复合材料在医疗器械中的应用

张群英 严玉蓉

1 广东省医疗器械质量监督检验所(广州 510663）

2 华南理工大学 材料科学与工程学院(广州 510641）

复合材料从20世纪40年代诞生至今，已经历了半个多世纪，一些工业发达国家的复合材料工业已形成完整的体系，在美国自1991年起被列为国家22 项关键技术之一。树脂基复合材料、陶瓷基复合材料、金属基复合材料以及C/C 复合材料一起构成现有复合材料体系。随着科学技术的发展，复合材料已被赋予了新的内容和使命，成为现代无法取代的一种工程材料。从应用上看，复合材料在美国和欧洲主要用于航空航天、汽车等行业。由于高性能复合材料具有极佳的硬度和强度,且重量轻,因此是航天航空行业的理想材料。重量的降低可以提升燃油效率,并促进了能运输更多乘客和货物且速度更快的大型飞机的制造。[1]而在日本，复合材料主要用于住宅建设，如卫浴设备等。与此同时，随着近年来人们对环保问题的日益重视，高分子复合材料取代木材方面的应用也得到了进一步推广。例如，用植物纤维与废塑料加工而成的复合材料，在北美已被大量用作托盘和包装箱，用以替代木制产品；而可降解复合材料也成为国内外开发研究的重点。

另外，纳米技术逐渐引起人们的关注，纳米复合材料的研究开发也成为新的热点。以纳米改性塑料，可使塑料的聚集态及结晶形态发生改变，从而使之具有新的性能，在克服传统材料刚性与韧性难以相容的矛盾的同时，大大提高了材料的综合性能。正是有了这些基础，才使复合材料可以广泛地应用于多学科交叉的医疗器械。由于医疗器械涉及到化学、物理学、生物化学、高分子化学与工艺学、生理学、药物学、制剂学、解剖学、病理学、基础医学等很多学科，因此对用于医疗器械的复合材料的性能具有更高的要求。

1.复合材料概述

1.1 复合材料定义[2]

复合材料是由两种或多种不同性质的材料用物理和宏观尺度上组成的具有新功能的材料。复合材料的性能优于其组分材料的性能，并且有些性能是原来组分材料所没有的，复合材料改善了组分材料的刚度、强度、热学等性能。复合材料由基体材料和增强材料两种组分组成。基体采用各种树脂或金属、非金属材料;增强材料采用各种纤维或颗粒等材料。其中，增强材料在复合材料中起主要作用,提供刚度和强度，基本控制复合材料的性能。基体材料起配合作用，它支持和固定纤维材料，传递纤维间的载荷，保护纤维免遭磨损或腐蚀，改善复合材料的某些功能。复合材料的力学性能比一般材料复杂，主要有不均匀、不连续和各向异性等。

1.2 复合材料的分类[2]

根据复合材料中增强材料的几何形状，复合材料可分为三大类：(1)颗粒增强复合材料，由颗粒增强材料和基体组成；(2)纤维增强复合材料，由纤维和基体组成；(3)层合复合材料，由多种片状材料层合而组成。

1.3 复合材料的优势[2]

复合材料具有以下优点：

(1)比强度高。尤其是高强度碳纤维、芳纶纤维复合材料。界面由于复合时复杂的物理和化学原因，变得既不同于基材相、又不同于补强相组成本体的复杂结构，同时发现这一结构和形态对复合材料的宏观性能产生影响，所以，界面附近这一结构与性能发生变化的微区也可作为复合材料的一相，称为界面相。一般说来，复合材料是由基材相、补强相和界面相所组成的。

(2)比模量高。除玻璃纤维环氧复合材料外，其余复合材料的比模量比金属高很多，特别是高模量碳纤维复合材料最为突出。

(3)具有可设计性。复合材料的性能除了取决于纤维和基体材料本身的性能外，还取决于纤维的含量和铺设方式。因此，我们可以根据载荷条件和结构构件形状，将复合材料内纤维设计成适当含量并合理铺设，以便用最少的材料满足设计要求，最有效地发挥材料的作用。

(4)制造工艺简单，成本较低。复合材料构件不需要很多复杂的机械加工设备，生产工序较少，它可以制造形状复杂的薄壁结构，消耗材料和工时较少。

(5)某些复合材料热稳定好。如碳纤维和芳纶纤维具有负的热膨胀系数，因此，当与具有正膨胀系数的基体材料适当组合时，可制成热膨胀系统极小的复合材料，当环境温度变化时，结构只有极小的热应力和热变形。

