復合材料在醫(yī)療器械中的應用

張群英 嚴玉蓉

1 廣東省醫(yī)療器械質量監(jiān)督檢驗所(廣州 510663）

2 華南理工大學 材料科學與工程學院(廣州 510641）

復合材料從20世紀40年代誕生至今，已經歷了半個多世紀，一些工業(yè)發(fā)達國家的復合材料工業(yè)已形成完整的體系，在美國自1991年起被列為國家22 項關鍵技術之一。樹脂基復合材料、陶瓷基復合材料、金屬基復合材料以及C/C 復合材料一起構成現(xiàn)有復合材料體系。隨著科學技術的發(fā)展，復合材料已被賦予了新的內容和使命，成為現(xiàn)代無法取代的一種工程材料。從應用上看，復合材料在美國和歐洲主要用于航空航天、汽車等行業(yè)。由于高性能復合材料具有極佳的硬度和強度,且重量輕,因此是航天航空行業(yè)的理想材料。重量的降低可以提升燃油效率,并促進了能運輸更多乘客和貨物且速度更快的大型飛機的制造。[1]而在日本，復合材料主要用于住宅建設，如衛(wèi)浴設備等。與此同時，隨著近年來人們對環(huán)保問題的日益重視，高分子復合材料取代木材方面的應用也得到了進一步推廣。例如，用植物纖維與廢塑料加工而成的復合材料，在北美已被大量用作托盤和包裝箱，用以替代木制產品；而可降解復合材料也成為國內外開發(fā)研究的重點。

另外，納米技術逐漸引起人們的關注，納米復合材料的研究開發(fā)也成為新的熱點。以納米改性塑料，可使塑料的聚集態(tài)及結晶形態(tài)發(fā)生改變，從而使之具有新的性能，在克服傳統(tǒng)材料剛性與韌性難以相容的矛盾的同時，大大提高了材料的綜合性能。正是有了這些基礎，才使復合材料可以廣泛地應用于多學科交叉的醫(yī)療器械。由于醫(yī)療器械涉及到化學、物理學、生物化學、高分子化學與工藝學、生理學、藥物學、制劑學、解剖學、病理學、基礎醫(yī)學等很多學科，因此對用于醫(yī)療器械的復合材料的性能具有更高的要求。

1.復合材料概述

1.1 復合材料定義[2]

復合材料是由兩種或多種不同性質的材料用物理和宏觀尺度上組成的具有新功能的材料。復合材料的性能優(yōu)于其組分材料的性能，并且有些性能是原來組分材料所沒有的，復合材料改善了組分材料的剛度、強度、熱學等性能。復合材料由基體材料和增強材料兩種組分組成?；w采用各種樹脂或金屬、非金屬材料;增強材料采用各種纖維或顆粒等材料。其中，增強材料在復合材料中起主要作用,提供剛度和強度，基本控制復合材料的性能。基體材料起配合作用，它支持和固定纖維材料，傳遞纖維間的載荷，保護纖維免遭磨損或腐蝕，改善復合材料的某些功能。復合材料的力學性能比一般材料復雜，主要有不均勻、不連續(xù)和各向異性等。

1.2 復合材料的分類[2]

根據(jù)復合材料中增強材料的幾何形狀，復合材料可分為三大類：(1)顆粒增強復合材料，由顆粒增強材料和基體組成；(2)纖維增強復合材料，由纖維和基體組成；(3)層合復合材料，由多種片狀材料層合而組成。

1.3 復合材料的優(yōu)勢[2]

復合材料具有以下優(yōu)點：

(1)比強度高。尤其是高強度碳纖維、芳綸纖維復合材料。界面由于復合時復雜的物理和化學原因，變得既不同于基材相、又不同于補強相組成本體的復雜結構，同時發(fā)現(xiàn)這一結構和形態(tài)對復合材料的宏觀性能產生影響，所以，界面附近這一結構與性能發(fā)生變化的微區(qū)也可作為復合材料的一相，稱為界面相。一般說來，復合材料是由基材相、補強相和界面相所組成的。

