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沈 新 元东 华 大 学 材 料 科 学 与 工 程 学 院 生 物 材 料 （ biomedical materials） 包 括 生 物 医学 材 料 、 生 物 模 拟 材 料 和 仿 生 设 计 新 材 料 。 生 物 医 学 材 料 是 用 于 生 命 系 统 接 触 和 发 生 相 互 作用 的 ， 并 能 对 其 细 胞 、 组 织 和 器 官 进 行 诊 断 治 疗 、 替换 修 复 或 诱 导 再 生 的 一 类 天 然 或 人 工 合 成 的 特 殊 功 能材 料 。 生物医学材料包括金属生物医学材料、无机非金属生物医学材料和高分子生物医学材料。 生物医学高分子材料也称医用高分子（Biomedica1 Polymer）材料，它是一类用于临床医学的高分子及其复合材料。 1.按 来 源 分 类 （1） 天然医用高分子材料 如胶原、明胶、丝蛋白、角质蛋白、纤维素、粘多糖、甲壳素及其衍生物等。（2） 人工合成医用高分子材料 如聚氨酯、硅橡胶、聚酯等。（3） 天然生物组织与器官 包括：取自患者自体的组织 取自其他人的同种异体组织 来自其他动物的异种同类组织。 合 成 高 分 子 生 物 医 学 材 料 有 四 种 聚 合 物 是 专 门 为 生 物 医 学 应 用 而 开 发 的 ： 聚 乙 交 酯 （ PGA） 聚 （ 丙 交 酯 ） （ PLA） 聚 乙 交 酯 -丙 交 酯 （ PGLA） 聚 -对 -二 氧 杂 环 已 酮 （ PDS） 有 几 种 已 工 业 化 生 产 的 聚 合 物 ， 虽 不 是 专门 为 生 物 医 学 应 用 而 生 产 ， 但 通 过 用 专 门 的 技术 进 行 加 工 后 也 可 以 制 成 供 生 物 医 学 方 面 应 用的 纤 维 、 细 丝 、 微 孔 材 料 和 管 状 材 料 。 聚 四 氟 乙 烯 （ 用 做 微 孔 织 物 和 薄 膜 ） 聚 丙 烯 （ 用 做 微 孔 薄 膜 和 中 空 纤 维 膜 ) 聚 丙 烯 腈 （ 用 做 中 空 纤 维 膜 ） 聚 酰 胺 纤 维 2.按 材 料 与 活 体 组 织 的 相 互 作 用 关 系 分 类 生 物 惰 性 （ bioinert） 高 分 子 材 料 指 在 体 内 不 降 解 、 不 变 性 、 不 引 起 长 期 组 织 反 应的 生 物 医 学 高 分 子 材 料 ， 适 合 长 期 植 入 体 内 。 生 物 活 性 （ bioaciive） 高 分 子 材 料 指 植 入 高 分 子 材 料 能 够 与 周 围 组 织 发 生 相 互 作 用 ，一 般 指 有 益 的 作 用 。 生 物 吸 收 （ bioabsorbable） 高 分 子 材 料 在 体 内 逐 渐 降 解 ， 其 降 解 产 物 被 肌 体 吸 收 代 谢 。 3.按 生 物 医 学 用 途 分 类 硬 组 织 相 容 性 生 物 医 学 高 分 子 材 料 软 组 织 相 容 性 生 物 医 学 高 分 子 材 料 血 液 相 容 性 生 物 医 学 高 分 子 材 料 药 物 和 药 物 控 释 生 物 医 学 高 分 子 材 料 l (一） 对医用高分子材料本身性能的要求l 1.耐生物老化性。对于长期植入的医用高分子材料，生物稳定性要好，但对于暂时植入的医用高分子材料，则要求能够在确定时间内降解为无毒的单体或片断，通过吸收、代谢过程排出体外。l 2.物理和力学稳定性。针对不同的用途，在使用期内医用高分子材料的强度、弹性、尺寸稳定性、耐曲挠疲劳性、耐磨性应适当。对于某些用途，还要求具有界面稳定性。l 3.易于加工成型。l 4.材料易得，价格适当。l 5.便于消毒灭菌。 l（二）对医用高分子材料的人体效应的要求-生物相容性l 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概念。如果说某种材料的生物相容性好，是指这种材料能够与肌体相互适应，即材料对肌体没有显著或严重的不良反应，肌体也不引起材料性能的改变。l 生物相容性包括血液相容性、组织相容性和生物降解吸收性。 l 1 血液相容性 l指材料与血液接触时，不发生溶血或凝血。l具有抗血栓性能的材料的表面结构有以下特征。 l (1)带负电荷表面 l （2）具亲水性或疏水性均衡的表面 l （3）具微相分离结构表面 l （4）具接枝或涂覆抗凝血物质表面天然的抗凝血物质有尿激酶、肝素、前列腺素等。l (5)伪内膜形成表面 l 2.组织相容性 l指材料与血液以外的生物组织接触时，材料本身的性能满足使用要求而对生物体无刺激性、不使组织和细胞发生炎症、坏死和功能下降，并能按照需要进行增殖和代谢。l具体来说，要求材料置于一般组织表面、器官空间组织内等处后，活体组织不发生排斥反应，材料自身也不因与活体组织、体液中多成分长期接触发生性质劣化，功能下降。 