生物医学高分子材料（精选10篇）
生物医学高分子材料 篇1
摘要：我国目前的高分子材料生产和使用已跃居世界前列, 每年产生几百万吨废旧物。如此多的高聚物迫切需要进行生物可降解, 以尽量减少对人类及环境的污染。本文探讨了生物可降解高分子材料现阶段的开发应用情况。
关键词：高分子材料,可降解,生物
我国目前的高分子材料生产和使用已跃居世界前列, 每年产生几百万吨废旧物。如此多的高聚物迫切需要进行生物可降解, 以尽量减少对人类及环境的污染。生物可降解材料, 是指在自然界微生物, 如细菌、霉菌及藻类作用下, 可完全降解为低分子的材料。这类材料储存方便, 只要保持干燥, 不需避光, 应用范围广, 可用于地膜、包装袋、医药等领域。生物可降解的机理大致有以下3种方式:生物的细胞增长使物质发生机械性破坏;微生物对聚合物作用产生新的物质;酶的直接作用, 即微生物侵蚀高聚物从而导致裂解。按照上述机理, 现将目前研究的几种主要的可生物可降解的高分子材料介绍如下。
1 生物可降解高分子材料概念及降解机理
生物可降解高分子材料是指在一定的时间和一定的条件下, 能被微生物或其分泌物在酶或化学分解作用下发生降解的高分子材料。
生物可降解的机理大致有以下3种方式:生物的细胞增长使物质发生机械性破坏;微生物对聚合物作用产生新的物质;酶的直接作用, 即微生物侵蚀高聚物从而导致裂解。一般认为, 高分子材料的生物可降解是经过两个过程进行的。首先, 微生物向体外分泌水解酶和材料表面结合, 通过水解切断高分子链, 生成分子量小于500的小分子量的化合物;然后, 降解的生成物被微生物摄入人体内, 经过种种的代谢路线, 合成为微生物体物或转化为微生物活动的能量, 最终都转化为水和二氧化碳。
因此, 生物可降解并非单一机理, 而是一个复杂的生物物理、生物化学协同作用, 相互促进的物理化学过程。到目前为止, 有关生物可降解的机理尚未完全阐述清楚。除了生物可降解外, 高分子材料在机体内的降解还被描述为生物吸收、生物侵蚀及生物劣化等。生物可降解高分子材料的降解除与材料本身性能有关外, 还与材料温度、酶、PH值、微生物等外部环境有关。
2 生物可降解高分子材料的类型
按来源, 生物可降解高分子材料可分为天然高分子和人工合成高分子两大类。按用途分类, 有医用和非医用生物可降解高分子材料两大类。按合成方法可分为如下几种类型。
2.1 微生物生产型
通过微生物合成的高分子物质。这类高分子主要有微生物聚酯和微生物多糖, 具有生物可降解性, 可用于制造不污染环境的生物可降解塑料。如英国ICI公司生产的“Biopol”产品。
2.2 合成高分子型
脂肪族聚酯具有较好的生物可降解性。但其熔点低, 强度及耐热性差, 无法应用。芳香族聚酯 (PET) 和聚酰胺的熔点较高, 强度好, 是应用价值很高的工程塑料, 但没有生物可降解性。将脂肪族和芳香族聚酯 (或聚酰胺) 制成一定结构的共聚物, 这种共聚物具有良好的性能, 又有一定的生物可降解性。
2.3 天然高分子型
自然界中存在的纤维素、甲壳素和木质素等均属可降解天然高分子, 这些高分子可被微生物完全降解, 但因纤维素等存在物理性能上的不足, 由其单独制成的薄膜的耐水性、强度均达不到要求, 因此, 它大多与其它高分子, 如由甲壳质制得的脱乙酰基多糖等共混制得。
2.4 掺合型
在没有生物可降解的高分子材料中, 掺混一定量的生物可降解的高分子化合物, 使所得产品具有相当程度的生物可降解性, 这就制成了掺合型生物可降解高分子材料, 但这种材料不能完全生物可降解。
3 生物可降解高分子材料的开发
3.1 生物可降解高分子材料开发的传统方法
传统开发生物可降解高分子材料的方法包括天然高分子的改造法、化学合成法和微生物发酵法等。
3.1.1 天然高分子的改造法
通过化学修饰和共混等方法, 对自然界中存在大量的多糖类高分子, 如淀粉、纤维素、甲壳素等能被生物可降解的天然高分子进行改性, 可以合成生物可降解高分子材料。此法虽然原料充足, 但一般不易成型加工, 而且产量小, 限制了它们的应用。
3.1.2 化学合成法
模拟天然高分子的化学结构, 从简单的小分子出发制备分子链上含有酯基、酰胺基、肽基的聚合物, 这些高分子化合物结构单元中含有易被生物可降解的化学结构或是在高分子链中嵌入易生物可降解的链段。化学合成法反应条件苛刻, 副产品多, 工艺复杂, 成本较高。
3.1.3 微生物发酵法
许多生物能以某些有机物为碳源, 通过代谢分泌出聚酯或聚糖类高分子。但利用微生物发酵法合成产物的分离有一定困难, 且仍有一些副产品。
3.2 生物可降解高分子材料开发的新方法———酶促合成
用酶促法合成生物可降解高分子材料, 得益于非水酶学的发展, 酶在有机介质中表现出了与其在水溶液中不同的性质, 并拥有了催化一些特殊反应的能力, 从而显示出了许多水相中所没有的特点。
3.3 酶促合成法与化学合成法结合使用
酶促合成法具有高的位置及立体选择性, 而化学聚合则能有效的提高聚合物的分子量, 因此, 为了提高聚合效率, 许多研究者已开始用酶促法与化学法联合使用来合成生物可降解高分子材料。
4 生物可降解高分子材料的应用
目前生物可降解高分子材料主要有两方面的用途:1) 利用其生物可降解性, 解决环境污染问题, 以保证人类生存环境的可持续发展。通常, 对高聚物材料的处理主要有填埋、焚烧和再回收利用等3种方法, 但这几种方法都有其弊端。2) 利用其可降解性, 用作生物医用材料。目前, 我国一年约生产3000多亿片片剂与控释胶囊剂, 其中70%以上是上了包衣的表皮, 其中包衣片中有80%以上是传统的糖衣片, 而国际上发达国家80%以上使用水溶性高分子材料作薄膜衣片, 因此, 我国的片剂制造水平与国际先进水平有很大的差距。国外片剂和薄膜衣片多采用羟丙基甲纤维素, 羟丙纤维素、丙烯酸树脂、聚乙烯吡咯烷酮、醋酸纤维素、邻苯二甲酸醋酸纤维素、羟甲基纤维素钠、微晶纤维素、羟甲基淀粉钠等。
参考文献
[1]侯红江, 陈复生, 程小丽, 辛颖.可生物降解材料降解性的研究进展[J].塑料科技, 2009.
[2]翟美玉, 彭茜.生物可降解高分子材料[J].化学与粘合, 2008.
