高分子和生物體系的相互作用

生物高分子及制品內(nèi)容第一章緒論第二章高分子和生物體系的相互作用第三章生物相容性材料第四章人工器官用材料第五章醫(yī)療診斷用高分子材料第六章藥物緩釋第七章材料的安全性評價第八章介紹醫(yī)用高分子材料的構造、形態(tài)、機能和醫(yī)用材料的設計第二章高分子和生物體的相互作用2.1醫(yī)用高分子的基本功能醫(yī)用高分子材料多用于人體，直接關系到人的生命和健康，因此對醫(yī)用高分子材料的性能有一些一般，但相對于通用高分子材料特殊的要求。安全性、物理化學和機械性能、適應性、特殊功能。

第二章相互作用第二章高分子和生物體的相互作用2.1醫(yī)用高分子的基本功能物理功能物理化學功能生物體適應的種類第二章相互作用

生物醫(yī)用材料設計和制造的目的:就是能夠代替臟器的功能，或具有與臟器相對應的功能。

目前，合成醫(yī)用材料的物理和化學性能一般都能夠達到所必須的要求；還必須具有更高層次的性能，如考慮與生物體成分的相互作用等。第二章相互作用生物功能性分類物理功能物理化學功能高層次生物功能第二章相互作用生物功能性分類-1物理功能

內(nèi)容應用舉例

強度支持，構造保持 人工骨，人工牙齒，人工關節(jié)被覆，鎖閉損傷皮膚表面，組織損傷部位閉合，縫合線，卡釘，骨釘?shù)诙孪嗷プ饔蒙锕δ苄苑诸?1物理功能

內(nèi)容應用舉例

管道，泵，瓣膜， 人工血管，人工食道，

閥人工氣管，分路器，人工心臟，人工瓣膜

電學性質探測器

光學性質 人工眼球，隱形眼鏡 第二章相互作用生物功能性分類-2化學功能

內(nèi)容應用舉例第二章相互作用接合，填充，物質移動，選擇吸附骨水泥，醫(yī)用粘合劑，血液凈化，人工肺，隱形眼鏡人工肝，免疫吸附生物功能性分類-3高層次生物功能

內(nèi)容應用舉例第二章相互作用化學測量，化學反應，生物功能生物傳感器，生物反應器，雜化人工器官2.1.1物理機能A力學性質

醫(yī)用材料的種類很多，如人工器官、軟組織材料、硬組織材料，牙科、骨科、整形外科等用的材料，都要求具有一定的力學性能。研究生物材料力學性能的專門學科——生物力學。第二章相互作用2.1.1物理機能A力學性質

生物力學是應用力學原理和方法對生物體中的力學問題定量研究的生物物理學分支。其研究范圍從生物整體到系統(tǒng)、器官(包括血液、體液、臟器、骨骼等)，從鳥飛、魚游、鞭毛和纖毛運動到動物體液的輸運等。第二章相互作用2.1.1物理機能A力學性質

生物力學的基礎是能量守恒、動量定律、質量守恒三定律并加上描寫物性的本構方程。生物力學研究的重點是與生理學、醫(yī)學有關的力學問題。

第二章相互作用2.1.1物理機能A力學性質

生物力學根據(jù)研究對象的不同可分為生物流體力學、生物固體力學和運動生物力學等。醫(yī)用高分子材料所涉及的力學性質屬于“生物固體力學”范圍。

第二章相互作用人工牙齒第二章相互作用人工股骨置換第二章相互作用骨科用的材料要求具有比較高的強度。粘彈性——高分子材料。開裂變形：在一定的負荷應力作用下，材料隨著時間的變形現(xiàn)象。應力松弛粘彈性材料應力速度依賴性。第二章相互作用第二章相互作用表2-2人體牙齒、牙周支持組織的彈性模量及泊松比與部分高分子材料的比較材料彈性模量（GPa）泊松比材料彈性模量（GPa）泊松比牙齒20.290.3尼龍2.80.4皮質骨23.230.3硬橡膠2.80.43松質骨78.40.3低壓聚乙烯0.9牙周膜0.0690.45聚砜2.5聚碳酸酯2.2B涂覆和修復機能

皮膚表面損傷后的涂覆和損傷裂口的修復。材料的要求：強度要求不高，但要求具有一定的柔軟性，皮膚涂覆材料與正常皮膚的伸縮性的要求。材料的來源：生物由來的材料比較合適。第二章相互作用第二章相互作用

