2022醫(yī)學(xué)課件醫(yī)用材料

1、第八章 醫(yī)用高分子材料1. 概述1.1 醫(yī)用高分子的概念及其開展簡史 生命科學(xué)是21世紀(jì)備受關(guān)注的新型學(xué)科。而與人類健康休戚相關(guān)的醫(yī)學(xué)在生命科學(xué)中占有相當(dāng)重要的地位。醫(yī)用材料是生物醫(yī)學(xué)的分支之一，是由生物、醫(yī)學(xué)、化學(xué)和材料等學(xué)科交叉形成的邊緣學(xué)科。而醫(yī)用高分子材料那么是生物醫(yī)用材料中的重要組成局部，主要用于人工器官、外科修復(fù)、理療康復(fù)、診斷檢查、患疾治療等醫(yī)療領(lǐng)域。1第一頁，共一百三十一頁。 眾所周知，生物體是有機(jī)高分子存在的最根本形式，有機(jī)高分子是生命的根底。動(dòng)物體與植物體組成中最重要的物質(zhì)蛋白質(zhì)、肌肉、纖維素、淀粉、生物酶和果膠等都是高分子化合物。因此，可以說，生物界是天然高分子的巨大產(chǎn)地

2、。高分子化合物在生物界的普遍存在，決定了它們在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的特殊地位。在各種材料中，高分子材料的分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成和理化性質(zhì)與生物體組織最為接近，因此最有可能用作醫(yī)用材料。第八章 醫(yī)用高分子材料2第二頁，共一百三十一頁。 醫(yī)用高分子材料開展的動(dòng)力來自醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的客觀需求。當(dāng)人體器官或組織因疾病或外傷受到損壞時(shí)，需要器官移植。然而，只有在很少的情況下，人體自身的器官如少量皮膚可以滿足需要。采用同種異體移植或異種移植，往往具有排異反響，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致移植失敗。在此情況下，人們自然設(shè)想利用其他材料修復(fù)或替代受損器官或組織。 第八章 醫(yī)用高分子材料3第三頁，共一百三十一頁。 早在公元前3500年，埃及人就用棉

3、花纖維、馬鬃縫合傷口。墨西哥印地安人用木片修補(bǔ)受傷的顱骨。公元前500年的中國和埃及墓葬中發(fā)現(xiàn)假牙、假鼻、假耳。進(jìn)入20世紀(jì)，高分子科學(xué)迅速開展，新的合成高分子材料不斷出現(xiàn)，為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域提供了更多的選擇余地。1936年創(chuàng)造了有機(jī)玻璃后，很快就用于制作假牙和補(bǔ)牙，至今仍在使用。1943年，賽璐珞薄膜開始用于血液透析。 第八章 醫(yī)用高分子材料4第四頁，共一百三十一頁。 1949年，美國首先發(fā)表了醫(yī)用高分子的展望性論文。在文章中，第一次介紹了利用PMMA作為人的頭蓋骨、關(guān)節(jié)和股骨，利用聚酰胺纖維作為手術(shù)縫合線的臨床應(yīng)用情況。50年代，有機(jī)硅聚合物被用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，使人工器官的應(yīng)用范圍大大擴(kuò)大，包括器官替

4、代和整容等許多方面。 第八章 醫(yī)用高分子材料5第五頁，共一百三十一頁。 此后，一大批人工器官在50年代試用于臨床。 如人工尿道1950年、人工血管1951年、人工食道1951年、人工心臟瓣膜1952年、人工心肺1953年、人工關(guān)節(jié)1954年、人工肝1958年等。 進(jìn)入60年代，醫(yī)用高分子材料開始進(jìn)入一個(gè)嶄新的開展時(shí)期。第八章 醫(yī)用高分子材料6第六頁，共一百三十一頁。 60年代以前，醫(yī)用高分子材料的選用主要是根據(jù)特定需求，從已有的材料中篩選出適宜的加以應(yīng)用。由于這些材料不是專門為生物醫(yī)學(xué)目的設(shè)計(jì)和合成的，在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)了許多問題，如凝血問題、炎癥反響、組織病變問題、補(bǔ)體激活與免疫反響問題等。人們由

5、此意識(shí)到必須針對(duì)醫(yī)學(xué)應(yīng)用的特殊需要，設(shè)計(jì)合成專用的醫(yī)用高分子材料。 第八章 醫(yī)用高分子材料7第七頁，共一百三十一頁。 美國國立心肺研究所在這方面做了開創(chuàng)性的工作，他們開展了血液相容性高分子材料，以用于與血液接觸的人工器官制造，如人工心臟等。從70年代始，高分子科學(xué)家和醫(yī)學(xué)家積極開展合作研究，使醫(yī)用高分子材料快速開展起來。至80年代以來，興旺國家的醫(yī)用高分子材料產(chǎn)業(yè)化速度加快，根本形成了一個(gè)嶄新的生物材料產(chǎn)業(yè)。第八章 醫(yī)用高分子材料8第八頁，共一百三十一頁。 醫(yī)用高分于作為一門邊緣學(xué)科，融和了高分子化學(xué)、高分子物理、生物化學(xué)、合成材料工藝學(xué)、病理學(xué)、藥理學(xué)、解剖學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)等多方面的知識(shí)，還涉及

6、許多工程學(xué)問題，如各種醫(yī)療器械的設(shè)計(jì)、制造等。上述學(xué)科的相互交融、相互滲透，促使醫(yī)用高分子材料的品種越來越豐富，性能越來越完善，功能越來越齊全。 第八章 醫(yī)用高分子材料9第九頁，共一百三十一頁。 高分子材料雖然不是萬能的，不可能指望它解決一切醫(yī)學(xué)問題，但通過分子設(shè)計(jì)的途徑，合成出具有生物醫(yī)學(xué)功能的理想醫(yī)用高分子材料的前景是十分廣闊的。有人預(yù)計(jì)，在21世紀(jì)，醫(yī)用高分子將進(jìn)入一個(gè)全新的時(shí)代。除了大腦之外，人體的所有部位和臟器都可用高分子材料來取代。仿生人也將比想象中更快地來到世上。第八章 醫(yī)用高分子材料10第十頁，共一百三十一頁。 目前用高分子材料制成的人工器官中，比較成功的有人工血管、人工食道、

7、人工尿道、人工心臟瓣膜、人工關(guān)節(jié)、人工骨、整形材料等。巳取得重大研究成果，但還需不斷完善的有人工腎、人工心臟、人工肺、人工胰臟、人工眼球、人造血液等。另有一些功能較為復(fù)雜的器官，如人工肝臟、人工胃、人工子宮等。那么正處于大力研究開發(fā)之中。 第八章 醫(yī)用高分子材料11第十一頁，共一百三十一頁。 從應(yīng)用情況看，人工器官的功能開始從局部取代向完全取代開展，從短時(shí)間應(yīng)用向長時(shí)期應(yīng)用發(fā)展，從大型向小型化開展，從體外應(yīng)用向體內(nèi)植入開展、人工器官的種類從與生命密切相關(guān)的部位向人工感覺器官、人工肢體開展。 第八章 醫(yī)用高分子材料12第十二頁，共一百三十一頁。 醫(yī)用高分子材料研發(fā)過程中遇到的一個(gè)巨大難題是材料的

8、抗血栓問題。當(dāng)材料用于人工器官植入體內(nèi)時(shí)，必然要與血液接觸。由于人體的自然保護(hù)性反響將產(chǎn)生排異現(xiàn)象，其中之一即為在材料與肌體接觸外表產(chǎn)生凝血，即血栓，結(jié)果將造成手術(shù)失敗，嚴(yán)重的還會(huì)引起生命危險(xiǎn)。對(duì)高分子材料的抗血栓性研制是醫(yī)用高分子研究中的關(guān)鍵問題，至今尚未完全突破。將是今后醫(yī)用高分子材料研究中的首要問題。第八章 醫(yī)用高分子材料13第十三頁，共一百三十一頁。1.2 醫(yī)用高分子的分類 醫(yī)用高分子是一門較年輕的學(xué)科，開展歷史不長，因此醫(yī)用高分子的定義至今尚不十清楚確。另外，由于醫(yī)用高分子是由多學(xué)科參與的交叉學(xué)科，根據(jù)不同學(xué)科領(lǐng)域的習(xí)慣出現(xiàn)了不同的分類方式。 目前醫(yī)用高分子材料隨來源、應(yīng)用目的等可以