生物医学高分子材料 篇2
生物活性物质的检测有很多种方法，其中，以抗体为基础的技术尤其重要。免疫分析加上磁性修饰已成功地用于各种生物活性物质和异生质(如药物、致癌物等)的检测。将特异性抗体或抗原固定到纳米磁球表面，并以酶、放射性同位素、荧光染料或化学发光物质为基础所产生的检测与传统微量滴定板技术相比具有简单、快速和灵敏的特点。
Van Helden等将抗体连接的纳米磁性微球与高效率、快速的化学发光免疫测定技术相结合的自动检测系统，则成功地用于血清中人免疫缺陷病毒1型和2型(HIV-1和HIV-2)抗体的检测。另外，用于人胰岛素检测的全自动夹心法免疫测定技术也已建立，其中亦用到抗体、蛋白纳米磁性微粒复合物和碱性磷酸酶标记二抗。
生物医学高分子材料 篇3
1945年2月9日出生于日本福冈。1974年从东京大学获得博士学位。1974年至1977年，他在美国洛克菲勒大学做博后，随后返回日本，任职于东京大学。2009年起，为东京工业大学教授。
北京时间10月3日下午5点30分，2016年诺贝尔生理学或医学奖揭晓，日本科学家大隅良典（Yoshinori Ohsumi）获奖。获奖理由是“发现了细胞自噬机制”。
今年的诺贝尔奖获得者发现并阐明了细胞自噬的机制—这是细胞成分降解和循环利用的一个基本过程。
自噬（autophagy）一词来源于希腊语前缀auto-，意为“自我”，以及另一个希腊语单词phagein，即“吞噬”。因此，autophagy便引申为“自噬”。这个定义出现在上个世纪60年代，当时，科研人员首次观察到细胞能破坏自身成分，用膜将这些成分包裹，形成袋状囊泡并转移给溶酶体（lysosome）进行降解回收。此前人们对细胞自噬过程几乎毫无了解，因而相关研究一直是困难重重，直到上个世纪90年代初，大隅良典在一系列实验中，巧妙地利用面包酵母（baker，s yeast）找到了细胞自噬所需的基因。通过继续研究，大隅良典阐明了酵母自身内自噬的基本原理，并证明类似的复杂机制也存在于人体细胞内。
大隅良典的发现为我们了解细胞如何循环利用自身成分树立了新典范。他的发现也为我们了解并意识到细胞自噬在饥饿适应、感染反应等许多生理过程中的至关重要性开辟了新道路。自噬基因的突变会导致疾病的产生，自噬过程在包括癌症和神经性疾病在内的多种体内环境中充当不可或缺的角色。
降解—存在于所有活体细胞中的重要功能
上世纪50年代，科学家观察到一种特别的细胞微结构（这种微结构的学名又叫做“细胞器”），这种细胞器含有能够消化蛋白质、碳水化合物和脂肪的酶。后来研究人员将这种细胞器称为溶酶体，它相当于降解细胞成分的工作站。比利时科学家Christian de Duve就因为发现这种溶酶体而获得1974年诺贝尔生理学或医学奖。到了60年代，科学家们在溶酶体中有时可以找到大量的细胞组成物质甚至是完整的细胞器。因此，科学家们认为细胞内存在着一种过程—将细胞内的“大型货物”送到溶酶体那儿。进一步的生化和显微分析也显示，一种新的囊泡会将细胞成分打包送到溶酶体处进行降解。发现溶酶体的Christian de Duve使用了“自噬”这个合成词描述这一过程。这种囊泡则被称为“自噬体”（autophagosome）。
我们的细胞有着各种特别的细胞器。溶酶体就是这样的一种细胞器，它含有各种可以消化细胞成分的酶。细胞内还存在一种被称为“自噬体”的新型囊泡。当自噬体形成时，它会包裹住某些细胞成分，如那些被破坏的蛋白质和细胞器。最终，自噬体与溶酶体相融合，这些细胞成分便会降解为更小成分。这一过程为细胞的更新提供了养分和构建基础。
在上世纪70到80年代，科研人员将注意力放在了对另一种降解蛋白质的物质即“蛋白酶体”的研究上。在这个研究领域里，就有Aaron Ciechanover， Avram Hershko和Irwin Rose三位科学家因为发现泛素调节蛋白的降解而获得2004年诺贝尔化学奖。蛋白酶体能够有效地先后降解多个蛋白质，不过这种机制并没有解释细胞是如何处理更大的蛋白质复合物和破旧的细胞器的。那么自噬过程能够给出解释吗？如果可以，那其机制又是什么呢？
一个突破性实验
大隅良典曾活跃于多个研究领域，在1988年开始建立自己的实验室时，他将研究重点放在液泡中蛋白质的降解方面。酵母细胞相对比较容易研究，所以经常被用于人类细胞研究模型。对于研究在复杂细胞通路中具有重要作用的基因来说，它们尤其有用。但是大隅良典面临着一个主要的挑战：酵母细胞很小，内部结构在显微镜下很难区分，所以他就难以确定酵母细胞中是否存在着自噬作用。怎么办呢？他就想着，在自噬过程激活时，如果能打断液泡中的降解过程，那么自噬体就应当在液泡中聚集，并能在显微镜下可见。于是他培养了缺乏液泡降解酶的酵母细胞，并通过饥饿化细胞刺激自噬作用。结果是惊人的！几个小时内，液泡内就充满了未被降解的小囊泡。这些小囊泡就是自噬体，大隅良典的实验证明了自噬存在于酵母细胞中。更重要的是，他现在能够鉴别参与这一工程的关键基因了。这是一项重大的突破，大隅良典于1992年发表了这项结果。
自噬基因被发现
大隅良典开始利用改造过的酵母菌株，其中的吞噬体因饥饿而聚集。如果自噬重要基因失活，这种聚集不应该发生。大隅良典将酵母细胞暴露在一种化学物质下，随机在许多基因中诱发突变后，开始诱导自噬。他的策略成功了！在发现酵母自噬一年内，他就鉴别出了第一个对于自噬至关重要的基因。在后来的一系列精巧的研究中，他发现由这些基因编码的蛋白具有功能性。这些结果显示，自噬由一组蛋白和蛋白复合体调控，各自调节自噬体形成的不同阶段。
细胞自噬—细胞中的关键机制
在发现了酵母中的细胞自噬机制后，仍有关键的问题待解。其他机体中是否存在着响应机制来调控这一过程？很快，科学家弄清了人类的细胞中也存在着完全一样的机制。如今，用于研究人体细胞自噬重要性的工具已经诞生。
感谢大隅良典和其他跟进研究的人，我们现在知道自噬调控着重要的生理功能，以便细胞组件得以降解和循环。自噬能够快速提供能量燃料，及为细胞组件更新提供材料，从而对细胞响应饥饿或其他应激至关重要。在感染后，自噬能够清除入侵的胞内细菌和病毒。自噬对于胚胎发育和细胞分化也发挥作用。细胞还利用自噬清除受损蛋白和细胞器，这是一种质量控制机制，对于抵消衰老带来的副作用至关重要。
中断的自噬作用已被认为与帕金森症、Ⅱ型糖尿病及其他老年易患病相关。自噬基因的变异能导致基因疾病。干扰自噬作用被认为与癌症相关。目前相关研究正在紧密展开，以期开发相关药物能在多种疾病中标靶自噬作用。
虽然自噬作用已被发现了50多年，但直到上世纪90年代大隅良典颠覆性的研究之后，它的重要性才得到确认。因为这一贡献，大隅良典被授予今年的诺贝尔生理学或医学奖。
（本文转自《中国科学报》）
生物医学高分子材料 篇4
天然高分子一般是指自然界动、植物以及微生物资源中的生物大分子[1]。目前应用于生物医用领域的天然高分子主要包括多糖类和蛋白质类等(表1)。
1 具有特殊功能和生物活性的天然多糖
多糖为单糖组成的天然高分子化合物,广泛地存在于动、植物和微生物体中。纤维素(Cellulose)是地球上最丰富的天然高分子,是自然界中取之不尽、用之不绝的可再生资源。纤维素主要来源于树木、棉花、麻、谷类植物。一些纤维素衍生物,如甲基纤维素、羧甲基纤维素以及羟乙基纤维素等常用作药物载体、药片黏合剂、药用薄膜、包衣及微胶囊材料。
通过细菌的酶解过程产生的纤维素(即细菌纤维素),具有良好的生物相容性、湿态时高的力学强度、优良的液体和气体通透性,能防止细菌感染,促使伤口的愈合。细菌纤维素的应用领域包括:(1)人造皮肤和外科敷料,Biofill®和Gengiflex®是两个典型的细菌纤维素产品,Biofill®已成功地用于二级和三级烧伤、溃疡等的人造皮肤临时替代品[2],Gengiflex®已用于牙根膜组织的恢复[3]。(2)人造血管,Klemm等[4]研究发现内径为1mm的BASYC(BActerial SYnthesized Cellulose,图1)在湿的状态下具有高机械强度,高持水能力,低粗糙度的内径以及完善的生物活性等优良特性,证明了它在显微外科中作为人工血管的巨大应用前景。(3)软骨组织工程,将未经修饰的细菌纤维素应用于人软骨细胞,发现它可以支持软骨细胞增殖,并且用透射电镜可以检测到软骨细胞在支架内部生长网,证明细菌纤维素在软骨组织工程中是一种非常有潜力的生物支架材料[5]。(4)医疗护理品,细菌纤维素具有良好的机械性能、抗形变和撕裂能力,可以用来生产外科手术用品,如外科手术的手套、用于擦拭血液、汗液等的带子[6]。
