生物醫用纖維及其應用領域研究現狀

王建建

(東方紅學校,山東 菏澤 262700)

1 醫用高分子材料

1.1 現狀

生物醫學材料是具有診斷、治療、修復或替換受損的組織、器官或改善生物體功能的一類材料。它是人工器官和醫療器械研究的基礎,已成為當代材料科學的一個重要分支,特別是隨著生物技術的蓬勃發展和重大突破,生物醫學材料已成為世界各國科學家研究開發的熱點。伴隨著科學技術的高速發展和人們生活水平的提高,許多科學工作者對生物組織的結構和器官組織的關系有了進一步的認識,這對于材料的性能提出了更高的要求,需要具有相似的化學結構,具有一定的物理機械性能,且要具有良好的生物相容性,從而促使性能優異的新型醫用纖維材料得到不斷發展。高分子纖維因其綜合性能優良,受到生物醫學研究領域的重視,除用已普遍使用的外科手術縫合線及敷料外,高分子纖維集合體在生物組織再生、組織支架、創傷修復、人造器官等領域也得到了關注[1]。

1.2 分類及要求

用于生物醫療的高分子材料種類繁多,生物醫用纖維根據原料來源主要分為天然纖維、再生纖維、合成高分子纖維及改性纖維[2]。天然纖維、再生纖維來源廣泛,有著與人體相近的大分子結構,具有生物相似性,性能優異,但往往不能直接使用,通常進行改性使之具有比原料更優異的性能。合成高分子材料有著比天然再生纖維材料更優異的力學性能,同時可以進行大批量生產,不受外界環境影響,大大降低成本,提高生產效率。用于醫療衛生領域的合成纖維高分子材料除了要有醫療功能外,還不能對人體造成二次傷害,無毒無害,具有生物相容性,制備成本較低,可用于工業化生產[3]。

2 生物醫用纖維

2.1 天然與再生纖維

2.1.1 甲殼素纖維

甲殼素纖維是近幾年在醫療衛生領域研究較為熱門的新材料,甲殼素纖維原料主要通過對大型食品加工廠廢棄的蟹殼、蝦殼等資源進行一系列的加工而制成。甲殼素反應活性較高,生物相容性突出,能夠完全降解,其次還具有抗菌、吸濕等優良性能和功效,因而被廣泛應用于醫用縫合線、人造皮膚及傷口包扎等醫療衛生領域[4]。Li等[5]通過濕法紡絲技術制備柔性甲殼素纖維,通過改性后纖維結晶度降低,伸長率提高,在創面敷料和創面繃帶領域有很好的應用。

2.1.2 膠原纖維

膠原蛋白是細胞質的基本組分,具有很好的生物相容性,能夠完全降解,在人體細胞中可以很好地滲透,修復創傷。程國清等[6]采用靜電紡的方法制備膠原蛋白纖維,因為膠原蛋白可紡性差,所以經常與其他纖維進行混紡或者進行改性整理等,提高纖維的強力,避免發生排異反應,從而在生物組織工程、愈合傷口、止血等醫學領域得到廣泛應用[7]。

2.1.3 海藻纖維

海藻纖維來源于天然植物中提取的海藻酸,具有良好的可加工性和低成本等優點,因此其在傷口敷料、保濕面膜、牙齒印模材料、止血敷料、消毒濕巾等功能性醫用紡織品領域具備良好的利用價值[8]。青島明月海藻集團自主研發出“清潔絲”海藻纖維、“艾吉康”創可貼和醫用敷料等系列產品,研發出的產品具有較高的吸濕性,在傷口附近使用可為傷口提供濕潤環境,能夠促進傷口愈合。然而海藻纖維強力和斷裂伸長率在濕態下較低,且纖維間抱合力較差,所以通常與其他斷裂強力優異的纖維混紡[9]。此外,海藻纖維來自天然原料,易降解,不會對環境產生危害。

2.1.4 竹纖維

竹纖維是用于醫療衛生領域的纖維原料,具有很好的抗菌性能,制成的織物具有優異的吸濕透氣性。在醫療領域,往往需要進行消毒或抗菌來減少細菌等微生物的污染,正因為竹纖維所具有的諸多優異性能,目前已經有竹纖維抗菌口罩、襪子、床上用品等衛生產品。美國Entegrion公司將竹纖維和玻璃纖維結合,率先制成了抑菌透氣、吸濕性良好的醫用繃帶,用于止血以及其他醫療用途[10]。

2.2 合成高分子纖維

2.2.1 聚乳酸纖維

聚乳酸纖維成為新一代的高分子纖維材料,是從玉米、甜菜等淀粉含量豐富的原材料中制得的,淀粉經發酵轉化成乳酸分子,然后經過聚合反應成聚乳酸,經過化學改性,增加其強度,同時保水性能也得到優化,最后得到性能優異的聚乳酸纖維[11]。這種纖維的原料成本低,是人體內源性活性物質,不會產生排斥反應,不會對人體產生危害并且容易被人體吸收,因此在醫療衛生領域常常被制成醫用組織、骨架材料而用于人體治療,且在可吸收手術縫合線等醫療器械材料領域應用廣泛。Li等[12]研究了以聚乳酸(PLA)和聚乳酸/羥基磷灰石(PLA/HA)為成分的生物支架,能促進人體造骨細胞的增長,起到快速修復骨質的效果。

2.2.2 聚羥基烷酸酯(PHA)