9、分為多種類型。各種醫(yī)用高分子材料的名稱也很不統(tǒng)一。第八章 醫(yī)用高分子材料14第十四頁，共一百三十一頁。 日本醫(yī)用高分子專家櫻井靖久將醫(yī)用高分子分成如下的五大類：1與生物體組織不直接接觸的材料 這類材料用于制造雖在醫(yī)療衛(wèi)生部門使用，但不直接與生物體組織接觸的醫(yī)療器械和用品。如藥劑容器、血漿袋、輸血輸液用具、注射器、化驗(yàn)室用品、手術(shù)室用品等。第八章 醫(yī)用高分子材料15第十五頁，共一百三十一頁。2與皮膚、粘膜接觸的材料 用這類材料制造的醫(yī)療器械和用品，需與人體肌膚與粘膜接觸，但不與人體內(nèi)部組織、血液、體液接觸，因此要求無毒、無刺激，有一定的機(jī)械強(qiáng)度。用這類材料制造的物品如手術(shù)用手套、麻醉用品吸氧管、

10、口罩、氣管插管等、診療用品洗眼用具、耳鏡、壓舌片、灌腸用具、腸、胃、食道窺鏡導(dǎo)管和探頭、腔門鏡、導(dǎo)尿管等、繃帶、橡皮膏等。人體整容修復(fù)材料，例如假肢、假耳、假眼、假鼻等，也都可歸入這一類中。第八章 醫(yī)用高分子材料16第十六頁，共一百三十一頁。3與人體組織短期接觸的材料 這類材料大多用來制造在手術(shù)中暫時(shí)使用或暫時(shí)替代病變器官的人工臟器，如人造血管、人工心臟、人工肺、人工腎臟滲析膜、人造皮膚等。這類材料在使用中需與肌體組織或血液接觸，故一般要求有較好的生物體適應(yīng)性和抗血栓性。第八章 醫(yī)用高分子材料17第十七頁，共一百三十一頁。4長期植入體內(nèi)的材料 用這類材料制造的人工臟器或醫(yī)療器具，一經(jīng)植入人體內(nèi)

11、，將伴隨人的終生，不再取出。因此要求有非常優(yōu)異的生物體適應(yīng)性和抗血栓性，并有較高的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定的化學(xué)、物理性質(zhì)。用這類材料制備的人工臟器包括：腦積水癥髓液引流管、人造血管、人工瓣膜、人工氣管、人工尿道、人工骨骼、人工關(guān)節(jié)、手術(shù)縫合線、組織粘合劑等。第八章 醫(yī)用高分子材料18第十八頁，共一百三十一頁。5藥用高分子 這類高分子包括大分子化藥物和藥物高分子。前者是指將傳統(tǒng)的小分子藥物大分子化，如聚青霉素；后者那么指本身就有藥理功能的高分子，如陰離子聚合物型的干擾素誘發(fā)劑。第八章 醫(yī)用高分子材料19第十九頁，共一百三十一頁。 除此之外，還有以下一些常用的分類方法。1按材料的來源分類 1天然醫(yī)用高分子

12、材料 如膠原、明膠、絲蛋白、角質(zhì)蛋白、纖維素、多糖、甲殼素及其衍生物等。 2人工合成醫(yī)用高分子材料 如聚氨酯、硅橡膠、聚酯等。第八章 醫(yī)用高分子材料20第二十頁，共一百三十一頁。 3天然生物組織與器官 取自患者自體的組織，例如采用自身隱靜脈作為冠狀動(dòng)脈搭橋術(shù)的血管替代物； 取自其他人的同種異體組織，例如利用他人角膜治療患者的角膜疾??； 來自其他動(dòng)物的異種同類組織，例如采用豬的心臟瓣膜代替人的心臟瓣膜，治療心臟病等。第八章 醫(yī)用高分子材料21第二十一頁，共一百三十一頁。2按材料與活體組織的相互作用關(guān)系分類 1生物惰性高分子材料 在體內(nèi)不降解、不變性、不會(huì)引起長期組織反應(yīng)的高分子材料，適合長期植入

13、體內(nèi)。 2生物活性高分子材料 指植入生物體內(nèi)能與周圍組織發(fā)生相互作用，促進(jìn)肌體組織、細(xì)胞等生長的材料。第八章 醫(yī)用高分子材料22第二十二頁，共一百三十一頁。 3生物吸收高分子材料 這類材料又稱生物降解高分子材料。這類材料在體內(nèi)逐漸降解，其降解產(chǎn)物能被肌體吸收代謝，獲通過排泄系統(tǒng)排出體外，對(duì)人體健康沒有影響。如用聚乳酸制成的體內(nèi)手術(shù)縫合線、體內(nèi)粘合劑等。第八章 醫(yī)用高分子材料23第二十三頁，共一百三十一頁。3按生物醫(yī)學(xué)用途分類 1硬組織相容性高分子材料 如骨科、齒科用高分子材料； 2軟組織相容性高分子材料 3血液相容性高分子材料 4高分子藥物和藥物控釋高分子材料第八章 醫(yī)用高分子材料24第二十四

14、頁，共一百三十一頁。4按與肌體組織接觸的關(guān)系分類 1) 長期植入材料 如人工血管、人工關(guān)節(jié)、人工晶狀體等。 2) 短期植入接觸材料 如透析器、心肺機(jī)管路和器件等。 3) 體內(nèi)體外連通使用的材料 如心臟起搏器的導(dǎo)線、各種插管等。 4) 與體表接觸材料及一次性醫(yī)療用品材料第八章 醫(yī)用高分子材料25第二十五頁，共一百三十一頁。 目前在實(shí)際應(yīng)用中，更實(shí)用的是僅將醫(yī)用高分子分為兩大類，一類是直接用于治療人體某一病變組織、替代人體某一部位或某一臟器、修補(bǔ)人體某一缺陷的材料。如用作人工管道血管、食道、腸道、尿道等、人造玻璃體眼球、人工臟器心臟、腎臟、肺、胰臟等、人造皮膚、人造血管，手術(shù)縫合用線、組織粘合劑、

15、整容材料假耳、假眼、假鼻、假肢等的材料。 第八章 醫(yī)用高分子材料26第二十六頁，共一百三十一頁。 另一類那么是用來制造醫(yī)療器械、用品的材料，如注射器、手術(shù)鉗、血漿袋等。這類材料用來為醫(yī)療事業(yè)效勞，但本身并不具備治療疾病、替代人體器官的功能，因此不屬功能高分子的范疇。 國內(nèi)通常將高分子藥物單獨(dú)列為一類功能性高分子，故不在醫(yī)用高分子范圍內(nèi)討論。 本章討論直接用于治療人體病變組織，替代人體病變器官、修補(bǔ)人體缺陷的高分子材料。第八章 醫(yī)用高分子材料27第二十七頁，共一百三十一頁。1.3 對(duì)醫(yī)用高分子材料的根本要求 醫(yī)用高分子材料是一類特殊用途的材料。它們在使用過程中，常需與生物肌體、血液、體液等接觸，

