功能高分子05第7章醫(yī)用高分子材料

1、7.1 醫(yī)用高分子材料概述7.2 生物醫(yī)用高分子材料 7.3 藥用高分子材料 作業(yè)一、發(fā)展簡史一、發(fā)展簡史 人的健康長壽依賴于醫(yī)學(xué)的發(fā)展?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)的進(jìn)人的健康長壽依賴于醫(yī)學(xué)的發(fā)展?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)的進(jìn)步已經(jīng)越來越依賴于生物材料和器械的發(fā)展。用不步已經(jīng)越來越依賴于生物材料和器械的發(fā)展。用不到醫(yī)用材料的醫(yī)學(xué)診斷和治療在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中幾乎是到醫(yī)用材料的醫(yī)學(xué)診斷和治療在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中幾乎是不可想象的。不可想象的。 廣義地說，生物醫(yī)用材料泛指醫(yī)學(xué)中使用到的各廣義地說，生物醫(yī)用材料泛指醫(yī)學(xué)中使用到的各類材料，其中，光是治療器官的衰竭和組織的缺損類材料，其中，光是治療器官的衰竭和組織的缺損所涉及的醫(yī)用材料就十分驚人。所涉及

2、的醫(yī)用材料就十分驚人。 以美國為例，每年有數(shù)以百萬計(jì)的人患有各以美國為例，每年有數(shù)以百萬計(jì)的人患有各種組織、器官的喪失或功能障礙，需進(jìn)行種組織、器官的喪失或功能障礙，需進(jìn)行800800萬萬次手術(shù)進(jìn)行修復(fù)，年耗資超過次手術(shù)進(jìn)行修復(fù)，年耗資超過400400億美元，器官億美元，器官衰竭和組織缺損所需治療費(fèi)占整個(gè)醫(yī)療費(fèi)用的一衰竭和組織缺損所需治療費(fèi)占整個(gè)醫(yī)療費(fèi)用的一半，而其中生物材料的費(fèi)用幾乎占一半。半，而其中生物材料的費(fèi)用幾乎占一半。 中國是一個(gè)人口大國，患者的數(shù)量十分龐大。中國是一個(gè)人口大國，患者的數(shù)量十分龐大。隨著人民生活水平的提高和對于生命質(zhì)量的追求，隨著人民生活水平的提高和對于生命質(zhì)量的追求

3、，我國在此方面的醫(yī)療費(fèi)用也會(huì)不斷增加。我國在此方面的醫(yī)療費(fèi)用也會(huì)不斷增加。 可見，生物材料是一個(gè)巨大的產(chǎn)業(yè)?？梢?，生物材料是一個(gè)巨大的產(chǎn)業(yè)。按照材料的組成和性質(zhì)分，生物醫(yī)用材料可分為：按照材料的組成和性質(zhì)分，生物醫(yī)用材料可分為： 醫(yī)用金屬材料、醫(yī)用陶瓷材料、醫(yī)用高分子材醫(yī)用金屬材料、醫(yī)用陶瓷材料、醫(yī)用高分子材料三大類（以及由它們組合而成的復(fù)合材料）。料三大類（以及由它們組合而成的復(fù)合材料）。 三類材料均有廣闊市場，其中，高分子材料的三類材料均有廣闊市場，其中，高分子材料的物理化學(xué)性能與金屬、陶瓷等材料相比，由于合物理化學(xué)性能與金屬、陶瓷等材料相比，由于合成高分子材料與生物體中的天然高分子有極其

