生物医用功能纤维材料的发展概况

生物医用功能纤维材料 的发展概况王庆瑞 (东华大学纤维材料改性国家重点实验室）

生物医学领域用的各种分 离技术 • 医用功能纤维材料 • 高分子药物与药物纤维

一. 生物医学领域用的各种分离技术 • 概述随着科学技术的发展，人们对物质利用的深度和广度的不断开拓，物质的分离和提纯成为了一个重要的课题。分离技术的类型包括：同种物质按大小和分子量的不同而分离；异种物质按组分的不同而分离；不同物质状态的分离和综合性分离。传统的化工过程常见的分离方法有筛分、过滤、离心分离、浓缩、蒸馏、蒸发、萃取、重结晶等。但是，对于更高层次的分离，如分子或离子尺寸范围的分离；生物体组分的分离等。采用传统的化工分离方法就难以实现，或达不到精度，或极大的消耗能源而无实用价值。

生物产品的特点 生物产品是指在生产过程中的某一阶段，应用生化反应制得的产品。它包括传统的生物技术产品，如用发酵生产的有机溶剂、氨基酸、有机酸、抗生素等；现代生物技术产品，如用重组DNA技术生产的医疗性多肽和蛋白质。它们与一般的化学产品生产不同，而有其自身的特点。

● 产物一般为浓度很低的水溶液大多数生化反应都以水为溶剂 ● 培养液是多组分的混合物 ● 稳定性差 ● 对最终产品的质量要求很高

生物医学制品的纯化过程 各种生物医学制品因本身性能和产品用途不同，其纯化过程互有差异。一般而言，按生产的顺序可分为如下四个步骤，如图所示。

●发酵液的预处理与不溶物的去除 因技术和经济的原因，通常采用过滤和离心分离法。为加速不溶物的分离，可同时使用絮凝和凝聚技术；为减少过滤介质的阻力还可采用错流膜过滤技术。 ●产物的提取亦称初步纯化，可采用吸附、萃取、沉淀或超滤等技术。根据产品的质量要求，可采用其中一单元操作，或多级加工程序。 ●产物的精制图中所列单元操作对产物有高度的选择性，需根据杂质的性能选择其中的一相或多相加工程序。 ● 成品加工可根据产品的最终用途和要求，决定成品的加工方法。

纯化过程的发展动向 下图列出了各种单元操作目前的技术成熟程度与工业应用度之间的近似关系。由图可知，传统的吸收与精馏过程，虽然其技术成熟程度和工业应用度都很高，但仍有进一步提高和改善的必要，因为它们属于量大面广的的技术，它们的提高和改善，将给生产带来极为可观的经济效益；处于曲线中部的一些单元操作，如结晶、萃取、离子交换、吸附等，属于迅速发展中的分离技术，尚需进一步提高其理论深度、并扩展其应用广度，其中萃取技术从用于核燃料的提取、分离和纯化开始，扩展到生物产品的分离和纯化过程，同时又得到了发展，并派生出双水相萃取、反胶束萃取、超临界萃取等。

1-精馏；2-吸收；3-结晶；4-溶剂萃取；5-萃取（共沸）精馏；6-离子交换； 7-吸附（气固）；8-膜（液相进料）；9-吸附（液固）；10-膜（气相进料）； 11-色谱分离法；12-超临界萃取；13-液膜；14-场致分离；15-亲和分离

当前生物医学产品纯化过程的新趋向是多种分离、纯化技术的相结合，也包括新、老技术的相互交叉、渗透与融合，形成所谓融合技术，或称子代技术，如膜分离与亲和酸基相结合，形成了亲和膜分离过程；膜分离与离心分离相结合，形成了膜离心分离过程等。当前生物医学产品纯化过程的新趋向是多种分离、纯化技术的相结合，也包括新、老技术的相互交叉、渗透与融合，形成所谓融合技术，或称子代技术，如膜分离与亲和酸基相结合，形成了亲和膜分离过程；膜分离与离心分离相结合，形成了膜离心分离过程等。生物技术的下游工程与上游工程相结合，如发酵与分离耦合过程的研究也是当今生物化学工程的研究热点之一。其优点是解除终产物的反馈抑制效应，提高转化率。还可简化产物的提取过程，缩短生产周期，增加产率，收到一举多得效果。

