第九章生物醫(yī)用高分子材料

第九章生物醫(yī)用高分子材料第一頁，共七十頁，2022年，8月28日（1）醫(yī)用金屬和合金。主要用于承力的骨、關(guān)節(jié)和牙等硬組織的修復(fù)和替換。不銹鋼、鈷基合金、鈦及鈦合金是目前醫(yī)用合金的三大支柱。醫(yī)用合金還有鉭、鈮和貴金屬等。（2）醫(yī)用無機(jī)陶瓷。有惰性生物陶瓷和活性生物陶瓷（羥基磷灰石陶瓷、可吸收磷酸三鈣陶瓷等）（3）醫(yī)用高分子生物材料。高分子化合物是構(gòu)成人體絕大部分組織和器官的物質(zhì)，醫(yī)用高分子生物材料包括合成（如：聚酯、硅橡膠）和天然高分子（如：膠原、甲殼素）。近來，生物降解高分子材料得到重視。（4）醫(yī)用生物復(fù)合材料。如羥基磷灰石涂復(fù)鈦合金，炭纖維或生物活性玻璃纖維增強(qiáng)聚乳酸等高分子材料。

生物醫(yī)用材料第二頁，共七十頁，2022年，8月28日隱形眼鏡手術(shù)縫合線第三頁，共七十頁，2022年，8月28日聚四氟乙烯

第四頁，共七十頁，2022年，8月28日人工關(guān)節(jié)例如：德國產(chǎn)品UHMWPE材料ISO5834-2ASTMF648可作為人工關(guān)節(jié)、人工骨骼植入人體極低的能耗……第五頁，共七十頁，2022年，8月28日人工心臟瓣膜第六頁，共七十頁，2022年，8月28日組織工程人工骨缺損修復(fù)示意圖第七頁，共七十頁，2022年，8月28日第八頁，共七十頁，2022年，8月28日

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。第九頁，共七十頁，2022年，8月28日本章內(nèi)容

9.1

醫(yī)用高分子材料概述9.2

生物惰性高分子材料9.3

生物降解高分子材料9.4

用于人造器官的功能高分子材料9.5

藥用高分子材料第十頁，共七十頁，2022年，8月28日

醫(yī)用高分子材料：指符合特殊醫(yī)用要求，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用到人體上，以醫(yī)療為目的，具有特殊要求的功能高分子材料。9.1醫(yī)用高分子材料概述一、醫(yī)用高分子材料的定義和分類第十一頁，共七十頁，2022年，8月28日分類9.1醫(yī)用高分子材料概述一、醫(yī)用高分子材料的定義和分類

按用途分類按原材料分類按功能分類第十二頁，共七十頁，2022年，8月28日治療用高分子材料

縫合線，黏膠劑，止血?jiǎng)鞣N導(dǎo)管，引流管，一次性輸血輸液器材高分子藥用材料靶向性高分子載體（肝靶向性，腫瘤靶向性），高分子藥物（干擾素，降膽敏），高分子控制釋放載體（膠囊，水凝膠，脂質(zhì)體）人造器官用材料

人造皮膚，血管，骨，關(guān)節(jié)，腸道，心臟，腎等按用途分類9.1醫(yī)用高分子材料概述一、醫(yī)用高分子材料的定義和分類

第十三頁，共七十頁，2022年，8月28日按原材料分類9.1醫(yī)用高分子材料概述一、醫(yī)用高分子材料的定義和分類

常見醫(yī)用高分子的原材料第十四頁，共七十頁，2022年，8月28日生物相容性高分子材料（血液+組織）

生物降解高分子材料（被降解吸收）

生物功能性高分子材料

（模仿人體器官功能）按功能分類9.1醫(yī)用高分子材料概述一、醫(yī)用高分子材料的定義和分類

第十五頁，共七十頁，2022年，8月28日9.1醫(yī)用高分子材料概述二、醫(yī)用高分子材料的特殊要求材料學(xué)要求醫(yī)學(xué)要求生物學(xué)要求機(jī)械強(qiáng)度、穩(wěn)定性、外觀效果藥物的控制釋放、人造血液的粘度、滲透壓、人造皮膚的促進(jìn)愈合作用與生物活體長期和平共處第十六頁，共七十頁，2022年，8月28日9.1醫(yī)用高分子材料概述二、醫(yī)用高分子材料的特殊要求生物學(xué)要求共性——相容性（血液+組織）特性——生物惰性或可生物降解性第十七頁，共七十頁，2022年，8月28日良好的血液相容性

