书城科普读物扑朔迷离的化学宫殿(新编科技大博览·B卷)
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第30章 化学与工业(9)

不要以为“吃一次药管很多天”是异想天开,20世纪80年代的化学家和药物学家已经开始在为实现这一理想而努力了。

化学家和药物学家的办法,当然不是把各种药品让病人一次都吃进去,这样做不但达不到治病的目的,还会使病人中毒,这是因为要让药物在人体内发挥疗效,就必须使药物在一定的时间内,保持所需要的浓度,浓度不足时,治不好病,浓度过大了,人就会中毒。

那么,最理想的方案到底是什么呢?化学家和药物学家开始设想,如果能够制造出一种能在人体内慢慢释放的药物,这不就能达到吃一次药管很多天的效果吗?(这也正是缓释药物出现的原因)微胶囊技术是现在已经实用的一种方法,微胶囊药物和普通胶囊药物不同,它们的直径只有几微米到几百微米,只有在显微镜下才能看清它们的形状。

微胶囊是一种以聚合物做壁壳的微型药物容器或包装,聚合物可以采用明胶、糊精等天然高分子材料,也可以采用羧甲基纤维素等半人工半天然合成的高分子材料,还可以采用聚乙烯醇等全人工合成的高分子材料。

微胶囊能够包封并保护它囊芯中的固体微粒药物或液体微滴药物,包封用的皮膜(壁壳)物质称为壁材,被包的囊芯物质(药物)称为芯材。芯材可以是固体、液体或气体。微胶囊化以后的芯材与外界环境是隔绝的,可以防止被大气中的氧气氧化,也可以避免其中的药物挥发。

微胶囊的皮膜具有半渗透性质,其中的药物可以借助压力、温度等因素的变化而被释放出来,但药物是长时间地缓慢地被释放出来的,这就使药物达到长效的效果,即吃一次药管很多天的效果,因此这种药称为“缓释胶囊药物”。

有一种缓释胶囊能显示其特殊的治疗作用,胶囊里面装有能促使门冬酰胺分解的酶,叫做门冬酰胺酶。临床试验表明,肿瘤患者的肿瘤生长部位的周围存在着一定数量的门冬酰胺,它是一种氨基酸,是能够促进肿瘤细胞生长的营养物质。

如果将装有门冬酰胺酶的微胶囊注入肿瘤病人的体内,当肿瘤周围的营养物质门冬酰胺渗入微胶囊时,便不断地被门冬酰胺酶分解,于是,肿瘤细胞便失去了养分,肿瘤的生长便会受到抑制。

其实,微胶囊技术并不是一种最好的办法,它的不足是吃一次药所管的天数还不够多。于是,化学家和药物学家想出了一种更奇妙的方法,就是把具有药理活性的基团(即起治病作用的基团)嫁接到高分子化合物上,制成一种缓慢和长期释放药物的长效药品。

大家知道,阿司匹林是一种常用药,它的复方制剂APC能够医治感冒,是止痛退热的常用药。而阿司匹林本身对于预防高血压、心脏病、血栓等都有较好的效果。

我们已经知道,阿司匹林的有效成分叫做乙酰水杨酸。化学家和药物学家设想,把具有药理活性的乙酰水杨酸作为基团嫁接到高分子化合物上(这种高分子化合物是聚甲基丙烯酸酯),成为一种新型的药物。这种药物进入人体以后,遇水后发生反应,释放出具有药理活性的乙酰水杨酸。

这种新药物与单一的乙酰水杨酸不同,它在人体内水解反应发生得比较缓慢。它可以长期在人体内起作用,这就好像聚甲基丙烯酸酯对乙酰水杨酸起到了贮藏作用。

血栓是一种很危险的疾病,但是只要人体内有了用高分子化合物载带的阿司匹林,便等于体内有了一种长效药,可以使人体内较长时间存在乙酰水杨酸,对血栓起了一定的防治作用。

化学家正在考虑将青霉素等抗生素药物以及各种维生素都嫁接到高分子化合物上,使它们都成为慢慢发挥药效的长效药。

人造血液和人造器官

人造血液

病人大量失血,病情危急的时候,可以输进别人的血来挽救生命。可是,在实际情况中,医院里血库的血量总是有限,往往不能满足人们的需要。于是,化学家和医学家们一直在研究人造血液。

有趣的是,人造血液和一只老鼠颇有渊源。俗话说:“一只老鼠坏了一锅汤。”但是,一个偶然的机会,一只老鼠掉进汤里,却引发了科学家的灵感。1966年的一天,美国医学家克拉克博士正在实验室里聚精会神做研究,身旁桌子上放着一种特殊的液体——氟碳化合物。不知道从哪里跑出一只常用的实验动物小白鼠,那只小白鼠一窜一跳,一下子掉进了盛有氟碳化合物的容器里。

克拉克不经意间发现了掉进容器里的小白鼠。小家伙浑身上下湿淋淋的,还在顽强地挣扎着,克拉克博士大发恻隐之心,将它捞了出来。小白鼠被解救后,在克拉克面前从容地抖了一抖毛,一溜烟地跑掉了。

克拉克开始纳闷,为什么小白鼠在氟碳化合物溶液中,不仅没有淹死,反而精力仍然那样旺盛呢?难道是氟碳化合物有什么“神奇”的功能?