(2)比模量高。除玻璃纖維環(huán)氧復合材料外，其余復合材料的比模量比金屬高很多，特別是高模量碳纖維復合材料最為突出。

(3)具有可設計性。復合材料的性能除了取決于纖維和基體材料本身的性能外，還取決于纖維的含量和鋪設方式。因此，我們可以根據(jù)載荷條件和結構構件形狀，將復合材料內纖維設計成適當含量并合理鋪設，以便用最少的材料滿足設計要求，最有效地發(fā)揮材料的作用。

(4)制造工藝簡單，成本較低。復合材料構件不需要很多復雜的機械加工設備，生產工序較少，它可以制造形狀復雜的薄壁結構，消耗材料和工時較少。

(5)某些復合材料熱穩(wěn)定好。如碳纖維和芳綸纖維具有負的熱膨脹系數(shù)，因此，當與具有正膨脹系數(shù)的基體材料適當組合時，可制成熱膨脹系統(tǒng)極小的復合材料，當環(huán)境溫度變化時，結構只有極小的熱應力和熱變形。

(6)高溫性能好。通常鋁合金的工作溫度可達200℃～250℃,溫度更高時其彈性模量和強度將降低很多。而碳纖維增強復合材料能在400℃下長期工作，力學性能穩(wěn)定;碳纖維增強陶瓷復合材料能在 1200℃～1400℃下工作;碳/碳復合材料能承受近3000℃的高溫。

此外，各種復合材料還具有各種不同的優(yōu)良性能，如高疲勞性、高沖擊性、透電磁波性、減振阻尼性和耐腐蝕性等。

2.醫(yī)療器械概述

2.1 醫(yī)療器械定義

醫(yī)療器械是指單獨或者組合使用于人體的儀器、設備、器具、材料或者其他物品，包括所需要的軟件；其用于人體體表及體內的作用不是用藥理學、免疫學或者代謝的手段獲得，但是可能有這些手段參與并起一定的輔助作用；其使用旨在達到下列預期目的：（1）對疾病的預防、診斷、治療、監(jiān)護、緩解；（2）對損傷或者殘疾的診斷、治療、監(jiān)護、緩解、補償；（3）對解剖或者生理過程的研究、替代、調節(jié)；（4）妊娠控制。[3]

2.2 醫(yī)療器械的分類

醫(yī)療器械產品有多種分類：在統(tǒng)計學上，有按醫(yī)學性能分類的，如診斷產品、治療產品、齒科器械；也有按產品技術屬性分類的，如醫(yī)用電子產品、放射線診斷設備；也有按產品醫(yī)學功能及技術屬性混合分類的。在監(jiān)督管理上，歐美各國實行按產品使用時，對接受使用者造成人身傷害的可能性及可能傷害程度分類，一般分為三類。我國醫(yī)療器械監(jiān)管法規(guī)明確按產品應用時的安全性控制程度分類，也分為三類：第一類是指，通過常規(guī)管理足以保證其安全性、有效性的醫(yī)療器械；第二類是指，對其安全性、有效性應當加以控制的醫(yī)療器械；第三類是指，植入人體，用于支持、維持生命，對人體具有潛在危險，對其安全性、有效性必須嚴格控制的醫(yī)療器械。[3]

2.3 醫(yī)療器械行業(yè)的特點

一是，其從事生產活動的成果用于人類醫(yī)療衛(wèi)生保健，功能明確，絕大多數(shù)為醫(yī)療衛(wèi)生機構購置后供醫(yī)護人員使用，少量品種是兼供人們家庭自我醫(yī)療保健使用，所以，市場用戶主體十分明確和穩(wěn)定；第二，其產品直接或間接作用于人體，對人身健康和安全有直接或間接影響，因此對產品質量和穩(wěn)定性有十分嚴格要求，生產廠家應具有高標準的生產經營管理素質，政府對生產廠家的資格和產品進入市場的許可建立有嚴格的法定程序，產業(yè)受國家法規(guī)的監(jiān)督制約多于其他產業(yè)；第三，比之其他以某種特定用途聚合的工業(yè)產品群，其產品門類甚為復雜，涉及技術學科更廣，不同產品門類間的技術含量、功能和市場需求量大小差距顯著，產品最終存在形態(tài)也多種多樣。