膜分离技术 膜广泛地存在于自然界，起着分隔、分离、选择性透过等重要功能。膜分离技术是指用半透膜作为选择性障碍层，凭借外部能量或化学位差，使混合体系中某些组分透过，而保留其他组分，从而达到分级、分离、提纯、富集等目的的技术的总称。这里所指的膜（Membrane）应与一般的薄膜（Film）相区别；薄膜的主要功能是起着隔离和保护作用，如农用地膜、包装薄膜等；而膜是指位于一种流体相内、或两种流体相间的一层薄的凝聚相部分，并能使这两部分之间产生传质作用。膜既可以是固态的，也可以是液态的，甚至是气态的。

膜分离技术既能使混合流体按组份不同而分离，又能对流体进行净化和浓缩。它因具有如下优点而受到重视和蓬勃发展:分离时没有相态变化，故不必加热，也无需加入其他试剂，因此能耗降低，而且不产生二次污染；设备结构简单，操作方便，占地面积小，成本低，有利于实行连续化生产和自动控制；可以使一些按传统方法难以分离的物质，如共沸物，热敏性物质，或化学稳定性差的物质以及生物制品等得以实现分离。膜分离技术既能使混合流体按组份不同而分离，又能对流体进行净化和浓缩。它因具有如下优点而受到重视和蓬勃发展:分离时没有相态变化，故不必加热，也无需加入其他试剂，因此能耗降低，而且不产生二次污染；设备结构简单，操作方便，占地面积小，成本低，有利于实行连续化生产和自动控制；可以使一些按传统方法难以分离的物质，如共沸物，热敏性物质，或化学稳定性差的物质以及生物制品等得以实现分离。膜的选择分离性和通透性除与膜材料和被处理溶液的性能有关外，还与膜上微孔的孔径、连通性和孔隙率等因素密切有关。传统的制膜方法是在成膜原液或熔体中加入水溶性的致孔剂，成膜后再用水把膜中的水溶性物质萃取而去除，其在膜中所处的地位即成为孔洞，控制致孔剂的使用量和分子量，能控制膜的孔隙率和孔尺寸。

图1中空纤维横截面 图2中空纤维膜的指状支撑层结构中空纤维膜的横截面结构如图1，其部分截面图如图1~3所示

图3 中空纤维膜的图4 中空纤维膜的双针指状层结构海绵状支撑层结构膜表面为致密层；中间为支撑层，支撑层还有指状（图2）、针状（图3）、海绵状（图4）之分；致密层和支撑层之间为过渡层，过渡的微孔孔径呈分散状，靠表面微孔较小，越向里层孔径越大。可通过调节铸膜工艺而调节孔的大小及分布。

除中空纤维膜外，还有平板膜、卷式膜、管式膜、褶叠膜等多种型式。各种型式的膜都有其特点，可根据分离的需要而选择。除中空纤维膜外，还有平板膜、卷式膜、管式膜、褶叠膜等多种型式。各种型式的膜都有其特点，可根据分离的需要而选择。典型的膜过程有:气体分离、反渗透、离子交换、透析、电渗析、超滤、微过滤和渗透蒸发等。

二.医用功能纤维材料 • 概述许多科学工作者正致力于生命奥秘的探索，主要集中在：生物组织的结构；结构与器官功能的关系；生物器官的设计和研制等三方面。对医用材料的要求：首先，要有医疗功能，还必须强调安全性。外用医疗材料与肌体接触时间短，要求稍低，而与血液直接接触或植入体内材料则要求较高，即要有良好的生物相容性。所有医用材料应满足如下基本要求：

（1）聚合物纯度高； （2）化学性能不活泼；（3）无毒，不引起肿瘤或过敏反应，没有异物反应；（4）稳定的物理化学性能和良好的力学性能；（5）优良的生物相容性；（6）能经受必要的消毒处理；（7）易加工成必须的复杂形状。

医用软组织材料 ●高吸水性纤维材料高吸水性材料是一种含有强吸水性基团并存在一定交联度的高分子材料。吸水能力高达自身重量的500-2500倍，甚至高达5000倍。类型：淀粉类、纤维素类、聚丙烯酸类、聚丙烯腈水解物，醋酸乙烯酯共聚物，改性聚乙烯醇。 ●医用缝合线非吸收性：蚕丝、银丝、聚酰胺、聚乙烯、聚酯等。吸收性：骨胶原、肠线、甲壳素、聚羟基乙酸、乙交酯-丙交酯共聚物、聚乙二醇酸的三元共聚物等。 ●放射性纤维。 ●食用保健纤维．

