聚偏氟乙烯在医学上的研究进展和应用

刘一凡，朱伟伟，方 敏

（浙江省化工研究院有限公司，浙江 杭州 310023）

聚偏氟乙烯在医学上的研究进展和应用

刘一凡，朱伟伟，方 敏

（浙江省化工研究院有限公司，浙江 杭州 310023）

聚偏氟乙烯（PVDF）作为适用范围仅次于聚四氟乙烯的第二大氟树脂品种，在石油化工、电子电器、氟碳涂料等方面均有广泛应用。由于PVDF具有良好的压电性能和机械性能，再加上生物相容性，其在医学领域的研究也逐渐得到拓宽。本文主要介绍了其在医学领域的研究进展，并列举了实例。

聚偏氟乙烯；压电性能；机械性能；医学领域

0 引言

在含氟聚合物中，聚偏氟乙烯由于具有稳定的耐热性、耐化学性和可加工性受到材料界的关注。在材料的开发和应用上，PVDF担当着更加重要的角色，已被广泛应用于涂料、管材、电池隔膜以及水处理等领域。除此之外，由于具有疏水性、耐磨性及在压电膜上的高灵敏、耐冲击、声阻抗低等性能，因而可以满足医学领域特殊材料及元件的设计要求[1-2]。本文主要阐述了PVDF在医用材料、医用传感器等方面的应用和研究。

1 医用材料

1.1 医用膜

PVDF具有良好的压电性，再加上其本身具有的生物相容性，制备的电刺激型医用膜，促进各种生长因子的表达和分泌，影响细胞的增殖和分化过程。

M.Wang等[3]开发了具有核壳结构的PVDF/PVP复合纳米纤维膜，通过对小鼠成纤维细胞培养时发现3 h后细胞的成活率达到94%，说明PVDF/PVP具有良好的生物相容性；上述制备的超疏水耐纤维膜可用于可伤口愈合和伤口敷料，其疏水性可防止水分从伤口处挥发，高孔率和较好的拉伸性能也能保持膜的透气性和柔韧性。Guo等[4]研究了电纺制备的PU/PVDF纤维膜的力学性能和压电性能。在支架膜上培养的小鼠成纤维细胞呈现正常的形态，且PVDF的压电效应有利于成纤维细胞的粘附和增殖过程。T.He等[5]制备了负载恩诺沙星（Enro）的PVDF纳米纤维膜，并对纤维膜的机械强度、抗菌性能及药物释放功能进行了探究。研究发现，Enro/PVDF复合纤维膜具有良好的弹性、柔韧性及优异的机械强度，通过控制药物的释放时间将药效达到最大，释放时间持续3 d。

1.2 医用纱布

以高分子聚合物为材料制备医用纱布已成为新型纱布的主要发展趋势，不仅能吸收体液，使伤口表面保持干爽，使其不受细菌感染，还具有较好的生物相容性和可降解性。

NASA提出以PVDF为主要材料制备医用纱布，通过受伤人员对该类纱布进行轻微的触碰或敲击，产生的微量电流能够加速伤口的愈合。主要是利用PVDF的压电性和热释电性，人为产生电流，加速伤口愈合。温度的变化和轻微动作产生定向张力或压力导致的热能或机械能使PVDF材质纱布两侧感应电荷产生相应的变化，形成微电流，使血液加速循环，有利于伤口复原。另外产生电荷的方向垂直于应力产生方向，同时需要根据基材来进行传导，因此施加不同方向的应力导致产生电位差的方向不同，再加上纱布纹理（PVDF纤维）的排列，可以控制电流方向，进而影响伤口的愈合程度[6]。

1.3 其他应用

PVDF形成的支架结构和细胞外基质相似，因此可与其他材料复合使用作为人造器官或修补元件。如利用PVDF的生物相容性将其和人造血管复合使用，利用其传感能力可以准确测量修补后血管中的血流情况、管壁中固体物质的沉积情况和修补后血管孔隙中的细胞生长情况[7]。在疝气病发过程中，通过PVDF修补片替代常规的PP修补片，不仅保持原来的蠕变形变和弹性回复率，同时提高了弹性和长期稳定性[8]。

2 压电薄膜传感器

以PVDF为材料制备的压电薄膜具有柔软、轻薄、压电常数高、响应速度快等特点，可以适应大幅度的变形，薄膜的红外光谱在7～20 μm波长范围有很强的吸收，而人体的热辐射也基本上处于这个范围，因此可以利用其制备的薄膜传感器检测人体的各项生理指标，帮助医生实时观察病人病情及生理状况。

2.1 医用传感器

PVDF压电薄膜的响应频率范围很宽，低限截止频率约为0.001 Hz，可以匹配不同的电荷放大器来同时获取呼吸（约0.2 Hz）和心跳（约1 Hz）信号，进行长时实时监测，其主要应用包括脉搏传感器、心电传感器、体温传感器等。

