生物醫(yī)用功能纖維的發(fā)展?fàn)顩r

1、生物醫(yī)用功能纖維材料 的發(fā)展概況王慶瑞 (東華大學(xué)纖維材料改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域用的各種分 離技術(shù)醫(yī)用功能纖維材料 高分子藥物與藥物纖維一. 生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域用的各種分離 技術(shù) 概述 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)物質(zhì)利用的深度和廣度的不斷開(kāi)拓，物質(zhì)的分離和提純成為了一個(gè)重要的課題。分離技術(shù)的類型包括：同種物質(zhì)按大小和分子量的不同而分離；異種物質(zhì)按組分的不同而分離；不同物質(zhì)狀態(tài)的分離和綜合性分離。 傳統(tǒng)的化工過(guò)程常見(jiàn)的分離方法有篩分、過(guò)濾、離心分離、濃縮、蒸餾、蒸發(fā)、萃取、重結(jié)晶等。但是，對(duì)于更高層次的分離，如分子或離子尺寸范圍的分離；生物體組分的分離等。采用傳統(tǒng)的化工分離方法就難以實(shí)現(xiàn)，或

2、達(dá)不到精度，或極大的消耗能源而無(wú)實(shí)用價(jià)值。 生物產(chǎn)品的特點(diǎn) 生物產(chǎn)品是指在生產(chǎn)過(guò)程中的某一階段，應(yīng)用生化反應(yīng)制得的產(chǎn)品。它包括傳統(tǒng)的生物技術(shù)產(chǎn)品，如用發(fā)酵生產(chǎn)的有機(jī)溶劑、氨基酸、有機(jī)酸、抗生素等；現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)品，如用重組DNA技術(shù)生產(chǎn)的醫(yī)療性多肽和蛋白質(zhì)。它們與一般的化學(xué)產(chǎn)品生產(chǎn)不同，而有其自身的特點(diǎn)。 產(chǎn)物一般為濃度很低的水溶液大多數(shù)生化反應(yīng)都以水為溶劑 培養(yǎng)液是多組分的混合物 穩(wěn)定性差 對(duì)最終產(chǎn)品的質(zhì)量要求很高 生物醫(yī)學(xué)制品的純化過(guò)程 各種生物醫(yī)學(xué)制品因本身性能和產(chǎn)品用途不同，其純化過(guò)程互有差異。一般而言，按生產(chǎn)的順序可分為如下四個(gè)步驟，如圖所示。發(fā)酵液的預(yù)處理與不溶物的去除 因技術(shù)和經(jīng)

3、濟(jì)的原因，通常采用過(guò)濾和離心分離法。為加速不溶物的分離，可同時(shí)使用絮凝和凝聚技術(shù)；為減少過(guò)濾介質(zhì)的阻力還可采用錯(cuò)流膜過(guò)濾技術(shù)。產(chǎn)物的提取 亦稱初步純化，可采用吸附、萃取、沉淀或超濾等技術(shù)。根據(jù)產(chǎn)品的質(zhì)量要求，可采用其中一單元操作，或多級(jí)加工程序。產(chǎn)物的精制 圖中所列單元操作對(duì)產(chǎn)物有高度的選擇性，需根據(jù)雜質(zhì)的性能選擇其中的一相或多相加工程序。 成品加工 可根據(jù)產(chǎn)品的最終用途和要求，決定成品的加工方法。 純化過(guò)程的發(fā)展動(dòng)向 下圖列出了各種單元操作目前的技術(shù)成熟程度與工業(yè)應(yīng)用度之間的近似關(guān)系。由圖可知，傳統(tǒng)的吸收與精餾過(guò)程，雖然其技術(shù)成熟程度和工業(yè)應(yīng)用度都很高，但仍有進(jìn)一步提高和改善的必要，因?yàn)樗鼈?/p>