l 3生物降解吸收性 l 指材料在活体环境中可发生速度能控制的降解，并能被活体在一定时间内自行吸收代谢或排泄。l 按照在生物体内降解方式可分为水解型和酶解型两种。 l（三）具备效果显示功能l 具有显示其医用效果的功能，即生物功能性。l 1.可检查、诊断疾病l 2可辅助治疗疾病如注射器、缝合线和手套等手术用品材料l 3.可分别满足各脏器对维持或延长生命功能的性能要求l 4.具备支持活体、保护软组织、脑和内脏的功能等。l 5.具备可改变药物吸收途径，控制药物释放速度、部位，并满足疾病治疗要求的功能。 l（四）对医用高分子材料生产与加工的要求l要防止在医用高分子材料生产、加工工程中引入对人体有害的物质。l 1.严格控制用于合成医用高分子材料的原料的纯度，不能代入有害杂质，重金属含量不能超标。l 2.医用高分子材料的加工助剂必须是符合医用标准。l 3.对于体内应用的医用高分子材料，生产环境应当具有适宜的洁净级别。 l 1 甲 壳 素 的 存 在l 甲 壳 质 （ chitin） 又 名 几 丁 质 、 甲 壳 素 、 壳多 糖 ， 广 泛 存 在 于 节 足 动 物 （ 蜘 蛛 类 、 甲 壳 类 ）的 翅 膀 或 外 壳 及 真 菌 和 藻 类 的 细 胞 壁 中 。 在 自然 界 中 ， 甲 壳 质 的 年 生 物 合 成 量 约 100亿 吨 ，是 地 球 上 除 纤 维 素 以 外 的 第 二 大 有 机 资 源 ， 是人 类 可 充 分 利 用 的 巨 大 自 然 资 源 宝 库 。 2.甲 壳 素 的 研 究 开 发 现 状 l 甲 壳 质 及 其 衍 生 物 工 业 正 在 崛 起 ， 研 究 开 发正 方 兴 未 艾 。l 从 20世 纪 80年 代 以 来 ， 美 国 和 日 本 等 国 都 已经 投 入 了 大 量 人 力 、 物 力 进 行 这 方 面 的 开 发 与研 究 。l 我 国 的 甲 壳 质 资 源 极 其 丰 富 ， 而 且 曾 是 研 究开 发 甲 壳 质 制 品 较 早 的 国 家 之 一 。 早 在 1958年 ，就 对 甲 壳 质 的 性 能 及 生 产 进 行 过 研 究 ， 并 用 于纺 织 染 整 上 作 上 浆 剂 。 进 入 20世 纪 80年 代 后 期 ，甲 壳 质 资 源 的 开 发 利 用 引 起 了 一 些 科 研 院 所 的重 视 ， 并 开 始 了 在 医 疗 和 保 健 等 领 域 的 研 究 与开 发 。 l 3.甲 壳 质 及 壳 聚 糖 的 生 物 活 性l 1) 抗 菌 、 杀 菌 作 用 l 脱 乙 酰 度 为 30 和 70 的 甲 壳 质 能 提 高 宿 主 抗Sendai病 毒 及 大 肠 杆 菌 感 染 能 力 。 壳 聚 糖 可 抑 制 细 菌 、霉 菌 生 长 。l 2) 抗 肿 瘤 作 用 l 甲 壳 质 可 选 择 性 地 凝 聚 白 血 病 的 L1210细 胞 ，Ehrlich腹 水 癌 C， 对 正 常 的 红 血 球 骨 髓 细 胞 无 影 响 。 l 3) 促 进 组 织 修 复 及 止 血 作 用 l 甲 壳 质 及 其 降 解 产 物 都 带 有 正 电 荷 ， 可 以 从 血 清 中分 离 出 血 小 板 因 子 -4， 增 加 血 清 中 H6水 平 ， 或 促 进 血小 板 聚 集 或 凝 血 素 系 统 。 作 为 止 血 剂 有 促 进 伤 口 愈 合 、抑 制 伤 口 愈 合 纤 维 增 生 、 并 促 进 组 织 生 长 的 功 能 ， 对烧 、 烫 伤 有 独 特 疗 效 。l 4) 增 强 免 疫 力 l 壳 聚 糖 能 增 强 巨 噬 细 胞 的 吞 噬 作 用 和 水 解 酶 的 活 性 ，刺 激 巨 噬 细 胞 产 生 淋 巴 因 子 ， 启 动 免 疫 系 统 ， 且 不 增加 抗 体 的 产 生 。l 此 外 ， 壳 聚 糖 为 天 然 抗 酸 剂 ， 具 中 和 胃 酸 、 抗 溃疡 作 用 ， 还 可 降 低 肾 病 患 者 血 清 胆 固 醇 、 尿 素 及 肌 酸水 平 。 在 医 药 、 农 药 制 剂 开 发 中 作 缓 释 剂 载 体 辅 料 ，合 成 人 工 器 官 （ 人 工 皮 肤 、 粘 膜 、 腿 、 牙 、 骨 ） 及 骨固 定 棒 材 。 l 4.甲 壳 质 及 壳 聚 糖 的 制 备l 以 虾 蟹 壳 为 原 料 ， 通 过 以 下 步 骤 制 备 ：l 原 料 预 处 理 l 将 虾 蟹 壳 的 肉 质 、 污 物 尽 可 能 剔 除 ， 后 用 水洗 净 ， 注 意 虾 蟹 壳 一 定 要 新 鲜 的 ， 腐 败 的 应 去掉 。l 浸 酸 l 取 洗 净 的 新 鲜 虾 蟹 壳 ， 加 HCI溶 液 浸 泡 ， 除去 其 中 CaCO3、 Ca3（ PO4） 2等 矿 物 质 成 分 。l 碱 煮l 将 浸 酸 后 的 软 壳 浸 泡 于 NaOH溶 液 中 煮 沸 1h左右 ， 目 的 是 使 蛋 白 质 被 碱 液 溶 解 ， 油 脂 皂 化 溶于 碱 水 中 ， 同 时 色 素 也 遭 到 破 坏 。 