于是,他有意弄来一只小白鼠,将它放在盛有氟碳化合物的容器里,注意观察眼前发生的一切。小鼠在溶液中拼命挣扎,然而接连几个小时过去了,小鼠仍然精神抖擞,奋力往外爬。如果是掉进水里,这么长的时间,小白鼠早就没命了。

这样一来,克拉克博士对氟碳化合物大感兴趣,开始认真研究这种特殊的物质。研究结果表明,这种溶液具有相当强的储存氧的能力,甚至超过血液的两倍。后来,另外一位科学家将氟碳化合物溶液代替血液,输进了小白鼠的身体内,结果小白鼠能够坚持活了一段时间才死去。

克拉克的研究成果引起日本绿十字公司经理的重视,他马上带领科研人员到美国考察,回国后组织了150位专家进行研究,结果表明氟碳化合物并不是最理想的血液代用品。后来对人造血液的研究又有了新的进展,1979年4月,绿十字公司宣布在世界上首先研究成功人造血液,把氟碳化合物和甘油、卵磷脂、氯化钠、氯化钾、氯化钙、碳酸钠、葡萄糖混合在一起,就可得到人造血液。

人造血液的特点是:①性质稳定,溶解氧气的能力比人血大一倍,并能将二氧化碳等废物带走,排出体外,它能保存三年。②人造血液没有血型之分,输入任何血型人的血液中,都不会引起不良反应。

当然,人造血液也还存在一些缺点。例如,人造血液中没有白血球,不具备抵抗外来的病菌和病毒侵入人体的功能;人造血液中不含血小板,血液流出后便难以凝结。这些都有待进一步研究并加以解决。

人造器官

自古以来,人们总想长生不老。对于现代人来说,延年益寿已经不是一种过高的要求。如果有办法来替换人体内日益衰老的器官,将有助于延长人的寿命。另外,由于意外伤害和生病,人体器官受到损伤时,也需要替换。因此,化学家进行医用高分子材料的研究,试图找到适当材料来制造人体器官。

医用高分子材料必须具备适当的物理机械性能,易于加工成型,便于消毒。还应考虑到它被植入人体体内以后,必须与人体组织具有相容性,不会引起周围组织的发炎和坏死。它们还要无毒和不易老化,以保证能长期存在于人体内。

人造角膜

如果人眼的透明角膜长满了不透明的物质,光线就不能进入眼内,这就是全角膜白斑病,最终往往会引起失明,这种病在目前还无法用药物治疗。用高分子材料制成的人工皮肤医学家于是设想用人造角膜代替长满白斑的角膜。

科学家们一开始尝试用光学玻璃或水晶制造人造角膜,因为玻璃和水晶的透视度都很好,比较容易让光线透过,但是都没有取得成功。

后来科学家们又试用了有机玻璃。在第二次世界大战中,有些战斗机失事时,飞机上的有机玻璃座舱盖被炸,飞行员眼睛里嵌入了这种有机玻璃碎片。许多年后,虽然这些碎片并未被取出,却也没有引起人眼发生炎症和其他不良反应。科学家们从这种偶然发生的事件中受到启发,进而发现有机玻璃和人体组织有良好的相容性,可以用有机玻璃制造人工角膜,现在它已普遍用于临床。

人造肾

人造肾是研究得最早的人造器官,它是用醋酸纤维素制成的高渗透性的半渗透膜,血液流经半渗透膜时,其中的排泄物有选择地透过,而血球、蛋白质、糖以及人体内的其他有用物质则不能透过而被留在血液中。

人造肺

人造肺中有3万根硅橡胶或聚四氟乙烯制成的空心纤维管,每根长20厘米,内径只有250微米。人造肺的表面布满极细的小孔,代替了人肺上的7亿多个肺泡组织,小孔不仅可以排出人工髋关节可以使病人恢复运动机能二氧化碳,而且还能吸进氧气,其功能和人肺完全一样。

人造心脏

人造心脏由动力部分、输血部分(血泵)和监控装置组成。血泵的外壳用不锈钢外面覆盖聚氨酯和涤纶的复合材料制成,内部隔膜用硅橡胶和聚氨酯制成,血泵应具有良好的物理和化学性能、生物化学稳定性和较高的机械强度,而且还要耐用、无毒、不会致癌。

