生物醫(yī)用眼科材料的研究胡惠靜

1、生物醫(yī)用眼科材料的研究 ＊胡惠靜 , 盧婷利 , 陳 濤( 西北工業(yè)大學生命科學院, 西安 710072 )摘要 主要綜述了用于眼科的生物醫(yī)用材料的種類、結構特點及其在眼科中應用的性能, 重點介紹了用于人工角膜的光學鏡柱材料和支架材料、人工晶狀體材料、人工玻璃體材料、人工眼球義眼臺和義眼材料、人工淚道和淚液材料、角膜接觸鏡材料及眼科藥物載體材料, 展望了生物醫(yī)用眼科材料的發(fā)展方向。關鍵詞 眼科 生物醫(yī)用材料 生物相容性

2、材料改性Research of Biomedical Ophthalmology MaterialsHU Huijing , LU Tingli , CHEN Tao( Faculty of Life Science, Northw estern Polytechnical University , Xi' an 710072 )Abstract In this article the type and structural

3、characteristics of biomedical materials in the application of theperformance of ophthalmology are mainly summarized, the optical microscope column materials and support materialsfor artificial cornea, the intraocular len

4、s materials, artificial vitreous materials , artificial eye orbital and orbital mate -rials , artificial lacrimal duct and tears materials, contact lenses materials and ophthalmic drug carriers materials arespecially int

5、roduced. In the end the direction of biomedical materials used in ophthalmology are looked forw ard to.Key words ophthalmology , biomedical materials , biocompatibility, material modification＊陜西省自然科學基金( 2006B12)胡惠靜: 女,

6、1982 年生, 碩士 Tel: 029 -88491817 E -mail: sky4639061 @yahoo. com . cn0 引言生物醫(yī)用材料是用來對生物體進行診斷 、治療 、 修復或替換其病損組織 、 器官或增進其功能的材料[ 1] 。它是人類與疾病作斗爭的有效工具之一 。長期以來 , 眼部疾病的治療及眼睛的保健與美容一直是醫(yī)學領域的重要部分 , 眼科治療與保健離不開各種生物醫(yī)用材料的使用 : 眼部器質性損傷需要植入

7、人工替代品 , 如人工眼球 、 人工淚管等 ; 幫助嚴重角膜病患者恢復光明需要植入人工角膜 ; 進行白內障手術需要植入人工晶體 ; 眼科手術時需要眼科用的粘結劑 、 止血劑 ; 眼睛視力的保護和矯正需要角膜接觸鏡等 。本文主要介紹了用于人工 角膜 、人工晶狀體 、 人工玻璃體 、 人工眼球 、 人工淚道 、隱型眼鏡的生物醫(yī)用材料的種類 、 結構特點及其在眼科應用中的性能 。1 人工角膜( Keratoprosthesis , KPs

8、) 材料人工角膜材料是影響人工角膜性能的關鍵因素 ,主要分為光學鏡柱材料和支架材料 。1 . 1 光學鏡柱材料光學鏡柱材料要求光學性能好 , 透光率大于 90 %, 屈光率高 , 同時還要具有良好的生物相容性 。聚甲基丙烯酸甲酯( Polymethyl methacrylate , PM MA)是一種 透 明 的 高 分 子 惰 性 有 機 聚 合 物[ 2] , 其 透 光 率 高( 92% ) 、 屈光率較好 、 性質穩(wěn)定 、 加

9、工方便等優(yōu)點使其成為在人工角膜上應用最多的材料 。然而 , PM M A 有以下幾個主要限制 : 硬度大 , 植入后測量眼壓困難 , 而且初戴不舒適 , 需要較長時間適應 ; 表皮細胞粘附差 , 不能形成連續(xù)的角膜長皮 ,術后有潛伏感染 、 滲漏 、 角膜溶解的危險 ; 透氧性低等[ 3] 。大量試驗證明 PM M A 與 PHEMA 復合使用制成 PM M A-PHEM A ,可以克服 PMM A 疏水性強 、 質硬等缺點 。Shya

10、mPatel 等[ 4] 使用雙氨基 PEG 對 PM M A 材料表面進行修復 ,可以增強其表面細胞黏附性 。聚甲基丙烯酸羥乙酯( Polyhydroxyethyl methacrylate ,PHEM A) 水凝膠含水量在 20 %～ 70 %, 對電解質 、 氣體和葡萄糖有一定的滲透性 ,透光率和屈光度均較好[ 5] 。但是與高含水量的材料相比 , HEM A 的透氧性較差 ?？茖W家以 HE-M A 為基本成分加入交聯(lián)劑與一些特殊

