胡金蓮

(香港理工大學(xué)紡織及制衣學(xué)系 形狀記憶紡織品研究中心，中國(guó) 香港)

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形狀記憶聚合物在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展

胡金蓮

(香港理工大學(xué)紡織及制衣學(xué)系 形狀記憶紡織品研究中心，中國(guó) 香港)

摘要：形狀記憶高分子材料已經(jīng)成為一種新型的生物醫(yī)用智能材料，它能夠根據(jù)不同應(yīng)用進(jìn)行性能設(shè)計(jì)，以滿足生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)Σ牧隙喙δ艿囊??；诓煌膽?yīng)用，形狀記憶聚合物材料可以提供適合的功能，例如：形狀展開功能、形狀固定及回復(fù)功能、形變回復(fù)率及回復(fù)力可控性能等。形狀記憶高分子材料可以通過多種刺激，例如：熱、光、電、磁等方式被激發(fā)，實(shí)現(xiàn)其生物醫(yī)學(xué)功能。這些刺激可以通過直接接觸或遙控的方式激發(fā)材料的性能。形狀記憶高分子材料也可以經(jīng)過設(shè)計(jì)，具有生物降解性能、生物相容性等。首先介紹了形狀記憶聚合物材料的結(jié)構(gòu)原理、性能及分類，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)不同生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)，同時(shí)針對(duì)不同的形狀記憶性能在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行探討。最后對(duì)形狀記憶聚合物材料的生物力學(xué)性能、滅菌方式對(duì)材料性能的影響等進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：形狀記憶聚合物結(jié)構(gòu)原理；生物醫(yī)用；生物力學(xué)性能；生物相容性；形狀展開；形狀回復(fù)速率；滅菌

1前言

高分子材料目前已經(jīng)應(yīng)用于植入手術(shù)器械、體外治療設(shè)備、傷口敷料、藥物釋放等系統(tǒng)。 它們?cè)谏镝t(yī)學(xué)領(lǐng)域的各種應(yīng)用都需要相應(yīng)的材料特性與器械功能有效結(jié)合，例如，植入手術(shù)器械必須滿足一定的機(jī)械性能；當(dāng)人體組織或器官部分功能被聚合物基的器械代替時(shí)，例如人造血管，材料的生物相容性是必須達(dá)到的首要條件；而對(duì)于為組織再生提供暫時(shí)支持的支架材料，其在體內(nèi)液體環(huán)境下的降解性能，降解產(chǎn)物如何代謝和排出，都是材料設(shè)計(jì)時(shí)非常重要的考慮因素；另外，材料的擴(kuò)散性能或腐蝕性能是作為藥物釋放材料首要考慮的因素?？焖侔l(fā)展的外科技術(shù)尤其是微創(chuàng)手術(shù)的發(fā)展也為現(xiàn)代植入材料提出了越來(lái)越復(fù)雜的要求，例如，如何將體積較大的植入材料通過微創(chuàng)手術(shù)放入體內(nèi)、材料如何適應(yīng)不同組織形狀等。

形狀記憶效果作為形狀記憶聚合物獨(dú)特的功能可以在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。形狀記憶聚合物材料的形狀展開、形狀回復(fù)、形狀自適應(yīng)等都是其它生物醫(yī)用材料所不能實(shí)現(xiàn)的功能，可以滿足新型外科手術(shù)、新型醫(yī)療器械對(duì)材料特殊功能的要求。同時(shí)形狀記憶聚合物材料可以根據(jù)需要通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活調(diào)整其形狀記憶性能，生物力學(xué)性能，同時(shí)具有良好的生物相容性和生物降解性能。

本文就不同刺激條件的形狀記憶材料結(jié)構(gòu)、原理及性能進(jìn)行描述，并對(duì)生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用所提出的材料生物力學(xué)性能、生物相容性以及降解性能進(jìn)行探討，同時(shí)對(duì)基于形狀記憶高分子材料的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用包括外科手術(shù)器械；血管、神經(jīng)修復(fù)；創(chuàng)傷輔料；藥物釋放等進(jìn)行綜述。

2形狀記憶高分子材料結(jié)構(gòu)及原理

智能高分子材料被定義為一類可以感知環(huán)境或自身狀態(tài)，判斷并且根據(jù)預(yù)定目標(biāo)改變自身功能的一類材料。這種智能材料與傳統(tǒng)的智能系統(tǒng)或設(shè)備不同，因?yàn)樗恍枰揽繌?fù)雜的傳感器或反饋系統(tǒng)作出反應(yīng)。相反，這類智能材料依靠自身結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)境的改變例如溫度、光、pH值等直接作出反應(yīng)。作為智能材料最重要的分支，形狀記憶材料在過去幾十年里得到了迅速發(fā)展，主要涉及形狀記憶合金材料、形狀記憶陶瓷材料和形狀記憶高分子材料。

近20年，形狀記憶高分子材料在科研和工業(yè)領(lǐng)域都有了廣泛、深入的研究，目前很多產(chǎn)品已經(jīng)在工業(yè)中獲得應(yīng)用，例如功能紡織品[1]、航天設(shè)備[2]、生物醫(yī)用設(shè)備[3]、交互電子產(chǎn)品等[4]。形狀記憶高分子材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。