9.1醫(yī)用高分子材料概述

血液相容性：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。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)用高分子對血液的相容性是所有性能中最重要的。第十八頁，共七十頁，2022年，8月28日內(nèi)皮損傷誘發(fā)血栓形成示意圖膠原組織因子凝血酶IIa血小板激活凝血酶原IIADPTXA2凝血瀑布血栓纖維蛋白原纖維蛋白血小板聚集血栓：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。第十九頁，共七十頁，2022年，8月28日材料界面性質(zhì)與血液相容性的關(guān)系：具有血液相容性的材料的特點(diǎn)低界面能表面具有親水或疏水性質(zhì)材料界面具有負(fù)電荷（血液中多組分呈負(fù)電性）表面附著抗凝血物質(zhì)（如肝素）9.1醫(yī)用高分子材料概述第二十頁，共七十頁，2022年，8月28日有些高分子材料本身對人體有害，不能用作醫(yī)用材料；有些高分子材料本身對人體組織并無不良的影響，但在合成、加工過程中不可避免地會(huì)殘留一些單體，或使用一些添加劑。當(dāng)材料植入人體以后，這些單體和添加劑會(huì)慢慢從內(nèi)部遷移到表面，從而對周圍組織發(fā)生作用，引起炎癥或組織畸變，嚴(yán)重的可引起全身性反應(yīng)。良好的組織相容性9.1醫(yī)用高分子材料概述組織相容性是指材料在與肌體組織接觸過程中不發(fā)生不利的刺激性，不發(fā)生炎癥，不發(fā)生排斥反應(yīng)，沒有致癌作用，不發(fā)生鈣沉積。第二十一頁，共七十頁，2022年，8月28日9.1醫(yī)用高分子材料概述提高高分子材料的組織相容性的解決方法:①提高材料的純度——材料中的有害雜質(zhì)會(huì)加速材料的老化并加劇組織與材料之間的生物化學(xué)反應(yīng)。②材料本身具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性——在體內(nèi)環(huán)境下不易老化和分解。③有良好的機(jī)械強(qiáng)度和光滑表面——使用過程中不對組織產(chǎn)生破壞和刺激。④采用與組織相容性好的材料進(jìn)行表面復(fù)合，改進(jìn)組織相容性。第二十二頁，共七十頁，2022年，8月28日生物惰性是指材料在生物內(nèi)部環(huán)境下自身不發(fā)生有害的化學(xué)反應(yīng)和物理破壞?；瘜W(xué)變化——酶、酸、堿等造成物理變化——滲透、溶解、吸附等造成良好的生物惰性9.1醫(yī)用高分子材料概述第二十三頁，共七十頁，2022年，8月28日與生物惰性的要求相反，在某些場合需要醫(yī)用高分子材料具有可生物降解性，即材料僅有有限的使用壽命，使用期過后材料可以被生物體分解和吸收。如手術(shù)用的縫合線和固定骨骼的骨水泥、骨丁等，采用可降解材料可以防止二次疼痛。9.1醫(yī)用高分子材料概述良好的生物降解性第二十四頁，共七十頁，2022年，8月28日9.2

生物惰性醫(yī)用高分子材料第二十五頁，共七十頁，2022年，8月28日9.2生物惰性高分子材料基本特點(diǎn)：良好的生物相容性（血液+組織）材料在生物環(huán)境下表現(xiàn)出的惰性即非生物降解性：不老化、不降解、不干裂、不溶解醫(yī)學(xué)應(yīng)用：人體植入材料（人工骨和骨關(guān)節(jié)材料、器官修復(fù)材料）人造組織人造器官第二十六頁，共七十頁，2022年，8月28日改善材料生物相容性的途徑①強(qiáng)親水或強(qiáng)疏水表面②親水或疏水微相分離的聚合物③表面引入生物相容性物質(zhì)（肝素、白蛋白）④引入負(fù)離子（血液中多組分呈負(fù)電性）⑤生成偽內(nèi)膜9.2生物惰性高分子材料第二十七頁，共七十頁，2022年，8月28日①改善高分子材料表面親水性強(qiáng)疏水：對血液成分吸附能力小，因此血液相容性好。如：聚四氟乙烯強(qiáng)親水：吸水后與血液表面性能接近，減小對蛋白質(zhì)的吸附。如：聚氧化乙烯（非常重要的抗凝血材料）——添加聚氧化乙烯（分子量6000）于凝血酶溶液中，可防止凝血酶對玻璃的吸附。9.2生物惰性高分子材料第二十八頁，共七十頁，2022年，8月28日

