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高分子材料聚乙烯在医药与化工领域的应用进展

2024-08-27 15 上传者：管理员

摘要：随着材料学与化工行业的快速发展，高分子材料聚乙烯在医药与化工领域的应用已逐渐深入。其具有耐低温性、耐腐蚀性、化学稳定性、电绝缘性等优点，已引起医药研究人员和化工研究人员的重视。本文主要围绕其在生物支架、关节替代材料、医疗器械、药品包装等医药领域和石油化工、无机化工、有机化工、精细化工等化工领域的应用进行了综述，以期为聚乙烯应用的发展提供参考。

关键词：
化工
医药
热塑性树脂
聚乙烯
高分子材料
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聚乙烯（PE）是乙烯单体经聚合反应制得的一种热塑性树脂，化学式是（C2H4)n。按工业化出现年份的先后顺序可分为：1939年第一代聚乙烯为低密度聚乙烯（LDPE）、1953年第二代聚乙烯为高密度聚乙烯（HDPE）、1958年超高分子量聚乙烯（UHMWPE）、1977年出现的线性低密度聚乙烯（LLDPE第三代聚乙烯）、1984年的超低密度聚乙烯（VLDPE第四代聚乙烯）、20世纪90年代出现的茂金属聚乙烯（MPE）。随着高分子材料科学技术的飞跃进步，生产工艺的不断改进，PE表现出卓越的性能，并且在诸多领域都发挥了极其重要的作用。由于其无毒，无味，耐磨损、耐冲击、耐热、耐寒和化学稳定性高的特性，其在生物支架、关节替代材料、医疗器械、药品包装等医药领域发挥了重要的作用[1]。PE具有较高的刚性和韧性，同时，其机械强度、介电性能和耐环境应力开裂性都较好，不溶于任何有机溶剂，还具有耐腐蚀（包括酸、碱和各种盐类的腐蚀）的特点，已被广泛的应用于石油化工、有机化工、无机化工、精细化工等领域。本文主要围绕其在医药和化工领域的应用进行阐述，以期为未来的研究提供参考。

1、在医药领域的应用

1.1在生物支架方面的应用

先天性小耳畸形是临床上较为多见的耳廓缺损与畸形，常常引起容貌缺陷，同时也伴随着心理障碍和听力障碍，严重影响了患者的健康生活。PE材料中的高密度聚乙烯（HDPE）是一种由乙烯与少量1-丁烯和/或1-己烯单体共聚而成的高结晶非极性合成树脂，具有良好延展性和稳定性，是一种很有前途的耳廓重建支架材料。传统上一般采用自体肋软骨支架，该方法不仅手术周期长，风险高，对患者的年龄有一定限制，而且这种材料易被部分吸收而引发变形。多年来的临床实践证明，HDPE生物材料具有安全、稳定、排异反应极低的特性，可以获得良好的术后效果[2]。另外，3D打印技术也被用来辅助高密度聚乙烯耳支架的制作，同时采用逐层方法可以提高这些3D打印支架的生物活性和抗菌性，也将使其临床应用更加方便[3]。此外，HDPE还是一种安全、有效的生物材料，可应用于鼻整形中。张少军等[4]比较了采用自体软骨支架和HDPE材料用于鼻延长术的术后恢复情况。结果显示，采用HDPE材料的患者术后疼痛小，感染率低，且不易变形，无收缩、老化的现象。

1.2在关节替代材料方面的应用

1962年，现代人工关节之父Charnley首次将UHMWPE引入人工关节，这被认为是现代人工关节置换术的开端。UHMWPE是一种半结晶聚合物，由于其耐磨性和组织相容性，可作为人工关节的关键材料。然而，在基于UHMWPE的植入物中观察到明显的问题，例如磨损碎片和氧化降解。为了解决UHMWPE作为植入物的磨损问题，提高其使用寿命，近年来，该领域出现了许多创新的方法，如辐射法和化学法使线型聚乙烯成为网状或体型的交联聚乙烯来提高其韧性和强度。王建军等[5]制备了一种含多酚的新型高交联聚乙烯（XLPE），并通过人工髋关节模拟试验机研究其体外磨损性。结果显示，含多酚的新型XLPE制成的髋臼内衬平均磨损率为（36.49±2.21)mg/million cycles，与UHMWPE髋臼内衬相近，说明其具有一定的耐磨损性，为人工关节假体和人造骨骼的临床应用提供参考。沈杰[6]用多酚抗氧剂与UHMWPE混合并模压成型，经电子束辐照得到氧化稳定型交联超高分子量聚乙烯，并以软骨细胞为模型研究了其性能。体外实验结果表明，交联超高分子量聚乙烯具有良好的生物相容性和对角鲨烯诱导的氧化具有抑制作用。