“形狀記憶”的概念早在1941年就被提出[5]，然而其重要性直到20世紀(jì)60年代交聯(lián)聚乙烯作為熱收縮管時(shí)才得到重視。更多的研究開始于20世紀(jì)80年代，在90年代得到加速發(fā)展，直到最近10年才獲得重大的進(jìn)步。通常，形狀記憶效果并不是與材料的固有特性相關(guān)聯(lián)， 而是大分子網(wǎng)絡(luò)適當(dāng)?shù)慕M合及特定的賦型過程所表現(xiàn)出的效果。

隨著研究的深入，形狀記憶聚合物材料的特點(diǎn)越來(lái)越凸現(xiàn)，特別是同形狀記憶合金相比，它有如下優(yōu)勢(shì)：①可以響應(yīng)不同形式的外界刺激，例如熱、光、磁等，同一個(gè)材料也可以同時(shí)響應(yīng)多個(gè)刺激；②更靈活的可賦型性能，可以賦予材料一個(gè)或多個(gè)暫時(shí)的形狀；③結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活多樣；④性能可調(diào)控性，可以通過共混、聚合等多種方法實(shí)現(xiàn)；⑤對(duì)生物組織良好的相容性及生物降解性；⑥可以具有較大的體積質(zhì)量比，例如泡沫。

針對(duì)不同的形狀記憶聚合物結(jié)構(gòu)，提出不同的理論模型，例如：描述半結(jié)晶化學(xué)交聯(lián)聚乙烯的模型，是以化學(xué)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)“記憶”永久形狀，結(jié)晶部分具有形狀固定的作用[6]；超分子形狀記憶體系為彈性聚合物網(wǎng)絡(luò)與熱回復(fù)氫鍵側(cè)基相結(jié)合的模型[7]；以及納米纖維素晶須與彈性基體的水響應(yīng)形狀記憶模型等[8]。

基于形狀記憶聚合物大分子機(jī)理的研究成果，一個(gè)更加全面的描述形狀記憶結(jié)構(gòu)原理的模型(圖1)被提出[9]。在這個(gè)模型中，不管采用何種化學(xué)結(jié)構(gòu)的形狀記憶聚合物，都可以被簡(jiǎn)化成具有“節(jié)點(diǎn)”和“開關(guān)”部分的結(jié)構(gòu)。節(jié)點(diǎn)決定了材料的永久形狀，可以是化學(xué)交聯(lián)或物理交聯(lián)，也可以是大分子互穿網(wǎng)絡(luò)，或是超分子互鎖結(jié)構(gòu)。聚合物形狀回復(fù)力來(lái)源于大分子網(wǎng)絡(luò)的熵彈力。開關(guān)結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)形狀固定和回復(fù)。無(wú)定形結(jié)構(gòu)、結(jié)晶、液晶、超分子、光回復(fù)耦合基團(tuán)和纖維素晶須網(wǎng)絡(luò)等都可以作為形狀記憶聚合物的開關(guān)部分。

圖1　形狀記憶結(jié)構(gòu)原理模型Fig.1　The overall architecture of shape memory polymers

目前，對(duì)形狀記憶聚合物有多種分類方式。根據(jù)材料響應(yīng)外界刺激的不同分為：熱響應(yīng)、光響應(yīng)、電響應(yīng)、水響應(yīng)等類型；根據(jù)材料的節(jié)點(diǎn)類型分為：物理交聯(lián)型、化學(xué)交聯(lián)型[10]；根據(jù)開關(guān)結(jié)構(gòu)不同分為：Tg型、Tm型。這些分類方法都有一定的理論基礎(chǔ)，但是未被統(tǒng)一認(rèn)可，因?yàn)檫@些分類方法都只反映了形狀記憶聚合物的部分特點(diǎn)。

圖2從合成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、刺激方式以及形狀記憶功能3個(gè)方面系統(tǒng)地對(duì)形狀記憶聚合物進(jìn)行分類。形狀記憶聚合物合成和結(jié)構(gòu)包括嵌段共聚物[11-14]、化學(xué)交聯(lián)聚合物[15-17]、聚合物大分子互穿網(wǎng)絡(luò)[18-20]、聚合物共混[21-23]和超分子聚合物網(wǎng)絡(luò)[7]。因此，形狀記憶聚合物可以采用所有的合成方法獲得，例如：加成聚合、縮合聚合、自由基聚合、開環(huán)聚合、輻射反應(yīng)和光化學(xué)聚合。形狀記憶聚合物的功能除了形狀記憶效果外，還包括光性能、生物降解性能、熱致變色性能等。形狀記憶效果包括單向形狀記憶、雙向形狀記憶和三向甚至多向形狀記憶。激發(fā)形狀記憶效果的不同外界因素可總結(jié)為以下4類：①熱誘導(dǎo)；②水誘導(dǎo)；③光誘導(dǎo)；④氧化還原反應(yīng)。

圖2　基于結(jié)構(gòu)、刺激方式及功能的形狀記憶聚合物分類[9]Fig.2　Integrated classification of shape memory polymers based on structure, stimulus, and shape memory function[9]