4、相成高分子材料與生物體中的天然高分子有極其相似的化學(xué)結(jié)構(gòu)，與人體組織更加匹配（骨密質(zhì)等似的化學(xué)結(jié)構(gòu)，與人體組織更加匹配（骨密質(zhì)等除外），因此適用面最廣。除外），因此適用面最廣。 35003500年前，古埃及人利用天然纖維縫合傷口。年前，古埃及人利用天然纖維縫合傷口。25002500年前的中國和古埃及的墓葬中發(fā)現(xiàn)假手等假體。年前的中國和古埃及的墓葬中發(fā)現(xiàn)假手等假體。 在近、現(xiàn)代，隨著高分子材料的異軍突起，大量在近、現(xiàn)代，隨著高分子材料的異軍突起，大量合成材料用于臨床。合成材料用于臨床。2020世紀(jì)世紀(jì)3030年代，有機(jī)玻璃應(yīng)用于臨床。年代，有機(jī)玻璃應(yīng)用于臨床。4040年代，開始用人造膜材料進(jìn)行血

5、液透析。年代，開始用人造膜材料進(jìn)行血液透析。7070年代后，大量新型醫(yī)用材料用于制作人造器官。年代后，大量新型醫(yī)用材料用于制作人造器官。到目前，除大腦外的所有人體器官都可以用人造器到目前，除大腦外的所有人體器官都可以用人造器官替代。官替代。從天靈蓋到腳趾骨，從內(nèi)臟到皮膚，從血液到五官從天靈蓋到腳趾骨，從內(nèi)臟到皮膚，從血液到五官都已有人工的高分子代用品。都已有人工的高分子代用品。 19811981年，美國得克薩斯州心臟研究所的外科醫(yī)生從年，美國得克薩斯州心臟研究所的外科醫(yī)生從一位瀕臨死亡的心臟患者的體內(nèi)，取出了幾乎停止一位瀕臨死亡的心臟患者的體內(nèi)，取出了幾乎停止跳動(dòng)的心臟，然后把一個(gè)人造心臟移入

6、體內(nèi)，患者跳動(dòng)的心臟，然后把一個(gè)人造心臟移入體內(nèi)，患者利用這顆人造心臟度過利用這顆人造心臟度過5555小時(shí)，直到移植進(jìn)另一顆小時(shí)，直到移植進(jìn)另一顆因交通事故死亡者的心臟為止，終于使病人起死回因交通事故死亡者的心臟為止，終于使病人起死回生，說明人造心臟發(fā)揮暫時(shí)替換作用。生，說明人造心臟發(fā)揮暫時(shí)替換作用。19821982年，美國又一位瀕臨死亡的心臟病患者，在換年，美國又一位瀕臨死亡的心臟病患者，在換上了一顆用有機(jī)高分子材料制成的人造心臟之后，上了一顆用有機(jī)高分子材料制成的人造心臟之后，存活了存活了112112天。天?，F(xiàn)在，世界上每年都有幾百萬人接受人造器官的植現(xiàn)在，世界上每年都有幾百萬人接受人造器

7、官的植入手術(shù)，人造器官的植入手術(shù)及其醫(yī)用高分子的功入手術(shù)，人造器官的植入手術(shù)及其醫(yī)用高分子的功能材料的開發(fā)，無疑是人類延長個(gè)體生命的福音。能材料的開發(fā)，無疑是人類延長個(gè)體生命的福音。 二、分類二、分類在醫(yī)藥領(lǐng)域中應(yīng)用的高分子化合物主要有：在醫(yī)藥領(lǐng)域中應(yīng)用的高分子化合物主要有：用于制造人工組織和人工器官的生物醫(yī)用高分用于制造人工組織和人工器官的生物醫(yī)用高分子材料。子材料。作為載體、助劑或藥理活性物質(zhì)，以提高藥物作為載體、助劑或藥理活性物質(zhì)，以提高藥物制劑的安全性、長效性及專一性的藥用高分子制劑的安全性、長效性及專一性的藥用高分子( (高高分子藥物分子藥物) )。醫(yī)療過程中各種外用的器具和用品。醫(yī)

