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生物医学纤维的最新发展和应用 |
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作者：东华大学 沈新元 来源：雅式工业专网 |
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生物医用纤维是新型化学纤维的一个重要应用分支，它是一种用於对生物体进行诊断、治疗、修复，或替换其病损组织、器官，或增进其功能的特种纤维。
一种纤维是否属於生物医用纤维的范畴，不是取决於其化学成分，而是取决於其生物性能和用途。生物医用纤维不但要达到普通纤维的一些性能指标，而且必须具有良好的生物相容性。
目前，人工器官使用的生物医学纤维主要为中空纤维膜。中空纤维膜是一种由高分子材料通过纺丝技术制成的分离膜，直径一般为0.1~1mm，具有生物相容性好、有一定的机械强度等特点。最早应用中空纤维膜的人工器官是人工肾，现在由中空纤维膜制成的人工肾、人工肝、人工肺、肝腹水超滤浓缩回输器和血液浓缩器已投入使用， 人工胰腺也在研制中。
天然高分子膜材料适用於制成人工肾
所谓人工肾是一种血液净化装置，它用高分子材料制成具有透析过滤作用的膜，通过一整套装置，把尿素、尿酸以及外来的有毒物质排出体外，延缓患者的生命。按作用原理，人工肾有透析型、过滤型和吸附型三种。
目前，全球有100万人依靠人工肾透析器维持生命。全球人工肾透析器的产量约为7500万个，产值达7.0亿~22.5亿美元。其中，中空纤维膜型透析器是临床使用最多、效果最好的一种人工肾透析器。中空纤维膜在人工器官方面的应用
 国外上世纪六十年代首次出现中空纤维型人工肾透析器，目前其研究和开发仍较为活跃。在中国，东华大学自上世纪七十年代起研制人工肾透析器，在上海及浙江等一些医院进行过临床应用，曾获1990年国家发明三等奖；九十年代後，通过引进日本和德国的技术，国内开始生产出多种人工肾用中空纤维膜，如江苏朗生科技和山东威高集团的人工肾透析器系列产品已经有一定的生产占有率。
透析型人工肾透析器的透析面积为1.0~1.2 m2左右，采用的中空纤维膜必须有相当的强度和对血液的稳定性。
人工肾透析器的发展方向是开发新的膜材料、改善膜的性能和研制混合型人工肾透析器。而甲壳素、骨胶原等天然高分子的生物相容性十分优异，故很适合用作人工肾透析器。
日本皮革株式会社用骨胶原制备中空纤维膜，对肌酐的传质系数达到4.9x10-4cm/s。通过对中空纤维膜表面进行化学修饰和整理，可以提高其对血液中有害微球蛋白的吸附能力。例如，在原有聚砜中空纤维膜膜表面引入带负电荷的基团，可以增加对β2微球蛋白的吸附率。
混合人工肾在人工肾透析器植上固定化尿酶等能力，比一般解毒用人工肾有更高级的功能。在该领域国际知名的Humes HD小组和Mackay SM等，将肾小管细胞种在中空纤维膜管内，这种中空纤维膜生物混合肾具有新陈代谢功能。Humes证实他们的生物人工肾具有肾上皮细胞的内分泌功能，这种装置将给肾病治疗带来一次潜在的革命。
聚丙烯中空纤维膜在人工肺领域有发展前景
晚期肺衰竭患者有效的治疗方法就是肺移植，但由於供体器官短缺，每年能做的肺移植手术很少。因此，人工肺的研究具有良好的社会效益。
人工肺的种类有静立垂屏式、气泡式和膜式。膜式人工肺（体外氧合器）除用於心血管手术的体外循环外，还可用於急性呼吸衰竭的支持，因此目前正取代其它类型的人工肺。目前世界上有100万病人进行手术时采用体外氧合器，其氧合器产值达1亿美元。几种临床用的人工肾透析器用中空纤维膜
 用於体外膜式氧合器的膜，有赛璐玢、氧化纤维素、聚乙烯、聚亚烃砜、硅氧烷、微孔聚丙烯、微孔聚四氟乙烯等。这些膜既可以制成平板膜组件，也可以纺制成中空纤维膜。
