生物醫用高分子材料及市場發展情況

生物醫用材料簡介：

生物醫用材料指的是一類具有特殊性能、特種功能，用於人工器官、外科修復、理療康復、診斷、治療疾患，而對人體組織不會產生不良影響的材料。現在各種合成材料和天然高分子材料、金屬和合金材料、陶瓷和碳素材料以及各種複合材料，其製成產品已經被廣泛地應用於臨牀和科研。

一、生物醫用材料分類：

生物材料應用廣泛，品種很多，有不同的分類方法。通常是按材料屬性分爲：合成高分子材料（聚氨酯、聚酯、聚乳酸、聚乙醇酸、乳酸乙醇酸共聚物及其他醫用合成塑料和橡膠等）、天然高分子材料（如膠原、絲蛋白、纖維素、殼聚糖等）、金屬與合金材料（如欽金屬及其合金等）、無機材料（生物活性陶瓷，羥基磷灰石等）、複合材料（碳纖維/聚合物、玻璃纖維/聚合物等）。根據材料的用途，這些材料又可以分爲生物惰性（bioinert）、生物活性（bioactive）或生物降解（biodegradable）材料。

二、生物醫用高分子材料

1、定義： 生物醫用高分子材料是指對生物體進行診斷、治療和置換損壞組織、器官或增進其功能的材料。生物醫學材料中發展最早、應用最廣泛、用量最大的材料，也是一個正在迅速發展的材料。它既可以來源於天然產物，又可以人工合成。此類材料除應滿足一般的物理、化學性能要求外，還必須具有足夠好的生物相容性。

2、分類：

按材料來源分：

（1） 醫用金屬和合金。主要用於承力的骨、關節和牙等硬組織的修復和替換。

（2） 醫用高分子生物材料。高分子化合物是構成人體絕大部分組織和器官的物質，醫用高分子生物材料包括合成（如：聚酯、硅橡膠）和天然高分子（如：膠原、甲殼素）。

（3） 醫用生物陶瓷。有惰性生物陶瓷和活性生物陶瓷（羥基磷灰石陶瓷、可吸收磷酸三鈣陶瓷等）

（4） 醫用生物複合材料。如羥基磷灰石塗復鈦合金，炭纖維或生物活性玻璃纖維增強聚乳酸等高分子材料。

（5） 生物衍生材料。這類材料是將活性的生物體組織，包括自體和異體組織，經處理改性而獲得的無活性的生物材料。

按用途分：

（1）手術治療用高分子材料，如：

縫合線，黏膠劑，止血劑，各種導管，引流管，一次性輸血輸液器材

（2）藥用及藥物傳遞用高分子材料，如：

靶向性高分子載體（肝靶向性，腫瘤靶向性），高分子藥物（干擾素，降膽敏），高分子控制釋放載體（膠囊，水凝膠，脂質體）

（3）人造器官或組織，如：

人造皮膚，血管，骨，關節，腸道，心臟，腎等。

按降解性能分

（1）可生物降解材料-指聚合物在生物體內酶、酸鹼性環境下或微生物存在的情況下可以發生分子量下降、生成水和二氧化碳等對生物體或環境無毒害的小分子化合物的性能。

（2）不可生物降解材料（生物惰性材料）-一種生物材料在特殊應用中和宿主反應起作用的能力，要求植入材料和機體間的相互作用能夠永久地被協調。在生物環境下自身不發生有害的物理（滲透、溶解或吸附）或者化學反應（對酸鹼酶穩定）。

3、天然可降解高分子材料 膠原蛋白、纖維蛋白

甲殼素、殼聚糖、澱粉、纖維素海藻酸鈉衍生物、可吸收縫線、藥物控釋載體、人工皮膚

（1）膠原

膠原是人體組織中最基本的蛋白質類物質，至今已經鑑別出13種膠原，其中 I～III、V和 XI 型膠原爲成纖維膠原。I 型膠原在動物體內含量最多，已被廣泛應用於生物醫用材料和生化試劑。

結構：由各種物種和肌體組織製備的膠原差異很小。最基本的膠原結構爲由三條分子量大約爲1×105的肽鏈組成的三股螺旋繩狀結構，直徑爲1～1.5nm，長約300nm，每條肽鏈都具有左手螺旋二級結構。膠原分子的兩端存在兩個小的短鏈肽，稱爲端肽，不參與三股螺旋繩狀結構。研究證明，端肽是免疫原性識別點，可通過酶解將其除去。除去端肽的膠原稱爲不全膠原，可用作生物醫學材料。

製備來源：牛和豬的肌腱、生皮、骨骼是生產膠原的主要原料。

特點：優點：膠原材料具有生物力學性能好,免疫原性低等優點,被製造成爲各種生物醫學材料,在醫療器械產品製造領域有着不可替代的優勢和相當廣泛的應用。缺點：要通過對實際生產過程的嚴格控制才能達到動物源性膠原的人用標準。

應用：膠原可以用於製造心臟瓣膜、支架、血管修復材料、止血海綿、創傷輔料、明膠、化妝品、人工皮膚、手術縫合線、組織工程基質等。

前景展望：膠原材料應用範圍極其廣泛,優勢明顯。我國在對膠原類醫療器械產品的檢驗評價方面也日趨完善，如不久前又增添了對免疫原性檢測的要求。但當前國內對膠原類生物醫用材料免疫原性的研究很少，並且對於此類產品的免疫原性尚無標準評價方法。這一點仍需要我們繼續不斷地摸索與探究。

