生物医用纤维及其应用领域研究现状

王建建

(东方红学校,山东 菏泽 262700)

1 医用高分子材料

1.1 现状

生物医学材料是具有诊断、治疗、修复或替换受损的组织、器官或改善生物体功能的一类材料。它是人工器官和医疗器械研究的基础,已成为当代材料科学的一个重要分支,特别是随着生物技术的蓬勃发展和重大突破,生物医学材料已成为世界各国科学家研究开发的热点。伴随着科学技术的高速发展和人们生活水平的提高,许多科学工作者对生物组织的结构和器官组织的关系有了进一步的认识,这对于材料的性能提出了更高的要求,需要具有相似的化学结构,具有一定的物理机械性能,且要具有良好的生物相容性,从而促使性能优异的新型医用纤维材料得到不断发展。高分子纤维因其综合性能优良,受到生物医学研究领域的重视,除用已普遍使用的外科手术缝合线及敷料外,高分子纤维集合体在生物组织再生、组织支架、创伤修复、人造器官等领域也得到了关注[1]。

1.2 分类及要求

用于生物医疗的高分子材料种类繁多,生物医用纤维根据原料来源主要分为天然纤维、再生纤维、合成高分子纤维及改性纤维[2]。天然纤维、再生纤维来源广泛,有着与人体相近的大分子结构,具有生物相似性,性能优异,但往往不能直接使用,通常进行改性使之具有比原料更优异的性能。合成高分子材料有着比天然再生纤维材料更优异的力学性能,同时可以进行大批量生产,不受外界环境影响,大大降低成本,提高生产效率。用于医疗卫生领域的合成纤维高分子材料除了要有医疗功能外,还不能对人体造成二次伤害,无毒无害,具有生物相容性,制备成本较低,可用于工业化生产[3]。

2 生物医用纤维

2.1 天然与再生纤维

2.1.1 甲壳素纤维

甲壳素纤维是近几年在医疗卫生领域研究较为热门的新材料,甲壳素纤维原料主要通过对大型食品加工厂废弃的蟹壳、虾壳等资源进行一系列的加工而制成。甲壳素反应活性较高,生物相容性突出,能够完全降解,其次还具有抗菌、吸湿等优良性能和功效,因而被广泛应用于医用缝合线、人造皮肤及伤口包扎等医疗卫生领域[4]。Li等[5]通过湿法纺丝技术制备柔性甲壳素纤维,通过改性后纤维结晶度降低,伸长率提高,在创面敷料和创面绷带领域有很好的应用。

2.1.2 胶原纤维

胶原蛋白是细胞质的基本组分,具有很好的生物相容性,能够完全降解,在人体细胞中可以很好地渗透,修复创伤。程国清等[6]采用静电纺的方法制备胶原蛋白纤维,因为胶原蛋白可纺性差,所以经常与其他纤维进行混纺或者进行改性整理等,提高纤维的强力,避免发生排异反应,从而在生物组织工程、愈合伤口、止血等医学领域得到广泛应用[7]。

2.1.3 海藻纤维

海藻纤维来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优点,因此其在伤口敷料、保湿面膜、牙齿印模材料、止血敷料、消毒湿巾等功能性医用纺织品领域具备良好的利用价值[8]。青岛明月海藻集团自主研发出“清洁丝”海藻纤维、“艾吉康”创可贴和医用敷料等系列产品,研发出的产品具有较高的吸湿性,在伤口附近使用可为伤口提供湿润环境,能够促进伤口愈合。然而海藻纤维强力和断裂伸长率在湿态下较低,且纤维间抱合力较差,所以通常与其他断裂强力优异的纤维混纺[9]。此外,海藻纤维来自天然原料,易降解,不会对环境产生危害。

2.1.4 竹纤维

竹纤维是用于医疗卫生领域的纤维原料,具有很好的抗菌性能,制成的织物具有优异的吸湿透气性。在医疗领域,往往需要进行消毒或抗菌来减少细菌等微生物的污染,正因为竹纤维所具有的诸多优异性能,目前已经有竹纤维抗菌口罩、袜子、床上用品等卫生产品。美国Entegrion公司将竹纤维和玻璃纤维结合,率先制成了抑菌透气、吸湿性良好的医用绷带,用于止血以及其他医疗用途[10]。

2.2 合成高分子纤维

2.2.1 聚乳酸纤维

聚乳酸纤维成为新一代的高分子纤维材料,是从玉米、甜菜等淀粉含量丰富的原材料中制得的,淀粉经发酵转化成乳酸分子,然后经过聚合反应成聚乳酸,经过化学改性,增加其强度,同时保水性能也得到优化,最后得到性能优异的聚乳酸纤维[11]。这种纤维的原料成本低,是人体内源性活性物质,不会产生排斥反应,不会对人体产生危害并且容易被人体吸收,因此在医疗卫生领域常常被制成医用组织、骨架材料而用于人体治疗,且在可吸收手术缝合线等医疗器械材料领域应用广泛。Li等[12]研究了以聚乳酸(PLA)和聚乳酸/羟基磷灰石(PLA/HA)为成分的生物支架,能促进人体造骨细胞的增长,起到快速修复骨质的效果。

2.2.2 聚羟基烷酸酯(PHA)