4、屬于量大面廣的的技術(shù)，它們的提高和改善，將給生產(chǎn)帶來(lái)極為可觀的經(jīng)濟(jì)效益；處于曲線中部的一些單元操作，如結(jié)晶、萃取、離子交換、吸附等，屬于迅速發(fā)展中的分離技術(shù)，尚需進(jìn)一步提高其理論深度、并擴(kuò)展其應(yīng)用廣度，其中萃取技術(shù)從用于核燃料的提取、分離和純化開(kāi)始，擴(kuò)展到生物產(chǎn)品的分離和純化過(guò)程，同時(shí)又得到了發(fā)展，并派生出雙水相萃取、反膠束萃取、超臨界萃取等。 1-精餾；2-吸收；3-結(jié)晶；4-溶劑萃取；5-萃取（共沸）精餾；6-離子交換； 7-吸附（氣固）；8-膜（液相進(jìn)料）；9-吸附（液固）；10-膜（氣相進(jìn)料）； 11-色譜分離法；12-超臨界萃?。?3-液膜；14-場(chǎng)致分離；15-親和分離 當(dāng)前生物醫(yī)

5、學(xué)產(chǎn)品純化過(guò)程的新趨向是多種分離、純化技術(shù)的相結(jié)合，也包括新、老技術(shù)的相互交叉、滲透與融合，形成所謂融合技術(shù)，或稱子代技術(shù)，如膜分離與親和酸基相結(jié)合，形成了親和膜分離過(guò)程；膜分離與離心分離相結(jié)合，形成了膜離心分離過(guò)程等。 生物技術(shù)的下游工程與上游工程相結(jié)合，如發(fā)酵與分離耦合過(guò)程的研究也是當(dāng)今生物化學(xué)工程的研究熱點(diǎn)之一。其優(yōu)點(diǎn)是解除終產(chǎn)物的反饋抑制效應(yīng)，提高轉(zhuǎn)化率。還可簡(jiǎn)化產(chǎn)物的提取過(guò)程，縮短生產(chǎn)周期，增加產(chǎn)率，收到一舉多得效果。 膜分離技術(shù) 膜廣泛地存在于自然界，起著分隔、分離、選擇性透過(guò)等重要功能。膜分離技術(shù)是指用半透膜作為選擇性障礙層，憑借外部能量或化學(xué)位差，使混合體系中某些組分透過(guò)，而保

6、留其他組分，從而達(dá)到分級(jí)、分離、提純、富集等目的的技術(shù)的總稱。這里所指的膜（Membrane）應(yīng)與一般的薄膜（Film）相區(qū)別；薄膜的主要功能是起著隔離和保護(hù)作用，如農(nóng)用地膜、包裝薄膜等；而膜是指位于一種流體相內(nèi)、或兩種流體相間的一層薄的凝聚相部分，并能使這兩部分之間產(chǎn)生傳質(zhì)作用。膜既可以是固態(tài)的，也可以是液態(tài)的，甚至是氣態(tài)的。 膜分離技術(shù)既能使混合流體按組份不同而分離，又能對(duì)流體進(jìn)行凈化和濃縮。它因具有如下優(yōu)點(diǎn)而受到重視和蓬勃發(fā)展:分離時(shí)沒(méi)有相態(tài)變化，故不必加熱，也無(wú)需加入其他試劑，因此能耗降低，而且不產(chǎn)生二次污染；設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，占地面積小，成本低，有利于實(shí)行連續(xù)化生產(chǎn)和自動(dòng)控制；

7、可以使一些按傳統(tǒng)方法難以分離的物質(zhì)，如共沸物，熱敏性物質(zhì)，或化學(xué)穩(wěn)定性差的物質(zhì)以及生物制品等得以實(shí)現(xiàn)分離。 膜的選擇分離性和通透性除與膜材料和被處理溶液的性能有關(guān)外，還與膜上微孔的孔徑、連通性和孔隙率等因素密切有關(guān)。傳統(tǒng)的制膜方法是在成膜原液或熔體中加入水溶性的致孔劑，成膜后再用水把膜中的水溶性物質(zhì)萃取而去除，其在膜中所處的地位即成為孔洞，控制致孔劑的使用量和分子量，能控制膜的孔隙率和孔尺寸。中空纖維膜的橫截面結(jié)構(gòu)如圖1，其部分截面圖如圖13所示 圖1中空纖維橫截面圖2中空纖維膜的指 狀支撐層結(jié)構(gòu) 圖3 中空纖維膜的 圖4 中空纖維膜的 雙針指狀層結(jié)構(gòu) 海綿狀支撐層結(jié)構(gòu) 膜表面為致密層；中間為