然而，中空纤维膜更有利於从氧合器中的气体分离出血液，气体转换到中空纤维膜氧合器的血液中，和血液（或气体）在纤维内流动是同时进行的，因此气体在内部、血液在外部的这种模式更为有效。
聚丙烯中空纤维膜价格低廉，且化学稳定性和热绝缘性均优於醋酸纤维素膜和混合纤维素膜。但因聚丙烯是憎水性材料，血液相容性较差。许多研究者将亲水性单体接枝到聚丙烯上，以改善其血液相容性。日本三菱人造丝（Mitsubishi Rayon）通过熔融纺丝-冷却拉伸开发的聚丙烯中空纤维膜式人工肺，已广泛应用於临床；复旦大学开发的膜型人工肺已投放市场多年。
目前，人工肺只能应用於短期体外气体交换，主要是因为其存在着许多不足。针对这些问题，新型人工肺正在研究和开发中。
日本可乐丽（Kuraray）采用复合膜的制备工艺，在人工肺用聚丙烯微孔中空纤维膜表面再涂上小於1um厚的致密层的复合膜，膜研制成了一种复合膜型人工肺；Palanzo发现白蛋白涂层组能显着降低血小板聚集数目。
Body在心肺旁路中用NO气体来抑制血小板和白细胞的吸附、激活和聚集；肝素化的中空纤维人工肺被证明能长期应用於常规心脏手术前後，这是向具有更好血液相容性材料迈进的重要一步，清华大学与东华大学合作获得了一个关於抗凝血人工肺的发明专利。
Mueller的研究表明，用硅树脂涂层的人工肺有良好的气体传输功能，并保持了传统中空纤维人工肺所有机械装置的优点。
Eyak采用中空纤维膜微孔盲端技术防止血浆渗漏，从而延长了使用时间。
美国西北大学（Northwestern University）开发了一种可植入型人工肺，称为胸内人工肺，由聚丙烯中空纤维膜组成，它能提供大约2m2的表面面积进行全部气体交换，尽管这仅为正常人肺表面面积(约90m2)的一小部分，但它能为处於静止休息状态下的病人提供足够的气体交换，已在动物模型的实验中获得成功。
混合型生物人工肝采用中空纤维组件
在过去的十几年，器官移植是治疗暴发性肝衰竭和慢性肝衰竭的唯一临床有效方法，然而其应用受到了器官供体缺乏、高成本、高相关发病率、需要肌体长期免疫抑制的限制。因此研究人员发展可替代的方法用於治疗肝功能不全，人工肝即是一种能代替肝脏功能的人工器官。
人工肝有非生物型、中间型、生物型和混合生物型等四种类型。国外模拟肝脏功能的研究从上世纪五十年代开始，1958年人工肝开始临床应用。国内东华大学於80年代开始研究人工肝，材料采用聚丙烯腈中空纤维膜，与瑞金医院合作通过了上海市科委鉴定。目前，国内外临床应用的人工肝主要是非生物型人工肝。
用於人工肝的中空纤维膜，包括聚丙烯腈中空纤维膜、活性炭中空纤维膜、中空活性碳纤维和聚砜中空纤维膜等。
非生物型人工肝只能用於短期治疗。人工肝的的发展动向是开发混合型生物人工肝，它能成为提供各种肝功能的“替代肝”，给病人提供充足的解毒和新陈代谢功能，以长期支持肝衰竭患者，执行肝的基本功能。
大多数混合型生物人工肝包括生物成分、生物反应器和血(或血浆)灌流三个部分。
随着中空纤维肝细胞培养技术的提高，混合型生物人工肝能在中空纤维膜表面增植活体肝细胞，培养液缓慢流过中空纤维膜内腔，中空纤维膜间充满肝细胞。这方面的研究热点是肝细胞的附着材料。
对於基质涂层，研究表明以胶原最好。混合型生物人工肝采用中空纤维组件，易於上临床进行试验。但大多数中空纤维型人工肝有扩散表面积不足和肝细胞容量小的缺陷。Dix it新的设计采用微囊包裹肝细胞，克服了上述缺点。
沈新元是东华大学材料科学与工程学院教授，同时也是教育部高等学校高分子材料与工程专业教育指导委员会委员、上海化学化工学会膜技术及应用专业委员会副主任、上海生物医学工程学会生物材料专业委员会委员。(end)
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(1/6/2011) |
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