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薄膜科技的應用:搞不好會要命的薄膜–醫療用薄膜

薄膜的使用在醫療場所隨處可見,但醫療用膜的範圍十分廣泛,規格、要求各異,若使用不當,搞不好會要命。
 
 
 
薄膜的使用在醫療場所隨處可見,譬如打點滴時液體管線上的過濾膜,尿袋上平衡內外壓力的透氣膜,人工心肺機內的氣體交換膜,洗腎時使用的透析膜,修補心房缺損的阻絕膜網,腹腔手術後防止腸沾黏的防沾膜等。這些醫療用薄膜,為達到使用目的,除了在膜孔大小、機械強度等各有不同規格外,更重要的是要無毒、易殺菌,材質也不可引起過敏發炎等反應。

醫療用膜的範圍十分廣泛,大致可分為體外使用、血液接觸及體內安置 3 大類,以下舉例說明可能的應用及所需的特殊要求。

體外使用

這類薄膜因不與患者身體組織或體液直接接觸,所以較不講究所謂的組織或血液適應性的問題,但仍需滿足無菌、無毒、活用的要求。因此,以其材料表面親、疏水性的不同,分為通氣不透水的膜及靜脈注射用膜兩大類。

通氣不透水的膜

不少醫療用品為了平衡容器內外的壓力,須使用通氣但不透水的薄膜,譬如吊點滴時,由於液體不斷注入體內,瓶中的壓力會持續降低,如果沒有外來氣體注入,瓶內會因壓力太低致使點滴無法滴出。因此常見到護理人員會在瓶底橡皮處插入一根尾部帶有通氣但不透水薄膜的針頭,讓外界氣體得以進入瓶中,而瓶內液體卻不會漏出。

由於外界氣體可能帶有病菌,因此薄膜必須能阻擋微生物侵入,而膜上孔洞的大小須控制在 0.2 微米左右。此外,為了滿足通氣但不透水的要求,這類膜大都使用疏水性的材質,如聚丙烯或鐵氟龍等。為確保無菌無毒,製作過程中使用的溶劑與塑化劑都不得殘留,殺菌也要確實,惟需注意不得使薄膜產生物性或化性的改變。

類似用途的薄膜,也可發現於尿袋、人工肛門及手術抽氣機上,不同的是,這類裝置的薄膜是以排氣時不讓體液逸散造成污染為目的,但其製作的要求與規格都與前述應用相似。

靜脈注射用的濾膜

體外使用而用於液體過濾的膜,最常見的就是點滴注射,特別是輸血時管線上的濾膜。這樣的濾膜是外來液體進入人體的最後一道防線,用以防堵注射藥物中可能帶有的不溶顆粒,或在血液運送儲存期間產生的聚集物。這類膜須能讓液體易於通過,因此常使用親水性的高分子膜,常見的材質以尼龍類為主。藥物注射使用的膜,膜孔大約是 15 微米,輸血用的膜則可大到 200 微米左右!

這類膜中有一種是較為特殊的,就是為病人注射血小板時所用的薄膜。當病患因血液疾病或化療而無法製造足夠的血小板時,就需要外來血小板的補充。新鮮的捐血經離心處理後,分為以紅血球、血小板及血漿蛋白為主的 3 層,把血小板的部分取出收集成袋,便可為病患注射。但單一捐血人提供的血小板通常不夠一次輸血,需集合多人的血袋才能獲得足夠的,以血小板為主的部分,因同時含有許多不同捐血人的白血球,會引發免疫系統的強烈反應,因此通常醫療人員會以血小板過濾器過濾。

這樣的過濾器,過濾膜孔洞約為 5 微米大小,這個尺寸可讓血小板通過,但會阻絕白血球。尤其重要的是,膜表面尚需特殊處理,以避免血小板被活化而引發血栓反應。

體外循環維生系統

這類薄膜會與患者體液直接接觸,主要用於體外循環維生系統,因此除了須無菌無毒外,還須考量血液適應性的問題。這類薄膜最為人所熟知的,首推用於人工心肺機內的氣體交換膜與洗腎機內的血液透析膜。

人工肺臟所用的膜

當產生呼吸衰竭或心因休克,需要暫時支援人體心肺功能的運作時,就需要使用體外循環維生系統,把病人體內的血液由靜脈引出體外,經氣體交換後再送回動脈或靜脈。血液在體外循環的時間通常是根據手術的需要與病人復原的狀況而定,如果需長時間體外循環,凝血效應的考量就更嚴峻了。

