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1、2 0 0 5 年第 3 卷第 1 期 化学推进剂与高分子材料 Ch e mi c a l P r o p e l l a n t s&P o l y me r i c Ma t e r i a l s 生物降解高分子材料在医药领域中的应用 陈志祥 1,2 张政委 1,2 田华1,2 高林 (1 中斟科学院新疆理化技术研究所，新疆 鸟鲁木齐8 3 0 0 1 1；2，中 科学院研究牛 院，北京1 0 0 0 3 9)摘要：简要介绍了生物降解高分子材料 的定义、分类和降解机，较为伞而地阐述 r 前牛物降解高 分子材料 的应用领域，特别是在缓 控释材料、手术缝合线及组织 I 程 中的应用。关键 词
2、：牛物 降解高分子材料；降解机理；药物控 制释放；组织 程 中图分类号：T Q 2 0 3 9 文献标识码：A文章编号：1 6 7 2-2 1 9 1(2 0 0 5)0 1 0 0 3 l-O 4 近年来，高分子材料在医学及药物领域得到了 广泛应用。而高分子药物缓释材料在对药物医疗剂 量进行有效控制、降低药物毒副作用、提高药物稳 定性和有效利用率、实现药物靶 向输送及减轻患者 痛苦等方面的功能倍受关注。药物缓释材料延长 了药物的治疗效果，同时又可使药物浓度维持在最 低药效浓度和引起中毒浓度之内。这类材料不仅具 备可生物降解性和生物相容性，还可通过 自身具有 的可生物降解重复单元与药物和 目标
3、受体产生相互 影响，用作引导神经再生的修复架、脉管移植材料 和药物缓释载体等【2】。1 生物降解高分子材料的定义、分类 可生物降解高分子材料(b i o d e g r a d a b l e p o l y me r i c ma t e r i a ls)是指在一定时问和一定条件下，能被微生 物(细菌、真菌、霉菌、藻类等)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【6 吨】。真正 的生物降解高分子是在有水存在的环境下，能被酶 或微生物促进水解降解、高分子主链断裂、相对分 子质量逐渐变小，以至最终成为单体或代谢成 C O，和 H，O【9】。此类高分子包括淀粉、纤维素、蛋 白 质、聚
4、糖、甲壳素等天然高分子，以及含有易被 水解 的酯键、醚键、氨酯键、酰胺键等合成高分 子。生物降解高分子材料具有 以下特点：易吸附 水、含有敏感的化学基团、结晶度低、低相对分 子质量、分子链线性化程度高和较大的 比表面积 等【l 引。按照原料组成和制造：l 艺不同可将生物降解 高分子材料分为以下 3 种：天然高分子及其改性产 物、化学合成高分子及其改性产物和微生物合成高 分子。天然高分子的物理或化学改性主要是通过对 天然高分子的共聚或共混获得有价值的可生物降解 材料，如国外开发了乳化性、成膜性及致密性 良好 的淀粉衍生物作为卡氮介微胶囊的壁材】。天然高 分子材料主要有胶原、海藻酸钠、透明质酸等，
5、其 次是淀粉及纤维素衍生物如糊稻、低聚糖、甲壳质 等。基于甲壳素 一 壳聚糖基的可生物降解材料的新 型材料也是最近研究的热点之一；化学合成生物降 解高分子材料大多是在分子结构中引入酯基结构的 脂肪族聚酯而成，较成熟的有聚乳酸(P L A)、聚己 内酯(P CL)等，这类材料具有 良好的机械性能，_月 容易通过化学或物理修饰进行控制；微生物合成高 分子是由微生物发酵法制成的一类材料，此法合成 的生物降解高分子比较纯净，无需引入添加剂，主 要有可完全生物降解的聚羟基丁酸戊酯(P H B V)、聚 羟基-J-i(P H B)和聚羟基戊酸i(P H V)等。2 高 分子材料生 物降解机 理 1 9 7
6、 6 年，L a n g e r 和 F o l k ma n 成功地实现了聚合 物作为载体的大分子药物控释。此后 2 0 余年人们一 直想方设法调节聚合物，以改进相应的药物控释系 统的释药动力学、生物相容性和生物降解性【I。药 物控释材料的降解，起始于聚合物分子链的水解，从物理角度考虑，宏观上则表现为表面降解和本体 降解 2 种基本情况【l引。表面降解是降解先从表面发 生，由表及里，高分子材料在体内降解涉及的反应 有水解、酶解、氧化等。对大多数生物降解材料，尤其是合成高分子材料，降解过程主要是水解反 应，其形式为直线 高分子主链 内不稳定键断裂；主链为线型而带侧链 的高分子侧链基团的水解；交
