了蛋白質(zhì)吸附和巨噬細(xì)胞粘附而表現(xiàn)出良好的葡萄膜生物相容性，但它們往往具有更高的 PCO 率并導(dǎo)致前囊膜混濁，從而降低了其在市場(chǎng)上的應(yīng)用。

表 5.1 IOL 生物材料示例。

5.2.3 聚合物人工角膜

角膜是位于眼睛前部的透明組織。它是眼部光學(xué)系統(tǒng)的主要元素，起著各種作用，從將光線折射到視網(wǎng)膜上形成圖像，到充當(dāng)脆弱的內(nèi)部眼組織的保護(hù)屏障。角膜損傷會(huì)導(dǎo)致視力喪失，這是繼白內(nèi)障之后全球第二大失明原因。最廣泛接受的角膜失明治療方法是移植人類供體角膜。然而，供體角膜組織的可用性有限，要求設(shè)計(jì)和開發(fā)人工角膜替代品。人工角膜，也稱為角膜假體，有多種形式，從完全合成的到組織工程的。本討論的重點(diǎn)是基于聚合物的合成角膜假體。有幾篇關(guān)于人工角膜的優(yōu)秀綜合評(píng)論可供進(jìn)一步閱讀。

角膜組織復(fù)雜、無血管、高度神經(jīng)支配且具有免疫特權(quán)。它排列在三個(gè)主要細(xì)胞層中：外層復(fù)層上皮、內(nèi)層單層內(nèi)皮，夾在基質(zhì)層之間，基質(zhì)層決定角膜的光學(xué)特性。雖然復(fù)制天然角膜的復(fù)雜結(jié)構(gòu)具有挑戰(zhàn)性，但可以構(gòu)建一個(gè)可以模擬天然角膜物理特征并恢復(fù)一定功能水平視力的人工角膜。理想的人工角膜應(yīng)滿足以下具體要求：（1）透明，前表面光滑，曲率適當(dāng)；（2）折射率合適；（3）柔韌，抗拉強(qiáng)度足以進(jìn)行手術(shù)操作；（4）能與宿主角膜愈合；（5）能促進(jìn)和維持人工角膜前表面上皮的生長(zhǎng)；（6）能避免角膜后成纖維細(xì)胞膜的形成；（7）生物相容性。早期的人工角膜由多種不同的疏水性聚合物制成，如聚甲基丙烯酸甲酯、尼龍、聚四氟乙烯（PTFE）、聚氨酯（PU）和聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（Dacron）。設(shè)計(jì)從一種按鈕狀的整片材料發(fā)展到更廣泛使用的“芯裙”結(jié)構(gòu)，其中芯由具有良好光學(xué)性能的透明材料制成，裙邊由相同或不同的材料制成，以確保與宿主的整合。在這些聚合物中，PMMA 可以說是應(yīng)用最廣泛的，因?yàn)樗哂谐錾墓鈱W(xué)特性，如上文 IOL 部分所述。盡管 PMMA 在人工角膜中的應(yīng)用仍在繼續(xù)，但相關(guān)的并發(fā)癥，如假體后膜形成、青光眼、擠壓、眼內(nèi)炎和排斥反應(yīng)，導(dǎo)致了軟性水凝膠基人工角膜的開發(fā)。大多數(shù)研究都針對(duì) HEMA 基水凝膠。關(guān)于 HEMA 的一個(gè)有趣觀察是，當(dāng)單體在 40% 或更少的水存在下聚合時(shí)，它會(huì)形成均勻透明的水凝膠；當(dāng)水含量較高時(shí)，聚合過程中會(huì)發(fā)生相分離，所得水凝膠是不均勻且不透明的。利用這些特性，第一個(gè)“芯裙”水凝膠基人工角膜是使用 HEMA 創(chuàng)建的，該裝置在商業(yè)上被稱為 AlphaCor 。核心是透明的、含水量較低的 PHEMA，裙部是相分離的大孔不透明 PHEMA。盡管 PHEMA 被認(rèn)為是親水性聚合物，但其含水量仍遠(yuǎn)低于天然角膜中的含水量（78%）。如此高的含水量對(duì)于上皮的穩(wěn)定性和存活至關(guān)重要，因?yàn)樗兄跔I養(yǎng)物質(zhì)的擴(kuò)散。為了增加人工角膜的含水量，人們探索了各種策略。例子包括 HEMA 與離子丙烯酸酯 MAA 的共聚，以及由聚乙烯醇 (PVA) 均聚物制成的水凝膠，在平衡狀態(tài)下可含 80% 以上的水。一些研究小組還報(bào)告了制造用于人工角膜的仿生水凝膠。由于角膜的細(xì)胞外基質(zhì)主要由 I 型膠原蛋白組成，因此它已用于制備基于 N-異丙基丙烯酰胺 (NIPAAm)、丙烯酸、N-丙烯酰氧基琥珀酰亞胺和膠原蛋白的共聚物水凝膠。工程水凝膠本質(zhì)上是一個(gè)由膠原蛋白組成的網(wǎng)絡(luò)，膠原蛋白使用琥珀酰亞胺側(cè)鏈基團(tuán)與丙烯酸和 NIPAAm 的共聚物交聯(lián)。這種材料已展示出用于角膜移植的生物力學(xué)特性和所需的光學(xué)清晰度。體內(nèi)動(dòng)物研究表明宿主角膜上皮、基質(zhì)和神經(jīng)可以成功再生。目前正在進(jìn)行臨床試驗(yàn)，以評(píng)估該材料對(duì)人類的治療用途。

