生物醫用高分子材料性能優勢及器械抗菌表面構建研究

許 盛

(西安醫學院,陜西西安 712000)

在醫療服務體系與公共衛生體系中,醫療器械作為最為關鍵的基礎裝備,需要全面強化對于制備材料的重視,以確保器械功能得以充分有效發揮[1]。高分子材料是醫療器械制備材料的重要組成部分,其中塑料、橡膠、纖維等最為常見,已實現了各種醫療器械生產制造中的普遍應用,例如全降解冠脈支架、植骨材料、人工皮膚與血管、醫用導管、介入診療導管、抗菌高分子敷料等等[2]。而在醫療器械進入人體之后,其表面滋生的細菌很容易造成感染,影響病人生命安全。所以,必須加強對醫療器械表面抗菌的重視。造成感染的關鍵在于細菌依附于醫療器械表面,基于信號分子彼此交流,引導相同類型細菌積聚。在信號分子濃度上升之后,細菌體內基因激活,便會分泌出蛋白成分,以此生成完整生物膜結構,若生物被膜生成,那么膜內部細菌的殺菌要素抵抗能力與防止機體免疫系統清除能力就會顯著提高,進而導致細菌持續感染。據此本文針對醫療器械用高分子材料性能優勢及其抗菌表面構建進行了深入研究與分析。

1 醫療器械用高分子材料性能優勢分析

1.1 完善醫療體系

隨著化學合成與生物工藝水平整體提高,高分子材料的應用越發廣泛,基于可降解高分子材料引進,設計醫療器械,可完善醫療體系,有些解決臨床醫學問題。而且高分子材料力學性能良好,具備耐受滅菌效果,在制備醫療器械時,可加工為多形態成品,成本低,重金屬污染小,且不會造成材料表面鈣化。以往心血管冠脈支架均以不可降解材料制備,并不適合大范圍使用[3]。但高分子材料的衍生,徹底解決了此難題,其同時也是冠脈支架自主研發的熱門,是醫療器械生產制造的重要措施。當前生物可吸收冠脈支架已投入實踐應用,不僅可為人體部位提供支撐,還可加快血管流通速度。若將支架安裝于人體部位,在完全吸收之后,可自動分解于人體,吸收或排出。而且醫護人員需對靶血管中的殘渣物與異物進行詳細檢測,以評估血管疏通成效,并為后續干預性治療奠定基礎。此支架結構原料為可吸收左旋聚乳酸與外消旋聚乳酸所制,可長期留存人體,可吸收左旋聚乳酸是目前應用最為常見的可降解高分子材料,人體只需2～12 個月便可完全吸收,在經過降解之后便會轉化成二氧化碳與水。就臨床表現可知,可吸收心血管冠脈支架可能會引發一定的心臟不適問題,但是可以緩慢適應,以此獲取良好效果。

1.2 解決醫學問題

常見的醫療器械主要有體外診斷裝備、醫用耗材、醫療設備等,呈現出多元化特征。在醫療器械體系中,最普遍的材料是塑料,不僅成本低,易于加工,且質量較高。目前來說并不是全部的高分子材料都可實現在醫療器械中的應用,其中一些還存在安全性隱患[4]。因此在實踐應用時,應由多角度充分考慮,通過環境需求加以分析并合理選擇。基于PE 與НDPE 高分子材料制備人工氣管與矯型外殼修補材料。需煮沸消毒,加以整合,明確標識醫療器械各組成部位,使用時遵守具體規則,避免零部件被損壞。例如非血管內支架制備,便可融入高分子材料,以保障支架穩定性,提升手術效率。此類型醫療器械產品通常更加趨向于生物可吸收材料,外層使用丙交酯-乙交酯共聚物,藥物涂層則選擇藥物糠酸莫米松、丙交酯-乙交酯共聚物、聚乙二醇,適用于鼻竇炎手術,可有效避免FESS 術后黏連,確保鼻腔通暢,防止炎癥發生。而且此醫療器械通過編織成型,完成了熱處理定型工藝,若在基礎性鼻竇炎手術中使用,可輔助藥物順利進入病變位置,由某種角度來講,相當于運輸帶,可切實避免炎癥與交叉感染。

