探討醫(yī)用高分子材料及最新的塑料原材料及其加工過(guò)程和在醫(yī)療器械領(lǐng)域的應(yīng)用

一、醫(yī)用高分子材料種類

塑料作為一種十分重要的材料，在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。它既可制成一次性醫(yī)療器械如點(diǎn)滴瓶、注射器等，又能用于非一次性醫(yī)療設(shè)備如計(jì)量器、外科儀器等，醫(yī)用塑料領(lǐng)域是目前塑料工業(yè)最有發(fā)展?jié)摿Φ氖袌?chǎng)之一。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，醫(yī)用塑料材料大致分為制作。

人工臟器、修復(fù)人體缺陷和制作醫(yī)療器械三大類。

(1)植入體內(nèi)，永久性替代使用的人工臟器或部位的塑料材料。例如人工血管、人工心臟瓣膜、人工食道、人工氣管、人工膽管、人工尿道等。此外，在手術(shù)過(guò)程中，用于體外暫時(shí)替代使用的人工臟器有人工腎臟、人工心臟、人工肺、人工肝臟等。

(2)修復(fù)人體某部分缺陷的人工材料。例如人工皮膚、人工骨、人工關(guān)節(jié)、人工耳朵、人工鼻、假肢、角膜接觸眼鏡等。

(3)用作醫(yī)療器械的塑料材料。例如醫(yī)用容器有輸液瓶、輸液袋、輸血袋、腹膜透析液袋、血袋等；一次性醫(yī)療用品有注射器、輸液器、輸血器、靜脈導(dǎo)液管、各種插管、血液導(dǎo)管、檢驗(yàn)用具、病人用具、手術(shù)室用具、診療用具和繃帶等。

不同種類的塑料在醫(yī)用塑料市場(chǎng)上的消費(fèi)比例是不同的。聚氯乙烯(PVC)和聚乙烯(PE)用量最大，各占28%和24%；聚苯乙烯(PS)占18%；聚丙烯(PP)占16%；工程塑料占14%。

在工程塑料中，聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)占23%，ABS/苯乙烯－丙烯晴共聚物(SAN)占16%；聚碳酸酯(PC)占12%；聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)占10%，其它醫(yī)用工程塑料有尼龍(PA)、聚甲醛(POM)、聚氨酯(PUR)、有機(jī)硅、氟聚合物、纖維素塑料、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）等。

二、醫(yī)用高分子材料特點(diǎn)

同普通高分子材料相比，醫(yī)用高分子材料在單體及其聚合物的殘留、鋅、鉛、鎘、銅、鋇、錫等金屬離子的殘留及樹(shù)脂純度、分子量分布等都有較高要求。但是在塑料類醫(yī)療器械的制備和產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中，決定醫(yī)療器械質(zhì)量和水平的不僅僅是醫(yī)用塑料本身的性能。實(shí)際上在塑料類醫(yī)療器械的制備中，加工工藝和技術(shù)裝備條件在塑料類醫(yī)療器械的質(zhì)量和水平中起著決定性的作用。

醫(yī)用高分子材料的特點(diǎn)如下：

(1)優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性及可殺菌消毒；

(2)優(yōu)良的生物體替代性和生物體相容性，不會(huì)引起炎癥和過(guò)敏，不會(huì)致癌，具有抗血栓性；

(3)長(zhǎng)期埋植在體內(nèi)，不會(huì)喪失拉伸強(qiáng)度和彈性模量等物理力學(xué)性能；

(4)易于加工成所需要的復(fù)雜的形狀。

三、醫(yī)用高分子材料加工特點(diǎn)

制備醫(yī)療器械的車間必須是全封閉式，并安裝大功率空調(diào)換氣機(jī)以及時(shí)排除有害氣體，保證車間恒溫及空氣清潔，產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中，嚴(yán)禁使用脫模劑與除銹劑，確保產(chǎn)品不受到污染。目前我國(guó)已經(jīng)出臺(tái)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)醫(yī)療器械的生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行規(guī)定，如要求實(shí)施GMP規(guī)范和醫(yī)療ISO質(zhì)量管理體系，確保生產(chǎn)流程各點(diǎn)不出現(xiàn)問(wèn)題。醫(yī)用高分子材料產(chǎn)品一般生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