l 氧 化 脱 色 l 将 碱 煮 后 的 虾 蟹 壳 浸 于 清 水 中 ， 滴 入 KMnO4酸 性 溶 液 ， 以 氧 化 原 料 中 的 色 素 和 一 些 未 被 碱除 去 的 杂 质 。l 还 原l 将 氧 化 后 的 原 料 浸 泡 清 水 中 ， 并 滴 入 草 酸 溶液 ， 直 至 蟹 虾 壳 的 褐 色 完 全 褪 尽 ， 色 泽 呈 纯 白为 止 。 滤 干 后 干 燥 ， 得 到 甲 壳 质 。l 脱 乙 酰 基 l 将 甲 壳 质 浸 泡 于 NaOH溶 液 中 可 达 到 脱 乙 酰 目的 。 脱 乙 酰 基 后 滤 干 后 干 燥 ， 即 得 壳 聚 糖 。 l l 5 甲 壳 质 、 壳 聚 糖 及 其 衍 生 物 的 应 用l （ 1） 医 药 及 医 疗 领 域 l -生 产 药 物 的 原 料l 壳 聚 糖 及 其 水 解 的 壳 聚 寡 糖 、 氨 基 葡 萄 糖 等 已用 作 生 产 药 物 的 中 间 体 、 载 体 或 辅 料 。l -药 用 辅 料l 甲 壳 质 及 其 衍 生 物 作 为 新 型 的 药 用 辅 料 已 收载 于 药 剂 辅 料 大 全 及 药 用 辅 料 应 用 技术 ， 它 们 可 用 作 制 剂 的 填 充 剂 、 分 散 剂 、 粘结 剂 、 崩 解 剂 、 包 衣 剂 、 制 粒 剂 、 稳 定 剂 、 植入 剂 的 载 体 、 控 释 制 剂 的 赋 形 剂 和 控 释 膜 材 料 、微 囊 和 微 球 的 囊 材 、 抗 癌 药 物 的 复 合 物 、 片 剂的 稀 释 剂 等 。 l -人 工 皮 肤 （ 医 用 敷 料 ）l 用 甲 壳 质 和 壳 聚 糖 制 作 的 外 用 撒 粉 、 药 膏 及填 充 物 已 广 泛 用 于 外 科 敷 料 的 生 产 。l 用 甲 壳 质 、 壳 聚 糖 等 原 料 制 成 的 人 工 皮 肤（ 医 用 敷 料 ） 用 于 整 形 内 科 、 皮 肤 科 ， 作 为 被覆 保 护 材 料 。l l -手 术 缝 合 线 l 用 甲 壳 质 材 料 制 成 的 外 科 手 术 缝 合 线 ， 具 有 柔软 、 易 打 结 、 、 易 吸 收 无 炎 症 反 应 等 特 点 ， 加速 愈 合 。- 抗 凝 剂l 外 科 手 术 中 已 采 用 壳 聚 糖 作 止 血 材 料 ， 它 比 常规 止 血 剂 的 止 血 效 果 好 ， 且 操 作 简 便 ， 不 易 感染 。l -人 工 器 官l 用 甲 壳 质 及 衍 生 物 的 中 空 纤 维 膜 制 成 的 人 工肾 可 以 经 受 高 温 消 毒 ， 而 且 有 较 大 的 机 械 强 度 。在 对 血 液 透 析 时 ， 克 服 了 长 期 使 用 醋 酸 纤 维 和铜 氨 纤 维 膜 制 成 的 人 工 肾 对 中 、 低 分 子 有 毒 物质 透 过 率 低 的 缺 点 。 l -骨 修 复 材 料 l 甲 壳 质 可 制 成 骨 缺 损 支 架 材 料 ， 骨 细 胞 可 在其 支 架 上 爬 行 替 代 ， 生 长 良 好 。 由 壳 聚 糖 配 以适 当 的 无 机 盐 制 造 的 “ 骨 钉 ” ， 在 骨 外 科 手 术中 用 于 取 代 钢 板 以 固 定 骨 骼 。l - 接 触 眼 镜 材 料l 甲 壳 质 类 物 质 是 制 备 硬 性 或 软 性 接 触 眼 镜 的理 想 材 料 。 所 得 产 品 透 气 性 能 优 异 且 具 促 进 眼内 伤 口 或 创 面 愈 合 作 用 。 若 加 入 染 色 剂 还 可 制作 新 颖 的 彩 色 接 触 镜 。l l l (2)化 妆 品 领 域l 甲 壳 质 、 壳 聚 糖 具 有 良 好 的 增 稠 、 保 湿 、 重金 属 络 合 、 防 静 电 性 能 ， 广 泛 用 于 各 类 膏 霜 及护 发 用 品 等 化 妆 品 中 ， 起 到 吸 湿 、 保 湿 、 护 发 、润 肤 等 功 效l l （ 3） 农 业 领 域l l -作 植 物 种 子 处 理 剂 l 以 壳 聚 糖 处 理 的 植 物 种 子 ， 发 芽 率 有 提 高 ，增 加 了 抗 土 壤 真 菌 的 能 力 。 l l -杀 菌 剂 l 、 壳 聚 糖 能 阻 止 植 物 病 原 菌 细 胞 的 发 育 生 长 ，诱 导 出 宿 主 植 物 对 病 原 菌 的 防 护 机 能 ， 减 少 菌类 对 植 物 的 危 害 。l l （ 4） 其 他 l 壳 聚 糖 、 甲 壳 质 在 纺 织 印 染 行 业 中 作 污 水 处理 剂 ； 食 品 工 业 中 的 增 稠 剂 、 絮 凝 剂 ； 造 纸 工业 中 的 新 型 助 剂 ； 贵 金 属 提 取 络 合 剂 ； 涂 料 、颜 料 、 染 料 添 加 剂 等 。 