張群英 嚴(yán)玉蓉

1 廣東省醫(yī)療器械質(zhì)量監(jiān)督檢驗所(廣州 510663）

2 華南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院(廣州 510641）

復(fù)合材料從20世紀(jì)40年代誕生至今，已經(jīng)歷了半個多世紀(jì)，一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家的復(fù)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(guān)鍵技術(shù)之一。樹脂基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料以及C/C 復(fù)合材料一起構(gòu)成現(xiàn)有復(fù)合材料體系。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合材料已被賦予了新的內(nèi)容和使命，成為現(xiàn)代無法取代的一種工程材料。從應(yīng)用上看，復(fù)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(fù)合材料具有極佳的硬度和強(qiáng)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(jìn)了能運輸更多乘客和貨物且速度更快的大型飛機(jī)的制造。[1]而在日本，復(fù)合材料主要用于住宅建設(shè)，如衛(wèi)浴設(shè)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(fù)合材料取代木材方面的應(yīng)用也得到了進(jìn)一步推廣。例如，用植物纖維與廢塑料加工而成的復(fù)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(chǎn)品；而可降解復(fù)合材料也成為國內(nèi)外開發(fā)研究的重點。

另外，納米技術(shù)逐漸引起人們的關(guān)注，納米復(fù)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(jié)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(chǔ)，才使復(fù)合材料可以廣泛地應(yīng)用于多學(xué)科交叉的醫(yī)療器械。由于醫(yī)療器械涉及到化學(xué)、物理學(xué)、生物化學(xué)、高分子化學(xué)與工藝學(xué)、生理學(xué)、藥物學(xué)、制劑學(xué)、解剖學(xué)、病理學(xué)、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)等很多學(xué)科，因此對用于醫(yī)療器械的復(fù)合材料的性能具有更高的要求。

1.復(fù)合材料概述

1.1 復(fù)合材料定義[2]

復(fù)合材料是由兩種或多種不同性質(zhì)的材料用物理和宏觀尺度上組成的具有新功能的材料。復(fù)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(fù)合材料改善了組分材料的剛度、強(qiáng)度、熱學(xué)等性能。復(fù)合材料由基體材料和增強(qiáng)材料兩種組分組成。基體采用各種樹脂或金屬、非金屬材料;增強(qiáng)材料采用各種纖維或顆粒等材料。其中，增強(qiáng)材料在復(fù)合材料中起主要作用,提供剛度和強(qiáng)度，基本控制復(fù)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(hù)纖維免遭磨損或腐蝕，改善復(fù)合材料的某些功能。復(fù)合材料的力學(xué)性能比一般材料復(fù)雜，主要有不均勻、不連續(xù)和各向異性等。

1.2 復(fù)合材料的分類[2]

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

1.3 復(fù)合材料的優(yōu)勢[2]

復(fù)合材料具有以下優(yōu)點：

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

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

(3)具有可設(shè)計性。復(fù)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(shè)方式。因此，我們可以根據(jù)載荷條件和結(jié)構(gòu)構(gòu)件形狀，將復(fù)合材料內(nèi)纖維設(shè)計成適當(dāng)含量并合理鋪設(shè)，以便用最少的材料滿足設(shè)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(fù)合材料構(gòu)件不需要很多復(fù)雜的機(jī)械加工設(shè)備，生產(chǎn)工序較少，它可以制造形狀復(fù)雜的薄壁結(jié)構(gòu)，消耗材料和工時較少。

(5)某些復(fù)合材料熱穩(wěn)定好。如碳纖維和芳綸纖維具有負(fù)的熱膨脹系數(shù)，因此，當(dāng)與具有正膨脹系數(shù)的基體材料適當(dāng)組合時，可制成熱膨脹系統(tǒng)極小的復(fù)合材料，當(dāng)環(huán)境溫度變化時，結(jié)構(gòu)只有極小的熱應(yīng)力和熱變形。

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

此外，各種復(fù)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(shè)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(nèi)的作用不是用藥理學(xué)、免疫學(xué)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(dá)到下列預(yù)期目的：（1）對疾病的預(yù)防、診斷、治療、監(jiān)護(hù)、緩解；（2）對損傷或者殘疾的診斷、治療、監(jiān)護(hù)、緩解、補(bǔ)償；（3）對解剖或者生理過程的研究、替代、調(diào)節(jié)；（4）妊娠控制。[3]

2.2 醫(yī)療器械的分類

醫(yī)療器械產(chǎn)品有多種分類：在統(tǒng)計學(xué)上，有按醫(yī)學(xué)性能分類的，如診斷產(chǎn)品、治療產(chǎn)品、齒科器械；也有按產(chǎn)品技術(shù)屬性分類的，如醫(yī)用電子產(chǎn)品、放射線診斷設(shè)備；也有按產(chǎn)品醫(yī)學(xué)功能及技術(shù)屬性混合分類的。在監(jiān)督管理上，歐美各國實行按產(chǎn)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(chǎn)品應(yīng)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(yīng)當(dāng)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(yán)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(chǎn)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(jī)構(gòu)購置后供醫(yī)護(hù)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(chǎn)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(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定性有十分嚴(yán)格要求，生產(chǎn)廠家應(yīng)具有高標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)經(jīng)營管理素質(zhì)，政府對生產(chǎn)廠家的資格和產(chǎn)品進(jìn)入市場的許可建立有嚴(yán)格的法定程序，產(chǎn)業(yè)受國家法規(guī)的監(jiān)督制約多于其他產(chǎn)業(yè)；第三，比之其他以某種特定用途聚合的工業(yè)產(chǎn)品群，其產(chǎn)品門類甚為復(fù)雜，涉及技術(shù)學(xué)科更廣，不同產(chǎn)品門類間的技術(shù)含量、功能和市場需求量大小差距顯著，產(chǎn)品最終存在形態(tài)也多種多樣。