11、單體共聚開發(fā)出了許多高含水量 的新 材料 。譚 幗馨等[ 6] 以過 氧化二 苯甲 酰( BPO) 為引發(fā)劑 ,使 N-乙烯基吡咯烷酮( NVP) 與 HEM A 在一定溫度 下共 聚得 水凝膠 , 實驗 發(fā)現(xiàn) 水凝 膠的 含水 量 較PHEM A 增大 , 透氧性能增強 。此外 PHEM A 的長期固定與表面上皮活化等問題仍有待解決 [ 7] 。后來又發(fā)現(xiàn) PHEM A表面有鈣沉積 ,說明表面鈣化現(xiàn)象明顯[ 8] 。聚乙烯醇( Pol

12、yvinyl alcohol, PVA ) 水凝膠與人體組織具有高度的相 容性 , 無毒副作用 、無降解現(xiàn)象 , 化學性質 穩(wěn)定 ,具有良好的彈性 , 含水量高 。Trinkaus -Randall 等[ 9] 設計了一種以聚乙烯醇為光學部分 、 聚丙烯/聚丁烯共聚纖維網為支架部分的人工角膜 , 并證明能用基質角質細胞填充 , 增· 93 · 生物醫(yī)用眼科材料的研究/胡惠靜等其透明度降低 。臨床應用發(fā)現(xiàn)此人工晶狀體有

13、羥基磷灰石導致混濁的現(xiàn)象 , 從而引起視力下降 , 部分患者不得不取出 ,其發(fā)生機理目前還不明確 , 可能是眼內代謝產物鈣 、 磷沉積導致[ 22] 。親水性丙烯酸酯是 HEM A 與甲基丙烯酸甲酯 M MA 通過化學交聯(lián)共聚結合而成的大分子有機化合物 , 既具有良好的機械性能和光學性能 、 耐高溫 、 IOL 可脫水植入 , 又具有良好的彈性和親水性 、 柔軟 、 折疊時不易產生劃痕 , 可減少異物反應 ; 與水凝膠一樣 , 其富含滲

14、水性 , 眼內代謝物可進入內部而黏附污染 ,影響其透明度 , IOL 內部發(fā)生鈣等物質混濁的報道較常見 [ 23, 24] 。其親水表面給細胞的增生和遷移提供了合適 的基 質 , 晶狀 體上 皮細胞 在此 表面增 生的發(fā) 生率 較高 [ 25] , 但宿主抗異體細胞反應較輕 , 較少發(fā)生巨細胞和上皮樣細胞的沉積[ 26] 。晶狀體上皮細胞的增生導致后發(fā)障的發(fā)生率較高[ 27] 。但也有報道此材料改成直角方邊后 , 后發(fā)障發(fā)生率并未明顯提

15、高 。此 IOL 對硅油的黏附很少 。疏水性 Acrylic 是由苯乙烯基丙烯酸甲酯( M MA) 、 苯乙基丙烯酸酯( HEM A) 及其他交聯(lián)體聚合而成的一類多聚物 ,可簡稱為丙烯酸酯 。Acylic 可被高度純化 , 性質穩(wěn)定 , 透明性極佳 。在 37 ℃ 時的屈光指數(shù)為 1 . 544 ,較 PM MA 高 , 因此同等屈光度人工晶狀體 ,疏水性 A crylic 材料可做得更薄 , 更適合于小切口植入 。其易被鑷子損傷產生劃

16、痕 , 使用時表面涂粘彈劑則較好 。由于此 IO L 表面黏性較大 , 使其更易黏附于囊袋內 , 使后囊與視區(qū)緊密接觸 , 阻止晶狀體上皮細胞的移行 , 后發(fā)障發(fā)生率也低[ 28] 。但是疏水性丙烯酸酯的高折射率使患者術后眩光等不良現(xiàn)象增加[ 29] 。研究表明疏水性丙烯酸酯 IOL 能抑制后發(fā)障的產生[30] , 丙烯酸酯對硅油的黏附性遠小于硅凝膠 IO L 。記憶性材料為甲基丙烯酸甲酯 、羥乙基甲基丙烯酸甲酯 、 甲基丙烯酸酯羥基苯

17、酚及乙烯乙二醇二丙烯酸酯交聯(lián)聚合而成的三維共價網狀結構 。此材料低于 25℃ 時變軟 , 加熱使人工晶狀體變軟后 , 將其卷曲并冷卻 , 使其成硬質卷筒形狀 。通過小切口植入眼內 , 經體溫加熱 , 憑“記憶”緩慢恢復至原來形態(tài) 。記憶材料為親水性材料 , 可吸水 20 %, 屈光指數(shù) 1 . 47 , 耐高溫 、 高壓 , 有極好的生物相容性 。高旭等[31] 研究了記憶型 IOL 植入術后后發(fā)障發(fā)生率及生物相容性等方面的情況 , 結

18、果顯示植入后炎癥反應輕微 , 術后視力恢復快 。3 人工玻璃體( A rtificial vitreous body) 材料人工玻璃體是用于替換或補充眼球內玻璃體的植入物 。為了取代病變的玻璃體和治療視網膜脫落 , 人們使用多種替代物 , 如空氣 、 生理鹽水 、 人眼房水 、 硅油 、 透明質酸鈉 、 膠原 、異種 玻璃 體等進 行玻 璃體填 充 , 但 治療效 果都不 令人 滿意 [ 32] 。如使用生理鹽水 、惰性氣體難以長時