l 6 甲 壳 素 类 纤 维 的 制 备 技 术1) 甲 壳 素 类 纤 维 纺 丝 原 液 的 制 备 以 壳 聚 糖 为 原 料 时 ， 多 选 用 5%以 下 的 醋 酸 水 溶 液作 为 溶 剂 。 甲 壳 素 纺 丝 原 液 的 制 备 多 采 用 溶 解 性 能 优 异 的 有机 溶 剂 ,加 适 当 的 氯 化 锂 助 溶 。 2) 甲 壳 素 类 纤 维 的 成 型 制 备 甲 壳 素 类 纤 维 可 采 用 干 法 纺 丝 、 湿 法 纺 丝 和干 -湿 法 纺 丝 等 不 同 的 成 型 工 艺 。 3) 甲 壳 素 类 纤 维 的 后 处 理 甲 壳 素 类 纤 维 的 后 处 理 包 括 拉 伸 和 还 原 等 工 序 。 拉 伸 可 在 纺 丝 成 型 时 连 续 进 行 ， 也 可 以 在 制 成 初生 纤 维 后 再 进 行 后 拉 伸 。 对 于 某 些 甲 壳 素 衍 生 物 纺 制 的 纤 维 ， 可 将 该 类 纤维 直 接 应 用 ， 也 可 根 据 需 要 7.甲 壳 素 类 纤 维 的 的 结 构 性 能 与 应 用 甲 壳 素 类 纤 维 是 由 甲 壳 素 类 物 质 作 为 原料 制 得 的 ， 因 此 它 们 具 有 甲 壳 素 类 物 质 的 一 些性 能 ， 如 良 好 的 生 物 活 性 、 生 物 相 容 性 和 生 物可 降 解 性 等 。 同 时 纤 维 成 型 过 程 中 超 分 子 结 构发 生 的 改 变 和 形 成 的 形 态 结 构 对 纤 维 的 性 能 也有 一 定 的 影 响 。 另 外 必 须 指 出 ， 不 同 种 类 的 甲壳 素 类 纤 维 由 于 其 化 学 结 构 的 不 同 ， 导 致 其 超分 子 结 构 也 有 一 定 差 异 。 断 裂 强 度品 种 线 密 度/tex 强 度 /cN.dtex-1 伸 长 /% 打 结 强度/cN.dtex-1干 强 湿 强 干 伸 湿 伸甲 壳 素 纤维 0.17-0.44 0 . 9 7 -2.20 0.35-0.97 4-8 3-8 0.44-1.44壳 聚 糖 纤维 0.17-0.44 0 . 9 7 -2.73 0.35-1.23 4-8 6-12 0.44-1.32 表 :甲 壳 素 和 壳 聚 糖 纤 维 的 质 量 指 标 l 目 前 甲 壳 素 纤 维 和 壳 聚 糖 纤 维 的 断 裂 强 度 较 低 ，特 别 是 湿 强 远 低 于 干 强 ， 这 使 它 们 的 加 工 和 应 用 受到 一 定 的 限 制 。l 我 们 制 备 的 壳 聚 糖 纤 维 经 中 国 纺 织 工 业 协 会 化纤 产 品 检 测 中 心 测 试 。 线 密 度 为 2.01dtex， 断 裂 强度 为 2.02.5cN/dtex， 断 裂 伸 长 率 为 9%左 ， 达 到 国外 同 类 纤 维 先 进 水 平 。 8.甲 克 素 及 壳 聚 糖 纤 维 的 加 工 及 应 用l 针 织 制 衣l 甲 壳 素 类 短 纤 维 纺 纱l 机 织 制 衣l 甲 壳 素 类 短 纤 维 疏 棉 成 网 浸 轧 烘 干 裁 切 包 装 消 毒 医 用 非 织 造 布 l 目 前 国 外 的 甲 壳 素 类 纤 维 主 要 用 于 医 疗 卫 生 领 域 ，特 别 是 日 本 和 美 国 利 用 甲 壳 素 及 其 衍 生 物 制 成 可 吸 收医 用 缝 合 线 和 医 用 敷 料 。l 近 年 日 本 开 发 了 服 装 用 的 甲 壳 素 /纤 维 素 共 混 纤 维蟹 鳖 纶 ， 该 纤 维 具 有 抗 菌 、 防 霉 、 去 臭 、 吸 湿 、 保 温柔 软 、 染 色 性 好 等 优 点 ， 已 引 起 纤 维 工 作 者 的 高 度 重视 。 l l 1 胶 原 的 存 在 l 胶 原 是 蛋 白 质 中 ， 它 主 要 存 在 于 动 物 的 结 缔 组织 和 硬 骨 料 组 织 。 l 不 同 组 织 中 的 胶 原 ， 其 化 学 组 成 和 结 构 都 有 差异 ， 一 般 按 胶 原 的 所 在 组 织 称 之 为 皮 胶 原 、 骨胶 原 、 齿 胶 原 等 。 2 胶 原 蛋 白 纤 维 的 制 备 与 应 用l 胶 原 纤 维 是 通 过 重 新 组 构 牛 屈 肌 腱 的 骨 胶原 悬 浮 液 制 成 的 。 首 先 将 干 净 的 肌 腱 薄 片 用 解酶 进 行 处 理 ， 除 去 骨 胶 原 纤 维 素 中 的 弹 性 硬 ，使 之 容 易 膨 胀 。 之 后 将 肌 腱 薄 片 浸 在 氰 乙 酸 和甲 醇 -水 的 混 其 膨 胀 。 接 着 再 将 得 到 的 混 合 物均 匀 化 处 理 和 过 滤 ， 然 后 压 入 适 当 的 凝 固 浴 里形 成 丝 条 。 