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輻射技術在醫用高分子材料中的應用研究

近年來,面向現代生物醫藥、臨床醫學、組織工程、仿生器官的巨大應用需求,生物醫用材料已經成為當今材料科學發展的最重要熱點之一。為了滿足日益發展的生物醫用材料的多樣性需要,基于其應用的內在特點,高效、低殘毒、清潔方便的反應與相關制備法受到極大的關注。
與傳統的高分子化學制備方法相比,輻照加工法制備改性醫用材料的優點在于:1. 不需要添加劑,沒有引發劑殘留,可以得到清潔、安全的接枝共聚物,保證材料的純凈性。2. 輻射接枝操作簡單易行,可以在常溫或者低溫下進行,并可以通過調整射線輻照劑量、劑量率、接枝聚合單體濃度和基材溶脹的深度控制反應程度。3. 輻射過程對材料也是一個消毒過程,避免了其他消毒方法對制品的破壞。
醫用塑料應用的安全、可靠性,原材料的安全性能是最基本的要求
改善醫學材料表面生物相容性
生物相容性(Biocompatibility)是貫穿生物材料研究的一大主題。國際標準化組織ISO制定了醫用材料的生物相容性評價指導原則以及標準實驗方法的國際標準,中國在上世紀70年代也開始了生物相容性研究以及評價方法的標準化。生物相容性是生物材料與人體之間的相互作用從而產生的物理、化學、生物反應的概念。
生物相容性包括組織相容性(Tissue compatibility)和血液相容性(Blood compatibility)。
組織相容性是指材料與活體組織之間相互包容的程度,包括材料在生理條件下的老化,以及由于材料的存在而產生的生物學反應,除了全身毒性外,更多的是材料周圍組織的局部反應,如炎癥、免疫、誘變以及癌癥。材料表面與蛋白質等生物大分子及細胞之間的相互作用是產生組織生物學反應的根本原因。
例如,矽膠植入人體後會產生纖維囊壁痙攣,這主要是由于矽膠材料表面的疏水性,使其不具備人體組織的水凝膠結構。在矽膠表面共輻射接枝親水性單體N-乙酰烯基吡咯烷酮并植入人體後,矽膠表面形成一層穩定的水凝膠,大大降低了組織對矽膠的異物反應,增加了其生物相容性。
血液相容性是生物醫用材料的一個十分重要的性質。理解血液相容性是研究血液相接觸性材料的一項非常重要的內容。血管內壁是一層生物膜,該膜含有磷脂、固醇、糖鞘脂,其中磷脂和糖鞘脂含有兩條烴鏈,能夠組裝成脂雙層;脂雙層的存在賦予了血管內壁的生理功能。外源醫用材料不同于血管,它不能產生并釋放抑制因子,從而促使凝血因子失活,必然不能避免血栓的生產。
生物材料的抗凝血性是由其表面與血液接觸後所形成的蛋白質吸附層的組成與結構所決定的。而吸附層的組成與機構又取決于材料表面的化學結構與形態。因此,如果控制了蛋白質吸附層的組成與構象,也就決定了材料的血液相容性。當材料表面吸附層主要為球蛋白與纖維蛋白時,將激活凝血因子與血小板,導致級聯反應而形成血栓,而當蛋白吸附層為白蛋白,植入物表面會出現白蛋白鈍化,從而阻止凝血的發生。用Υ射線輻照技術能使植入物表面與白蛋白之間以共價方式結合,從而降低血小板的粘附量。
引起血栓的另一個重要因素是材料表面的物理化學特性以及血小板的活躍程度。常見的材料表面肝素化有明顯的抗凝血與抗血栓功能,是由于肝素能作用于凝血酶,從而抑制纖維蛋白原向纖維蛋白的轉變,最終達到抗凝血目的。如應用有機高分子功能材料制備的血液透析膜已經廣泛應用于血液過濾、分離,其中由天然高分子纖維素制成的透析膜在世界范圍內占85%的份額。為了提高其血液相容性,通過輻射接枝共聚的方法在纖維素血液透析膜的表面引進新的親水性基團,并進一步接枝抗凝血劑,可以大大提高透析膜的生物相容性。