四、醫(yī)用高分子材料產(chǎn)品加工技術(shù)

4.1.專用設(shè)備與加工技術(shù)

微注射、高速高精密注射、注拉吹成型、拉吹成型、擠吹成型、精密擠出、多層共擠吹塑、多層共擠流延、熱壓成型

4.1.1醫(yī)用導(dǎo)管高速精密擠出

精密醫(yī)用導(dǎo)管，如圖2所示，主要特征是：尺寸微小(0.5毫米至數(shù)毫米)、形狀復(fù)雜、幾何精度要求高、衛(wèi)生指標(biāo)高、生化穩(wěn)定性高等。

圖2精密醫(yī)用導(dǎo)管

精密醫(yī)用導(dǎo)管的管材部分采用擠出成型方法進(jìn)行生產(chǎn)，配件主要采用注射成型方法進(jìn)行生產(chǎn)。其中管材部分的生產(chǎn)工藝流程如圖3所示。

圖4是一種微細(xì)介入導(dǎo)管機(jī)頭的雙管擠出式結(jié)構(gòu)，當(dāng)物料進(jìn)入人字形機(jī)頭體后，在分流錐的作用下逐漸分成兩股，分別進(jìn)入單管流道并獨(dú)立成型，一次可連續(xù)成型兩根導(dǎo)管。

圖5所示一種共擠出機(jī)頭結(jié)構(gòu)，采用共擠出技術(shù)制造的多層管具有單層管所沒(méi)有的物理性質(zhì)。共擠出成形管的內(nèi)壁或外壁通常具有一層或多層厚度為0.002至0.005英寸的涂層薄皮。

薄皮能與較厚的(0.005至0.100英寸)主要內(nèi)層或中間過(guò)渡層組合在一起。外皮能夠避免功能層材料的損傷，或防止管件的內(nèi)置物與使用者和/或其他內(nèi)置物相互接觸。

擠出成型是指將塑料熔化后泵送入加熱的模具，使其冷卻成形的過(guò)程。共擠出也是同樣的過(guò)程，只是采用了多臺(tái)擠壓機(jī)泵送多種材料來(lái)制造產(chǎn)品。共擠出技術(shù)在當(dāng)今醫(yī)療設(shè)備市場(chǎng)上的用途極為廣泛。特別值得一提的是，制造商可以通過(guò)不同材料的組合來(lái)改善產(chǎn)品的性能，這些改變包括更好的化學(xué)耐受性、機(jī)械性能、視覺(jué)美感，以及成本的降低。

由于所用材料存在差異，管件可能具有完全不同的物理性質(zhì)。例如，PVC管可軟可硬，可透明或不透明，其耐久性適用于大多數(shù)醫(yī)療領(lǐng)域；聚乙烯管的硬度和化學(xué)耐受性更強(qiáng)，卻是半透明物質(zhì)；聚碳酸脂管的透明度高，耐高溫，卻非常堅(jiān)硬。如果用某種材料制成的管件缺少某種物理性質(zhì)，通過(guò)共擠出技術(shù)就可以為其增加這種性質(zhì)。

圖5是一種共擠出成型機(jī)頭，圖6顯示的是一層很薄的高硬度熱塑橡膠被壓進(jìn)低硬度熱塑橡膠的內(nèi)部。該組合提供了一個(gè)相對(duì)較硬的內(nèi)表面，便于電纜的插入，而管件仍然保持其基本的物理柔韌性。

