聚酰亚胺（PIs）是一类以强共价键为特征的聚合物，具有热重高、重量轻、电子性能好、力学性能优越等优点，已成功应用于微电子、航空航天工程、纳米材料、激光、储能和涂装等领域。其在生物医学领域的应用也引起了广泛关注，近年来已开发出可植入、可检测和抗菌的材料。本文从合成、性能和应用三个方面综述了PI的研究进展。首先，总结了PI的合成策略。接下来，分析了PI作为生物或医学材料的性能。最后，讨论了PI在电极、生物传感器、药物输送系统、骨组织替代品、口罩或呼吸器以及抗菌材料中的应用。本综述全面了解了PI的最新进展，从而为开发用于医学应用的新型潜在有前途的材料提供了基础。

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一、引言

即使经过数十年的材料科学和组织工程研究，创建功能性人体组织模型以在体内和体外完全修复器官功能仍然具有挑战性。大量的材料和技术已被设计、研究和制造，但只有少数成功应用于临床。为了成功将医用材料转化为临床实践，这些材料的理想特性包括能够模仿天然器官的结构和功能；无毒性；完美地融入组织并与组织相互作用；适应生物体的形态和功能，包括充足的血管供应、无血栓以及对癌症、炎症和感染等具有挑战性的环境的主动反应。因此，越来越多的针对医用材料的研究是基于一些可以挽救器官和组织功能的定向改进而设计的。

目前，随着医疗器械的飞速发展，人工晶状体、用于体外膜肺氧合（ECMO）的聚（4-甲基-1-戊烯）（PMP）人工肺膜、用于连续性肾脏替代治疗（CRRT）的滤过膜等医用材料的成功应用，为相关领域的技术瓶颈提供了突破性的解决方案，且部分医用材料的需求量巨大，例如全球每年有超过700万～2000万人需要植入晶状体。对于患有急性呼吸窘迫综合征的成年患者，ECMO治疗费用较高，约为98,784,116.6美元。全球10万名ECMO幸存者中，有68%在全球300多个中心接受治疗，ECMO已被证明是挽救这些患者生命的有效方法。2022年全球止血材料市场规模为208亿美元，预计2022年至2027年将以5.4%的复合年增长率持续增长。全球范围内的这种形势鼓励学术界以及制药和医用敷料和设备行业研究更多用于治疗这些疾病的新产品。然而，在某些情况下，这些材料的性能无法满足体内复杂病理状况的临床要求。例如，缺乏可以在体内长期植入而不会产生不良反应（如下肢缺血引起的血栓形成）的人造血管。基于氧化纤维素的商业止血材料Surgicel在阻断轻微动脉出血和减少出血患者颅内血肿方面非常有效。然而，酸性微环境可能会诱发炎症反应，延缓伤口愈合过程并损害周围神经。改善这些材料的功能和克服其缺点的有效途径之一是开发复合材料，这为扩大单一生物材料在医疗领域的应用范围提供了新的希望。例如，壳聚糖与季铵基团结合表现出更好的抗菌性能。另一种方法是对现有的医用材料和技术进行创新，使材料变得越来越复杂和多样化，这些新型医用材料的性能可以满足需求，而不会产生额外的不良反应。

值得注意的是，大量研究表明，聚酰亚胺（PI）具有优异的物理和化学性能，包括重量轻、阻燃、耐高温、耐低温、优异的机械性能、耐化学溶剂和辐射、柔韧性和良好的介电性能。PI已被总结为军事装甲、航空航天领域、机鼻雷达罩、液晶取向、微电子、太阳能电化学储能、光催化、电催化应用等领域的重要材料。PI现在被广泛用于太阳能电池基板和电机槽绝缘膜、渗透汽化和超滤中的分离、漆包线修补、高温介质中的绝缘纤维和防弹防火织物、高温结构胶中的胶粘剂、耐光彩色滤光膜、微电子中的介电层和保护层、液晶显示器中的取向剂、光开关领域的电光材料和航空航天领域的复合材料等。此外，PI 的先进医疗应用包括穿刺针型装置、人工髋关节、用于神经刺激的微电极阵列、药物输送、生物传感器和其他医疗用途方面。因此，最近的几项研究描述了 PI 的医疗应用设计，包括树脂、粉末、薄膜、纤维、泡沫和可溶性 PI（图 1）。我们旨在在本文中回顾有关 PI 的合成、结构特征、性能和作为医疗材料的应用以及其趋势和前景的相关文献。

图 1. 不同形式的 PI 用于不同的应用。PI 可以制备成纤维、薄膜、泡沫、树脂、电子基板和液体以用于不同的应用。

二、PI 的合成

具有环状脂肪族、杂环、手性、氟化、咔唑、非线性光学、纳米级和不对称结构的 PI 源自非共面单体（扭结、螺环和卡多结构）。聚酰亚胺根据化学组成可分为脂肪族聚酰亚胺和芳香族聚酰亚胺。芳香族聚酰亚胺通常由各种单体缩聚而成，包括二胺和二酐，它们由一系列带有酰亚胺键（–CO–N–CO–）的芳香基团组成。早在 20 世纪 60 年代，美国人就首次报道了聚酰亚胺纤维，随后日本、苏联、法国、奥地利和中国的研究人员也对其进行了研究。