進行開心手術時所用的人工心肺機,其血液由右心房引出,經由離心幫浦打入氣體交換膜組,然後把血液注入主動脈運行全身,離心幫浦取代心臟的功能,氣體交換膜組則取代肺臟的功能。目前使用的氣體交換膜組是具細微孔洞中空纖維膜組,使用的材質有3類,即聚丙烯,聚(4-甲基-1-戊烯)與矽膠。這 3 種材料的抗凝血性質並不佳,當血液觸碰膜管表面時有可能產生血塊,因此使用時必須加入一種抗凝血藥物,這種做法會造成內出血的危險,因此僅可短時間使用。

對於可較長時間支援人體心肺功能運作的葉克膜體外循環機,就需針對使用的微孔薄膜進行表面抗凝血處理。葉克膜體外循環機基本上可分為兩類,一類如同人工心肺機同時取代心與肺的功能,缺氧血由頸前靜脈引出,經葉克膜體外循環機把富氧血注入大動脈弓,主要用於嬰幼兒。另一類則僅取代肺臟功能,缺氧血由頸前靜脈引出,經葉克膜體外循環機把富氧血注入股靜脈,多用於年齡較大的孩童與成年人。

洗腎時所用的膜

腎臟在人體中扮演著平衡各器官運作的重要角色,其中一項重要的功能是清除體內新陳代謝產生的廢物,如尿酸、尿毒、肌酸酐(creatinine)等,並維持身體水分的平衡,如管制鈉、鉀、鈣、磷及酸鹼的穩定及平衡。如果腎臟受到傷害而無法正常運作時,會造成身體內的廢物無法排除而導致其他器官受到影響,如尿毒症、下肢水腫、高血膽固醇、糖尿病、紅瘡狼斑等併發症。

對於腎臟衰竭的病人,一般可透過腎臟移植、腹膜透析或血液透析進行治療。其中血液透析就是一種外循環維生系統,把病人體內的血液引出,經中空纖維狀的半透膜管進行血液淨化,清除體內廢物並控制水分平衡後再送回病人體內,這個過程稱為人工洗腎。

洗腎半透膜的選用,如同氣體交換膜,除了須考量無毒易殺菌外,還須選用不易引發血栓的材質。目前常見的是聚磺酸及醋酸纖維素,這類材質的抗凝血性其實並不佳,因此須在血液引出患者身體後隨即注射抗凝血劑,如此一來也會導致患者有內出血的危險。

由於血液透析用膜市場龐大,使得業者在抗凝血性血液透析膜的研發上不遺餘力。

體內安置

安置在體內的薄膜,會與患者身體組織或體液直接接觸,因此除了須無菌無毒外,也須考量組織和血液適應性的問題。所謂的組織適應性主要是指不會引起身體的過敏反應,所謂的血液適應性,則是指不會引起血栓反應。在這裡簡單介紹這類薄膜的3種應用,即補身體破洞用、控制藥物釋放用與防止組織沾黏用。

補身體破洞用的膜

身體若有些縫隙,如先天閉鎖不全或後天破裂,常會造成很多困擾,甚至危及生命。這類問題最為人熟知的便是疝氣及心房中隔缺損。在胎兒時期,腹腔在腹股溝有一個開放的囊袋,人出生時,這個囊袋應已閉合,但是有些人閉合不全,於是腹腔內的腸子或腹網膜會掉入這個囊袋中形成疝氣。另外年紀較大的病人,因為長期咳嗽、慢性便祕、排尿困難等因素,導致腹股溝處的肌肉變薄變弱,也會形成疝氣。

疝氣如果很嚴重,則需動修補手術,修補手術中較新的方法叫無張力修補法,這方法不用縫線的力量硬把組織與組織拉在一起,而是應用一塊人工網膜取代缺損的組織。這種網膜使用的材質彈性佳,不會被組織分解吸收,且具有大到 1 毫米的孔洞。當身體組織無法分解吞噬這類材料時,常常會分泌纖維性蛋白包覆外來物,而巨大的膜孔正是讓纖維穿過網孔而引導組織生長,常使用的材質有達克龍、鐵氟龍、聚丙烯等。

類似的應用也用於心房中隔缺損的修補,在胎兒時期因肺臟不需擴張換氧,全身回心血約 70% 血流回到右心房,然後經卵圓孔開放處流到左心房,以提供全身動脈血。出生後卵圓孔多在 6 個月內自動關閉,若未關閉就是心房中隔缺損。傳統的治療法是開心手術,但不免會留下疤痕,且進行過程須以人工心肺機進行體外循環。

1976 年發展出的使用心導管置放心房中隔缺損關閉器(俗稱補心傘)的治療方法,手術簡單又不會留疤。補心傘的種類很多,大多以高分子編織成網狀,由金屬支架撐開堵住缺口,網膜本身的設計與材質其實與疝氣修補用膜極為類似。

