中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2018

专注于为医疗器械研发与生产服务

2019年 9月25日-27日 | 上海世博展览馆

可降解生物聚合物的医疗应用

2018-11-01

可降解生物聚合物,属于聚酯类大家族,如今被越来越多地在应用于医疗和制药领域。它们主要是用于缝合操作以及接骨术所需的医用器械,或者还用于活性化合物的控释系统。

以可以自动降解的聚合物为基础所制作的植入物,运用到整形外科之中具有一大优势:它对康复过程十分有利,因为可以避免再次进行手术以取出植入物。可以自动降解的聚合物会在一定的生理条件下降解为一些无毒的天然物质.

 

在生物可降解的聚合物中,以乳酸和/或乙醇酸为主要成分的聚合物的运用尤为广泛。它们在降解后会转化为一些天然化合物(例如水和二氧化碳),而且身体可以很容易地通过肾脏等器官将其排出体外。除此以外,这一类聚合物30多年以来得到了诸多运用,通过长时间的实践证明了其生物无害性。

 

从20世纪80年代开始,可以自动降解的聚合物充当了整形外科学中很多种创新型产品的主要制作成分,例如固定韧带的螺丝、夹板、创口夹子、固定骨折的锚钉和针形物等。此类聚合物在其它的医疗领域内也表现出一些难得的优势。最近有一种非常具有创新性的新型治疗方法问世,使用的是可以被生物降解的支架,以防止心脏动脉中发生狭窄。某些可以被植入的可生物降解聚合物也被运用到一些以3D打印机为辅助的应用之中。

 

  特  性  

 

最重要的可自动降解式聚合物的化学合成是通过对应单体(例如丙交酯、乙交酯、二氧环己酮、三亚甲基碳酸酯(TMC)等)的开环聚合来实现的,并且通过一种催化剂来引发开环聚合。对于这样生成的聚合物,其特性取决于对不同单体和共聚单体的选择、它们的组成以及分子重量的分布。

 

生物可降解类聚合物的大家族一直延伸到高结晶度的聚合物(例如聚乙交酯),也包括半结晶产品(例如聚(L-丙交酯)),甚至包括完全是无定形的聚合物(例如聚(D,L-丙交酯))。有可能合成诸如聚L-丙交酯之类自动降解非常快的聚合物,但是这些它们依然需要好几年的时间才能完全消失。甚至可以通过在聚合物链中混加TMC而将弹性特征引入其中。

 

在根据目标应用来选择聚合物时,结晶性能是一个非常关键的因素。结晶的程度以及结晶区的分布能够对机械性能造成至关重要的影响,尤其是对于纤维的制作。结晶性能既是由聚合物包括单体组成在内的具体参数确定的,同时又可以受到一些适应性方法(例如模具设计和热处理等)的控制和/或引发。

 

可自动降解的聚合物所达到的机械性质对接骨术而言非常重要。聚合物正是凭借这些生物机械性能才能经得起拉伸和压缩作用力,尤其是在术后的恢复期间。在病患的痊愈过程中,随着植入物的降解,可以观察到固定装置和植入物朝着骨骼组织的逐渐转移。

 

 

  降  解 

 

可自动降解的聚合物的降解,是通过聚合物链的酯基团的水解来实现的。植入物首先会吸收邻近组织里所具有的水分。降解过程具体表现为整体材料的一种侵蚀现象。聚合物的残块最终会在三羧酸循环过程(Cyclede Krebs)中转化为水和二氧化碳,然后通过自然途径排出体外(例如通过呼吸系统或者尿道排出)。聚合物链的长度以及相应单体的支化会一直控制吸水性能,从而控制聚合体在身体内的降解速度。

 

此外,可自动降解的聚合物的降解率主要依赖温度和PH值。然而,如果酸降解产物的浓度高的话,也有可能发生自动催化效应。在生理环境下,PH值可能会发生大幅度的变化,尤其是当植入物周围出现发炎症状时。

 

水解过程中的酯基链合会对分解速度产生关键的影响。事实上,水进入聚合物中结晶度很高的区域要比进入非晶态区域要更为困难。因此,结晶区的分解速度就非常慢。相反的是,一个聚合物越是非晶态、越是亲水,那么其自动降解速度就越快。

 

热处理过程中的分解也是一个已知现象,而且可以通过在转化步骤中使用极度纯净干燥的聚合物来避免这一情况的发生,即使不能避免,也至少可以在程度上加以控制。

 

 聚合物向生物可吸收医疗器械的转化

 

对生物可吸收聚合物采取的典型转化方法是注射成型、压缩成型和挤压成型。聚合物的最初形式为粉末状或者颗粒状,每个程序都会在热力或者机械力的作用下将它转化为一种成品或者半成品。

注射成型主要用来制作整形外科用的植入物。聚合物会被融化,然后被注入到模具中,以生成高品质的产品。可吸收式聚合物被设计为可以自动降解的模式,因此对湿度非常敏感。所以必须对处理过程进行控制(使用干燥的合成物),以控制分子质量的损失。

 

灭菌步骤对最终植入物的使用起着至关重要的作用,可以采取伽马射线辐射或者电子束(e-beam)辐照的方式进行,或者使用环氧乙烷进行气体灭菌。使用伽马射线辐射灭菌法具有一个缺点,那就是会因为所使用的能量很高而降低产品的分子质量。尽管如此,因为经济划算的优点,它依然是医疗器械行业所使用的标准方法。电子束辐照是一种新方法,到目前为止很少被人们使用,它似乎具有更强的优势,因为它所使用的是很弱的电离能,所以造成的分子质量损失要更少一些。使用环氧乙烷(ETO)灭菌在运用时需要遵循与气体解吸-低温处理相关的注意事项,其优点是不会切断分子链。