聚羟基脂肪酸酯(PHA)是一种生物高分子材料,可以通过热塑性成型加工。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 在医疗、制药、工业、农业和其他领域有着独特的应用。Michal等[14]基于生物降解和生物相容性等优异特征,引入了诸如将药物与低分子量聚3-羟基丁酸结合或制备负载药物的PHA 颗粒等方法。将PHA 作为药物载体和组织工程支架等,此外,PHA 可作为医疗或美容目的的生物活性物质透皮给药的材料。新型功能化PHA 的开发为将基于PHA 的药物传递系统的良好生物相容性与改进的药物负载和释放特性、靶向性或成像的可能性相结合开辟了新的可能性。由于这些生物聚合物的优异生物相容性和对药物给药的强有利作用,预计在以PHA 为基础的药物传递系统方面将进一步取得进展。

2.2.3 其他合成纤维

其他合成纤维如聚乙交酯、聚乙丙交酯(PGLA)、聚己内酯等[15],都具有生物可降解性,能够被人体直接吸收,不会对人体造成伤害,因此在手术缝合线及载药敷料等领域得到广泛应用。

3 应用领域

3.1 医用敷料

医用敷料主要是用来覆盖伤口和疮口、隔离外界细菌和病毒的覆盖物,这就需要医用敷料能够很好地与皮肤接触,贴合度要好。随着医用器械的发展,人们已经针对传统敷料不能满足人们需求的问题,开发出具有保湿透气,能够有效阻止病毒的入侵和细菌的危害,全面贴合人体皮肤的医用敷料[16]。医用敷料往往会和血液直接接触,因此要求两者要具有良好的相互关系。以E 玻璃纤维为原料,研制成医用玻璃纤维经编织物,经过涂覆改性聚氨酯,制成医用专用玻璃纤维聚氨酯,在专用涂覆设备下,进行复合、涂覆,制成性能优异的医用纤维绷带,并得到应用[17]。理想的创伤敷料应能阻止外界污染的同时具有一定的防水透湿透气性,能以合适的速率转移水气,使伤口周围空气得到流通净化,且能够很好地贴合伤口表面[18]。静电纺制成的纤维膜材料因其纤维为纳米级,具有较高的比表面积和孔隙率及良好的透气性,为伤口提供理想的湿度环境。此外,静电纺丝纳米纤维可以阻隔空气中绝大部分的细菌和微尘,避免伤口再受感染。Sofokleous等[19]利用静电纺丝法制备了可实现药物释放的聚乳酸-羟基乙酸共聚物敷料,为伤口愈合提供了理想环境。

3.2 医用支架/骨架

随着交通安全问题的凸显以及人口老龄化趋势加剧,外伤及骨科等问题也显著增加,在临床医学骨科重建手术领域中,需要一种理想的材料进行体外移植,体外移植最常见的问题是排异现象。随着3D 打印技术的发展,具有三维立体结构的生物支架材料近年在医用支架移植等领域成为热门,被视为理想的骨骼替代材料[20]。Mur phy等[21]研究了医用支架孔径尺寸和数量对人体骨骼细胞的影响,了解到小孔径支架的比表面积较大,有利于初期细胞的黏附,而大孔径支架能促进细胞的迁移生长,可以降低细胞的聚集度。

3.3 人工皮肤

皮肤作为人体免疫系统第一道防线,能够抵抗外界抗原侵入人体[22]。当人们发生烧伤烫伤或因其他原因造成皮肤损伤等问题,皮肤在受到损伤后往往很难恢复如初,尤其是大面积烧伤的病人,只能通过皮肤移植来解决。人体皮肤组织培养困难,若依靠体外移植则可能会产生排异反应,对身体造成更大伤害[23]。所以能够简单快速替代人体皮肤组织的材料要具备以下特点:不会与人体产生排异反应,活体组织不发生炎症和排拒,材料表面不产生钙沉积,能够很好地贴合伤口,无毒无刺激,最重要的是不影响本身皮肤的愈合,同时应具有一定的物理性能,如柔软舒适性、透气透湿性,防止细菌侵入及水分丢失的屏障作用等。

3.4 缓释药物纤维

传统的低分子药以口服或外敷的形式使用在药物治疗领域,某些药物往往需要在特定的位置才能发挥最好的效果,所以研究出了静脉注射技术,但静脉注射技术因其速度不可控,所以也不能达到所希望的效果[24]。静电纺丝技术是模拟组织器官细胞外基质结构的最廉价、最高级的技术之一。若通过静电纺丝技术将所需的药物加入到纺丝液,制备复合纳米纤维,在适当的时间将所需的药物量释放到人体器官适当部位,然后纳米纤维通过降解或者遇水溶胀,将药物成分缓慢释放,可提高药物利用的高效性[25]。

4 结束语

常见医用纤维都要求具有较好的生物相容性,良好的生物可降解性,不会对环境造成污染。随着医用纤维的不断发展,人们对医用材料的性能提出了更高的要求,但是目前技术并不能完全克服排异反应,且治疗时往往需要支付高额费用。研究和开发新型纤维或者通过混纺、接枝共聚改性的方式来研究出性能更好的纤维材料,降低成本,进而降低医疗费用。