高分子材料在臨床醫學護理中的應用

石思歡，王振華

（重慶市開州區人民醫院，重慶 405400）

在種類眾多的生物醫用材料之中，生物醫用高分子材料作為其中的主要組成部分，發展時間較早、應用范圍較廣，且使用量大，尤其是在臨床醫學中使用量明顯高于其他醫學領域。此外高分子材料的種類繁多，當前國內在臨床醫學中主要使用的醫用高分子材料包括橡膠材料、塑料材料、纖維材料及粘合劑材料四種。而隨著國內醫療科學技術的不斷發展與提高，高分子材料在臨床醫學領域中已經被更廣泛的使用。當前醫用硅膠橡皮管、介入診療導管、介入栓塞材料等醫學設備已經在臨床中得到廣泛認可和使用。醫用高分子材料不論是在疾病診斷、治療還是護理領域中均發揮著極為重要的作用［1］。因為目前高分子材料不但在臨床醫學中有大量的使用，在其他醫學領域的應用和拓展也越來越廣泛，導致在高分子材料學科和醫學領域相結合衍生除了一個新興的學科——醫用高分子材料學科，它是以高分子化學為基礎，將理論、方法、臨床醫學相互結合，以此來研究生物體結構組成、生物體器官內部的功能、醫用材料的使用等方面的一門新興化、年輕化、邊緣性的學科。醫用高分子材料融合了高分子化學和物理、高分子材料工藝學、藥理學、病理學、解剖學和臨床醫學等方面的知識,還涉及許多組織工程學問題。生物醫用高分子材料的發展,對于戰勝危害人類的疾病,保障人民身體健康,探索人類生命奧秘具有重大意義［2-4］。

1 臨床醫用高分子材料的特點及基本性能要求

隨著科技進步和材料加工工藝的不斷發展，在當前的社會背景之下，生物醫用高分子材料大部分的應用場景都與臨床診斷、治療、檢驗以及手術后護理過程有關。在這些過程中生物醫用高分子材料要與患者身體直接接觸，這就對生物醫用高分子材料的生物特性提出了極為嚴格的要求，要求其必須同時滿足加工物理機械性能強、生物相容性強雙重特性。在臨床醫學治療中，醫用高分子材料將直接與患者的血液、皮膚或者體液相互接觸，另外在治療過程中還可能需要長時間或者短期內將醫用高分子材料制成的器械置入患者體內，那么生物醫用高分子材料必須具備以下特殊性能，方可確保材料安全性以及在臨床醫學中大范圍的推廣和使用［5-6］。

（1）穩定的力學性能。生物醫用高分子材料在臨床治療過程中，無論是與患者身體接觸時間長或者短，都必須要具有與患者身體相匹配的強度，還必須具耐疲勞度，確保材料可長時間輔助或者完成治療及護理任務，另外耐磨性及尺寸穩定性強，具備完美的模量。例如：如果患者需植入生物醫用高分子材料制成的人工關節，因人工關節需長時間置入患者體內，這就需要該材料的耐磨性強，耐疲勞性強、模量高等優勢，還要保證人工關節的機械強度和人體相匹配。

（2）穩定的物理性能。醫用高分子材料在臨床治療過程中必須要求保持物理性能穩定，要求醫用高分子材料在經過消毒、滅菌等操作過程中仍然保持原有形態及性能，同時還要求醫用高分子材料必須具備耐高溫、耐高壓等物理特性。

（3）良好的化學惰性。生物醫用高分子材料在加工成型的過程中必須要具備容易成型的特點，另外就是生物醫用高分子材料在與人體接觸時，不論是血液、體液、皮膚還是相關組織均不可出現任何的化學反應，這樣才可以有效的避免排異反應，同時避免在治療、檢驗或者護理過程中發生炎性反應。給患者帶來二次手術或者治療的痛苦。