作為生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的形狀記憶聚合物材料，其功能性是最終與實(shí)際應(yīng)用最相關(guān)的部分。根據(jù)上文提到的形狀記憶功能，單向形狀記憶材料在每次形狀回復(fù)前都需要外力賦予一個(gè)暫時(shí)形狀的過程；而雙向形狀記憶材料可以通過一次賦型就可以在兩個(gè)形狀之間來(lái)回轉(zhuǎn)換。與雙向形狀記憶材料比較，單向形狀記憶材料具有柔軟、變形大、易賦型等優(yōu)點(diǎn)。三向形狀記憶性能是在賦型過程中給予材料兩個(gè)暫時(shí)形狀，在逐步恢復(fù)的過程中顯示材料的3種形狀。形狀記憶聚合物的性能在生物醫(yī)用材料中主要通過以下幾種方式表現(xiàn)：形狀展開、高形狀固定率及回復(fù)率、形狀回復(fù)力應(yīng)用、形狀回復(fù)速度控制、形狀自適應(yīng)等。目前研究最多的生物醫(yī)用形狀記憶材料包括形狀記憶聚氨酯、形狀記憶聚乳酸、脂肪族聚酯、聚異戊二烯和聚交酯類等。

3形狀記憶材料的激發(fā)類型

根據(jù)對(duì)形狀記憶高分子材料原理部分的描述，為使聚合物表現(xiàn)出形狀記憶效果，聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)需要包括節(jié)點(diǎn)以及大分子開關(guān)兩部分。物理或化學(xué)節(jié)點(diǎn)固定了聚合物的原始形狀。物理節(jié)點(diǎn)可以是大分子纏結(jié)或是大分子片斷的相互穿插；化學(xué)節(jié)點(diǎn)以共價(jià)鍵的形式存在。化學(xué)交聯(lián)點(diǎn)保證了作用于聚合物的力不會(huì)引起大分子鏈的滑移和宏觀形狀變化的可回復(fù)性。開關(guān)部分負(fù)責(zé)形狀固定和回復(fù)。 基于形狀記憶聚合物總體結(jié)構(gòu)，根據(jù)激發(fā)條件，可以分為熱響應(yīng)和非熱響應(yīng)兩大類。

熱響應(yīng)形狀記憶聚合物可以通過直接或間接的加熱方式使其溫度達(dá)到轉(zhuǎn)變溫度以上。用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的形狀記憶聚合物，除了體溫激發(fā)形狀回復(fù)之外，還可以通過磁[24-28]、電[29-33]、紅外[34-36]等間接方式加熱。Yu 等[28]將磁性納米顆粒添加到交聯(lián)PCL內(nèi)，在交變磁場(chǎng)下可以激發(fā)形狀記憶功能。雖然納米顆粒的加入降低了形狀回復(fù)率和變形率，但是納米顆粒對(duì)于體內(nèi)植入材料的遙控激發(fā)具有很強(qiáng)的吸引力。

電激發(fā)的形狀記憶效果可以通加添加導(dǎo)電顆粒，例如碳納米管/纖維或者導(dǎo)電聚合物的方法實(shí)現(xiàn)。當(dāng)這種聚合物處于電場(chǎng)時(shí)，電流產(chǎn)生的焦?fàn)枱峒ぐl(fā)形狀記憶功能。另外一種遠(yuǎn)程激發(fā)的方法是利用紅外激光加熱。通過添加碳納米管、石墨烯或激光吸收染料得到的形狀記憶聚合物，可以捕捉紅外光子，并把光能轉(zhuǎn)化成熱，從而激發(fā)形狀回復(fù)功能。非熱響應(yīng)的形狀記憶生物醫(yī)用材料主要通過水/體液環(huán)境激發(fā)形狀記憶功能，通常用于藥物緩釋技術(shù)或某些需要慢速形狀回復(fù)的器械[8]。

4形狀記憶高分子材料的應(yīng)用形式

目前，形狀記憶高分子材料已經(jīng)有外科手術(shù)、心血管支架、泌尿系統(tǒng)、腦部手術(shù)和牙齒正畸等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用報(bào)道。表1總結(jié)了形狀記憶高分子材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的典型應(yīng)用。

表1　形狀記憶高分子材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用

形狀記憶材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的總結(jié)通常都是基于不同醫(yī)學(xué)領(lǐng)域分類。但是尚未有基于形狀記憶性能分類的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用報(bào)道。這種分類方法不但可以使形狀記憶器械的使用者加深對(duì)此類智能材料的理解，從而更好地應(yīng)用此類材料，而且可以啟發(fā)材料開發(fā)者更深入地探討如何將形狀記憶材料的不同特性與應(yīng)用相結(jié)合，促進(jìn)新產(chǎn)品的開發(fā)。

形狀記憶材料最直觀的性能體現(xiàn)在形狀固定和回復(fù)兩方面。但是，伴隨形狀變化而同時(shí)存在的回復(fù)力變化往往被忽略。表1中涉及的多種應(yīng)用中，主要集中于形狀回復(fù)性的應(yīng)用，尤其是心血管支架方面。詳細(xì)分析后可以發(fā)現(xiàn)，形狀記憶聚合物應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，主要是對(duì)形狀回復(fù)力控制的應(yīng)用、形狀自適應(yīng)不同輪廓的應(yīng)用，形狀固定性的應(yīng)用,形狀回復(fù)力控制的應(yīng)用主要是形狀展開的應(yīng)用以及控制形狀回復(fù)率的應(yīng)用。