互穿聚合物網(wǎng)絡(luò) (IPN) 也已用于人工角膜應(yīng)用。IPN 代表聚合物網(wǎng)絡(luò)的混合物，其中一種聚合物在另一種聚合物網(wǎng)絡(luò)存在下交聯(lián)以形成兩種不同聚合物的網(wǎng)狀物。IPN 的主要優(yōu)勢(shì)在于它將兩種聚合物的有益特性結(jié)合到最終材料中。IPN 在人工角膜中的早期應(yīng)用是在光學(xué)核心和周邊裙邊之間的連接處，其中 IPN 的相互擴(kuò)散區(qū)為 PHEMA 海綿裙邊與 PHEMA 核心提供了永久可靠的結(jié)合。最近的努力集中在將 IPN 納入整個(gè)人工角膜結(jié)構(gòu)中。一種設(shè)計(jì)基于聚（二甲基硅氧烷） (PDMS) 和 PNIPAAm 的 IPN，其中 PDMS 的機(jī)械強(qiáng)度、透明度和透氧性與 PNIPAAm 的親水性和營養(yǎng)滲透性相結(jié)合，形成功能性人工角膜。另一個(gè)例子是中性交聯(lián)聚乙二醇 (PEG) 和帶電、松散交聯(lián)聚丙烯酸 (PAA) 的 IPN。這種 IPN 具有光學(xué)透明度、良好的機(jī)械性能和與天然角膜相當(dāng)?shù)钠咸烟菙U(kuò)散系數(shù)。雖然大多數(shù)人工角膜在動(dòng)物模型中表現(xiàn)出令人滿意的生物相容性，但確保材料無毒、無免疫原性、無致突變性，并且不會(huì)導(dǎo)致角膜混濁至關(guān)重要。

5.3 高分子生物材料在骨科中的應(yīng)用

傳統(tǒng)上，骨科生物材料主要是金屬材料，這很大程度上是因?yàn)槠渑c骨組織的特性非常相似，例如高強(qiáng)度、硬度和斷裂韌性。多年來，聚合物也已用于骨科，它們?cè)诠墙M織工程中越來越受到關(guān)注。從歷史上看，聚合物在骨科中的應(yīng)用主要是那些能夠很好地固定結(jié)構(gòu)裝置并在膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)置換術(shù)等循環(huán)承重條件下表現(xiàn)良好的聚合物。盡管市場(chǎng)上有數(shù)百種骨科應(yīng)用，但只有幾種類型的聚合物占主導(dǎo)地位，包括超高分子量聚乙烯 (UHMWPE) 和 PMMA。

5.3.1 聚乙烯

（東莞市富臨塑膠原料有限公司供應(yīng)：植入級(jí)UHMWPE復(fù)絲/繩）

UHMWPE 是一種線性聚乙烯，分子量通常在 200 萬到 600 萬之間。UHMWPE 的斷裂韌性、低摩擦系數(shù)、高沖擊強(qiáng)度和低密度使其成為髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)等關(guān)節(jié)置換的關(guān)節(jié)表面的熱門選擇。盡管 UHMWPE 具有許多吸引人的體積和表面特性，但這些特性可能會(huì)因滅菌過程中使用的電離輻射導(dǎo)致體積中存在長(zhǎng)期自由基而受到影響。這些自由基可以與氧相互作用，導(dǎo)致含氧官能團(tuán)的產(chǎn)生，并導(dǎo)致表面和體積性能的惡化，特別是在磨損過程中顆粒的產(chǎn)生率。磨損碎片的過量產(chǎn)生與植入物附近組織的炎癥反應(yīng)有關(guān)。這種不良的組織反應(yīng)將導(dǎo)致肉芽腫性病變、骨溶解、骨吸收和植入物失敗。為了克服氧化，目前使用了許多添加劑，如抗氧化劑a-生育酚和維生素C，來延緩氧化和增強(qiáng)表面性能。由于磨損問題，UHMWPE被認(rèn)為是任何全關(guān)節(jié)置換術(shù)中的薄弱環(huán)節(jié)。為了提高耐磨性，已經(jīng)生產(chǎn)出高度交聯(lián)的UHMWPE并用于關(guān)節(jié)置換術(shù)。交聯(lián)是通過用電子束或伽馬射線輻照UHMWPE來實(shí)現(xiàn)的，然后進(jìn)行熔化步驟以消除輻照過程中產(chǎn)生的自由基。目前，關(guān)于交聯(lián)和UHMWPE的臨床性能存在爭(zhēng)議。支持者已提供證據(jù)證明高交聯(lián) UHMWPE 在減少全關(guān)節(jié)置換術(shù)中的磨損和相關(guān)的假體周圍骨溶解方面是有效的。反對(duì)者指出，通過交聯(lián)提高耐磨性是以降低靜態(tài)機(jī)械性能為代價(jià)的，例如拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度以及疲勞裂紋擴(kuò)展阻力，這可能會(huì)影響植入物的壽命，尤其是在全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中。有關(guān)高交聯(lián) UHMWPE 的最終長(zhǎng)期性能的完整數(shù)據(jù)將有助于解決科學(xué)爭(zhēng)論。

5.3.2 聚丙烯酸酯

Charnley 首次證明了 PMMA 作為骨固定劑的應(yīng)用。PMMA 骨水泥由液態(tài)單體 MMA、部分聚合的 PMMA 粉末、引發(fā)劑（常用的過氧化二苯甲酰）、活化劑（N,N-二甲基對(duì)甲苯胺）、放射性不透光劑（X 射線下可見）如硫酸鋇或氧化鋯以及影響水泥混合和處理的共聚物組成。在某些情況下，配方中含有抗生素（例如慶大霉素），以盡量減少植入期間的感染。聚合由活化劑和引發(fā)劑之間的相互作用引發(fā)，產(chǎn)生與單體反應(yīng)的自由基。固化的聚合物能夠確保假體在骨骼中牢固固定。盡管丙烯酸骨水泥在骨科中得到廣泛應(yīng)用，但其使用存在一些缺點(diǎn)。殘留的單體可能泄漏到體內(nèi)并導(dǎo)致脂肪栓塞。聚合過程的放熱性質(zhì)可能是周圍組織壞死的潛在原因。最關(guān)鍵的缺點(diǎn)是無菌性松動(dòng)，即水泥內(nèi)的植入物松動(dòng)。無菌性松動(dòng)的原因可能是機(jī)械和/或生物化學(xué)的。從機(jī)械角度來看，植入物的循環(huán)負(fù)荷可能導(dǎo)致水泥疲勞斷裂。從生物化學(xué)角度來看，聚乙烯成分的磨損碎片可能遷移到骨水泥界面并引發(fā)炎癥反應(yīng)，導(dǎo)致骨溶解并削弱植入物界面。為了改善 PMMA 固定，一種可能的策略是通過增加水泥的機(jī)械強(qiáng)度來避免水泥斷裂。研究人員使用浸漬有生物活性玻璃陶瓷的雙酚 A-二甲基丙烯酸縮水甘油酯 (Bis-GMA) 基樹脂，開發(fā)出具有比傳統(tǒng) PMMA 更高的粘結(jié)強(qiáng)度和壓縮模量的骨水泥。另一種方法是利用復(fù)合材料，用羥基磷灰石 (HA) 和生物活性玻璃增強(qiáng) PMMA，將強(qiáng)度和彈性與生物活性相結(jié)合。