4.1.2 中空成型（擠吹，注吹，注拉吹）

中空吹塑成型的一般原理為將壓縮空氣鼓入熔融的型坯，使之橫向吹脹，緊貼于模具型腔表面，經(jīng)過(guò)冷卻成為中空制品，根據(jù)型坯制造方法不同，可分為注射吹塑、擠出吹塑、注射拉伸吹塑、擠出拉伸吹塑和多層吹塑等。

見(jiàn)圖7和圖8的注射吹塑和擠出吹塑的工藝過(guò)程。

4.1.3醫(yī)用多層薄膜生產(chǎn)

在大輸液袋及其二次包裝領(lǐng)域，PE、PP、PA和其它適用材料已漸漸取代PVC。但是，單層聚烯烴薄膜在性能上并不能完全取代PVC，因此需要3、5甚至7層的多層共擠系統(tǒng)才能解決此特殊問(wèn)題。在生產(chǎn)過(guò)程中，從制膜到制袋，袋內(nèi)保持高度潔凈；薄膜各向性能均衡；可針對(duì)不同結(jié)構(gòu)層應(yīng)用合適材料。

4.1.4真空和熱壓成型

將裁成一定尺寸和形狀的片材，夾在模具的框架上，讓其在高彈態(tài)的適宜溫度加熱軟化，片材一邊受熱、一邊延伸，而后憑借施加的壓力，使其緊貼模具的型面，取得與型面相仿的形樣，經(jīng)冷卻定型和修整后即得制品。

4.2.二次成型設(shè)備

表面改性、管體的端部成形、管體的焊接、氣囊成形、氣囊組裝、管體開(kāi)孔等

組裝機(jī)(線)：輸液器組裝機(jī)、注射器組裝機(jī)、管路組裝機(jī)

4.2.1表面改性

表面改性可以改善導(dǎo)管的物理機(jī)械性能，增進(jìn)生物相容性。事實(shí)上，大多數(shù)的生物反應(yīng)發(fā)生在表面，因此，對(duì)醫(yī)療器械尤其是介入性和植入性器械界面、表面特性在醫(yī)療器械中有現(xiàn)實(shí)的重要意義，也是考察醫(yī)療器械技術(shù)水平的重要指標(biāo)。

導(dǎo)管涂層的處理方法包括噴涂、浸漬、真空沉積技術(shù)、等離子沉積、化學(xué)電鍍、接技或鍵合、水凝膠包覆法、導(dǎo)管的復(fù)合擠出等。通過(guò)表面處理可以改變醫(yī)療器械的性能或賦予產(chǎn)品的特殊功能如硬度、耐磨性、結(jié)合強(qiáng)度、潤(rùn)滑性、潤(rùn)濕性、血液相容性、抗菌性和耐細(xì)菌粘附性、細(xì)胞生長(zhǎng)和組織整合、蛋白質(zhì)和細(xì)胞粘附性能等。

常見(jiàn)涂層有：

(1)抗凝血涂層，可提高生物相容性，延長(zhǎng)醫(yī)用塑料產(chǎn)品與血液的安全接觸時(shí)間，提高治療效果；

(2)超潤(rùn)滑涂層，可避免損傷，減少阻礙，減少手術(shù)時(shí)間，減低插管力量，增加病人舒適度，降低痛苦，增強(qiáng)導(dǎo)管進(jìn)入彎曲組織如血管等的能力，減少組織刺激和損傷，涂層同樣可以提供抗菌和藥物釋放功能；

(3)抗粘附涂層，可防止與人體組織的粘聯(lián)等；

(4)抗菌涂層，可使長(zhǎng)期植入人體部件抗菌；

(5)超聲涂層，可提高超聲顯像度；

(6)磁性涂層，可提高磁性顯像度。

文獻(xiàn)中采用靜電吸引層層自組裝技術(shù)(Layer-by-Layer self-assembly，LBL)，在體外循環(huán)PVC導(dǎo)管表面組裝鋅/多糖多層薄膜，使得材料表面形成穩(wěn)定的糖鋅絡(luò)合物涂層，進(jìn)行表面抗凝血修飾以提高其血液相容性。