(6)高温性能好。通常铝合金的工作温度可达200℃～250℃,温度更高时其弹性模量和强度将降低很多。而碳纤维增强复合材料能在400℃下长期工作，力学性能稳定;碳纤维增强陶瓷复合材料能在 1200℃～1400℃下工作;碳/碳复合材料能承受近3000℃的高温。

此外，各种复合材料还具有各种不同的优良性能，如高疲劳性、高冲击性、透电磁波性、减振阻尼性和耐腐蚀性等。

2.医疗器械概述

2.1 医疗器械定义

医疗器械是指单独或者组合使用于人体的仪器、设备、器具、材料或者其他物品，包括所需要的软件；其用于人体体表及体内的作用不是用药理学、免疫学或者代谢的手段获得，但是可能有这些手段参与并起一定的辅助作用；其使用旨在达到下列预期目的：（1）对疾病的预防、诊断、治疗、监护、缓解；（2）对损伤或者残疾的诊断、治疗、监护、缓解、补偿；（3）对解剖或者生理过程的研究、替代、调节；（4）妊娠控制。[3]

2.2 医疗器械的分类

医疗器械产品有多种分类：在统计学上，有按医学性能分类的，如诊断产品、治疗产品、齿科器械；也有按产品技术属性分类的，如医用电子产品、放射线诊断设备；也有按产品医学功能及技术属性混合分类的。在监督管理上，欧美各国实行按产品使用时，对接受使用者造成人身伤害的可能性及可能伤害程度分类，一般分为三类。我国医疗器械监管法规明确按产品应用时的安全性控制程度分类，也分为三类：第一类是指，通过常规管理足以保证其安全性、有效性的医疗器械；第二类是指，对其安全性、有效性应当加以控制的医疗器械；第三类是指，植入人体，用于支持、维持生命，对人体具有潜在危险，对其安全性、有效性必须严格控制的医疗器械。[3]

2.3 医疗器械行业的特点

一是，其从事生产活动的成果用于人类医疗卫生保健，功能明确，绝大多数为医疗卫生机构购置后供医护人员使用，少量品种是兼供人们家庭自我医疗保健使用，所以，市场用户主体十分明确和稳定；第二，其产品直接或间接作用于人体，对人身健康和安全有直接或间接影响，因此对产品质量和稳定性有十分严格要求，生产厂家应具有高标准的生产经营管理素质，政府对生产厂家的资格和产品进入市场的许可建立有严格的法定程序，产业受国家法规的监督制约多于其他产业；第三，比之其他以某种特定用途聚合的工业产品群，其产品门类甚为复杂，涉及技术学科更广，不同产品门类间的技术含量、功能和市场需求量大小差距显著，产品最终存在形态也多种多样。

3.医疗器械用复合材料的性能要求

3.1 医疗器械用复合材料的分类

应用于医疗器械中的复合材料有多种分类方法，但目前在实际应用中，更实用的是仅将其分为两大类，一类是直接用于治疗人体某一病变组织、替代人体某一部位或某一脏器、修补人体某一缺陷的材料。如用作人工管道（血管、食道、肠道、尿道等）、人造玻璃体（眼球）、人工脏器（心脏、肾脏、肺、胰脏等）、人造皮肤、人造血管，手术缝合用线、组织粘合剂、整容材料（假耳、假眼、假鼻、假肢等）的材料；另一类则是用来制造医疗器械、用品的材料，如医疗设备的外壳、探头或者是注射器、手术钳、血浆袋等。这类材料用来为医疗事业服务，但本身并不具备治疗疾病、替代人体器官的功能。

3.2 医疗器械用复合材料的性能要求

不同用途的医疗器械，其对复合材料的性能要求也不同。

对于直接用于治疗人体某一病变组织、替代人体某一部位或某一脏器、修补人体某一缺陷的复合材料的性能有如下要求：（1）化学隋性，不会因与体液接触而发生反应；（2）对人体组织不会引起炎症或异物反应；（3）不会致癌；（4）具有良好的血液相容性；（5）长期植入体内不会减小机械强度；（6）能经受必要的清洁消毒措施而不产生变性；（7）易于加工成需要的复杂形状。

对于用来制造医疗器械、用品的材料，则有其他不同的要求，如用于制造医疗设备外壳的材料需具有较高的热稳定性，良好的韧性、刚性，很高的机械强度、抗冲击性能，优异的耐化学品和清洁剂特性等；对用于制造注射器、血浆袋等与不同药物或血液接触的材料，需考虑其与药物、血液的相容性、小分子的迁移等性能。对于不同用途的医疗器械用复合材料往往有一些具体的要求，在复合材料进入临床应用之前，都必须对材料本身的物理化学性能、机械性能以及材料与生物体及人体的相互适应性进行全面评价，然后经国家管理部门批准才能进入临床使用。