另一種丙烯酸酯骨水泥以聚甲基丙烯酸乙酯 (PEMA) 和正丁基甲基丙烯酸酯 (n-BMA) 單體為基礎(chǔ)。與 PMMA 水泥相比，PEMA-n-BMA 水泥在聚合過程中產(chǎn)生的熱量較少，并且該聚合物具有相對(duì)較低的模量和較高的延展性，從而減少了斷裂問題。PEMA-n-BMA 骨水泥的生物相容性非常好。但人們發(fā)現(xiàn)這些骨水泥容易蠕變。為了提高抗蠕變性，加入了生物活性 HA 顆粒。盡管 HA 改善了水泥的生物活性和蠕變行為，但水泥在較低的循環(huán)次數(shù)下就會(huì)失效。

5.3.3 天然聚合物

天然聚合物在骨置換和硬組織增強(qiáng)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多。理想情況下，用于此目的的材料應(yīng)具有生物相容性；能夠模擬骨骼和硬組織的三維特征、物理和機(jī)械性質(zhì)；能夠支持適當(dāng)?shù)募?xì)胞功能；并能被再生的新組織逐漸取代。人們使用了各種天然聚合物，包括細(xì)胞外基質(zhì)蛋白，如膠原蛋白；多糖，如殼聚糖、藻酸鹽、淀粉和纖維素；以及糖胺聚糖，如透明質(zhì)酸。一些天然聚合物可以為仿生磷灰石的形成提供模板，這對(duì)于誘導(dǎo)快速骨定植非常有利。研究人員最近的研究揭示了具有骨替代潛力的細(xì)菌纖維素/羥基磷灰石復(fù)合材料的形成和特性?？山到夂筒豢山到獾募?xì)菌纖維素都被用來形成復(fù)合材料。復(fù)合材料中的羥基磷灰石具有有序的納米針狀顆粒，其非化學(xué)計(jì)量組成與人體骨骼中觀察到的相似。結(jié)合的生物活性和生物相容性證實(shí)了這種復(fù)合材料在骨科應(yīng)用方面的潛力。

5.4 心血管疾病中的聚合物生物材料

生物材料在心血管疾病的治療中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用；應(yīng)用示例包括心臟瓣膜假體、血管移植物、支架、留置導(dǎo)管、心室輔助裝置、全植入式人工心臟、起搏器、自動(dòng)內(nèi)部心律轉(zhuǎn)復(fù)除顫器、主動(dòng)脈內(nèi)球囊泵等。心血管應(yīng)用（尤其是血液接觸設(shè)備）對(duì)材料的一個(gè)關(guān)鍵要求是血液相容性，即不形成血栓。其他要求包括特定于應(yīng)用的機(jī)械和表面特性。調(diào)查心血管應(yīng)用中使用的聚合物領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)，聚氨酯、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 和膨體聚四氟乙烯 (ePTFE) 是最常用的。本節(jié)將回顧這三種聚合物中的每一種，然后簡(jiǎn)要介紹用于心血管領(lǐng)域的其他新興聚合物。

5.4.1 聚氨酯

（東莞市富臨塑膠原料有限公司供應(yīng)：植入級(jí)聚氨酯材料）

聚氨酯是血液接觸醫(yī)療器械最常用的生物醫(yī)學(xué)聚合物之一。它們可用于血液透析血管、導(dǎo)管、支架、起搏器導(dǎo)線絕緣體、心臟瓣膜、血管移植物和補(bǔ)片、左心室輔助裝置 (LVAD) 等。PU 的特點(diǎn)是具有廣泛機(jī)械和血液接觸性能的分段嵌段共聚物，只需改變軟段和偶聯(lián)劑的類型和/或分子量即可。生物醫(yī)學(xué) PU 中的氨基甲酸酯鍵 —NH—C(=O)—O— 可通過兩步工藝形成。第一步是涉及大分子二醇軟段（例如聚醚、聚酯、聚碳酸酯和聚硅氧烷）與二異氰酸酯封端以形成預(yù)聚物的反應(yīng)。第二步是預(yù)聚物與低分子量鏈延長(zhǎng)劑（通常是二醇或二胺）的偶聯(lián)。硬段通常是指鏈延長(zhǎng)劑和二異氰酸酯組分的組合。

由于軟段和硬段之間的化學(xué)不相容性，PU 的形態(tài)由硬段聚集形成的區(qū)域組成，這些區(qū)域分散在由軟段形成的基質(zhì)中。這種獨(dú)特的形態(tài)決定了生物醫(yī)學(xué) PU 卓越的機(jī)械性能和生物相容性。例如，根據(jù)硬段和軟段的相對(duì)分子量和數(shù)量，獲得的 PU 可以是彈性的或剛性的。PU 的機(jī)械性能也可以通過改變鏈擴(kuò)展劑的化學(xué)性質(zhì)來定制。通常，用脂肪族鏈擴(kuò)展劑制備的 PU 比用芳香族鏈擴(kuò)展劑制備的 PU 更軟。PU 的生物相容性也與鏈擴(kuò)展劑和軟段的化學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。研究人員的早期研究表明，聚丙烯軟段分子量的變化會(huì)影響蛋白質(zhì)的吸附。在可生物降解聚氨酯的合成中，賴氨酸二異氰酸酯和六亞甲基二異氰酸酯比芳香族二異氰酸酯更受青睞，部分原因是芳香族二異氰酸酯具有致癌性。最近的研究報(bào)告稱，使用天然聚合物（如幾丁質(zhì)和殼聚糖）作為鏈延長(zhǎng)劑來改善聚氨酯的生物相容性。

