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生物可降解材料及在生物医学上的应用

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《人与生物圈》2017年第z1期

摘要:生物多样性水平是一个地区生态环境建设的重要标志之一。在分析大同市生物多样性现状的基础上,提出了生物多样性保护的对策,使生物多样性得到切实保护,实现大同市生态系统的良性循环和发展。

【关键词】生物可降解;降解机理;生物医学;高分子材料

生物上可作为医用的原料与人们康健有着紧密联系,有良好的相容性,不会使机体、血液产生不适应反应;根据医疗为基础,用来诊断病症、救治和修复人体机体或替换坏死的系统,可以增长机能的无生命材料,主要有金属类、有机类和无机类等三大类材料。医用原料议定三代改革,对产品原料的要求具有多功能性且极为复杂和严格,大都金属和无机材料无法符合这一条件。是以,具有良好的物理化学性能的可降解聚合高分子原料因与生物体有着相像的化学构造,一定的生物可容性及制造简易,使其在生命体和医学范畴上占上风。由于对环境的保护和避免医用材料长期植入人体组织导致炎症或其他症状的发生及避免患者二次手术痛苦的需求。在人们或动物碰伤导致骨断裂时,关于稳定骨质料在药理使用范围所须要的医用高聚物原料,希望可以在一定物理机械性能和相容性的前提下,具备可分化性,以便愈合时被机体消化或排泄出体外,是以生物医用可用高聚物原料分化的研究受到巨大的重视。

1生物可降解材料的降解原理

细菌体吸附于质料表面,在特定的前提和必然的自然环境下,释放或渗出相应的酶使之分化。

2生物可降解材料的分类

根据原料来源以及工艺的不同可分为:可降解天然高分子材料、可降解合成高分子材料和可降解微生物合成高分子材料。

2.1天然高分子可降解材料自然形成的可分化原料活性过强,易发生排斥反应;因人体各部位的酶含量有差异,比较困难评价其机体内的分化速度和天然高聚物可降解原料强度机能差等不足使其在运用方面受到限制。

2.2合成高分子可降解材料合成高聚物可降解原料是按照需要设计生产,运用简易的物化改变其结构获得性能广泛的质料,改性过程中将具有酯基构造的脂肪族(共)聚酯引入化学结构中,易被分化降解。是以,对合成高聚物原料的探究更为广泛普遍,运用更广。

2.2.1脂肪聚酯脂肪聚酯中PGA,PLA,PCL及其共聚物等因含毒量少和抵抗力差,在医用领域得到普遍使用。为高聚物时,有高性能强度和降解迟缓,可作巩固骨的原料;但低聚物时,分化速度快,适用于输送药物系统。此外,PGA、PLA、PCL可以与生物相容,可被接收和完全分解。已运用于生物医用高分子、纺织和包装等行业[11],常做医用缝合线、外科矫正材料和骨钉。

2.2.2聚原酸酯聚原酸酯是一种人工合成的含有酸敏感的酯键聚合物,属于非均相异构体。通过水解反应,使原酸酯键水解成可溶于水的小物质,易被机体吸收排泄。目前,美国Alzamer公司通过酯基转移反应,在真空和加热条件下将二乙基四氢呋喃和二元醇研制出Alzamer产品,用作控释载体和烧伤部位处理材料;同样,美国SRI公司在常温下通过一系列反应制得第2种聚原酸酯以及Miller等制成的第3代聚原酸酯。聚合物为软膏状,适用于药物的控释。

2.2.3聚对二氧六环酮(PDS)PDS因为其独特的特性,被选用为骨折内固定材料。在骨组织中,PDS作为稳定物是可全部消化分解的,分化过程中,新骨在固定物内长出,其分化产物通过尿道排放或呼吸道呼出,不会产生蓄积。

2.2.4生物陶瓷类以磷酸钙(TCP)生物陶瓷的应用较为普遍,β-TCP的孔隙(1~1000un)决定其力学性质和降解快慢,是类似松质骨的粒状或块状合成材料,适用于骨部位的修复,诱导新骨生长后被分化吸收。另外,PC、聚酸酐[12]、聚磷酸酯以及其共聚物等常聚合为降解高聚物原料,应用于药学治理方面。然而,合成高分子可降解材料降解缓慢,植入人体导致细菌感染,并发炎症等难题的解决不容迟缓。