3.醫(yī)療器械用復合材料的性能要求

3.1 醫(yī)療器械用復合材料的分類

應用于醫(yī)療器械中的復合材料有多種分類方法，但目前在實際應用中，更實用的是僅將其分為兩大類，一類是直接用于治療人體某一病變組織、替代人體某一部位或某一臟器、修補人體某一缺陷的材料。如用作人工管道（血管、食道、腸道、尿道等）、人造玻璃體（眼球）、人工臟器（心臟、腎臟、肺、胰臟等）、人造皮膚、人造血管，手術縫合用線、組織粘合劑、整容材料（假耳、假眼、假鼻、假肢等）的材料；另一類則是用來制造醫(yī)療器械、用品的材料，如醫(yī)療設備的外殼、探頭或者是注射器、手術鉗、血漿袋等。這類材料用來為醫(yī)療事業(yè)服務，但本身并不具備治療疾病、替代人體器官的功能。

3.2 醫(yī)療器械用復合材料的性能要求

不同用途的醫(yī)療器械，其對復合材料的性能要求也不同。

對于直接用于治療人體某一病變組織、替代人體某一部位或某一臟器、修補人體某一缺陷的復合材料的性能有如下要求：（1）化學隋性，不會因與體液接觸而發(fā)生反應；（2）對人體組織不會引起炎癥或異物反應；（3）不會致癌；（4）具有良好的血液相容性；（5）長期植入體內不會減小機械強度；（6）能經受必要的清潔消毒措施而不產生變性；（7）易于加工成需要的復雜形狀。

對于用來制造醫(yī)療器械、用品的材料，則有其他不同的要求，如用于制造醫(yī)療設備外殼的材料需具有較高的熱穩(wěn)定性，良好的韌性、剛性，很高的機械強度、抗沖擊性能，優(yōu)異的耐化學品和清潔劑特性等；對用于制造注射器、血漿袋等與不同藥物或血液接觸的材料，需考慮其與藥物、血液的相容性、小分子的遷移等性能。對于不同用途的醫(yī)療器械用復合材料往往有一些具體的要求，在復合材料進入臨床應用之前，都必須對材料本身的物理化學性能、機械性能以及材料與生物體及人體的相互適應性進行全面評價，然后經國家管理部門批準才能進入臨床使用。

4.復合材料在醫(yī)療器械中的應用

由于復合材料各方面的優(yōu)異性能，使其在要求頗為嚴格的多學科交叉的醫(yī)療器械領域也得以廣泛應用，并顯示出其主流趨勢[4～22]。

4.1 在口腔材料中的應用

復合材料在口腔材料中的應用近年來取得長足的發(fā)展，由于其具有優(yōu)異的修復效果和良好的美觀效果,在當今口腔材料中占有舉足輕重的地位。傳統(tǒng)的復合樹脂中通常含有樹脂基質、填料( 玻璃、石英或陶瓷材料等)以及基質與填料的偶聯(lián)介質。在現(xiàn)有的商品類復合樹脂中，最常見的樹脂基質是交聯(lián)的二甲基丙烯酸酯的混合物，如Bis GMA、T EGDMA、U DMA、D3MA 等。

4.2 在假肢中的應用

過去假肢都是鋼木制品，質量大消耗體力大、制造工藝復雜，成本高?，F(xiàn)在國內外已廣泛用纖維增強樹脂復合材料制造，優(yōu)點很多。用與人腿軸線呈 ±45?的混合復合材料制成假肢，質量僅約 127g，其下端能裝入鞋內。對患小兒麻痹癥而下肢癱瘓的兒童，可用混雜復合材料制作整直器和支撐器,幫助患者行走并刺激骨骼生長。

4.3 在人造骨骼、關節(jié)中的應用

用混雜復合材料制造人造骨骼、關節(jié)時，可通過調節(jié)混雜比例和混雜方式，在人的體溫變化范圍內使其膨脹與人造骨骼的膨脹相匹配，以減輕患者的痛苦。此外，人體和混雜復合材料的外植入物滿足相容性。目前國外有丙烯酸合成樹脂應用三維技術術前制成缺損形狀用于修補顱骨缺損，效果滿意。而三維硅橡膠羥磷灰石復合物在國外應用取得良好的效果，國內尚無應用報道。