聚四氟乙烯(PTFE)塑膠板浸潤性很差,滴上的水滴成球形,可以在板面上滾動,浸潤角達135度。
提高醫用材料表面親水性
醫用高分子材料往往具有疏水性基團,材料的疏水性容易引起材料對蛋白質的吸附,從而引起血栓,因此,生物材料的表面改性需要提高材料的親水性。輻射技術能將親水性分子接枝到疏水性高分子材料表面,從而使其接觸角下降,提高材料表面的濕潤性。
早在上世紀50年代,人們就發現,可以用輻射引發高聚物進行接枝反應。聚合物經輻射接枝後,可明顯改善材料的表面狀態。根據輻射與接枝共聚合反應的實施方法差異,可大體分為預輻射接枝共聚合法和共輻射接枝共聚合法。
預輻射接枝共聚合
預輻射接枝共聚合是高分子材料先深度輻照,產生穩定的自由基,或者先在空氣中輻照生成穩定的過氧化物或者氫化物,然後在輻射場外使被輻照聚合物與單體溶液接觸,進行接枝反應。
該方法的特點是射線輻射與接枝共聚合反應分開兩步進行,具有下列特點: 
1. 接枝共聚合單體不直接受到射線輻射,最大限度地減少單體的均聚反應。
2. 由于射線輻射和接枝共聚合是獨立的兩步反應,研究或者生產單位即使沒有輻射源裝置也能夠從事某些輻射接枝共聚合的研究與較成熟的輻射接枝共聚合工藝的生產。
3. 聚合物自由基的利用效率偏低。
經表面處理後聚四氟乙烯(PTFE)表面親水性大大提高,浸潤角為25度。水滴到聚四氟乙烯(PTFE)表面後,就會浸潤整個表面。
共輻射接枝共聚合
將單體與高分子載體置于同一體系中,一起進行輻射就輻射接枝共聚合。單體可以是氣相、溶液或者溶解于其他溶劑中,該法具有以下特點:
1. 輻射與接枝共聚反應一步完成,操作簡單,易行。
2. 射線輻射產生的活性自由基,一旦生成可立即引發單體的接枝共聚合反應,自由基活性點與輻射能利用效率高。
3. 在多數接枝共聚合反應體系中,單體可以作為聚合物基體的保護劑,這對射線輻射下穩定性較差的聚合物基體尤為重要。
4. 聚合物基體與單體同時接受輻照,單體的均聚反應嚴重,降低了單體的接枝共聚合效率。中國科學院上海應用物理研究所的鄧波等采用共輻射接枝共聚合方法將聚甲基丙烯酸(MAc)接枝到PES膜表面,發現PES超濾膜表面的水接觸角從75度下降為42度,膜表面的親水性呈現較大提高。
提高醫用材料的力學性能
生物醫用材料除了應具備良好的生物相容性外,還應依據其使用目的而具備相應的力學性能和相應的生物功能。某些天然高分子材料具有良好的生物相容性和可降解性,但是其力學性能往往無法滿足要求。天然水凝膠具有良好的生物學特性,它能夠吸收并保持大量的水分而又不溶解。同時,由于其表面張力很低,可以減少對體液中蛋白質的吸附。另外,水凝膠有良好的水蒸氣和空氣透過率,因此,水凝膠成為生物醫用材料研究的熱門課題。但水凝膠的主要缺點是力學性能太差,一般只能和其他材料配合使用,或通過改性方法來提高其力學性能。
交聯是增加材料力學性能的一種有效方法,輻射交聯是利用射線的能量活化材料,使材料發生自身交聯。輻射交聯合成水凝膠有許多優點。首先,他解決了產品滅菌問題;其次,它不用額外添加材料,避免有毒殘留物污染;再者,電離輻射對人體和環境是安全的。
目前提高高分子材料的力學性能能采用的方法是輻射交聯技術。輻射交聯一般不需要催化劑、引發劑,後處理簡單,可在常溫下反應,無污染,除輻射源之外不需特殊設備,在許多方面優于過氧化物交聯技術。聚合物的輻射交聯為自由基鏈式反應。
輻射交聯反應可以分為3步:1. 初級自由基及活性氫原子的形成;2. 活潑氫原子可繼續攻擊大分子片段再產生自由基;3. 大分子鏈自由基之間反應形成交聯鍵。
