医院西院陈航
第三届中国药师职业技能大赛
生物材料是以医用为目的,用于和活体组织接触,且具有功能的无生命材料。生物材料包括金属材料、无机材料和有机材料三大类。现代医学的发展,对材料的性能提出了复杂而严格的多功能要求,这是大多数金属材料和无机材料难以满足的;而合成高分子材料与生物体(天然高分子)则有着极其相似的化学结构,具有良好的物理-机械性能,一定的生物相容性及简便的生产、加工成型特性,使其在生物医用领域占绝对优势。其中,生物可降解高分子最引人注目。因为在人体或动物骨折的内固定、骨缺损修复、肌腱修补以及人体血管、肌肉及其它组织缝合及一些药物释放等方面,迫切希望一些医用高分子除具有一定的强度、刚度、韧性及生物学相容性外,还必须具备一定的生物降解性,以便被生物体内吸收或排泄,可以免除患者需二次手术的痛苦。因此生物医用可降解高分子材料的研究越来越引起了人们的重视。生物降解高分子是指通过自然界或添加的微生物的化学作用，将高分子物质分解成小分子化合物，再进入自然的循环过程。本文对可生物降解高分子材料的应用作了简要介绍。论述了生物降解高分子材料的研究现状，并对生物降解高分子材料的降解机理、影响因素及其在包装、餐饮、农业、医药等各个领域潜在的应用前景进行了探讨。
可生物降解高分子材料(biodegradablepolymericmaterials)是指在一定时间和一定条件下，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。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CO2和H2O。此类高分子包括淀粉、纤维素、蛋白质、聚糖、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、相对分子质量低、分子链线性化程度高和较大的比表面积等。按照原料组成和制造工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，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-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(PLA)、聚己内酯(PCL)等，这类材料具有良好的机械性能，且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(PHBV)、聚羟基丁酯(PHB)和聚羟基戊酸酯(PHV)等。
根据生物降解高分子材料的降解特性可分为完全生物降解高分子材料(Biodegradablematerials)和生物破坏性高分子材料(或崩坏性,Biodestructiblematerials);按照其来源的不同主要分为天然高分子材料、微生物合成高分子材料、化学合成高分子材料和掺混型高分子材料四类。高分子生物降解机理为理想的生物降解高分子材料是一种具有优良的使用性能，废弃后可被环境微生物完全分解，最终被无机化而成为自然界中碳元素循环的一个组成部分的高分子材料。生物降解高分子材料的生物降解通常是指以化学方式进行的，即在微生物活性（有酶参与）的作用下，酶进入聚合物的活性位置并渗透至聚合物的作用点后，使聚合物发生水解反应从而使聚合物的大分子骨架结构发生断裂成为小的链段，并最终断裂成稳定的小分子产物，完成降解过程。一般高分子材料的生物降解可分为完全生物降解机理和光-生物降解机理。完全生物降解机理大致有三种途径：①生物物理作用：由于生物细胞增长而使聚合物组分水解，电离质子化而发生机械性的毁坏，分裂成低聚物碎片；②生物化学作用：微生物对聚合物作用而产生新物质（CH4，CO2，和H2O）；③酶直接作用：被微生物侵蚀部分导致材料分裂或氧化崩裂。光-生物降解机理是材料中的淀粉等生物降解剂首先被生物降解，增大表面/体积比，同时，日光、热、氧引发光敏剂等使高聚物生成氧化物并氧化断裂，分子量下降到能被微生物消化的水平。
影响生物降解的因素主要有环境因素和材料的结构。环境因素是指水、温度、pH值和氧的浓度。水是微生物生成的基本条件，因此聚合物能保持一定的湿度是其可生物降解的首要条件。每一种微生物都有其适合生长的最佳温度，通常真菌的适宜温度为20℃～28℃，细菌则为28℃～37℃。一般来说,真菌适宜长在酸性环境中，而细菌适宜长在微碱性条件下。真菌为需氧型的，细菌则可在有氧或无氧条件下生长。材料的结构是决定其是否可生物降解的根本因素。一般情况下只有极性高分子材料才能与酶相粘附并很好地亲和，因此高分子材料具有极性是生物降解的必要条件。高分子的形态、形状、分子量、氢键、取代基、分子链刚性、对称性等均会影响其生物降解性。另外，材料表面的特性对微生物降解也有影响，粗糙表面材料比光滑表面材料更易降解。
据有关部门预测,我国食品包装如餐饮业、超市、蔬菜基地等,工业品包装业如家电、仪器仪表、医疗卫生等,在21世纪塑料包装高分子材料需求量将达到万吨,按其中30%难以收集计算,则废弃物将达万吨。如果将这些不可降解塑料由可降解高分子材料代替,可为生物降解高分子材料在包装领域开辟很大的市场。另外,庞大的一次性餐饮具的市场需求也给生物降解高分子材料带来巨大的市场空间,如在年我国餐盒的使用量约亿只,方便面碗也在亿只以上,还有一次性杯、碗、盘、碟等,特别是国家经贸委下达禁止生产、销售、使用一次性发泡塑料餐具后,降解高分子材料的市场空间显得优为广阔。在欧洲,一些国家正在推广一种自动“除权”的生物降解高分子材料,主要用于对存放周期有严格要求的商品,如药品、食品等。使用这种包装的商品,一旦过了使用限期,包装物就会自己分解和散架,使此类商品自动丧失在市场流通的“权利”。研究人员还在这类降解高分子材料中加入某些染料,当“除权”日期临近时,包装物的颜色会出现异常变化,以提醒消费者。这为生物降解高分子材料的应用开辟了新的途径。现目前用于包装、餐饮行业的生物降解高分子材料有甲壳素/壳聚糖及其衍生物、聚(3-羟基丁酸酯)(PHB)及其共聚物(聚3-羟基丁酸酯-co-3-羟基戊酸酯)(PHBV)等,开发的产品主要有包装袋、食品袋、快餐餐具、饮料杯等。
