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

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)生領域得到了廣泛應用。它既可制成一次性醫(yī)療器械如點滴瓶、注射器等，又能用于非一次性醫(yī)療設備如計量器、外科儀器等，醫(yī)用塑料領域是目前塑料工業(yè)最有發(fā)展?jié)摿Φ氖袌鲋?。根據實際應用，醫(yī)用塑料材料大致分為制作。

人工臟器、修復人體缺陷和制作醫(yī)療器械三大類。

(1)植入體內，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，在手術過程中，用于體外暫時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)修復人體某部分缺陷的人工材料。例如人工皮膚、人工骨、人工關節(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、靜脈導液管、各種插管、血液導管、檢驗用具、病人用具、手術室用具、診療用具和繃帶等。

不同種類的塑料在醫(yī)用塑料市場上的消費比例是不同的。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

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)療器械的制備和產業(yè)化過程中，決定醫(yī)療器械質量和水平的不僅僅是醫(yī)用塑料本身的性能。實際上在塑料類醫(yī)療器械的制備中，加工工藝和技術裝備條件在塑料類醫(yī)療器械的質量和水平中起著決定性的作用。

醫(yī)用高分子材料的特點如下：

(1)優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、化學穩(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，不會引起炎癥和過敏，不會致癌，具有抗血栓性；

(3)長期埋植在體內，不會喪失拉伸強度和彈性模量等物理力學性能；

(4)易于加工成所需要的復雜的形狀。

三、醫(yī)用高分子材料加工特點

制備醫(yī)療器械的車間必須是全封閉式，并安裝大功率空調換氣機以及時排除有害氣體，保證車間恒溫及空氣清潔，產品生產過程中，嚴禁使用脫模劑與除銹劑，確保產品不受到污染。目前我國已經出臺相關標準對醫(yī)療器械的生產環(huán)境進行規(guī)定，如要求實施GMP規(guī)范和醫(yī)療ISO質量管理體系，確保生產流程各點不出現問題。醫(yī)用高分子材料產品一般生產工藝流程如圖1所示。

四、醫(yī)用高分子材料產品加工技術

4.1.專用設備與加工技術

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)用導管高速精密擠出

精密醫(yī)用導管，如圖2所示，主要特征是：尺寸微小(0.5毫米至數毫米)、形狀復雜、幾何精度要求高、衛(wèi)生指標高、生化穩(wěn)定性高等。

圖2精密醫(yī)用導管

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

圖4是一種微細介入導管機頭的雙管擠出式結構，當物料進入人字形機頭體后，在分流錐的作用下逐漸分成兩股，分別進入單管流道并獨立成型，一次可連續(xù)成型兩根導管。

圖5所示一種共擠出機頭結構，采用共擠出技術制造的多層管具有單層管所沒有的物理性質。共擠出成形管的內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)主要內層或中間過渡層組合在一起。外皮能夠避免功能層材料的損傷，或防止管件的內置物與使用者和/或其他內置物相互接觸。

擠出成型是指將塑料熔化后泵送入加熱的模具，使其冷卻成形的過程。共擠出也是同樣的過程，只是采用了多臺擠壓機泵送多種材料來制造產品。共擠出技術在當今醫(yī)療設備市場上的用途極為廣泛。特別值得一提的是，制造商可以通過不同材料的組合來改善產品的性能，這些改變包括更好的化學耐受性、機械性能、視覺美感，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。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醫(yī)療領域；聚乙烯管的硬度和化學耐受性更強，卻是半透明物質；聚碳酸脂管的透明度高，耐高溫，卻非常堅硬。如果用某種材料制成的管件缺少某種物理性質，通過共擠出技術就可以為其增加這種性質。

圖5是一種共擠出成型機頭，圖6顯示的是一層很薄的高硬度熱塑橡膠被壓進低硬度熱塑橡膠的內部。該組合提供了一個相對較硬的內表面，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，經過冷卻成為中空制品，根據型坯制造方法不同，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。

見圖7和圖8的注射吹塑和擠出吹塑的工藝過程。

4.1.3醫(yī)用多層薄膜生產

在大輸液袋及其二次包裝領域，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)才能解決此特殊問題。在生產過程中，從制膜到制袋，袋內保持高度潔凈；薄膜各向性能均衡；可針對不同結構層應用合適材料。

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，經冷卻定型和修整后即得制品。

4.2.二次成型設備

表面改性、管體的端部成形、管體的焊接、氣囊成形、氣囊組裝、管體開孔等

組裝機(線)：輸液器組裝機、注射器組裝機、管路組裝機

4.2.1表面改性

表面改性可以改善導管的物理機械性能，增進生物相容性。事實上，大多數的生物反應發(fā)生在表面，因此，對醫(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)療器械中有現實的重要意義，也是考察醫(yī)療器械技術水平的重要指標。

導管涂層的處理方法包括噴涂、浸漬、真空沉積技術、等離子沉積、化學電鍍、接技或鍵合、水凝膠包覆法、導管的復合擠出等。通過表面處理可以改變醫(yī)療器械的性能或賦予產品的特殊功能如硬度、耐磨性、結合強度、潤滑性、潤濕性、血液相容性、抗菌性和耐細菌粘附性、細胞生長和組織整合、蛋白質和細胞粘附性能等。

常見涂層有：

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

(2)超潤滑涂層，可避免損傷，減少阻礙，減少手術時間，減低插管力量，增加病人舒適度，降低痛苦，增強導管進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等；

(4)抗菌涂層，可使長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。

文獻中采用靜電吸引層層自組裝技術(Layer-by-Layer self-assembly，LBL)，在體外循環(huán)PVC導管表面組裝鋅/多糖多層薄膜，使得材料表面形成穩(wěn)定的糖鋅絡合物涂層，進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、機械連接、焊接等，其中焊接是重要的一種，它具有連接強度高、表面連續(xù)性好、應用范圍廣、工藝簡單、可實現機械化、生產效率高等優(yōu)點，得到了廣泛應用。

(1)熱熔焊接

利用加熱板或加熱絲使被焊接的塑料件對接面熔化，再通過壓力使對接面連接達到焊接牢固的目的。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，使塑料與塑料的對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內將金屬焊接于塑料駁口內。超聲焊接是一種新穎的塑料二次加工技術，以其高效、優(yōu)質、美觀、節(jié)能等優(yōu)勢而發(fā)展起來。超聲焊接使用范圍廣，可實施的方法多，如平面焊接法、鉚接法、點焊法、鑲嵌法等。

超聲焊接已應用于血液透析器、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粘合，解決了離心杯高速旋轉時引起的粘合劑融化現象，取得了良好的效果。此外，在醫(yī)用防護口罩、防護服、輸液器、球囊擴張導管的制作過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因分子極化而隨電場變化產生運動，分子間發(fā)生摩擦，使電能轉變成熱能，塑料本身生熱直至熔融，從而達到連接的目的。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)振動焊接

振動焊接是一種通過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，尤其適用于結晶性塑料如PE、PA、PP等不易進行超聲或熔融焊接的塑料。

振動焊接具有焊接速度快、能自動調節(jié)焊接溫度、焊縫不出現過熱、焊縫區(qū)很少有雜質等諸多優(yōu)點，在醫(yī)用塑料制品方面應用較多。特別適用于超聲焊接不易實現的較長的線性接頭和熱板焊接需用較長時間完成的接頭。

(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，激光輻射非常強烈而集中，通過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、具有復雜幾何形狀的塑料制品及有嚴格潔凈要求的塑料制品例如醫(yī)藥設備等。

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。

二次加工后的導管