4.1可控形狀回復(fù)力的應(yīng)用

通過控制形狀回復(fù)力的大小可以獲得具有穩(wěn)定回復(fù)力或是周期性變化回復(fù)力的智能醫(yī)療器械或系統(tǒng)。

利用形狀記憶聚合物在形狀回復(fù)過程中產(chǎn)生的回復(fù)力可進(jìn)行牙齒校正治療。傳統(tǒng)的金屬正畸絲具有超強(qiáng)的硬度、回彈性、抗疲勞性和可操作性能。但是，金屬的顏色嚴(yán)重影響了美觀。有報(bào)道[68]基于PCL3000 合成的形狀記憶聚合物做正畸絲，具有質(zhì)量輕、高形狀記憶回復(fù)性、透明、美觀、易操作等特點(diǎn)。此外，這種正畸絲可以長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)為牙齒提供穩(wěn)定的形狀回復(fù)力，而不是通常的彈性回復(fù)力。研究發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)用后2 h，形狀回復(fù)力逐漸降低并達(dá)到穩(wěn)定的值，大約0.5 N， 并能保持20 d。

傳統(tǒng)的醫(yī)用壓力服裝或系統(tǒng)可以提供梯度壓力,用于靜脈曲張的預(yù)防或治療，但是對(duì)于某些皮膚不能承受較大壓力的病人，或壓力會(huì)降低患者腿部肌肉功能或限制腳踝活動(dòng)性時(shí)，另一種間歇壓力治療設(shè)備可以與傳統(tǒng)壓力服一起使用，即降低了壓力服帶來(lái)的不適，也保證了治療的效果。但是與壓力服裝相比，目前這種間歇壓力治療設(shè)備只能在靜態(tài)下使用，同時(shí)成本也較高。形狀記憶纖維制成的壓力繃帶[72]可以結(jié)合傳統(tǒng)壓力服裝和間歇壓力治療儀的兩種壓力模式，患者佩戴時(shí)可以自由行動(dòng)，自行調(diào)節(jié)壓力模式。圖3 顯示了這種新型的形狀記憶以及壓力治療繃帶的壓力變化情況。

圖3　壓力可控形狀記憶醫(yī)用壓力繃帶的壓力曲線Fig.3　Pressure curve of pressure controllable shapememory medical bandage

4.2形狀自適應(yīng)的應(yīng)用

形狀記憶聚合物材料的形狀回復(fù)不僅可以回復(fù)到原始形狀，而且可以回復(fù)到介于暫時(shí)形狀與原始形狀變化率中間的任何約束形狀。

醫(yī)用模具主要用來(lái)治療骨折、肌腱損傷或其他肢體損傷。Rousseau[73]發(fā)明了一種形狀記憶聚合物醫(yī)用模具。這種模具最初具有較大的直徑，可以輕松的套在患處，通過持續(xù)加熱，形狀逐漸開始回復(fù)，直徑縮小并貼和患者體型，起到固定作用。同傳統(tǒng)方法相比，形狀記憶矯形器具有質(zhì)量輕、可回收、透氣、易操作、X射線可穿透和成本低的優(yōu)點(diǎn)。

基于形狀記憶高分子材料的骨智能修復(fù)材料是一種可以賦予臨時(shí)形狀,經(jīng)過適當(dāng)?shù)耐獠看碳?自發(fā)恢復(fù)到原始形狀的一類智能高分子骨修復(fù)材料。這種智能骨修復(fù)材料的骨修復(fù)過程由3大步驟組成(圖4):①其具有與體溫一致的形狀記憶響應(yīng)溫度,將材料在低于響應(yīng)溫度情況下壓縮并固定其形狀,使其以較小的體積植入體內(nèi),從而達(dá)到微創(chuàng)手術(shù)的目的;②在體溫響應(yīng)溫度下恢復(fù)其原始形狀,從而達(dá)到填充骨缺損的目的;③材料具有體內(nèi)生物降解特性,隨著骨質(zhì)的修復(fù)其緩慢降解,從而避免二次手術(shù)將其取出的過程。

圖4　形狀記憶自適應(yīng)骨修復(fù)材料過程示意圖Fig.4　Schematic diagram of shape memory self-adaptive bone repair material process

4.3形狀固定性的應(yīng)用

在一些特別的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)中，形狀記憶聚合物可以不需要連續(xù)的控制就能提供固定形狀。在這種系統(tǒng)中，形狀記憶部分提供控制支撐力,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的固定。McKibben[74]通過把形狀記憶聚合物在編織網(wǎng)殼表面涂層制作人工肌肉，當(dāng)加熱到形狀記憶聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上時(shí)，可以作為傳統(tǒng)人工肌肉。當(dāng)制動(dòng)器到達(dá)某一長(zhǎng)度時(shí)，冷卻至玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下，結(jié)構(gòu)變硬，固定形狀，形狀記憶的特性增強(qiáng)了這種人工肌肉的性能(圖5)。同樣，在一種鎳鈦合金為內(nèi)層，形狀記憶聚合物為外殼的熱驅(qū)動(dòng)血栓抽吸裝置中，通過鎳鈦合金的電流提供焦?fàn)枱?，?dāng)形狀記憶達(dá)到轉(zhuǎn)變溫度后彈性模量下降，使微型制動(dòng)器從直變?yōu)轭A(yù)先設(shè)定的螺旋形狀進(jìn)行血塊搜索(圖6)。當(dāng)電流關(guān)閉后，鎳鈦合金及形狀記憶聚合物冷卻到轉(zhuǎn)變溫度以下，聚合物恢復(fù)到僵硬狀態(tài)，確保血栓清除過程中形狀的穩(wěn)定性[54,56]。

