高分子材料在临床医学护理中的应用

石思欢，王振华

（重庆市开州区人民医院，重庆 405400）

在种类众多的生物医用材料之中，生物医用高分子材料作为其中的主要组成部分，发展时间较早、应用范围较广，且使用量大，尤其是在临床医学中使用量明显高于其他医学领域。此外高分子材料的种类繁多，当前国内在临床医学中主要使用的医用高分子材料包括橡胶材料、塑料材料、纤维材料及粘合剂材料四种。而随着国内医疗科学技术的不断发展与提高，高分子材料在临床医学领域中已经被更广泛的使用。当前医用硅胶橡皮管、介入诊疗导管、介入栓塞材料等医学设备已经在临床中得到广泛认可和使用。医用高分子材料不论是在疾病诊断、治疗还是护理领域中均发挥着极为重要的作用［1］。因为目前高分子材料不但在临床医学中有大量的使用，在其他医学领域的应用和拓展也越来越广泛，导致在高分子材料学科和医学领域相结合衍生除了一个新兴的学科——医用高分子材料学科，它是以高分子化学为基础，将理论、方法、临床医学相互结合，以此来研究生物体结构组成、生物体器官内部的功能、医用材料的使用等方面的一门新兴化、年轻化、边缘性的学科。医用高分子材料融合了高分子化学和物理、高分子材料工艺学、药理学、病理学、解剖学和临床医学等方面的知识,还涉及许多组织工程学问题。生物医用高分子材料的发展,对于战胜危害人类的疾病,保障人民身体健康,探索人类生命奥秘具有重大意义［2-4］。

1 临床医用高分子材料的特点及基本性能要求

随着科技进步和材料加工工艺的不断发展，在当前的社会背景之下，生物医用高分子材料大部分的应用场景都与临床诊断、治疗、检验以及手术后护理过程有关。在这些过程中生物医用高分子材料要与患者身体直接接触，这就对生物医用高分子材料的生物特性提出了极为严格的要求，要求其必须同时满足加工物理机械性能强、生物相容性强双重特性。在临床医学治疗中，医用高分子材料将直接与患者的血液、皮肤或者体液相互接触，另外在治疗过程中还可能需要长时间或者短期内将医用高分子材料制成的器械置入患者体内，那么生物医用高分子材料必须具备以下特殊性能，方可确保材料安全性以及在临床医学中大范围的推广和使用［5-6］。

（1）稳定的力学性能。生物医用高分子材料在临床治疗过程中，无论是与患者身体接触时间长或者短，都必须要具有与患者身体相匹配的强度，还必须具耐疲劳度，确保材料可长时间辅助或者完成治疗及护理任务，另外耐磨性及尺寸稳定性强，具备完美的模量。例如：如果患者需植入生物医用高分子材料制成的人工关节，因人工关节需长时间置入患者体内，这就需要该材料的耐磨性强，耐疲劳性强、模量高等优势，还要保证人工关节的机械强度和人体相匹配。

（2）稳定的物理性能。医用高分子材料在临床治疗过程中必须要求保持物理性能稳定，要求医用高分子材料在经过消毒、灭菌等操作过程中仍然保持原有形态及性能，同时还要求医用高分子材料必须具备耐高温、耐高压等物理特性。

（3）良好的化学惰性。生物医用高分子材料在加工成型的过程中必须要具备容易成型的特点，另外就是生物医用高分子材料在与人体接触时，不论是血液、体液、皮肤还是相关组织均不可出现任何的化学反应，这样才可以有效的避免排异反应，同时避免在治疗、检验或者护理过程中发生炎性反应。给患者带来二次手术或者治疗的痛苦。

（4）优异的生物相容性和可降解性。医学领域作为一个特殊领域，医用高分子材料在临床医学中的使用要求必须比其他高分子材料更为严格。必须要保证生物医用高分子材料具有良好的生物相容性，这样在临床医学的使用中才可以保证患者的生命安全，同时生物的相容性不仅仅体现在组织相容性及血液相容性两个方面，还需要满足降解产物可吸收性这一点，才可确保植入后不会产生排异反应。

（5）合理的价格。要想保证生物医用高分子材料在临床上的大范围推广与使用，必须要保证生物医用高分子材料不会过分昂贵，适用于平民消费，且还要满足生物医用高分子材料的原材料容易获取，这样才可以控制成本和大面积推广使用。

2 常见的医用高分子材料及合成方法

2.1 常见的医用高分子材料

随着科学技术的不断发展和进步，高分子材料的合成与制作工艺也在不断进步，越来越多的天然或者合成高分子材料被用于生物医用领域和临床治疗领域。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体中的原料，例如胶原蛋白、明胶、弹性蛋白、肌动蛋白、角蛋白、白蛋白、壳聚糖、海藻酸、甲壳素、纤维素、蚕丝和透明质酸等［7］。相比于人工合成的生物医用高分子材料，许多天然生物医用高分子材料更容易被人体系统接受， 这是由于天然生物医用高分子材料可以通过既定的途径进行代谢。但是，天然生物医用高分子材料相比于人工合成医用高分子材料也存在一些缺陷，主要有免疫原性、结构复杂性和较差的生物力学特性。