胶 原 纤 维 的 基 本 性 能 及 与 其 他 纤 维 的 比 较 表 胶 原 纤 维 的 基 本 性 能 及 与 其 他 纤 维 的 比 较 项 目 胶 原 纤 维 羊 毛 乳 酪 纤维 大 豆 蛋 白 纤维干 抗 张 强 度 /g.d-1 1.8-2.5 1.0-1.7 1.1 0.7干 伸 长 率 /% 40-50 25-35 50 60湿 抗 张 强 度 /g.d-1） 0.8-1.5 0.76-1.63 0.6 0.35湿 伸 长 率 /% 42-50 25-50 60 60初 始 弹 性 模 数 /g.d -1 26-58 11-25 相 对 密 度 1.39 1.32 柔 韧 度 很 好 很 好 l 胶 原 纤 维 几 乎 与 人 的 皮 肤 组 成 相 同 ， 具 有最 好 的 亲 和 性 和 穿 着 舒 适 性 ， 其 干 强 度 和 湿 强度 都 超 过 了 羊 毛 ， 弹 性 也 远 远 超 过 了 羊 毛 ， 还具 有 抑 菌 作 用 。 胶 原 纤 维 可 制 成 外 科 手 术 缝 合线 ， 当 伤 口 愈 合 时 ， 不 需 拆 线 ， 可 被 人 体 吸 收 。胶 原 纤 维 还 特 别 适 合 制 作 贴 身 穿 着 的 内 衣 和 内裤 。 1 聚 乳 酸 的 原 料 聚 乳 酸 （ PLA） 是 以 乳 酸 为 基 本 原 料 制 得的 。 所 有 碳 水 化 合 物 富 集 的 物 质 ， 例 如 粮 食 、有 机 废 弃 物 （ 如 玉 米 芯 或 其 它 农 作 物 的 根 、 茎 、叶 、 皮 ， 城 市 有 机 废 物 ， 工 业 下 脚 等 ） 都 是 乳酸 生 产 的 原 料 。 我 国 发 酵 乳 酸 工 业 主 要 采 用 玉 米 、 大 米 、薯 干 粉 等 为 发 酵 原 料 。 乳 酸 菌35 45 2 OHC6H12O6 CH3CHCOOH 2 聚 乳 酸 的 合 成 l 聚 乳 酸 的 合 成 方 法 通 常 有 两 种 ， 即 丙 交 酯（ 乳 酸 的 环 状 二 聚 体 ） 的 开 环 聚 合 和 乳 酸 的 直接 聚 合 。 l 利 用 乳 酸 直 接 缩 聚 制 备 PLA生 产 工 艺 简 单 ，但 得 到 的 聚 合 物 分 子 量 低 ， 且 所 得 聚 合 物 分 子量 分 布 较 宽 ， 其 力 学 性 能 、 降 解 性 能 等 不 能 满足 生 物 医 学 的 需 要 。l 聚 乳 酸 及 其 共 聚 物 的 最 大 问 题 是 价 格 相 当高 。 分 子 量 超 过 100000的 聚 乳 酸 通 常 由 价 格 很贵 的 丙 交 酯 聚 合 制 得 ， 因 此 其 在 塑 料 和 纤 维 方面 的 应 用 受 到 限 制 。 l 最 近 ， 国 外 正 尝 试 用 生 物 合 成 法 制 取 聚 乳酸 ， 即 培 养 、 筛 选 合 适 的 微 生 物 ， 在 体 内 直 接合 成 聚 乳 酸 ， 并 通 过 一 定 的 方 法 提 取 聚 乳 酸 。该 法 可 达 到 清 洁 生 产 ， 同 时 可 进 一 步 降 低 生 产成 本 、 提 高 产 品 的 各 种 性 能 指 标 ， 扩 大 市 场 应用 范 围 。l 由 于 聚 乳 酸 均 聚 物 为 疏 水 性 物 质 ， 降 解 周期 不 易 控 制 ， 因 此 聚 乳 酸 共 聚 物 的 合 成 成 了 近年 来 医 用 生 物 降 解 性 高 分 子 材 料 的 研 究 热 点 之一 。 3 聚 乳 酸 的 结 构 与 性 能 聚 乳 酸 也 称 为 聚 丙 交 酯 ， 是 一 种 线 型 聚 酯类 高 分 子 。 由 于 原 料 乳 酸 是 光 活 性 物 质 ， 有 D型 和 L型 两 种 光 学 结 构 体 ， 因 此 聚 乳 酸 亦 有 聚D-乳 酸 （ PDLA） 、 聚 L-乳 酸 （ PLLA） 和 聚 D，L-乳 酸 （ PDLLA） 之 分 。 PLA的 基 本 性 能 PLA类 型 PDLA PLLA PDLLA固 体 结 构 结 晶 性 结 晶 性 非 结 晶性熔 点 /0C 180 180 Tg/0C 56 热 分 解 温 度 /0C 200 200 180200拉 伸 率 /% 2030 2030 断 裂 强 度 /g.d-1 4.05.0 5.06.0 水 解 性 （ 370C生理 盐 水 中 强 度 减半 时 间 ） 46个 月 46个 月 23个月 l 体 内 试 验 表 明 ， 聚 乳 酸 可 发 生 水 解 反 应 。 降 解速 度 与 其 分 子 量 和 结 晶 度 有 关 。 分 子 量 越 高 ， 降 解越 慢 。 降 解 首 先 发 生 在 聚 合 物 无 定 型 区 ， 降 解 形 成的 较 小 分 子 链 可 能 重 排 成 结 晶 ， 故 聚 合 物 的 结 晶 度在 降 解 开 始 阶 段 有 时 会 升 高 ， 材 料 的 外 形 和 质 量 无明 显 变 化 。 随 后 （ 约 21d） ， 结 晶 区 大 分 子 开 始 降解 ， 随 着 分 子 量 的 降 低 和 一 些 疏 水 性 甲 基 从 大 分 子链 上 断 裂 ， 聚 合 物 的 机 械 强 度 减 弱 ， 亲 水 性 和 溶 解性 增 加 ， 随 着 水 分 子 扩 散 进 入 材 料 的 速 度 加 快 ， 水解 反 应 自 动 加 速 ， 50d后 ， 结 晶 区 完 全 消 失 ， 随 后 ，材 料 明 显 失 重 和 溶 解 直 至 完 全 消 失 。 