8、支撐層，支撐層還有指狀（圖2）、針狀（圖3）、海綿狀（圖4）之分；致密層和支撐層之間為過(guò)渡層，過(guò)渡的微孔孔徑呈分散狀，靠表面微孔較小，越向里層孔徑越大?？赏ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)鑄膜工藝而調(diào)節(jié)孔的大小及分布。 除中空纖維膜外，還有平板膜、卷式膜、管式膜、褶疊膜等多種型式。各種型式的膜都有其特點(diǎn)，可根據(jù)分離的需要而選擇。 典型的膜過(guò)程有:氣體分離、反滲透、離子交換、透析、電滲析、超濾、微過(guò)濾和滲透蒸發(fā)等。 二.醫(yī)用功能纖維材料 概述 許多科學(xué)工作者正致力于生命奧秘的探索，主要集中在：生物組織的結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)與器官功能的關(guān)系；生物器官的設(shè)計(jì)和研制等三方面。 對(duì)醫(yī)用材料的要求：首先，要有醫(yī)療功能，還必須強(qiáng)調(diào)安全性。外用

9、醫(yī)療材料與肌體接觸時(shí)間短，要求稍低，而與血液直接接觸或植入體內(nèi)材料則要求較高，即要有良好的生物相容性。所有醫(yī)用材料應(yīng)滿足如下基本要求： （1）聚合物純度高； （2）化學(xué)性能不活潑； （3）無(wú)毒，不引起腫瘤或過(guò)敏反應(yīng)，沒(méi)有異物反應(yīng)； （4）穩(wěn)定的物理化學(xué)性能和良好的力學(xué)性能； （5）優(yōu)良的生物相容性； （6）能經(jīng)受必要的消毒處理； （7）易加工成必須的復(fù)雜形狀。 醫(yī)用軟組織材料高吸水性纖維材料 高吸水性材料是一種含有強(qiáng)吸水性基團(tuán)并存在一定交聯(lián)度的高分子材料。吸水能力高達(dá)自身重量的500-2500倍，甚至高達(dá)5000倍。 類型：淀粉類、纖維素類、聚丙烯酸類、聚丙烯腈水解物，醋酸乙烯酯共聚物，改性聚

10、乙烯醇。醫(yī)用縫合線 非吸收性：蠶絲、銀絲、聚酰胺、聚乙烯、聚酯等。 吸收性：骨膠原、腸線、甲殼素、聚羥基乙酸、乙交酯-丙交酯共聚物、聚乙二醇酸的三元共聚物等。放射性纖維。 食用保健纖維 人造皮膚 作用：防止水分和體液的揮發(fā)或流失；防止細(xì)菌感染；使肉芽或上皮生長(zhǎng)；促進(jìn)傷口愈合。 要求：柔軟、優(yōu)良的彈性、緊貼創(chuàng)面；透濕、透氣、抗菌；無(wú)刺激作用；能促進(jìn)新皮的長(zhǎng)出；可進(jìn)行滅菌處理。人造血管 醫(yī)用富氧器：把空氣中氧富集至40%或以上。 神經(jīng)通道 水果保鮮系統(tǒng)：使周?chē)鷼夥蘸琌2 3%，CO2 5%，N2 92%?？咕莱衾w維 麻醉性纖維 人工臟器人工腎血液透析器 因腎臟器質(zhì)性病變、事故、中毒等原因，使腎功

