聚氨酯材料在人造器官中的应用与研究进展

1. 人工心脏

人工心脏是推动血液循环完全替代或部分替代人体心脏功能的机械心脏，是在解剖学、生理学上代替人体因重症丧失功能不可修复的自然心脏的一种人工脏器。在人体心脏因疾患而严重衰弱时，植入人工心脏暂时辅助或永久代替人体心脏的功能，推动血液循环。人工心脏分为辅助人工心脏和完全人工心脏。辅助人工心脏有左心室辅助、右心室辅助和双心室辅助，以辅助时间的长短又分为一时性辅助（2 周以内）及永久性辅助（2 年）两种。要想制成像自然心脏那样精确的组织结构、完全模拟其功能的人工心脏是不容易的，需要医学、生物物理学、工程学、电子学等多学科的综合应用及相当长时期的研究。

聚氨酯材料被认为是制造人工心脏及其辅助装置的理想材料。人工心脏应用的材料主要是聚醚型热塑性聚氨酯弹性体材料，具有耐多次弯折、弹性和顺应性好、抗老化、组织相容性和血液相溶性好的特点。心脏瓣膜是心脏内防止血液倒流的单向阀门。在临床上使用的机械瓣，主要由甲基乙烯基硅橡胶制成。人工血管要求无凝结、防渗漏、抗断裂、不引起过敏，高质量的人工血管还应避免排异反应。一般选用的材料有TPU、聚四氟乙烯等。美国Ethicon 公司的Biomer 医用TPU 由PTMEG、MDI 和乙二胺合成，用作人工心脏血泵平滑膜、血管材料等使用。美国Dow Chemical 公司生产的Pellethane 医用TPU 是由PTMEG、MDI 和BDO 合成的线性聚氨酯，用于制造人工心脏及血液管性材料、主动脉内球囊反搏等。美国Thermomedics 公司生产的线型Tecoflex HR 医用TPU 是由PTMG、HMDI 和BDO 合成，用于人工心脏和血管材料的制造。

心脏辅助装置有左心室辅助、右心室辅助和双心辅助。其中以左心室辅助泵（图5－10）和主动脉内气囊反搏为主，原则上是为心脏手术后和心肌梗死后严重衰竭病例一时性使用，待自然心脏的泵功能恢复后摘除。制作泵的材料表面应光滑、抗凝血性能好，目前以嵌段聚醚TPU 最佳，如使用较硬的脲醛和较软的聚醚二甘醇嵌在TPU 的高分子链段间制成的改性聚氨酯弹性体，气囊材料亦以TPU 最佳。潘仕荣等以己二醇和碳酸二苯酯为初始原料，制备出聚六亚甲基碳酸酯二醇（PHC），再采用两步法先后与MDI 和乙二胺反应，合成了聚六亚甲基碳酸酯聚氨酯脲（PCUU）。实验证明这是一种具有优异拉伸强度的热塑性聚氨酯弹性体，且耐高温性能良好，可以很好地应用于人工心脏起搏器中。钟银屏等制备的侧链含氟热塑性聚氨酯弹性体材料，是由聚醚二元醇或聚碳酸二元醇构成的柔性链段与二异氰酸酯、扩链剂构成的刚性链段交替共聚而成，其特征在于材料不仅具有良好的生物稳定性、血液相容性，且弹性高、耐氧化、耐水解、力学性能好，可用于制作长期植入体内的人工血管、人工心脏起搏器导线、人工心脏瓣膜，各种医用介入导管等制品。

图5-10　心室辅助装置泵体结构

1—动力源接头；2—气囊；3—气动隔膜；4—血液流出管道；5—血液流入管道；6—瓣膜；7—血囊；8—支撑环(www.xing528.com)