以上介紹的組織修補膜,只應用於阻隔性軟組織的修補,對於功能性更強的組織器官修復,則屬於複雜的組織工程範疇。

控制藥物釋放的膜

投藥方式主要分為口服及注射兩種,但有些藥物是可以經皮膚吸收的。無論是採取何種方式,都希望藥物能順利傳遞到需要的位置,也需要藥物在目的地可以保持最適當的濃度,藥效可以保持最適當的時間。要達到這樣的目的,就須想辦法控制藥物的釋放。

當藥物經由口服進入人體後,須先經過酸性胃液的洗滌,然後在微鹼性的小腸被吸收。許多藥物在流經胃部時就被酸液分解,因此有人就想把藥物用高分子物質包覆起來,這些高分子不會被酸液分解,但是會在鹼性環境釋放藥物。為了延長口服藥的藥效,有時也會採取類似的方法,就是在藥物之外以高分子形成一層膜衣,這種高分子因無法被胃液分解,也無法被腸道吸收,因此延長了藥丸在腸道的滯留時間。這類包覆膜材,常見的有聚丙烯酸系列或纖維素系列的高分子。

如果藥物是經由注射方式傳遞到體內,常常藥效較快而強烈,大量的藥物傳遞到體內,瞬間濃度常遠高於有效濃度,在體內也會迅速地代謝,使得藥物濃度迅速下降。這樣的投遞方式常會造成較強的副作用,且藥效不長。解決的方式仍是包覆藥物,讓藥物由包覆物中緩緩釋出。在血液中流動時藥物體積不能太大,必須製成直徑小於 10 微米甚至達奈米等級的微小粒子。

所用的材料可不能讓它一直存在於血液中,因此需要使用生物相容性佳且可分解吸收的材料。這類的包覆材料,包括天然高分子如膠原蛋白、多醣類生物高分子,細胞膜主要組成物的磷脂質,以及化學合成的聚乳酸–甘醇酸等。磷脂質形成的微脂體(liposome),有如一般細胞的保護膜,不但可以保護藥物,更能騙過免疫細胞的攻擊,加上表面官能基容易改質,可以接上特殊細胞辨識物,而成為所謂標靶治療的利器。

除了直接利用薄膜包覆藥物用於口服與注射之外,貼片也是現今常見的薄膜劑型,它利用皮膚滲透做為投藥的途徑,稱為穿皮輸藥系統。這種投藥途徑可以避免口服投藥因為經消化系統部分代謝所產生的變異性,可長時間持續輸藥且隨時都可以停止,使血液中的藥劑濃度可以做到較佳的控制。

貼片的主要組成包括最外層的保護膜,中間的藥物層,控制藥物釋放速率的高分子薄膜及貼附所需的黏著劑。在使用上,多半利用高分子薄膜兩邊藥物的濃度差做為驅動力,使藥物穿透高分子膜而釋出到達皮膚表面,並被吸收進入人體。

最早開發成功的貼片包含一種副交感神經遮斷藥–Scopolamine,主要是治療暈機、暈車、暈船等症狀,由於毒性強,且血中的濃度須嚴格控制,因此可利用薄膜穿皮輸藥系統解決藥效持續與濃度控制的問題。另一種普遍使用的貼片,包含狹心症的特效藥–硝化甘油。消化甘油是一種會經由肝臟代謝吸收的藥,過去曾以舌下含錠或以點滴注射的方式,避免被腸胃消化殆盡。利用硝化甘油貼片,使硝化甘油連續二十四小時以一定的速度釋放,較含錠或注射更為方便與迅速。

常見的貼片還有減輕婦女更年期症狀的荷爾蒙補充貼片、避孕貼片、止嘔貼片、尼古丁戒煙貼片、麻醉止痛貼片等。

防止組織沾黏的膜

在進行手術後,因組織受創而湧出含有纖維蛋白的滲出物,且纖維蛋白會黏在鄰近內臟上。在腹膜受傷的情況下,纖維沾黏會引發新的血管和結締組織包圍而形成沾黏。最常見到的便是腹部手術後的腸沾黏與骨盆腔沾黏。預防沾黏形成有4種方法,一種是手術技巧的改善,第二是儘量控制發炎,三者是腹腔灌洗,第四種則以不沾黏膜隔開會沾黏的表面。

第四種使用的隔離膜有兩類,一類是不會被身體分解的合成高分子膜,以鐵氟龍材質為代表,其缺點是隔離膜長期留在腹中,有造成發炎的潛在危險。另一類是以生物可分解性材質製成,如氧化纖維素或透明質酸與羥甲基纖維素的混合物,這類材質在體內會逐漸分解而被組織吸收,是近來較受歡迎的防沾黏膜。
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