有機硅材料問世于20世紀40年代，具有化學惰性、不致癌、低過敏性、長期植入不會喪失機械性能等性質，適用于多種醫學用途，如用作骨組織再生的仿生材料、各類導管、乳房植入物、假肢、生物支架、人造皮膚、心臟搭橋機、修補材料、填塞材料、涂層等。此外，良好的血液相容性也使其能滿足材料與血液接觸的需求。
本文從體外、體內及在血液中的應用三個方面對有機硅材料在醫用領域的開發應用進行了綜述，并簡要介紹了相關的抗菌性研究。? ??
有機硅的主鏈由Si-O組成，在Si原子上可連接各種有機基團，如甲基、氨基、甲氧基等。硅氧結構與有機基團的分子結構使得有機硅材料兼具有機材料和無機材料的特性，因而具有耐腐蝕、耐高低溫、無毒、憎水以及生理惰性等優異性能。有機基團的引入極大豐富了有機硅材料的應用。
例如，陳亮等人采用乳液聚合制得陰離子型氨基改性有機硅乳液，氨基的引入有效解決了紡織染整領域中有機硅柔軟劑、平滑劑性能達不到預期的問題。
Wang等人在硅橡膠分子鏈中引入適量的苯基和環氧基，當環氧苯基硅橡膠(EMVPQ)中苯基含量從5%增加到20%時，EM-VPQ的力學性能顯著降低，但阻尼性能和抗輻射性能大大提高，熱分解溫度略有升高;苯基和環氧膠的引入抑制了硅橡膠中環己烯的降解，從而提高了硅橡膠的耐高溫性能;同時，環氧基團的存在提高了硅橡膠耐非極性油的性能。? ??
有機硅材料在生物醫用領域的應用主要包括體外應用、體內應用以及在血液中作為藥物載體等。
其低過敏性、無毒、生物相容性好等特點使得有機硅材料在體外應用時不與皮膚產生過敏反應，體內應用時可作為人體的組織器官代用品、輔助用品長期或短期留置，在血液中用作藥物載體也有著獨特的優勢。? ?
因硅橡膠具有良好的組織相容性，沒有細胞毒性，其薄膜敷料有較好的氣體透過率，這使得有機硅材料得以用于體外創面敷料、醫用壓敏膠粘劑等。? ??
Xiang等人開發出可以進行紫外光固化和3D打印的生物相容性有機硅彈性體，該彈性體對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有較好的抑制作用。其良好的生物相容性及抑菌性能使得該彈性體用作創面敷料時，創面不易受感染，有利于皮膚愈合。?
壓敏膠需考慮接觸皮膚后可能會產生的問題，如刺激皮膚、皮膚過敏、細菌滋生導致的感染等。? ? ? ?
有機硅壓敏膠(圖1)具有溫和且穩定長效的粘性、低過敏性，反復使用不會損傷皮膚，廣泛應用于醫用傷口貼、彈性繃帶以及醫用膠帶等。
Tombs等人開發了一種以新型聚(醚－聚氨酯)－有機硅交聯壓敏粘合劑作為藥物儲存庫、以布洛芬作為有效藥物成分的透皮貼片技術。
該皮膚貼片(圖2)具有高藥物負載率，其中的布洛芬易從粘合劑中釋放并穿透膜和皮膚，也可通過加入滲透促進劑控制藥物通過膜的通量;同時該貼片還具有良好的附著力，去除后在皮膚上無殘留。
Ji等人通過含氫MQ硅樹脂和丁子香酚的氫化硅烷化反應合成了Bio-PhenolMQ硅樹脂(BPMQ);由于丁香酚結構中的特殊官能團，在不添加其它抗菌劑的情況下，BPMQ對大腸桿菌有顯著的抗菌性，有望應用于壓敏膠粘劑和硅橡膠制品。?