16、有些還須長期植入體內(nèi)。由于醫(yī)用高分子與人們的健康密切相關(guān)，因此對(duì)進(jìn)入臨床使用階段的醫(yī)用高分子材料具有嚴(yán)格的要求，要求有十分優(yōu)良的特性。歸納起來，一個(gè)具備了以下七個(gè)方面性能的材料，可以考慮用作醫(yī)用材料。第八章 醫(yī)用高分子材料28第二十八頁，共一百三十一頁。1化學(xué)隋性，不會(huì)因與體液接觸而發(fā)生反響 人體環(huán)境對(duì)高分子材料主要有以下一些影響： 1)體液引起聚合物的降解、交聯(lián)和相變化； 2)體內(nèi)的自由基引起材料的氧化降解反響； 3)生物酶引起的聚合物分解反響； 4)在體液作用下材料中添加劑的溶出； 5)血液、體液中的類脂質(zhì)、類固醇及脂肪等物質(zhì)滲入高分子材料，使材料增塑，強(qiáng)度下降。第八章 醫(yī)用高分子材料29

17、第二十九頁，共一百三十一頁。 但對(duì)醫(yī)用高分子來說，在某些情況下，“老化并不一定都是貶意的，有時(shí)甚至還有積極的意義。如作為醫(yī)用粘合劑用于組織粘合，或作為醫(yī)用手術(shù)縫合線時(shí)，在發(fā)揮了相應(yīng)的效用后，反倒不希望它們有太好的化學(xué)穩(wěn)定性，而是希望它們盡快地被組織所分解、吸收或迅速排出體外。在這種情況下，對(duì)材料的附加要求是：在分解過程中，不應(yīng)產(chǎn)生對(duì)人體有害的副產(chǎn)物。第八章 醫(yī)用高分子材料30第三十頁，共一百三十一頁。2對(duì)人體組織不會(huì)引起炎癥或異物反響 有些高分子材料本身對(duì)人體有害，不能用作醫(yī)用材料。而有些高分子材料本身對(duì)人體組織并無不良影響，但在合成、加工過程中不可防止地會(huì)殘留一些單體，或使用一些添加劑。當(dāng)材

18、料植入人體以后，這些單體和添加劑會(huì)慢慢從內(nèi)部遷移到外表，從而對(duì)周圍組織發(fā)生作用，引起炎癥或組織畸變，嚴(yán)重的可引起全身性反響。第八章 醫(yī)用高分子材料31第三十一頁，共一百三十一頁。3不會(huì)致癌 根據(jù)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)理論認(rèn)為，人體致癌的原因是由于正常細(xì)胞發(fā)生了變異。當(dāng)這些變異細(xì)胞以極其迅速的速度增長并擴(kuò)散時(shí)，就形成了癌。而引起細(xì)胞變異的因素是多方面的，有化學(xué)因素、物理因素，也有病毒引起的原因。第八章 醫(yī)用高分子材料32第三十二頁，共一百三十一頁。 當(dāng)醫(yī)用高分子材料植入人體后，高分子材料本身的性質(zhì)，如化學(xué)組成、交聯(lián)度、相對(duì)分子質(zhì)量及其分布、分子鏈構(gòu)象、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)、高分子材料中所含的雜質(zhì)、殘留單體、添加劑都可能

19、與致癌因素有關(guān)。但研究說明，在排除了小分子滲出物的影響之外，與其他材料相比，高分子材料本身并沒有比其他材料更多的致癌可能性。第八章 醫(yī)用高分子材料33第三十三頁，共一百三十一頁。4具有良好的血液相容性 當(dāng)高分子材料用于人工臟器植入人體后，必然要長時(shí)間與體內(nèi)的血液接觸。因此，醫(yī)用高分子對(duì)血液的相容性是所有性能中最重要的。 高分子材料的血液相容性問題是一個(gè)十分活潑的研究課題，但至今尚未制得一種能完全抗血栓的高分子材料。這一問題的徹底解決，還有待于各國科學(xué)家的共同努力。第八章 醫(yī)用高分子材料34第三十四頁，共一百三十一頁。5長期植入體內(nèi)不會(huì)減小機(jī)械強(qiáng)度 許多人工臟器一旦植入體內(nèi)，將長期存留，有些甚至

20、伴隨人們的一生。因此，要求植入體內(nèi)的高分子材料在極其復(fù)雜的人體環(huán)境中，不會(huì)很快失去原有的機(jī)械強(qiáng)度。 事實(shí)上，在長期的使用過程中，高分子材料受到各種因素的影響，其性能不可能永遠(yuǎn)保持不變。我們僅希望變化盡可能少一些，或者說壽命盡可能長一些。 第八章 醫(yī)用高分子材料35第三十五頁，共一百三十一頁。 一般來說，化學(xué)穩(wěn)定性好的，不含易降解基團(tuán)的高分子材料，機(jī)械穩(wěn)定也比較好。如聚酰胺的酰胺基團(tuán)在酸性和堿性條件下都易降解，因此，用作人體各部件時(shí)，均會(huì)在短期內(nèi)損失其機(jī)械強(qiáng)度，故一般不適宜選作植入材料。而聚四氟乙烯的化學(xué)穩(wěn)定性較好，其在生物體內(nèi)的穩(wěn)定性也較好。表91是一些高分子以纖維形式植入狗的動(dòng)脈后其機(jī)械強(qiáng)度

21、的損失情況。第八章 醫(yī)用高分子材料36第三十六頁，共一百三十一頁。第八章 醫(yī)用高分子材料表91 高分子材料在狗體內(nèi)的機(jī)械穩(wěn)定性材料名稱植入天數(shù)機(jī)械強(qiáng)度損失 /尼龍676174.6107380.7滌綸樹脂78011.4聚丙烯酸酯6701.0聚四氟乙烯6775.337第三十七頁，共一百三十一頁。6能經(jīng)受必要的清潔消毒措施而不產(chǎn)生變性 高分子材料在植入體內(nèi)之前，都要經(jīng)過嚴(yán)格的滅菌消毒。目前滅菌處理一般有三種方法：蒸汽滅菌、化學(xué)滅菌、射線滅菌。國內(nèi)大多采用前兩種方法。因此在選擇材料時(shí)，要考慮能否耐受得了。第八章 醫(yī)用高分子材料38第三十八頁，共一百三十一頁。7易于加工成需要的復(fù)雜形狀 人工臟器往往具有

22、很復(fù)雜的形狀，因此，用于人工臟器的高分子材料應(yīng)具有優(yōu)良的成型性能。否那么，即使各項(xiàng)性能都滿足醫(yī)用高分子的要求，卻無法加工成所需的形狀，那么仍然是無法應(yīng)用的。 此外還要防止在醫(yī)用高分子材料生產(chǎn)、加工工程中引入對(duì)人體有害的物質(zhì)。應(yīng)嚴(yán)格控制原料的純度。加工助劑必須符合醫(yī)用標(biāo)準(zhǔn)。生產(chǎn)環(huán)境應(yīng)當(dāng)具有適宜的潔凈級(jí)別，符合國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。第八章 醫(yī)用高分子材料39第三十九頁，共一百三十一頁。 與其他高分子材料相比，對(duì)醫(yī)用高分子材料的要求是非常嚴(yán)格的。對(duì)于不同用途的醫(yī)用高分子材料，往往又有一些具體要求。在醫(yī)用高分子材料進(jìn)入臨床應(yīng)用之前，都必須對(duì)材料本身的物理化學(xué)性能、機(jī)械性能以及材料與生物體及人體的相互適應(yīng)性進(jìn)行

23、全面評(píng)價(jià)，然后經(jīng)國家管理部門批準(zhǔn)才能進(jìn)入臨床使用。第八章 醫(yī)用高分子材料40第四十頁，共一百三十一頁。2. 高分子材料的生物相容性 生物相容性是指植入生物體內(nèi)的材料與肌體之間的適應(yīng)性。對(duì)生物體來說，植入的材料不管其結(jié)構(gòu)、性質(zhì)如何，都是外來異物。出于本能的自我保護(hù)，一般都會(huì)出現(xiàn)排斥現(xiàn)象。這種排斥反響的嚴(yán)重程度，決定了材料的生物相容性。因此提高應(yīng)用高分子材料與肌體的生物相容性，是材料和醫(yī)學(xué)科學(xué)家們必須面對(duì)的課題。第八章 醫(yī)用高分子材料41第四十一頁，共一百三十一頁。 由于不同的高分子材料在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用目的不同，生物相容性又可分為組織相容性和血液相容性兩種。組織相容性是指材料與人體組織，如骨骼、牙齒