生物軟組織與合成高分子材料的最大區(qū)別：生物體軟組織材料的水分含量特別高。第二章相互作用

損傷部位的修復材料是與生物體本身的組織進行物理結合。例如縫合線，目前用生物可降解性材料，在傷口愈合后自身降解，被生物體吸收。第二章相互作用C導管、泵類

人工血管，食管和氣管等要求必須具有一定的柔軟性。特別是人工血管和氣管必須與宿主材料的力學特性一致。所使用材料的彈性也需要一致。第二章相互作用Lifespan膨體聚氟乙烯（ePTFE）人工血管

第二章相互作用Albograft滌綸人工血管

第二章相互作用第二章相互作用人工血管一般有三個基本性能強度?？锥龋涸?20mmHg（1mmHg=01133kPa）壓力下，每平方厘米人工血管每分鐘漏血量稱為孔度。

順應性：人體動脈管腔隨血壓變化而出現(xiàn)的“脈動”對穩(wěn)定血流起著重要作用。同樣，人工血管管壁也應具備隨血流壓力出現(xiàn)相應的收縮和舒張能力，這種在壓力變化下出現(xiàn)的容積變化稱為順應性。

第二章相互作用順應性表2-3各類人工血管材料順應性名稱順應性(%)針織滌綸1.97凝膠涂層滌綸0.90機織滌綸0.80聚氨酯(中孔型)2.90標準ePTFE0.22薄型ePTFE0.60人體股動脈4.10D電性能

對生物體組織直接使用電刺激時，使用金屬導線，與體液等必須絕緣，因此在金屬材料表面必須有高分子材料絕緣。第二章相互作用E光學性能

眼科用的高分子材料。要求材料的光學性能與眼睛某些部位的一致。包括角膜和水晶體的曲折率、曲率半徑和厚度：第二章相互作用曲折率：水晶體1.386-1.406，角膜1.376，淚液=房水=銷子體=1.336。高分子材料PMMA的曲折率為1.49。第二章相互作用第二章相互作用2.1.2物理化學機能A接合、填充使用生物接合劑的領域：血管外科、消化器外科、形成外科、腦神經(jīng)外科、整形外科、牙科等領域。第二章相互作用2.1.2物理化學機能接合的機理：一次結合力：共有結合，一般是化學結合二次結合力：主要是氫鍵和分子間的相互作用力；三次結合力：一般是指機械的鑲嵌等。第二章相互作用第二章相互作用B物質的移動血液中病因物質如尿素、肌肝等清除用的血液透析膜。血液中二氧化碳清除的人工肺等。牽涉到物質的移動。第二章相互作用擴散系數(shù)：JA=-DAdcA/dZ=-DA(c1-c2)/ZM這里DA為擴散系數(shù)（Diffusioncoefficient），dcA/dZ為Z方向的濃度微分，ZM膜的厚度，c1，c2分別為膜兩邊的濃度。第二章相互作用第二章相互作用C選擇性吸附醫(yī)用材料表面對蛋白質的吸附。Langmuir式v=vm*ac/(1+ac)Freundlich式v=ac1/bFrumkin-Chomkin式v=a*ln(bc)這里v為吸附量，vm為平衡吸附量；a、b、c均為系數(shù)。高分子材料表面對蛋白質的吸附一般為Langmuir吸附。第二章相互作用第二章相互作用吸附分離是利用吸附劑和被分離物質的分子間的相互作用達到對該物質的吸附分離。VanderWaals力和靜電力利用的非特異性分離，多孔性的非特異分離。有時也存在一定的特異分離。發(fā)生化學結合一般都是特異性分離。第二章相互作用2.1.3生物體適應的種類第二章相互作用根據(jù)生物進化學說，發(fā)展到今天的生物都具有高度的適應性，也就是說生物體的結構與功能是適應的，它對內(nèi)能協(xié)調(diào)統(tǒng)一，對外能適應復雜多變的環(huán)境。

DNA分子——獨特的雙螺旋結構，適應它的兩個重要功能，即自我復制——遺傳信息的傳遞，控制蛋白質的合成——遺傳信息的表達。2.1.3生物體適應的種類第二章相互作用動物的適應:保護色、警戒色、擬態(tài)