生物穩(wěn)定性一直是聚氨酯研究的主要重點(diǎn)。根據(jù)預(yù)期的醫(yī)療應(yīng)用，聚氨酯所需的生物穩(wěn)定性各不相同。例如，用作起搏器導(dǎo)線覆蓋層的聚氨酯應(yīng)具有優(yōu)異的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，而用作構(gòu)建工程組織結(jié)構(gòu)以替換患病心血管組織的支架的聚氨酯應(yīng)具有生物降解性。維持聚氨酯體內(nèi)長(zhǎng)期生物穩(wěn)定性的挑戰(zhàn)在于聚氨酯的生物降解是一個(gè)復(fù)雜且多因素介導(dǎo)的過程。導(dǎo)致聚氨酯生物降解的機(jī)制包括 (1) 水解、(2) 氧化降解、金屬或細(xì)胞催化、(3) 酶降解、(4) 表面開裂、(5) 環(huán)境應(yīng)力開裂和 (6) 鈣化。眾所周知，含有聚酯軟段的聚氨酯水解穩(wěn)定性較差，而含有聚醚軟段的聚氨酯容易發(fā)生氧化降解。在對(duì)導(dǎo)致聚氨酯生物降解的分子途徑進(jìn)行廣泛研究并收集到寶貴信息的指導(dǎo)下，多年來人們?cè)O(shè)計(jì)出了更具生物抗性的聚氨酯。這些策略包括使用聚碳酸酯大分子二醇、醚基之間具有較大烴段的聚醚大分子二醇和硅氧烷基大分子二醇。另一方面，生物可吸收聚氨酯作為彈性組織工程支架正受到越來越多的關(guān)注。對(duì)于該類聚氨酯，最常用的是聚乳酸或聚乙醇酸交酯、聚己內(nèi)酯和聚環(huán)氧乙烷等軟段。此外，硬段還設(shè)計(jì)了降解功能。酶敏感鍵已整合到硬段中，導(dǎo)致特異性酶降解，而非特異性水解降解。硬段中另一個(gè)有趣的添加物是抗菌藥物等生物活性分子。因此，聚合物降解將導(dǎo)致藥物自由釋放，使得此類聚氨酯對(duì)于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用非常有吸引力。

5.4.2 聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯

（東莞市富臨塑膠原料有限公司供應(yīng)：醫(yī)用PET熱縮管）

PET 是工程聚酯家族的一員。它是一種半結(jié)晶聚合物，在工業(yè)上可用作合成纖維、飲料和食品容器。在醫(yī)療領(lǐng)域，PET 廣泛用作纖維或織物形式的人工血管移植物、縫合線和傷口敷料（商業(yè)上稱為滌綸）。盡管存在水解可裂解的酯鍵，但 PET 在體內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定，這主要是由于其高結(jié)晶度和疏水性。它是臨床上使用的兩種人工血管移植物標(biāo)準(zhǔn)生物材料之一。它廣泛用于較大的血管（直徑 >6 毫米）應(yīng)用。用于血管應(yīng)用的 PET 可以編織或針織制成，這將決定移植物的孔隙率和機(jī)械性能。通常，編織飾面的孔隙率低于針織移植物，因此減少了透壁血液外滲的機(jī)會(huì)。滌綸血管移植物堅(jiān)固而堅(jiān)硬，順應(yīng)性遠(yuǎn)低于天然動(dòng)脈。這種順應(yīng)性不匹配被認(rèn)為是導(dǎo)致移植物在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)（>6個(gè)月）失去通暢性的原因。與PET移植物相關(guān)的另一個(gè)主要并發(fā)癥是其血栓形成性。當(dāng)移植物與血液接觸時(shí)，血漿蛋白會(huì)吸附到管腔和囊膜表面，導(dǎo)致血栓形成和炎癥反應(yīng)。人們已經(jīng)探索了各種使移植物表面抗血栓的策略，包括用白蛋白鈍化表面、用氟聚合物涂層、用親水聚合物涂層、抗凝劑肝素白蛋白的共價(jià)或離子結(jié)合、抗血栓劑血栓調(diào)節(jié)蛋白的共價(jià)連接等。盡管在急性血栓形成方面已報(bào)告了一些改進(jìn)，但要實(shí)現(xiàn)PET基血管移植物令人滿意的長(zhǎng)期功能還有很長(zhǎng)的路要走。

5.4.3 膨體聚四氟乙烯

（東莞市富臨塑膠原料有限公司供應(yīng)：植入級(jí)膨體聚四氟乙烯ePTFE管、膜）

膨體聚四氟乙烯，商業(yè)上也稱為 Gore-Tex，是臨床使用的兩種標(biāo)準(zhǔn)人工血管移植物生物材料之一。除了血管用途外，膨體聚四氟乙烯還用作軟組織再生的補(bǔ)片，例如疝修補(bǔ)和手術(shù)縫合線。它通過一系列擠壓、拉伸和加熱工藝生產(chǎn)，形成一種微孔材料，孔徑范圍為 30 到 100 毫米左右。與 PET 類似，ePTFE 具有高度結(jié)晶性、疏水性和高度穩(wěn)定性。它具有極低的摩擦系數(shù)，易于操作。它具有極低的摩擦系數(shù)，易于處理。其拉伸強(qiáng)度和拉伸模量低于 PET。盡管膨體聚四氟乙烯移植物順應(yīng)性相對(duì)較低，但與天然動(dòng)脈相比仍然太高。通常，與 PET 相比，膨體聚四氟乙烯是繞過較小血管的最佳選擇。然而，它仍然面臨通暢性問題。使用 ePTFE 進(jìn)行股腘動(dòng)脈重建的 5 年通暢率為 40-50%，而使用自體靜脈移植可實(shí)現(xiàn) 70-80%。與 PET 類似，通暢率低的原因是材料的血栓形成性。據(jù)報(bào)道，移植物未能在移植物管腔側(cè)形成內(nèi)皮細(xì)胞的完全覆蓋。為了解決這個(gè)問題，一種方法是增加孔隙率以促進(jìn)組織內(nèi)生。但它需要謹(jǐn)慎的平衡以防止如前所述血液元素的泄漏。其他方法側(cè)重于降低表面血栓形成性，包括碳涂層以增加表面電負(fù)性、附著抗凝劑或抗血栓劑，以及用纖維蛋白膠浸漬以提供可促進(jìn)內(nèi)皮化的生長(zhǎng)因子。這些治療的實(shí)際益處尚未通過長(zhǎng)期體內(nèi)研究確定。

