生物降解型聚氨酯的作用范文

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1人体修复用材料

1.1医用胶黏剂

具有生物相容性并且能够生物降解的亲肤性聚氨酯黏胶适合于用做伤口敷料[6]。其基本形态由多醇与二异氰酸酯配合而成的有双末端异氰酸基的预聚物。当遇到渗出的体液、血液等后,聚氨酯系胶黏剂通过以高反应性异氰酸基为中心的复杂交联反应,就能在短时间内最后变成柔软的黏接力较大的弹性体状生成物。这种聚氨酯具有黏稠的特性,并且能够包容其它的一些药物,如:活性药剂,局部麻醉剂,抗生素,局部类固醇药,酵素,组织兴奋剂,凝结剂及抗凝剂,抗真菌剂等[7]。松田等开发了用有全氟烷撑基的氟化脂肪族二异氰酸酯、1、1、6、6-四氢全氟己撑二异氰酸酯(OCN-CH2C4F8CH2-NCO)制造的医用弹性胶黏剂(特开平1-227762)。其Ames实验呈阴性,致癌可能性小;与使用结构大致相同的多醇制造的TDI系列黏胶相比,其在水中的黏接力较大,硬化物的弹性模量较低,矿柔软性优良,且有水解速度快的优点。这就是说,这种医用弹性黏胶能在数周内保持黏接力直到身体组织依靠本身的再生能力牢固的接合,而在发挥应有的作用之后又能分解成安全性的物质,迅速地排泄出身体。因此可认为这种氟化二异氰酸酯制造的医用弹性黏胶具有高的可靠性[8]。

1.2人工皮肤(创口覆膜)

创口覆膜是创伤区(如烧伤、灼伤)皮肤再生前的临时替代膜和保护膜。其要求是具有黏性、弹性、柔顺性、细菌不透过、易操作、无毒以及高的水蒸气透过性(以避免覆膜下的液体在创口处积聚),并且也允许适当的水蒸气能从覆膜渗透以防止创面的干缩。为避免更换覆膜给新生皮肤带来的损伤,现很多研究者均在研究将生物降解材料作为创口覆膜。Yannas和Burke描述了用于覆盖在全皮(烧伤)创面的双层人工皮肤的概念。其底层是可生物降解的,多孔的,它的功能为使皮肤再生的临时替代膜。其顶层是透气防水保护膜。根据这一概念Bruin等[9]最新研究合成了一种皮肤替代物,其顶层为微孔透气性防水防菌聚醚聚氨酯,而隔离底层为可生物降解的聚酯型聚氨酯弹性体网状结构。这种设计能迅速降解出无毒降解产物,从而可使覆膜从创面上毫无痛苦的剥离而不损伤其新生表皮。通过对鼠中厚皮创口愈合的研究,发现用该覆膜覆盖的创口手术后2d的上皮再生率为85%,而用常用的覆膜裹覆或暴露于空气中的创口再生率分别为66%和35%。用该覆膜覆盖的创口在手术后3d可获得100%的上皮再生,比其它的创口提前了1d。在覆膜使用过程中,其隔离底层逐渐降解,因此手术后5d覆膜既可从创面上毫无痛苦的剥离而不损伤其新生表皮。通过临床和组织学观察,其愈合程度较好,且极大的减轻了伤者的痛苦,因此在临床上具有良好的发展前景。