（4）優異的生物相容性和可降解性。醫學領域作為一個特殊領域，醫用高分子材料在臨床醫學中的使用要求必須比其他高分子材料更為嚴格。必須要保證生物醫用高分子材料具有良好的生物相容性，這樣在臨床醫學的使用中才可以保證患者的生命安全，同時生物的相容性不僅僅體現在組織相容性及血液相容性兩個方面，還需要滿足降解產物可吸收性這一點，才可確保植入后不會產生排異反應。

（5）合理的價格。要想保證生物醫用高分子材料在臨床上的大范圍推廣與使用，必須要保證生物醫用高分子材料不會過分昂貴，適用于平民消費，且還要滿足生物醫用高分子材料的原材料容易獲取，這樣才可以控制成本和大面積推廣使用。

2 常見的醫用高分子材料及合成方法

2.1 常見的醫用高分子材料

隨著科學技術的不斷發展和進步，高分子材料的合成與制作工藝也在不斷進步，越來越多的天然或者合成高分子材料被用于生物醫用領域和臨床治療領域。目前常用的天然高分子材料的原料都是天然的聚合物，天然聚合物是自然存在于生物體中的原料，例如膠原蛋白、明膠、彈性蛋白、肌動蛋白、角蛋白、白蛋白、殼聚糖、海藻酸、甲殼素、纖維素、蠶絲和透明質酸等［7］。相比于人工合成的生物醫用高分子材料，許多天然生物醫用高分子材料更容易被人體系統接受， 這是由于天然生物醫用高分子材料可以通過既定的途徑進行代謝。但是，天然生物醫用高分子材料相比于人工合成醫用高分子材料也存在一些缺陷，主要有免疫原性、結構復雜性和較差的生物力學特性。

與天然的生物醫用高分子材料相比，人工合成聚合物醫用材料由于具有更好的多功能性、可加工性和可控的降解性，在生物醫用領域和臨床醫學領域獲得了廣泛的應用。人工合成生物醫用高分子材料包括惰性聚合物和生物降解聚合物。惰性聚合物(不可生物降解) 在人體內不會發生任何化學變化，常用的惰性聚合物有聚硅氧烷、聚丙烯酸酯、聚乙烯及相關聚合物，例如聚酰胺、聚氨酯、聚酯和聚醚。在這些人工合成惰性聚合物之中，聚硅氧烷是人們發現的比較早的聚合物之一， 由于其具有良好的生物相容性和可加工性，可以被制成各種醫療器械， 以聚硅氧烷為原料制備的多種醫療產品已經商業化，包括植入人體的避孕藥具、人工乳房和人工關節等。由于聚硅氧烷對人體細胞和組織來說是惰性的，并且可以承受加熱和輻照，也就是能夠對聚硅氧烷進行殺菌消毒，這個特性使得聚硅氧烷可以在許多臨床外科和非外科手術中均有應用，而且聚硅氧烷的應用范圍還擴大到各種醫療器械中。生物降解醫用高分子材料是指在人體內發生化學反應，緩慢轉化為水溶性物質。生物降解醫用高分子材料通常在分子鏈端含有活性基團，可以在體內被水解或酶解降解為水溶性小分子。當分子鏈中的這些基團被水解時，聚合物鏈逐漸變短，最終全部降解。生物降解醫用高分子材料通常包括脂肪族聚酯 (聚乳酸及其共聚物、聚乙醇酸、聚己內酯、聚羥基丁酸酯和聚羥戊酸等) 、聚原酸酯、聚碳酸酯、聚酸酐、聚磷酸酯和聚磷腈等［8］。人工合成生物醫用材料在診斷和治療人類疾病方面能起到重要的作用。對人工合成生物醫用材料的制備方法、物理化學特性和生物特性評估也已經開展了大量的研究工作。合成聚合物的特性與化學成分、合成方法和改性有關。實際上，化學成分是材料的基本組成部分，決定了材料的基本性能，而合成方法和改性能夠改變材料的結構、形貌和特殊性能，使材料的應用范圍更加廣泛［9］。