小直徑血管修復(fù)帶來的挑戰(zhàn)促使人們研究替代生物材料，以匹配或超越自體移植。一項(xiàng)值得注意的努力是使用合成的可生物降解支架在體外構(gòu)建組織工程移植物。從概念上講，這種移植物將具有與天然組織非常相似的機(jī)械性能，而不用擔(dān)心合成材料通常引起的慢性炎癥反應(yīng)。迄今為止，各種可生物降解的聚合物已被用于構(gòu)建此類結(jié)構(gòu)，包括聚（a-羥基酯）；聚（乙醇酸）（PGA）；聚（乳酸）（PLA）；及其共聚物聚（乳酸-共-乙醇酸）（PLGA）、聚己內(nèi)酯、聚酐、聚羥基烷酸酯和多肽。有幾篇優(yōu)秀的評(píng)論討論了材料作為血管組織工程支架的現(xiàn)狀。

聚合物有望產(chǎn)生重大影響的另一種心血管應(yīng)用是可生物降解支架。目前的支架主要由金屬材料制成，例如不銹鋼、鈷鉻合金或鎳鈦合金。然而，與金屬支架相關(guān)的長(zhǎng)期并發(fā)癥促使人們研究完全可降解的替代品。聚合物支架必須滿足幾個(gè)關(guān)鍵要求，其中最重要的兩個(gè)是機(jī)械性能和降解特性。在降解方面，降解產(chǎn)物應(yīng)具有生物相容性，降解過程在長(zhǎng)達(dá) 6 個(gè)月的時(shí)間內(nèi)不應(yīng)損害裝置的結(jié)構(gòu)完整性。至于機(jī)械性能，聚合物應(yīng)能承受部署和血管收縮。這兩個(gè)要求都具有挑戰(zhàn)性，但只要充分了解底層生物學(xué)和聚合物結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的多功能性，不久的將來就有可能出現(xiàn)更新的材料。例如，研究人員正在將降解和形狀記憶能力賦予能夠隨時(shí)間自我膨脹和降解的聚合物。

5.5 用于傷口閉合的聚合物生物材料

手術(shù)傷口可以通過各種方式閉合，包括縫合線、粘合劑、膠帶、釘書釘和激光組織焊接。在這些方法中，縫合線是最常用的?？p合線是無菌細(xì)絲，用于接近和維持組織，直到愈合為傷口提供適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度以承受機(jī)械應(yīng)力。縫合線可根據(jù)材料來源分為天然或合成；材料性能分為可吸收或不可吸收；物理結(jié)構(gòu)分為單絲、多絲、編織或扭曲。一般而言，用于縫合線的聚合物除了具有纖維形成流變特性外，還應(yīng)引起最小的不良生物反應(yīng)?？p合線必須具有最小的組織阻力、良好的強(qiáng)度保持性和結(jié)頭安全性。為了提高潤(rùn)滑性并減少組織阻力，通常在縫合線上涂上四氟乙烯和硅酮等涂層。以下各節(jié)將討論目前市面上常見的一些不可吸收和可吸收聚合物縫合線。

一般來說，不可吸收縫合線可以保持其拉伸強(qiáng)度超過 2 個(gè)月。用于制造不可降解縫合線的合成聚合物包括聚丙烯 (PP)、聚酰胺、聚酯（如 PET 和聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯 (PBT)）以及基于聚（四亞甲基二醇）、1,4-丁二醇和二甲基對(duì)苯二甲酸的聚醚酯。表 5.2 總結(jié)了常見不可吸收縫合線的基礎(chǔ)聚合物和細(xì)絲配置。

表 5.2 市售不可吸收縫合線材料清單。

PP 單絲縫合線由等規(guī)聚丙烯制成。在制備過程中，PP 單絲要經(jīng)過一系列紡絲后操作，包括退火，旨在提高結(jié)晶度。盡管 PP 縫合線具有很強(qiáng)的抗水解降解性，但它可能會(huì)發(fā)生熱氧化降解。由于 PP 縫合線易受電離輻射（例如通常用于輻射滅菌的鈷-60 源的 g 輻射）的影響，因此通常使用環(huán)氧乙烷或高壓滅菌器對(duì)其進(jìn)行滅菌。就性能而言，PP 縫合線引起的組織反應(yīng)最低。

聚酰胺縫合線通常由尼龍-6 和尼龍-6,6 制成。尼龍-6 由己內(nèi)酰胺開環(huán)聚合而成，而尼龍-6,6 由己二酸和六亞甲基二胺縮聚而成。這些聚酰胺縫合線被加工成單絲、編織多絲和芯鞘結(jié)構(gòu)。編織多絲尼龍縫合線通常經(jīng)過涂層（例如，硅膠涂層）以減少組織阻力。觀察到的強(qiáng)度保持率隨時(shí)間下降與尼龍結(jié)構(gòu)中酰胺鍵易受水解降解的影響有關(guān)。尼龍縫合線的抗拉強(qiáng)度每年下降約 15-25%。組織對(duì)尼龍縫合線的反應(yīng)似乎與結(jié)構(gòu)無關(guān)，編織線和單絲線的反應(yīng)性都較低。