4.2.2焊接

目前塑料的常用連接方式有粘接、機(jī)械連接、焊接等，其中焊接是重要的一種，它具有連接強(qiáng)度高、表面連續(xù)性好、應(yīng)用范圍廣、工藝簡(jiǎn)單、可實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。

(1)熱熔焊接

利用加熱板或加熱絲使被焊接的塑料件對(duì)接面熔化，再通過(guò)壓力使對(duì)接面連接達(dá)到焊接牢固的目的。熱融焊接常用于焊面為圓形的醫(yī)用塑料制品及醫(yī)用包裝袋等的制作。比如，醫(yī)用塑料輸液瓶的瓶口、醫(yī)用塑料或紙塑復(fù)合包裝袋等。

(2)超聲焊接

超聲焊接的原理是以20kHz的頻率造成高速振動(dòng)，使塑料與塑料的對(duì)接面因摩擦生熱而融合；若用于塑料與金屬的焊接，可在不足1s內(nèi)將金屬焊接于塑料駁口內(nèi)。超聲焊接是一種新穎的塑料二次加工技術(shù)，以其高效、優(yōu)質(zhì)、美觀、節(jié)能等優(yōu)勢(shì)而發(fā)展起來(lái)。超聲焊接使用范圍廣，可實(shí)施的方法多，如平面焊接法、鉚接法、點(diǎn)焊法、鑲嵌法等。

超聲焊接已應(yīng)用于血液透析器、血漿采集器等醫(yī)用制品的制作中，如血漿單采離心分離器的杯體與壓蓋的焊接，采用此種焊接法替代了化學(xué)粘合，解決了離心杯高速旋轉(zhuǎn)時(shí)引起的粘合劑融化現(xiàn)象，取得了良好的效果。此外，在醫(yī)用防護(hù)口罩、防護(hù)服、輸液器、球囊擴(kuò)張導(dǎo)管的制作過(guò)程中也常采用這種方法。

(3)高頻焊接

高頻焊接是利用熱塑性塑料在高頻電極間會(huì)因分子極化而隨電場(chǎng)變化產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，分子間發(fā)生摩擦，使電能轉(zhuǎn)變成熱能，塑料本身生熱直至熔融，從而達(dá)到連接的目的。高頻焊接常用于血袋、引流袋、尿袋等袋類醫(yī)用制品的制作和一些醫(yī)用包裝袋的封口。

(4)振動(dòng)焊接

振動(dòng)焊接是一種通過(guò)摩擦生熱的自限加熱焊接方法。通常以一定的線性位移或角位移進(jìn)行摩擦生熱，使兩塊制件的接觸面熔融。可用于大部分熱塑性塑料，尤其適用于結(jié)晶性塑料如PE、PA、PP等不易進(jìn)行超聲或熔融焊接的塑料。

振動(dòng)焊接具有焊接速度快、能自動(dòng)調(diào)節(jié)焊接溫度、焊縫不出現(xiàn)過(guò)熱、焊縫區(qū)很少有雜質(zhì)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)用塑料制品方面應(yīng)用較多。特別適用于超聲焊接不易實(shí)現(xiàn)的較長(zhǎng)的線性接頭和熱板焊接需用較長(zhǎng)時(shí)間完成的接頭。

(5)激光焊接

激光焊接是一種高速、非接觸焊接熱塑性塑料的方法。在正常的工作條件下，激光輻射非常強(qiáng)烈而集中，通過(guò)激光輻射將焊接部位擠在一起并在焊接接頭區(qū)域留下散開(kāi)的激光束以焊接塑料。激光焊接主要用于焊接敏感性塑料制品如含有線路板的配件、具有復(fù)雜幾何形狀的塑料制品及有嚴(yán)格潔凈要求的塑料制品例如醫(yī)藥設(shè)備等。

5.2.3其它二次成型

其它二次成型有管壁打孔、尖端成型、定型加工、刻度印刷、OEM組裝等。

二次加工后的導(dǎo)管