圖5　形狀記憶聚合物McKibben 人工肌肉結(jié)構(gòu) (PH: 高壓, PL: 低壓)[74]Fig.5　Structure of shape memory polymer McKibben Muscle (PH: High Pressure, PL: Low Pressure)[74]

圖6　應(yīng)用形狀記憶聚合物微驅(qū)動(dòng)器的血栓清除器 :(a) 插入血栓的直線型(臨時(shí)形狀)驅(qū)動(dòng)器 , (b) 激發(fā)后回復(fù)到原始型狀和(c) 微驅(qū)動(dòng)器回縮清除血栓[54]Fig.6　Schematic of endovascular thrombus removal using the SMPU micro actuator: (a)insertion of the micro actuator as straight rod (temporary shape) to the vascular occlusion,(b) triggering of micro actuator to obtain its primary corkscrew shape and (c) retraction of micro actuator to remove captured thrombus to restore blood flow[54]

4.4形狀展開性能的應(yīng)用

通常，形狀的展開意味著從臨時(shí)狀態(tài)變?yōu)槔硐牖蛴谰脿顟B(tài)的過程。從某種意義上說，這個(gè)定義與形狀記憶功能相一致[75]。因此可以通過臨時(shí)形狀的儲(chǔ)能推動(dòng)展開的動(dòng)作。這種展開的驅(qū)動(dòng)不需要復(fù)雜的系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)。

形狀記憶泡沫具有較高的形狀回復(fù)率和壓縮能力，它潛在的應(yīng)用包括可折疊車、標(biāo)簽和助聽器[76-77]，還可以用于動(dòng)脈瘤栓塞治療[48]。形狀記憶泡沫在壓縮狀態(tài)放入人體內(nèi)，通過激光激發(fā)器加熱，形狀記憶泡沫膨脹后可在瘤體內(nèi)阻斷其供血通道，為動(dòng)脈瘤提供良好的治療效果(圖7)。盡管在泡沫打開時(shí)間、最大加熱溫度、激光對(duì)血液、組織等的影響還需要進(jìn)一步的研究以避免傷害，但是，這種形狀記憶泡沫器械仍然顯示了形狀記憶材料的展開功能在動(dòng)脈瘤治療的創(chuàng)新作用[78]。

形狀記憶聚合物心血管支架以較小的體積放入體內(nèi)，并控制其在體溫下展開。圖8顯示，支架的展開時(shí)間及熱機(jī)械性能可以通過玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和交聯(lián)密度很容易地控制[3]。此外，在體液環(huán)境中，水的作用也可以激發(fā)具有交聯(lián)結(jié)構(gòu)的形狀記憶聚合物支架展開[79]。膨脹支架也可以用于藥物釋放，支架重量的35%可以用來(lái)攜帶大劑量的藥物[60]。

圖7　形狀記憶支架-泡沫器械包括可組合的泡沫圓柱內(nèi)層、激光器：(a)放入體內(nèi)之前,(b)之后,(c)器械膨脹后截面圖[48]Fig.7　SMP stent-foam device with removable inner foam cylinder and laser light diffuser：before (a), after (b), and collapsing for delivery, cross-sectional diagram of the expanded device with the removable inner foam cylinder (c)[48]

圖8　形狀記憶血管支架展開過程[3]:(a)血流通照片，(b)支架恢復(fù)曲線Fig.8　Unrolling process of shape memory polymer stent[3]:(a) schematic photos of blood flowing and (b) stent recovery curve

4.5可控形狀回復(fù)率的應(yīng)用

某些治療需要較長(zhǎng)的時(shí)間，因此需要形狀記憶材料在一段較長(zhǎng)的時(shí)間逐步展現(xiàn)形狀回復(fù)帶來(lái)的治療作用，因此研究如何較為準(zhǔn)確地控制形狀回復(fù)過程是開發(fā)此類形狀記憶醫(yī)療器械的關(guān)鍵。

目前對(duì)外周神經(jīng)損傷修復(fù)大多采用自身神經(jīng)移植或人工拉伸縫合斷段神經(jīng),該類手術(shù)存在要求移植神經(jīng)同源性、術(shù)后人為控制修復(fù)長(zhǎng)度、容易對(duì)損傷組織神經(jīng)造成二次傷害等問題。形狀記憶神經(jīng)導(dǎo)管基于形狀記憶材料的形狀回復(fù)速率的可控性，是可以安全、高效地促使損傷神經(jīng)組織修復(fù)的智能修復(fù)材料。該神經(jīng)導(dǎo)管通過簡(jiǎn)單植入，與無(wú)張力斷段縫合后,在體液環(huán)境刺激下表現(xiàn)出對(duì)損傷神經(jīng)組織可控的自適應(yīng)修復(fù)行為(圖9)。該行為可通過對(duì)材料結(jié)構(gòu)與形態(tài)的控制與設(shè)計(jì),使損傷神經(jīng)組織得到穩(wěn)定且逐步的修復(fù),減少損傷神經(jīng)修復(fù)過程中的二次創(chuàng)傷。在修復(fù)過程中,該智能神經(jīng)導(dǎo)管可以誘導(dǎo)組織與細(xì)胞進(jìn)行取向生長(zhǎng),從而得到完整的同源神經(jīng)組織。