3.醫(yī)療器械用復(fù)合材料的性能要求

3.1 醫(yī)療器械用復(fù)合材料的分類

應(yīng)用于醫(yī)療器械中的復(fù)合材料有多種分類方法，但目前在實際應(yīng)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(bǔ)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(shù)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(shè)備的外殼、探頭或者是注射器、手術(shù)鉗、血漿袋等。這類材料用來為醫(yī)療事業(yè)服務(wù)，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(fù)合材料的性能要求

不同用途的醫(yī)療器械，其對復(fù)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(bǔ)人體某一缺陷的復(fù)合材料的性能有如下要求：（1）化學(xué)隋性，不會因與體液接觸而發(fā)生反應(yīng)；（2）對人體組織不會引起炎癥或異物反應(yīng)；（3）不會致癌；（4）具有良好的血液相容性；（5）長期植入體內(nèi)不會減小機(jī)械強(qiáng)度；（6）能經(jīng)受必要的清潔消毒措施而不產(chǎn)生變性；（7）易于加工成需要的復(fù)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(shè)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(jī)械強(qiáng)度、抗沖擊性能，優(yōu)異的耐化學(xué)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(fù)合材料往往有一些具體的要求，在復(fù)合材料進(jìn)入臨床應(yīng)用之前，都必須對材料本身的物理化學(xué)性能、機(jī)械性能以及材料與生物體及人體的相互適應(yīng)性進(jìn)行全面評價，然后經(jīng)國家管理部門批準(zhǔn)才能進(jìn)入臨床使用。

4.復(fù)合材料在醫(yī)療器械中的應(yīng)用

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

4.1 在口腔材料中的應(yīng)用

復(fù)合材料在口腔材料中的應(yīng)用近年來取得長足的發(fā)展，由于其具有優(yōu)異的修復(fù)效果和良好的美觀效果,在當(dāng)今口腔材料中占有舉足輕重的地位。傳統(tǒng)的復(fù)合樹脂中通常含有樹脂基質(zhì)、填料( 玻璃、石英或陶瓷材料等)以及基質(zhì)與填料的偶聯(lián)介質(zhì)。在現(xiàn)有的商品類復(fù)合樹脂中，最常見的樹脂基質(zhì)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(yīng)用

過去假肢都是鋼木制品，質(zhì)量大消耗體力大、制造工藝復(fù)雜，成本高。現(xiàn)在國內(nèi)外已廣泛用纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料制造，優(yōu)點很多。用與人腿軸線呈 ±45?的混合復(fù)合材料制成假肢，質(zhì)量僅約 127g，其下端能裝入鞋內(nèi)。對患小兒麻痹癥而下肢癱瘓的兒童，可用混雜復(fù)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(guān)節(jié)中的應(yīng)用

用混雜復(fù)合材料制造人造骨骼、關(guān)節(jié)時，可通過調(diào)節(jié)混雜比例和混雜方式，在人的體溫變化范圍內(nèi)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(fù)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(yīng)用三維技術(shù)術(shù)前制成缺損形狀用于修補(bǔ)顱骨缺損，效果滿意。而三維硅橡膠羥磷灰石復(fù)合物在國外應(yīng)用取得良好的效果，國內(nèi)尚無應(yīng)用報道。

4.4 在醫(yī)療設(shè)備中的應(yīng)用

用碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維混雜復(fù)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(yīng)用

利用細(xì)胞學(xué)和分子生物學(xué)方法將蛋白質(zhì)、細(xì)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(gòu)建新一代的分子生物材料，來引發(fā)所需的特異生物反應(yīng)，抑制非特異性反應(yīng)，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(xì)胞外基質(zhì)，它們可在分子水平上激活基因、刺激細(xì)胞增殖、誘導(dǎo)其組織分化進(jìn)而構(gòu)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(lǐng)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(yīng)用。

4.6 在新型藥物載體材料中的應(yīng)用

20世紀(jì) 90年代以來，隨著藥物劑型和制劑研究進(jìn)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(xué)領(lǐng)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(zhì)和多肽類藥物形成結(jié)合物，從而被看作是一種新型的載藥系統(tǒng)。