高分子輻射交聯改性不同于物理共混體系。物理共混由于各組分在其相界面往往存在缺陷而使性能受到影響,而輻射反應在相界面間發生,可改善組分間粘合力及相容性。如己有研究發現,輻射交聯不僅能改善材料的力學性能,而且能改善共混物的相界面。上海科技大學的劉鈺銘等輻射合成甲基丙烯酸β-羥乙酯(PHEMA)水凝膠,發現完成這一聚合-交聯過程所需劑量很小,不到1×10-4Gy即可得到高于90%的凝膠含量的水凝膠產物,且水凝膠的力學性能明顯提高。
生物活性物質的固定化
生物活性物質是指酶、抗體、抗原、抗生素、激素以及各類藥物等,可以用各種方法將他們結合在生物高分子材料內部或者表面。這種技術統稱為活性物質的固化。這一新技術的進展對疾病的診斷、治療和藥物的合理使用開辟了一條新路徑。以藥物緩釋為例治療某一疾病,攝入的藥量往往要超過實際藥量的數百倍,以維持局部患病區血液中藥物的必要濃度,因而增加了副作用。如何將低分子藥物與高分子材料結合起來植入患區,然後讓藥物緩慢地釋放出來,就可以使藥物在指定部位持續安全穩定的發揮藥效是現在研究的一項重大課題。
目前,研究和應用的固定化方法可以歸納為吸附法、包埋法、共價結合法、肽鍵結合法和交聯法等幾大類。酶和細胞的固定化方法雖然很多,但是每種方法都各有其優缺點,在實際應用中必須綜合加以考慮。
從制備的難易程度上看,吸附法是將酶直接或者通過離子交換吸附到載體上的一種方法,相對比較容易。包埋法是將酶包埋于凝膠或其它聚合體格子內,工藝也比較簡便。而共價結合法則涉及到酶的功能團與聚合物載體的共價鍵結合條件較劇烈,制備過程繁瑣。交聯法是利用功能團試劑與酶分子之間進行分子交聯,制備程序相對復雜。
從結合程度方面看,物理吸附法中酶與載體的結合不牢固,易于脫落,因此很少有實用價值,而離子吸附法中酶與含有離子交換基團的水不溶性載體結合相對牢固。包埋法、共價結合法、交聯法的結合程度都比吸附法更強。
可以看出,吸附法操作簡單,對酶活性影響不大,但酶與載體的結合較弱,易于脫落,并不是一種理想的固定化方法。共價結合法和交聯法中酶與載體的結合較強。
南京大學環境學院污染控制與資源化研究國家重點實驗室的李芳捷等應用低溫輻射技術輻射誘導甲基丙烯酸β-羥乙脂丙烯酸羥乙酯共聚合制備了高分子載體固定氨氧化細菌,經充分溶脹後的聚合物表面水接觸角幾乎為0,含水率為450%,潤濕性能良好;聚合物表面具有極性官能團;聚合物的非晶結構有利于小分子尤其是水分子的滲透和擴散,多孔結構有利于微生物的生長和繁殖。
醫用材料的消毒
早在倫琴發現X射線的第二年,Mink就提出了射線滅菌的思想,到上世紀50年代,由于大功率輻射源的出現,輻射滅菌進入實用階段。
輻射滅菌即在一定劑量的Υ射線或者高能電子束對材料進行輻照時,引起的微生物DNA、蛋白質、脂類等有機分子化學鍵的斷裂,從而導致微生物死亡,使材料無菌,保證材料的安全衛生。
醫用品的輻射滅菌與傳統的高壓滅菌、化學滅菌相比,具有滅菌徹底、操作安全、不污染環境、可對帶包裝的物品以及熱敏物質進行滅菌、以及可實現連續化操作等優點。因而,輻射滅菌已經成為輻射加工中發展最快,應用最成功的領域之一。
隨著人類逐步進入老齡化社會,開發生物相容性優良、力學性能好、具有特殊功能的生物材料顯得日益重要。同時由于核輻照與電子射線技術的進步以及在材料制備中的應用日趨廣泛,輻射技術已成為研制生物醫用材料以及材料改性中一個重要方向。我們相信伴隨著輻射接枝、交聯、固定化等輻射技術在生物醫用材料制備、改性、消毒上的研究和應用,將大大促進生物醫用材料的發展。
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