2.1 典型的聚酰亚胺合成工艺

典型的聚酰亚胺合成工艺包括将结晶苯甲酸 (BA) (9.0 g) 和邻苯二甲酸酐 (PA) (0.7287 g) 装入配有加热器、搅拌器和惰性气体入口的玻璃反应器中。在反应器中的气体温度为 140 ℃ 的情况下，将 3,4′-ODA (0.2803 g) 添加到混合物中。将反应混合物在 150 ℃ 下搅拌 2 小时，同时缓慢流入惰性气体。然后，将此热液体反应混合物转移到玻璃容器中并冷却至室温。接下来，用丙酮或乙醚反复萃取和洗涤凝固的反应混合物以去除过量的 BA。最后，过滤聚合物的反应产物并在真空下干燥，得到 PI 粉末。一种改进的方法报告称，使用热熔法也可以在 1 小时内从聚酰胺酸中间体中获得 PI，产率为 99%，该方法包括无溶剂振动球磨和热处理步骤。获得 PI 粉末后，可将其在 300-380 ℃ 下热压或溶解以获得 2% 的氯仿溶液，该溶液可用于形成 PI 薄膜（图 2A）。这项研究提出了一种合成 PI 粉末和薄膜的直接途径。

图 2. PI 合成示意图。（A）基于不对称二胺 3,4′-ODA 和各种四羧酸二酐的芳香族聚酰亚胺的合成。（B）采用集成连续湿纺法制备 HSHMPI 纤维。（C）BPDA-PDA 聚酰亚胺的合成。（D）静电纺丝工艺。（E）不同分子量的聚酰亚胺 R-BAPB 的合成。（F）BPADA-ODA-PI 的合成。（G）用超支化聚酰亚胺改性的双马来酰亚胺树脂的合成。（H）6FDA/ODPA-ODA 聚酰亚胺的合成。（I）3FPODA 的制备和共聚聚酰亚胺的合成。（J）有机可溶性含氟聚酰亚胺的合成。

2.2 干法和湿法纺丝法

研究报告显示，PI 纤维主要通过干法纺丝和湿法纺丝法合成。在湿法纺丝法中，将有机可溶性 PI 或聚酰胺酸 (PAA) 溶液强制进入非溶剂流体，使纤维与溶剂分离。然后，生成的纤维在张力下退火，以重塑拉伸强度和模量。与湿法纺丝法相反，有机溶剂在高温下直接从挤出的 PAA 纤维中蒸发，在干纺过程中在热气体混合物中发生部分酰亚胺化反应（图 2B）。通过提高纺丝速度来提高干纺工艺的 PI 纤维产量。使用湿法纺丝或干湿纺丝法时，PI 纤维的质量更好。

2.3 一步法和两步法

此外，根据纺丝溶液和反应机理的不同，制备PI纤维主要有一步法和两步法两种方法。在一步法中，PI纤维由沸点为180–220℃的有机可溶性PI溶液通过快速酰亚胺化反应直接生成。在两步法中，首先将二酐和二胺单体在偶极非质子溶剂中反应得到PAA溶液，然后通过热或化学酰亚胺化转化为最终的PI纤维（图2C）。例如，将对苯二胺（PDA）和3,3′,4,4′-联苯四羧酸二酐（BPDA）混合，通过干喷湿纺工艺获得PAA的前体纤维。随后将PAA纤维从室温加热至300、350和400℃，形成PI纤维，PI纤维的拉伸模量与升温速率密切相关。此外，还研究了将4,4′-二苯氧基二苯胺（4,4′-ODA）（3.97g）和均苯四甲酸二酐（PMDA）（4.33g）在35mL N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中，搅拌缩聚8h，得到PAA。将PAA溶液在15kV下电纺丝，保持针头到收集器的距离为15cm，然后进行热酰亚胺化（图2D）。最后得到PI纳米纤维。

2.4 热塑性或热固性方法

根据加工特性，PI纤维也可分为热塑性PI或热固性PI。通常，热塑性部分结晶PI粉末通过静电喷涂分散在连续碳纤维上，进一步热压延压制得到热塑性PI。所得碳塑料与PI复合时，玻璃化转变温度和热分解温度升高至590℃（图2E）。由于低密度共价交联，热固性PI的物理性质包括比热塑性PI更高的玻璃化转变温度和储能模量以及更好的形状固定性（图2F）。还制备了超支化PI来改性双马来酰亚胺（BMI）树脂，以获得更高的冲击强度（图2G）。根据化学或物理交联反应的使用，选择热塑性或热固性工艺。