8、療過程中各種外用的器具和用品。前兩者為醫(yī)用高分子的主要內(nèi)容。前兩者為醫(yī)用高分子的主要內(nèi)容。醫(yī)用高分子：生物醫(yī)用高分子、藥用高分子醫(yī)用高分子：生物醫(yī)用高分子、藥用高分子生物醫(yī)用高分子（簡稱醫(yī)用高分子）：生物醫(yī)用高分子（簡稱醫(yī)用高分子）：生物惰性高分子材料：生物惰性高分子材料：為了提高材料在使用過程中的壽命。為了提高材料在使用過程中的壽命。 如人工器臟、整形填充材料如人工器臟、整形填充材料可降解生物高分子：可降解生物高分子：醫(yī)療過程中需要臨時(shí)使用的材料，希望醫(yī)療過程中需要臨時(shí)使用的材料，希望 其功能發(fā)揮過后能被吸收分解。其功能發(fā)揮過后能被吸收分解。 如手術(shù)用的縫合材料、粘接材料、固定材料如手術(shù)用的

9、縫合材料、粘接材料、固定材料以醫(yī)用高分子材料為原材料制出的人工臟器，即具有部分或全以醫(yī)用高分子材料為原材料制出的人工臟器，即具有部分或全部代替人體某一器官功能的器件，有的只需在體內(nèi)短期使用，部代替人體某一器官功能的器件，有的只需在體內(nèi)短期使用，有的則需在體內(nèi)停留較長時(shí)間，甚至整個(gè)生命期。有的則需在體內(nèi)停留較長時(shí)間，甚至整個(gè)生命期。因此對這類材料有嚴(yán)格的要求。因此對這類材料有嚴(yán)格的要求。諸如良好的化學(xué)穩(wěn)定性、無毒、無副作用、耐老化、耐疲勞，諸如良好的化學(xué)穩(wěn)定性、無毒、無副作用、耐老化、耐疲勞，以及有生物相容性等。醫(yī)用縫線、高分子藥物、組織粘合劑等以及有生物相容性等。醫(yī)用縫線、高分子藥物、組織粘合

10、劑等要求在其發(fā)揮了效用以后，能被機(jī)體組織分解、吸收或迅速排要求在其發(fā)揮了效用以后，能被機(jī)體組織分解、吸收或迅速排出體外。出體外。較難解決的問題是醫(yī)用高分子材料的抗血凝性，血液一接觸到較難解決的問題是醫(yī)用高分子材料的抗血凝性，血液一接觸到植入人體內(nèi)的高分子材料，會(huì)產(chǎn)生排它作用，并在其表面形成植入人體內(nèi)的高分子材料，會(huì)產(chǎn)生排它作用，并在其表面形成血凝。血凝。一、基本要求一、基本要求1、材料學(xué)方面的要求、材料學(xué)方面的要求要求材料滿足醫(yī)療過程對其機(jī)械、物理和化學(xué)方面的要求材料滿足醫(yī)療過程對其機(jī)械、物理和化學(xué)方面的要求，如機(jī)械強(qiáng)度、透過性質(zhì)、加工性能、外觀效果等。要求，如機(jī)械強(qiáng)度、透過性質(zhì)、加工性能、外

11、觀效果等。2、醫(yī)學(xué)方面的要求、醫(yī)學(xué)方面的要求如藥物的控制釋放、人造血液的粘度、人造皮膚的促如藥物的控制釋放、人造血液的粘度、人造皮膚的促進(jìn)作用等都屬于醫(yī)學(xué)方面的要求。進(jìn)作用等都屬于醫(yī)學(xué)方面的要求。3、生物學(xué)方面的要求、生物學(xué)方面的要求特殊要求特殊要求材料要與生物活體長期和平共處，就必須不影響活體正常材料要與生物活體長期和平共處，就必須不影響活體正常的生物活動(dòng)和適應(yīng)活體的生理反應(yīng)，并且耐受生理環(huán)境。的生物活動(dòng)和適應(yīng)活體的生理反應(yīng)，并且耐受生理環(huán)境。對材料的總體要求：對材料的總體要求：(1)必須無毒，而且是化學(xué)惰性的。必須無毒，而且是化學(xué)惰性的。(2)與人體組織和血液相容性要好，不引起刺激、炎癥、