24、、內(nèi)部器官、肌肉、肌腱、皮膚等的相互適應(yīng)性，而血液相容性那么是指材料與血液接觸是不是會(huì)引起凝血、溶血等不良反響。第八章 醫(yī)用高分子材料42第四十二頁，共一百三十一頁。2.1 高分子材料的組織相容性2.1.1 高分子材料植入對(duì)組織反響的影響 高分子材料植入人體后，對(duì)組織反響的影響因素包括材料本身的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)如微相結(jié)構(gòu)、親水性、疏水性、電荷等、材料中可滲出的化學(xué)成分如殘留單體、雜質(zhì)、低聚物、添加劑等、降解或代謝產(chǎn)物等。此外，植入材料的幾何形狀也可能引起組織反響。第八章 醫(yī)用高分子材料43第四十三頁，共一百三十一頁。1材料中滲出的化學(xué)成分對(duì)生物反響的影響 材料中逐漸滲出的各種化學(xué)成分如添加劑、雜質(zhì)、

25、單體、低聚物以及降解產(chǎn)物等會(huì)導(dǎo)致不同類型的組織反響，例如炎癥反響。組織反響的嚴(yán)重程度與滲出物的毒性、濃度、總量、滲出速率和持續(xù)期限等密切相關(guān)。一般而言，滲出物毒性越大、滲出量越多，那么引起的炎癥反響越強(qiáng)。 第八章 醫(yī)用高分子材料44第四十四頁，共一百三十一頁。 例如，聚氨酯和聚氯乙烯中可能存在的剩余單體有較強(qiáng)的毒性，滲出后會(huì)引起人體嚴(yán)重的炎癥反應(yīng)。而硅橡膠、聚丙烯、聚四氟乙烯等高分子的毒性滲出物通常較少，植入人體后表現(xiàn)的炎癥反響較輕。 如果滲出物的持續(xù)滲出時(shí)間較長，那么可能開展成慢性炎癥反響。如某些被人體分解吸收較慢的生物吸收性高分子材料容易引起慢性無菌性炎癥。第八章 醫(yī)用高分子材料45第四十

26、五頁，共一百三十一頁。2高分子材料的生物降解對(duì)生物反響的影響 高分子材料生物降解對(duì)人體組織反響的影響取決于降解速度、產(chǎn)物的毒性、降解的持續(xù)期限等因素。降解速度慢而降解產(chǎn)物毒性小，一般不會(huì)引起明顯的組織反響。但假設(shè)降解速度快而降解產(chǎn)物毒性大，可能導(dǎo)致嚴(yán)重的急性或慢性炎癥反響。如有報(bào)道采用聚酯材料作為人工喉管修補(bǔ)材料出現(xiàn)慢性炎癥的情況。第八章 醫(yī)用高分子材料46第四十六頁，共一百三十一頁。3材料物理形態(tài)等因素對(duì)組織反響的影響 高分子材料的物理形態(tài)如大小、形狀、孔度、外表平滑度等因素也會(huì)影響組織反響。另外，試驗(yàn)動(dòng)物的種屬差異、材料植入生物體的位置等生物學(xué)因素以及植入技術(shù)等人為因素也是不容無視的。 一

27、般來說，植入體內(nèi)材料的體積越大、外表越平滑，造成的組織反響越嚴(yán)重。植入材料與生物組織之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，也會(huì)引發(fā)較嚴(yán)重的組織反響。第八章 醫(yī)用高分子材料47第四十七頁，共一百三十一頁。 曾對(duì)不同形狀的材料植入小白鼠體內(nèi)出現(xiàn)腫瘤的情況進(jìn)行過統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)植入材料為大體積薄片時(shí)，出現(xiàn)腫瘤的可能性比在薄片上穿大孔時(shí)高出一倍左右。而海綿狀、纖維狀和粉末狀材料幾乎不會(huì)引起腫瘤見表92。第八章 醫(yī)用高分子材料48第四十八頁，共一百三十一頁。第八章 醫(yī)用高分子材料表92 不同形狀的材料對(duì)產(chǎn)生腫瘤的影響* % 形 狀材 料薄片大孔薄片海綿狀纖維狀粉末狀玻 璃33.318000賽 璐 珞2319000滌綸樹脂1880

28、00尼 龍427100聚四氟乙烯205000聚苯乙烯2810010聚 氨 酯3311110聚氯乙稀240200硅 橡 膠4116000* 試驗(yàn)周期為兩年49第四十九頁，共一百三十一頁。 原因可能是由于材料的植入使周圍的細(xì)胞代謝受到障礙，營養(yǎng)和氧的供給不充分以及長期受到異物刺激而使細(xì)胞異常分化、產(chǎn)生變異所致。而當(dāng)植入材料為海綿狀、纖維狀和粉末狀時(shí)，組織細(xì)胞可圍繞材料生長，因此不會(huì)由于營養(yǎng)和氧的缺乏而變異，因此致癌危險(xiǎn)性較小。第八章 醫(yī)用高分子材料50第五十頁，共一百三十一頁。2.1.2 高分子材料在體內(nèi)的外表鈣化 觀察發(fā)現(xiàn)，高分子材料在植入人體內(nèi)后，再經(jīng)過一段時(shí)間的試用后，會(huì)出現(xiàn)鈣化合物在材料外

29、表沉積的現(xiàn)象，即鈣化現(xiàn)象。鈣化現(xiàn)象往往是導(dǎo)致高分子材料在人體內(nèi)應(yīng)用失效的原因之一。試驗(yàn)結(jié)果證明，鈣化現(xiàn)象不僅是膠原生物材料的特征，一些高分子水溶膠，如聚甲基丙烯酸羥乙酯在大鼠、倉鼠、荷蘭豬的皮下也發(fā)現(xiàn)有鈣化現(xiàn)象。 第八章 醫(yī)用高分子材料51第五十一頁，共一百三十一頁。 用等離子體發(fā)射光譜法分析鈣化沉積層的元素組成，發(fā)現(xiàn)鈣化層中以鈣、磷兩種元素為主，鈣磷比為1.611.69，平均值1.66，與羥基磷灰石中的鈣磷比1.67幾乎相同，此外還含有少量的鋅和鎂。這說明，鈣化現(xiàn)象是高分子材料植入動(dòng)物體內(nèi)后，對(duì)肌體組織造成刺激，促使肌體的新陳代謝加速的結(jié)果。第八章 醫(yī)用高分子材料52第五十二頁，共一百三十一

30、頁。 影響高分子材料外表鈣化的因素很多，包括生物因素如物種、年齡、激素水平、血清磷酸鹽水平、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)吸附、局部血流動(dòng)力學(xué)、凝血等和材料因素親水性、疏水性、外表缺陷等。一般而言，材料植入時(shí)，被植個(gè)體越年青，材料外表越可能發(fā)生鈣化。多孔材料的鈣化情況比無孔材料要嚴(yán)重。第八章 醫(yī)用高分子材料53第五十三頁，共一百三十一頁。2.1.3 高分子材料的致癌性 雖然目前尚無足夠的證據(jù)說明高分子材料的植入會(huì)引起人體內(nèi)的癌癥。但是，許多試驗(yàn)動(dòng)物研究說明，當(dāng)高分子材料植入鼠體內(nèi)時(shí)，只要植入的材料是固體材料而且面積大于1cm2，無論材料的種類高分子、金屬或陶瓷、形狀膜、片狀或板狀以及材料本身是否具有化學(xué)致癌性，