由于需要縫合非常精細(xì)和復(fù)雜的組織，因此人們開發(fā)和使用了基于氟聚合物的縫合線，例如 PTFE 和聚偏氟乙烯 (PVDF) 以及 PVDF 和六氟丙烯 (HFP) 的共聚物。PTFE 是一種穩(wěn)定的 (Tm =327 ℃) 半結(jié)晶線性聚合物。ePTFE 縫合線是通過濕紡 PTFE 粉末和纖維素黃原酸酯的水混合物制備的高度結(jié)晶微孔纖維。ePTFE 纖維的形態(tài)由通過控制拉伸強(qiáng)度的細(xì)結(jié)晶纖維連接的結(jié)節(jié)組成。機(jī)械性能、生物反應(yīng)和操作可與 PTFE 纖維的孔隙率直接相關(guān)。由于微孔結(jié)構(gòu)，ePTFE 縫合線的彎曲剛度較低，但多孔結(jié)構(gòu)也會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度降低。PVDF 也具有高度結(jié)晶性 (Tm =175 ℃)。由 PVDF 制備的縫合線表現(xiàn)出良好的抗蠕變性和拉伸強(qiáng)度保持性。形態(tài)學(xué)研究表明，PVDF 縫合線具有較高的表面穩(wěn)定性，即沒有明顯的體積或表面斷裂跡象。PVDF 縫合線易受熱氧化降解影響，但可以用 g 輻射輕松滅菌。PVDF 引發(fā)與 PP 縫合線類似的中等組織和細(xì)胞反應(yīng)行為。PVDF 和 HFP 共聚物制成的縫合線最初設(shè)計(jì)用于將 PVDF 和 PP 的有益處理特性和生物反應(yīng)結(jié)合到一種材料中。此外，PVDF/HFP 縫合線還設(shè)計(jì)用于模擬聚酯縫合線的耐用性。PVDF/HFP 縫合線的拉伸強(qiáng)度、尺寸、生物反應(yīng)和處理可以通過操縱共聚物成分來定制。PVDF/HFP 縫合線的主要使用目標(biāo)領(lǐng)域是心血管、神經(jīng)和眼科手術(shù)期間的傷口閉合。這些 PVDF/HFP 縫合線通常用作無涂層單絲。

最常用的聚酯基不可吸收縫合線包括 PET 和 PBT。此外，還有由聚（四亞甲基醚對(duì)苯二甲酸酯）和聚（四亞甲基對(duì)苯二甲酸酯）的共聚物（稱為聚醚酯）制成的聚酯基縫合線。PET 由乙二醇和對(duì)苯二甲酸縮聚而成。PET 是一種熔點(diǎn)約為 265℃ 的聚合物。PET 的熱穩(wěn)定性使其能夠進(jìn)行熔融紡絲，形成具有可變輪廓的單絲纖維。在加工過程中，纖維經(jīng)過熱拉伸，增強(qiáng)了分子取向、結(jié)晶度和拉伸強(qiáng)度。PET 縫合線在市場(chǎng)上有涂層或無涂層單絲或編織多絲配置。PET 縫合線的表面處理包括 PTFE 和硅樹脂涂層。PET 縫合線在生物環(huán)境中非常穩(wěn)定，沒有水解降解的跡象。PET 縫合線的強(qiáng)度保持時(shí)間較長(zhǎng)。組織對(duì) PET 縫合線的反應(yīng)取決于結(jié)構(gòu)，編織多絲和單絲分別具有中等和低組織反應(yīng)性。與 PET 相比，PBT 縫合線通常不易碎且不易僵硬，這是因?yàn)榫酆衔锝Y(jié)構(gòu)中的脂肪族鏈段較長(zhǎng)。聚丁酯縫合線由 PBT 和聚（四亞甲基醚）乙二醇對(duì)苯二甲酸酯 (PTMG) 的嵌段共聚物制成。在共聚物中，PBT 是硬鏈段，PTMG 是柔性鏈段。硬 PBT 和軟 PTMG 嵌段之間的化學(xué)不相容性使這些共聚物具有彈性。這種獨(dú)特的機(jī)械行為使聚丁酯縫合線成為易形成水腫的傷口的理想選擇。

合成可吸收縫合線由能夠在生物環(huán)境中降解而不會(huì)產(chǎn)生不良影響的聚合物制成?？晌湛p合線的一個(gè)總體優(yōu)勢(shì)是無需就診即可拆除。這些縫合線要么是均聚物，要么是基于可降解聚合物單元（如聚乙醇酸、聚乳酸或聚對(duì)二氧雜環(huán)己酮）的共聚物。

聚乙醇酸 (PGA) 可以通過縮合或開環(huán)聚合合成。基于 PGA 的縫合線是第一種可吸收縫合線。PGA 縫合線在市場(chǎng)上有涂層或無涂層的編織結(jié)構(gòu)。乙醇酸已與乳酸、三亞甲基碳酸酯和 3-己內(nèi)酯共聚。乙醇酸與 L- 或 DL- 乳酸共聚形成無規(guī)共聚物。乙醇酸-L-丙交酯縫合線的性能取決于成分。乙醇酸-L-丙交酯縫合傷口的初始拉伸強(qiáng)度和愈合過程中的保持力直接取決于可結(jié)晶乙醇酸單體的濃度。

聚乙醇酸 (PGA) 可通過縮合或開環(huán)聚合合成。基于 PGA 的縫合線是第一種可吸收縫合線。PGA 縫合線在市場(chǎng)上有涂層或無涂層的編織結(jié)構(gòu)。乙醇酸已與乳酸、三亞甲基碳酸酯和 3-己內(nèi)酯共聚。乙醇酸與 L- 或 DL- 乳酸共聚形成無規(guī)共聚物。乙醇酸-L-丙交酯縫合線的性能取決于成分。乙醇酸-L-丙交酯縫合傷口的初始拉伸強(qiáng)度和愈合過程中的保持力直接取決于可結(jié)晶乙醇酸單體的濃度。基于 DL-丙交酯的共聚物不表現(xiàn)出與 L-丙交酯共聚物相同的成分依賴性。乙交酯與三亞甲基碳酸酯共聚形成三嵌段共聚物，其中中間嵌段是乙交酯和三亞甲基碳酸酯的無規(guī)共聚物，末端嵌段基于乙交酯。這些縫合線可用作無涂層單絲。乙交酯和 3-己內(nèi)酯的共聚形成分段共聚物。在這些共聚物中，乙交酯和 3-己內(nèi)酯分別形成軟段和硬段。