1.3引导性组织再生材料

引导性组织再生是用外科手术方法放置一物理屏障来分隔不同的组织,其主要目的是建立一能使生物再生功能得到最大程度发挥的有利环境。传统的引导性组织再生材料采用非降解性材料制成,在细胞再生完成后依然存在,会引起机械摩擦和机体的炎症反应。所以目前的研究方向是以生物降解材料来制作引导性组织再生材料。作为合适的生物降解型引导性组织再生材料,应当具备以下性质[10]:良好的弹性和生物相容性;材料降解时间与组织再生时间平衡;降解产物不会引起体内的不良反应。神经导管(NGCs)是一种引导性组织再生材料,它为临床上具有难度的较大的神经断裂的修复提供了一种可能。Borkenhagen等[11]以聚[(R)-3-羟基丁酸-co-3羟基戊酸]二醇(PHB),和聚[乙交酯-己内酯]进行共缩聚,并以2,2,4-三甲基环己烷二异氰酸酯(TMD)为扩链剂制成了相分离的弹性嵌段PU。用此材料制成NGCs并经环氧乙烷蒸汽消毒后,植入雄鼠体内,用于其坐骨神经的修复。神经断端用尼龙线缝合。观察发现,植入4周后,再生神经组织的轴索已经形成,所有NGCs的轴线上均出现大的裂缝。植入12周后,轴索的密度未变,但其平均体积显著增大。而NGCs表面产生了很多裂缝,导管断分裂为2～3片。24周后,神经轴索的状态基本稳定下来,并且很难在新生组织区分辨出导管材料。即材料降解时间与组织再生时间可以达到平衡。整个过程中,聚合物降解的碎片引起的炎症反应主要集中在碎片表面,并未影响到再生的神经组织(这可能是因为该PU材料的降解产物较小,可被巨噬细胞吞噬)。可以得出结论,该PU聚合物系统适合用作引导性组织再生材料,其降解时间与新生神经组织的生成和定形时间较吻合,且降解产物不引起炎症反应。再加上该材料极低的膨胀率和良好的弹性、生物相容性,就较之其他的可吸收材料有了更大的优势。

1.4医用缝线

一些学者进行了生物降解型聚氨酯作为医用缝线的探讨。如Alok等[12]报道生物降解型聚氨酯具有良好的加工成型性,机械强度高,作为手术后缝线力学强度好,但因降解较慢,因此至今未见其临床应用报道。

2作为智能药物缓释材料

目前,在药物缓释材料的研究中,对“用智能材料,使药物释放体系(DDS)智能化——即生物响应给药系统”的研究成为其中的热点[13]。该体系的特点为药物是否需要可由药剂本身判断。它可以感知疾病所引起的化学物质及物理量变化的信号,药剂能对信号响应,并自主的控制药物释放。例如由于肿瘤细胞表面富集神经氨酸,其微环境比正常细胞更显酸性,因而可将PH响应药物释放体系应用于肿瘤化疗等[14,15]。Woo等[16]设计了一种将无毒的HDI和PCL以及喹啉共聚而得到的新型的抗生素释放系统,当感染症状出现时,由炎症释放出的尿素可触发含有抗生素的聚酯聚氨酯聚合物的降解,以引起抗生素的释放,加速药物的传输。这种抗生素释放系统被直接的应用于植入人体的医疗装置的表面,以防止细菌感染。相比起传统的用于防止医疗装置植入性感染的方法(如:表面改性、直接涂附抗生素等),它具有以下一些优点,其实用效果更加明显:(1)在细菌黏附生长以前就可将其杀死;(2)明显提高了感染区域的抗生素浓度;(3)抗生素在较长时间内保持高浓度,不会产生短时的快速流失。为了验证其降解性能,聚合物以用14C放射性同位素标记的HDI合成。在降解实验中根据聚合物放射性的减少速率推算出聚合物以2.09×105每分钟(dpm)/mg的速率分解,并且前10d的分解速率很快,后来就越来越慢了。可以预见,智能化、微囊化药物的成功应用将全面促进新型生物医学高分子材料的应用与开发。