（2）甲殼質

甲殼質是1811年由法國學者布拉克諾(Braconno)發現，1823年由歐吉爾(Dier)從甲殼動物外殼中提取,並命名爲CHITIN，譯名爲幾丁質。

結構：

1．分子量：甲殼質的化學結構和植物纖維素非常相似。都是六碳糖的多聚體，分子量都在100萬以上。分子量越高吸附能力越強，適合工業、環保領域應用。低分子量容易被人體吸收。分子量爲7000左右的幾丁聚糖，大約含30個左右的葡萄糖胺殘基。

2．脫乙酰基純度：幾丁質經過脫乙酰基成爲幾丁聚糖，而幾丁聚糖的基本單位是葡萄糖胺。幾丁質因爲不溶於酸鹼也不溶於水而不能被身體利用。脫乙酰基後可增加其溶解性因此可被身體吸收。幾丁質脫乙酰基純度越高其品質越好。

製備來源：自然界中,甲殼質存在於低等植物菌類、藻類的細胞,甲殼動物蝦、蟹、昆蟲的外殼，高等植物的細胞壁等，其量不低於豐富的纖維素，是除纖維素以外的又一大類重要多糖。據估計自然界中，甲殼質每年生物合成的量多達1000億噸。

生產：首先用稀的氫氧化鈉液除去蛋白質，然後，用鹽酸除去鈣鹽，剩下的就是幾丁質。爲了從這些幾丁質中除去乙酰基，用長時間的高溫，使之在濃的氫氧化鈉中發生反應，就可製成含有氨基的甲殼質(幾丁聚糖或殼糖胺)。因爲幾丁質不溶於酸鹼，也不溶於水，很難被人體利用。經脫乙酰基成幾丁聚糖後它能溶於稀酸和體液中，可被人體所利用。

（3）殼聚糖

殼聚糖爲甲殼素的脫乙酰衍生物，由甲殼素在40％～50％濃度的.氫氧化鈉水溶液中110～120℃下水解2～4h得到。

殼聚糖接枝丙烯酸在酸性條件下存在大量氫鍵，體系收縮，藥物通透率低，表現爲“關”；在鹼性條件下成鹽，離子性基團解離，由於同種電荷的相互排斥，聚合物網絡擴張，藥物通透率高，表現爲“開”，因此具有pH刺激響應性，可作爲智能型藥物控制釋放材料使用。

（4）甲殼素、殼聚糖及其衍生物在醫藥敷料中的應用

研究意義：醫用生物材料的基本要求是安全、有效，研究甲殼素、殼聚糖及其衍生物的使用安全性對該產品在臨牀的推廣和應用具有重要意義。

可以用來1、治療外傷、創傷 ，甲殼素、殼聚糖等產品生物相容性好，且具有止血、止痛、抑菌、促進肉芽組織和上皮組織的形成等作用，是外傷、創傷治療的理想產品。

2、治療燒傷、燙傷，殼聚糖的線型分子鏈結構使其具有優良的成纖性，其纖維可作爲可吸收醫用手術縫合線、人造皮膚、止血材料、手術包紮材料等。殼聚糖與膠原、明膠、抗菌藥物等複合，改善物理性能和功能特性，可應用於燒傷、燙傷病人的治療。

3、治療潰瘍 ，中藥選擇選用紫草、當歸、白芷、甘草等活血止痛、祛腐生肌類藥物，並提取有效成分；珍珠經超微粉碎後製成分子離子態溶液；殼聚糖經化學修飾後製成水溶液。採用微乳化技術與微膠囊技術，將以上成分配製成具有定量緩釋功能的微膠囊藥膜。該複合膜中藥有效成分與殼聚糖結合在一起，既保持了殼聚糖本身生物活性，又使中藥緩釋吸收，而且具有噴塗方便、自然成膜、滲透性強、易於吸收、加快潰瘍癒合等特點。

4、治療褥瘡，褥瘡又名壓迫性潰瘍，是老齡人羣的多發病和常見病，可分爲外源性、原發性、內源性、繼發性等類型。殼聚糖應用於褥瘡的臨牀治療取得了良好的效果。

應用：甲殼素能爲肌體組織中的溶菌酶所分解，已用於製造吸收型手術縫合線。其抗拉強度優於其他類型的手術縫合線。在兔體內試驗觀察，甲殼素手術縫合線4個月可以完全吸收。 甲殼素還具有促進傷口癒合的功能，可用作傷口包紮材料。甲殼素膜用於覆蓋外傷或新鮮燒傷的皮膚創傷面時，具有減輕疼痛和促進表皮形成的作用，因此是一種良好的人造皮膚材料。

三、生物醫用高分子材料市場發展概況

我國生物醫學材料的生物醫學工程產業的市場增長率高達 28％(全球市場增長率20%),居全球之首。

我國人工關節 替換年增長率高達30％，遠高於美國的4％。

775萬肢殘患者和每年新增的300萬骨損傷患者 -------需要大量骨修復材料

2000萬心血管病患者--------每年需要24萬套人工心瓣膜

腎衰患者--------每年需要12萬個腎透析器

目前用高分子材料製成的人工器官中，比較成功的有人工血管、人工食道、人工尿道、人工心臟瓣膜、人工關節、人工骨、整形材料等，已取得重大研究成果。還需不斷完善的有人工腎、人工心臟、人工肺、人工胰臟、人工眼球、人造血液等。還有一些功能較爲複雜的器官，如人工肝臟、人工胃、人工子宮等，則正處於大力研究開發之中。