7、 联网状高分子内不稳定交联链 的断裂。通过以上 3 种形式使聚合物分子变小，达到降解的 目的。本体 降解模式的特征为内外同时，随机进行，降解速率 与体积有关，相对分子质量变化大，失重、水渗 透快；影响因素为相对分子质量、环境(p H和温度 收稿 日期：2 0 0 4 8 4 作者简介：陈忐祥(1 9 8 0 一)，男，湖北京山县人，巾图科学院新疆理化技术研究所在读硕_上研究生，研究方向为高分子材料。维普资讯 http:/ 3 2 化学推进剂与高分子材料 C h e mi c a l P r o p e l l a n t s&P o l y m e r i c Ma t e r i a l s
8、 2 0 0 5 年第 3 卷第 1 期 等)。当水的渗透速率快于高分子链的水解时，发 生本体降解，反之则为表面降解。而高分子链的水 解速率又受其化学组成、相对分子质量、聚集态、结晶度等因素制约，人们正是针对这种影响因素，对聚合物进行改性或开发新的高分子材料，以实现 理想的释药行为。而从化学角度考虑，聚合物的降 解存在下列 3种机制 引：疏水性聚合物通过主链 上不稳定键的水解变成低相对分子质量、水溶性分 子。不溶于水的聚合物通过侧链基团的水解、离 子化或质子化，变成水溶性聚合物。不溶于水的 聚合物水解掉不稳定的交联链变成可溶于水的线犁 高分子。3 生物降解高分子材料的应用 可生物降解高分子材料
9、 的应用范同极为广泛，涵盖农业、林业、渔业、包装业、纺织业以及近 年来的研究热点生物医学领域。为了满足医疗要求，生物医用高分子材料必须 具备以下条件：良好的生物相容性。具有对 细胞 良好的黏附能力。能保持细胞的正常生长、分化、增值能力和分泌基质。具有要求的生物降 解速率。材料及其降解产物对机体无毒副作用。具有 良好 的物理、化学和机械性能。具有可 消毒性。生物降解高分子材料在生物医学领域具有十分 重要的应用，它 的主要应用表现在 以下几方面：3 1 药物控制释放载体 这是当今医用高分子研究 中最热门的领域之 一。缓释系统是指药物能在指定时间内按预定的速 度释放到指定的部位。它可控制药物在体内的
10、释放 速率，使药物在体 内能够保持有效浓度，减小或消 除副作用，特别是在植入或附于病区时，则更能显 示其优越性 1。生物降解高分子材料与不可降解的 聚合物 一 药物缓释体系相 比，它们主要具有 3 大优 点：缓释速率主要南载体的降解速率控制，对 药物性质的依赖较小，药物包裹量和几何形状等参 数的选择范围更广。释放速率更为稳定。在理想 的情况下，释放速率可维持恒定，达到零级释放动 力学模式。更适于不稳定药物的释放要求 。用 作药物载体的材料可以是非生物降解性材料，也可 以是生物可降解性材料，不同性质的药物载体具有 不同的药物释放行为 。由于一般高分子作为药物 载体时随着载体中药含量的减少，药物的
11、释放速率 亦减小，因此无法保持药物的恒量释放。而生物可 降解性高分子材料用作药物控制释放载体时，虽然 药物释放速率同样会随着药物在载体中的浓度下降 而下降，但南于随着药物载体逐渐降解，药物载体 结构逐渐变得疏松，导致药物在载体中扩散、溶解 及释放的阻力减小，结果可加快药物的释放速率。当正好与南含药量减少所引起的释药速率的减少相 一致时，就可实现药物的长期恒量释放。此外，当 用生物降解高分子材料作为载体的长效药物植入体 内，在药物释放完 了后也不需要再经手术将其取 出，这可减少用药者的痛苦和麻烦。目前作为药物 载体被广泛研究的生物降解性高分子有聚磷酸酯、聚酯、聚酸酐、聚磷腈、聚碳酸酯类高分子聚合
12、 物【I引。聚磷酸酯是一种生物相容性好、结构较易进 行修饰和功能化的生物降解高分子，早在2 O 世纪 8 O 年代，P e n c z e k 等就提出了聚磷酸酯作为药物缓释 载体的研究u 9 。李晓玺2 o l等利用醋酸酯淀粉作为药 物释放的载体。此外还有海藻 酸盐、甲壳素、纤 维素衍生物等天然高聚物。3 2 外科手术缝合线 生物降解性手术缝合线既可缝合伤 口，又可在 伤 口愈合后 自动降解，不需再拆除，所以发展越来 越快。如用生物可吸收的聚乳酸、胶原蛋白制成的 手术缝合线 9】，可免除手术后再拆线的痛苦和麻 烦。用 聚乳酸制成 的骨钉、骨 定板，可在骨折 痊愈后不需再行手术取出，从而可大大