硅樹脂是一種高度交聯的、兼具有機樹脂及無機材料雙重特性的有機硅材料，具有優異的疏水性及防粘脫模性等，可作為涂層、涂料等應用于生物醫用設備、制品。硅樹脂在加工過程中會添加各種助劑以達到需要的使用效果，因此也需要對制品的毒副作用進行研究。
Werner等人向硅樹脂中添加了幾種不同的有機金屬催化劑，并測試了其體外細胞毒性。結果表明，催化劑的加入可顯著縮短非細胞毒性涂料的固化時間;基于錫、鋯、鈦、鉍和叔胺的有機金屬催化劑沒有細胞毒性效應，特別適用于醫療應用的電子封裝。??
有機硅材料的理化性質穩定，對人體內組織反應小，可在體內起到阻隔、支撐、為細胞生長和粘附提供場所等作用，常作為短期或長期植入物使用。? ? ??
Shi等人將羧基接枝多面體低聚倍半硅氧烷(POSS-COOH)引入硅橡膠(SR)中，制得復合填充材料POSS-COOH/SR。POSS-COOH改善了細胞粘附，減少了SR周圍包膜的形成，因此細胞在POSS-COOH/SR上的增殖和粘附能力相比純硅橡膠支架顯著增強。
這些結果表明POSS-COOH/SR無細胞毒性，且生物相容性優于單一的硅橡膠支架，作為軟組織填充支架材料有著更好的前景。? ? ?
Jenney等人開發的聚硅氧烷(聚氨酯－脲)(LP)表現出了心臟瓣膜葉所必需的特性，包括低動態模量、高拉伸強度和出色的生物穩定性等。?
LP表面幾乎檢測不到血小板附著和血栓的形成;與臨床標準組織瓣膜相比，綿羊長期植入帶LP瓣葉的原型心臟瓣膜(圖3，外徑23mm，由溶液澆鑄在聚醚醚酮支架上的LP和用聚酯縫線固定的聚四氟乙烯氈縫環組成)在血栓形成能力或全身組織反應方面沒有差異;脂蛋白心臟瓣膜的萃取物和滲出物分析證實了最小的毒理學風險;24周的菌株加速體內LP生物穩定性測試證實了先前有利的體外生物穩定性結果。
這些研究表明，這種彈性體對全合成心臟瓣膜置換的柔性瓣葉具有理想的生物性能。? ? ?
得益于有機硅材料植入人體后異物反應少、生理惰性等特點，醫用有機硅制品中有相當一部分用作各類導管(圖4)，其在應用過程中要避免細菌感染的風險。
Jane等人對硅橡膠導尿管中白色念珠菌生物膜的形成進行了研究，希望找到新材料以替代硅橡膠導尿管，但發現在硅橡膠、氯丁橡膠和丁基橡膠導尿管中，白色念珠菌生物膜的生長差異與后兩種材料替代硅橡膠導管所需的成本并不匹配。? ? ?
Goudie等人將一氧化氮(NO)供體S－亞硝基－N－乙酰青霉胺(SNAP)和硅油通過兩步溶脹工藝引入商品化的硅橡膠Foley導尿管中，制成液體輸注一氧化氮釋放導尿管。? ??
這種協同組合通過提供最低限度的SNAP淋洗和更有控制的NO釋放，同時結合液體注入材料的無污染特性，改善了NO釋放材料。主動釋放NO和被動釋放硅油協同作用可防止硅橡膠Foley導管上生物膜的形成，在降低導管相關性尿路感染風險方面具有潛在的應用前景。? ? ?
應用于血液中的有機硅材料，多采用介孔有機硅納米粒子作為藥物載體置于人體內，受pH值、光、超聲波或氧化還原反應等多種因素影響實現藥物的可控釋放，或用于腫瘤治療中的刺激響應性藥物釋放、靶向給藥等。?
其機理是有機硅納米粒子中的有機官能團能夠誘發表面極性，通過影響載體粒子和藥物分子間的相互作用來實現刺激響應釋放、藥物高負載率。? ? ?