3作为组织工程材料

降解型组织工程材料利用其降解特性,可使表面不断更新,为组织提供不断变化的黏附和生长界面,其降解速率和降解产物均会对细胞的黏附、分化、繁殖造成很大影响。若降解产物呈酸性,会加速降解,并抑制细胞和组织的生长[17]。目前研究最多的高分子材料是聚乳酸(PLA)和聚羟基乙酸(PGA)以及它们的共聚物,其生物相容性、可降解性,易加工性好,适合用做组织工程材料。但其降解后的酸性代谢物会降低聚合物周围的pH值,从而影响细胞和组织的生长,且其降解率低,植入身体后可导致纤维化,有可能发生周围组织的免疫反应,再加上其细胞黏附性差,费用昂贵,可塑性不满意等缺点,使人们考虑使用其他的材料[18,19]。Jian等[20]开发了以肽为基础的泡沫型聚脲聚氨酯作为组织工程材料。其独特之处在于该聚合物由赖氨酸、脂肪族二异氰酸酯和甘油(丙三醇)组成,其降解产物-赖氨酸、甘油、乙醇等均为无毒。除此以外,该聚合物还有以下一些优异性质:在材料中允许加入蛋白质(蛋白质的存在是细胞附着及生长的要素),可局部提升微环境,以使细胞形成和兴奋的外部条件达到最优;该交联型聚氨酯泡沫有很多气孔,不仅增大了材料的表面积(使细胞的附着更为容易),而且有利于带有养分的流体在其中自由循环以促进细胞的新陈代谢。并且孔与孔相通使细胞在体外迁徙成为可能;在不同温度的降解实验说明,该高聚物可以在足量溶液中降解,且降解产物不会显著影响环境的pH值及抑制细胞和组织的生长;可通过改变官能团而调节该聚脲聚氨酯的物理机械性能。将兔骨髓基质细胞(BMSC)以三氯甲烷(TCM)为溶剂,在消好毒的聚合物上孵育4h后,通过SEM可观测到BMSC细胞的附着。细胞种植5d后,测试生长在这种泡沫型聚脲聚氨酯上的和聚苯乙烯组织种植盘中的由BMSC合成的Ⅰ型胶原的量,以测定细胞活性。结果发现二者无显著差别,由此说明这种泡沫型聚脲聚氨酯降解产物对细胞活性没有影响。测试聚合物在60d内,于磷酸缓冲溶液(PBS)中降解所产生的赖氨酸总量来测定其降解率。结果发现它在100℃下沸水煮6h仅有2%的聚合物降解,说明该泡沫型聚脲聚氨酯具有承受短时高温的热稳定性,可以用高温消毒法进行消毒。其降解率在22℃时为37℃时的150%,4℃时几乎为37℃时的195%.37℃时降解速率为1.8mm/10d。用扫描显微镜间歇性观察种植于高聚物上的BMSC细胞,发现细胞分布于材料表面,4～6h后细胞逐渐黏附于材料上,7d后观察,这些细胞的形态学特征及其生长率与生长在聚苯乙烯组织盘中(作为细胞生长状态评价的基本样品)的细胞十分近似。综上,我们可以判断这种泡沫型聚脲聚氨酯具有良好的生物相容性和机械性能,能较好地支持细胞的生长,作为一种组织工程材料,它必有很好的应用前景。

4作为外科用材料

目前,生产医疗上使用的导管、手套、围裙以及其它薄壁制品等使用的主要原料仍然是天然橡胶(NR)。由于天然橡胶在加工过程中要加入硫化剂,加工助剂等,若以这样的制品与人体体液接触,一些对人体有害的低分子物则会被抽提出来,如以萃取液做细胞毒性实验表面,则10%NR制品对细胞显示强烈毒性[21],由NR制造的输液系统和模压零件会引起细胞变形,消失或停止其繁殖,这就在一定程度上限制了NR在医疗上的应用。后来开发的一系列乳胶代用合成材料则由于其耐腐蚀性好,在自然环境中难以降解,且使用量很大,而造成了严重的环境污染,因此对具有良好生物相容性、易于大批量生产,且能生物降解的材料的研究成为必然[22]。陈大俊等[23]报道了以淀粉为多元醇合成生物降解型PU弹性体的报道,其膜的断裂伸长率可达到900%,具有良好回弹性,且价格便宜,适用于制作大用量的产品,具有良好的市场前景。

5结论

生物降解型聚氨酯具有生物相容性、机械强度好,易加工成型,价位较低等优异特点是一类具有良好市场前景的医用材料。目前对生物降解型聚氨酯的研究重点集中在控制其降解速率,寻找新型经济型无毒配方,探索无毒环保型的生产工艺,进一步改进其生物相容性等方面。可以预见,在更为重视健康和环保的21世纪,生物降解型聚氨酯材料必将有非常广阔的应用前景。