2.5 改进的合成工艺

此外，一些研究还研究了酰亚胺化工艺、蒸发、链取向、结晶、溶剂子工艺、化学转化和组合物，以改善PI材料的性能。由对称的4,4′-二苯醚（4,4′-ODA）合成的PI是无定形的，具有较低的玻璃化转变温度（图2H）。在聚酰亚胺链中引入2,4,5,7-四氨基-1,8-二羟基蒽-9,10-二酮（4NADA）单体可以增强结构的刚性。

一种新的二酐，即 10-氧代-9-苯基-9-(三氟甲基)-9,10-二氢蒽-2,3,6,7-四酸二酐 (3FPODA)，已被证明是增强无色 PI 的粘合性能和玻璃化转变温度 (Tg) 的理想单体候选物 (图 2I)。采用多组分共聚方法，使用含氟二酐 4,4′-(六氟异丙基)二邻苯二甲酸酐 (6FDA)、刚性 3,3′,4,4′-联苯四羧酸二酐 (BPDA) 和含氟二胺，即 2,2′-双(三氟甲基)-4,4′-双[4-(4-氨基-3-甲基)苯甲酰胺]联苯 (MABTFMB)，获得一种特殊的柔性 PI 薄膜，表现出良好的光学性能和优异的热性能 (图 2J)。

由此可见，PI的合成方法十分复杂，通过改变原料、单体配比、制备方法等，可以得到各种不同特性的PI。

通过改进合成策略和纺丝技术，可以促进PI的应用和推广。

三、PI作为生物/医学材料的性能

作为生物医学材料，聚合物必须具备一些基本特性，包括但不限于：（1）化学惰性，不与体液发生反应；（2）不引起人体组织炎症或异物反应；（3）不致癌；（4）不引起血栓形成；（5）适合长期植入体内，机械强度不降低；（6）能够经受必要的清洁消毒措施而不发生变性；（7）易于加工成所需的复杂形状。值得一提的是，PI不仅满足所有感兴趣的条件，还表现出有益的生物活性。下面将讨论PI在医疗领域应用的一些优势特性。

3.1 长期稳定性

PI和PI基质纳米复合材料由于在高温下具有高热稳定性而在材料应用中受到越来越多的关注。纯PI的热重降解曲线表明，PI的初始分解发生在200–400 ℃的温度范围内，这是由于化学结合水的释放和溶剂的蒸发。在相关报告中，PI基质在500–630 ℃时实现了40％的质量损失（图3A）。据报道，通过与云母纳米片的结合，PI复合膜的耐高温性得到了改善（图3B）。在一项为期20个月的体外研究中，将三种市售PI，即U-Varnish-S、Durimide 7510和PI2611，浸泡在特定温度下的磷酸盐缓冲盐水（PBS，pH=7.4）中。20个月后，实验PI在PBS中37 ℃（人体正常体温）或60 ℃（加速寿命测试的上限温度）下均未发生质量损失，断裂能等力学性能也未发生变化（图3C-E）。在另一项工作中，一种新的薄膜PI基电极阵列经电刺激，然后在体温（37±3 ℃）的PBS中浸泡29 d。通过循环伏安法（CV）、电化学阻抗谱（EIS）和电压瞬变（VT）评估电特性。结果显示了PI电极阵列的稳定性。PBS显然不能完全代表体内复杂的环境，有关PI在体内长期生物稳定性的研究也已有报道，PI电极植入动物体内后可稳定工作数月甚至一年，聚焦离子束扫描电子显微镜（FIB-SEM）横截面成像显示金属电极与PI各层黏合良好，未出现分层、开裂等老化现象（图3F-H）。将PI材料植入兔眼6个月后也得到了类似的结果，光学显微镜和SEM显示PI材料未出现明显降解（图3I）。这些结果提示PI可以成为一种理想的植入材料，能够保持PI本身和植入环境的双重稳定性。

图 3. PI 的稳定性测试。(A) 纯聚酰亚胺、石墨烯和 Cloisite 30B 粘土在氮气氛围中以 30 ℃ min^(−1) 的升温速率进行的 TGA 热分析图。(B) PI-云母膜的拉伸强度和杨氏模量在 AO、UV 和高温暴露后略有变化。(C) 储存在 PBS 中的 PI 的质量损失曲线和 (D 和 E) 应力-应变曲线表明，PI 在体温下甚至在 60 ℃ 下在 PBS 中都是稳定的。(F) 植入小鼠皮层 180 天的 PI 探针的电化学阻抗谱和 (G) 长期成像。(H) SEM 图像显示整体完好无损的探针，没有任何分层或腐蚀迹象。(I) 微电极植入兔眼六个月后的 SEM 图像显示表面没有损坏或组织物质积聚。