甲壳素(chitin)是一种广泛存在于昆虫、海洋无脊椎动物的外壳以及真菌细胞中的多糖。壳聚糖(chitosan)是甲壳素脱乙酰基后的产物,具有良好的生物相容性和生物可降解性。在医学领域,壳聚糖可作为生物相容性很好的可降解材料,制成手术缝合线、人造血管和人工皮肤等医疗产品;在药学领域,壳聚糖具有抗肿瘤、治疗心血管疾病和促进伤口愈合等功效[7]。此外,壳聚糖还具有选择性促进表皮细胞生长的独特生物活性,因此可将壳聚糖作为良好的支架材料广泛地应用在组织工程学中[8],如应用于皮肤、骨、软骨、神经等组织工程[9,10,11,12]。将壳聚糖乙酸溶液和聚乙二醇溶液混合后,通过静电纺丝得到纳米纤维[13],研究显示软骨细胞(HTB-94)在该纤维上面繁殖良好(图2),表明壳聚糖复合材料在骨组织材料工程中很有应用前景。
香菇多糖(Lentinan)是从香菇子实体、菌丝体或发酵液中提取出来的一种水溶性葡聚糖,它在水溶液中能形成三螺旋链构象(图3)[14],具有抑制肿瘤、抗菌消炎、抗辐射提高机体免疫力等多种生理活性。日本学者早于80年代开始将香菇多糖作为生物反应调节剂应用于临床;国内也于90年代开始将香菇多糖大量应该用于临床治疗恶性肿瘤及病毒性肝炎等疾病,显示出较好的疗效[15,16]。
从裂褶菌(又名白参、树花)子实体、菌丝体或发酵液中提取出一种水溶性多糖,即裂褶菌多糖(Schizophyllan)。它具有与香菇多糖类似的化学结构(图4a)、三螺旋构象(图4b)[17]和生理活性。近期研究发现[18,19],将裂褶菌多糖的三螺旋链解开得到单股无规线团能与单螺旋的寡核苷酸重新组合成三螺旋构象,可以将寡核苷酸运输进入细胞中(图5),从而提高基因的转染效率。
2 两亲性多糖衍生物
多糖具有良好的生物相容性和降解性,是理想的药物载体原材料。一些水溶性多糖链上存在大量可反应的活性基团(如羟基、氨基和羧酸基团),通过化学反应在亲水性的多糖主链上偶联一些疏水基团(如长链烷基、胆甾基团等),可合成两亲性多糖衍生物(Amphiphilic polysaccharide derivatives)[20]。在水溶液中,两亲性多糖衍生物通过疏水基团间的非极性相互作用力,自聚集形成热力学稳定的纳米胶束,作为载体材料用于药物的传输,有利于实现缓时释放药物的目的[21]。如图6所示,在非极性相互作用力的驱动下,疏水性药物与两亲性多糖衍生物自组装形成载药胶束[22],被负载的药物可通过扩散或多糖衍生物的降解而被缓慢地释放出来。
近几年来本课题组开展了一系列两亲性多糖衍生物的研究工作,已合成出一些两亲性多糖衍生物(表2),并对它们在水溶液中的胶束化行为以及负载药物的性能进行了研究。
胆固醇广泛地存在于动物体内,其多元环状结构表现出极强的疏水性。胆固醇分别与羧甲基纤维素和海藻酸钠反应后可得到两亲性的多糖衍生物[22,23,24]。通过原子力显微镜(AFM)观察到含胆固醇基羧甲基纤维素衍生物(CCMC)形成的胶束形态如图7所示,它们在水溶液中聚集成为粒径约为50 nm的球状粒子[23]。CCMC负载吲哚美辛药物的实验表明[22],在p H为6-8范围内,CCMC胶束负载药物的能力随p H值升高而增加。CCMC载药胶束的体外释放药物行为也显示出对p H值的敏感性,p H值越高载药胶束释放药物的速度越快。吲哚美辛大约在8h后被完全释放出来,即能起到缓释吲哚美辛的作用,将有利于吲哚美辛起到长时间治疗疾病的效果。
聚乳酸、聚己内酯生物相容性很好,在体内能被降解,将它们作为疏水性单体与不同的多糖通过化学反应可合成出各种两亲性多糖衍生物[25,26,27,28]。含聚乳酸侧链的两亲性壳聚糖衍生物胶束对肝癌细胞(Hep G-2)的生长无抑制作用,显示出良好的生物相容性;通过基因转染实验,发现衍生物胶束的转染效率为18%,优于未改性壳聚糖的转染效率,显示出作为性能优良基因载体的应用前景[27]。含脂肪族聚酯侧链的两亲性葡聚糖衍生物胶束对小鼠成纤维细胞(L929)生长无抑制作用,表现出良好的生物相容性;通过小鼠体内代谢动力学实验,发现载药胶束将5-氟尿嘧啶在小鼠体内半衰期提高了4倍;通过体内抑瘤实验,发现载药胶束将肿瘤细胞的杀伤率提高了27.1%[25]。
近期一些对环境敏感的聚合物引起了人们的关注。如聚(N-异丙基丙烯酰胺,PNIPAAM)和聚(N-乙烯基己内酰胺,PNVC)都具有温度敏感性,它们形成的水溶液在温度低于32˚C时为均相溶液,而高于该温度时则会出现相分离现象。该温度点通常被称为最低临界溶解温度(LCST)。利用PNIPAAM和PNVC对温度敏感以及离子多糖对p H敏感的特性,本课题组合成了环境响应型的两亲性多糖衍生物,如温度响应型的PNIPAAm/羧甲基-羟丙基瓜尔胶衍生物[29]以及PNVC/葡聚糖衍生物[31],温度和p H双重响应型的PNIPAAm/羧甲基纤维素衍生物[30]等。研究结果表明,它们在水溶液中随着周围环境(如温度、p H值)的变化会出现相转变现象并伴随有自缔合行为,因而它们在用作智能药物控释载体、蛋白质复性助剂等方面具有较好的应用前景。
3 生物大分子前药
前药(Prodrugs)是原药与载体通过化学键连接起来的一种暂时性化合物,它可以改变或修饰原药的理化性质,在体内降解成原药后再发挥药效。这种概念自从20世纪50年代提出后,已经在药物结构修饰、药物化学发展中发挥了重要的作用,并已成为21世纪药物设计与开发的重要手段。前药设计的目的在于[32]:改善药物的一些不良因素如水溶性低、组织或黏膜刺激等;或者改善药动学上一些影响药效发挥的因素如易降解、半衰期(t1/2)太短或太长、药物透膜能力低,以及缺乏理想的靶向性等。天然高分子生物相容性好,容易被体内的各种酶降解,因而非常适合用作前药的载体材料。
3.1 血清白蛋白载体的前药
血清白蛋白(Albumin)显酸性,可在p H4~9的范围稳定存在,即使将它于60˚C下加热10 h也不会发生变性;血清白蛋白很容易被肿瘤和受感染的组织吞噬,并且具有很好的生物可降解性、无毒性以及无免疫活性。所以,这些特殊的性质决定了血清白蛋白非常适合用作治疗肿瘤的前药载体材料[33]。Wang等[34]将(+)-FDI-CBIM多肽偶联到人体血清白蛋白链上合成出一种前药,动物实验结果表明该前药能明显地抑制结肠癌和乳腺癌肿瘤的生长。Graeser等[35]报道了一种血清白蛋白前药具有非常强的抑制肿瘤生长的能力,在与阿霉素用药量相同的条件下,该前药能抑制62%体积的肿瘤生长。
3.2 多糖载体的前药
果胶(Pectin)存在于植物细胞壁中,它在人体胃和小肠生理环境内能保持结构的完整性,但是在结肠中能被梭杆菌、真杆菌和双歧杆菌等细菌降解,所以果胶被广泛用于结肠靶向前药的载体材料[36]。Xi等[37]合成了以共价键结合的果胶-酮洛芬前药,将其与酮洛芬原药分别通过灌胃方式对大鼠进行给药,一定时间后取出大鼠胃肠道中不同部位的内容物,测定药物的分布。结果表明,酮洛芬原药在大鼠的胃和小肠中均有分布,而从前药中释放的酮洛芬主要分布在大鼠的盲肠和结肠,说明前药具有结肠定位释放药物的性能。
葡聚糖(Dextran)是一种主要由1,6-α-D-吡喃葡糖苷键接而成的多糖,该糖苷键可以被结肠中的细菌酶以及哺乳动物细胞中的葡聚糖酶降解[38,39],因而葡聚糖作为一种前药的载体材料已得到了广泛的研究[40]。Harboe等[41]将药物分子偶联到葡聚糖大分子链的末端合成出一种大分子前药,它在胃和小肠内保持完好;而在结肠中,随着前药中糖苷键被葡聚糖酶的降解,药物被缓慢地释放出来。一些药物如萘普生、布洛芬、5-氨基水杨酸、甲基脱氢皮质甾醇和地塞米松都通过以上方法制备出前药,并且在猪体内外进行了实验,结果发现药物在猪结肠内的释药量是胃肠道内的17倍。这些葡聚糖前药系统能实现药物在结肠部位的靶向缓释,从而提高了药物的生物利用度。
硫酸软骨素(Chondroitin sulphate)是一种存在于动物结缔组织中的黏多醣,它能被人体大肠产生的厌氧细菌降解[42]。Peng等[43]分别将三种不同的非甾体抗炎药布洛芬、酮洛芬、萘普生通过化学键偶联在硫酸软骨素上合成出三种大分子前药,结果发现前药的水溶性比原药的好;药物释放研究表明,三种前药能降低原药对上消化道的损伤,并能缓慢地释放出药物。
本课题组最近的研究结果表明[44],羟乙基纤维素-吲哚美辛前药在模拟胃液和小肠液基本不释放吲哚美辛原药;而在结肠酵解液中,该前药能被结肠细菌酶缓慢降解,进而持续释放出吲哚美辛,具有较好的结肠靶向缓释药物特性。
4 天然高分子类水凝胶
水凝胶是一类吸水后能发生溶胀、并能保持大量水分而不溶解的网络高聚物。物理交联水凝胶可以通过分子间的弱相互作用力形成,如静电作用力、氢键、疏水作用等。而化学交联水凝胶通常是通过化学反应以化学键交联而形成的三维网络聚合物。由于天然高分子材料制备的化学交联水凝胶具有良好的生物相容性、溶胀性和负载的药物不易失活等特性,因此,它们在药物释放和组织工程生物医学领域得到了广泛的应用。