4.7 在納米復(fù)合生物醫(yī)用材料中的應(yīng)用

生物醫(yī)用材料領(lǐng)域中，細(xì)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(jié)構(gòu)對細(xì)胞的生物調(diào)控作用更為重要。納米材料因具有一些獨特的效應(yīng)，如體積效應(yīng)和表面效應(yīng)，有利于細(xì)胞黏附、增殖和功能表達(dá)，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(yīng)用前景。目前用于生物醫(yī)用研究的納米材料主要有無機(jī)納米材料、高分子納米材料以及復(fù)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(fù)合材料可以模擬出與人體組織相似的細(xì)胞基質(zhì)微環(huán)境，因而是生物材料尤其是組織工程支架研究中應(yīng)用最為廣泛的材料。如Kikuchi 等通過化學(xué)反應(yīng)合成的羥基磷灰石P 膠原復(fù)合納米材料的機(jī)械強(qiáng)度為正常骨組織的 1 P4。體內(nèi)實驗表明,該材料通過破骨細(xì)胞樣細(xì)胞的吞噬作用而降解，并可在材料附近誘導(dǎo)成骨細(xì)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(jié)構(gòu)的復(fù)合材料,隨著殼聚糖比例的增大,復(fù)合物支架的機(jī)械強(qiáng)度增加，孔徑尺寸增大，在此三維支架上生長的 K562 細(xì)胞功能得到顯著的增強(qiáng)。

5.發(fā)展趨勢

在過去三十年中,復(fù)合材料的開發(fā)取得了長足的進(jìn)步。由于這些復(fù)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(chǎn)品 MD-500 系列混合材料。據(jù)該公司介紹說，“該產(chǎn)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(dāng)或者更少。該材料還有可能應(yīng)用于輸液管、呼吸管、進(jìn)食管及蠕動管。[23]

隨著生物技術(shù)、醫(yī)藥技術(shù)、信息技術(shù)、制造技術(shù)、納米技術(shù)和材料科學(xué)技術(shù)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]

[1]N.Bernet,.From Aerospace to Inner Space:Composite Materials in Medical Technology[J/OL].Composites Busch SA,2010-9-13

[2]蔣海洋，常華健，蔣 勇.復(fù)合材料的力學(xué)性能研究及其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2007(11):28.

[3]《醫(yī)療器械監(jiān)督管理條例》[S]

[4]Barszczew skaRy ba rek I M.Structure property relationships in dimethacrylate networks based on Bis GMA,UDM A and T EGDMA[ J].Dental Mater,2009,25( 9):1082

[5]Gauthier M A,Zhang Z,Zhu X X.New dental composites containing multimethacry late derivatives of bileacids:A comparative study with commercial monomer s[ J].ACS Appl Mater Interf,2009,1( 4):824

[6]南開輝,王迎軍.復(fù)合納米生物醫(yī)用材料的研究[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報,2006,24( 1):156- 159.

[7]顧其勝,陶偉棟,蔣麗霞.殼聚糖基復(fù)合材料類新型生物醫(yī)用材料[J].上海生物醫(yī)學(xué)工程,2007,28( 1):31- 35.

[8]Winkler PA,Stummer W,Linke R,et al .Influence of cranioplasty on postural blood flow regulation,cerebrovascular reserve capacity,and cerebral glucose metabolism[J].Childs Nerv Syst,2000,16:247 ～ 252.

[9]10 Rotaru H,Baciut M,Stan H,et al .Silicone rubber mould cast poly ethyl methacrylate- hydroxyapatite plate used for repairing a large skull defect[J].J Craniomaxillofac Surg,2006,34(4):242 ～ 246.

[10]涂浩,閆玉華.納米生物醫(yī)用陶瓷的應(yīng)用及展望[J].佛山陶瓷,2006,3:35- 38.

[11]陳菲.羥基磷灰石生物醫(yī)用陶瓷材料的研究與發(fā)展[J].中國陶瓷,2006,42( 4):8- 13.

[12]朱明華,曾怡,彭薔.生物材料及細(xì)胞外基質(zhì)與骨形成研究進(jìn)展[J].北京生物醫(yī)學(xué)工程,2003,22( 2):155- 158.

[13]奚廷斐.生物醫(yī)用材料現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].中國醫(yī)療器械信息,2006,12( 5):1- 4.

[14]王俊.生物醫(yī)用復(fù)合材料研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].新材料產(chǎn)業(yè),2007( 3):50- 53.

[15]曹寧,李木森,馬泉生,等.醫(yī)用碳/碳復(fù)合材料的制備及骨組織相容性研究[J].山東大學(xué)學(xué)報,2007,37( 1):1- 5.

[16]劉盛輝,郎美東.新一代生物醫(yī)用材料,高分子通報,2005,6:113-117.

[17]Hench L L,Polak J M.Third generation biomedical materials.Science,2002,295(5557):1014-1017.

[18]Gfiffith L G.NatIghton G.Science,2002,295:1009-1014.

[19]Strain A J,Neuberger J M.Science,2002,295:1005-1008.

[20]Prokop A.Bioart i fi ci al organs i n the twenty 2fi rs t century[ J].Ann Ne w York Acad S ci,2001,( 944):472～ 490.

[21]Ki kuchiM,Itoh S,Ichi nose S,e t al.S elf 2organiz at i onmechani sm in a bone 2 li ke hydroxyapatite Pcollagen