3.2 多种构建工艺

PI 可以配制成各种形式，例如薄膜、纤维、树脂、泡沫、柔性电子基板、气体分离膜、质子交换膜和可溶性 PI，具有不同的物理和化学性质。不同形式的 PI 可以通过不同的合成和加工方法进一步改性以获得广泛的性能，这使得 PI 具有根据不同需求设计和制造具有可变功能的巨大潜力。例如，刚性形式的 PI 可以制成穿刺针型装置（例如横向束内多通道电极），而连接到大脑皮层的神经电极则需要柔性 PI。不同的固化温度和表面改性可以改变 PI 材料的疏水性和粗糙度。光滑的表面适用于心血管系统，有助于降低血栓形成的风险，而粗糙的表面则有利于成纤维细胞和成骨细胞的附着。表面形态的变化也被证明可以加强间充质干细胞在体外向脂肪形成和成骨谱系的分化，这可以应用于伤口修复领域。此外，多孔PI可以用作药物输送系统。可以装载不同的药物，并且可以通过PI的不同孔径来控制释放速率。令人兴奋的是，PI的多种构造过程的特点提供了许多化学修饰，可以推进以克服当前可用材料的缺点。

3.3 生物相容性

材料科学家认识到生物相容性是材料-生物-宿主反应系统的特性，而不是材料本身在特定应用中的属性。细胞毒性测试是评估生物相容性的重要方面。首次发现PI对小鼠成纤维细胞（Swiss-3T3）没有细胞毒性作用，类似于聚四氟乙烯（PTFE）和聚二甲基硅氧烷（PDMSO）（膏药常用的疏水性基质）。此后，人们又测试了PI对L929小鼠成纤维细胞、人视网膜色素细胞（图4A）、15人上皮细胞（贴壁型HeLa）、人脑微血管内皮细胞（hCMECs）（图4B）和人真皮成纤维细胞的细胞毒性。其中一些研究声称严格遵循ISO标准。其他研究使用了 3-(4,5-二甲基噻唑-2-基)-3,5-二苯基四氮唑溴化物 (MTT) 测定法、基于乳酸脱氢酶的毒理学测定法、钙黄绿素-AM 和基于溴化乙锭的活/死测定法。所有体外实验都表明 PI 具有低/无细胞毒性作用。

图 4. PI 的生物相容性测试。(A) PI 电极植入六个月后的兔视网膜层（顶部）和对照视网膜植入（底部）。(B) 接受直接接触细胞毒性测定的内皮细胞的显微镜图像。(a) 未处理的对照。(b) 甲醇处理的阳性对照。(c) HDPE，阴性材料对照。(d) 乳胶，阳性材料对照。(e) PI。(C 和 D) 血液相容性测试。(C) 血液蛋白、(D) 红细胞和血小板在聚 (EPICLON-PPD) 和 Kapton (PI) 薄膜表面的扩散。(E) 与对 (e–h) 阴性对照材料的反应相比，在羊脑中植入 28 天的 (a–d) PI 电极的免疫反应最小。这些影响是根据免疫系统细胞的积累、坏死、新生血管形成、纤维化和星形胶质细胞增生/脂肪浸润来评估的。(F) 长期安全性研究。PI 材料 (CyPass) 植入会增加白内障患者的内皮细胞损失。

尽管研究人员广泛使用细胞毒性测试，而这是许多生物材料相关研究中唯一的生物相容性实验，但显然单细胞系和简单环境的体外研究远不能描述体内发生的生物相容性问题。随着对生物相容性的认识不断深入，越来越多的研究开始探索PI的血液相容性（即不能引起溶血或凝血）（图4C和D）、遗传毒性、刺激和宿主反应。此外，薄膜PI电极还进行了生物相容性特性测试，包括急性全身毒性、刺激、致热性、致敏、免疫系统反应和体内长时间28天的硬膜下植入（图4E）。在这些研究中，未发现PI或以PI为主要材料的植入物在体外或体内引起严重的负面影响。幸运的是，新型薄膜PI电极已获美国FDA临床试验许可[510(k) K192764]，成为首个从实验室研究快速进入临床的硬膜下电极，也表明需要对PI进行更多长期体内研究以证明其生物相容性。然而，一项为期5年的微创青光眼手术安全性研究表明，植入PI材料（Micro-Stent）的患者随时间推移的内皮细胞损失比接受标准白内障手术的患者更多（损失分别为20.4% vs. 10.1%）（图4F）。这表明需要基于具有低细胞毒性的特殊PI材料对PI进行更多长期体内研究。

四、聚酰亚胺的医学应用

由于PI是一类高性能聚合物，越来越多的研究致力于拓宽PI的应用范围。

PI 优异的耐高温或低温性、耐化学溶剂和辐射性、柔韧性、介电性能、生物相容性、长期稳定性和多种构造工艺使其应用从工业领域转向医学领域。表 1 列出并总结了 PI 的医学应用。