通過接枝改性調(diào)節(jié)高分子材料表面分子結(jié)構(gòu)中的親水基團(tuán)與疏水基團(tuán)的比例，使其達(dá)到一個(gè)最佳值，也是改善材料血液相容性的有效方法。第二十九頁，共七十頁，2022年，8月28日②采用親水-疏水微相分離的嵌段共聚的方法研究發(fā)現(xiàn)，具有微相分離結(jié)構(gòu)的高分子材料對血液相容性有十分重要的作用。它們基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。9.2生物惰性高分子材料第三十頁，共七十頁，2022年，8月28日

美國Ethicon公司推薦的四種醫(yī)用聚醚氨酯：Biomer，Pellethane，Tecoflex和Cardiothane基本上都屬于這一類聚合物。

原因被認(rèn)為是親水和疏水的蛋白質(zhì)被吸附于不同的微相區(qū)間，不會(huì)激活血小板表面的糖蛋白，血小板的特異識(shí)別功能表現(xiàn)不出來。第三十一頁，共七十頁，2022年，8月28日③在材料表面引入生物相容性物質(zhì)9.2生物惰性高分子材料肝素是一種硫酸多糖類物質(zhì)，含有-SO3-，-COO-及-NHSO3-等功能基團(tuán)。最早被認(rèn)識(shí)的天然抗凝血產(chǎn)物之一。第三十二頁，共七十頁，2022年，8月28日將肝素通過接枝方法固定在高分子材料表面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。9.2生物惰性高分子材料第三十三頁，共七十頁，2022年，8月28日人工合成的仿肝素共聚物，同樣具有較好的抗凝血功能9.2生物惰性高分子材料第三十四頁，共七十頁，2022年，8月28日④在材料表面引入負(fù)離子例如：將芝加哥酸（1-氨基-8-萘酚-2,4-二磺酸萘）（見下式）引入聚合物表面后，可減少血小板在聚合物表面上的粘附量，抗疑血性提高。9.2生物惰性高分子材料第三十五頁，共七十頁，2022年，8月28日人們發(fā)現(xiàn)，大部分高分子材料的表面容易沉漬血纖蛋白而凝血。如果有意將某些高分子的表面制成纖維林立狀態(tài)，當(dāng)血液流過這種粗糙的表面時(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)于在材料表面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，具有光滑的表面，從而達(dá)到永久性的抗血栓。9.2生物惰性高分子材料⑤材料表面?zhèn)蝺?nèi)膜化第三十六頁，共七十頁，2022年，8月28日生物惰性高分子材料有機(jī)硅類聚丙烯酸酯類聚氨酯聚四氟乙烯9.2生物惰性高分子材料第三十七頁，共七十頁，2022年，8月28日用于人工臟器的部分高分子材料人工臟器高分子材料心臟嵌段聚醚氨酯彈性體、硅橡膠腎臟銅氨法再生纖維素，醋酸纖維素，聚甲基丙烯酸甲酯，聚丙烯腈，聚砜，乙烯-乙烯醇共聚物（EVA），聚丙烯，聚碳酸酯，聚甲基丙烯酸-β-羥乙酯肝臟賽璐玢（cellophane），聚甲基丙烯酸-β-羥乙酯胰臟共聚丙烯酸酯中空纖維肺硅橡膠，聚丙烯中空纖維，聚烷砜關(guān)節(jié)、骨超高分子量聚乙烯，高密度聚乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯，尼龍，聚酯第三十八頁，共七十頁，2022年，8月28日皮膚硝基纖維素，聚硅酮-尼龍復(fù)合物，聚酯，甲殼素角膜聚甲基丙烯酸甲酯，聚甲基丙烯酸-β-羥乙酯，硅橡膠玻璃體硅油，聚甲基丙烯酸-β-羥乙酯鼻、耳硅橡膠，聚乙烯血管聚酯纖維，聚四氟乙烯，嵌段聚醚氨酯人工紅血球全氟烴人工血漿羥乙基淀粉，聚乙烯基吡咯烷酮膽管硅橡膠用于人工臟器的部分高分子材料第三十九頁，共七十頁，2022年，8月28日9.3生物降解性高分子材料第四十頁，共七十頁，2022年，8月28日9.3生物降解性高分子材料生活便利能源消耗高分子材料使用廢棄后如何處理？回收再利用

焚燒

填埋既保證生活品質(zhì)又減少環(huán)境污染，必須從源頭做起，大力開發(fā)和推廣生物降解高分子材料，這是治標(biāo)治本的好方法，符合當(dāng)今高分子材料綠色化的潮流。