壳聚糖是一种含有氨基阳离子的多糖,具有良好的细胞相容性、抗菌性、形状可塑性和成空性等特点,所以,壳聚糖水凝胶在关节和软骨等组织的构建、基因的传输以及药物控制释放等领域的研究引人注目。Hong等[45]报道,含丙烯酸和乳酸的壳聚糖衍生物在引发剂的作用下生成化学交联水凝胶,软骨细胞能在该水凝胶中生存12天,说明该水凝胶有希望作为可注射的支架材料在组织工程和矫形外科中获得应用。
戊二醛通常作为交联剂用于合成化学交联的壳聚糖水凝胶。近期研究发现[46,47],从栀子果提取出的一种天然葡萄糖配基化合物-京尼平(Genipin)也能与壳聚糖的氨基反应,形成强度较高、可生物降解的水凝胶。值得注意的是京尼平的毒性比戊二醛低5,000~10,000倍[1],因而更适合在生物医学领域中应用。
本课题组最近以大豆蛋白为基质材料[48],在京尼平的交联作用下合成出化学交联的水凝胶(图8)。研究表明固定凝胶化温度为35˚C,当京尼平的加入量由2.5 mmol/L增加至10.0 mmol/L时,凝胶化时间由119.8 min缩短为18.5 min;固定京尼平的加入量为5.0mmol/L,当凝胶化温度由35˚C升高至50˚C时,凝胶化时间由44.7 min缩短为27.6 min。京尼平交联的大豆蛋白水凝胶能吸附蛋白质的模型化合物-牛血清蛋白(BSA),并在p H7.4的PBS缓冲溶液中5h内能缓释BSA,表明该水凝胶可作为蛋白类药物载体在肠部位缓释药物。
大豆蛋白在谷氨酰胺转移酶(transglutaminase)的交联作用下也能形成化学交联的水凝胶[49],凝胶过程的影响因素主要是大豆蛋白和谷氨酰胺转移酶的加入量、凝胶化时间等。以5-氨基水杨酸为模型药物,原位合成了负载5-氨基水杨酸的酶交联大豆蛋白水凝胶,体外释放实验表明,该载药水凝胶能起到缓释药物的作用,因此谷氨酰胺转移酶交联的大豆蛋白可应用于药物释放。
5 展望
常用生物医学材料 篇5
南华大学
电气学院
20104320135
李闯
摘要： 医用硅橡胶(silicone rubber)是美容外科中应用较广的生物材料(组织代用品).它是高分子有机化合物聚硅酮的一种橡胶样固体形态,又称二甲基硅氧烷。随着生物医学和材料的发展,各种人工制备的生物材料植入骨内替代骨移植,临床应用效果好.这些人工合成或提取的植入材料生物相容性好,对骨形成具有明显的诱导作用,被泛称为人工骨(artificial bone)。人工骨与医用硅橡胶同为如今最常用的两类生物医学材料。
关键字：人工骨，植入，移植，相容性，人工制备，医用硅橡胶，美容，整容
一：医用硅橡胶
1·生物相容性：由于其结构对称性,分子主链呈螺旋状，使硅氧单键的极性相互抵消,且侧链的R一般都是低极性或非极性基团,所以整个大分子极性很低,使硅橡胶表现出疏水性、耐氧化以及抗老化性。
此外,主链中Si2O键和侧链中的C2Si键的极性都近似于离子键,在正常使用温度(250°C以下)不发生裂解、氧化等反应,故又具有优异的耐热性,可用作医疗器械、人造脏器和药物缓释体系,对人体有良好的生物相容性。2·生物功能性：是指生物材料具有在其植入位置上行使功能所要求的物理和化学性质：（1）可检查、诊断疾病;（2）可辅助治疗疾病;（3）可满足脏器对维持或延长生命功能的性能要求;（4）可改变药物吸收途径,控制药物释放速度，满足疾病治疗要求。
3、无毒性
4、耐生物老化
5、物理和力学稳定性
6、易加工成型,材料易得,价格适当,便于消毒灭菌
7、在生产、加工过程中防止引入对人体有害的物质
应用
1·作为人造器官
硅橡胶模拟制品可长期埋置于人体内，作为人体内某个部分不可缺少的元件。包括脑人工肺、视网膜植入物、人工脑膜、人工手指、手掌关节、人造鼓膜、人工心脏瓣膜附件、人工肌腱以及用于消化系统和腹外科制品的各种导管等。
2·在整容和修复方面的应用（1）人工颅骨的修复:（2）尼龙、聚酯纤维等增强后作人造皮肤;（3）提高视力的隐性眼镜;（4）)修补前额、鼻、勃颈等;（5）治疗外耳的缺损;
（6）现在争议一直很大的人工乳房
3·在医疗器械上的应用
硅橡胶可作为导管短期置入人体的某个部位,作为抢救和治疗的重要辅助材料和手段，如为肝功能不全、烧伤等病人进行补液用的静插管, 还可用于胎儿吸引器的吸头,医用电极板基质,生物传感器的包装材料等 4·在药物缓释体系的应用
硅橡胶可作为药物缓释体系的载体，如包封药物胶囊，包封的药物包括抗生素,镇静剂,安眠药,抗癌药,麻醉剂等.硅橡胶还可作为消泡剂治疗某些疾病，如用于抢救急性肺水肿,可迅速疏通呼吸道,改善缺氧状况,减少或避免因泡沫阻塞气流通过而窒息的死亡。
医用硅橡胶的副作用：
(1)由于其分子结构的低极性造成的疏水性,使其仍对人体有一定的异物反应,今后的发展要求是对其表面进行改性,提高其亲水性。
(2)抗张力强度不够，易破裂和撕裂,要解决其机械强度低的性质，就要对其采用物理和化学方法改性。
(3)对皮下避孕埋植系统而言,以硅橡胶为载体的长效皮下埋植剂在放置有效期满后必须取出,增加了使用者的痛苦和花费,这样就引发了可生物降解埋植剂的研究。
二：人工骨
人工骨是指用人工材料制造的人骨替代品或者骨折固定材料。人工骨材料主要有高分子合成材料如聚甲基丙烯酸甲酯、高密度聚乙烯等、无机材料如磷酸三钙、羟基磷灰石、氧化铝生物陶瓷等。
1·由于人骨的各种生物学特性，故对人工骨的要求也很苛刻，具体对人工骨的性能要求如下：
由于对活骨化学、生物特性的不断了解, 人们更有能力设计和开发出模仿这些特性的材料, 理想的骨移植替代材料应当具有成骨性、生物相容性、可吸收降解、可提供结构支撑、临床使用方便、价格低廉。根据其具体用途, 一些特性要比其它的特点更重要。骨移植物和其替代物可依据其骨传导、骨诱导和成骨特性分类(见表1)。同种异体骨移植物与自体骨移植物的特性比较(见表2)。复合材料移植物是具有骨传导性的基质与骨诱导和成骨活性物质的组合, 有可能替代自体骨。
人工骨容易商品化获得, 使用方便, 但目前单一的人工骨多为骨传导材料或复合骨诱导因子材料, 其机械性能较差, 难以起到机械支撑作用, 尚不能用于修复重建大段骨缺损和关节缺损, 仅用于填充植骨或脊柱融合。一些人工骨制备成注射剂型, 能够采用非手术或微创的方法提高骨修复效果, 方法操作简单、创伤轻微, 对血运和关节肌肉功能干扰小。避免了局部血供的进一步破坏, 大大减少了感染和手术并发症的发生可能, 而且恢复快, 符合现今微创外科的趋势。在此仅介绍两种最常用人工骨临床应用及相关问题。
1·医用硫酸钙
Osteoset是一种医用硫酸钙骨移植替代物,(于1996年6月通过美国食品与药品委员会论证, 并在同年获得欧洲CE商标, 此后已在成千例病人中使用, 并且证明是安全有效的。Osteoset颗粒有两种型号, 小颗粒在小的骨缺损中使用较为理想, 直径分别为4.8mm和3.0mm, 颗粒分别重100mg和30mg。为了方便使用, 各种尺寸颗粒均用小瓶包装, ˜射线灭菌。Osteoset2T内含4 %的妥布霉素, 妥布霉素亦称妥布拉霉素(To2bramycin), 为氨基糖甙类抗生素, 抗菌谱与庆大霉素相似。主要用于各种革兰氏阴性杆菌感染(绿脓杆菌、变形杆菌、克雷氏菌、沙门氏菌、葡萄球菌包括金黄色葡萄球菌), 对绿脓杆菌较庆大霉素约强2～3倍, 比多粘菌素B也较强, 对庆大霉素耐药的绿脓杆菌也常敏感, 对其它革兰氏阴性菌的作用则低于庆大霉素, 对金葡菌的作用约与庆大霉素相等。适用于感染性骨缺损, 引起肾毒反应者较庆大霉素为低。
2· 自固化磷酸钙水泥
自固化磷酸钙水泥(Calcium Phosphate Cement , CPC)是Brown和Chow于20世纪80年代早期研制出来的快速凝固型、非陶瓷型羟基磷灰石(HAP)类人工骨材料, 由数种磷酸钙粉末和固化液两部分在使用时按比例调和而成。调和物呈膏体状, 能根据填充部位的要求随意塑形, 在体内条件下发生固化反应, 约4h后自然转变成含微孔的HA晶体。在固化过程中基本不放热, 不会造成组织灼伤。一般ACPC固化的抗压强度为30～50MPa , 它与反应物中的添加成分或制备方法等因素无关。上世纪90年代中期国内研制成功了自固化磷酸钙水泥(CPC)人工骨材料, 并进行了商品化开发, 商品名瑞邦骨泰。其剂型分为普通型骨泰、载药型骨泰和注射型骨泰。
参考文献 1· 中国矫形外科杂志
2004年12月第12卷第23、24期
2·史文红、赵成如.医用硅橡胶及其制品[J ].中国医疗器械信息，2009,15（11）3·温变英.生物医用高分子材料及其应用[J ].化工新型材料,2001 ,29(9):41 4·医用高分子材料—硅橡胶
生物医学高分子材料 篇6