1.3 提高醫學技術性

作為生物醫用材料,高分子材料同時具備多結構、高活性、強性能等優勢特征,是現代化醫療體系的關鍵要素,也是醫療器械制備的重要組成部分[5]。例如導尿管、植入器械等,都融入了高分子材料,使得醫學技術性得以顯著提升。而且高分子材料在醫學中的應用愈發廣泛,為節約資源,需創造一體化醫療設備體系,以呈現高分子材料的實踐作用。在具體計劃時,還需充分考慮現實情況,根據臨床數據,由多角度探索分析,以制備出高質高效醫療器械。例如PC,韌性強且耐熱蒸汽消毒,可結合血液過濾器,制備過濾帶,以強化血液去除效果,降低血液內二氧化碳,增加氧氣量。同時,還可應用于無針注射體系、血液離心與活塞內,通過高透明性能,透視觀察人體結構。而熱塑性彈性體由于化學結構過于復雜,需進行分子排列,對比聚酯結晶與聚醚,并應用于導管和IV 連接器制備,通過不同氣體、混合液體加以測試分析,以觀察醫療器械的抗水解反應。

1.4 提升醫療水平

雖然PVC 與PP 已實現自主,但是許多材料都是進口而來,在醫療器械應用上依舊存在不足[6]。因此在實踐應用中需充分掌握高分子材料特征,以實現醫療器械規范化與標準化制備。例如聚乙烯醇纖維,在強化血管球囊導管的心血管產品中的應用比較常見,主要體現在高強縫合線上,可用于前交叉韌帶修復的固定裝置制備中,還可用于由環形修復到全椎間盤修復的脊柱植入物中,以此緩解病人機體痛楚。常見醫用防護服主要應用SMS 結構聚丙烯無紡布與膜織物復合材料,既提升了防護性,又降低了成本。

2 高分子材料醫療器械抗菌表面構建策略分析

2.1 抗菌

對于生物器械感染而言,細菌粘附于表面是首要步驟,因此對細菌的表面粘附進行有效防控是抗菌表面構建的關鍵。醫療器械表面細菌粘附與細菌類型、生化性能息息相關,但最為重要的因素是器械表面性能,即表面化學組分、臨界表面張力、界面性能、親疏水性等。

2.1.1 親水性

通過親水性物質改性,以水環境下構成水化層,控制細菌粘附于醫療器械表面,防止交叉感染,是醫療器械表面抗菌構建的主要策略[7]。親水性改性物質通常包括乙二醇與內鹽等等,即聚乙二醇通過氫鍵和水分子相結合構成水化層、分子鏈的空間抵抗細菌粘附于表面,而內鹽材料通過電核價態的相關作用,與水分子共同作用,構成水化層,從而抵抗細菌粘附于表面。

例如在外周靜脈導管表面基于氧化-還原聚合反應實現磺酸內鹽接枝,具體如圖1 所示。

圖1 外周靜脈導管表面接枝磺酸內鹽Fig.1 Grafting of endosulfonate onto the surface of the peripheral venous catheter

其中磺酸內鹽可切實改善外周靜脈導管,以降低各種細菌在醫療器械表面的粘附幾率,且抗凝血性能良好。親水性內鹽類聚合物基于離子鍵與水分子之間發生水化作用,構成致密度較高的水化層,以此抑制蛋白、細菌、細胞等粘附于外周靜脈導管表面,并避免生成生物膜。

2.1.2 超疏水性

疏水性作用通常會導致細菌粘附于醫療器械表面,基于強化細菌和表面之間的彼此作用,移除界面水,并降低系統自由能[8]。但是超疏水性表面具備良好抗細菌粘附性,可有效防止醫療器械表面附帶細菌。例如氟化鈉米硅涂層具備超疏水性能,且金黃葡萄球菌與綠膿桿菌在表面的粘附相對較少。

