智能材料在医学领域的应用

PAGEPAGE11智能材料在医学领域的应用内容摘要智能材料的研究是近几年工程技术界颇为关注的一项高新尖技术，其在航空、机械、土木、医学等相关领域已取得了一些应用性研究成果。本文介绍了智能材料的医学要求，并对智能材料在现代医学中人造器官，医疗器具及医疗方法等方面研究与应用的现状与发展趋势做了概述。关键词智能材料医学领域形状记忆合金水凝胶压电材料1．前言现代医学的进步与生物材料的发展密不可分，而生物医用材料发展与进步的根本源动力是生命健康的需要。生物医用材料是对生物进行诊断、治疗和置换损坏组织、器官或增进其功能的材料，其应用甚广，它们既可以植入体内，亦可用作体外辅导装置，尤以高分子材料应用最为广泛，全世界在医学上应用的就有90多个品种、1800余种制品，西方国家在医学上消耗的高分子材料每年以10%～20%的速度增长。随着现代科学技术的发展尤其是生物技术的重大突破，生物材料的应用将更加广泛，并且其正向着仿生化、智能化的方向发展。我国生物材料的研究及产业化相对薄弱，医用智能材料仍是当前生物医用材料研究中的重点和难点,在相当长的一段时间内,仍将是该领域的研究热点。2．医用智能材料概述智能材料的作用和功能可随外界条件的变化而有意识的调节、修饰和修复。随着科学技术的发展，智能材料进一步渗透到医学研究、生命科学和医疗保健各个部门，起着越来越重要的作用。用聚酯、聚丙烯纤维制成的人工血管可以替代病变受伤而失去作用的人体血管；用聚甲基丙烯酸甲酯、超高密度聚乙烯、聚酸胺可以制成头盖骨或骨关节，用于外伤或病疾患者，使之具有正常的生活与工作能力；人工肾、人工心脏等人工脏器也可以由智能高分子材料制成，移植在人体内以替代失去功能的脏器。除此以外，人工血液的研究、高分子药物开发和药用包装材料应用都为医疗保健的发展带来新的革命，医用粘合剂的出现为外科手术新技术的运用开辟了一条新的途径，智能材料在治疗、护理等方面的一次性医疗用品的应用中更为广泛。3．生物医用智能材料设计基础生物医用材料要与生物体接触，因而此类材料至少需具备三个条件：（1）作为材料的功能性；（2）对生物体的安全性；（3）与生物相容性。智能材料作为医疗用材料其必有一定的功能性，后文中会详细介绍，此处不再赘述。3.1对生物的安全性生物材料为生理环境下使用的材料，其生物安全性既要从材料考虑，如材料表面锐利的突起对机体的损伤、超分子量聚乙烯人工关节磨损微粒引起的问题以及材料表面吸附的病原菌等等。生物安全性更要考虑其特殊的体内使用环境可能产生的问题。3.2与生物相容性生物相容性是材料在特定应用中产生相应的宿主应答能力。血液适应性动物或人体的血液在表皮受伤时会自动凝固，这种血液凝固的作用成为血栓。医用材料会和生物体血液接触，所以，解决医用材料的抗血栓问题是医用智能材料设计的前提。抗血栓材料可归为三类：①通过对人造材料进行表面修饰，取得最佳表面能量的材料；②对肝素等进行固定以阻止形成纤维蛋白的类型；③把生物体组织引入材料内部。组织适应性①软组织接触材料软组织包括皮肤、角膜、血管、肝脏等，软组织接触性材料又可分为非粘合性表面，如插入体内的导管要与消化道腔面的粘膜及血管壁接触，这时两表面间过强的相互作用，材料会擦伤血管壁和粘膜层，材料表面应以含水率高的聚合物进行润滑化处理。而人工皮肤等则希望它与皮肤组织整合良好，因而人工皮肤常采用胶原类基质。②硬组织接触材料骨和牙组织为典型的硬组织，与其接触的生物医用材料如人工关节、人工骨和人工齿根等要与周围组织整合良好。4．医学中的应用的智能材料4.1形状记忆合金形状记忆合金(Shape

Memory

Alloy

,SMA)

是指具有一定初始形状的合金在低温下经塑性形变并固定成另一种形状后，通过加热到某一临界温度以上又可恢复成初始形状的一类合金。形状记忆合金具有的能够记住其原始形状的功能称为形状记忆效应(Shape

Memory

Effect

,SME)