環(huán)境污染塑料制品的使用第四十一頁，共七十頁，2022年，8月28日生物降解材料（美國ASTM材料和實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)定義）：在自然界微生物(細(xì)菌、真菌、藻類等)作用下能發(fā)生物理、化學(xué)、生物作用而降解或酶解的材料。9.3生物降解性高分子材料一、高分子材料的生物降解機(jī)理光化學(xué)降解熱化學(xué)降解生物化學(xué)降解高分子降解第四十二頁，共七十頁，2022年，8月28日（3）微生物吸收或消耗碎片，經(jīng)代謝最終形成二氧化碳和水等。（1）高分子材料的表面被微生物粘附。（2)在微生物分泌的酶的作用下，高分子斷裂成相對小的分子碎片。9.3生物降解性高分子材料一、高分子材料的生物降解機(jī)理生物降解過程第四十三頁，共七十頁，2022年，8月28日生物降解過程的影響因素1化學(xué)結(jié)構(gòu)與生物降解能力的關(guān)系（含可水解基團(tuán)）水解強(qiáng)度：酸酐>碳酸酯>酰胺9.3生物降解性高分子材料2材料性質(zhì)和結(jié)構(gòu)對水解過程的影響3影響水解的外界條件(溫度、水分、酸堿度)一、高分子材料的生物降解機(jī)理第四十四頁，共七十頁，2022年，8月28日易降解高分子結(jié)構(gòu)難降解高分子結(jié)構(gòu)直鏈側(cè)鏈、支鏈、交聯(lián)脂肪族芳香族非晶體晶態(tài)低相對分子量高相對分子量親水性疏水性表面粗糙表面光滑9.3生物降解性高分子材料生物降解過程的影響因素——分子結(jié)構(gòu)一、高分子材料的生物降解機(jī)理第四十五頁，共七十頁，2022年，8月28日由人工合成的結(jié)構(gòu)內(nèi)具有可水解結(jié)構(gòu)的縮合型高分子。合成可降解高分子材料合成可降解性高分子的結(jié)構(gòu)高分子類型主鏈鍵合形式降解產(chǎn)物聚酯-C-COO-C--COOH+HO-C-聚醚-C-O-C--C-OH+HO-C-聚氨酯-C-O-CO-NH-C--C-OH+CO2+H2N-C-聚酰胺-C-CO-NH-C--C-C-CO-OH+H2N-C-天然可降解高分子材料由生物體內(nèi)提取或自然環(huán)境中直接得到的一類大分子；具有良好的生物相容性和可降解性，但機(jī)械性能較差。具有商業(yè)應(yīng)用價(jià)值的天然高分子生物可降解材料主要有淀粉、植物纖維、殼聚糖、膠原蛋白等，其中尤其以改性后的淀粉塑料最為重要?！锝到獠牧系姆N類與性能9.3生物降解性高分子材料第四十六頁，共七十頁，2022年，8月28日9.3生物降解性高分子材料二、人工合成可生物降解高分子材料聚乳酸類聚原酸酯類聚碳酸酯類聚酸酐類聚磷嗪類第四十七頁，共七十頁，2022年，8月28日9.3生物降解性高分子材料二、人工合成可生物降解高分子材料聚乳酸類聚原酸酯類聚碳酸酯類聚酸酐類聚磷嗪類第四十八頁，共七十頁，2022年，8月28日9.3生物降解性高分子材料二、人工合成可生物降解高分子材料聚乳酸類聚原酸酯類聚碳酸酯類聚酸酐類聚磷嗪類第四十九頁，共七十頁，2022年，8月28日聚乳酸典型生物降解高分子材料聚乳酸是無毒的高分子化合物，與石油化學(xué)合成樹脂相比，具有良好的生物相容性、可降解性、機(jī)械物理性能。研究表明，聚乳酸使用后埋在土壤中6～12個(gè)月即能被自然界中微生物完全降解，最終生成二氧化碳和水，不污染環(huán)境。

第五十頁，共七十頁，2022年，8月28日聚乳酸51典型生物降解高分子材料聚乳酸是無毒的高分子化合物，與石油化學(xué)合成樹脂相比，具有良好的生物相容性、可降解性、機(jī)械物理性能。研究表明，聚乳酸使用后埋在土壤中6-12個(gè)月即能被自然界中微生物完全降解，最終生成二氧化碳和水，不污染環(huán)境。

第五十一頁，共七十頁，2022年，8月28日

聚乳酸的制備直接縮聚法：通過乳酸分子間脫水、酯化、逐步縮合聚合成聚乳酸。要想獲得高分子量的聚乳酸，水分的脫出及抑制聚合物的降解是直接法的關(guān)鍵。聚乳酸直接縮聚合成方法主要可分為溶液聚合和熔融聚合。332Mw=2,000-10,000第五十二頁，共七十頁，2022年，8月28日乳酸原料轉(zhuǎn)化成丙交酯