表 1. PI 的医学应用总结。

4.1 神经系统中的 PI 电极

作为信号收集器和发射器的电极主要用于疾病的研究、诊断和治疗。近年来，它们作为神经元-计算机接口的重要组成部分引起了人们的关注。例如，颅内神经电极收集原始生理信号，是整个信号处理过程中最重要的部分。集成电极本身必须持久稳定，对生物体的不良影响最小，才能收集最清晰、最稳定的信号（图 5A）。基板材料的选择至关重要。在这方面，柔韧性和小横截面积这两个特性的结合似乎特别有效。PI 是一种能够满足这一要求的优秀材料，由于其生物相容性、电化学惰性、电导性和长期稳定性，具有在神经应用中用作电极的巨大潜力（图 5B）。越来越多的研究已经研究了具有不同骨架的 PI 在集成微电极中的应用（图 5C）。

图 5. 神经系统中的 PI 电极。（A）柔性纳米膜缠绕在坐骨神经周围用于长期应用电刺激和传感的示意图。（B）薄膜皮层内多层阵列探针，坚固而灵活。（C）大鼠大脑皮层内探针深度的 3D 表示。（D）通过头骨上的一个小窗口放置在大鼠大脑中的硬膜下脑电图 (ECoG) 电极阵列。（E）植入兔视网膜表面的刺激薄膜微电极阵列。(F 和 G) 横向束内多通道电极 (TIME) 装置横向植入 (F) 大鼠坐骨神经和 (G) 人类正中神经。

由全芳香族 PI 制成的微电极在多巴胺的电化学监测中表现出色，为神经系统疾病的早期诊断提供了证据。柔性 PI 还被用作基底来开发硬膜外皮层脑电图电极，可以监测各种神经退行性疾病。一种基于 PI 的柔性电极已被证明可以在多个区域记录皮层脑电图信号，对大脑的侵入最小（图 5D）。此外，使用 PI 基底设计用于测量大脑神经元活动的脑颅内脑电图微显示器已成功能够识别正常与病理大脑区域的边界，并显示大脑表面的近实时变化以辅助手术。用于高分辨率小鼠脑电图的纳米制造 PI 微电极是记录大规模大脑活动的有效工具，因为它表现出区分某些脑电波与特殊行为结合的神经相关性的能力。一种将 PI 与原型碳相结合的特殊电极可以以相同或更好的信噪比记录神经局部场的信号，并且在高达 9.4 T 的磁场强度下几乎完全消除图像伪影；因此，它在神经系统疾病的电生理学和磁共振成像中具有潜在用途。此外，PI 电极还应用于截肢者的机械臂，用于记录来自人类神经的输出信号。植入兔眼视觉皮层的感光 PI 微电极阵列 (视网膜上生物 MEA) 成功记录了对电刺激的反应 (图 5E)。

此外，电神经元刺激是治疗和诊断癫痫等慢性神经系统疾病的一种有前途的方法。FDA 已批准新型薄膜 PI 电极用于临床试验，用于对耐药性癫痫患者进行手术评估。在相关研究中，将以柔性PI膜作为慢性光刺激单元、以全皮层脑电图电极作为记录单元的微发光二极管阵列植入普通狨猴的大脑皮层4个月。该装置在光刺激后约8周逐渐增加神经反应，并显示出在癫痫治疗中的应用潜力。在周围神经中，基于PI的植入式柔性微电极阵列（MEA）提供神经刺激和记录，植入长期失神经支配的肌肉表面已被证明可以减少失神经支配的肌肉萎缩，同时保留更多的乙酰胆碱受体。在另一项研究中，横向束内多通道电极横向植入大鼠坐骨神经和人正中神经，与周围神经接口（图5F和G）。基于PI的MEA已进一步用于刺激光感受器退化患者的剩余视网膜神经元。

然而，在游离肌瓣移植上植入基于 PI 的微电极并接受电刺激 6 周的小鼠表现出炎症反应增加、肌病和部分坏死。这些研究表明，PI 电极的多种功能为基础神经科学研究以及基于刺激的神经疗法提供了令人兴奋的机会，但未来的工作应精心设计，以研究最佳电极材料、移植和刺激阶段。

4.2 PI 在生物传感器中的应用

可植入或非侵入式生物传感器可用作实时监测器，是诊断和预测疾病以及维持人类健康的有力设备，因为它们可以监测并提供连续或有规律的生物特征信号。与神经电极一样，生物传感器（传输物理或化学信号）通常使用 PI 作为传感器基底，因为它具有良好的生物相容性、血液相容性和其他特性。薄、灵活、可植入的 PI 神经探针用于适体场效应晶体管生物传感器，用于神经化学信号监测。PI 还已应用于介入手术，例如实时监测脑动脉瘤血流动力学（图 6A）。集成在 PI 中的麦克风阵列可用于鉴定血液透析血管通路功能障碍（狭窄的位置和程度）（图 6B）。使用 64 个带有 PI 基底的混合悬臂阵列制造的新型生物传感器可以在早期阶段检测出药物引起的不良反应，例如心肌细胞的去极化和尖端扭转型室性心动过速 (图 6C)。用 PI 制造的微型光纤压力传感器非常小，可以植入啮齿动物的椎间盘中而不会改变结构或改变椎间盘内压力，已首次成功应用于啮齿动物的椎间盘内压力测量 (图 6D)。此外，使用柔性 PI 薄膜制造的多通道温度传感器可以包裹在牙科植入物基台翼上，在植入物失效之前发出实时警告信号 (图 6E)。