12、與人體組織和血液相容性要好，不引起刺激、炎癥、致癌和過敏等反應(yīng)。致癌和過敏等反應(yīng)。(3)有所需的物理性能有所需的物理性能(尺寸、強(qiáng)度、彈性、滲透性等尺寸、強(qiáng)度、彈性、滲透性等)，并，并能在使用期間保持其不變。能在使用期間保持其不變。(4)容易制備、純化、加工和消毒。容易制備、純化、加工和消毒。二、特殊要求二、特殊要求生物學(xué)方面的要求生物學(xué)方面的要求1、血液相容性、血液相容性2、組織相容性、組織相容性3、生物惰性、生物惰性4、可生物降解性、可生物降解性1、血液相容性、血液相容性指材料在體內(nèi)與血液接觸后不發(fā)生凝血、溶血現(xiàn)象，指材料在體內(nèi)與血液接觸后不發(fā)生凝血、溶血現(xiàn)象，不形成血栓。不形成血栓。血液

13、相容性只與材料的表面性質(zhì)有關(guān)，而與材料內(nèi)部結(jié)血液相容性只與材料的表面性質(zhì)有關(guān)，而與材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)無關(guān)。構(gòu)無關(guān)。研究表明，具有以下表面性質(zhì)的材料表現(xiàn)出血研究表明，具有以下表面性質(zhì)的材料表現(xiàn)出血液相容性。液相容性。(1)具有較低界面能的材料；具有較低界面能的材料；(2)具有強(qiáng)親水性或強(qiáng)親脂性界面的材料；具有強(qiáng)親水性或強(qiáng)親脂性界面的材料；(3)具有負(fù)電荷界面的材料；具有負(fù)電荷界面的材料；(4)表面附著一層抗凝血物質(zhì)的材料。表面附著一層抗凝血物質(zhì)的材料。2、組織相容性、組織相容性指材料在與肌體組織接觸過程中不發(fā)生不利的刺激指材料在與肌體組織接觸過程中不發(fā)生不利的刺激反應(yīng)，不發(fā)生炎癥，不發(fā)生排斥反應(yīng)，沒有

14、致癌作用。反應(yīng)，不發(fā)生炎癥，不發(fā)生排斥反應(yīng)，沒有致癌作用。產(chǎn)生組織相容性問題的關(guān)鍵原因在于肌體自身的排異反產(chǎn)生組織相容性問題的關(guān)鍵原因在于肌體自身的排異反應(yīng)和材料自身的化學(xué)穩(wěn)定性。應(yīng)和材料自身的化學(xué)穩(wěn)定性。提高材料組織相容性的方法：提高材料組織相容性的方法：(1)提高材料的純凈程度；提高材料的純凈程度；(2)材料本身具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性；材料本身具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性；(3)有良好的機(jī)械強(qiáng)度和光滑表面；有良好的機(jī)械強(qiáng)度和光滑表面；(4)采用與組織相容性好的材料進(jìn)行表面復(fù)合。采用與組織相容性好的材料進(jìn)行表面復(fù)合。3、生物惰性、生物惰性指材料在生物內(nèi)部環(huán)境下自身不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和指材料在生物內(nèi)部環(huán)境下