生物医用高分子材料是生物材料的重要组成部分,它发展最早、应用最广泛、用量最大、品种繁多,主要包括:塑料、橡胶、纤维、粘合剂等。随着医学的发展,这些材料在医学领域得到广泛的应用。如:膨体聚四氟乙烯人造血管、聚矾中空纤维人工肾、硅橡胶医用导管、介入栓塞材料、介入诊疗导管以及护理方面使用的一次性医疗用品等,都是由高分子材料制成的。这些产品在临床诊断、治疗、护理等方面起着越来越重要的作用。正是由于高分子材料在医学上的独特作用,因而在高分子化学上出现了一个新的分支—医用高分子(Medical high polymers)。它是把高分子化学的理论、研究方法、临床医学的需要结合起来,用于研究生物体的结构、生物体器官的功能及医用材料的应用等的一门年轻而边缘性的学科。它涉及到化学、物理学、生物化学、高分子化学与工艺学、生物物理学、药物学、制剂学、解剖学、病理学、基础医学与临床医学等很多学科。因此,医用高分子又是一门交叉学科。
据1996年12月美国健康工业制造者协会的资料表明,1995年世界医疗器械市场己达1200亿美元,美国达510亿美元,相当于美国半导体工业的产值,而医疗器械市场份额的60%以上来源于生物医学材料和医用植入体。随着人口的老龄化,现代工业、交通和体育事业的发展,人们对于生物医学高分子材料及其制品的需求量日益增大。预计21世纪初生物医学高分子材料及其制品的发展将成为国民经济的支柱产
2 生物医用高分子材料的基本要求
医用高分子材料,是指在医学上使用的高分子材料。其对于挽救生命、救治伤残、提高人类生活质量等方面具有重要意义。能被应用到医疗器械领域的高分子材料对其性能要求十分苛刻,主要要求为:(1)生物相容性。生物相容性是描述生物医用材料与生物体相互作用情况的。是作为医用材料必不可少的条件,包括血液相容性,组织相容性,生物降解吸收性。(2)生物功能性。生物功能性是指生物材料具有在其植入位置上行使功能所要求的物理和化学性质,具体有:可检查、诊断疾病;可辅助治疗疾病;可满足脏器对维持或延长生命功能的性能要求;可改变药物吸收途径;控制药物释放速度、部位、满足疾病治疗要求的功能等。(3)无毒性。无毒性即化学惰性。此外,还应具备耐生物化,物理和力学稳定性,易加工成型,材料易得、价格适当,便于消毒灭菌;以及还要防止在医用高分子材料生产、加工过程中引入对人体有害的物质。
对于不同用途的医用高分子材料,往往又有一些具体要求。在医用高分子材料进入临床应用之前,都必须对材料本身的物理性能、机械性能以及材料与生物体或人体的相互适应性进行全而评价。通过评价之后经国家管理部门批准才能临床使用。
3 硅橡胶在医疗上的应用
橡胶表现出疏水性、耐氧化以及抗老化性。此外,在正常使用温度(250度以下)不发生裂解、氧化等反应,故又具有优异的耐热性,可用作医疗器械、人造脏器和药物缓释体系。对人体有良好的生物相容性。正因为硅橡胶具有以上的特点,从而成为典型的医用高分子材料并获得广泛的应用。
硅橡胶模拟制品可长期埋置于人体内作为人体内某个部位不可缺少的元件。包括脑积水引流装置、人工肺、视网膜植入物、人工脑膜、喉头、人工手指、手掌关节、人造鼓膜、牙齿印膜及托牙组织面软衬垫、人工心脏瓣膜附件、人工肌腱以及用于消化系统和妇外科制品的各种导管等。脑积水引流装置是最旱的硅橡胶植入物,上世纪50年代开始被成功地应用于医疗方面,至今为止,硅橡胶仍是这一装置的惟一材料。人造鼓膜的研究,最早开始于1960年,是将结构类似于人体鼓膜的硅橡胶薄膜贴补在穿孔的鼓膜上。复合人工脑膜用于修补外伤性硬脑膜缺损及因切除肿瘤在硬脑膜的基蒂或浸润区所造成的硬脑膜和硬脊膜缺损。1963年,硅橡胶人工指关节推向市场。1964年,开发出人工心脏瓣膜产品。但由于硅橡胶的异物效应仍不能全部消除,容易引发癌症,因此有逐渐被代用的趋向。
硅橡胶在整容和修复方面也有很广地应用。如:人工颅骨的修复,在用尼龙、聚醋纤维等增强后作人造皮肤,提高视力的隐性眼镜,修补面容的缺陷,修补前额、鼻、下颌、颈部,治疗外耳的缺损,以及争议较大的人工乳房等。
在医疗器械方面,硅橡胶可作为导管短期置入人体的某个部位,作为抢救和治疗各种病例的重要辅助材料和手段。如:为肝功能不全、肠瘘、烧伤等病人进行补液用的静插管,为急慢性功能衰竭病人解除药物中毒的动静外瘘管和腹膜透吸管,以及导尿管、输液管、泄压管、胸腔引流管、中耳炎通气管、洗胃管、灌肠器等一次医疗用品。此外,硅胶材料还可用于人工心肺机、膜式人工肺、胎儿吸引器吸头、医用电极板基质及生物传感器包装材料等。
硅橡胶还可作为消泡剂治疗某些疾病。如:用于抢救急性肺水肿,可迅速疏通呼吸道,改善缺氧状况,减少或避免因泡沫阻塞气流通过而导致的窒息死亡;感冒咳嗽患者服用含硅油的糖浆可有效减少支气管分泌液起泡,使咳嗽大为减弱等。
4 聚氯乙烯(PVC)在医疗中的作用
PVC是常用医用高分子材料之一,可以制成贮血袋、输液(血)器具、导液管、呼吸面具、肠道和肠道外营养管、腹膜透析袋、体外循环管路、膜式氧合器和血液透析管路、各种医用导管等一次性医疗用品。其给治疗护理带来诸多方便,并能防止交叉感染,在临床上广泛使用,但它存在着一些不可忽视的弊端。如药物吸附、增塑剂毒性等。此外,由PVC塑料制成的输液管、包装袋、血袋、呼吸面具、食品袋等产品对人类发育和繁殖有害。
鉴于上述原因,目前各国都在从事PVC改性、替代材料的研究开发。最近一些发达国家研究开发了几种热塑性弹性体,用于医用制品的原材料,效果令人满意。例如:美国壳牌公司研制的SEBS热性弹性体;美国啕氏化学公司于1944年采用茂金属催化技术合成的乙烯一辛烯共聚物,称之为聚烯烃弹性体。此外,超低密度聚乙烯(VLDPE)在医疗器械方面作为聚氯乙烯的替代品之一也用于输液器具的生产。近年来,由美国Unichem公司生产的一种邵尔A型硬度为35-65度的医用高弹性聚氯乙烯混料,也较广泛地应用于医疗领域。该混料与通常的聚氯乙烯不同之处在于其具有内在的高弹性和优异的形状记忆能力,即当外界压力除去之后能快速地回复到原来的形状。是用于制造需反复夹紧和松开的医疗器械配套软管,理想且廉价的选用材料,如可用于制作医用蠕动泵软管。该混料为白色或半透明状,且易于着色,可经受杀菌处理,适用于制作美国药典中的第6大类医疗用品。
目前,上海氯碱化工股份有限公司已成功研制出了医用级聚氯乙烯树脂,并通过国家级鉴定。该种树脂的成功开发,标志着主要用于制造输血器材的聚氯乙烯树脂有了可靠的国产替代品,拓宽了聚氯乙烯树脂的应用领域,满足了国内医用塑料制品行业的市场需求,为“绿色PVC制品”提供了可靠的原料。这对规范医用聚氯乙烯制品市场,推进行业技术进步,保障人民身体健康都具有重要的意义。
5 聚氨酯弹性体在医疗中的作用
从上世纪50年代聚氨酯首次应用于生物医学起,四十多年来,聚氨酯弹性体在医学上的用途日益广泛。1958年聚氨酯首次用于骨折修复材料,而后又成功地应用于血管外科手术缝合用补充涂层。70年代开始,聚氨酯作为一种医用材料己倍受重视。到了80年代,用聚氨酯弹性体制造人工心脏移植手术获得成功,使聚氨酯材料在生物医学上的应用得到进一步的发展。
具有记忆功能的聚氨酯称为室温形状记忆性聚氨酯,工作原理是利用其硬段和软段二相间的玻璃化温度的差别来实现形状记忆过程。它可用于制作各种矫形、保形用品。如:牙科矫形器、肾科矫形器、绷带、乳罩、腹带等。其可以先做成所希望的形状,在使用时再加热使其恢复原有形状,从而达到预期的效果。
形状记忆聚氨酯的应用前景非常广阔,但其成本相对高,加工性差,实现通用化的难度依然很大。从其发展而言,改善其恢复性形状温度的精确性,应为研究的重点。只有准确地恢复温度,形状记忆制品才有使用性。
目前,热塑性聚氨酯弹性体(TPU)在医疗卫生领域的开发,正向生物工程、细胞工程、免疫工程等方而迅速发展。从长远看,组织工程是生物医学工程领域一个快速发展的新方向.这门交叉科学的核心是应用生物学和工程学的原理和方法来发展具有生物活性的人工替代品用以维持、恢复或提高人体组织功能。因此,为了获得更长远的发展,必须对聚氨酯这种生物材料进行改性,才能适应组织工程的发展。
由于价格的原因,在医用合成材料中,聚氨酯只占小部分份额。美国等国家的应用聚氨酯材料早己商业化。新材料、新用途仍在开发中。国内也有不少从事过或正在从事医用聚氨酯的应用,如:中山大学、上海橡胶制品研究所、江苏省化工研究所等。但推广应用不够、影响不大,与发达国家相比差距很大。因此,国内应该加强该方而的研究和推广应用,使医用聚氨酯的应用前景更加广阔。