图 6. 基于 PI 的生物传感器的不同应用。(A) 用于实时监测脑动脉瘤血流动力学的植入式无电池生物传感器。(B) 用于透析血管通路监测的柔性传感器阵列（记录和处理血流声音以确定狭窄风险）。72 (C) 用于高通量药物毒性筛选的集成应变传感平台。(D) 用于椎间盘内压力测量的微型压力传感器。(E) 粘附在牙科植入物平台基台翼周围的温度传感器。(F) 可穿戴的基于汗液的葡萄糖生物传感器。(G) 薄膜体声谐振器湿度传感器。(H) 安装在 1.25 毫米直径针头上的微传感器阵列，用于静脉治疗中渗出的早期检测。

据报道，以 PI 为基质制成的生物传感器具有出色的痕量或特异性检测某些激素、葡萄糖和人体产生的气体或其他物质的能力。例如，通过在 PI 基底上直接合成二硫化钼 (MoS2) 制备的柔性生物传感器可以通过测量临床患者血清中的内分泌相关激素（如甲状旁腺激素 (PTH)、三碘甲状腺原氨酸 (T3) 和甲状腺素 (T4)）来灵敏地确定内分泌病。PI 基底上的超灵敏传感器阵列可用于多路复用和同时电化学检测人血清中的心脏损伤标志物、心肌肌钙蛋白-I (cTnI) 和心肌肌钙蛋白-T (cTnT)。多孔 PI 薄膜传感器与接枝 MgO 模板碳相结合，已用于灵敏地测量人体皮肤释放的乙醛气体，即使在低浓度下也是如此。类似地，一种特殊的基于人体汗液的可穿戴葡萄糖传感器，在柔性 PI 基底上用还原氧化石墨烯微加工，并与壳聚糖-葡萄糖氧化酶复合材料集成，在检测人体汗液中的葡萄糖时表现出灵敏、快速和稳定的响应（图 6F）。

首次利用基于 PI 的薄膜体声波谐振器 (PI-FBAR) 湿度传感器在体外实时检测人体呼吸频率（图 6G）。同样，用商用 PI 胶带制造的高度多孔石墨碳电极制成的生物传感器已被证明可以提供快速、低成本、省时、选择性和灵敏的细胞因子（如 IL6）电化学检测，用于即时护理分析。此外，在印有几层石墨烯墨水的 Kapton PI 生物传感器上生成神经元细胞，以评估体外帕金森病的电生理学和电信号传导。研究人员报道称，超薄PI微传感器阵列可以集成到穿刺针中，以便及早发现少量血液渗出（图6H）。由于PI的弹簧常数小，可以开发基于PI/Si/SiO2的压阻式微悬臂生物传感器，以灵敏而精确地检测各种食品和其他生物分子中的黄曲霉毒素B1。以PI为基材的传感器具有高通量、灵敏度、生物相容性和简化的数据分析，有可能成为创新的检查或分析平台。

4.3 PI在药物输送系统中的应用

药物修饰、微环境修饰和药物输送系统是药物输送技术的三大核心范式。药物输送系统作为药物与微环境之间的界面，调节和优化药物的活性。

PI聚合物是许多药物输送系统的基础，具有控释、靶向释放等多种功能。管壁开有微孔、管腔内装有药物的PI管已发展成为扩散控制的储库型植入式装置，当植入小鼠皮下时，可实现数月的稳定药物释放（图7A）。微针是先进的透皮给药系统。引入PI可以增加碳纳米管微针阵列的机械强度，以较小的插入力实现皮肤穿透（图7B）。在介入手术中，已证明颈内动脉中的头侧 PI 微导管可以重复向同侧大脑半球输送药物（图 7C）。庆大霉素、地塞米松和利多卡因等药物也已通过穿过圆窗膜进入耳蜗的 PI 微管输送到鼓室。

图 7. 药物输送系统中的 PI。（A）用于皮下植入的穿孔 PI 管。（B）用于透皮药物输送的空心 MN 阵列。（C）用于动脉内输送的 PI 微导管。（D）3D 多孔 PI 共价有机框架的结构表示。（E）带有 PI 基底的电热贴片。（F）带有微电极和微流体通道的可植入柔性 PI 探针的图示。

由负载布洛芬的PI合成的特殊共价有机骨架（COF）表现出高药物负载和良好的控制释放（图7D）。基于PI的透皮贴剂已用于化疗后昂丹司琼的控制释放。同样，由PI和还原氧化石墨烯复合材料制成的透皮贴剂也已用于胰岛素输送（图7E）。此外，柔性PI探针已用于高度局部的药物输送，并用于研究体外和体内细胞之间的电和化学信息交换和通信（图7F）。