1.3在医疗器械方面的应用

PE柔韧性好，透明度高，无臭、无毒，化学稳定性高，能耐大多数酸碱的腐蚀，因此，其可以制成手术薄膜、手术垫单、检查手套、透气胶带、引流管、血管造影用导管、输液器、输血器等一次性医疗用品[7]。关雪[8]分析了PE手套与乳胶手套、丁腈手套和氯丁橡胶手套在使用中容易出现的问题。其中PE手套与乳胶手套一样可以起到保护作用，而且它不会发生过敏反应，成本相对较低。李怡俊等[9]以HDPE为原料采用自行研发的旋转挤出流变仪制得了高抗扭结性医用微管。与常规挤出微管相比，该HDPE微管的热收缩比为1.5，于常规挤出微管降低了60%，并且明显增加了微管扭转过程中应力方向的取向度，改善了抗扭结性。现有专利指出，PE可作为医用气管导管的基础材料。研究表明，该导管表征优良，抗菌性能优越，具有良好的生物相容性和安全性，可以作为临床前实验候选导管。程薇等[10]开发了一种聚乙烯/壳聚糖复合纳米纤维医用敷料。性能测试结果显示，医用敷料的透气率为0.279mm·s-1，透湿率为152g·（m2·h)-1，说明该敷料具有防水透气的作用。细菌实验结果表明，其对大肠埃希菌和金黄色葡萄球菌具有抑制能力，说明其具有较好的抑菌性。聚乙烯/壳聚糖复合纳米纤维医用敷料的研发推进了医用敷料领域的发展。

1.4在药品包装方面的应用

PE的阻隔性好，透明度高，无毒性，加工适应性较好，可以回收再利用，被广泛的应用于制药行业。在药品包装中，包装材料是影响药品质量、有效期、包装形式、销售成本等的重要因素，其最基本的属性是稳定性、阻隔性、结构性和加工性。LDPE又称高压聚乙烯，是聚乙烯树脂中最轻的品种，广泛应用在药用滴眼剂瓶的制备上。国家食品药品监督管理总局颁布的国家药品包装容器（材料）标准规定了LDPE药用滴眼剂瓶的现行质量标准。美国药典（USP）、欧洲药典（EP）在通则中列出了对PE塑料类包装材料的相关规定[11]。此外，LDPE材料还用于药品包装的复合膜、袋及液体瓶中。庄劲聪[12]采用超高效液相色谱与串联四级杆飞行时间质谱仪联用技术对多层共挤PE输液袋中可提取物和溶出物进行了安全性和毒性评价。结果表明，以酸性缓冲溶液、碱性缓冲溶液、异丙醇、4%苯甲醇及0.1mol·L-1醋酸钠作为储存液，90d内的样品中溶出物总含量为589.78μg·L-1，且所有的溶出物都不超出其毒理学风险阈值。说明在PE输液袋中储存含有2%苯甲醇及0.1mol·L-1醋酸钠（p H值为5）的溶液期间所产生的溶出物不会影响人体健康。总之，PE可以应用于药品包装，具有广阔的应用前景。

2、在化工领域的应用

2.1在石油化工方面的应用

石油是“工业的血液”，是当今世界的主要能源和化工原材料，而PE管材是石油开采、石油运输中最常用的材料。为了提高油田得采收率，一般采用空气泡沫驱油技术。然而，在长期使用下，该系统会产生严重的腐蚀问题，甚至会导致油田停产，造成严重的经济损失，因此，在空气泡沫驱油的过程中，选择合适的防腐措施十分重要。龚险峰等[13]研究了HDPE内衬油管在空气泡沫驱井的应用情况。与常规N80新油管相比，空泡驱专用HDPE内外防腐油管的报废率降低到50%以下，且腐蚀程度显著降低。除了防腐，石油的运输也是石油生产中非常关键的环节。石油的主要运输方式是管道运输。然而，由于这些管道大多埋设于地下，穿越地区广且地形复杂，油气管道一旦发生泄漏或断裂将有可能引发爆炸、中毒等重大事故，使企业生产和国家经济遭受严重破坏，人民生命财产蒙受重大损失，甚至造成严重环境污染，直接影响社会生活的安定。为了提高运输过程的安全性，有效的防渗技术逐渐走进了人们的视野。熊英禹[14]提出了HDPE土工膜是一种较好的防止地下水污染的材料，并且指出了施工要点。与聚氯乙烯（PVC）土工膜和氯化聚乙烯（CPE）土工膜相比，HDPE土工膜具有极好的抗微生物性、抗紫外线性以及抗臭氧能力、防渗性能和耐老化性能。基于以上特点，HDPE土工膜在石油运输方面展示了强大的作用。此外，樊学华等[15]介绍了HDPE内衬技术，该技术是钢质管道内插入高密度聚乙烯管，外部钢质管道起到承压作用，HDPE衬里管道起到内部防腐蚀、耐磨损等作用，有效的解决了管道腐蚀泄漏问题。