13、减轻病人的 痛苦。最初采用的生物吸收性缝合线是肠线”，存 在机械强度损失快，处理不方便，必须用湿的缝合 线缝合伤口，易引起组织发炎，分解速率过快等缺 点。后来改用聚乙交酯(P G A)、聚 三 一 乳酸类(P L L A)及其共聚物制成的复丝，目前已商业化。再后来又 研制了更柔软的、低模量的聚葡糖酸酪。另外，三 一 乳酸和己内酯的共聚物(E L L A)是生物吸收性的弹性 材料，在临床上的应用也已开始研究2 引。同时研究 发现用甲壳素制成的缝合线无毒，机械性能良好，易打结，在胆汁、胰液中拉力强度的延续性 比聚乙 交酯纤维好，在使用初始的 I I 5天强度很好，而 此后强度迅速下降，有利于生物体
14、的迅速吸收 Z 3 l。G o o s e l-i2 4 1 的研究表明，甲壳素缝合线对消化酶、感 染组织及尿液等耐受性比肠线和 P G A线要好。侯春 林【2 等进行的动物体内试验也充分表明了甲壳素缝 合线的性能明显优于肠线。聚乳酸及其共聚物作为 外科手术缝合线时，因其具有在伤 口愈合能自动降 解并吸收，术后无需拆除缝合线，日 其具有较强的 维普资讯 http:/ 陈志祥等 牛物降解高分子材料在医药领域中的应用 抗张强度，能有效地控制聚合物的降解速率，随着 伤 口的愈合，缝线 自动缓慢降解等优点。所以，一 经问世，立即受到医生们 的青睐，目前已广泛用于 各种手术。此外，聚酰胺酸酐具有良好的力
15、学性能 和热性 能，也可用于外科缝合线。3 3 组织工程材料 组织 I 程学是近 l 0年来新兴的-M交叉科学，它是应用 r 程学的原理和方法来了解正常和病理的 哺乳类组织结构 功能关系，以及研制生物代用品 以恢复、维持或改善其功能的一门科学。组织 程等技术的创立标志着生物医学材料科学的发展进 入了一个崭新的阶段。组织 r 程的核心是建立由细 胞和生物材料所构成的i维复合体，其中南生物材 料所构成 的细胞支架 的作用是为细胞增殖提供空 间，使细胞按照生物材料支架的构形分化、增殖，最终成为所要求的组织或器官。因此，细胞支架不 但应使细胞能进行气体交换、排除代谢废物，同时 还能为细胞增殖提供营养物
16、质。组织引导再生(g u i d e d t i s s u e r e g e n e r a t i o n，G T R)是近几年发展起来 的一项促进组织再生性愈合的新理论及新技术，医 用组织引导再生材料的研究是国内外生物材料研究 的热点之一。我们所期待的降解材料是先选择性 地引导组织再生，当这一过程完成时，材料完全 降解或被组织 吸收。据 F l e i s h e r、Ma g n u s s o n、B 1 u me n t h a l 等的研究报道 引，乳酸与乙_交酯共聚物 膜、聚乳酸膜和胶原膜等是一类较理想的 GT R材 料。孙毅 等报道聚吡咯在神经组织、皮肤、肝 脏、-肾上腺、
17、骨和血管中都有广泛的应用。此外，聚乙交酯(P G A)、聚乳酸(P L A)及乳酸与乙交酯的共 聚物(P L G A)用于组织：程进行肝的再生，具有很好 的生物适应性 l。3 4 其 他 生物降解高分子材料还可用于医用抗黏剂、血 管移植和人造皮肤等。明胶和谷氨酸共聚物水凝胶 作为软组织的抗黏剂也已见报道。大量商业用的人 造皮肤是用胶原蛋 白、甲壳质、聚 -亮氨酸等酶 催化生物降解材料。生物降解高分子材料不仅在生 物医学方面具有极重要的应用，而 F I 对农业、林 业、建筑业、食品 业、包装业等也都具有重要 的价值。全部用生物降解高分子材料，或用生物降 解高分子共混改性非生物降解高分子材料制备农
18、用 薄膜、容器、包装材料，可极大地减少由废弃塑 料所造成的环境污染，这是解决当今世界极为严重 的环境污染的重要手段。4 生物降解性高分子材料前景展望 从上面的分析来看，生物降解性高分子材料有 着极其广泛的应用。医用高分子是一门生命科学、材料科学与高分子化学交叉的新兴学科，它是功能 高分子中最重要和发展最快的一个领域，也是高分 子科学的前沿。目前在医用可生物降解高分子材料 的研究 中，有 以下几方面趋势：医用可生物降 解高分子材料的应用领域将进一步拓宽。各种性 能更优异的共聚物、微孔材料、复合材料的研究将 得到强化。对可生物降解材料的特性和降解产物 的生物效应的研究尚需加强。生物技术在医用高 分
19、子的合成方面具有很大的应用前景。此外，开发安全的生物降解材料添加剂及不需 添加剂的降解性高分子材料也是这一领域的重要研 究课题。参考文献 唐 明义，耿 上 高分子药 物缓释材料【J】化：新型材料，l 9 9 8，2 6(9)：2 6-2 8 2 1 Kr i c h e l d o r f H R S y n t h e s e s a n d a p p l i c a t i o n o f p o l y l a c t i d e s 【J 1 C h e mo p h e r e，2 0 0 1，4 3：4 9 3 1 Ne e r a j Ku ma r，R o b e r t S