基于PI的药物输送装置是一种有前途的方法，可在药物输送应用中实现精确、高容量负载、良好的释放控制和安全性。

4.4 PI在骨组织替代物和人造肌肉中的应用

众所周知，金属材料是承重骨修复最常用的植入物。然而，高弹性模量的金属植入物具有应力屏蔽效应，导致骨吸收和骨萎缩，从而导致植入物松动或失效。由于其相对惰性、优异的机械强度、弹性模量、生物活性和生物相容性，PI 生物材料是有吸引力的骨组织和关节置换候选材料，可以替代传统的软骨材料。PI 的生物惰性表明炎症反应降低。然而，当生物惰性 PI 材料用作骨替代品时，它不会诱导细胞反应、骨骼发育和修复或骨整合，而这些对于最终的骨愈合非常重要。

为了解决这个问题，必须提高用作潜在骨替代品的 PI 的表面生物活性。研究人员使用浓硫酸处理 PI，产生微孔表面表型。同时，预先在硫酸中添加花状二硫化钼亚微米球，将其附着在PI的微孔表面，最终形成的PI-二硫化钼复合材料表现出良好的成骨和抗菌功能（图8A-F）。此外，用15 wt％氧化钽亚微米颗粒涂覆的微孔PI具有更高的生物活性，可在大鼠骨髓基质细胞中诱导细胞反应（如增殖、粘附和碱性磷酸酶活性）（图8G-L）。特别是，研究人研究人员报道通过熔融加工用PI制备的40 wt％纳米锂皂石陶瓷可以提高PI作为可植入骨修复材料的生物活性。该复合材料上沉积的磷灰石量越多，表明生物活性越好；它在体外大鼠骨髓间充质干细胞中表现出突出的增殖、细胞粘附和碱性磷酸酶活性，并在体内雄性比格犬中显著诱导成骨和骨整合。

图 8. 用于骨替代的不同聚酰亚胺基复合材料的 SME 图像。(A–C) 花状二硫化钼 (fMD)–PI 复合材料，fMD 含量分别为 0%、5% 和 10% 。(D–F) (A–C) 中的图像在更高放大倍数下。(G–I) 氧化钽 (vTO)–PI 复合材料 (PIST)，vTO 含量分别为 0%、10% 和 15%。(J–L) (G–I) 中的图像在更高放大倍数下。

此外，PI 还用于人造肌肉的设计。研究人员在肌肉假体内部添加了波纹网格状 PI 支架，以模拟心肌周围起伏的肌束胶原纤维，使肌肉假体的收缩依赖于方向，更符合生理条件。

总体而言，这些发现表明，这种涉及 PI 的生物工程方法为制造用于骨修复和肌肉重建的仿生骨替代品提供了有希望的策略。

4.5 口罩或呼吸器中的 PI

传统的 N95 口罩可对 300 纳米以下的颗粒提供 85% 的防护。不幸的是，它无法抵御直径范围为 65-125 纳米的病原体，例如 COVID-19 病毒。自 COVID-19 在全球爆发以来，优先研究和开发了涉及 N95/N99 口罩的抗病原体口罩设计和净化方法。通过利用 PI 纳米纤维膜的疏水性和低孔径（低至 5 纳米），研究人员专注于 PI 材料的出色过滤性能。由嵌入金属有机骨架的 PI 电纺纤维制成的口罩已被证明在过滤挥发性有机化合物（以甲醛为代表）方面表现良好。聚酰亚胺和聚醚砜溶液已用于静电纺丝，以开发具有优异的颗粒物过滤效率、优异的纳米气溶胶过滤质量、优异的细菌和病毒拦截率（99% 以上）和对细胞无毒作用的纳米纤维膜。此外，PI 还被用于光热自净化口罩的设计。借助等离子体，这些口罩的表面温度在暴露于阳光后 1 分钟内升至 80 ℃ 以上，可方便地灭活微生物并重复使用。然而，在研究人员的研究中，PI-尼龙复合材料并未表现出优于乳胶橡胶的摩擦电能力。这一发现表明，在使用前需要确认 PI 口罩对细菌、病毒、挥发性有机化合物和污染空气的过滤效率。至关重要的是，原材料价格低廉使得大规模生产基于 PI 的口罩成为可能。

4.6 PI作为抗菌材料

已报道的实验结果表明，PI材料的抗菌能力包括抗菌粘附、抗菌生物膜形成、共培养下抑制细菌生长、加速感染伤口愈合等。

值得注意的是，一些研究PI复合材料抗菌效果的研究仅测试了复合材料整体的抗菌能力，而没有单独测试PI，当PI被视为疏水基质/载体时，抗菌活性可能是由于非PI组分。还发现复合材料中使用的PI表现出较低的抗菌活性。在相关研究中，用含有15%氧化钽亚微米级颗粒的浓硫酸悬浮液改性的PI（命名为PIST15）表现出了改善的抗菌性能。然而，经过表面和化学改性的商业PI薄膜表现出了改善的抗菌性能，铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）的粘附和生长减少，但不会导致附着细菌的细胞死亡。