聚 乳 酸 制 成 的塑 料 和 纤 维 ， 废 弃 在 自 然 界 中 能 在 六 个 月 内 被 常 见的 微 生 物 完 全 分 解 而 消 失 。 l 聚 乳 酸 水 解 的 中 间 产 物 为 乳 酸 ， 它 是 体 内糖 的 正 常 代 谢 产 物 ， 可 循 乳 酸 的 代 谢 途 径 参 与体 内 生 化 代 谢 ， 最 终 生 成 无 害 的 小 分 子 水 和 二氧 化 碳 。 故 该 聚 合 物 无 毒 、 无 刺 激 性 、 体 内 可吸 收 ， 具 良 好 的 生 物 相 容 性 。 而 且 其 降 解 产 物二 氧 化 碳 和 水 通 过 光 合 作 用 又 可 变 成 淀 粉 ， 这样 可 在 自 然 界 中 循 环 。 因 此 ， 聚 乳 酸 被 公 认 为是 一 种 优 异 的 “ 绿 色 ” 聚 合 物 ， 具 有 可 持 续 发展 的 广 阔 使 用 前 景 。 l l l l l l l l 4 聚 乳 酸 纤 维 的 制 备 技 术 聚 乳 酸 及 其 共 聚 物 的 纺 丝 可 采 用 溶 液 纺丝 和 熔 融 纺 丝 来 实 现 。 聚 乳 酸 的 溶 液 纺 丝 主 要 采 用 干 纺 -热 拉 伸工 艺 。 通 过 干 纺 制 得 的 纤 维 的 机 械 性 能 要 优 于熔 纺 纤 维 。 但 由 于 溶 液 纺 丝 法 的 工 艺 较 为 复 杂 ，溶 剂 回 收 困 难 ， 纺 丝 环 境 恶 劣 。 同 时 所 采 用 的溶 剂 有 毒 ， 这 在 聚 乳 酸 合 成 的 成 本 较 高 的 情 况下 ， 使 其 最 终 产 品 成 本 更 高 ， 从 而 限 制 了 其 应用 。 由 于 熔 纺 同 溶 液 纺 丝 相 比 具 有 经 济 上 的 优势 ， 因 此 熔 纺 领 域 的 研 究 非 常 活 跃 。 熔 融 纺 丝法 生 产 聚 乳 酸 纤 维 的 工 艺 和 设 备 正 在 不 断 地 改进 和 完 善 ， 它 已 成 为 乳 酸 纺 丝 成 形 加 工 的 主 流 。 l 作 者 等 对 纺 丝 条 件 对 聚 乳 酸 的 可 纺 性 和 初生 纤 维 结 构 性 能 的 影 响 进 行 了 较 详 细 的 研 究 。发 现 PLA的 纺 丝 温 度 窗 口 很 窄 。 温 度 过 低（ 207.5 ） 会 产 生 毛 丝 严 重 、 生 头 困 难 的 现 象 ；过 高 （ 215 ） ， 制 得 的 初 生 纤 维 不 能 进 行 拉伸 。 纤 维品 种 Tm( ) Tg( ) 密 度(g/cm3 ) 抗 张 强 度（ cN/dtex） 模 量（ cN/dtex）PLA 170 57 1.27 3-5 40-60PET 256 69 1.38 3-8 90-100 5.聚 乳 酸 纤 维 的 性 能 与 应 用 表 聚 乳 酸 纤 维 的 物 理 性 能 领 域 举 例服 装 运 动 服 、 制 服 、 内 衣 、 汗 衫 等建 筑 材 料 种 植 业 用 网 和 无 纺 织 物 、 地 面 覆 盖 增 强 材 料 、 催熟 膜 、 沙 袋 等农 业 、 林 业用 材 料 防 杂 草 袋 和 网 、 奶 酪 包 布 、 绑 带 、 种 子 袋 、 农 用化 学 品 和 化 肥 袋渔 业 用 材 料 鱼 网 、 海 带 养 殖 网 、 鱼 线造 纸 业 用 材料 包 装 材 料家 用 制 品 普 通 用 具 、 室 外 休 闲 用 具 卫 生 医 疗 制品 尿 布 、 个 人 卫 生 用 品 、 手 术 缝 合 线 、 卫 生 纱 布 和海 绵 表 聚 乳 酸 纤 维 的 应 用 特 别 是 在 生 物 医 学 领 域 已 在 以 下 四 个 方面 显 示 了 广 阔 的 应 用 前 景 。 1) 外 科 手 术 缝 线 l PLA及 其 共 聚 物 由 于 具 有 生 物 降 解 性 和 体内 可 吸 收 性 ， 用 作 外 科 手 术 缝 线 能 够 促 进 伤口 愈 合 并 随 后 降 解 吸 收 。 理 想 的 手 术 缝 线 材料 应 具 有 较 强 的 初 始 抗 张 强 度 和 与 伤 口 愈 合时 间 相 吻 合 的 降 解 速 率 。l 1975年 上 市 的 聚 乙 交 酯 -丙 交 酯 手 术 缝 合线 Vicryl手 感 好 ， 具 有 良 好 的 力 学 性 能 及 组织 相 容 性 。 l 近 年 的 研 究 主 要 集 中 在 ： 合 成 高 分 子 量 的 PLA， 改 进 缝 线 加 工 工 艺 ，提 高 缝 线 机 械 强 度 合 成 光 活 性 聚 合 物 PDLA、 PLLA， 因 为 半 结 晶的 PDLA、 PLLA比 无 定 形 PDLA具 较 高 的 机 械 强度 、 较 大 的 拉 伸 比 率 及 较 低 的 收 缩 率 ， 更 适合 作 手 术 缝 线 ； 设 计 多 功 能 化 的 缝 合 线 。 