聚氨酯弹性体能广泛应用于生物医学,与它所具有的优异性能是分不开的。其主要性能为:(1)具有优良的抗凝血性能;(2)毒性试验符合医用要求;(3)临床应用中生物相容性好,无致畸变作用,无过敏反应,可解决天然胶乳医用制品存在的“蛋白质过敏”和“致癌物亚硝胺析出”两个问题,从而成为许多天然胶乳医用制品的更新换代产品;(4)具有优良的韧性和弹性,加工性能好,加工方式多样,是制作各类医用弹性体制品的首选材料;(5)具有优异的耐磨性能、软触感、耐湿气性、耐多种化学品性能;(6)能采用通常的方法灭菌,暴露在r射线下而性能不变,可适合于所需的医疗环境。由于其突出的物理机械性能、良好的生物相容性和血液相容性以及方便的加工工艺,在医学上有着广泛的应用,尤其近30年来开发出的热塑性聚氨酯弹性体(TPU)更是受到普遍的关注,其应用范围不断扩大,得到医学界的肯定。
目前,全世界每年有1.6万吨的TPU用于制作医疗器具。TPU医用制品种类繁多,涉及临床各科室,主要应用领域包括:(1)植入制品。主要有人工心脏、人工心脏瓣膜、人造血管、血管修补片、主动脉内反博气囊、输血泵、人工硬脑膜、人造颅骨、骨粘合剂、计划生育输精管栓塞、介入栓塞材料等。(2)导管类制品。如J型导管(猪尾巴管)、血液透析插管(分短期、长期两种)、中心静脉留置导管、肝胆引流导管、胃镜软管、肠造痰管、胃肠营养管、膀胱测压管、化疗泵管、介入造影导管、微导管、热稀释气囊漂浮导管、导管鞘等。(3)膜类制品。医用手术膜、透明敷料膜、人造皮肤、医用防护服、避孕套、医用手套、冷敷冰袋、血浆袋、血栓捉捕器等。此外,聚氨酯还可用于导丝表面涂层、医用绷带、假肢材料、组织工程材料、药物缓释材料、隐形眼睛材料等。
6 展望
生物技术将是21世纪最有前途的技术,医用高分子材料将在其中起到重要的作用,其性能将不断提高,应用领域也将进一步拓宽,尤其在医疗卫生领域。其未来发展可概括为四个方面:一是,生物可降解高分子材料的应用前景更加广阔。其中医用可生物降解高分子材料因其具有良好的生物降解性和生物相容性而受到广泛的重视,它在缓释药物、促进组织生长的骨架材料方面具有极大的发展潜力。尤其是可对生物降解型聚合物进行物理和化学修饰,研发出适合于不同药物的聚合物基材料,使之达到理想的控制释放效果;二是,复制具有人体各部天然组织的物理力学性质和生物学性质的生物医用材料,达到高分子的生物功能化和生物智能化,是医用高分子材料发展的重要方向;三是,人工代用器官在材料本体及表面结构的有序化、复合化方面将取得长足进步,以达到与生物体相似的结构和功能,其生物相容性也将明显提高;四是,药用高分子和医药包装用高分子材料的应用将会继续扩大。
生物医学高分子材料 篇7
随着高分子材料在社会各个领域中的很广泛运用, 例如塑料、纤维制品以及橡胶等, 推动了社会和经济的发展;由于大多数高分子材料存在已老化、难降解、寿命短风缺陷, 随着使用数量不断地增加, 高分子废弃物的数量也随之增加, 大量的高分子垃圾对生态环境造成了严重的影响。传统的处理高分子方法, 例如焚烧法、掩埋法等存在一定的问题和局限性, 对环境造成了严重的污染。随着生活水平的提高, 人们的环保意识逐渐增强, 研究开发生物降解高分子材料受到社会各界的重视[1]。生物降解材料在各个方面的应用, 不仅满足了各方面的需求, 对环保也有积极的作用。
1 生物降解高分子材料的概念和分类
生物降解高分子材料指的是在一定的条件和时间内, 能够被微生物降解的高分子材料, 其中微生物包括霉菌、细菌、藻类等。根据原料组成和制作工艺不同可以分为天然高分子材料、化学合成生物降解高分子材料、微生物合成高分子材料[2]。
1.1 天然高分子材料
其主要包括纤维素、木质素、淀粉、果胶、蛋白质、甲壳素等, 这类高分子材料可以完全被微生物降解, 具有良好的生物兼容性, 无毒无害、价格比较低廉。但这类高分子材料由于热力学性能比较差, 在工程高分子材料加工中, 不能满足其需求。在对天然高分子进行化学修饰、天然高分子之间进行混合、或者将天然高分子和合成高分子进行混合, 可以较好的解决这一问题。
1.2 化学合成高分子材料
由于在自然环境中, 酯基极易被微生物或酶分解, 因此, 大多化学合成生物降解高分子材料是由分子结构中含有酯基结构的脂肪族聚酯组成。通过运用化学合成来生产生物降解高分子材料的有聚己内酯 (PCL) 、聚乳酸 (PLA) 、聚苯胺、多酚、聚碳酸酯等[3]。合成高分子材料与天然高分子材料相比具有更多的优势, 可以通过化学分子来设计高分子的结构, 控制高分子的物理性能。
1.3 微生物高分子材料
微生物高分子材料指的是生物通过各种碳源发酵支撑的一类高分子材料, 主要有聚乳酸、微生物多糖、微生物聚酯等, 其具有生物可降解性的优点。其中, 最具有代表性的有聚β-羟基烷酸系列聚酯, 可以运用在制造对环境无污染的生物降解塑料中。
2 生物降解高分子材料的降解原理
生物降解高分子材料具备比较优良的使用功能, 废弃后可以通过微生物进行降解, 最终被无机化合物分解成自然界中的一部分。生物降解高分子材料的降解方式主要通过化学方式进行的, 通过运用微生物活性和酶的共同作用, 酶物质进入到聚合物的活性位置中, 渗透到聚合物的作用点之后, 使得聚合物发生水解反应, 其中的分子结构发展断裂成为小段的分子链, 最终分解成小分子产物, 直到完全降解。通常生物降解高分子材料的降解原理可以分为完全性生物降解原理和光与生物共同降解原理[4]。其中, 完全性生物降解原理主要有3种方式:生物化学作用。生物化学作用指的是微生物对聚合物产生作用, 从而产生新的物质, 例如二氧化碳、水、甲烷等。生物物理作用。通过生物细胞增长的原理, 使得聚合物进行水解, 电离子分化发生机械性的破坏, 分裂成为低聚合物的碎片。酶的作用。高分子材料被微生物侵袭之后, 使得材料分裂或者氧化断裂。光与生物共同降解原理指的是材料中的淀粉首先被降解, 通过不断增大表面和体积比例, 不断通过日光、氧化、热能等的作用, 使得分子氧化断裂直到被微生物消化。
3 生物降解高分子材料的应用和前景
3.1 在医学领域中的运用
3.1.1 运用于骨内固定材料中
在骨内固定材料中的运用主要体现在2个方面, 在创伤愈合的过程中要求植入聚合物进行缓慢的降解, 在骨内固定中运用的生物降解高分子材料有骨夹板、骨螺钉等;在一定时间内, 要求聚合物进行缓慢降解, 在初期或者规定时间内, 在高分子材料上培养组织细胞, 使得其生长成为器官、组织等。例如, 血管、软骨、肝脏、皮肤等。虽然传统的金属固定骨折运用于非弯曲骨折愈合中效果比较好, 但由于骨和金属的力学特征不同, 金属植入物的取出对弱骨部分具有一定的影响。但生物降解高分子可以有效的解决这一问题, 生物降解高分子材料在治疗初期可以维持标准强度, 一定时间后, 会逐渐被水溶解, 被吸收排泄直至完全消失, 不需要进行二次手术。
3.1.2 运用在外科手术缝合线中
生物降解类缝合线不仅可以缝合伤口, 还可以在伤口愈合后自动降解, 不需要进行拆除。生物降解首先运用在肠线中, 随着引用不断的深入, 现今对肠线进行改进, 大多采用的是聚L-丙交酯 (PLLA) 、聚乙交酯等高分子材料。由于这类高分子单丝缝合线过硬、强度较小等缺陷, 目前大多数研究者比较关注如何提高缝合线的机械强度和柔软性的研究开发[5]。之后将甲壳质运用在手术线中, 能够较好的解决这类问题。
3.1.3 运用在药物控制释放中
在药物控制释放中, 通常药物的载体是由高分子材料组成。例如, 微球和微胶囊控制释放、凝胶控制释放、体内埋置控制释放等。这类聚合物的缓释速率对药物的依赖性比较小、能够在不稳定的药物中释放。在药物控制释放中应用比较好的是DLLA (无规右、左旋乳酸) 、聚乙交酯、聚乳酸等。
3.2 在包装材料中的运用
在包装领域中, 比较重视研究生物降解高分子材料来代替现今使用的非生物降解高分子材料。在食品、洗涤剂、日用品、化妆品的包装中大都运用生物降解高分子材料, 例如丙酸纤维素、醋酸纤维素混合, 用不同的加工手法制成各种成品和膜材。在生产垃圾袋等产品中, 可以将糊化淀粉和脂肪族聚酯混合运用, 不仅具有耐水性和强度性, 还可以较好的降解。在食品包装中, 可以应用本身自带降解功能的材料, 例如聚L-乳酸制造饭盒, 其能够在光合作用下分解, 直至完全被微生物降解。
3.3 在农业中的运用
在农业领域中, 生物降解高分子材料的运用非常广泛, 由于我国是农业大国, 在农业生产中, 会用到大量的农用薄膜、保鲜膜、地膜、化肥包装袋等, 在这类农用材料中应用生物可降解高分子材料, 不仅可以在一定条件下降解成混合肥料, 还可以减少塑料对环境的污染。尤其在农业中应用甲壳素或壳聚糖制备的生物降解高分子材料, 可以有效的改善土壤环境, 促进农作物生长[6]。目前, 开发出来的生物降解农用地膜可以在农田中自动降解, 形成可供动植物吸收的营养物质, 有利于植物的生长, 对环境具有一定的保护作用, 从而形成良好的良性循环。在农业中开发出来的生物降解高分子材料产品还有化肥包装袋、育苗钵、堆肥袋等。