PLA

聚乳酸的制備丙交酯開環(huán)聚合法：丙交酯開環(huán)聚合得到預(yù)期的較高分子量(Mw>100,000

)PLA產(chǎn)品。連續(xù)熔融聚合和間歇熔融聚合第五十三頁，共七十頁，2022年，8月28日9.3生物降解性高分子材料第五十四頁，共七十頁，2022年，8月28日聚乳酸手術(shù)縫合線聚乳酸應(yīng)用緩釋藥物載體組織工程耳朵第五十五頁，共七十頁，2022年，8月28日聚乳酸應(yīng)用聚乳酸包裝袋聚乳酸一次性餐具第五十六頁，共七十頁，2022年，8月28日人工合成生物降解材料存在的主要問題價(jià)格昂貴，不易推廣應(yīng)用加工困難，尚未完全達(dá)到實(shí)用階段降解可控、回收利用等技術(shù)不足尚無統(tǒng)一評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)人工合成，工藝復(fù)雜、性能不穩(wěn)定主要問題第五十七頁，共七十頁，2022年，8月28日具有商業(yè)應(yīng)用價(jià)值的天然高分子生物可降解材料主要有淀粉、植物纖維、甲殼質(zhì)衍生物、膠原蛋白等，其中尤其以改性后的淀粉塑料最為重要。三、天然可生物降解高分子材料9.3生物降解性高分子材料第五十八頁，共七十頁，2022年，8月28日典型生物降解高分子材料淀粉顆粒的掃描電子顯微鏡照片優(yōu)點(diǎn)：來源豐富、價(jià)格低廉、生物降解性好。

缺點(diǎn)：強(qiáng)極性、強(qiáng)結(jié)晶性、熱塑性差、加工困難、極強(qiáng)的親水性、耐候性差。淀粉(a)玉米淀粉(b)小麥淀粉第五十九頁，共七十頁，2022年，8月28日淀粉應(yīng)用環(huán)保玉米淀粉牙簽淀粉基一次性餐具第六十頁，共七十頁，2022年，8月28日淀粉基容器包裝材料淀粉應(yīng)用淀粉基環(huán)保袋目前，淀粉塑料產(chǎn)量在眾多品種的生物降解塑料中居首位，占總量的2/3以上，我國建成的降解塑料生產(chǎn)線絕大多數(shù)是生產(chǎn)填充型淀粉塑料和雙降解淀粉塑料。第六十一頁，共七十頁，2022年，8月28日

淀粉類生物降解性產(chǎn)品的潛在優(yōu)勢在于:

①淀粉在各種環(huán)境中都具備完全生物降解能力;②塑料中的淀粉分子降解或灰化后，形成二氧化碳?xì)怏w，

不對土壤或空氣產(chǎn)生毒害;③采取適當(dāng)?shù)墓に囀沟矸蹮崴芑罂蛇_(dá)到用于制造塑料材料的機(jī)械性能;④淀粉是可再生資源。第六十二頁，共七十頁，2022年，8月28日

殼聚糖（chitosan）甲殼素脫乙?；玫降漠a(chǎn)物，是已知的唯一的含氮堿性多糖。9.3生物降解性高分子材料

甲殼質(zhì)（chitin）是重要的海洋生物資源，自然界每年生產(chǎn)的甲殼素有100億噸，主要來源于蝦殼，蟹殼，昆蟲殼和微生物等。脫乙?；诹摚财呤?，2022年，8月28日甲殼質(zhì)衍生物在生物醫(yī)藥方面的應(yīng)用(1)醫(yī)用纖維和膜材料(2)藥物載體(3)凝血材料人造皮膚(4)高分子藥物(5)人造器官9.3生物降解性高分子材料第六十四頁，共七十頁，2022年，8月28日(1)醫(yī)用纖維和膜材料(2)藥物載體(3)凝血材料人造皮膚(4)高分子藥物(5)人造器官甲殼素和殼聚糖及其衍生物溶液具有良好的可紡性，可以采用濕法或干法方式制成纖維。殼聚糖纖維制成的手術(shù)縫合線在傷口愈合后可不必拆線。甲殼質(zhì)衍生物在生物醫(yī)藥方面的應(yīng)用第六十五頁，共七十頁，2022年，8月28日(1)醫(yī)用纖維和膜材料(2)藥物載體(3)