聚對(duì)二氧雜環(huán)己酮 (PDS) 是通過 1,4-二氧雜環(huán)己酮-2,5-二酮的開環(huán)聚合合成的。單絲縫合線通過熔融紡絲生產(chǎn)。纖維經(jīng)過拉伸工藝以提高拉伸強(qiáng)度和性能。最近，人們嘗試將 PDS 與 PGA 和 PLLA 共聚以生產(chǎn)具有不同特性的縫合線目前傷口縫合線的研究重點(diǎn)是除了閉合傷口之外，還為縫合線增加額外的功能。這些努力包括通過開發(fā)抗菌縫合線來控制傷口感染，并使用幾丁質(zhì)等生物活性材料加速傷口愈合過程，或提供可影響傷口愈合反應(yīng)的治療方法。

5.6 體外人工器官中的聚合物生物材料

體外人工器官提供傳質(zhì)操作以支持衰竭或受損的器官系統(tǒng)。常見的例子包括腎臟替代品、血液透析、心肺旁路 (CPB)、血液分離療法、腹膜透析、肺替代和輔助以及血漿分離。體外人工器官中涉及的一個(gè)關(guān)鍵組件是用于將不需要的物質(zhì)從血液或血漿中分離出來的膜。理想情況下，在這些特定應(yīng)用中用作膜的材料應(yīng)具有適當(dāng)?shù)募?xì)胞和分子滲透性，以及血液相容性（即血液相容性）。多年來，天然和合成聚合物都被用作膜材料。

最廣泛使用的天然膜是纖維素膜。以血液透析為例，早期透析器中纖維素膜的應(yīng)用使用的是再生纖維素，即在重復(fù)的糖單元上未取代且富含羥基的纖維素。研究發(fā)現(xiàn)，再生纖維素的血液相容性較差。它會(huì)激活補(bǔ)體系統(tǒng)，導(dǎo)致炎癥和其他嚴(yán)重的免疫反應(yīng)。補(bǔ)體激活的原因是膜上羥基濃度高，使其具有親核性并易受蛋白質(zhì)沉積的影響，尤其是 C3b。這一觀察結(jié)果促使后來研究使用取代纖維素作為透析膜，例如醋酸纖維素和三醋酸纖維素，在這兩種情況下，一小部分羥基都被醋酸官能團(tuán)取代。這些改性纖維素材料通過消除補(bǔ)體蛋白相互作用的活性表面位點(diǎn)，極大地限制了補(bǔ)體激活。除了化學(xué)阻斷補(bǔ)體相互作用外，還探索了使用空間位阻效應(yīng)的方法。已經(jīng)使用大化學(xué)基團(tuán)（例如芐基取代基或叔胺基）來取代羥基，以在空間上最小化補(bǔ)體蛋白與膜的相互作用。

目前的透析膜大多由合成聚合物制成，包括聚砜、聚醚砜、聚丙烯腈、PMMA、聚酰胺和聚丙烯中空纖維。與天然纖維素膜相比，合成膜不易被補(bǔ)體激活。補(bǔ)體相容性提高的原因是表面親核試劑 C3b 沉積水平降低。此外，一些合成膜表面富含負(fù)電荷，可以吸收活化的陽離子補(bǔ)體肽（例如 C5a）并最大限度地減少隨后的炎癥級(jí)聯(lián)。合成膜通常具有比纖維素膜大得多的孔徑和更高的水力滲透性。因此，合成膜是高通量應(yīng)用的選擇。較大的孔徑還可以去除分子量在 500 至 2000 Da 之間的中分子，這些分子被認(rèn)為具有生物活性并可能具有潛在的生物學(xué)影響。大多數(shù)合成膜的疏水性使其具有吸附有害化合物（如白細(xì)胞介素-1、腫瘤壞死因子、白細(xì)胞介素-6 和 β2-微球蛋白）的能力。PMMA 和聚丙烯腈通常表現(xiàn)出最顯著的吸附能力。無論其來源如何，這些膜要么用于最常見的中空纖維設(shè)計(jì)，要么用作平行板設(shè)計(jì)的片狀薄膜。

5.7 用于神經(jīng)再生的聚合物生物材料

由于神經(jīng)系統(tǒng)的生理復(fù)雜性，受損神經(jīng)的修復(fù)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。盡管過去幾十年取得了進(jìn)展，但仍然不可能完全修復(fù)損傷，從而恢復(fù)神經(jīng)系統(tǒng)失去的功能。神經(jīng)系統(tǒng)通常分為中樞神經(jīng)系統(tǒng) (CNS) 和周圍神經(jīng)系統(tǒng) (PNS)。人們已經(jīng)探索了各種用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)和周圍神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)修復(fù)的策略，包括引導(dǎo)導(dǎo)管、帶有細(xì)胞移植的支架和治療劑的遞送。本節(jié)將主要關(guān)注神經(jīng)引導(dǎo)導(dǎo)管方法中使用的聚合物。

人們普遍認(rèn)為，軸突（從神經(jīng)元細(xì)胞體延伸并傳導(dǎo)電信號(hào)的長(zhǎng)突起）的物理引導(dǎo)在神經(jīng)修復(fù)中起著關(guān)鍵作用。神經(jīng)引導(dǎo)導(dǎo)管的設(shè)計(jì)目的是 (1) 引導(dǎo)軸突從近端神經(jīng)末端跨過病變部位生長(zhǎng)，(2) 為受傷神經(jīng)末端分泌的生物分子的擴(kuò)散提供通道，以及 (3) 減少疤痕組織對(duì)再生區(qū)的侵入。為了實(shí)現(xiàn)這些功能，理想的神經(jīng)引導(dǎo)導(dǎo)管應(yīng)該是半透性的，導(dǎo)管內(nèi)部具有定向的地形特征，支持電活動(dòng)，能夠傳遞生物活性因子，并能夠支持細(xì)胞粘附和遷移。聚合物的多功能性使其成為神經(jīng)引導(dǎo)導(dǎo)管工程的首選。早期研究使用了不可降解的合成聚合物，包括硅膠和 ePTFE。盡管硅膠神經(jīng)導(dǎo)管已成功填補(bǔ)了 10 毫米以內(nèi)的間隙，但它們無法支持更大缺損處的再生。因此，人們已將精力轉(zhuǎn)向開發(fā)可生物降解的導(dǎo)管。使用可降解材料的優(yōu)勢(shì)在于可以最大限度地減少纖維化反應(yīng)和神經(jīng)壓迫等長(zhǎng)期并發(fā)癥。材料的降解特性應(yīng)滿足以下要求：(1) 降解曲線應(yīng)與軸突生長(zhǎng)曲線相匹配，以便導(dǎo)管在再生過程中保持足夠的機(jī)械支撐；(2) 降解產(chǎn)物應(yīng)引起最小甚至零的組織反應(yīng)。已經(jīng)使用了一系列可降解聚合物，包括可生物降解的聚酯，如 PGA、PLA、PLGA 和聚己內(nèi)酯；聚磷腈；聚氨酯；和聚（3-羥基丁酸酯）。