3.4 在其他领域中的运用
除了在医学、包装领域、农业方面的应用, 生物降解高分子材料在其他领域中的应用也非常广泛。例如, 在林业中的植树袋、苗圃用膜材料、绿化防护卷材等中的应用;在一次性日用品、化妆品、桌布、鞋套、头套、尿布、园艺、手套等中的应用。在渔业中的渔具、钓鱼线、渔网等中的应用;在建筑行业中的土木用膜、建筑用膜的应用。因此, 生物降解高分子材料在未来的发展中, 在各个领域中都具有较广阔的发展前景。
4 总结
生物降解高分子材料在不断完善, 在解决环境污染问题和可持续发展中处于重要地位。生物降解高分子材料的技术含量比较高, 在未来的发展中前景比较广阔, 就将会在各大领域中得到更广泛的应用。目前, 生物降解高分子材料还处于不够成熟和完善的阶段, 需要广大研究者进一步研究和开发, 在今后的研究中要有效降低材料的成本, 控制降解速度, 在技术上进行创新和改善, 使得生物降解高分子材料更加绿色环保, 为社会带来更多的社会效益和经济效益。
参考文献
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生物医学高分子材料 篇8
在各种可生物降解材料中, 聚乳酸由于无毒、无刺激性、生物相容性好, 降解产物可参与人体的新陈代谢等优点, 成为国内外可生物降解高分子材料研究的热点。但通常聚乳酸是以玉米淀粉等为原料, 以微生物发酸产物乳酸为单体化学合成的, 目前仅限于用做生物医学材料, 不能作为大品种通用塑料广泛应用。
目前, 餐厨垃圾处理主要技术有:堆肥处理技术、沼气化处理技术、热解技术及生产生物可降解塑料的新技术等。研究表明, 可通过发酵含丰富碳水化合物的有机废弃物生产乳酸, 进而合成聚乳酸这种可生物降解高分子材料, 发酵残渣可作为饲料或肥料, 这为餐厨垃圾的资源化和降低乳酸生产成本, 实现餐厨垃圾“零排放”开辟了一条新路。
城市生活垃圾中有两类垃圾的排放量最大且难以处理和回收。一类是城市家庭、餐饮业等大量排出的餐厨垃圾, 其水分含量80%, 容易发酵、变质, 产生毒素和恶臭气体, 污染大气和水体;另一类是质量小、体积大的塑料制品, 它们被填埋后不易腐烂, 含氯塑料焚烧时会产生较高的热量, 还会产生有害气体, 因而产生了“白色污染”。同时, 以石油为原料的合成高分子材料使用后难以回收, 导致了环境污染, 并且有限的石油资源被大量消耗, 带来了严重的资源短缺问题。
环保污水处理设备
“低碳双模生物净水装备”为一种集农村饮水安全处理企业生产、污水达标排放、中水达标回用的一种兼容性、适用面广的水处理设备。其特征: (1) 单罐体双腔双模式; (2) 对污水中存在的悬浮物等有害物质, 通过膜技术隔离, 物理吸附进行无害处理; (3) 通过布水腔, 自上向下动态给水, 扰动冲洗膜面污物, 防止污物附着赌赛膜孔; (4) 深化前消毒, 对消毒过程中生成的副产毒物, 通过物理吸附进行彻底去除: (5) 自动化反洗; (6) 罐体顶部设双装维口等。
中国为世界缺水、水污染大国之一, 2010年缺水量达500亿t, 污水排放总量1 050亿m3, 目前, 有关专家研发了一种全新的, 与传统工艺完全不同的, 符合当前低碳循环经济发展的“低碳双模生物净水装备”, 这是一种能够满足方式转变的独特装备。
生物医学高分子材料 篇9
1 生物可降解高分子材料概念及降解机理
生物可降解高分子材料是指在一定的时间和一定的条件下, 能被微生物或其分泌物在酶或化学分解作用下发生降解的高分子材料。
生物可降解的机理大致有以下3种方式:生物的细胞增长使物质发生机械性破坏;微生物对聚合物作用产生新的物质;酶的直接作用, 即微生物侵蚀高聚物从而导致裂解。一般认为, 高分子材料的生物可降解是经过两个过程进行的。首先, 微生物向体外分泌水解酶和材料表面结合, 通过水解切断高分子链, 生成分子量小于500的小分子量的化合物;然后, 降解的生成物被微生物摄入人体内, 经过种种的代谢路线, 合成为微生物体物或转化为微生物活动的能量, 最终都转化为水和二氧化碳。
因此, 生物可降解并非单一机理, 而是一个复杂的生物物理、生物化学协同作用, 相互促进的物理化学过程。到目前为止, 有关生物可降解的机理尚未完全阐述清楚。除了生物可降解外, 高分子材料在机体内的降解还被描述为生物吸收、生物侵蚀及生物劣化等。生物可降解高分子材料的降解除与材料本身性能有关外, 还与材料温度、酶、PH值、微生物等外部环境有关。
2 生物可降解高分子材料的类型
按来源, 生物可降解高分子材料可分为天然高分子和人工合成高分子两大类。按用途分类, 有医用和非医用生物可降解高分子材料两大类。按合成方法可分为如下几种类型。
2.1 微生物生产型
通过微生物合成的高分子物质。这类高分子主要有微生物聚酯和微生物多糖, 具有生物可降解性, 可用于制造不污染环境的生物可降解塑料。如英国ICI公司生产的“Biopol”产品。
2.2 合成高分子型
脂肪族聚酯具有较好的生物可降解性。但其熔点低, 强度及耐热性差, 无法应用。芳香族聚酯 (PET) 和聚酰胺的熔点较高, 强度好, 是应用价值很高的工程塑料, 但没有生物可降解性。将脂肪族和芳香族聚酯 (或聚酰胺) 制成一定结构的共聚物, 这种共聚物具有良好的性能, 又有一定的生物可降解性。
2.3 天然高分子型
自然界中存在的纤维素、甲壳素和木质素等均属可降解天然高分子, 这些高分子可被微生物完全降解, 但因纤维素等存在物理性能上的不足, 由其单独制成的薄膜的耐水性、强度均达不到要求, 因此, 它大多与其它高分子, 如由甲壳质制得的脱乙酰基多糖等共混制得。
2.4 掺合型
在没有生物可降解的高分子材料中, 掺混一定量的生物可降解的高分子化合物, 使所得产品具有相当程度的生物可降解性, 这就制成了掺合型生物可降解高分子材料, 但这种材料不能完全生物可降解。
3 生物可降解高分子材料的开发
3.1 生物可降解高分子材料开发的传统方法
传统开发生物可降解高分子材料的方法包括天然高分子的改造法、化学合成法和微生物发酵法等。
3.1.1 天然高分子的改造法
通过化学修饰和共混等方法, 对自然界中存在大量的多糖类高分子, 如淀粉、纤维素、甲壳素等能被生物可降解的天然高分子进行改性, 可以合成生物可降解高分子材料。此法虽然原料充足, 但一般不易成型加工, 而且产量小, 限制了它们的应用。
3.1.2 化学合成法
模拟天然高分子的化学结构, 从简单的小分子出发制备分子链上含有酯基、酰胺基、肽基的聚合物, 这些高分子化合物结构单元中含有易被生物可降解的化学结构或是在高分子链中嵌入易生物可降解的链段。化学合成法反应条件苛刻, 副产品多, 工艺复杂, 成本较高。
3.1.3 微生物发酵法
许多生物能以某些有机物为碳源, 通过代谢分泌出聚酯或聚糖类高分子。但利用微生物发酵法合成产物的分离有一定困难, 且仍有一些副产品。
3.2 生物可降解高分子材料开发的新方法———酶促合成
用酶促法合成生物可降解高分子材料, 得益于非水酶学的发展, 酶在有机介质中表现出了与其在水溶液中不同的性质, 并拥有了催化一些特殊反应的能力, 从而显示出了许多水相中所没有的特点。
3.3 酶促合成法与化学合成法结合使用
酶促合成法具有高的位置及立体选择性, 而化学聚合则能有效的提高聚合物的分子量, 因此, 为了提高聚合效率, 许多研究者已开始用酶促法与化学法联合使用来合成生物可降解高分子材料。
4 生物可降解高分子材料的应用
目前生物可降解高分子材料主要有两方面的用途: (1) 利用其生物可降解性, 解决环境污染问题, 以保证人类生存环境的可持续发展。通常, 对高聚物材料的处理主要有填埋、焚烧和再回收利用等3种方法, 但这几种方法都有其弊端。 (2) 利用其可降解性, 用作生物医用材料。目前, 我国一年约生产3000多亿片片剂与控释胶囊剂, 其中70%以上是上了包衣的表皮, 其中包衣片中有80%以上是传统的糖衣片, 而国际上发达国家80%以上使用水溶性高分子材料作薄膜衣片, 因此, 我国的片剂制造水平与国际先进水平有很大的差距。国外片剂和薄膜衣片多采用羟丙基甲纤维素, 羟丙纤维素、丙烯酸树脂、聚乙烯吡咯烷酮、醋酸纤维素、邻苯二甲酸醋酸纤维素、羟甲基纤维素钠、微晶纤维素、羟甲基淀粉钠等
摘要：我国目前的高分子材料生产和使用已跃居世界前列, 每年产生几百万吨废旧物。如此多的高聚物迫切需要进行生物可降解, 以尽量减少对人类及环境的污染。本文探讨了生物可降解高分子材料现阶段的开发应用情况。
关键词：高分子材料,可降解,生物
参考文献
[1]侯红江, 陈复生, 程小丽, 辛颖.可生物降解材料降解性的研究进展[J].塑料科技, 2009, (03) :89-93.