热塑性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－烯烃橡胶等弹性材料，因此成为各国研制人工心脏及其辅助装置的首选材料。种种临床试验证明TPU 可以很好地在人工心脏中得到应用，具有很大的发展前景。近年来一些美国医药产品生产企业将聚氨酯与聚二甲基硅氧烷共同组成的共聚物应用到了人工心脏领域（心脏瓣膜），通过测试得出其耐久性可达到500 万次循环。这一技术的应用对人工心脏的抗血栓能力的强化起到了一定的促进作用。

2. 人工皮肤

当人体皮肤烧伤之后，皮肤功能受到了破坏，因此对烧伤病人来说，创面清理后面临一个重要问题就是创面的覆盖，以防止体液大量流失而引起脱水，并防止细菌侵入造成感染。对人工皮肤的要求（图5－11）除了无毒、无刺激等医用条件外，还要求柔软，能很好地敷贴创面而不移动或能缝合创面，遇到分泌物而不变性和降低强度，并且具有透气性、吸水性和透湿性，人工皮肤作为一种皮肤创伤修复材料和损伤皮肤的替代品，可以使皮肤大面积和深度烧伤的患者，在自体皮不够的情况下，具有进行修复治疗并使之恢复因皮肤创伤丧失的生理功能的作用。

图5-11　人造皮肤的要求示意图

随着组织工程学科的出现和发展，人工皮肤的研究已从原来单纯的创伤敷料和人工皮肤向活性人工皮肤的方向发展。活性人工皮肤不仅包覆在创伤表面，保护创面，防毒，杀菌，促进皮肤的恢复和生长，而且，材料中的活性细胞还能诱导分化细胞，使活性人工皮肤能完全永久地替代已损伤和丧失的皮肤。活性人工皮肤常用的原料有以下两种：①蛋白类：胶原、明胶、丝素等为人工皮肤的重要组成，是细胞分化、生长的营养基地。优点是有增加结缔组织修复和再生的作用，但其缺点是无弹性、强度低、降解太快。明胶海绵是最早使用的止血吸收敷料，但其引导细胞生长性能不如胶原。②多糖类：甲壳糖、糖胺多糖、透明质酸等，该类材料有促进细胞生长的功能。例如，甲壳糖有消炎杀菌、促角质细胞生长作用，为良好的细胞生长基质材料，但随着用量增加，有抑制成纤维细胞生长的作用，且材料的弹性低、质脆。

在众多的合成材料中，TPU 可作为皮肤代用品的材料，具有来源容易、制作简单、储存方便、成本低以及生物相容性好等优点。经动物和临床试验已证明，该材料无毒性、无刺激，能有效地减少创面水分蒸发，防止细菌感染，保护并促进创面的愈合，从而为烧伤外科提供了一种新型皮肤覆盖材料。聚氨酯人造皮可适用于三度烧伤病人，在治疗过程中，先将烧坏的表皮剪去，然后盖上聚氨酯人造皮。这种聚氨酯人造皮在制造后用钴－60 照射杀菌或蒸汽消毒，密封在纸塑复合袋中可长期保存。Bruin 等设计了一种双层聚氨酯人工皮肤，该皮肤底层为乙交酯与己内酯共聚酯和赖氨酸二异氰酸酯制备的大孔TPU，顶层为微孔透气性防水防菌的TPU。将其植入豚鼠的皮下发现，多孔TPU 网状物能使细胞快速生长，并在植入后的4 ～8 周内完全降解，从而可使覆膜从创口上毫无痛苦地剥离而不损伤其新生的表皮。徐瑞等人利用纳米银粉体、TPU 粒料等原材料，制备了多孔纳米银聚氨酯薄膜，并通过完善制备工艺逐步改进了薄膜的理化性质，从而进一步制备了双层多孔纳米银聚氨酯仿生皮肤，可用于简单快捷地封闭烧创伤创面，防止感染，从而促进创面愈合或者为后期手术创造条件、争取时间。Firoozi 等人以端羟基四臂星形聚乳酸为原料，合成了一种可生物降解的聚己内酯－聚氨酯半互穿聚合物网络，用于真皮组织细胞的生长后发现，其具有优良的生物相容性。