。研究表明,

很多合金材料都具有SME

，但只有在形状变化过程中产生较大回复应变和较大形状回复力的，才具有利用价值。形状记忆合金作为一种特殊的新型功能材料，是集感知与驱动于一体的智能材料，因其功能独特，可以制作小巧玲珑、高度自动化、性能可靠的元器件而备受瞩目，并获得了广泛应用。形状记忆合金主要分为Ti-Ni基、Cu基及Fe基形状记忆合金，用于医学领域的主要是NiTi

形状记忆合金，除了利用其形状记忆效应或超弹性外，还满足化学和生物学等方面的要求，即良好的生物相容性，NiTi可与生物体形成稳定的钝化膜。因此NiTi合金作为一种十分特殊的功能材料，受到普遍重视。从70年代末开始，国内外学者在NiTi合金的医学应用方面进行了卓有成效的研究。4.1.1NiTi合金形状记忆效应普通金属材料拉伸过程中，当外应力超过弹性极限后，材料发生塑性应变，外应力去除后，塑性应变不能恢复，发生永久变形。形状记忆效应是形状记忆效应是NiTi合金的基本特性之一。NiTi合金在马氏体状态(低温状态)很容易变形，将变形后的NiTi合金加热到马氏体开始消失温度以上时合金开始恢复原状，当温度达到马氏体完全消失温度后，合金会完全恢复到原状，即表现出形状记忆效应。大多数NiTi合金制成的医用产品如接骨板、骑缝钉等都是利用了NiTi合金独特的形状记忆效应。4.1.2NiTi的超弹性超弹性是NiTi合金的另一个基本特性。如下图所示在NiTi的拉伸曲线上有两个平台，在很大的应变变化范围内应力基本保持不变。超弹性和形状记忆效应的物理本质是相同的。低温变形后的NiTi在受约束状态下加热时会产生回复力，事实上此后若NiTi的应变在一定范围内发生变化，回复力会基本保持不变，即表现出超弹性。4.1.3形状记忆合金的医学应用用超弹性

TiNi

合金丝和不锈钢丝做的牙齿矫正丝，其中用超弹性

TiNi

合金丝是最适宜的。通常牙齿矫形用不锈钢丝

CoCr

合金丝，但这些材料有弹性模量高，弹性应变小的缺点。如果用

TiNi

合金作牙齿矫形丝，即使应变高达10%也不会产生塑性变形，而且应力诱发马氏体相变使弹性模量呈现非线型特性，即应变增大时矫正力波动很少。采用形状记忆合金制作脊椎侧弯哈氏棒，

目前这种手术中多采用不锈钢制哈氏棒矫形，在手术中安放矫形棒时，要求固定后脊柱受到的矫正力保持在30~40kg以下，一但受力过大，矫形棒就会破坏，结果不仅是脊柱，而且连神经也有受损伤的危险。同时存在矫形棒安放后矫正力会随时间变化，大约矫正力降到初始时的30%时，就需要再进行手术调整矫正力，这样给患者在精神和肉体上都造成极大痛苦。采用形状记忆合金制作的哈伦顿棒，只需要进行一次安放矫形棒固定。如果矫形棒的矫正力有变化，以通过体外加热形状记忆合金，把温度升高到比体温约高5℃，就能恢复足够的矫正力。NiTi合金牵引环(spacer)是人为关节强硬术的关键应用。使关节强硬的方法是将骨移植片楔人需要加固的两块椎骨之间，通过骨间生长使骨融合，其前提是必须适当限制两块椎骨的相对移动，否则骨间生长会受到限制。NiTi合金牵引环是一种很有希望的解决方法。将温度略高于体温的NiTi合金牵引环在马氏体状态加压变形，将此牵引环套在两块椎骨之间，楔人骨移植片后加热，牵引环受热膨胀，在纵轴方向上伸长并对椎骨产生牵引作用，如图(b)所示.两块椎骨的相对活动由此受到限制，为以后的骨间生长提供良好条件。另外，用记忆合金丝制成的螺线导管，前端装有内窥镜，穿人光纤用作显示图像，其形状可随器官的形状自如地变化，极易插人体内，同时可提高尖端工作部分的操作性能，还可大大减小受检者的痛苦。目前正在研究的抗血栓的过滤器。将这种过滤器插人患者静脉就可防止血栓进人心脏或肺腑。将NiTi丝作为人工心肌纤维包裹在弹性体制成的人工心脏外部，周期性地给以电脉冲加热，则可使心脏伸缩运动。用