31、均有可能導(dǎo)致癌癥的發(fā)生。這種現(xiàn)象稱為固體致癌性或異物致癌性。第八章 醫(yī)用高分子材料54第五十四頁，共一百三十一頁。 根據(jù)癌癥的發(fā)生率和潛伏期，高分子材料對(duì)大鼠的致癌性可分為三類。 能釋放出小分子致癌物的高分子材料，具有高發(fā)生率，潛伏期短的特征。 本身具有癌癥原性的高分子材料，發(fā)生率較高，潛伏期不定； 只是作為簡單異物的高分子材料，發(fā)生率較低，潛伏期長。顯然只有第三類高分子材料才有可能進(jìn)行臨床應(yīng)用。 第八章 醫(yī)用高分子材料55第五十五頁，共一百三十一頁。 研究發(fā)現(xiàn)，異物致癌性與慢性炎癥反響、纖維化特別是纖維包膜厚度密切相關(guān)。例如當(dāng)在大鼠體內(nèi)植入高分子材料后，如果前312 個(gè)月內(nèi)形成的纖維包膜厚度

32、大于0.2 mm，經(jīng)過一定的潛伏期后通常會(huì)出現(xiàn)癌癥。而低于此值，癌癥很少發(fā)生。因此0.2 mm可能是誘發(fā)鼠體癌癥的臨界纖維包膜厚度。第八章 醫(yī)用高分子材料56第五十六頁，共一百三十一頁。2.2 高分子材料的血液相容性2.2.1 高分子材料的凝血作用1血栓的形成 通常，當(dāng)人體的表皮受到損傷時(shí)，流出的血液會(huì)自動(dòng)凝固，稱為血栓。實(shí)際上，血液在受到以下因素影響時(shí)，都可能發(fā)生血栓： 血管壁特性與狀態(tài)發(fā)生變化； 血液的性質(zhì)發(fā)生變化； 血液的流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化。第八章 醫(yī)用高分子材料57第五十七頁，共一百三十一頁。 根據(jù)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的觀點(diǎn)，對(duì)血液的循環(huán)，人體內(nèi)存在兩個(gè)對(duì)立系統(tǒng)，即促使血小板生成和血液凝固的凝血系統(tǒng)

33、和由肝素、抗凝血酶以及促使纖維蛋白凝膠降解的溶纖酶等組成的抗凝血系統(tǒng)。當(dāng)材料植入體內(nèi)與血液接觸時(shí)，血液的流動(dòng)狀態(tài)和血管壁狀態(tài)都將發(fā)生變化，凝血系統(tǒng)開始發(fā)揮作用，從而發(fā)生血栓。第八章 醫(yī)用高分子材料58第五十八頁，共一百三十一頁。 血栓的形成機(jī)理是十分復(fù)雜的。一般認(rèn)為，異物與血液接觸時(shí)，首先將吸附血漿內(nèi)蛋白質(zhì)，然后粘附血小板，繼而血小板崩壞，放出血小板因子，在異物外表凝血，產(chǎn)生血栓。此外，紅血球粘附引起溶血；凝血致活酶的活化，也都是形成血栓的原因。見圖91) 第八章 醫(yī)用高分子材料59第五十九頁，共一百三十一頁。圖91 血栓形成過程示意圖 第八章 醫(yī)用高分子材料60第六十頁，共一百三十一頁。2影

34、響血小板在材料外表粘附的因素 1) 血小板的粘附與材料外表能有關(guān) 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，血小板難粘附于外表能較低的有機(jī)硅聚合物，而易粘附于尼龍、玻璃等高能外表上。此外，在聚甲基丙烯酸羥乙酯、接枝聚乙烯醇、主鏈和側(cè)鏈中含有聚乙二醇結(jié)構(gòu)的親水性材料外表上，血小板的粘附量都比較少。這可能是由于容易被水介質(zhì)潤濕而具有較小的外表能。因此，有理由認(rèn)為，低外表能材料具有較好的抗血栓性。第八章 醫(yī)用高分子材料61第六十一頁，共一百三十一頁。 也有觀點(diǎn)認(rèn)為，血小板的粘附與兩相界面自由能有更為直接的關(guān)系。界面自由能越小，材料外表越不活潑，那么與血液接觸時(shí)，與血液中各成分的相互作用力也越小，故造成血栓的可能性就較小。大量實(shí)驗(yàn)事

35、實(shí)說明，除聚四氟乙烯外，臨界外表張力小的材料，血小板都不易粘附見表93。第八章 醫(yī)用高分子材料62第六十二頁，共一百三十一頁。第八章 醫(yī)用高分子材料表93 材料外表張力與血小板粘附量的關(guān)系材 料臨界表面張力 /Pa血小板粘附量 /*尼龍6611.65637聚四氟乙烯2.9305.4聚二甲基硅氧烷2.27.34.5聚氨酯2.01.80.2* 人血浸漬3分鐘； 狗血循環(huán)1分鐘。63第六十三頁，共一百三十一頁。2) 血小板的粘附與材料的含水率有關(guān) 有些高分子材料與水接觸后能形成高含水狀態(tài)2090以上的水凝膠。在水凝膠中，由于含水量增加而使高分子的實(shí)質(zhì)局部減少，因此，植入人體后，與血液的接觸時(shí)機(jī)也減少

36、，相應(yīng)的血小板粘附數(shù)減少。實(shí)驗(yàn)說明，丙烯酰胺、甲基丙烯酸羥乙酯和帶有聚乙二醇側(cè)基的甲基丙烯酸酯與其他單體共聚或接枝共聚的水凝膠，都具有較好的抗血栓性。第八章 醫(yī)用高分子材料64第六十四頁，共一百三十一頁。 一般認(rèn)為，水凝膠與血液的相容性，與其交聯(lián)密度、親水性基團(tuán)數(shù)量等因素有關(guān)。含親水基團(tuán)太多的聚合物，往往抗血栓性反而不好。因?yàn)樗z外表不僅對(duì)血小板粘附能力小，而且對(duì)蛋白質(zhì)和其他細(xì)胞的吸附能力均較弱。在流動(dòng)的血液中，聚合物的親水基團(tuán)會(huì)不斷地由于被吸附的成分被“沖走而重新暴露出來，形成永不惰化的活性外表，使血液中血小板不斷受到損壞。研究認(rèn)為，抗血栓性較好的水凝膠，其含水率應(yīng)維持在6575。第八章

37、醫(yī)用高分子材料65第六十五頁，共一百三十一頁。3) 血小板的粘附與材料外表疏水親水平衡有關(guān) 綜合上述討淪不難看出，無論是疏水性聚合物還是親水性聚合物，都可在一定程度上具有抗血栓性。進(jìn)一步的研究說明，材料的抗血栓性，并不簡單決定于其是疏水性的還是親水性的，而是決定于它們的平衡值。一個(gè)親水疏水性調(diào)節(jié)得較適宜的聚合物，往往有足夠的吸附力吸附蛋白質(zhì)，形成一層隋性層，從而減少血小板在其上層的粘附。第八章 醫(yī)用高分子材料66第六十六頁，共一百三十一頁。 例如，甲基丙烯酸羥乙酯/甲基丙烯酸乙酯共聚物比單純的聚甲基丙烯酸羥乙酯對(duì)血液的破壞性要??；甲基丙烯酸乙酯/甲基丙烯酸共聚物也比單純的聚甲基丙烯酸對(duì)血液的破