2.1.3生物體適應的種類適應性 種類 方法表面的 非刺激性材料表面性質的控制（抗血栓性）抗血栓性物質的利用組織接著性軟組織接著表面的形成硬組織接著表面的形成本體的力學整合性柔軟性、剛直性、強度設計的調(diào)和性置入材料 第二章相互作用2.2生體反應是指生物體與材料的相互作用。高分子材料溶出的低分子量物質，會引起生物體的全身反應。2.2.1生物相容性的概念生物體與材料之間的相互作用就是與生物相容性相關的問題。第二章相互作用生物相容性是研究生物材料時最先而又為生物材料學專家們所觀注的課題，前面生物安全性指標中涉及的，如材料的溶血性、過敏性、皮內(nèi)刺激、包埋實驗、骨髓細胞微核試驗和細胞培養(yǎng)實驗等內(nèi)容，實際上也屬于生物相容性的范疇。第二章相互作用生物相容性的具體內(nèi)容最初僅指材料表面的抗凝性，但隨著人工腎和血液凈化治療的發(fā)展，由于血液透析過程中出現(xiàn)“首次使用綜合癥，F(xiàn)US”，因而對生物材料，特別是分離膜的生物相容性便逐漸擴大到對機體免疫系統(tǒng)的影響及其臨床后果等范圍。第二章相互作用BiocompatibilitytestingBiocompatibilitytestingisanintegralpartofbiomaterials.

Ifthepartworksperfectlyinthelab,butcausesdamageonceinsidethebody,theeffectscouldbecatastrophic.

Testingrangesfromtheverysimplebloodtesttomoreintricatetestingwithtissuecultures.第二章相互作用生物相容性的定義1994年在生物相容性統(tǒng)一觀點的會議記錄中，建議生物相容性可定義為：“在特殊應用中，材料、醫(yī)用裝置，或治療系統(tǒng)能完成其功能，但又不會在臨床上明顯地引起宿主的反應”。與血液接觸的生物材料，主要是血液相容性第二章相互作用材料表面在與血液接觸時，機體的①凝血系統(tǒng)，②溶纖系統(tǒng)，③激肽系統(tǒng)和④補體系統(tǒng)將產(chǎn)生一系列的防御反應，各系統(tǒng)之間又有相關聯(lián)的反應，其中補體在血液凈化過程中因活化而產(chǎn)生的C3b,iC3b,C5a,和C5adesarg等降解產(chǎn)物會進一步引起一系列的臨床過敏反應和后果。第二章相互作用第二章相互作用第二章相互作用第二章相互作用血液——生物材料相互作用的測定表明有關的特征是蛋白吸附、血小板反應、內(nèi)源性凝血、纖溶活化、紅細胞、白細胞和補體激活。影響臨床應用的是生物材料血液反應的因素是生物材料的結構、抗血栓物質，疾病和藥物治療所決定的病人狀態(tài)。生物材料的評價方法采用臨床、體內(nèi)、半體內(nèi)和體外方法，材料的開發(fā)用半體內(nèi)和體外方法。第二章相互作用第二章相互作用(1)抗凝性

血液在與材料表面接觸時：①材料表面很快吸附一層血蛋白，如能引起血細胞粘附的白蛋白，纖維連接素，或引起止血和形成血栓的纖維蛋白原、纖維蛋白、凝血酶、接觸因子Ⅻ、高分子量激肽酶原VonWilkbrand因子，或引起炎癥和免疫反應的球蛋白、免疫復合因子、補體碎片C3b。這些血蛋白在材料表面相互之間進行著動態(tài)的解吸和再吸附的競爭。隨著時間延長和其它因素的影響，被牢固吸附的血蛋白的構象發(fā)生改變。第二章相互作用(1)抗凝性

血液在與材料表面接觸時：②血小板和白細胞粘附在構象改變蛋白吸附層上形成血小板栓子，③進一步將凝血系統(tǒng)活化并導致凝血酶產(chǎn)生和形成纖維蛋白。第二章相互作用第二章相互作用血液動力學的情況直接影響到血栓的大小、在血液凈化系統(tǒng)中形成的部位，血栓的結構及其碎裂情況。在產(chǎn)生湍流的部位，如連接處、分離器內(nèi)、血流管路縮小和分枝部位會形成大塊的血栓沉積物，甚至可將整個循環(huán)系統(tǒng)堵塞。第二章相互作用(2)對免疫系統(tǒng)的影響

“首次使用綜合癥”就是在使用銅芬膜后發(fā)現(xiàn)的，表現(xiàn)在引起機體產(chǎn)生一系列防御反應，臨床表現(xiàn)為輕者惡心、嘔吐、胸痛、呼吸困難、皮疹、麻疹等過敏反應，重者則呈過敏性休克和其它病癥。Ringoir和Vanholder在1992年的綜述性文章中，曾明確提出應當拒絕把銅芬膜一類的血液凈化膜用于臨床。第二章相互作用第二章相互作用第二章相互作用BiomaterialThedefinitionofabiomaterialcoversabroadarea.