[2]翟美玉, 彭茜.生物可降解高分子材料[J].化学与粘合, 2008, (05) .
[3]谢凯, 陈一民, 盘毅, 许静.聚酯型生物降解性高分子材料的现状及展望[J].材料导报, 1998-04-15.
生物医学高分子材料 篇10
1 课堂讲授与网络主题探究模式相结合应用于医学生物化学与分子生物学理论课教学
生物化学与分子生物学是以生物体内的各种化学反应为主线, 研究生物大分子的结构与功能、物质代谢和基因信息传递等内容的一门既重要、又抽象的医学基础必修课程。随着近年来生物医学的迅猛发展, 生物化学与分子生物学的新理论、新知识、新进展不断增多, 一直是医学生学习的难点课程。传统教学往往以大班授课为主, 学生被动地学习和记忆, 不但枯燥乏味, 而且学习成为学生巨大的负担, 很多学生“谈生化色变”。即便有些同学按部就班地通过考试, 但是死背硬记的知识随着考试的结束很快被遗忘, 根本达不到学以致用的目的。我们曾经试图进行PBL教学, 将一些学生感兴趣、与生化有关的病例引入教学, 虽然可以激发学生的听课兴趣, 但不能从根本上改变学生被动学习的陋习。此外, 在PBL教学和课程整合过程中, 生物化学与分子生物学与其他医学基础课程如解剖学、组织胚胎学、生理学、病理学等课程不同, 很难系统、完整地整合到PBL课程或整合课程中, 因此也始终是课程改革的难点。此外, 生物化学与分子生物学在第三学期开课, 学生对大学的学习方式尚有待适应, 主动学习能力还较差, 因此完全实施PBL教学, 大量减少知识性内容的课堂讲授, 容易导致大多数学生基础知识欠缺。因此, 只有在具备足够知识背景和学习能力的前提下, 对医学生进行思维及实践的培养才有意义。鉴于此, 我们将课堂讲授与网络主题探究 (Web quest) 模式相结合应用于课程体系改革过渡期中医学生物化学与分子生物学的教学。
Web quest是1995年美国圣地亚哥大学的伯尼·道奇教授提出的一种以探究为取向的学习活动[3]。在计算机和网络广泛普及的今天, 学习者借助计算机技术和网络技术所创设的集成化、智能化的虚拟学习环境以及丰富的媒体资源, 围绕某个主题进行自主探究性学习。其作用在于架设从接受性学习向自主性学习过渡的桥梁, 让学生不仅学会收集信息, 而且学会使用信息, 让学生在学习过程中加大对所学知识的综合运用, 在明辨是非的过程中获得主动学习的动力。
2 生物化学与分子生物学理论课教学中Web quest课程单元的设计
由于生物化学与分子生物学理论课内容抽象、课时长, 因此教学过程仍旧以基本知识的课堂讲授为主, 然后根据章节内容及特点设计3~5个Web quest课程单元, 每个单元2~4学时, 其内容尽可能多地综合和涵盖各个章节的知识点。一个完整的Web quest教学单元由情境、任务、过程、资源、评估、结论6个经过精心设计的教学环节组成[4]。每个Web quest课程单元的核心是一个开放性问题, 情境模块主要是通过对问题的情境描述, 激发学生的学习兴趣, 使学生明确学习内容和需要探究的主题。我们在情境模块中尽可能选择贴近生活和临床的情境展开教学主题的设置。任务模块主要是对情境模块中所提出问题的现状以及解决这些问题的难度进行客观地分析, 让学生明确应该达到的目标有哪些, 需要完成的任务是什么, 这些主要由教师根据教学大纲的要求确定。过程与资源模块以学生为主、教师为辅。教师向学生提供完成任务和目标所需的相关资源和工具, 学生则利用这些资源进行多种形式的自主探索和研究。通过学习, 学生有机会将书本理论综合运用于具体问题的分析, 启发学生的思维, 培养敏锐的观察能力、思维的求异能力和信息技术的应用能力, 其效果会远远超过教师的讲授。例如物质代谢间的联系和调节是学生学习的重点也是难点, 代谢通路多, 相互之间的联系复杂, 不容易学习和记忆。为此我们设计了“三大营养物质代谢的联系与减肥”的Web quest课程单元, 让学生在学过物质代谢的基本知识后进入此学习单元, 学生通过网络调查和取证, 设计合理的减肥方案, 并说明其理论依据, 达到学以致用的目的。根据学习内容将Web quest分为两种学习方式: (1) 短期Web quest:约1~3学时, 其目的是知识的获取和整合。例如, 我们设计了“核酸是否具有保健功能”的Web quest课程单元, 通过让学生调查核酸及核苷酸在体内的消化吸收以及核苷酸的合成过程, 明确核苷酸的功能, 消除人们对核苷酸类保健品盲目崇拜的心理。 (2) 长期Web quest:约3~6学时, 其目的是深入分析、拓展和提炼知识。例如我们设计了“转基因食品是否安全”的Web quest课程单元, 让学生通过网络学习进行深入调查, 掌握转基因食品的原理和方法, 并说明转基因食物的安全性。
3 Web quest课程的组织实施方案
目前我校生物化学与分子生物学课程仍旧沿用合班上课的方式, 一般40人/班、2~6个班一起上课。根据具体情况我们会准备5个Web quest课程单元, 每个课程单元配备一名指导教师, 负责协调、解决实施过程中遇到的问题。每个班分成5组、约8人/组, 每组选择一个Web quest课程单元, 每个课程单元推选一名组长, 负责组织同一课程单元中不同小组的活动。在每一个课程单元的第一节课上, 授课教师首先导入核心问题, 然后指出该课程单元的学习目标。课后学生根据学习目标, 针对实际问题进行网络学习, 详细写出问题的分析方案并进行小组讨论和分析。在第二次课上由组长组织本课程单元的各组同学进行讨论或辩论, 其他同学和授课老师作为听众, 可以随时提问和发表意见。讨论结束, 由组长或组长指派的学生将本课程单元的探究成果制成幻灯片进行总结。总结可以将学生的注意力拉回到课堂和书本学习的层面, 不仅可以再次对知识点进行梳理、对重点和难点进一步地讲解, 而且让学生通过反思评判探究过程和获得的知识, 提高思维判断能力, 增强自主学习的积极性。课程结束时, 所有学生都有机会参与一次Web quest课程, 同时通过观摩其他小组Web quest课程的讨论实现知识共享。
4 建立可靠的Web quest评价体系
为了鼓励学生积极参与Web quest课程, 生物化学与分子生物学课程的考核方案中留出了20分的Web quest考核分数。评价标准的设计应遵循激励为主的原则, 注重学生在探索创新过程中的体验和感悟, 充分肯定学生的成绩, 树立他们的学习信心, 使他们体会成功的快乐。Web quest的评估由指导教师、教师评分组和学生评分组共同根据学生的努力程度、材料准备、分析方案的书写、讨论中的发言和提问情况客观地进行评分, 鼓励学生主动学习、大胆质疑。
参考文献
[1]陈晓东, 潘桂兰, 时静华, 等.讲授法与讨论法相结合应用于生理学理论教学的思考[J].包头医学院学报, 2013, 29 (3) :92-94.
[2]何孝崇, 向焱彬.对中国高等医学教育改革的几点思考-美国专家眼中的中国医学教育[J].西北医学教育, 2007, 15 (1) :37-38.
[3]戴双双, 江渝, 彭家和, 等.Web Quest教学模式在临床本科生物化学教学中的应用[J].中国医学教育技术, 2009, 23 (2) :133-134.