2.2在无机化工方面的应用

通过纺丝装置将聚乙烯溶液挤出成丝制成的聚乙烯纤维具有阻裂、耐久的作用，广泛应用于工业。邱丰实等[16]研究发现，聚乙烯纤维可增强高性能混凝土（UHPC）的抗压强度。结果显示，水泥基复合材料的抗压强度随着聚乙烯纤维体积率的增加而增强，当纤维体积率为1.5%时，水泥的抗压强度提升速率最快。柴天红等[17]制备了3种不同规格（6、9、12 mm）的超高分子量聚乙烯纤维并研究了其对UHPC性能的影响。与基本混凝土相比，3种纤维均可增强UHPC的流动性抗压强度和抗折强度，其中当掺入1.5%9mm的超高分子量聚乙烯纤维时，提高抗压强度和抗折强度的程度最大，分别是13.1%和25.4%。龙珂炎等[18]将PE纤维掺入含粗骨料UHPC研究纤维和粗骨料体积掺量对UHPC力学性能的影响。实验结果显示，聚乙烯纤维的掺入改善了UHPC的脆性并增强了抗压强度。当聚乙烯纤维的掺入体积率为0.9%时，UHPC平均最大抗压强度提高了7.9%。

2.3在有机化工方面的应用

超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE）是一种高性能纤维，具有高强度、高模量、耐高温性的特点。为增加扩大其使用范围，常常采用化学或物理方法对超高分子量聚乙烯纤维表面进行改性。文鑫[19]详细研究了两种改性方式及抗蠕变性能的变化。结果表明，采用电子束（EB）辐照法和硅烷偶联剂对UHMWPE改性后，明显增强了其抗蠕变性。冯园等[20]采用萃取改性技术制备了一种耐磨的超高聚乙烯纤维。结果显示，与未改性的UHMWPE相比，改性后UHMWPE的耐磨系数提高了257%。李传明等[21]研发了一款高压聚乙烯树脂19G。性能分析结果显示，19G的性能和分子量均有所提高，有利于涂覆生产。加工实验显示，19G的涂覆速度可以稳定在180～200m·min-1，满足用户的需求。

2.4在精细化工方面的应用

粘接树脂作为连接钢丝和内外层PE管材的关键原材料，其性能优劣直接影响到钢丝网增强PE复合管的品质。高粘接性、高耐热性、高环保性的粘接树脂具有极大的市场应用价值。刘光远等[22]以马来酸二丁酯（DBM）为单体、无味过氧化二异丙苯（BIBP）为引发剂、HDPE为基体树脂制备相容剂HDPE-g-DBM。结果显示，当基体树脂含量不变时，在粘接树脂配方中添加20%的相容剂，此时粘接树脂的性能最好。采用熔体质量流动速率、接枝率测试和红外光谱分析验证DBM单体接枝到HDPE的合理性。红外光谱的结果表明，在1740cm-1位置处出现明显的吸收峰，说明DBM单体接枝到HDPE。优化单体和引发剂配方的结果显示，当DBM质量分数为2.0%、BIBP质量分数为0.14%，得到的相容剂性能最好，此时其GD为1.9%、MFR为2.07/10min，且符合给水用钢丝网增强聚乙烯复合管道对于粘接树脂的参数要求。蔡智勇等[23]在PE树脂中加入高纯度的十溴二苯乙烷和Sb2O3制备了一种高性能阻燃聚乙烯材料。该材料不仅具有优良的阻燃性能还具有良好的耐应力开裂性能和高冲击强度。

3、总结与展望

目前，高分子材料聚乙烯在医药领域的应用逐渐扩大，随着市场需求的不断增长和技术创新的推动，改性技术逐渐被用于高分子材料聚乙烯中，如接枝改性、共聚改性、交联改性、共混改性、填充改性等。改性后的聚乙烯材料能够更好地满足临床应用，提高医疗器械的效果和患者的生活质量，满足人们对健康的需求。

高分子材料聚乙烯因具有诸多优异的性能而广泛应用于化工领域。然而，聚乙烯材料也有一些不足之处，如：由于其支链多，耐光降解和耐氧化能力差；分子链很长，极易发生链缠结；熔融时，熔体黏度高；给成型加工带来困难。为了扩展高分子材料聚乙烯的应用范围，未来还应在其制备方法和改性技术方面加大研究和投入力度，以获得新型的高分子聚乙烯材料，增加其在化工领域的生产需要。

随着科技的发展，高分子材料聚乙烯的种类将会更加多样化，这类材料形成的产品在市场中，不仅增加了消费者的选择空间，也会更好的推动医药材料和化工领域的应用和发展。相信随着研究的深入，高分子材料聚乙烯在医药和化工领域的应用前景和应用范围也将得到进一步扩大。

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