与天然的生物医用高分子材料相比，人工合成聚合物医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，在生物医用领域和临床医学领域获得了广泛的应用。人工合成生物医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) 在人体内不会发生任何化学变化，常用的惰性聚合物有聚硅氧烷、聚丙烯酸酯、聚乙烯及相关聚合物，例如聚酰胺、聚氨酯、聚酯和聚醚。在这些人工合成惰性聚合物之中，聚硅氧烷是人们发现的比较早的聚合物之一， 由于其具有良好的生物相容性和可加工性，可以被制成各种医疗器械， 以聚硅氧烷为原料制备的多种医疗产品已经商业化，包括植入人体的避孕药具、人工乳房和人工关节等。由于聚硅氧烷对人体细胞和组织来说是惰性的，并且可以承受加热和辐照，也就是能够对聚硅氧烷进行杀菌消毒，这个特性使得聚硅氧烷可以在许多临床外科和非外科手术中均有应用，而且聚硅氧烷的应用范围还扩大到各种医疗器械中。生物降解医用高分子材料是指在人体内发生化学反应，缓慢转化为水溶性物质。生物降解医用高分子材料通常在分子链端含有活性基团，可以在体内被水解或酶解降解为水溶性小分子。当分子链中的这些基团被水解时，聚合物链逐渐变短，最终全部降解。生物降解医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、聚己内酯、聚羟基丁酸酯和聚羟戊酸等) 、聚原酸酯、聚碳酸酯、聚酸酐、聚磷酸酯和聚磷腈等［8］。人工合成生物医用材料在诊断和治疗人类疾病方面能起到重要的作用。对人工合成生物医用材料的制备方法、物理化学特性和生物特性评估也已经开展了大量的研究工作。合成聚合物的特性与化学成分、合成方法和改性有关。实际上，化学成分是材料的基本组成部分，决定了材料的基本性能，而合成方法和改性能够改变材料的结构、形貌和特殊性能，使材料的应用范围更加广泛［9］。

2.2 常见的医用高分子材料合成方法

目前常见的医用高分子材料的合成反应，通常被归类为链增长聚合和逐步增长聚合，这与链形成中的化学过程有关。聚合反应主要为碳链聚合物的合成，如聚烯烃和聚丙烯酸酯，通常遵循链增长机制。链增长聚合涉及链起始、链生长和链终止各步骤。这种聚合反应的特点是仅需要添加单体到活性链端， 链可以快速增长，且反应过程中仅有单体和聚合物。根据增长链活性中心的性质，链增长反应又分为自由基、离子(阴离子或阳离子) 或过渡金属介导( 配位或插入) 的聚合反应。对含有不饱和碳碳键(双键或三键) 或是具有足够高环应变的环状分子的单体，例如合成聚烯烃，通常采用游离自由基和过渡金属介导的方法进行聚合。与自由基聚合不同，利用过渡金属协调机制，例如用 Zieglere Natta 催化剂，可以精准控制聚合反应，获得具有低分散性和高分子量的产物。

主链中含有杂原子的聚合物通常是采用逐步增长机制合成的。在该过程中， 聚合物分子量通过任何 2类分子的反应而增加，即单体、低聚物和聚合物链。与链增长不同的是， 单体在反应初期被基本耗尽， 而聚合物分子量在反应期间持续缓慢增加。遵循逐步增长机制的典型聚合类型是缩聚和加聚反应。在缩聚反应中， 产生的水、醇或盐酸等小分子在反应过程中要被除去。聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚酰胺是通过羧酸衍生物和二醇或二胺之间的缩合反应合成的。大多数聚酐也是通过缩聚反应合成的，加聚反应也遵循类似的机制，亲核基团与亲电基团在反应中实现聚合物链积累。与缩合反应不同的是，加聚反应不产生小分子副产物。例如，在聚氨酯合成过程中，二异氰酸酯单体与二胺或二羟基端分子在催化剂的催化下，反应分别形成了氨基甲酸酯或尿素基团，得到了相应的聚合物。

3 高分子材料在临床医学护理中的应用现状

3.1 高分子材料在人造器官中的应用

随着现代医学的不断进步，越来越多的人造器官可以用于治疗和替代病变器官，而高分子材料在人造器官中的应用范围十分广泛，人造器官可分为人造脏器和人造组织两种，前者指代替脏器工作的功能设备，包括人造心脏、人造肾脏、人造肺、人造肝脏等内脏器官；后者则指可以部分行使生理功能的人体组织，或者修补损坏的人体器官部件，包括人造骨骼、人造血管、人工喉、人工隔膜等体内器官和假肢、假鼻、假眼等外部人体组织。