38、壞性要小。 用作人工心臟材料的聚醚型聚氨酯，具有微相別離的結(jié)構(gòu)，也是為到達(dá)這一目的而設(shè)計(jì)的。第八章 醫(yī)用高分子材料67第六十七頁，共一百三十一頁。4) 血小板的粘附與材料外表的電荷性質(zhì)有關(guān) 人體中正常血管的內(nèi)壁是帶負(fù)電荷的，而血小板、血球等的外表也是帶負(fù)電荷的，由于同性相斥的原因，血液在血管中不會(huì)凝固。因此，對(duì)帶適當(dāng)負(fù)電荷的材料外表，血小板難于粘附，有利于材料的抗血栓性。但也有實(shí)驗(yàn)事實(shí)說明，血小板中的凝血因子在負(fù)電荷外表容易活化。因此，假設(shè)電荷密度太大，容易損傷血小板，反而造成血栓。第八章 醫(yī)用高分子材料68第六十八頁，共一百三十一頁。5) 血小板的粘附與材料外表的光滑程度有關(guān) 由于凝血效應(yīng)與

39、血液的流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，血液流經(jīng)的外表上有任何障礙都會(huì)改變其流動(dòng)狀態(tài)，因此材料外表的平整度將嚴(yán)重影響材料的抗血栓性。據(jù)研究知，材料外表假設(shè)有3m以上凹凸不變的區(qū)域，就會(huì)在該區(qū)域形成血栓。由此可見，將材料外表盡可能處理得光滑，以減少血小板、細(xì)胞成分在外表上的粘附和聚集，是減少血栓形成可能性的有效措施之一。第八章 醫(yī)用高分子材料69第六十九頁，共一百三十一頁。2.2.2 血液相容性高分于材料的制取1使材料外表帶上負(fù)電荷的基團(tuán) 例如將芝加哥酸1氨基8萘酚2, 4二磺酸萘見下式引入聚合物外表后，可減少血小板在聚合物外表上的粘附量，抗疑血性提高。第八章 醫(yī)用高分子材料70第七十頁，共一百三十一頁。2高分子材

40、料的外表接枝改性 采用化學(xué)法如偶聯(lián)法、臭氧化法等和物理法等離子體法、高能輻射法、紫外光法等將具有抗凝血性的天然和化學(xué)合成的化合物，如肝素、聚氧化乙烯接枝到高分子材料外表上。研究說明，血小板不能粘附于用聚氧化乙烯處理過的玻璃上。第八章 醫(yī)用高分子材料71第七十一頁，共一百三十一頁。 添加聚氧化乙烯分子量為6000于凝血酶溶液中，可防止凝血酶對(duì)玻璃的吸附。因此，在血液相容性高分子材料的研究中，聚氧化乙烯是十分重要的抗凝血材料。 通過接枝改性調(diào)節(jié)高分子材料外表分子結(jié)構(gòu)中的親水基團(tuán)與疏水基團(tuán)的比例，使其到達(dá)一個(gè)最佳答案值，也是改善材料血液相容性的有效方法。 第八章 醫(yī)用高分子材料72第七十二頁，共一百

41、三十一頁。3制備具有微相別離結(jié)構(gòu)的材料 研究發(fā)現(xiàn)，具有微相別離結(jié)構(gòu)的高分子材料對(duì)血液相容性有十分重要的作用，而它們根本上是嵌段共聚物和接枝共聚物。其中研究得較多的是聚氨酯嵌段共聚物，即由軟段和硬段組成的多嵌段共聚物，其中軟段一般為聚醚、聚丁二烯、聚二甲基硅氧烷等，形成連續(xù)相；硬段包含脲基和氨基甲酸酯基，形成分散相。第八章 醫(yī)用高分子材料73第七十三頁，共一百三十一頁。 在這類嵌段共聚物血液相容性的研究中發(fā)現(xiàn)，軟段聚醚對(duì)材料的抗凝血性的奉獻(xiàn)較大，而其分子量對(duì)血液相容性和血漿蛋白質(zhì)的吸附均有顯著影響。同樣，具有微相別離結(jié)構(gòu)的接枝共聚物、親水/疏水型嵌段共聚物等都有一定的抗凝血性。第八章 醫(yī)用高分子

42、材料74第七十四頁，共一百三十一頁。4高分子材料的肝素化 肝素是一種硫酸多糖類物質(zhì)見下式，是最早被認(rèn)識(shí)的天然抗凝血產(chǎn)物之一。第八章 醫(yī)用高分子材料75第七十五頁，共一百三十一頁。 肝素的作用機(jī)理是催化和增強(qiáng)抗凝血酶與凝血酶的結(jié)合而防止凝血。將肝素通過接枝方法固定在高分子材料外表上以提高其抗凝血性，是使材料的抗凝血性改變的重要途徑。在高分子材料結(jié)構(gòu)中引入肝素后，在使用過程中，肝素慢慢地釋放，能明顯提高抗血栓性。第八章 醫(yī)用高分子材料76第七十六頁，共一百三十一頁。5材料外表偽內(nèi)膜化 人們發(fā)現(xiàn)，大局部高分子材料的外表容易沉漬血纖蛋白而凝血。如果有意將某些高分子的外表制成纖維林立狀態(tài)，當(dāng)血液流過這種

43、粗糙的外表時(shí)，迅速形成穩(wěn)定的凝固血栓膜，但不擴(kuò)展成血栓，然后誘導(dǎo)出血管內(nèi)皮細(xì)胞。這樣就相當(dāng)于在材料外表上覆蓋了一層光滑的生物層偽內(nèi)膜。這種偽內(nèi)膜與人體心臟和血管一樣，具有光滑的外表，從而達(dá)到永久性的抗血栓。第八章 醫(yī)用高分子材料77第七十七頁，共一百三十一頁。3. 生物吸收性高分子材料 許多高分子材料植入人體內(nèi)后只是起到暫時(shí)替代作用，例如高分子手術(shù)縫合線用于縫合體內(nèi)組織時(shí)，當(dāng)肌體組織痊愈后，縫合線的作用即告結(jié)束，這時(shí)希望用作縫合線的高分子材料能盡快地分解并被人體吸收，以最大限度地減少高分子材料對(duì)肌體的長期影響。由于生物吸收性材料容易在生物體內(nèi)分解，參與代謝，并最終排出體外，對(duì)人體無害，因而越來

44、越受到人們的重視。第八章 醫(yī)用高分子材料78第七十八頁，共一百三十一頁。3.1 生物吸收性高分子材料的設(shè)計(jì)原理3.1.1 生物降解性和生物吸收性 生物吸收性高分子材料在體液的作用下完成兩個(gè)步驟，即降解和吸收。前者往往涉及高分子主鏈的斷裂，使分子量降低。作為醫(yī)用高分子要求降解產(chǎn)物單體、低聚體或碎片無毒，并且對(duì)人體無副作用。 第八章 醫(yī)用高分子材料79第七十九頁，共一百三十一頁。 高分子材料在體內(nèi)最常見的降解反響為水解反應(yīng)，包括酶催化水解和非酶催化水解。能夠通過酶專一性反響降解的高分子稱為酶催化降解高分子；而通過與水或體液接觸發(fā)生水解的高分子稱為非酶催化降解高分子。 從嚴(yán)格意義上講，只有酶催化降解

45、才稱得上生物降解，但在實(shí)際應(yīng)用中將這兩種降解統(tǒng)稱為生物降解。 第八章 醫(yī)用高分子材料80第八十頁，共一百三十一頁。 吸收過程是生物體為了攝取營養(yǎng)或通過腎臟、汗腺或消化道排泄廢物所進(jìn)行的正常生理過程。高分子材料一旦在體內(nèi)降解以后，即進(jìn)入生物體的代謝循環(huán)。這就要求生物吸收性高分子應(yīng)當(dāng)是正常代謝物或其衍生物通過可水解鍵連接起來的。在一般情況下，由CC鍵形成的聚烯烴材料在體內(nèi)難以降解。只有某些具有特殊結(jié)構(gòu)的高分子材料才能夠被某些酶所降解。第八章 醫(yī)用高分子材料81第八十一頁，共一百三十一頁。3.1.2 生物吸收性高分子材料的分解吸收速度 用于人體組織治療的生物吸收性高分子材料，其分解和吸收速度必須與組