4.4 在醫(yī)療設備中的應用

用碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維混雜復合材料制成用于診斷癌腫瘤位置時 X 射線發(fā)生器的懸壁式支架，除滿足剛度要求外，還能滿足最大放射性衰減的要求。另外，還用于制作 X 線底片暗盒和床板等。

4.5 在新型人工器官和組織材料中的應用

利用細胞學和分子生物學方法將蛋白質、細胞生長因子、酶及多肽等固定在現(xiàn)有材料的表面，通過表面修飾構建新一代的分子生物材料，來引發(fā)所需的特異生物反應，抑制非特異性反應，從而提高生物醫(yī)用材料的生物功能化和生物智能化。目前已開發(fā)出的第三代生物醫(yī)用材料是同時具有生物活性和生物降解性的新一代生物醫(yī)用材料。作為細胞外基質，它們可在分子水平上激活基因、刺激細胞增殖、誘導其組織分化進而構筑成新的組織和器官。目前， 第三代生物醫(yī)用材料已成為國際上材料前沿領域一個十分活躍的研究方向，在組織工程中已開始有廣泛的臨床應用。

4.6 在新型藥物載體材料中的應用

20世紀 90年代以來，隨著藥物劑型和制劑研究進入藥物釋放系統(tǒng)(DDS)時代，新型藥物釋放系統(tǒng)已成為藥學領域的重要發(fā)展方向，由此，對新型藥物載體材料的研究也就愈加重要。如目前使用較為廣泛的聚乙二醇( PEG)，它作為載體材料可以與蛋白質和多肽類藥物形成結合物，從而被看作是一種新型的載藥系統(tǒng)。

4.7 在納米復合生物醫(yī)用材料中的應用

生物醫(yī)用材料領域中，細胞與材料間的相互作用是研究的主要課題。材料表面的微觀結構對細胞的生物調控作用更為重要。納米材料因具有一些獨特的效應，如體積效應和表面效應，有利于細胞黏附、增殖和功能表達，因而作為生物醫(yī)用材料特別是組織工程支架材料具有良好的應用前景。目前用于生物醫(yī)用研究的納米材料主要有無機納米材料、高分子納米材料以及復合納米材料等，研究熱點主要是藥物控釋材料及基因治療載體材料。納米復合材料可以模擬出與人體組織相似的細胞基質微環(huán)境，因而是生物材料尤其是組織工程支架研究中應用最為廣泛的材料。如Kikuchi 等通過化學反應合成的羥基磷灰石P 膠原復合納米材料的機械強度為正常骨組織的 1 P4。體內實驗表明,該材料通過破骨細胞樣細胞的吞噬作用而降解，并可在材料附近誘導成骨細胞形成新的骨組織。Tan 等將殼聚糖與膠原蛋白按不同比例混合,制備具有納米結構的復合材料,隨著殼聚糖比例的增大,復合物支架的機械強度增加，孔徑尺寸增大，在此三維支架上生長的 K562 細胞功能得到顯著的增強。

5.發(fā)展趨勢

在過去三十年中,復合材料的開發(fā)取得了長足的進步。由于這些復合材料所體現(xiàn)出來的優(yōu)異性能，使其不可避免地成為醫(yī)療器械用材料的主流。如在加州阿納海姆展會上，美國 TeknorApex公司展出了其獲獎產品 MD-500 系列混合材料。據(jù)該公司介紹說，“該產品是首個完全切實可行的 PVC 替代品?！痹摴玖硪豢钚禄旌喜牧螹edalistMD-500 還可采用環(huán)氧乙烷滅菌工藝和伽馬輻照來消毒，由此所引起的顏色變化與乙烯材料相當或者更少。該材料還有可能應用于輸液管、呼吸管、進食管及蠕動管。[23]

隨著生物技術、醫(yī)藥技術、信息技術、制造技術、納米技術和材料科學技術的迅猛發(fā)展與交互融合， 新型和新概念生物醫(yī)用材料層出不窮。藥物控制釋放材料、組織工程材料、納米生物材料、生物活性材料、介入診斷和治療材料、可降解和吸收生物材料、新型人造器官、人造血液等代表了新的發(fā)展趨勢和方向。[24]

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