Kim等人根據腫瘤組織內或周圍空間的pH值變化，設計了“負載納米顆粒的納米顆粒”，用于癌癥靶向和整個3D腫瘤中納米載體的表面到核心擴散。這種分級復合納米系統首先合成了具有均勻大孔(15nm)的介孔二氧化硅納米粒子(150nm)，然后通過DNA負載金納米顆粒來制備。? ??
全身給藥后，整個納米系統通過增強通透性和滯留效應積聚在腫瘤中。然后，弱酸性腫瘤微環境(pH值約6.5)導致雜合DNA在中孔中第一次轉變，引起內部金納米顆粒以及共軛DNA的釋放，由于其尺寸較小，可以有效穿透腫瘤深部區域。
最后，金納米顆粒被內化到腫瘤細胞中，抗癌藥物在胞漿(pH值約為5.0)處通過第二次DNA躍遷釋放。這項工作充分利用環境pH值變化作為特定觸發因素，使更小的納米載體和藥物分子能夠順序釋放，顯著提高了癌癥的治療效果。? ?
Wu等人通過二硫鍵整合了超微Cu2－xSe和具備中空結構的介孔有機硅納米粒子(HMONs)，用于谷胱甘肽(GSH)反應性的生物降解和按需釋放阿霉素(DOX)，專門用于原位膠質母細胞瘤的治療。
在該研究中，聚焦超聲也被應用于促進血腦屏障的部分開放，以保證這些已建立的復合納米系統可以進入腦腫瘤中進行后續治療。? ??
腫瘤微環境中過表達的GSH促進HMONs的生物降解、負載Cu2－xSe(表面)和DOX(中孔)的釋放，使腫瘤生長被顯著抑制(91.1%)。
蘇木精－伊紅和末端脫氧核苷酸轉移酶介導的dUTP缺口末端標記染色也顯示治療后的癌細胞損傷和凋亡增強，進一步證實了納米系統治療膠質母細胞瘤的高可行性。? ??
Paris等人在介孔二氧化硅納米粒子的表面修飾了超聲波響應性無規共聚物，以控制阿霉素分子在介孔中的流量，經超聲輻照后，聚合物主鏈中的疏水性四氫吡喃基被裂解，引起相變，并使得藥物釋放的較低臨界溶液溫度升高。?
Chen等人構建了對高強度聚焦超聲具有獨特反應性的中空介孔有機二氧化硅，用于藥物釋放行為的外源性干預。二氧化硅骨架中的二硫鍵由于其較低的解離能(268kJ/mol)和較長的鍵長(0.203nm)，與C—C(解離能347kJ/mol，鍵長0.154nm)相比可以被高強聚焦超聲機械斷裂，從而促進了DOX分子的釋放。
目前，有機硅材料在生物醫用領域主要集中于體外應用、體內應用和血液中的藥物載體等。用于體外時需要考慮材料對人體皮膚是否會產生過敏、損傷等問題，與傷口接觸時也需考慮材料的透氣性和抗菌性能等。植入物留置于體內則需更多地注意材料的生物相容性、細胞毒性以及抗菌性能。? ? ? ? ?
有機硅材料本身與人體有著優異的生物相容性、低毒性，但是在接觸過程中如果不慎受到污染，或在使用過程中出現微生物累積，則會對人體造成較大影響。
因此在開發過程中重點關注材料的抗菌改性。得益于介孔有機二氧化硅納米顆粒等材料可受多種因素影響而釋放藥物，刺激響應性藥物釋放在腫瘤治療方面有著較好的應用。? ??
由于具有生理惰性和優異的生物相容性，有機硅材料在生物醫用上有著難以替代的獨特優勢，越來越多的制品正在被開發，從皮膚敷料、人工關節、人工耳蝸，到腦積水引流裝置、人工心臟瓣膜、導管，再到藥物載體，有機硅材料正以多種形式積極地守護著人類的健康。
參考資料：有機硅材料在醫用領域的應用研究進展，徐龍平等，成都思立可科技有限公司??
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原文始發于微信公眾號（艾邦醫用高分子）：有機硅材料在醫用領域的應用研究