46、織愈合速度同步。人體中不同組織不同器官的愈合速度是不同的，例如表皮愈合一般需要310天，膜組織的痊愈要需1530天，內(nèi)臟器官的恢復(fù)需要12個(gè)月，而硬組織如骨骼的痊愈那么需要23個(gè)月等等。第八章 醫(yī)用高分子材料82第八十二頁，共一百三十一頁。 因此，對(duì)植入人體內(nèi)的生物吸收性高分子材料在組織或器官完全愈合之前，必須保持適當(dāng)?shù)臋C(jī)械性能和功能。而在肌體組織痊愈之后，植入的高分子材料應(yīng)盡快降解并被吸收，以減少材料長期存在所產(chǎn)生的副作用。第八章 醫(yī)用高分子材料83第八十三頁，共一百三十一頁。 影響生物吸收性高分子材料吸收速度的因素有高分子主鏈和側(cè)鏈的化學(xué)結(jié)構(gòu)、分子量、凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)、疏水/親水平衡、結(jié)晶度、外

47、表積、物理形狀等。其中主鏈結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)降解吸收速度的影響較大。第八章 醫(yī)用高分子材料84第八十四頁，共一百三十一頁。 酶催化降解和非酶催化降解的結(jié)構(gòu)降解速度關(guān)系不同。 對(duì)非酶催化降解高分子而言，降解速度主要由主鏈結(jié)構(gòu)鍵型決定。主鏈上含有易水解基團(tuán)如酸酐、酯基、碳酸酯的高分子，通常有較快的降解速度。對(duì)于酶催化降解高分子，如聚酰胺、聚酯、糖苷等，降解速度主要與酶和待裂解鍵的親和性有關(guān)。酶與待裂解鍵的親和性越好，那么降解越容易發(fā)生，而與化學(xué)鍵類型關(guān)系不大。 第八章 醫(yī)用高分子材料85第八十五頁，共一百三十一頁。 此外，由于低分子量聚合物的溶解或溶脹性能優(yōu)于高分子量聚合物，因此對(duì)于同種高分子材料

48、，分子量越大，降解速度越慢。親水性強(qiáng)的高分子能夠吸收水、催化劑或酶，一般有較快的降解速度。含有羥基、羧基的生物吸收性高分子，不僅因?yàn)槠漭^強(qiáng)的親水性，而且由于其本身的自催化作用，所以比較容易降解。相反，在主鏈或側(cè)鏈含有疏水長鏈烷基或芳基的高分子，降解性能往往較差。第八章 醫(yī)用高分子材料86第八十六頁，共一百三十一頁。 在固態(tài)下高分子鏈的聚集態(tài)可分為結(jié)晶態(tài)、玻璃態(tài)、橡膠態(tài)。如果高分子材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)相同，那么不同聚集態(tài)的降解速度有如下順序：橡膠態(tài)玻璃態(tài)結(jié)晶態(tài) 顯然，聚集態(tài)結(jié)構(gòu)越有序，分子鏈之間排列越緊密，降解速度越低。第八章 醫(yī)用高分子材料87第八十七頁，共一百三十一頁。3.2 生物吸收性天然高分子

49、材料 已經(jīng)在臨床醫(yī)學(xué)獲得應(yīng)用的生物吸收性天然高分子材料包括蛋白質(zhì)和多糖兩類生物高分子。這些生物高分子主要在酶的作用下降解，生成的降解產(chǎn)物如氨基酸、糖等化合物，可參與體內(nèi)代謝，并作為營養(yǎng)物質(zhì)被肌體吸收。因此這類材料應(yīng)當(dāng)是最理想的生物吸收性高分子材料。 第八章 醫(yī)用高分子材料88第八十八頁，共一百三十一頁。 白蛋白、葡聚糖和羥乙基淀粉在水中是可溶的，臨床用作血容量擴(kuò)充劑或人工血漿的增稠劑。膠原、殼聚糖等在生理?xiàng)l件下是不溶性的，因此可作為植入材料在臨床應(yīng)用。下面對(duì)一些重要的生物吸收性天然高分子材料作簡單介紹。第八章 醫(yī)用高分子材料89第八十九頁，共一百三十一頁。3.2.1 膠原 膠原是人體組織中最根

50、本的蛋白質(zhì)類物質(zhì)，至今已經(jīng)鑒別出13種膠原，其中 IIII、V和 XI 型膠原為成纖維膠原。I 型膠原在動(dòng)物體內(nèi)含量最多，已被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)用材料和生化試劑。牛和豬的肌腱、生皮、骨骼是生產(chǎn)膠原的主要原料。 第八章 醫(yī)用高分子材料90第九十頁，共一百三十一頁。 由各種物種和肌體組織制備的膠原差異很小。最根本的膠原結(jié)構(gòu)為由三條分子量大約為1105的肽鏈組成的三股螺旋繩狀結(jié)構(gòu)，直徑為11.5nm，長約300nm，每條肽鏈都具有左手螺旋二級(jí)結(jié)構(gòu)。 膠原分子的兩端存在兩個(gè)小的短鏈肽，稱為端肽，不參與三股螺旋繩狀結(jié)構(gòu)。研究證明，端肽是免疫原性識(shí)別點(diǎn)，可通過酶解將其除去。除去端肽的膠原稱為不全膠原，可用作

51、生物醫(yī)學(xué)材料。第八章 醫(yī)用高分子材料91第九十一頁，共一百三十一頁。 膠原可以用于制造止血海綿、創(chuàng)傷輔料、人工皮膚、手術(shù)縫合線、組織工程基質(zhì)等。膠原在應(yīng)用時(shí)必須交聯(lián)，以控制其物理性質(zhì)和生物可吸收性。戊二醛和環(huán)氧化合物是常用的交聯(lián)劑。殘留的戊二醛會(huì)引起生理毒性反響，因此必須注意使交聯(lián)反響完全。膠原交聯(lián)以后，酶降解速度顯著下降。第八章 醫(yī)用高分子材料92第九十二頁，共一百三十一頁。3.2.2 明膠 明膠是經(jīng)高溫加熱變性的膠原，通常由動(dòng)物的骨骼或皮膚經(jīng)過蒸煮、過濾、蒸發(fā)枯燥后獲得。明膠在冷水中溶脹而不溶解，但可溶于熱水中形成粘稠溶液，冷卻后凍成凝膠狀態(tài)。純化的醫(yī)用級(jí)明膠比膠原本錢低，在機(jī)械強(qiáng)度要求較

52、低時(shí)可以替代膠原用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。第八章 醫(yī)用高分子材料93第九十三頁，共一百三十一頁。 明膠可以制成多種醫(yī)用制品，如膜、管等。由于明膠溶于熱水，在6080水浴中可以制備濃度為520的溶液，如果要得到 2535的濃溶液，那么需要加熱至 90100。為了使制品具有適當(dāng)?shù)臋C(jī)械性能，可參加甘油或山梨糖醇作為增塑劑。用戊二醛和環(huán)氧化合物作交聯(lián)劑可以延長降解吸收時(shí)間。第八章 醫(yī)用高分子材料94第九十四頁，共一百三十一頁。3.2.3 纖維蛋白 纖維蛋白是纖維蛋白原的聚合產(chǎn)物。纖維蛋白原是一種血漿蛋白質(zhì)，存在于動(dòng)物體的血液中。人和牛的纖維蛋白原分子量在330000340000之間，二者之間的氨基酸組成差異很