TiNi

形状记忆合金可制做各种骨连接器、血管夹、凝血滤器以及血管扩张元件等，同时还广泛应用于口腔科、骨科、心血管科、胸外科、肝胆科、泌尿科、妇科等，随着形状记忆的发展，医学应用将会更加广泛。4.2形状记忆聚合物形状记忆高分子材料是指能够发生形变而形成某一临时形状，并且能够保持稳定状态，但当受到外部适当刺激就能够恢复至原有（永久）形状的高分子材料。形状记忆高分子材料根据其形状回复原理可分为：热致SMP，电致SMP，光致SMP，化学感应型SMP等。目前在医学方面研究最多并投入使用的主要是热致SMP，也叫热收缩材料。热致SMP是一种在室温以上变形，并能在室温固定形变且可长期存放，当再升温至某一特定响应温度时，制件能很快回复初始形状的聚合物。热致SMP与SMA的形状记忆效果比较具有以下特点：（1）SMP的形变量低，一般在l0％以下，而SMP较高，形状记忆聚氨酯和TPI均高于400％。（2）SMP的形状恢复温度可通过化学方法调整；如形状记忆聚氨酯的恢复温度范围为30－70℃，具体品种的SMA的形状恢复温度一般是固定的。（3）SMP的形状恢复应力一般均比较低，在9.81－29.4MPa之间，SMA则高于1471MPa。（4）SMA的重复形变次数可达106数量级，而SMP仅稍高于5000次，故SMP的耐疲劳性不理想。（5）目前SMP仅有单程记忆功能，而SMA己发现了双程记忆和全程记忆功能。由此看出，目前已开发的SMP的综合性能还不够理想，材料的强度、耐热性、耐久性和耐候性等尚有待提高。尽管如此，热致SMP在医疗领域的应用前景还是可观的。可用形状记忆高分子材料来固定创伤部位以代替传统的石膏绷带。其方法是将形状记忆高分子加工成创伤部位形状，用热水或热吹风使其软化，施加外力变形为易于装配的形状，冷却后装配到创伤部位，再加热便可恢复原状起固定作用，同样加热软化后变形，取下也十分方便。还可应用具有生物降解性的形状记忆高分子材料制作医用组织缝合器材、血管阻塞防止器、止血钳等，应用记忆特性以便于操作形状植人体内，经过一定时间后被人体吸收，不必再行手术取出。4.3智能型凝胶4.3.1智能水凝胶概述智能水凝胶(intelligenthydrogelorsmarthydrogel)是一种能显著地溶胀于水中但在水中并不溶解的亲水聚合物，它集自检测(传感)、自判断和自响应于一体。智能型高分子凝胶可响应温度、pH值、电场、光和化学物质的变化而发生结构、能量等变化。此类凝胶的突出特点是在响应过程中有显著的溶胀行为或响应性。20世纪70年代末Tanaka首先发现了凝胶的体积相变现象并推导出凝胶状态方程,提出了凝胶体积相变理论,从此智能型水凝胶受到越来越多的研究人员的注意并成为功能高分子研究领域的一大热点。由于智能型水凝胶的这种独特的性质使其在许多方面有广阔的应用前景，在生物医学领域可以用于药物释放的载体、活性酶的包埋、细胞外基质等方面。4.3.2药物的控制释放温度敏感型水凝胶在温度高于或低于其LCST值时，水凝胶处于收缩或溶胀状态，在这个变化的过程中水中溶解的物质会随水分被水凝胶吸附或释放。这种性质使它成为一种很有前途的药物控制释放材料。其机理是，当环境温度升高到其LOST值以上时，水凝胶的表面会收缩形成一个薄的、致密的皮层，阻止水凝胶内部的物质向外释放，此时水凝胶处于“关”的状态；当温度低于其LCST时，凝胶溶胀皮层消失，水凝胶处于“开”的状态，内部的药物能扩散到凝胶外面的环境中。pH响应型凝胶同样可用于药物的控制释放。用对pH值有响应性的凝胶材料作为药物包埋基质，利用凝胶在不同pH值下溶胀度、渗透性能的不同，达到靶向给药，控制药物释放浓度的作用。此体系特别适用于胃肠给药方式，对酸不稳定的药物还可以起到防酸保护作用。日本还推出了一种能根据血液中的葡萄糖浓度而扩张和收缩的聚合物。葡萄糖浓度低时，聚合物条带会缩成小球，葡萄糖浓度高时，小球会伸展成带。借助于这一特性，这种聚合物可制成人造胰细胞。将用这种聚合物包封的胰岛素小球，注入糖尿病患者的血液中，小球就可以模拟胰细胞工作。血液中的血糖浓度高时，小球释放出胰岛素，血糖浓度低时，胰岛素被密封。