例如，人造心脏主要用到的高分子材料有嵌段聚醚氨酯弹性体、硅橡胶、天然橡胶、尼龙、聚四氟乙烯、涤纶、PMMA 等；人造肾脏要用到各种高分子膜材料、聚丙烯酸、聚碳酸酯；人造肝脏要用到赛璐珞、聚甲基丙烯酸-β-羟乙酯；人造胰脏要用到AmiconXM-50 丙烯酸酯共聚物（中空纤维）等；人造肺脏要用到硅橡胶、聚丙烯空心纤维、聚烷砜。除了人造器官之外，大量的人造组织也需要用到高分子材料，比如：人造血管需要用到聚乙烯醇缩甲醛、聚酯纤维、聚四氟乙烯、嵌段聚醚氨酯、胶原、肝素复合体；人工红血球需要用到全氟烃；人工血浆需要用到羟乙基纤维素；人造的胆管和骨膜、食道都需要用到硅橡胶和聚硅酮；人造的气管需要用到聚乙烯、PVA、聚四氟乙烯、聚硅酮、聚酯纤维等。

3.2 高分子材料在ECMO中的应用

从2020年初开始，全球范围内都被新冠肺炎疫情侵袭，造成了全球人类的灾难。新冠肺炎病毒严重侵蚀人体的肺部，临床上对重症病人需要通过体外膜肺氧合(Extracorporeal Membrane Oxygenation，ECMO)进 行辅助呼吸。ECMO 的本质就是体外循环技术，其原理是将体内的静脉血引出体外，经过特殊材质人工心肺旁路氧合后注入病人动脉或者静脉系统，起到部分心肺替代作用，维持人体脏器组织氧合及血供。对于新冠肺炎患者，其肺中积累了大量病毒感染造成的黏液，导致肺脏无力“工作”。采用 ECMO 可让患者肺脏得到休息，争取到吸收黏液的时间，从而恢复健康。一般来讲， ECMO 的主要构成为血液泵、氧合器、气体混合器、加热器、各种动静脉导管与监视器等部件，其中血液泵和氧合器为核心部件，血液泵扮演代替患者心脏，氧合器则扮演代替肺脏的功能。

膜肺材料的发展大概经历了三个阶段，第一阶段为固体硅胶膜，第二阶段为微孔中空纤维膜，第三阶段为聚 4-甲基 1-戊烯(PMP)中空微孔纤维膜。第一代硅胶膜生物相容性好、少有血浆渗漏、血液成分破坏小、适合长时间辅助，其缺点是排气困难、价格昂贵；第二代微孔中空纤维膜的出现有效解决了排气困难的问题。然而，由于微孔的存在，血浆泄漏的可能性很高，降低了氧合能力。第三代 PMP 膜肺材料的发展逐渐提高了临床应用效果。 ECMO 工作时，患者血液在中空纤维膜丝的外部流动，中空微孔膜丝内部则通入氧气，血液中的二氧化碳和膜丝中的氧气通过压差的方式进行置换，从而实现肺部的气体交换功能。

3.3 高分子材料在临床护理中的应用

伤口是指由外科手术或热、电、机械、化学以及机体内在因素等因素导致正常皮肤组织出现的损害。伤口愈合是指皮肤组织出现创伤后，机体局部组织再生进行修复、重建的一系列过程。医用敷料是在医疗卫生领域中起重要作用的一种医疗器械，是可以覆盖伤口表面又有治疗作用的医用护理材料。水凝胶是一种天然高分子材料，水凝胶敷料多用于渗液不多、创面肉芽组织新鲜伤口，保持创面湿润，促进伤口愈合。有研究报道水凝胶敷料在静脉输液中防止输液外渗和预防静脉留置针引起静脉炎的临床应用上有很好疗效，延长留置针使用时间。还有研究表明皮肤表面水疱及压疮用水凝胶敷料局部贴敷，操作简单，使用安全，可预防压疮形成，减轻皮肤红肿、瘙痒、结痂等不适，减少换药次数和疤痕形成，促进愈合。由于水凝胶敷料良好弹性及自粘性，可形成密闭的愈合环境，且水凝胶含有内源性酶，能促进纤维蛋白溶解，利于清除坏死组织，发挥清创作用，能促进微血管增生和肉芽组织形成，加速创面愈合，因此水凝胶敷料也可用于慢性伤口（如压疮）和静脉溃疡创面伤口治疗。

4 结语

本文从临床医学中对生物医用高分子材料的要求，生物医用高分子材料的分类和合成方法还有生物医用高分子材料在临床医学中的应用三个方面详细阐述了临床医学中的高分子材料。由于生物医用高分子材料具有良好的生物相容性和易加工性，与其相关研究得到了普遍关注， 其应用也获得了长远的发展。不断开发智能、绿色、经济和高效的生物医用高分子材料是人们不断追求的目标，随着新技术的发展和人类的需求日益增长，生物医用高分子材料将具有更加广阔的应用前景。