聚氨酯弹性体

----在生物医学上的应用与发展

摘 要：聚氨酯弹性体具有良好的生物相容性和血液相容性，广泛应用在人工心脏辅助装置、医用导管、医用薄膜、弹性绷带、假肢等方面，同时介绍了聚氨酯在生物医学上的发展。

关键词：聚氨酯；弹性体；生物医学；应用；发展

前言

弹性体是指玻璃化温度低于室温、断裂伸长率>50％、外力撤除后弹性恢复比较好的高分子材料。聚氨酯弹性体是弹性体中比较特殊的一大类，其原材料品种繁多，配方多种多样，可调范围大。聚氨酯弹性体的性能范围很广，是介于橡胶和塑料的一类高分子材料。

聚氨酯弹性体是一种嵌段聚合物，由于大量极性基团的存在，聚氨酯分子内和分子间可形成氢键，软段和硬段可形成微相区并产生微观相分离。聚氨酯弹性体的独特结构赋予该种材料优良的综合力学性能：(1)优异的耐磨性能； (2)在很宽的硬度范围内；(3)高强度和高伸长率；(4)负载支撑容量大，减震能力强；(5) 耐油、耐臭氧、耐老化、耐辐射、耐低温，透声性好，粘接力强；(6)生物相容性和血液相容性良好。这些综合性能是其他很多商品化橡胶和塑料所不具备的。传统上按聚氨酯弹性加工特性的不同，把它分为浇注型(CPU)、热塑型(TPU)和混炼型(MPU)三大类，已广泛应用于工业、农业、军事、交通、医学等领域，越来越受到人们的重视。

1 聚氨酯弹性体在各方面的应用

聚氨酯弹性体(PU)的综合性能是十分优越的。近年来，各国都在根据市场需求情况加强其应用开发研究。(1)在汽车工业上，利用聚氨酯弹性体的高强度和高承载能力，制造中低速载重车辆用轮胎或安全气囊等汽车用品；(2)在建筑业上，利用聚氨酯弹性体质轻、吸震性好、耐老化等特点，制备运动场的聚氨酯塑胶跑道、高速铁路的轨枕等；(3)在矿业上，利用聚氨酯弹性体的耐磨性、负载支撑容量大，减震能力强等特点，制备聚氨酯弹性筛板、耐磨运输带、转子等；(4)在鞋业上，利用聚氨酯弹性体具有缓冲性能好、质轻、耐磨、防滑等优点，制备运动鞋；同时可制备具有优异的耐磨性、良好的撕裂强度和伸长率、表面平坦、手感丰满等特性PU革；(5)在医学上，利用其良好的生物相容性、血液相容性的性能，广泛应用于人工心脏辅助装置、医用导管、医用薄膜、弹性绷带、假肢等方面，其在医疗卫生领域应用的前景还十分广阔。

2       聚氨酯弹性体在生物医学上应用的状况

自20世纪50年代聚氨酯首次应用于生物医学，50多年来，聚氨酯弹性体在医学上的用途日益广泛。1958年聚氨酯首次用于骨折修复材料，而后又成功地应用于血管外科手术缝合用补充涂层。60年代，美国DuPont公司生产出热塑性聚氨酯，它具有比硅橡胶更好的耐挠耐疲劳性。美国Ethicon公司将此技术开发出商标名为Biomer的聚氨酯，并且成功地应用于生物医学领域中。70年代开始，聚氨酯作为一种医用材料已倍受重视。到了80年代，用聚氨酯弹性体制造人工心脏移植手术获得成功，使聚氨酯材料在生物医学上的应用得到进一步的发展。80年代中期，美国PTG公司生产出性能更加优异的商标名为Biospan的聚氨酯，开始大量应用于临床中。此后，如人工器官、医用防护、医用导管、水凝胶、弹性绷带等医用聚氨酯材料不断涌现。

3       聚氨酯弹性体在生物医学上的应用的优势

在医疗中使用的聚氨酯弹性体主要是热塑性聚氨酯(TPU)弹性体，其主要性能优势如下：①优良的抗凝血性能；②毒性试验结果符合医用要求；③临床应用中生物相容性好，无致畸变作用，无过敏反应，可解决天然胶乳医用制品固有的“蛋白质过敏”和“致癌物亚硝胺析出”两大难题，从而成为许多天然胶乳医用制品的换代材料；④具有优良的韧性和弹性，加工性能好，加工方式多样，是制作各类医用弹性体制品的首选材料；⑤具有优异的耐磨性能、软触感、耐湿气性、耐多种化学药品性能；⑥能采用通常的方法灭菌，暴露在射线下性能不变。

4       聚氨酯弹性体在生物医学上的应用

聚氨酯弹性体在生物医学上具有很大的应用优势，所以其在生物医学领域中占有相当重要的地位，广泛应用于人工心脏辅助装置、医用导管、医用薄膜、弹性绷带、假肢等方面。

4.1  人工心脏及其辅助装置

人工心脏及心脏辅助装置对材料的性能要求是多方面的：①不引起血栓；②不破坏血液细胞成份；③不改变血浆蛋白，不破坏生物酶；④不释放电解质；⑤不引起有害的免疫反应；⑥不损害邻近组织，不致癌；⑦不产生毒素与变态反应⑧优异的耐屈挠性。临床实践证明，聚氨酯弹性体在血液相容性、生物相容性、耐久性等方面均优于天然橡胶、硅橡胶、α-烯烃橡胶，成为国内外研制人工心脏及其辅助装置的首选材料。国内外主要研究成果有广州中山医学院研制成功的聚醚型聚氨酯弹性体反搏、助搏气囊，成都科技大学研制的反搏气囊、血管、血泵等，美国犹他大学研制的浇注型聚氨酯心室，这些产品均已在临床上获得应用。