4.复合材料在医疗器械中的应用

由于复合材料各方面的优异性能，使其在要求颇为严格的多学科交叉的医疗器械领域也得以广泛应用，并显示出其主流趋势[4～22]。

4.1 在口腔材料中的应用

复合材料在口腔材料中的应用近年来取得长足的发展，由于其具有优异的修复效果和良好的美观效果,在当今口腔材料中占有举足轻重的地位。传统的复合树脂中通常含有树脂基质、填料( 玻璃、石英或陶瓷材料等)以及基质与填料的偶联介质。在现有的商品类复合树脂中，最常见的树脂基质是交联的二甲基丙烯酸酯的混合物，如Bis GMA、T EGDMA、U DMA、D3MA 等。

4.2 在假肢中的应用

过去假肢都是钢木制品，质量大消耗体力大、制造工艺复杂，成本高。现在国内外已广泛用纤维增强树脂复合材料制造，优点很多。用与人腿轴线呈 ±45˚的混合复合材料制成假肢，质量仅约 127g，其下端能装入鞋内。对患小儿麻痹症而下肢瘫痪的儿童，可用混杂复合材料制作整直器和支撑器,帮助患者行走并刺激骨骼生长。

4.3 在人造骨骼、关节中的应用

用混杂复合材料制造人造骨骼、关节时，可通过调节混杂比例和混杂方式，在人的体温变化范围内使其膨胀与人造骨骼的膨胀相匹配，以减轻患者的痛苦。此外，人体和混杂复合材料的外植入物满足相容性。目前国外有丙烯酸合成树脂应用三维技术术前制成缺损形状用于修补颅骨缺损，效果满意。而三维硅橡胶羟磷灰石复合物在国外应用取得良好的效果，国内尚无应用报道。

4.4 在医疗设备中的应用

用碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维混杂复合材料制成用于诊断癌肿瘤位置时 X 射线发生器的悬壁式支架，除满足刚度要求外，还能满足最大放射性衰减的要求。另外，还用于制作 X 线底片暗盒和床板等。

4.5 在新型人工器官和组织材料中的应用

利用细胞学和分子生物学方法将蛋白质、细胞生长因子、酶及多肽等固定在现有材料的表面，通过表面修饰构建新一代的分子生物材料，来引发所需的特异生物反应，抑制非特异性反应，从而提高生物医用材料的生物功能化和生物智能化。目前已开发出的第三代生物医用材料是同时具有生物活性和生物降解性的新一代生物医用材料。作为细胞外基质，它们可在分子水平上激活基因、刺激细胞增殖、诱导其组织分化进而构筑成新的组织和器官。目前， 第三代生物医用材料已成为国际上材料前沿领域一个十分活跃的研究方向，在组织工程中已开始有广泛的临床应用。

4.6 在新型药物载体材料中的应用

20世纪 90年代以来，随着药物剂型和制剂研究进入药物释放系统(DDS)时代，新型药物释放系统已成为药学领域的重要发展方向，由此，对新型药物载体材料的研究也就愈加重要。如目前使用较为广泛的聚乙二醇( PEG)，它作为载体材料可以与蛋白质和多肽类药物形成结合物，从而被看作是一种新型的载药系统。

4.7 在纳米复合生物医用材料中的应用

生物医用材料领域中，细胞与材料间的相互作用是研究的主要课题。材料表面的微观结构对细胞的生物调控作用更为重要。纳米材料因具有一些独特的效应，如体积效应和表面效应，有利于细胞黏附、增殖和功能表达，因而作为生物医用材料特别是组织工程支架材料具有良好的应用前景。目前用于生物医用研究的纳米材料主要有无机纳米材料、高分子纳米材料以及复合纳米材料等，研究热点主要是药物控释材料及基因治疗载体材料。纳米复合材料可以模拟出与人体组织相似的细胞基质微环境，因而是生物材料尤其是组织工程支架研究中应用最为广泛的材料。如Kikuchi 等通过化学反应合成的羟基磷灰石P 胶原复合纳米材料的机械强度为正常骨组织的 1 P4。体内实验表明,该材料通过破骨细胞样细胞的吞噬作用而降解，并可在材料附近诱导成骨细胞形成新的骨组织。Tan 等将壳聚糖与胶原蛋白按不同比例混合,制备具有纳米结构的复合材料,随着壳聚糖比例的增大,复合物支架的机械强度增加，孔径尺寸增大，在此三维支架上生长的 K562 细胞功能得到显著的增强。