19、間維持正常眼壓 [ 33] , 目前臨床上使用最多的硅油由于排異反應易引起炎癥 , 除不能獲得可控的長期填充作用外 , 還會引起白內障等并發(fā) 癥[ 34, 35] 。近 十 幾 年 來 , 用 合 成 高 聚 物 如 聚 乙 烯 醇( PVA) 、 聚乙烯基吡咯烷酮( PV P) 水凝膠作玻璃體替代物已受到國內外的矚目 。PVA 經 60鈷的 γ 射線輻照之后 , 分子間以共價鍵相連 ,形成具有三維立體結構的高分子水凝膠 , 此網狀結構

20、類似正常玻璃體內由膠原纖維和透明質酸構成的支架結構[ 36] , 通過控制 γ 射線輻照量和膨脹過程 , 可控制 PV A 人工玻璃體三維結構的疏密程度 , 從而使其在屈光指數(shù) 、透光率 、 粘度 、密度等方面與人眼玻璃體一致 。PVA 人工玻璃體是一種極有前途的人工玻璃體材料 , 但 PVA 結晶性強 , 水凝膠在貯存過程中易產生絮凝 , 另外在水凝膠制備工藝中需經 γ 射線輻射交聯(lián) , 工藝穩(wěn)定性不理想 , 目前仍未用于臨床 。王會

21、賓等[ 37]做了改性 PVA 水凝膠人工玻璃體及動物試驗 , 結果發(fā)現(xiàn)它與 PVA 水凝膠相比 , 制作工藝簡便 , 不需經 γ 射線輻射交聯(lián) ,經長期貯存觀察未有絮凝現(xiàn)象發(fā)生 , 貯存穩(wěn)定性好 。動物實驗結果表明 , 對試驗動物的角膜 、 晶體及眼底均無毒性影響 , 對房水循環(huán)及玻璃體代謝無明顯不良反應 , 能長時間保持正常眼壓 ,并能保持前房 、 晶體及玻璃體的透明度 。PVP 除具有良好的生物相容性和生物物理光學特性外 ,其網狀

22、支架對眼內各代謝成分具有良好的通透性 ,特別是因具有粘彈性而表現(xiàn)出良好的內填充作用 , 可封閉裂孔 , 展平視網膜 。PV P 是第一種被 用作玻璃體 替代物的 合成高 聚物[ 38] 。20 世紀 90 年代 G oldberg 制得的 PVP 水凝膠作為玻璃體替代物 , 作為眼科手術中粘彈性物質及人工玻璃體材料獲得了美國專利 。后來 , Chirila 等報道了用交聯(lián)的 PVP 作玻璃體替代物的研究結果 。用胰蛋白酶或膠原酶處理 1

23、4C 標記的水凝膠體外生物實驗結果證明無生物降解[ 39] , 臨床觀察和病理檢查發(fā)現(xiàn)存在凝膠的碎化和被吞噬 , 紅外測試發(fā)現(xiàn) 1個月內約 80% 注入物消失 。謝小莉等[ 40] 合成了交聯(lián)的聚乙烯基吡咯烷酮水凝膠 ,考察了凝膠在注射前和經 WN12 號針注射后的粘彈性 。注射 前 , 所 有試樣表現(xiàn)出交聯(lián)網絡的 特征 ,并且隨交聯(lián)劑用量的減少 , 儲存模量和回彈性減小 。注射后 , 部分試樣模量急劇減小 ; 未加交聯(lián)劑的試樣粘彈性保

24、持不變 ; 粘彈性變化很小且保持了注射前良好的回彈性 , 比其他各樣品更適宜用作人工玻璃體 。膠原水凝膠生物的相容性好 , 可在 2 個月內被降解 吸收 ,但強度不夠理想 , 通過針頭注射時結構容易破碎 。膠原具有天然材料共有的弱點 : 物理機械性能差 , 其生物降解性在某些應用上也是弱點 。而合成材料盡管力學性能良好而且性能穩(wěn)定 , 但生物相容性普遍較差[ 41] 。因此應制備膠原-高分子復合材料 , 使其同時具有 2 種材料的共同優(yōu)

25、點 , 互相補充 , 取長補短 。M . Stol 等[ 42] 發(fā)現(xiàn)了可以合成膠原與 HE-M A 任意比例的復合物的方法 , 并發(fā)現(xiàn)它可促進肌細胞在體內的分化而用于細胞培養(yǎng) 。其它研究表明 , 由于膠原的 加入 ,復合材料水凝膠在鼠皮下植入 6 個月后未出現(xiàn)任何組織壞死 、 鈣化 、 腫瘤產生和感染 , 無毒無害 , 生物相容性好 , 可通過調節(jié)膠原含量和交聯(lián)度來控制材料的降解 。4 人工眼球( A rtificial eye)