圖9　形狀記憶聚合物神經(jīng)導(dǎo)管過程示意圖Fig.9　Schematic diagram of shape memory polymer conduits process for peripheral nerve regeneration

目前用于足下垂矯正的器材需要在治療的不同階段，根據(jù)足下垂角度制作相應(yīng)的模具,再進(jìn)一步根據(jù)模具制作矯形器。整個(gè)治療過程中,每個(gè)病人平均需要制作5個(gè)矯形器械。這種方法不但增加了器械制作的工序和成本,也延長(zhǎng)了治療時(shí)間。形狀記憶聚合物制作的矯形器械,可以根據(jù)治療的不同階段,逐步自動(dòng)調(diào)整角度,一個(gè)器械就可以完成整個(gè)矯正的過程(圖10)。這種智能矯正器械采用電感應(yīng)的形狀記憶紡織復(fù)合材料制作,需要調(diào)整角度時(shí),通電加熱,器械自動(dòng)按照預(yù)先設(shè)定的角度回復(fù)。

5形狀記憶高分子材料生物力學(xué)性能研究

形狀記憶聚合物材料的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，機(jī)械性能對(duì)植入材料功能的實(shí)現(xiàn)有重要的影響。植入材料通常作為結(jié)構(gòu)支撐或某些組織的替代物例如骨、血管時(shí)，需要材料展現(xiàn)特有的機(jī)械性能。早期對(duì)形狀記憶生物醫(yī)用材料的力學(xué)研究，主要集中在如何調(diào)整材料的模量或硬度，與代替組織一致或避免改變周圍組織性能等方面。

圖10　形狀記憶聚合物足下垂矯正器(a)及矯形器階段性可控形狀回復(fù)(b)Fig.10　Orthotic device of SMP composites (a) and schematic of controllable shape recovery (b)

硬度較高的金屬血管支架會(huì)導(dǎo)致血管壁應(yīng)力集中，引起血管硬化，最終導(dǎo)致治療失敗[80-81]。同樣，作為骨固定或關(guān)節(jié)替代的金屬植入材料，也會(huì)使周圍組織形成應(yīng)力，最終可能造成固定松脫或抑制骨的恢復(fù)效果。

盡管開發(fā)與替代組織相似力學(xué)性能的研究越來(lái)越廣泛，但是更重要的是如何調(diào)整材料的韌性與生物組織一致[82-86]。 研究表明，形狀記憶聚合物材料可以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到生理要求的模量，但是在生物體液環(huán)境下，模量會(huì)下降[87]，同時(shí)在轉(zhuǎn)變溫度以上形狀記憶材料的硬度也會(huì)大幅度下降。這些問題都是形狀記憶聚合物作為醫(yī)學(xué)植入材料必須要解決的問題。

圖11說明了植入材料的彈性模量和生物組織硬度之間的關(guān)系[88-96]。 骨頭和牙齒等鈣化組織中大量的礦物質(zhì)成分使其具有很高的強(qiáng)度和脆性，因此其模量較大但是硬度為中等。富含膠原纖維的肌腱、皮膚及椎間盤等具有中等的柔韌度和合適的、可承受較大應(yīng)變的強(qiáng)度。關(guān)節(jié)軟骨和血管都表現(xiàn)出較低的模量和硬度，即使這樣，這些組織和器官仍然需要滿足連續(xù)的、循環(huán)的壓力，有時(shí)還要承擔(dān)較大變化的應(yīng)力和應(yīng)變。生物體組織表現(xiàn)出的強(qiáng)度和模量范圍顯示了對(duì)不同種類、不同機(jī)械性能生物醫(yī)學(xué)材料的需求。陶瓷基植入材料主要特點(diǎn)是可以承受壓力。圖11也顯示聚合物生物醫(yī)用材料范圍較廣，但是模量仍比金屬材料低。目前已經(jīng)臨床應(yīng)用的植入材料強(qiáng)度都較高，通常都高于生物組織的強(qiáng)度[91]。

圖11　植入材料韌性-模量關(guān)系及矯形硬組織、整形外科軟組織和心血管組織機(jī)械分布區(qū)域圖[91]Fig.11　Toughness-modulus plot for current implant materials and the mechanical regions for orthopedic hard tissue, orthopedic soft tissue, and cardiovascular tissue[91]

形狀記憶聚合物可以通過設(shè)計(jì)獲得較高的強(qiáng)度，但機(jī)械性能又會(huì)影響形狀記憶效果?？傮w來(lái)說，經(jīng)過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，強(qiáng)度較高的形狀記憶材料可以同時(shí)擁有很高的形狀固定和回復(fù)性能。但是與其他材料相比，形狀記憶高分子材料的機(jī)械性能會(huì)受溫度、水分等因素的影響。