5.发展趋势

在过去三十年中,复合材料的开发取得了长足的进步。由于这些复合材料所体现出来的优异性能，使其不可避免地成为医疗器械用材料的主流。如在加州阿纳海姆展会上，美国 TeknorApex公司展出了其获奖产品 MD-500 系列混合材料。据该公司介绍说，“该产品是首个完全切实可行的 PVC 替代品。”该公司另一款新混合材料MedalistMD-500 还可采用环氧乙烷灭菌工艺和伽马辐照来消毒，由此所引起的颜色变化与乙烯材料相当或者更少。该材料还有可能应用于输液管、呼吸管、进食管及蠕动管。[23]

随着生物技术、医药技术、信息技术、制造技术、纳米技术和材料科学技术的迅猛发展与交互融合， 新型和新概念生物医用材料层出不穷。药物控制释放材料、组织工程材料、纳米生物材料、生物活性材料、介入诊断和治疗材料、可降解和吸收生物材料、新型人造器官、人造血液等代表了新的发展趋势和方向。[24]

[1]N.Bernet,.From Aerospace to Inner Space:Composite Materials in Medical Technology[J/OL].Composites Busch SA,2010-9-13

[2]蒋海洋，常华健，蒋 勇.复合材料的力学性能研究及其在医学领域中的应用[J].医疗卫生装备,2007(11):28.

[3]《医疗器械监督管理条例》[S]

[4]Barszczew skaRy ba rek I M.Structure property relationships in dimethacrylate networks based on Bis GMA,UDM A and T EGDMA[ J].Dental Mater,2009,25( 9):1082

[5]Gauthier M A,Zhang Z,Zhu X X.New dental composites containing multimethacry late derivatives of bileacids:A comparative study with commercial monomer s[ J].ACS Appl Mater Interf,2009,1( 4):824

[6]南开辉,王迎军.复合纳米生物医用材料的研究[J].材料科学与工程学报,2006,24( 1):156- 159.

[7]顾其胜,陶伟栋,蒋丽霞.壳聚糖基复合材料类新型生物医用材料[J].上海生物医学工程,2007,28( 1):31- 35.

[8]Winkler PA,Stummer W,Linke R,et al .Influence of cranioplasty on postural blood flow regulation,cerebrovascular reserve capacity,and cerebral glucose metabolism[J].Childs Nerv Syst,2000,16:247 ～ 252.

[9]10 Rotaru H,Baciut M,Stan H,et al .Silicone rubber mould cast poly ethyl methacrylate- hydroxyapatite plate used for repairing a large skull defect[J].J Craniomaxillofac Surg,2006,34(4):242 ～ 246.

[10]涂浩,闫玉华.纳米生物医用陶瓷的应用及展望[J].佛山陶瓷,2006,3:35- 38.

[11]陈菲.羟基磷灰石生物医用陶瓷材料的研究与发展[J].中国陶瓷,2006,42( 4):8- 13.

[12]朱明华,曾怡,彭蔷.生物材料及细胞外基质与骨形成研究进展[J].北京生物医学工程,2003,22( 2):155- 158.

[13]奚廷斐.生物医用材料现状和发展趋势[J].中国医疗器械信息,2006,12( 5):1- 4.

[14]王俊.生物医用复合材料研究现状及发展趋势[J].新材料产业,2007( 3):50- 53.

[15]曹宁,李木森,马泉生,等.医用碳/碳复合材料的制备及骨组织相容性研究[J].山东大学学报,2007,37( 1):1- 5.

[16]刘盛辉,郎美东.新一代生物医用材料,高分子通报,2005,6:113-117.

[17]Hench L L,Polak J M.Third generation biomedical materials.Science,2002,295(5557):1014-1017.

[18]Gfiffith L G.NatIghton G.Science,2002,295:1009-1014.

[19]Strain A J,Neuberger J M.Science,2002,295:1005-1008.

[20]Prokop A.Bioart i fi ci al organs i n the twenty 2fi rs t century[ J].Ann Ne w York Acad S ci,2001,( 944):472～ 490.

[21]Ki kuchiM,Itoh S,Ichi nose S,e t al.S elf 2organiz at i onmechani sm in a bone 2 li ke hydroxyapatite Pcollagen