●人造皮肤 作用：防止水分和体液的挥发或流失；防止细菌感染；使肉芽或上皮生长；促进伤口愈合。要求：柔软、优良的弹性、紧贴创面；透湿、透气、抗菌；无刺激作用；能促进新皮的长出；可进行灭菌处理。 ●人造血管 ●医用富氧器：把空气中氧富集至40%或以上。 ●神经通道． ●水果保鲜系统：使周围气氛含O2 3%，CO2 5%，N2 92%。 ●抗菌防臭纤维 ●麻醉性纤维

人工脏器 ●人工肾血液透析器因肾脏器质性病变、事故、中毒等原因，使肾功能衰竭而造成新陈代谢物质在体内沉积、从而引起尿毒症。人工肾主要利用透析作用，代替肾脏功能以去除人体中的代谢废物，如尿素、尿酸和肌肝酸等。人工肾主要有血液透析、血液过滤、血液透析过滤等三种类型，其中以人工肾血液透析器的应用最多。人工肾透析器流程示意如图

●人工肝透析器 肝脏是担负多种功能的重要器官，也是人体中主要滤除毒素的器官。肝脏可因服药过量、过敏、急性肝炎等多种原因引起的中毒而受损，从而失去解毒功能。因血液中有害物质浓度的提高引起神经症状、昏睡，最终导致死亡。人工肝主要采用吸附的方法和透析方法，前者因存在多种缺点，目前已放弃使用。透析方法正在发展中。

●肝腹水超滤浓缩器 肝腹水是一种常见疾病，临床上通常采取定期排除病人体内腹水以缓解病情，但同时必须给病人回输蛋白。腹水浓缩器是把病人体内的腹水进行浓缩，除去水及对人体无用的物质，并将其中的蛋白回输给病人的新技术。有时，患者的肝硬变和肝癌合并发生，在进行腹水浓缩前应首先除去癌细胞和细菌，然后再排除水及低分子废液。

●血液浓缩器 在体外循环心内直视手术中广泛应用血液稀释方法，以减少血球破坏，降低末梢阻力。血液稀释能引起脏器水肿，细胞外液增加，影响心肺功能的恢复。使用血液浓缩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术以及呼吸不良者的辅助治疗。原有使用的气泡式人工肺已被膜式人工肺所取代。

●混合型人工脏器 人工脏器的发展已逐渐进入混合型，即从单功能走向多功能。如把酶和生物细胞固定在高分子材料上以制取有生物活性的人工脏器。在人工肝的膜外侧固定蛋白酶，合成的白蛋白可通过膜而进入血液中。在人工肾固定脲酶、谷氨酸脱氢酶、葡萄糖脱氢酶等，血液中的代谢产物尿素在酶的催化下转化成氨，并在酶促下转化成谷氨酸，使混合型人工肾有更高级的功能。

三. 高分子药物与药物纤维 • 高分子药物传统的低分子药物因易被吸收，又易于排泄而缺乏持久性；药物在体内分布广而缺乏选择性。近年来研制的高分子药物基本上能克服上述缺点。目前主要研究方向为：药物控制释放；药物持久释放；药物主要集中在特定部位（病灶）。类型：有药物活性的高分子；高分子载体药物；低分子药物包埋于高聚物膜中。高分子物质的释放和送达体系：高分子药物进入身体后，以适当的浓度、持续时间、导向并集聚到患病的器官、脏器或细胞部位，以充分发挥药物的疗效。

高分子药物的释放体系可分为： (1) 时间控制释放体系：零级释放；脉冲释放 (2) 部位控制送达体系 (3) 智能型药物送达体系：使药物在所定部位、所定时间、以所定剂量释放。

药物纤维 以纺织品作为药物的载体已有久远的历史。如由古代的香囊、香袋发展而来的安眠药枕、神功元气袋之类的保健用品；又如由药膏发展而来的伤湿止痛膏、十香暖脐膏等。药物纤维主要利用纤维具有最大的表面积，有利于药物的释放；纺织品与人类生活最为密切，具有药物功能的织物将为治病提供很大的方便。

药物纤维的类型： （1）创面覆盖型：止血纤维、麻醉纤维等。可把药物纤维加工成无纺布或无纺布直接覆盖在伤口或手术创面上。（2）皮肤吸收型：如止痒、避孕、消炎止痛、防心脏病突发等纤维。（3）口服型：如胃药纤维。载体纤维可以是生物吸收型，也可以是非吸收型的。（4）体内植入型：如药物缝合线等。

药物纤维的优点： （1）提高了药物的有效性和安全性。（2）提高了药物的持久性，避免频繁用药的繁琐性。（3）改善了用药的舒适性和方便性

Thank you

生物医用功能纤维材料 的发展概况