自從有研究表明電荷會(huì)影響體外神經(jīng)突延伸并改善體內(nèi)神經(jīng)再生以來，能夠提供電刺激的聚合物已被納入引導(dǎo)導(dǎo)管的開發(fā)中。這些聚合物包括壓電聚合物（如 PVDF 及其共聚物）和導(dǎo)電聚合物（如聚吡咯及其生物改性衍生物）。其他電活性聚合物（如聚苯胺）也可能為神經(jīng)生長(zhǎng)提供支持，因?yàn)檠芯勘砻髌鋵?duì)心臟成肌細(xì)胞有令人鼓舞的結(jié)果。

神經(jīng)導(dǎo)管可以是空心的，也可以充滿基質(zhì)以支持軸突伸長(zhǎng)。一種流行的填充劑選擇是天然聚合物凝膠。理想情況下，凝膠應(yīng)柔軟，機(jī)械性能與神經(jīng)組織相匹配，多孔以允許軸突長(zhǎng)入，可生物降解和生物相容。已經(jīng)研究了許多天然聚合物，包括瓊脂糖、殼聚糖、甲基纖維素、透明質(zhì)酸、藻酸鹽、纖維蛋白凝膠、膠原蛋白、角蛋白和自組裝肽支架。瓊脂糖是一種熱可逆多糖水凝膠?？梢酝ㄟ^改變附著在糖殘基上的功能團(tuán)來改變其膠凝溫度。它還可以用各種生物基序進(jìn)行功能化，例如層粘連蛋白衍生的肽序列 RGD、YIGSR 和 IKVAV，以增強(qiáng)神經(jīng)突延伸。纖維蛋白是一種天然的傷口愈合基質(zhì)，可在再生的早期階段找到。它由血液凝固級(jí)聯(lián)形成，以恢復(fù)止血并啟動(dòng)組織修復(fù)。使用纖維蛋白凝膠作為填充物可以緊密模擬在連接短神經(jīng)間隙的導(dǎo)管中形成的天然基質(zhì)，其中纖維蛋白線通常由神經(jīng)末端受損血管滲出的血清形成。肽序列也已交聯(lián)到填充纖維蛋白基質(zhì)中以進(jìn)一步誘導(dǎo)神經(jīng)突延伸。除了凝膠填充劑外，導(dǎo)管中還使用了合成或天然的縱向絲，以使生長(zhǎng)的軸突沿再生方向?qū)R。用于制備細(xì)絲的材料包括聚酰胺、羊腸線、聚二氧化酮、聚乳酸、聚（丙烯腈-甲基丙烯酸酯共聚物）、膠原蛋白、PLA、PGA 等。

最近，神經(jīng)引導(dǎo)導(dǎo)管的材料研究已提升到一個(gè)新的水平，舊的被動(dòng)材料范式已轉(zhuǎn)向新的生物活性材料設(shè)計(jì)?；瘜W(xué)信使（例如神經(jīng)遞質(zhì)）已聚合到聚合物主鏈中，從而為所得生物材料賦予神經(jīng)活性。這種新型聚合物的第一個(gè)例子是多巴胺與二縮水甘油酯聚合形成可生物降解的材料，該材料在體外表現(xiàn)出旺盛的神經(jīng)突生長(zhǎng)，在體內(nèi)表現(xiàn)出良好的組織相容性。另一種新型生物活性聚合物的例子是聚唾液酸及其水凝膠。聚唾液酸是神經(jīng)細(xì)胞粘附分子的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)翻譯后修飾。它已被證明可以顯著改善體外細(xì)胞粘附和活力。隨著對(duì)神經(jīng)再生生物學(xué)原理的了解不斷加深，預(yù)計(jì)未來將開發(fā)出更多生物活性材料，以實(shí)現(xiàn)神經(jīng)損傷的及時(shí)功能恢復(fù)。

5.8 結(jié)論和未來展望

聚合物對(duì)生物醫(yī)學(xué)研究和醫(yī)療實(shí)踐產(chǎn)生了重大影響，并將繼續(xù)成為二十一世紀(jì)生物材料的主要?jiǎng)趧?dòng)力。這里介紹的聚合物生物材料及其應(yīng)用只是冰山一角。隨著對(duì)現(xiàn)有生物材料的生物反應(yīng)的了解不斷加深，以及對(duì)人體器官組成、功能、生物力學(xué)和疾病病因的更好掌握，化學(xué)家和聚合物科學(xué)家應(yīng)繼續(xù)與生物學(xué)家、醫(yī)生和工程師合作，開發(fā)用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的定制聚合物。與舊的惰性合成聚合物相比，生物活性、仿生和智能聚合物將成為中心舞臺(tái)。此外，由于生物系統(tǒng)與聚合物的相互作用發(fā)生在界面上，表面相關(guān)研究將繼續(xù)蓬勃發(fā)展，尤其是表面表征和表面改性。我們可以期待，借助新一代生物材料，我們可以更好地管理疾病，并將生物材料無縫整合到人體中。

富臨塑膠于2016年成立，公司位于廣東省東莞市樟木頭鎮(zhèn)，專注于醫(yī)療行業(yè)，秉持以客戶為中心的理念，供應(yīng)客戶所需材料與協(xié)助提供解決方案，是醫(yī)療產(chǎn)業(yè)鏈整合供應(yīng)商。

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