生物降解高分子材料的第二大应用领域就是在农业上。可生物降解高分子材料可在适当的条件下经有机降解过程成为混合肥料,或与有机废物混合堆肥,特别是用甲壳素/壳聚糖制备的生物降解高分子材料或含有甲壳素/壳聚糖的生物降解高分子材料,其降解产物不但有利于植物生长,还可改良土壤环境。我国是农业大国,每年农用薄膜、地膜、农副产品保鲜膜、育秧钵及化肥包装袋等的用量很大。农作物地膜覆盖面积在年就超过1亿亩,地膜需求量50万吨,并以每年20-30%速度增长;化肥包装袋在年为23万吨,估计到年会增至36万吨;如此大的用量造成了大量的不可降解的废弃物,既污染了环境又浪费了高分子材料。如果用可生物降解高分子材料代替,农用地膜可在田里自动降解,变成动、植物可吸收的营养物质,这样不但减轻环境的污染,有益于植物的生长,还可达到循环利用的目的。在农业领域目前已开发的产品主要有地膜、育苗钵、肥料袋、堆肥袋等。
目前，应用最广，发展最快，研究最热的当推医用生物降解高分子材料。在医疗中应用最广泛的是医用塑料材料和医用橡胶制品。而生物降解高分子材料在医药领域上的另一项重要应用是药物控制释放，其作为药物控制释放载体的研究吸引了世界各国的研究工作者，成为研究的热点。用生物降解高分子作为载体的长效药物植入体内，在药物释放完之后不需要再经手术将其取出，这可以减少用药者的痛苦和麻烦。因此生物降解高分子是抗癌、青光眼、心脏病、高血压、止痛、避孕等长期服用药物的理想载体。目前作为药物载体被广泛研究的生物降解性高分子有聚乳酸、乳酸-己内酯共聚物、乙交酯-丙交酯共聚物和己内酯-聚醚共聚物等脂肪族聚酯类高分子,此外还有海藻酸盐、甲壳素、纤维素衍生物等天然高聚物。生物降解高分子在生物医用领域的另一重要应用是作为体内短期植入物，如用生物吸收的聚乳酸、胶朊制成的手术缝合线，可以免除手术后再拆线的痛苦和麻烦。用聚孔酸制成的骨钉、骨固定板，可以在骨折痊愈后不需再经手术取出，从而可大大减轻病人的痛苦，在一定医院床位紧张的矛盾，对个人和社会都具有重要的意义。用生物降解高分子材料制成胃肠道吻合套，可以改革现行手术的缝合或铆合过程，从而防止现行手术中经常发生的出血、针孔泄漏、吻合口狭窄和粘连等手术问题，还可大大缩短手术时间。用生物可降解可吸收材料作为神经修复和青光眼手术材料的研究亦是国际上近年来竞相研究的重要课题。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L-亮氨酸等酶催化生物降解材料。就目前来看，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：①医用可生物降解高分子材料的应用领域将进一步拓宽。②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。③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。④生物技术在医用高分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。尽管我国在高分子材料的应用上起步较早，但是与发达国家相比，我国医学使用高分子材料的应用研究还有待于提高。目前研究的领域主要是由高分子材料制成的医疗器械以及高分子材料被用作药物载体、缓释制剂等。随着生物医学技术和高分子材料学科的发展，制备仿生和智能化的高分子材料医用器械，是增进人体健康、延长寿命重要举措，因此具有很大的发展前景。而另一方面利用高分子材料独特的优异性，制备具有无副作用、无毒性、剂量小、疗效高、价格便宜的高分子药物将会有巨大的发展前景。
组织工程学是近10年来新兴的一门交叉科学，它是应用工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。组织工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。组织工程的核心是建立由细胞和生物材料所构成的三维复合体，其中由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质。组织引导再生(guidedtissueregeneration,GTR)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Fleisher、Magnusson、Blumenthal等的研究报道，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GTR材料。孙毅等报道聚吡咯在神经组织、皮肤、肝脏、肾上腺、骨和血管中都有广泛的应用。此外，聚乙交酯(PGA)、聚乳酸(PLA)及乳酸与乙交酯的共聚物(PLGA)用于组织工程进行肝的再生，具有很好的生物适应性。
生物降解高分子材料除了在包装、餐饮业、农业、医药领域的应用外,在一次性日用品、渔网具、尿布、卫生巾、化妆品、手套、鞋套、头套、桌布、园艺等多方面都存在着潜在的市场,有很好的发展前景。
药用高分子化合物及高分子药物的发展，不仅改变了传统的用药方式，开辟了药物制剂学的新领域，丰富了药物的类型，而且对制剂学与药理学提出了大量的新问题。新型高分子材料的研发和应用对我国传统医药产业的技术改造和技术创新。以及高新技术医药新产品的开发有着强有力的推动作用，高新技术医药新品将是我国医药行业开拓国内市场，进军国际市场的重要棋子。我国药用高分子材料的研究还处于发展阶段,部分研究虽然紧跟和接近国际水平,但总体上仍存在一定差距,基础研究薄弱,研究思路缺少创新性,对体内转运、细胞摄取等机制的探求不够深人,材料研究与药物新剂型及制剂的研发结合不够紧密等问题不容忽视。随着材料科学基础研究的日益深入和可控的聚合技术以及组合化学、点击化学等新方法在高分子材料设计与合成中的应用,未来我国药用高分子材料研究应从深度和广度上逐渐扩展,提高我国高分子药用材料的总体研究水平。
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