15、自身不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和物理破壞，也不對生物體產(chǎn)生不利影響。物理破壞，也不對生物體產(chǎn)生不利影響。材料的生物惰性取決于材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)、純凈程度以材料的生物惰性取決于材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)、純凈程度以及材料的聚集狀態(tài)等因素。及材料的聚集狀態(tài)等因素。生物惰性好的高分子材料：聚乙烯、聚四氟乙烯、硅生物惰性好的高分子材料：聚乙烯、聚四氟乙烯、硅橡膠、脂肪族聚氨酯等。橡膠、脂肪族聚氨酯等。 三、生物惰性高分子材料三、生物惰性高分子材料1、人工臟器、人工臟器 (1)人工肺人工肺(并不是對于人體肺的完全替代，而是體外執(zhí)行血液并不是對于人體肺的完全替代，而是體外執(zhí)行血液氧交換功能的一種裝置氧交換功能的一種裝置)；(2)人工

16、腎人工腎(透析型、過濾型、吸附型透析型、過濾型、吸附型)；(3)人工肝臟人工肝臟(透析等透析等)；(4)人工胰臟人工胰臟(如如:可采用包膜法，即在移植的異體胰島或動(dòng)物胰可采用包膜法，即在移植的異體胰島或動(dòng)物胰島表面覆蓋一層高分子半透膜，能允許胰島素向膜外滲透，但島表面覆蓋一層高分子半透膜，能允許胰島素向膜外滲透，但阻止淋巴細(xì)胞和抗體進(jìn)入膜內(nèi)而引起排異損傷阻止淋巴細(xì)胞和抗體進(jìn)入膜內(nèi)而引起排異損傷)；(5)人工心臟瓣膜人工心臟瓣膜；(6)心臟起搏器電極的高分子包覆層心臟起搏器電極的高分子包覆層；(7)其它其它(人工心臟、人工血管、人工喉、人工氣管、人工食管、人工心臟、人工血管、人工喉、人工氣管、人

17、工食管、人工膀胱人工膀胱等等) 2、人工組織、人工組織 用于口腔、五官、骨、創(chuàng)傷和整型等用材料，包括用于口腔、五官、骨、創(chuàng)傷和整型等用材料，包括(1)牙科材料牙科材料(蛀牙填補(bǔ)用樹脂、假牙和人工牙根、人工齒冠材蛀牙填補(bǔ)用樹脂、假牙和人工牙根、人工齒冠材料和硅橡膠牙托軟襯墊等料和硅橡膠牙托軟襯墊等)；(2)眼科材料眼科材料(人工角膜、人工晶狀體、人工玻璃體、人工眼球、人工角膜、人工晶狀體、人工玻璃體、人工眼球、人工視網(wǎng)膜、人工淚道、隱型眼鏡人工視網(wǎng)膜、人工淚道、隱型眼鏡)；(3)骨科材料骨科材料(人工關(guān)節(jié)、人工骨、接骨材料等人工關(guān)節(jié)、人工骨、接骨材料等)；(4)肌肉與韌帶材料肌肉與韌帶材料(人工

18、肌肉、人工韌帶人工肌肉、人工韌帶)；(5)皮膚科材料皮膚科材料(人工皮膚等人工皮膚等)；(6)整形外科材料整形外科材料(人工鼻、人工下頜骨、人工耳朵、假肢等人工鼻、人工下頜骨、人工耳朵、假肢等)；(7)人造血液人造血液（能攜帶氧氣）（能攜帶氧氣） ，含人造血漿，含人造血漿(水溶性聚合物輔以水溶性聚合物輔以營養(yǎng)液等營養(yǎng)液等 用途用途 功能功能 生物醫(yī)學(xué)材料生物醫(yī)學(xué)材料牙槽骨，下顎骨 修補(bǔ)或重建 生物陶瓷，磷酸三鈣，羥基磷灰石，生物玻璃人工牙根 種植假牙 鈦表面噴涂羥基磷灰石氧化鋁，肽合金，聚砜假牙 聚甲基丙烯酸甲脂，陶瓷，珊瑚 牙托 固定假牙 聚甲基丙烯酸甲脂，環(huán)氧樹脂，硅橡膠，丙烯酸脂共聚物