最近，有报道称仅使用 PI 就成功制造了抗菌导管和敷料（此处 PI 不是复合抗菌材料的基质）。研究人员开发了一种表面改性的医用 PI 导管，该导管可以形成防污层，因为其表面用亲水性氨基酸进行了改性。体外实验表明，细菌、纤维蛋白原和白蛋白在导管表面的粘附显著减少，这对于预防导管相关感染非常重要。基于 2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱修饰的超支化 PI 合成的聚合物薄膜直接显著减少了粘附细菌的数量，并在体外实验中表现出更好的抗菌性能。同样，CuFe2O4@SiO2–PI 纳米粒子与 HEK293T 细胞表现出良好的生物相容性，并对铜绿假单胞菌、大肠杆菌 (E. coli) 和金黄色葡萄球菌 (S. aureus) 具有抗菌性能。本课题组报道了由PI纤维制成的伤口敷料在体外实验中对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）和大肠杆菌具有显著的抗菌作用。我们发现PI纤维直接破坏了这两种细菌的细胞壁。在体内，这些PI敷料有效改善了小鼠涂抹伤口的局部感染，抑制了细菌负荷和浸润巨噬细胞，加速了病原体感染伤口的愈合。我们使用了原料相似但聚合反应不同的其他形式的PI材料来研究这些材料的抗菌性能（图9）。然而，只有特定的PI纤维在体外表现出显著的抗菌作用。

图9. 合成的不同类型的PI用于抗菌性能分析。测试的不同形式的PI包括薄膜、贴片、纤维、织物和纱布。

研究表明，PI材料不仅具有优异的抗菌性能，还具有生物相容性、长寿命和可重复使用等许多其他优点。这些成功的实例表明，PI抗菌材料很可能在不久的将来应用于临床实践。

五、趋势与展望

可控聚合技术的最新进展已导致开发出用于各种应用的多种复杂复合材料。PI被认为是一种综合性能最佳的聚合物材料，由于其独特的特性和在先进材料中的应用而受到广泛研究。然而，尽管本综述总结了广泛的进展，但未来将PI技术转化为医疗领域的实用PI材料，在理论和实践方面仍存在一些挑战需要解决。

已经开发出用于医疗应用的PI的外观、特性和功能控制方法。合成复合材料和改变PI的固有性质是提高PI应用范围的可能方法。利用现有技术，很容易改变PI的一些特性，例如形态、硬度、热导率和绝缘性。然而，随着聚合物在体外和体内医学领域的快速发展，需要开发更多性能更好的PI。例如，提高绝缘PI的电气可行性已引起越来越多的关注。导电材料具有优势，例如基于复杂导电生物材料的伤口敷料，其导电性与人体皮肤相似，可以显著增强伤口愈合。

随着电极复杂性的增加，与其制造和临床应用相关的挑战也随之增加。克服电极植入时的组织损伤，以及所有可植入神经技术在数月内不可避免的神经胶质瘢痕、炎症和神经元丢失仍然是最大的挑战。此外，为了保护电极附近的功能性神经回路，人们付出了巨大的努力来提高神经探针的生物相容性。

在传感器方面，挑战包括检测超低分析物浓度（低至十亿分之一或纳摩尔水平）、处理含有大量干扰物质的复杂样品基质、解决与区分异构体和结构类似物相关的问题以及管理复杂的多维数据集。包括机器学习在内的先进人工智能技术可以帮助提高此类传感器在医疗应用、纳米毒理学、神经假体、无线技术、智能农业、环境监测和先进医疗制造技术中的性能。

迫切需要改进工业和医用口罩，以提供额外的空气过滤，并使用各种技术使病原体失活。在这方面，基于具有大孔、中孔和微孔的PI纤维设计的过滤膜提供了良好的过滤效率。研究人员还试图利用口罩自摩擦产生的电能直接杀死病原体或为传感器和抗病原体设备供电。

研究人员研究了PI的细胞毒性，特别是PI与哺乳动物细胞相互作用或植入体内时的命运。对这一领域的良好理解将导致开发下一代PI医疗材料，以保证临床应用的安全性。

六、结论

最近，全球对生物材料和医疗器械的需求不断增加。这些材料在相关条件和环境中的安全性和性能是优先事项，以便患者从器官功能修复中受益最大。PI是该领域最重要的高性能先进聚合物之一。在本综述中，我们讨论了 PI 的化学成分、结构特征、纺丝溶液和反应机理，然后总结了 PI 的性质及其实际应用。目前的研究表明，不同形式的 PI，包括粉末、薄膜、纤维、树脂、泡沫和可溶性 PI，具有不同的特性和应用。PI 已被研究和制造为医疗保健中的神经电极、传感器、药物输送系统、组织替代品、口罩、抗菌导管和抗菌敷料。总体而言，本综述为未来的 PI 材料/设备提供了设计指南，并可以帮助研究人员克服障碍，进一步改善医疗领域 PI 应用的功能。

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