總之,抗菌構建策略雖然可以在一定程度上抑制細菌依附于醫療器械表面,并生成生物膜,但是卻不具備百分百抑菌能力,若是少數細菌粘附在表面,抗菌粘附機制根本無法阻止細菌繁衍。

2.2 殺菌

基于殺菌機制可具體劃分為接觸型殺菌機制與釋放型殺菌機制。接觸型殺菌機制主要針對醫療器械表面進行陽離子聚合物、抗菌肽或者活性氧等構建,以表面直接接觸抵抗細菌[9]。釋放型殺菌機制即由殺菌劑從醫療器械內部緩釋于環境內,以發揮殺菌效用,即抗生素與氮氧化物等等,可殺死表面細菌,從而實現抗菌作用。

例如長效抗菌導尿管,相較于普通商品抗菌導尿管,其抑菌繁殖周期可以達到大約49～84 d。在導尿管中,抗生素等殺菌藥物逐步緩釋,其力學性能并不會被影響,而抗菌機制即抗生素基于溶液浸漬于導尿管內,可緩釋于水環境,所以殺菌周期較長,而且多種抗生素結合使用,能夠有效應對人體環境內多種細菌引發的感染。

2.3 抗菌-殺菌

通過有機結合抗菌與殺菌表面構建策略,可彌補二者各自缺陷[10],即抗菌與殺菌單體接枝共聚；抗菌劑與殺菌劑共混；抗菌劑與釋放型殺菌劑共用。

例如基于聚乙二醇、陽離子、多巴胺多功能組分的聚碳酸酯共聚物,其抗菌機制如圖2 所示。

圖2 聚碳酸酯共聚物抗菌機制Fig.2 Antibacterial mechanism of polycarbonate copolymer

聚碳酸酯共聚物在水溶液內可消殺大腸桿菌與金黃葡萄球菌,固定在醫療器械表面之后,可在很大程度上抑制細菌粘附。而且聚碳酸酯共聚物在接觸到金黃葡萄球菌14d 后,依舊可以保持良好抗污性能與殺菌活性,還可以防止蛋白質與血小板吸附,血液相容性較好,同時還可將其涂抹在醫用導管表面,使其具備抗菌-殺菌功能,尤其是抗菌性能穩定且持久。

2.4 抗菌-殺菌轉化

殺菌表面構建策略一般情況下,在殺菌之后會導致已死細菌積聚于醫療器械表面,以此不僅會降低醫療器械表面的殺菌活性,還會引發免疫系統反應,造成感染。所以通過殺菌表面構建,以殺菌組分將細菌殺死之后,基于pН 值、干-濕態、溫度等響應,醫療器械表面便會由殺菌表面轉化為抗污表面,所殺細菌便會由表面釋放于環境內,以此實現長效抗菌表面構建。

例如雙層結構平臺構建,把陽離子抗菌聚合物隱匿于抗生物污染的干凈表面,基于干態條件,外層分子刷表面失水發生坍塌,造成內部抗菌聚合物通過接觸殺菌形式及時將細菌殺死。水相環境下,外層兩性聚合物構成水化層,可抑制溶液細菌粘附于醫療器械表面。若細菌粘附于表面,那么內部陽離子抗菌聚合物還可發揮作用殺死細菌,避免交叉感染。而覆蓋層可通過隔離細胞、血液組分與殺菌層之間的直接性接觸,提升抗菌表面生物之間的相容性。

3 結語

總之,在醫療器械進入人體之后,表面滋生附帶的細菌極易造成感染,威脅病人生命安全。細菌在醫療器械或者高分子材料表面粘附,生成生物膜,此時若形成生物被膜,便會導致細菌交叉感染。為確保醫療器械表面具備有效抗菌性能,必須進行表面抗菌構建,以此本文提出了抗菌構建策略、殺菌構建策略和抗菌-殺菌構建策略和抗菌-殺菌轉化構建策略。