聚羥基脂肪酸酯(PHA)是一種生物高分子材料,可以通過熱塑性成型加工。PHA 最突出的特性是其良好的生物相容性和生物降解性[13],因此PHA 在醫療、制藥、工業、農業和其他領域有著獨特的應用。Michal等[14]基于生物降解和生物相容性等優異特征,引入了諸如將藥物與低分子量聚3-羥基丁酸結合或制備負載藥物的PHA 顆粒等方法。將PHA 作為藥物載體和組織工程支架等,此外,PHA 可作為醫療或美容目的的生物活性物質透皮給藥的材料。新型功能化PHA 的開發為將基于PHA 的藥物傳遞系統的良好生物相容性與改進的藥物負載和釋放特性、靶向性或成像的可能性相結合開辟了新的可能性。由于這些生物聚合物的優異生物相容性和對藥物給藥的強有利作用,預計在以PHA 為基礎的藥物傳遞系統方面將進一步取得進展。

2.2.3 其他合成纖維

其他合成纖維如聚乙交酯、聚乙丙交酯(PGLA)、聚己內酯等[15],都具有生物可降解性,能夠被人體直接吸收,不會對人體造成傷害,因此在手術縫合線及載藥敷料等領域得到廣泛應用。

3 應用領域

3.1 醫用敷料

醫用敷料主要是用來覆蓋傷口和瘡口、隔離外界細菌和病毒的覆蓋物,這就需要醫用敷料能夠很好地與皮膚接觸,貼合度要好。隨著醫用器械的發展,人們已經針對傳統敷料不能滿足人們需求的問題,開發出具有保濕透氣,能夠有效阻止病毒的入侵和細菌的危害,全面貼合人體皮膚的醫用敷料[16]。醫用敷料往往會和血液直接接觸,因此要求兩者要具有良好的相互關系。以E 玻璃纖維為原料,研制成醫用玻璃纖維經編織物,經過涂覆改性聚氨酯,制成醫用專用玻璃纖維聚氨酯,在專用涂覆設備下,進行復合、涂覆,制成性能優異的醫用纖維繃帶,并得到應用[17]。理想的創傷敷料應能阻止外界污染的同時具有一定的防水透濕透氣性,能以合適的速率轉移水氣,使傷口周圍空氣得到流通凈化,且能夠很好地貼合傷口表面[18]。靜電紡制成的纖維膜材料因其纖維為納米級,具有較高的比表面積和孔隙率及良好的透氣性,為傷口提供理想的濕度環境。此外,靜電紡絲納米纖維可以阻隔空氣中絕大部分的細菌和微塵,避免傷口再受感染。Sofokleous等[19]利用靜電紡絲法制備了可實現藥物釋放的聚乳酸-羥基乙酸共聚物敷料,為傷口愈合提供了理想環境。

3.2 醫用支架/骨架

隨著交通安全問題的凸顯以及人口老齡化趨勢加劇,外傷及骨科等問題也顯著增加,在臨床醫學骨科重建手術領域中,需要一種理想的材料進行體外移植,體外移植最常見的問題是排異現象。隨著3D 打印技術的發展,具有三維立體結構的生物支架材料近年在醫用支架移植等領域成為熱門,被視為理想的骨骼替代材料[20]。Mur phy等[21]研究了醫用支架孔徑尺寸和數量對人體骨骼細胞的影響,了解到小孔徑支架的比表面積較大,有利于初期細胞的黏附,而大孔徑支架能促進細胞的遷移生長,可以降低細胞的聚集度。

3.3 人工皮膚

皮膚作為人體免疫系統第一道防線,能夠抵抗外界抗原侵入人體[22]。當人們發生燒傷燙傷或因其他原因造成皮膚損傷等問題,皮膚在受到損傷后往往很難恢復如初,尤其是大面積燒傷的病人,只能通過皮膚移植來解決。人體皮膚組織培養困難,若依靠體外移植則可能會產生排異反應,對身體造成更大傷害[23]。所以能夠簡單快速替代人體皮膚組織的材料要具備以下特點:不會與人體產生排異反應,活體組織不發生炎癥和排拒,材料表面不產生鈣沉積,能夠很好地貼合傷口,無毒無刺激,最重要的是不影響本身皮膚的愈合,同時應具有一定的物理性能,如柔軟舒適性、透氣透濕性,防止細菌侵入及水分丟失的屏障作用等。

3.4 緩釋藥物纖維

傳統的低分子藥以口服或外敷的形式使用在藥物治療領域,某些藥物往往需要在特定的位置才能發揮最好的效果,所以研究出了靜脈注射技術,但靜脈注射技術因其速度不可控,所以也不能達到所希望的效果[24]。靜電紡絲技術是模擬組織器官細胞外基質結構的最廉價、最高級的技術之一。若通過靜電紡絲技術將所需的藥物加入到紡絲液,制備復合納米纖維,在適當的時間將所需的藥物量釋放到人體器官適當部位,然后納米纖維通過降解或者遇水溶脹,將藥物成分緩慢釋放,可提高藥物利用的高效性[25]。

4 結束語

常見醫用纖維都要求具有較好的生物相容性,良好的生物可降解性,不會對環境造成污染。隨著醫用纖維的不斷發展,人們對醫用材料的性能提出了更高的要求,但是目前技術并不能完全克服排異反應,且治療時往往需要支付高額費用。研究和開發新型纖維或者通過混紡、接枝共聚改性的方式來研究出性能更好的纖維材料,降低成本,進而降低醫療費用。