2) 骨 内 固 定 装 置 PLA纤 维 可 用 来 增 强 PLA， 大 幅 度 提 高 固 定 材 料的 初 始 强 度 。 3) 组 织 工 程 材 料 以 PLA纤 维 为 原 料 可 以 编 织 或 组 织 工 程 支 架 ， 通过 对 支 架 微 环 境 的 调 节 ， 实 现 对 细 胞 生 长 和 功 能 的控 制 ， 从 而 开 发 可 移 植 组 织 和 部 件 或 体 外 装 置 ， 以达 到 可 修 复 和 重 建 缺 失 功 能 的 目 的 。4) 牙 周 再 生 片 牙 周 片 是 一 种 引 导 性 组 织 再 生 器 具 ， 即 采 用 膜状 物 作 为 屏 障 ， 阻 控 龈 组 织 与 根 面 的 接 触 ， 腾 出 空间 供 骨 膜 韧 带 及 （ 或 ） 齿 槽 骨 的 原 有 细 胞 生 长 ， 达到 牙 周 病 痊 愈 的 效 果 。 以 PLA纤 维 为 原 料 可 以 编 织 为人 体 吸 收 的 牙 周 再 生 片 。 5) 神 经 导 管 6) 其 他 由 于 PLA纤 维 具 有 很 好 的 力 学 性 能 和 生 物可 降 解 性 ， 因 此 用 作 尿 布 、 绷 带 和 用 即 弃 工作 服 等 ， 其 废 弃 物 埋 入 土 壤 后 可 在 6个 月 内 被分 解 掉 。 l l （ 四 ） 其 它 医 学 纤 维l 1 海 藻 酸 纤 维l 海 藻 酸 是 从 海 藻 植 物 中 提 炼 的 多 糖 物 质 。其 化 学 结 构 为 C- 为 羧 基 的 D-甘 露 糖 醛 酸 和 L-葡 萄 糖 酸 、 - ， 结 合 的 共 聚 物 。l 海 藻 酸 纤 维 可 由 湿 法 纺 丝 制 备 ， 将 由 海 藻 酸钠 碱 性 浓 溶 液 经 过 喷 丝 板 挤 出 后 送 入 含 钙 离 子的 酸 性 凝 固 浴 中 ， 海 藻 酸 钠 与 钙 离 子 发 生 离 子交 换 ， 即 形 成 不 溶 于 水 的 海 藻 酸 钙 纤 维 ， 其 缺点 是 断 裂 强 度 较 低 。l 当 海 藻 酸 钙 纤 维 用 于 伤 口 接 触 层 时 ， 它 与 伤 口之 间 相 互 作 用 ， 会 产 生 海 藻 酸 钠 、 海 藻 酸 钙 凝胶 。 这 种 凝 胶 是 亲 水 性 的 ， 可 使 氧 气 通 过 而 细菌 不 能 通 过 ， 并 促 进 新 组 织 的 生 成 ， 因 此 是 医用 敷 料 的 理 想 原 料 。 l l 2 聚 乙 交 酯 纤 维l 聚 乙 交 酯 是 由 羟 乙 酸 为 单 体 ， 通 过 其 二 聚 体的 开 环 体 聚 合 而 成 的 。 与 PLA一 样 ， 它 也 可 以制 成 复 丝 ， 然 后 编 织 成 手 术 缝 合 线 。 这 种 缝 合线 的 强 度 大 于 肠 衣 线 ， 而 且 与 普 通 肠 衣 线 相 比 ，其 炎 症 反 应 也 少 得 多 。 它 在 活 组 织 内 大 约 在1018周 被 吸 收 ， 其 吸 收 周 期 比 PGLA缝 合 线 长 ，但 其 强 度 保 持 情 况 比 PGLA缝 合 线 差 。 早 在 20世 纪 60年 代 ， 它 就 以 “ Dexon”的 商 品 名 投 放 市场 。l l 3 聚 -羟 基 丁 酸 酯 及 其 共 聚 物l 聚 -羟 基 丁 酸 酯 （ PHB） 是 一 种 微 生 物 合 成 的聚 酯 。 PHB及 其 共 聚 物 通 称 为 聚 羟 基 脂 肪 酸 酯（ PHA） ， 是 将 糖 类 喂 入 细 菌 培 养 产 生 的 。PHA存 在 于 细 胞 内 ， 通 过 萃 取 取 出 ， PHA重 量可 占 细 菌 重 的 90%。l PHB和 PHA具 有 生 物 降 解 性 ， 主 要 发 生 酶 降解 反 应 ， 在 其 它 条 件 下 ， 降 解 速 度 很 慢 或 步 降解 。l PHB和 PHA已 用 在 医 疗 、 农 业 和 日 常 生 活 用品 上 。 在 医 疗 领 域 可 作 中 长 期 降 解 用 的 手 术 缝合 线 、 骨 钉 、 棒 、 板 、 医 用 敷 料 、 长 效 药 物 的控 制 释 放 载 体 。 l 与 PLA一 样 ， PHB和 PHA可 通 过 熔 体 纺 丝 制成 长 丝 ， 然 后 编 织 成 手 术 缝 合 线 。l l 4 聚 已 内 酯 纤 维l 聚 已 内 酯 （ PCL） 是 一 种 半 结 晶 性 聚 合 物 ， 其熔 点 为 59640C， 玻 璃 化 温 度 为 -600C。 其 结 构重 复 单 元 上 有 五 个 非 极 性 亚 甲 基 和 一 个 极 性 酯基 ， 这 样 的 结 构 使 得 PCL具 有 很 好 的 柔 韧 性 和加 工 性 ， 其 力 学 性 能 与 聚 烯 烃 相 似 。 