2.2 常見的醫用高分子材料合成方法

目前常見的醫用高分子材料的合成反應，通常被歸類為鏈增長聚合和逐步增長聚合，這與鏈形成中的化學過程有關。聚合反應主要為碳鏈聚合物的合成，如聚烯烴和聚丙烯酸酯，通常遵循鏈增長機制。鏈增長聚合涉及鏈起始、鏈生長和鏈終止各步驟。這種聚合反應的特點是僅需要添加單體到活性鏈端， 鏈可以快速增長，且反應過程中僅有單體和聚合物。根據增長鏈活性中心的性質，鏈增長反應又分為自由基、離子(陰離子或陽離子) 或過渡金屬介導( 配位或插入) 的聚合反應。對含有不飽和碳碳鍵(雙鍵或三鍵) 或是具有足夠高環應變的環狀分子的單體，例如合成聚烯烴，通常采用游離自由基和過渡金屬介導的方法進行聚合。與自由基聚合不同，利用過渡金屬協調機制，例如用 Zieglere Natta 催化劑，可以精準控制聚合反應，獲得具有低分散性和高分子量的產物。

主鏈中含有雜原子的聚合物通常是采用逐步增長機制合成的。在該過程中， 聚合物分子量通過任何 2類分子的反應而增加，即單體、低聚物和聚合物鏈。與鏈增長不同的是， 單體在反應初期被基本耗盡， 而聚合物分子量在反應期間持續緩慢增加。遵循逐步增長機制的典型聚合類型是縮聚和加聚反應。在縮聚反應中， 產生的水、醇或鹽酸等小分子在反應過程中要被除去。聚對苯二甲酸乙二醇酯和聚酰胺是通過羧酸衍生物和二醇或二胺之間的縮合反應合成的。大多數聚酐也是通過縮聚反應合成的，加聚反應也遵循類似的機制，親核基團與親電基團在反應中實現聚合物鏈積累。與縮合反應不同的是，加聚反應不產生小分子副產物。例如，在聚氨酯合成過程中，二異氰酸酯單體與二胺或二羥基端分子在催化劑的催化下，反應分別形成了氨基甲酸酯或尿素基團，得到了相應的聚合物。

3 高分子材料在臨床醫學護理中的應用現狀

3.1 高分子材料在人造器官中的應用

隨著現代醫學的不斷進步，越來越多的人造器官可以用于治療和替代病變器官，而高分子材料在人造器官中的應用范圍十分廣泛，人造器官可分為人造臟器和人造組織兩種，前者指代替臟器工作的功能設備，包括人造心臟、人造腎臟、人造肺、人造肝臟等內臟器官；后者則指可以部分行使生理功能的人體組織，或者修補損壞的人體器官部件，包括人造骨骼、人造血管、人工喉、人工隔膜等體內器官和假肢、假鼻、假眼等外部人體組織。

例如，人造心臟主要用到的高分子材料有嵌段聚醚氨酯彈性體、硅橡膠、天然橡膠、尼龍、聚四氟乙烯、滌綸、PMMA 等；人造腎臟要用到各種高分子膜材料、聚丙烯酸、聚碳酸酯；人造肝臟要用到賽璐珞、聚甲基丙烯酸-β-羥乙酯；人造胰臟要用到AmiconXM-50 丙烯酸酯共聚物（中空纖維）等；人造肺臟要用到硅橡膠、聚丙烯空心纖維、聚烷砜。除了人造器官之外，大量的人造組織也需要用到高分子材料，比如：人造血管需要用到聚乙烯醇縮甲醛、聚酯纖維、聚四氟乙烯、嵌段聚醚氨酯、膠原、肝素復合體；人工紅血球需要用到全氟烴；人工血漿需要用到羥乙基纖維素；人造的膽管和骨膜、食道都需要用到硅橡膠和聚硅酮；人造的氣管需要用到聚乙烯、PVA、聚四氟乙烯、聚硅酮、聚酯纖維等。