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30、u c e d Ap pl i c a t i o n fie l d s o f t h e b i o d e g r a d a bl e p o l ym e r i c ma t e r i a l s e s p e c i a l l y i n t h e c o n t r o l l e d d r u g r e l e a s e ma t e r i a l，s u r g i c a l s e a m an d t i s s u e e n g i n e e r i n g we r e mo re c o mp r e h e n s i v e l y e
31、 x p o u n d e d Ke y wo r d s：b i o d e g r a d a b l e p o l ym e r i c ma t e r i a l；d e g r a d a t i o n me c h an i s m；c o n t r ol l e d d rug rel e a s e；t i s s u e e n g i n e e r i n g 上海石化加大 P T A 产能环节国内市场 一项开创世界聚酯行业 P T A(精对苯二甲酸)产最增幅最 大先河的技术改造。近 日在中尉石化 海石化股份有限公司 顺利完成。L 海石化的二号氧化联合装置经自有
32、技术改造，年产能由最初的 2 2 5 万 t 提高到4 0 万 t，倒内 P T A市场的紧 缺可望因此有所缓 解。P T A是生产涤纶聚酯 的原料。眼下。内市场 P T A需 求旺盛，而产能严重 足。同时，越来越 多的民营企业迈 人以 P T A为原料的涤纶聚酯行业 囚此，卜 海石化此番通 过技术改造扩产 P T A衍受业界瞩 日。J 海石化涤纶部二号氧化联合装置于 2 0 世纪 7 0 年代从 日本成套引进，足目内最早引进 的 P T A装置之一。该装置 于 1 9 8 4 年建成投产，年 设计生产能力为 2 2 5 万 t。-f 海石 化通过消化引进技术，开发白有核心专利技术。断攻克 装
33、置运行技术瓶颈。优化 牛产 艺，先后使该装置年产能 扩大到 2 5 万 t、2 8万 t 和 3 1 万 t。今年下半年 一 J：海石化 投资 2 5 亿元 采用 自行研发、达国际先进水平 的富氧氧化 专利技术。再次对其进行扩产改造。使年产能达到 4 0万 t。据 了解，f h 于 目前我 国经济高速发展。人们的生活水 平不断提高，倒内 P T A需求量随之增加；加之伞球经济好 转。纺织 品需 求趋吒，促使我崮涤纶聚酯业 以惊人的速度 发 展。日前，倒 内 P TA产量远 能满足市场需求。据统 计，2 0 0 3 年，倒内 P T A需求量为 8 l 2 万 t，然而实际产最 仅为 3 9 5
34、万 t，今年需求晕预计 可达近 9 0 0万 t。市场人r上分析，以 P T A为原料的下游 聚酯产业 囚为进 入的门槛相对较低，正吸引一大批 民营企业进入，市 场竞 争 I：t 益剧烈。而 P T A F h 于巨大的市场 缺门和较高的资本和 技术进入槛，仍属利润相对较 高的行 业。据悉。1 海石化今后的发 展战略是，紧紧抓住石 油化 工 丰业和烯烃 聚烯烃、芳烃 聚酯核心业务链，以做强乙 烯线为核心。以提高芳烃聚酯链的化、化纤原料竞争力 为重点。此 次改造扩产的 P T A正足该公 司重点 发展 的化纤 原 料 之一。(郭智臣供稿)硅改性脂肪族聚氨酯弹性涂料 北方涂料 I lI 业研究设计院研究成功硅改性脂肪族聚氨酯 弹性涂料。该产 u 口 是 以苯酐、叔碳酸缩水甘油酯、i羟甲 基 烷、一 缩二 乙二 醇、癸二 酸、硅 中问体 为原料；然 后 颜填料配成涂料，加入九 1 羟甲基 烷、一缩二乙二 醇和异佛尔酮二异氰酸酯等制成的 1 P D!聚氨酯树脂，便得 到了硅改性脂肪族 聚氨酯弹性 涂料。该涂料较芳香族聚氩酯(聚氩酯橡胶)涂料具有更好的施 性，优异的耐大气老化性，更适合户外使用：与热塑性 弹性体涂料On S B S、单组分弹性 P U)相比。具有良好的耐 介质性，且对多数基材有 良好 的附着力。(郭智臣供稿)维普资讯 http:/