形狀記憶聚合物機(jī)械性能與溫度的關(guān)系十分重要，因?yàn)榇蟛糠肿鳛樯镝t(yī)學(xué)應(yīng)用的形狀記憶材料都要經(jīng)過溫度的改變激發(fā)記憶性能。研究表明，丙烯酸系、環(huán)氧系及聚氨酯系形狀記憶聚合物的最大斷裂伸長(zhǎng)都在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度之前出現(xiàn)，即材料的儲(chǔ)能模量開始下降之前[97-99]，即斷裂應(yīng)變的峰值取決于材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。斷裂伸長(zhǎng)率不僅與材料的交聯(lián)密度有關(guān)，還同化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān)。大分子側(cè)基的類型不僅對(duì)玻璃化溫度有影響，還影響材料的機(jī)械性能。

韌性與玻璃化溫度也有相似的關(guān)系，如果一種形狀記憶材料有較寬的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度范圍，那么它的最大強(qiáng)度跨越的溫度范圍越大。增加交聯(lián)密度會(huì)降低材料韌性，芳香族側(cè)基比脂肪族側(cè)基韌性高。提高分子間力，例如氫鍵，可以提高干態(tài)下材料的韌性。

水分子對(duì)形狀記憶聚合物性能有很大的影響。水分子作為塑化劑會(huì)降低材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，同時(shí)也影響了材料最大韌性出現(xiàn)的溫度。這也可以作為控制形狀記憶材料最大韌性覆蓋范圍的一種方法。但是水分子長(zhǎng)時(shí)間作用的形狀記憶材料，它的玻璃化溫度以及最大韌性溫度范圍的變化還需要深入研究。

根據(jù)應(yīng)用的需要，形狀記憶聚合物可以設(shè)計(jì)成可降解的化學(xué)結(jié)構(gòu)，作為植入物提供暫時(shí)的組織生長(zhǎng)支架或緩釋載藥功能。降解速率是這類生物醫(yī)學(xué)用形狀記憶材料的關(guān)鍵參數(shù)，材料需要在降解過程中保持結(jié)構(gòu)的完整性，直到組織再生完成。最初的可降解形狀記憶聚合物主要是聚交酯、聚已酸內(nèi)酯、聚乙醇酸交酯和其他聚酯類材料[100-104]。這類形狀記憶聚合物最初的形狀回復(fù)率超過90%。 降解對(duì)這類形狀記憶聚合物的影響主要有以下兩方面：降解開始的位置如果發(fā)生在無(wú)定型區(qū)，則結(jié)晶度會(huì)提高，模量也會(huì)提高，斷裂應(yīng)變降低，材料脆化；如果降解發(fā)生在結(jié)晶區(qū)，材料模量降低。

6形狀記憶高分子醫(yī)用材料的滅菌

所有醫(yī)療設(shè)備在使用前必須消毒，傳統(tǒng)的滅菌方法包括蒸汽滅菌、環(huán)氧乙烷滅菌、輻射滅菌、等離子處理。實(shí)際上，所有的消毒方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)，需要根據(jù)器械的構(gòu)造、材料等進(jìn)行選擇。因此，對(duì)于形狀記憶聚合物醫(yī)療器械，選擇合適的滅菌方法和條件，不僅達(dá)到消毒的效果，還要保持器械的形狀記憶性能。

壓力蒸汽消毒不適合熱響應(yīng)型的形狀記憶聚合物材料，因?yàn)楦邷乜梢愿淖兙酆衔锏男螒B(tài)結(jié)構(gòu)并且會(huì)破壞載藥功能形狀記憶器械的藥物治療效果，器械的形狀記憶功能會(huì)降低或消失。在蒸汽滅菌的過程中，高于形狀記憶轉(zhuǎn)變溫度的蒸汽溫度會(huì)激發(fā)器械的形狀記憶功能，導(dǎo)致暫時(shí)形狀消失。在蒸汽滅菌過程中可以通過約束暫時(shí)形狀的方法使其形狀不恢復(fù)，但是這樣可能會(huì)消除其他已經(jīng)賦形的形狀。

輻射消毒是一種低溫滅菌方法，可以瞬時(shí)殺菌，穿透力強(qiáng)、無(wú)毒，可以用于對(duì)熱敏感的醫(yī)療器械滅菌。但是，它不能用于某些生物降解的大分子材料醫(yī)療器械，輻射可能使大分子鏈斷裂[105]。例如，輻射可以降低分子量以及聚己內(nèi)酯和聚丙交酯的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度[106-109]。 Lopina 等[69]研究了伽馬射線對(duì)聚乙二醇水凝膠的影響后發(fā)現(xiàn)，輻射可以降低水凝膠的膨脹率和表面粗糙度以及由于輻射引起的自由基誘導(dǎo)聚合物網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)。