制备人工心脏目前主要使用脂肪族聚醚型聚氨酯，其发展方向是将其改性，在分子链上接枝硅橡胶和维生素E等以改善其生物相容性。采用聚氨酯硅烷嵌段共聚物制造人工心脏辅助装置，该产品有效结合了硅橡胶优异的生物相容性，如英国医疗装置生产商Aortech国际公司利用Elast—Eon材料(TPU)制造新型人工心脏阀门。该材料把聚氨酯与高用量的硅氧烷结合起来，具有耐久性、柔韧性、生物稳定性、血液相容性及在人体内的惰性。该产品的临床试验及商品化工作已逐步展开。

4.2  医用导管

TPU具有优异的机械强度、柔韧性、耐磨性及生物相容性，可用作各种医用导管材料，如输液管、导液管、导尿管等。胃镜软管是光学纤维胃镜的重要配件之一，要求其具有足够的柔软性、弹性、无毒；在制作工艺上要求管径均匀，无弯曲变形；要求导管表面的光洁度高。采用TPU制作的胃镜软管符合上述要求及医用要求，国外已普遍采用。在国内，北京市塑料研究所于20世纪80年代初曾采用TPU挤塑成型制造胃镜软管。

聚氨酯气管套管质轻而富有弹性，临床使用方便，病人活动自如且舒适，能防御放射线对人体的损害，有利于治疗和诊断，可替代金属气管套管，是目前世界上较为先进的医疗器械之一。Bayer公司的医用连接管TPU材料——Texin具有很好的耐化学药品性和耐水解性，不受血液影响，弹性好，耐冲击。Texin可用于制造“T”形、“Y”形或直形医用输液管的连接管，这种三通连接管可弯曲，使用方便。该连接管的硬度有若干等级，可满足多种需要。

4.3  薄膜制品

TPU能够通过溶液浇注成型或挤塑、吹塑成型制成薄而韧的薄膜。这种薄膜具有较高的强度和弹性，良好的透气性、耐药品性、耐微生物、耐辐射性能，可用于多种医疗卫生用途，如灼伤覆盖层、伤口包扎材料、取代缝线的外科手术用拉伸薄膜、用于病人退烧的冷敷冰袋、一次性给药软袋、填充液体的义乳、避孕套、医院床垫及床套等。TPU薄膜可有效作为阻隔细菌的屏障，用于医院病床罩垫能使病人的汗液容易挥发，且手感舒适，可进行消毒处理，如Bayer公司开发的吹塑聚氨酯薄膜DureflexPS2010S及PS2020S。以聚氨酯薄膜为囊壁材料、采用液体填充而成的义乳，手感柔软，与皮肤接触无异物感，适合于乳房手术者及女性乳房偏小者佩戴，效果逼真，国内已有生产。采用TPU薄膜生产一次性静脉给药体系的软囊。

4.4  弹性绷带

用聚氨酯材料制作的绷带，操作简便、使用卫生、固化速度快、质轻层薄、坚而韧，具有透气性好、刚度强、耐水浸、透x光的特点，在创伤骨科治疗和矫形治疗中，可用作固定材料，其综合性能明显优于石膏绷带。国内生产此产品的生产厂家有山西省化工研究所、广州三九医用高分子材料厂等。

4.5  假肢

采用聚醚型聚氨酯-脲弹性体共聚物或聚醚型聚氨酯制造的人体假肢，和人体组织有很好的相容性。如聚酯-MDI发泡所制得的聚氨酯海绵弹性体可制作假肢；水发泡聚氨酯弹性体可制作假肢护套，其耐磨性能超过乳胶护套；微孔弹性体可制作上肢肢体。国内进行过该方面研究的单位有北京假肢厂、江苏省化工研究所等。

聚氨酯弹性体还可作为人造皮肤、人工肾、人工肺、人工肝脏、假牙等。总之在生物医学上的应用十分广阔！

5       聚氨酯弹性体在生物医学上的发展方向

聚氨酯不能自然降解，带来了废弃物污染环境的问题，而现已开发的可生物降解聚氨酯，如低聚糖衍生聚氨酯。具有形状记忆功能的聚氨酯称为室温形状记忆聚氨酯，其温敏性形状记忆功能使其可用于缺损骨的修复，达到抗应力遮挡和抗骨不连的作用。形状记忆聚氨酯的应用前景广阔，但其成本较高，加工性能较差，实现通用化的难度依然很大。从其发展方向而言，只有较准确地恢复温度，形状记忆制品才有实用性。改善其恢复形状温度的精确性，应为研究的重点。

目前，聚氨酯材料在医疗卫生领域的开发，正向生物工程、细胞工程、免疫工程等方面迅速发展。组织工程是生物医学工程领域中一个快速发展的新方向，为了获得更长远的发展，必须对聚氨酯这种生物材料进行改性，才能适应组织工程的迅速发展。

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