11、能衰竭而造成新陳代謝物質(zhì)在體內(nèi)沉積、從而引起尿毒癥。人工腎主要利用透析作用，代替腎臟功能以去除人體中的代謝廢物，如尿素、尿酸和肌肝酸等。人工腎主要有血液透析、血液過(guò)濾、血液透析過(guò)濾等三種類型，其中以人工腎血液透析器的應(yīng)用最多。人工腎透析器流程示意如圖 人工肝透析器 肝臟是擔(dān)負(fù)多種功能的重要器官，也是人體中主要濾除毒素的器官。肝臟可因服藥過(guò)量、過(guò)敏、急性肝炎等多種原因引起的中毒而受損，從而失去解毒功能。因血液中有害物質(zhì)濃度的提高引起神經(jīng)癥狀、昏睡，最終導(dǎo)致死亡。 人工肝主要采用吸附的方法和透析方法，前者因存在多種缺點(diǎn)，目前已放棄使用。透析方法正在發(fā)展中。 肝腹水超濾濃縮器 肝腹水是一種常見(jiàn)疾病，

12、臨床上通常采取定期排除病人體內(nèi)腹水以緩解病情，但同時(shí)必須給病人回輸?shù)鞍住?腹水濃縮器是把病人體內(nèi)的腹水進(jìn)行濃縮，除去水及對(duì)人體無(wú)用的物質(zhì)，并將其中的蛋白回輸給病人的新技術(shù)。 有時(shí)，患者的肝硬變和肝癌合并發(fā)生，在進(jìn)行腹水濃縮前應(yīng)首先除去癌細(xì)胞和細(xì)菌，然后再排除水及低分子廢液。血液濃縮器 在體外循環(huán)心內(nèi)直視手術(shù)中廣泛應(yīng)用血液稀釋方法，以減少血球破壞，降低末梢阻力。血液稀釋能引起臟器水腫，細(xì)胞外液增加，影響心肺功能的恢復(fù)。使用血液濃縮器排除多余的水分是目前采用的最主要方法。人工肺 人工肺主要用于胸腔外科手術(shù)以及呼吸不良者的輔助治療。原有使用的氣泡式人工肺已被膜式人工肺所取代?；旌闲腿斯づK器 人工臟器

13、的發(fā)展已逐漸進(jìn)入混合型，即從單功能走向多功能。如把酶和生物細(xì)胞固定在高分子材料上以制取有生物活性的人工臟器。 在人工肝的膜外側(cè)固定蛋白酶，合成的白蛋白可通過(guò)膜而進(jìn)入血液中。 在人工腎固定脲酶、谷氨酸脫氫酶、葡萄糖脫氫酶等，血液中的代謝產(chǎn)物尿素在酶的催化下轉(zhuǎn)化成氨，并在酶促下轉(zhuǎn)化成谷氨酸，使混合型人工腎有更高級(jí)的功能。三. 高分子藥物與藥物纖維 高分子藥物 傳統(tǒng)的低分子藥物因易被吸收，又易于排泄而缺乏持久性；藥物在體內(nèi)分布廣而缺乏選擇性。 近年來(lái)研制的高分子藥物基本上能克服上述缺點(diǎn)。目前主要研究方向?yàn)椋核幬锟刂漆尫牛凰幬锍志冕尫?；藥物主要集中在特定部位（病灶）?類型：有藥物活性的高分子；高分子

14、載體藥物；低分子藥物包埋于高聚物膜中。 高分子物質(zhì)的釋放和送達(dá)體系：高分子藥物進(jìn)入身體后，以適當(dāng)?shù)臐舛取⒊掷m(xù)時(shí)間、導(dǎo)向并集聚到患病的器官、臟器或細(xì)胞部位，以充分發(fā)揮藥物的療效。 高分子藥物的釋放體系可分為： (1) 時(shí)間控制釋放體系：零級(jí)釋放；脈沖釋放 (2) 部位控制送達(dá)體系 (3) 智能型藥物送達(dá)體系：使藥物在所定部位、所定時(shí)間、以所定劑量 釋放。藥物纖維 以紡織品作為藥物的載體已有久遠(yuǎn)的歷史。如由古代的香囊、香袋發(fā)展而來(lái)的安眠藥枕、神功元?dú)獯惖谋＝∮闷?；又如由藥膏發(fā)展而來(lái)的傷濕止痛膏、十香暖臍膏等。 藥物纖維主要利用纖維具有最大的表面積，有利于藥物的釋放；紡織品與人類生活最為密切，具有藥物功能的織物將為治病提供很大的