2.3微生物合成高分子可降解材料

通过微小生物体的发酵以及一系列复杂过程,将碳源有机物合成可分化聚合物原料。较为普遍的有生物聚酯(PHA)和聚羟基丁酯(PHB)[13]两种,此中微生物聚酯(PHA)方面的研究较多[14]。

3生物降解材料在医学领域的应用现状

绿色环保已成为新世纪的健康生活方式和追求,可持续能源发展占重要地位,生物可降解材料的发展秉承了绿色环保可持续的观念。

3.1手术缝合线现多数使用甲壳素、壳聚糖、聚乳酸和聚乙醇酸制成的手术缝合线,完全降解周期为2-6周。此类高分子手术线[15]的应用,可被人体吸收或所代谢,伤口愈合无需拆线,避免再度感染,操作简便。

3.2外科用粘合剂外科用粘合剂用于创伤愈合前的粘合,作用期短暂,能在粘合后快速分解,被机体吸收或排泄,起修复作用。聚氨酯黏胶的亲肤性良好,生物相容性好,可被分化吸收,适用做伤口敷料。当有粘着液、血液等渗出时,聚氨酯系胶黏剂迅速发生复杂交联反应,将高反应性异氰酸基转化,在很短的时间内产生较大的软粘弹性体生成物[16]。

3.3人工皮肤由于皮肤坏死或者大面积烧伤,人工皮肤[17]的应用较为广泛,其中常用的已被商业使用的人造皮肤有胶原蛋白、聚L.亮氨酸、甲壳素、丝素蛋白等生物可降解高分子材料,可抗菌消炎,能制造成柔软的膜制品,加速痊愈,在烧伤治理、换皮、包扎等方面运用较多。

3.4骨固定材料因金属材料强度大,使用寿命长,在传统医治骨折病人时,多数采用其作为内固定物。但是,金属合金与骨的刚性不匹配,在愈合时容易导致金属与骨头的磨损,不利于骨质恢复,甚至导致炎症。金属无法降解,需要再次手术摘除,易造成感染。因此,人们发现聚乳酸、甲壳素、β-磷酸三钙生物陶瓷[18]等可作为骨科材料,对其进行分子设计、采用工程组织方法进行软骨修建和重建,既可以作为缺损填充材料,还具有骨的传导和诱导新骨生成作用[19]。

3.5药物缓释材料药用物材控释产品大多为聚合物,可降解吸收性。尤其是可吸收性较好的聚乙酸、可恒速降解的聚酸酐及良好相容性的多聚糖等聚合物[20]。可用聚乳酸(PLA)-聚乙二醇(PEG)等作为载体工具,制备包封率较高的疫苗微球,可载药和缓慢释放,作用效果显著[21]。用于治疗癌症、心脏病、高血压等疾病的药用物材缓释原料有甲壳素、胶原、PLA以及聚已内酯等。

3.6组织工程支架伴随着新的骨支架聚合物原料和制造技术的进步,组织工学日渐崛起,在帮助人们康健和医疗中充当必不可少的角色[22、23]。有学者指出,聚羟基丁酸/聚羟基戊酸共聚物,聚乙醇胺/聚乳酸共聚物均具有优异的物理机械性和生物相容性,可进行设计构建为心脏瓣膜支架[24]。胶原、透明质酸、甲壳素、壳聚糖、生物陶瓷均用作常见支撑材料。在支架分解中,细胞发生分裂分化作用,生成新的机体。这些机体继承了原有细胞的部分结构和特殊性能,来达到创伤修复和功能重新建立的目的[25]。

4展望

可见生物可降解材料在医用领域的用途普遍,更符合现代生物医学的进展要求。但是可降解材料仍存在价格昂贵,使用周期往往与治疗周期不符,使用范围受到限制,临床应用相对不普遍。

作者:伍李云;张美庭;张晓珊;任星姚;陈长政 单位:五邑大学纺织材料与工程学院

人与生物圈杂志责任编辑:张雨    阅读:人次

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