53、小。纖維蛋白原由三對(duì)肽鏈構(gòu)成，每條肽鏈的分子量在4700063500之間。除了氨基酸之外，纖維蛋白原還含有糖基。纖維蛋白原在人體內(nèi)的主要功能是參與凝血過程。第八章 醫(yī)用高分子材料95第九十五頁，共一百三十一頁。 纖維蛋白具有良好的生物相容性，具有止血、促進(jìn)組織愈合等功能，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著重要用途。 纖維蛋白的降解包括酶降解和細(xì)胞吞噬兩種過程，降解產(chǎn)物可以被肌體完全吸收。降解速度隨產(chǎn)品不同從幾天到幾個(gè)月不等。通過交聯(lián)和改變其聚集狀態(tài)是控制其降解速度的重要手段。第八章 醫(yī)用高分子材料96第九十六頁，共一百三十一頁。 目前，人的纖維蛋白或經(jīng)熱處理后的牛纖維蛋白已用于臨床。纖維蛋白粉可用作止血粉、創(chuàng)傷輔

54、料、骨填充劑修補(bǔ)因疾病或手術(shù)造成的骨缺損等。纖維蛋白飛沫由于比外表大，適于用作止血材料和手術(shù)填充材料。纖維蛋白膜在外科手術(shù)中用作硬腦膜置換、神經(jīng)套管等。第八章 醫(yī)用高分子材料97第九十七頁，共一百三十一頁。3.2.4 甲殼素與殼聚糖 甲殼素是由1, 42乙酰氨基2脫氧D葡萄糖N乙酰D葡萄糖胺組成的線性多糖。昆蟲殼皮、蝦蟹殼中均含有豐富的甲殼素。殼聚糖為甲殼素的脫乙酰衍生物，由甲殼素在4050濃度的氫氧化鈉水溶液中110120下水解24h得到。 第八章 醫(yī)用高分子材料98第九十八頁，共一百三十一頁。 甲殼素在甲磺酸、甲酸、六氟丙醇、六氟丙酮以及含有5氯化鋰的二甲基乙酰胺中是可溶的，殼聚糖能在有機(jī)

55、酸如甲酸和乙酸的稀溶液中溶解。從溶解的甲殼素或殼聚糖，可以制備膜、纖維和凝膠等各種生物制品。第八章 醫(yī)用高分子材料99第九十九頁，共一百三十一頁。 甲殼素能為肌體組織中的溶菌酶所分解，已用于制造吸收型手術(shù)縫合線。其抗拉強(qiáng)度優(yōu)于其他類型的手術(shù)縫合線。在兔體內(nèi)試驗(yàn)觀察，甲殼素手術(shù)縫合線4個(gè)月可以完全吸收。 甲殼素還具有促進(jìn)傷口愈合的功能，可用作傷口包扎材料。當(dāng)甲殼素膜用于覆蓋外傷或新鮮燒傷的皮膚創(chuàng)傷面時(shí)，具有減輕疼痛和促進(jìn)表皮形成的作用，因此是一種良好的人造皮膚材料。第八章 醫(yī)用高分子材料100第一百頁，共一百三十一頁。3.3 生物吸收性合成高分子材料 雖然生物吸收性天然高分子材料具有良好的生物相

56、容性和生物活性，但畢竟來源有限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)快速開展的現(xiàn)代醫(yī)療事業(yè)的需求。因此，人工合成的生物吸收性高分子材料有了快速開展的時(shí)間和空間。 生物吸收合成高分子材料多數(shù)屬于能夠在溫和生理?xiàng)l件下發(fā)生水解的生物吸收性高分子，降解過程一般不需要酶的參與。 第八章 醫(yī)用高分子材料101第一百零一頁，共一百三十一頁。3.3.1 聚羥基酸酯及其改性產(chǎn)物 聚酯主鏈上的酯鍵在酸性或者堿性條件下均容易水解，產(chǎn)物為相應(yīng)的單體或短鏈段，可參與生物組織的代謝。聚酯的降解速度可通過聚合單體的選擇調(diào)節(jié)。例如隨著單體中碳/氧比增加，聚酯的疏水性增大，酯鍵的水解性降低。第八章 醫(yī)用高分子材料102第一百零二頁，共一百三十一頁。

57、脂肪族聚酯有通過混縮聚和均縮聚制備的兩類產(chǎn)品。在混縮聚聚酯中，由含46個(gè)碳原子的單體合成的聚酯在生物體系環(huán)境中可以水解。例如由己二酸和乙二醇縮聚制備的聚己二酸乙二醇酯，當(dāng)其分子量小于20000時(shí)，有可能發(fā)生酶催化水解。但假設(shè)分子量大于20000，那么酶催化水解較困難，水解速度變得非常緩慢。此外，混縮聚聚酯的內(nèi)聚能較低，結(jié)晶性差，難以制備高強(qiáng)度材料。第八章 醫(yī)用高分子材料103第一百零三頁，共一百三十一頁。 由25個(gè)碳原子的羥基酸聚合得到的均縮聚聚酯能夠以較快的速度水解，與人體組織的愈合速度相近。同時(shí)，這些聚酯結(jié)晶性高，具有較高的強(qiáng)度和模量，因此，適合于加工成不同的形狀，以滿足不同的醫(yī)用目的。

58、單組分聚酯中最典型的代表是聚羥基酸及其衍生物。第八章 醫(yī)用高分子材料104第一百零四頁，共一百三十一頁。 乙醇酸和乳酸是典型的羥基酸，其縮聚產(chǎn)物即為聚羥基酸酯，即聚乙醇酸PGA和聚乳酸PLA。乳酸中的碳是不對(duì)稱的，因此有D乳酸和L乳酸兩種光學(xué)異構(gòu)體。由單純的D乳酸或L乳酸制備的聚乳酸是光學(xué)活性的，分別稱為聚D乳酸PDLA和聚L乳酸PLLA。第八章 醫(yī)用高分子材料105第一百零五頁，共一百三十一頁。 由兩種異構(gòu)體乳酸的混合物消旋乳酸制備的聚乳酸稱為聚DL乳酸PLA，無光學(xué)活性。PDLA和PLLA的物理化學(xué)性質(zhì)根本上相同，而PLA的性質(zhì)與兩種光學(xué)活性聚乳酸有很大差異。 在自然界存在的乳酸都是L乳酸

59、，故用其制備的PLLA的生物相容性最好。第八章 醫(yī)用高分子材料106第一百零六頁，共一百三十一頁。 聚羥基酸酯可通過如下兩種直接方法合成。 羥基酸在脫水劑如氧化鋅的存在下熱縮合； 鹵代酸脫鹵化氫而聚合。但是用這些方法合成的聚羥基酸酯的分子量往往只有幾千，很難超過20000。而通常只有分子量大于25000的聚羥基酸酯才具有較好的機(jī)械性能。因此，直接聚合得到的聚羥基酸酯一般只能用于藥物釋放體系，而不能用于制備手術(shù)縫合線、骨夾板等需要較高機(jī)械性能的產(chǎn)品。 第八章 醫(yī)用高分子材料107第一百零七頁，共一百三十一頁。 為了制備高分子量的聚羥基酸酯，目前采用環(huán)狀內(nèi)酯開環(huán)反響的技術(shù)路線。根據(jù)聚合機(jī)理，環(huán)狀內(nèi)

60、酯的開環(huán)聚合有三種類型，即陰離子開環(huán)聚合、陽離子開環(huán)聚合和配位開環(huán)聚合。 目前，商品聚羥基酸酯一般采用陽離子開環(huán)聚合制備。由于醫(yī)用高分子材料對(duì)生物毒性要求十分嚴(yán)格，因此要求催化劑是非毒性的。目前最常用的催化劑是二辛酸錫，其平安性是可靠的。 第八章 醫(yī)用高分子材料108第一百零八頁，共一百三十一頁。 由乙交酯或丙交酯開環(huán)聚合得到的聚酯PGA或PLA的反響式如下式所示。第八章 醫(yī)用高分子材料109第一百零九頁，共一百三十一頁。 由乙交酯或丙交酯開環(huán)聚合得到的PGA或PLA也稱為聚乙交酯或聚丙交酯。由兩種交酯共聚得到的聚酯，叫聚乙丙交酯。 PGA在室溫下為結(jié)晶態(tài),PLA在室溫下為無定形體。當(dāng)其組成(