Infact,anynaturalorsyntheticmaterialthatinterfaceswithlivingtissueand/orbiologicalfluidsmaybeclassifiedasabiomaterial.

Evencommonmaterialssuchaspolyesterhaveshownusefulnessin

somebiomedicalapplications第二章相互作用BiocompatibilityInordertodefinebiocompatibility,itmaybeeasiertodefinewhatitisnot,ratherthanwhatitis.

A

biocompatiblematerialdisruptsnormalbodyfunctionsaslittleaspossible.

Therefore,thematerialcausesnothrombogenic,toxic,orallergicinflammatoryresponsewhenthematerialisplacedinvivo.

Thematerialmustnotstimulatechangesinplasmaproteinsandenzymesorcauseanimmunologicreaction,norcanitinstigatecarcinogenic,mutagenic,orteratogenic(grosstissuechange)effects.第二章相互作用PolymersPolymersconsistofsmallrepeatingunits,orisomers,strungtogetherinlongchains.

Theflexiblestructureofpolymershasenabledthisgroupofmaterialstobeusefulinapplicationsfromplasticgarbagebagstorubbertires.

EvenDNAhasfoundthisstructureuseful,storinggeneticinformationinthousandsuponthousandsofrepeatingsequencesofpolymers.

Inmanymaterials,processingconditionscaninducethepolymerchainstolinkwitheachotheralongthelengthofthechaintoproduceawidevarietyofmechanicalproperties.

Thisisknownascross-linking.

Cross-linkingcanincreasethedensityofmaterialstoimprovetheirstrengthandhardness;however,cross-linkedmaterialsoftenlosetheirflexibilityandbecomemorebrittle.

Theseparametersareeasilyvariedinordertosuitcurrentbiomedicalapplications.

第二章相互作用polyethylene(PE)Thewideuseofpolyethylene(PE)inmedicineillustratestheversatilitytypicalofapolymer.

Dependingontheprocessingofthematerial,PEcanbeelasticandflexible,orhardandsmooth.

Low-densitypolyethyleneservesastubingincatheters,whileultra-high-molecular-weight(UHMW)polyethyleneisoneofthemajorarticulatingsurfacesusedintotalhiporkneereplacements.

ThesmoothsurfaceofUHMWcreatesextremelylowfrictionwithothermaterialsandincreasesthedurabilityoftheartificialjointexponentially.第二章相互作用HydrogelsHydrogelscompriseanothersubdivisionofthisuniquegroupofmaterials.

Thesepolymerstructuresformahydrophiliccross-linkednetworkthatswellsinwateruntilanequilibriumisreachedbetweentheretractiveforceofthenetworkandthethermodynamicswellingforce.

Theycanexistashomopolymers,copolymers,ormultipolymersthatareionicallyneutral,anionic,cationicorampholytic.

Ingeneral,hydrogelsexhibitgoodbiocompatibility,lowdegradation,andprocessingease.

Hydrogelscanbeproducedwithawiderangeofswellingcharacteristics,whichplayamajorroleindeterminingsolutediffusionrates,surfaceproperties,refractiveindexes,andmechanicalcharacteristics.

Cellulosederivativessuchaspoly(vinylalcohol)(PVA),poly(ethyleneglycol)(PEG),andpoly(N-vinyl2-pyrrolidone)(PNVP)swelltoahigherdegreethanpoly(hydroxyethylmethacrylate)(PHEMA)anditsderivatives.第二章相互作用BiodegradablePolymersNaturalandsyntheticbiodegradablepolymershaveemergedinthefieldasreliableandeffectivematerialsforpurposesthatrequireonlytemporarystabilityinordertosupporttissueingrowth.

Biodegradablepolymersdegradewhenplacedinthebodywhileallowingfunctionaltissuetogrowinitsplace.

Themechanismofdegradationforthesetypesofpolymersincludeshydrolyticinstability,hydration,molecularbackbonecleavage,lossofmolecularweight,andsolubilization.第二章相互作用生物相容性及安全性醫(yī)用高分子首先應考慮的是該材料的生物安全性和材料的生物相容性。用途不同，對醫(yī)用高分子材料生物相容性的要求也有區(qū)別，如血液接觸材料，血液相容性就變得特別重要，如血小板粘附。第二章相互作用隨著對醫(yī)用