谭嘉俊[9]利用PVDF设计出一种符合中医手指切脉特点、结构简单的脉搏传感器，与目前应用的单探头脉搏传感器不同，可以同时检测脉搏轴向张力和径向搏动力信号。通过动态测试分析及脉搏测量实验，结果表明，利用PVDF制作的新型脉搏传感器科学合理，具有实用价值。罗衍鑫等[10]根据PVDF的应变传感机理，设计了一种测量心率信号的系统。系统中两个滤波电路可以有效地将杂波滤除，增强了传感器的灵敏度和精确度，并且对传感器的实际应用效果进行了仿真工作，具有较好的抗干扰性和线性度。Javad和Ram等[11]利用PVDF薄膜具有机械柔性的特点，开发了内窥镜检查用齿形触觉传感器，用于对敏感性组织的力和顺应性进行测量，为医学上敏感组织的力和顺应性测量提供了一种参考方法。使用PVDF压电膜还可以制作B超用超声探头、红外图像仪、热图像仪等。

2.2 仿生传感器

仿生传感器是近年来临床研究中比较热门的研究领域，并且在刺激、视听辨别、触觉等方面都已有最新成果问世。人造皮肤触觉传感器中的电子鼻就是典型的产品，通过PVDF、无触点皮肤敏感系统以及具有压力敏感传导功能的橡胶触觉传感器等组成，对产生触觉的多个参数都敏感。通过分析由此传感器阵列所收集到的输出值来识别未知分析物。在临床应用中，电子鼻根据信号能绘出患者的呼吸图，医生可以从中看出患者是否受到细菌的侵害，电子鼻还能根据细菌种类提供对抗这种细菌的最有效的抗生素[12]。张玲等[13]使用PVDF制作具有触觉、滑觉、温觉的仿生皮肤传感器，研究其压电特性，建立仿生皮肤的分析模型，对其动态特性和静态特性进行分析，证明其拥有良好的触觉、温觉和滑觉。

3 存在的问题

将PVDF应用于医学研究，与传统医学材料相比，具有方便、可靠、性价比高等优点，但在推广上也存在不少问题，一是医用PVDF多为静电纺丝纤维或压电膜，产量较小，实现产业化生产较为困难；二是目前对PVDF为基的医学材料或传感器的特性和应用研究不够透彻。因此如何实现医用PVDF的产业化，优化PVDF或其复合材料的特性会是将来的主要研究内容。

[1] 魏建华，钱勇，吴君毅，等.PVDF/PMMA复合材料膜的性能及应用[J].有机氟工业，2015，（2）：40-45.

[2] 张雨，王清海，崔剑，等.聚偏氟乙烯压电薄膜研究进展[J].工程塑料应用，2003，31（8）：62-64.

[3] Wang M，Fang D，Wang N，et al.Preparation of PVDF/PVP core-shell nanofibers mats via homogeneous electrospinning[J].Polymer，2014，55（9）：2188-2196.

[4] Guo H F，Li Z S，Dong S W，et al.Piezoelectric PU/PVDF electrospun scaffolds for wound healing applications[J].Colloids and Surfaces B：Biointerfaces，2012，96：29-36.

[5]He T，Wang J，Huang P，et al.Electrospinning polyvinylidene fluoride fibrous membranes containing anti-bacterial drugs used as wound dressing[J].Colloids and Surfaces B：Biointerfaces，2015，130：278-286.

[6] 医疗纱布[J].高科技与产业化，2016，11：20.

[7] 孙庆兰.小口径组织工程血管构建的初步研究[D].天津：天津工业大学，2010.

[8] 王颖初.聚偏二氟乙烯（PVDF）疝修补片的制备与研究[D].上海：东华大学，2014.

[9] 谭嘉俊.基于PVDF的脉搏传感器研究[D].昆明：昆明理工大学，2013.

[10]罗衍鑫，张森，巩建福，等.基于PVDF的心率传感器设计[J].科技风，2016，18：245.

[11]Javad D，Ramin S，Singh H，et al.Modeling and testing of an endoscopic piezoelectric-based tactilesensor[J].Mechatronics，2007，17：462-467

[12]王明时，高伟，李宁，孙伟.医用传感器的发展[J].中 国生物医学工程学报，2005，24（6）：668-671.

[13]张玲，何伟，蒋阳.一种适合于机器人仿生皮肤传感器的性能研究[J].机器人，1999，21（4）：309-311.

Research and Application of Polyvinylidene Fluoride in Medicine

LIU Yi-fan， ZHU Wei-wei， FANG Min
（Zhejiang Chemical Industry Research Institute Co.,Ltd.,Hangzhou， Zhejiang 310023，China）

Absrtact： As the second scope of application after PTFE，PVDF is widely used in the petrochemical，electrical and electronic，fluorocarbon coatings.Having good piezoelectric properties and mechanical properties， coupled with its biocompatibility， its research in the medical field has gradually been widened.This paper mainly introduced its application in the field of medicine and listed examples.

PVDF；piezoelectric properties；mechanical properties；medical field

1006-4184（2017）11-0001-03

2017-09-21

刘一凡（1988-），男，硕士，工程师，主要研究方向为含氟聚合物产品开发。E-mail：liuyifan@sinochem.com。