其他低溫滅菌方法包括低溫等離子體及環(huán)氧乙烷滅菌等。低溫等離子體滅菌采用過氧化氫及氣體等離子消毒，溫度在50 ℃以下。有研究報(bào)道，經(jīng)過低溫等離子體消毒的聚合物表面會(huì)發(fā)生改性，這可能是因?yàn)榈入x子的刻蝕作用[110-111]。Nardo等[111]報(bào)道經(jīng)過等離子滅菌的形狀記憶聚氨酯泡沫孔隙率增大。 然而，沒有觀察到對(duì)形狀記憶回復(fù)的影響及對(duì)細(xì)胞L929的細(xì)胞毒性[112-113]。Rickert等[113]研究了環(huán)氧乙烷和低溫等離子體滅菌對(duì)形狀記憶聚合物細(xì)胞毒性影響的研究發(fā)現(xiàn)，與環(huán)氧乙烷方法相比，低溫等離子體滅菌會(huì)引起更多的細(xì)胞溶解。

目前為止，環(huán)氧乙烷滅菌是低溫消毒中最好的方法。大量的研究證明，環(huán)氧乙烷對(duì)不同的聚合物材料都有較好的效果，不會(huì)引起化學(xué)或物理改性，并能保持形狀記憶效果[114-116]。但是，由于環(huán)氧乙烷本身有毒性，因此需要保持足夠的通風(fēng)以減少殘留。此外，由于環(huán)氧乙烷滅菌環(huán)節(jié)需要保持一定的濕度，所以不適用于濕響應(yīng)的形狀記憶聚合物材料。

非傳統(tǒng)的低溫滅菌方法包括室溫下以NO2和CO2氣體為基礎(chǔ)的滅菌技術(shù)。這兩種方法都是在25～34 ℃下進(jìn)行[112，117]。這些新技術(shù)降低了對(duì)形狀記憶性能的意外激發(fā)，也可以用于轉(zhuǎn)變溫度在體溫附近的形狀記憶聚合物滅菌。

7結(jié)語(yǔ)

形狀記憶高分子材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值，但是要達(dá)到臨床應(yīng)用的程度還需要形狀記憶材料集多種優(yōu)秀功能于一體，例如：穩(wěn)定的形狀記憶性能、良好的生物力學(xué)性能、生物相容性能、簡(jiǎn)便有效的激發(fā)方式等：

(1)形狀記憶材料具有靈活的結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性，因此通過化學(xué)改性、物理改性等方法研發(fā)出具有針對(duì)性的不同生物醫(yī)學(xué)用形狀記憶材料是非常重要的。

(2)目前研究和應(yīng)用的形狀記憶聚合物多為直接或間接熱響應(yīng)材料，但是應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)尤其是體內(nèi)植入材料，還需要深入研究體液環(huán)境響應(yīng)、pH響應(yīng)材料以及這些因素對(duì)形狀記憶性能的影響。

(3)雙向形狀記憶效果及多向形狀記憶效果具有單向形狀記憶不具備的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，因此對(duì)這兩類形狀記憶聚合物材料在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用研究也是很有必要的。

(4)形狀回復(fù)速率受材料本身結(jié)構(gòu)、材料所處環(huán)境、刺激方式及作用時(shí)間等多種因素影響。作為更加復(fù)雜的形狀記憶效應(yīng)，形狀回復(fù)速率作為緩釋材料或需要長(zhǎng)期緩慢恢復(fù)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用是一個(gè)非常重要的性能，需要深入系統(tǒng)的研究。

(5)許多天然材料，例如蜘蛛絲、羊毛、再生蠶絲纖維等都具有形狀記憶效果。這些天然的蛋白質(zhì)材料與生物體組織有更好的相容性。因此，開發(fā)具有天然形狀記憶結(jié)構(gòu)的新型生物醫(yī)用聚合物也是未來(lái)新材料的研究方向。

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(編輯蓋少飛易毅剛)

供求信息

產(chǎn)品:航空級(jí)鈦合金粉末-Ti6Al4V粉末

1 500 ppm, 1 600ppm

聯(lián)系電話：029-86226599朱先生

特約專欄

Progress of Shape Memory Polymers inBiomedical Applications

HU Jinlian

(The Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong, China)

Abstract：Shape memory polymer has been a new bio-medical smart material. The performances of shape memory polymer can be tailored to meet the multi-requirements of biomedical area. Base on different applications, shape memory polymer can display a deployable property, shape fix and recovery property and controllable shape recovery velocity and shape recovery force. Many triggers can be used by direct or remote way to activate the shape memory properties such as heat, light, electronic, magnetic to achieve the biomedical functions. The shape memory polymers can also be designed to get the biodegradability ，biocompatibility，and so on. This paper will review the structure， properties, classification of shape memory polymers and summarise the biomedical applications based on different medical fields and shape memory performances.

Key words：shape memory polymer structure and principle; biomedical application; biomechanics; biocompatibility; deployment; shape memory recovery velocity; sterilization

中圖分類號(hào)：TB381

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-3962(2015)03-0191-13

DOI:10.7502/j.issn.1674-3962.2015.03.02

作者簡(jiǎn)介：胡金蓮，女，1961年生，教授，博士生導(dǎo)師，Email:Jin-lian.hu@polyu.edu.hk

基金項(xiàng)目：2011年深圳市生物、互聯(lián)網(wǎng)、新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)資金基礎(chǔ)研究計(jì)劃(JC201104210132A)； 科技部國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2012BAI17B00，2012BAI17B06)

收稿日期：2014-10-30