这 种 材 料具 有 很 好 的 生 物 相 容 性 和 生 物 降 解 性 。l PCL可 纺 制 成 长 丝 ， 然 后 编 织 成 手 术 缝 合 线 ，降 解 时 间 在 2年 左 右 ， 常 通 过 共 聚 改 性 而 加 快其 生 物 吸 收 速 率 。l l (一 )甲 克 质 壳 聚 糖l 1.甲 克 质 壳 聚 糖 纤 维 上 海 市 科 技 发 展 基 金 重 大 科 技 项 目 （ 3项 ， 1989 1998） 上 海 科 技 进 步 三 等 奖 （ 1997） 国 家 发 明 专 利 （ 2项 ， 专 利 号 ZL94116666.X、CN1149093A） ） 实 用 新 型 专 利 （ 3项 ， 抗 菌 袜 、 抗 菌 裤 、 文 胸 ,2001） 1998年 开 发 了 强 度 符 合 服 装 用 的 甲 壳 质 纤 维 ， 2000开发 了 甲 壳 质 /纤 维 素 共 混 纤 维 并 批 量 投 放 市 场 ， 该 纤 维 具有 抗 菌 、 防 霉 、 去 臭 、 吸 湿 、 保 湿 、 柔 软 、 染 色 性 好 等优 点 ,制 成 的 抗 菌 袜 、 抗 菌 裤 、 婴 儿 袍 、 文 胸 等 经 医 院 临床 应 用 ， 证 实 它 们 具 有 良 好 的 抑 菌 性 能 。 纯 纺 者 抑 菌 率达 99%以 上 ； 混 纺 者 抑 菌 率 达 75%左 右 ， 具 有 良 好 的 保 健功 能 。 这 是 由 于 壳 聚 糖 分 子 结 构 上 有 独 特 的 活 性 基 团 ，对 大 肠 杆 菌 、 金 色 葡 萄 球 菌 、 白 念 珠 菌 等 具 有 抑 制 作 用 。 表 壳 聚 糖 纤 维 及 纯 纺 织 物 的 抑 菌 检 验 结 果 株 振 摇 1小 时抑 菌 率 （ ） 振 荡 0小 时菌 落 数 （ cfu/ml）大 肠 杆 菌 （ 8099）金 黄 色 葡 萄 球 菌 （ ATCC 6538）白 色 念 珠 球 菌 （ ATCC 10231） 99.8999.8799.77 2.7 1052.9 052.9 105注 ： 对 照 纤 维 抑 菌 率 5 l 2.甲 壳 质 医 用 敷 料l 我 们 研 制 的 甲 壳 质 医 用 敷 料 ， 经 上 海 二 军 大 附 属长 海 医 院 、 瑞 金 医 院 、 中 山 医 院 等 临 床 应 用 ， 证 明 具有 刺 激 新 皮 肤 生 成 、 加 快 愈 合 速 率 、 减 少 疼 痛 等 功 能 ，对 治 愈 烧 伤 、 烫 伤 、 褥 疮 、 体 表 溃 疡 等 有 着 独 特 的 疗效 。 已 取 得 生 产 许 可 证 和 卫 生 许 可 证 ,并 进 入 上 海 市 医保 范 围 。l 3.甲 壳 质 护 创 贴l 4.甲 壳 质 可 吸 收 缝 合 线l 5.香 烟 过 滤 嘴 上 海 科 技 发 展 基 金 （ 2001 2002）l 6.放 射 性 种 子 导 管 l 7.牙 周 再 生 片 l (二 )PGLAl 1.PGLA可 吸 收 缝 合 线l 我 们 于 1996年 初 开 始 研 制 PGLA可 吸 收 缝 线 。 经 国 家 医药 管 理 局 医 用 高 分 子 质 量 检 测 中 心 检 测 证 明 ： 无 菌 ，无 热 原 反 应 ， 溶 血 率 小 于 5%， 细 胞 毒 性 反 应 不 大 于 1级 ， 无 数 敏 反 应 ， 皮 内 数 2级 反 应 指 数 不 大 于 0.4，Amex试 验 为 阴 性 ， 植 入 试 验 无 异 常 病 理 改 变 其 它 理 化指 标 如 重 金 属 含 量 ， 抗 张 强 度 ， 降 解 率 等 均 符 合 企 标Q/IVBG011999的 规 定 要 求 。 该 缝 线 经 临 床 试 验 ， 产品 强 度 高 ， 生 物 相 容 性 好 ， 降 解 吸 收 周 期 为 60天 左 右 ，病 人 使 用 后 不 需 拆 线 。 上 海 市 科 技 发 展 基 金 （ 1996 1998） 国 家 科 技 部 中 小 企 业 科 技 创 新 基 金 （ 2001 2003） 上 海 市 科 技 进 步 三 等 奖 （ 2002） 上 海 市 科 技 成 果 转 化 项 目 （ 1998） 国 家 医 药 管 理 总 局 产 品 注 册 证 （ 2002.8准 字 号 ） l 2.PGLA牙 周 再 生 片l 根 据 口 腔 科 临 床 医 生 的 需 求 ， 我 们 研 制 成PGLA牙 周 再 生 片 。 该 产 品 已 达 国 际 九 十 年 代末 水 平 ， 属 国 内 首 创 。 上 海 市 种 子 基 金 （ 2001-2003）l 3.PGLA神 经 导 管 上 海 市 科 委 重 大 科 技 项 目 （ 2002 2004）l空 管 道 l喷 涂 神 经 生 长 因 子l等 离 子 体 处 理l中 间 加 导 线 谢 谢 各 位