3.2 高分子材料在ECMO中的應用

從2020年初開始，全球范圍內都被新冠肺炎疫情侵襲，造成了全球人類的災難。新冠肺炎病毒嚴重侵蝕人體的肺部，臨床上對重癥病人需要通過體外膜肺氧合(Extracorporeal Membrane Oxygenation，ECMO)進 行輔助呼吸。ECMO 的本質就是體外循環技術，其原理是將體內的靜脈血引出體外，經過特殊材質人工心肺旁路氧合后注入病人動脈或者靜脈系統，起到部分心肺替代作用，維持人體臟器組織氧合及血供。對于新冠肺炎患者，其肺中積累了大量病毒感染造成的黏液，導致肺臟無力“工作”。采用 ECMO 可讓患者肺臟得到休息，爭取到吸收黏液的時間，從而恢復健康。一般來講， ECMO 的主要構成為血液泵、氧合器、氣體混合器、加熱器、各種動靜脈導管與監視器等部件，其中血液泵和氧合器為核心部件，血液泵扮演代替患者心臟，氧合器則扮演代替肺臟的功能。

膜肺材料的發展大概經歷了三個階段，第一階段為固體硅膠膜，第二階段為微孔中空纖維膜，第三階段為聚 4-甲基 1-戊烯(PMP)中空微孔纖維膜。第一代硅膠膜生物相容性好、少有血漿滲漏、血液成分破壞小、適合長時間輔助，其缺點是排氣困難、價格昂貴；第二代微孔中空纖維膜的出現有效解決了排氣困難的問題。然而，由于微孔的存在，血漿泄漏的可能性很高，降低了氧合能力。第三代 PMP 膜肺材料的發展逐漸提高了臨床應用效果。 ECMO 工作時，患者血液在中空纖維膜絲的外部流動，中空微孔膜絲內部則通入氧氣，血液中的二氧化碳和膜絲中的氧氣通過壓差的方式進行置換，從而實現肺部的氣體交換功能。

3.3 高分子材料在臨床護理中的應用

傷口是指由外科手術或熱、電、機械、化學以及機體內在因素等因素導致正常皮膚組織出現的損害。傷口愈合是指皮膚組織出現創傷后，機體局部組織再生進行修復、重建的一系列過程。醫用敷料是在醫療衛生領域中起重要作用的一種醫療器械，是可以覆蓋傷口表面又有治療作用的醫用護理材料。水凝膠是一種天然高分子材料，水凝膠敷料多用于滲液不多、創面肉芽組織新鮮傷口，保持創面濕潤，促進傷口愈合。有研究報道水凝膠敷料在靜脈輸液中防止輸液外滲和預防靜脈留置針引起靜脈炎的臨床應用上有很好療效，延長留置針使用時間。還有研究表明皮膚表面水皰及壓瘡用水凝膠敷料局部貼敷，操作簡單，使用安全，可預防壓瘡形成，減輕皮膚紅腫、瘙癢、結痂等不適，減少換藥次數和疤痕形成，促進愈合。由于水凝膠敷料良好彈性及自粘性，可形成密閉的愈合環境，且水凝膠含有內源性酶，能促進纖維蛋白溶解，利于清除壞死組織，發揮清創作用，能促進微血管增生和肉芽組織形成，加速創面愈合，因此水凝膠敷料也可用于慢性傷口（如壓瘡）和靜脈潰瘍創面傷口治療。

4 結語

本文從臨床醫學中對生物醫用高分子材料的要求，生物醫用高分子材料的分類和合成方法還有生物醫用高分子材料在臨床醫學中的應用三個方面詳細闡述了臨床醫學中的高分子材料。由于生物醫用高分子材料具有良好的生物相容性和易加工性，與其相關研究得到了普遍關注， 其應用也獲得了長遠的發展。不斷開發智能、綠色、經濟和高效的生物醫用高分子材料是人們不斷追求的目標，隨著新技術的發展和人類的需求日益增長，生物醫用高分子材料將具有更加廣闊的應用前景。