这样，病人血糖浓度就会始终保持在正常的水平上。4.3.3智能型凝胶的发展随着研究的深入，现已发现某些高分子凝胶具有热致感应形状记忆效应。目前研究较多的是聚乙烯醇（PVA）凝胶，其固定相为化学交联结构，可逆相为由氢键等次价键力形成的微结晶等，其形状记忆性能与固定相的交联密布及其分布等因素密切相关。这种SMP可应用于医用人造器官的制造等领城。4.4压电型智能材料根据晶体几何外形的有限对称图像，可以把所有的晶体分为32种点群，用以描述晶体宏观对称性。在32种点群中属于晶体电介质的点群有21种是不具有中心对称的，其中除立方的432点群外，具有这类结构的晶体都具有压电性，属于压电材料。压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差（称之为正压电效应），反之施加电压，则产生机械应力（称为逆压电效应）。也就是说，压电材料具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能。压电材料可以因机械变形产生电场，也可以因电场作用产生机械变形，这种固有的机-电耦合效应使得压电材料在工程中得到了广泛的应用。例如，压电材料已被用来制作智能结构，此类结构除具有自承载能力外，还具有自诊断性、自适应性和自修复性等功能，在医学研究中也占有重要的地位。目前，新研制出的一种有助于骨骼折裂治疗的新型体内骨骼固定板，这种固定板是用压电型智能材料(PZT)制成的，其作用在于：由于断裂骨骼的运动将会使固定板受力并因此而产生机械应变，故而固定板可根据所产生的应变大小，利用PZT材料的压电效应，通过改变电流，做出响应以控制应变量及断裂骨胳的运动。值得一提的是，PZT所产生的电流是双向(交变)的，而研究结果显示固定板上流动的微小直流电流量将有利于诱发其周围骨骼的生长。因而，日本科学家采用一种极化的聚偏二氟乙烯压电薄膜(PVDF)粘着在骨骼固定板上以产生0.75A左右的直流电流来促进骨骼的愈合。压电聚合物复合材料同样在医用听诊器中有着重要意义。5．智能材料在医疗方法中的应用及发展5.1打靶疗法(TargetingTherapy)药物打靶疗法就是将药物按照预先设计的、有选择性的输送到人体的某一病变部位，在那里药物应能最大地发挥其药理作用并同时能够有效地抑制药物的毒副作用。例如，通过将疏水性药物载体与亲水性聚乙烯二醇相结合形成一种有效的抗癌药物胶囊，即药物“导弹”，如下图所示。在图中，疏水性药物载体形成了“导弹”的疏水内核，而亲水性聚乙烯二醇则在内核周围形成了一个水化物外壳。这种高分子聚合药物胶囊是一种智能型药物载体，它能够自动地避开机体内单核吞噬细胞的捕获而有效地到达癌细胞所在地，即“击中靶标”。5.2替代疗法(SubstituteTherapy)这种治疗方法的构思是利用具有生物适应性的智能材料所制成的人造器官取代已丧失应有功能的病变器官。近年来，选用高分子水凝胶作为智能材料的研究与开发十分活跃。目前已研制出了用于退热释放系统的热敏水凝胶以及用于胰岛素释放系统的葡萄糖敏感水凝胶。此外，在发展具有生物相容性和内部自控性的新型功能材料以代替外部控制的假体材料，如人工组织和血管等方面，智能材料也提供了广泛的应用前景。5.3全生物体疗法(BioholonicsTherapy)免疫系统在保持生物体中的体内平衡方面起着十分重要的作用。为了有效地区分出淋巴细胞中的B细胞和T细胞，目前已研制出了一种特制的智能型生物识别材料。这种生物智能材料是一种多分子聚合物，它是由中性电聚合链和以微相形式扩散于分子结构中的带电聚胺融合体组成的。通过使用这种多分子共聚物，可以毫无损坏地从淋巴细胞中分离出B细胞和T细胞。6．结束语综上所述，智能材料在人造器官，医疗用具及医疗方法等方面的研究与应用已取得了一定成果，在医学工程领域具有广阔的应用前景。随着时代的进步，智能材料将是面向21世纪的尖端技术之一，它受到了世界各国的极大关注。可以预计，对智能材料的研究不仅仅可以推动医学事业的发展，对信息科学、电子科学技术、生