人造关节

硅橡胶或聚乙烯可以制成人造关节。利用这些材料的可调节性,可模拟人体骨骼的机械性能,医用高分子材料制作的Y型人造血管有高度的耐磨性,不会因摩擦而产生碎屑,可以运动自如。

人造血管

人造血管由聚对苯二甲酸乙二酯或聚氨酯这两种高分子物质做成,是一种管状的编织物,像人体正常血管那样柔软且薄而轻,孔率大小合适,耐腐蚀性能优异,耐老化,表面光洁,易消毒,与人体有良好的相容性,已广泛用于创伤外科(如断肢再植)和肿瘤外科。

霓虹——不夜的明珠

1898午,英国化学家拉姆赛和特拉斯研究通过氖放出电流,发现这种稀有气体在低压下能放出鲜艳夺目的橙红色光芒,分外迷人。但当时这种迷人景象还只限于实验室里,真正为人们广泛享用,是在20世纪以后。世界上第一盏实用的霓虹灯,是法国化学家克劳德发明的。

克劳德的发明理论根据是:霓虹灯与传统的电灯泡不同,呈细管状,可以随意绕成字体或复杂的图形。能够制造出霓虹灯独特的灯光效果,主要是运用了“气体放电”的原理。气体通常是不容易传导电流的,是很好的绝缘体,不过,只要为气体减压,再接上较高的电压,就可使气体导电。霓虹灯是一根充满氖的玻璃管,两端通上电流,就放出亮光。电流里的电子从一端走向另一端,沿途撞击氖原子,把氖原子本身的电子撞出轨道之外,这些电子像撞球游戏中的球那样,因被击而获得额外的动力;回到原来的轨道后,多余的能量就释放出来,成为电磁辐射。假如玻璃管内装的不是氖气,而是其他气体,情况也大致相同,只是不同气体的电子会产生不同频率的电磁辐射,因而呈现不同的颜色。用氦气会产生金黄色光,用氪气则产生淡紫色光,要产生其他颜色的光线,可以在玻璃管内涂上荧光剂,再装入水银或氩,甚至可以采用颜色玻璃来配合。

自1912年第一块霓虹灯广告出现在巴黎大街上以后,霓虹灯塑造出七彩绚丽的图画和广告招牌,迅速为世界各地添上缤纷色彩。生活在现代城中的我们简直难以想象,如果城市的夜晚没有七彩霓虹,我们还用不用“良宵苦短”这个词,这正是:疑是银河落九天,火树银花不夜天!

黑金——石油

石油,又称原油,是从地下开采出来的有臭味、棕褐色或黑色的油状粘稠液体,是人类的重要能源,被称为“黑色的金子”、“工业的血液”。

石油的成因说法不一,大多数的科学家认为是古代动植物尸体随水流和泥沙沉入海下或地下,长期被泥沙遮盖,沉积为新岩层,在隔绝空气的条件下,由于压力和高温及某些细菌的作用,使有机物中的氧、氮、硫、磷等分离出来,碳氢成分高度集中,另外,海水中或地下的铅、镍、铁、铜等对反应起催化作用,经长期反应而逐步形成了石油。

石油是由几百种碳氢化合物组成的混合物,开采时从油井中喷出的分子量较大的液态烃类混合物叫原油,分子量较小的气态烃类混合物叫油田气。

石油是烃的混合物,因此没有固定的沸点。含碳原子愈少的烃,沸点愈低。因此,在给石油加热时,低沸点的烃先汽化,经过冷凝后分离出来。随着温度的升高,较高沸点的烃再汽化,经过冷凝后又分离出来。这种方法就是石油的分馏。

石油通过分馏能得到含碳原子个数不同的各种产品,有油田夜景液化石油气(C4以下的烃的混合物)、汽油(C4~C11的烃的混合物)、煤油(C11~C16的烃的混合物)、柴油(C15~C18的烃的混合物)和重油(C20以上的烃的混合物)等。重油中所含烃的相对质量较大、沸点较高。但是,在一定条件下,我们可以将这些相对质量较大、沸点较高的烃断裂为相对质重较小、沸点较低的烃,我们称这个过程为裂化。石油经分馏和裂化后就可以得到我们所需的各种产品了。

城市中许多家庭烧水、煮饭用的罐装“煤气”,实际上并不是煤气,而是液化石油气。它是石油化工生产过程中的一种副产品,它的主要成分是丙烷、丁烷、丙烯、丁烯等,此外,还有少量硫化氢。液化石油气是通过降温和加压压缩到耐压钢瓶中的,钢瓶中的压强约是大气压强的7~8倍。所以,瓶中贮存的液化石油气的量较大,可以使用较长的时间。液化石油气在空气中达到一定比率时,遇到明火会引起燃烧,甚至爆炸,因此使用时要注意防止漏气。