19、鑲牙材料 聚甲基丙烯酸甲脂自凝塑膠，黃金，不銹鋼填充材料 填補(bǔ)齲洞裂溝 聚甲基丙烯酸甲脂自凝塑膠，丙烯酸系復(fù)合樹脂，銀汞合金，牙水泥，紫外光固化丙烯酸脂類涂料 防齲防酸涂料 牙齒保護(hù)涂層 紫外光固化丙烯酸脂類涂料 齒科矯形 不銹鋼絲，鎳鈦記憶合金藥用高分子是在藥物制劑中應(yīng)用的高分子化合物。主要應(yīng)用有：藥用高分子是在藥物制劑中應(yīng)用的高分子化合物。主要應(yīng)用有：載體。載體。用以控制藥物緩慢釋放，一般由有機(jī)硅橡膠、聚甲基丙用以控制藥物緩慢釋放，一般由有機(jī)硅橡膠、聚甲基丙烯酸酯類等制成封閉細(xì)管、微囊或薄膜。烯酸酯類等制成封閉細(xì)管、微囊或薄膜。主藥。主藥。有長效的特點(diǎn)。有長效的特點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)有：在高分子側(cè)基

20、上連接低分子藥物；在高分子主鏈中含其結(jié)構(gòu)有：在高分子側(cè)基上連接低分子藥物；在高分子主鏈中含低分子藥物。低分子藥物。藥物制劑和包裝用高分子材料藥物制劑和包裝用高分子材料（這里的包裝材料不涉及外包裝（這里的包裝材料不涉及外包裝材料，特指藥物在制備過程中需要的高分子材料，它們往往對提材料，特指藥物在制備過程中需要的高分子材料，它們往往對提高藥效、方便藥物起作用等方面有一定效果）：藥物制劑用高分高藥效、方便藥物起作用等方面有一定效果）：藥物制劑用高分子材料（液狀制劑中的高分子增稠劑、稀釋劑、分散劑和消泡劑；子材料（液狀制劑中的高分子增稠劑、稀釋劑、分散劑和消泡劑；固體制劑中的高分子粘合劑、包衣劑、膏劑

21、和涂膜劑）、微膠囊固體制劑中的高分子粘合劑、包衣劑、膏劑和涂膜劑）、微膠囊等。等。 高分子作為藥物的載體高分子作為藥物的載體, 其作用有二其作用有二:(一一) 使藥物以最小的劑量在特定的部位產(chǎn)生治療效應(yīng)使藥物以最小的劑量在特定的部位產(chǎn)生治療效應(yīng),(二二)優(yōu)化藥物釋放速率優(yōu)化藥物釋放速率,以提高療效以提高療效,降低毒副作用降低毒副作用,實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn):(1)長效作用長效作用：常用的低分子藥物由于相對分子質(zhì)量?。撼Ｓ玫牡头肿铀幬镉捎谙鄬Ψ肿淤|(zhì)量小,在血在血液中停留時(shí)間短液中停留時(shí)間短,易排出體外易排出體外,故藥效短。青霉素、青霉素故藥效短。青霉素、青霉素的持續(xù)藥效不長的持續(xù)藥效不長,若將它們接到聚乙烯醇和乙烯胺共聚物若將它們接到聚乙烯醇和乙烯胺共聚物分子鏈上分子鏈上,可使藥效延長近可使藥效延長近40倍。倍。(2)增效作用增效作用:并不是所有藥物高分子化后都能提高藥效并不是所有藥物高分子化后都能提高藥效,但但只要選好載體只要選好載體,合適的載體即能引導(dǎo)藥物直接進(jìn)攻病變細(xì)胞合適的載體即能引導(dǎo)藥物直接進(jìn)攻病變細(xì)胞的靶區(qū)的靶區(qū),或改變藥物在靶組織內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)和分布或改變藥物在靶組織內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)和分布,或增加滲透作或增加滲透作用用,導(dǎo)致增效。導(dǎo)致增效。(3)緩釋作用緩釋