放射生物物理與靶材料工藝學(xué)4醫(yī)用材料輻射工藝技術(shù)

第四章

生物醫(yī)學(xué)材料的輻射工藝醫(yī)用水凝膠人工關(guān)節(jié)鮮花種在“果凍〞狀高分子吸水材料上水凝膠與傷口被覆凝膠

生物功能性聚合物與藥物緩釋體系

醫(yī)用有機(jī)硅及聚氨酯

醫(yī)用吸水性材料

本章內(nèi)容第一節(jié)生物醫(yī)學(xué)材料概述生物醫(yī)學(xué)材料開(kāi)展簡(jiǎn)況生物醫(yī)學(xué)材料是生物醫(yī)學(xué)科學(xué)中的最新分支交叉學(xué)科，涉及到化學(xué)、物理學(xué)、高分子化學(xué)、高分子物理學(xué)、生物物理學(xué)、生物化學(xué)、生理學(xué)、藥物學(xué)、根底與臨床醫(yī)學(xué)等很多學(xué)科。ISO定義，生物材料〔Biomaterials〕即生物醫(yī)學(xué)材料〔BiomedicalMaterials〕，它是指“以醫(yī)療為目的，用于與組織接觸以形成功能的無(wú)生命的材料〞。另有定義是：具有天然器官組織的功能或天然器官局部功能的材料。生物材料的開(kāi)發(fā)和利用可追溯到3500年前，那時(shí)的古埃及人就開(kāi)始利用棉纖維、馬鬃作縫合線縫合傷口；印第安人那么使用木片修補(bǔ)受傷的顱骨。2500年前，中國(guó)和埃及的墓葬中就發(fā)現(xiàn)有假牙、假鼻和假耳。人類(lèi)很早就用黃金來(lái)修復(fù)缺損的牙齒，并沿用至今。1588年人們用黃金板修復(fù)顎骨。1775年就有用金屬固定體內(nèi)骨折的記載。1851年創(chuàng)造了天然橡膠的硫化方法后，有人采用硬膠木制作了人工牙托的顎骨。目前，器官移植取得巨大進(jìn)展，但有難題：排異、器官來(lái)源、法律、倫理等。因此醫(yī)學(xué)界對(duì)生物醫(yī)學(xué)材料和人工器官的要求日益增加。期待：合成新材料+體外培育組織工程牛軟骨細(xì)胞在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)生長(zhǎng)，作為種子種植在用合成材料預(yù)制的耳支架上，埋植于大鼠背部皮下，目前尚處于實(shí)驗(yàn)室階段。當(dāng)前被詳細(xì)研究過(guò)的生物材料已超過(guò)1000種，被廣泛應(yīng)用的有90多種，1800多種制品。西方國(guó)家每年耗用生物材料量以10~15%的速度增長(zhǎng)，1980年全球醫(yī)用生物材料及制品的銷(xiāo)售額為200億美元，1990年達(dá)500億美元，1995年近1000億美元。我國(guó)生物材料的研究起步較晚〔五十年代〕，但開(kāi)展很快。生物醫(yī)學(xué)材料分類(lèi)：有多種分類(lèi)方法化學(xué)分類(lèi)：生物醫(yī)學(xué)材料可以分為無(wú)機(jī)材料和有機(jī)材料兩個(gè)大類(lèi)按功能分類(lèi)：藥物控制釋放材料、納米生物醫(yī)學(xué)材料、生物活性材料、組織工程材料、介入診斷和治療材料、可降解和吸收生物材料、整形美容外科生物材料等。生產(chǎn)要求：滿足材料的人體功能、生物相容性和人體平安性，及特殊要求如材料的靜載強(qiáng)度、彈性模量、耐體液腐蝕性和加工成型等常用的兩種分類(lèi)方法

抗凝血材料〔心血管材料〕、齒科材料、骨科材料、眼科材料、吸附解毒材料〔血液灌流用〕、假體材料、緩釋材料、生物粘合材料、透析及超濾用膜材料、一次性醫(yī)用材料，等等。按應(yīng)用性質(zhì)來(lái)分類(lèi)按材料生物屬性分類(lèi)天然生物材料—再生纖維、膠原、透明質(zhì)酸、甲殼素等。合成材料—硅橡膠、聚氨脂及其嵌段共聚物、滌綸、尼龍、聚丙烯腈、聚烯烴醫(yī)用金屬材料—不銹鋼、鈦及鈦合金、鈦鎳記憶合金等無(wú)機(jī)材料—碳素材料、生物活性陶瓷、玻璃材料雜化生物材料—指來(lái)自活體的天然材料與合成材料的雜化，如膠原與聚乙烯醇的交聯(lián)雜化等復(fù)合生物材料—用碳纖維增強(qiáng)的塑料，用碳纖維或玻璃纖維增強(qiáng)的生物陶瓷、玻璃等本章重點(diǎn)：醫(yī)用高分子材料輻射改性高分子：分子量在幾萬(wàn)至幾百萬(wàn)，如蛋白質(zhì)、棉、毛、木材、松香、橡膠、塑料、合成纖維?！裉烊桓叻肿硬牧希喝缢上恪窈铣筛叻肿硬牧希河傻头肿恿康幕衔锝?jīng)過(guò)各種化學(xué)反響而制得的高分子量的樹(shù)脂狀物質(zhì)，如聚氯乙烯、聚乙烯。塑料主要成分就是合成樹(shù)脂。屬于邊緣學(xué)科，涉及高分子化學(xué)、物理學(xué)、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)、臨床醫(yī)學(xué)、工程學(xué)等學(xué)科，及醫(yī)療器械的設(shè)計(jì)、制造等。

生物相容性包括宿主反響：材料對(duì)活體系統(tǒng)的作用。包括局部和全身反響，如炎癥、細(xì)胞毒性、溶血、刺激性、致敏、致癌、致誘變、致畸和免疫等。材料反響：活體系統(tǒng)對(duì)材料的腐蝕和降解，使材料發(fā)生退化或破壞，難以到達(dá)長(zhǎng)期應(yīng)用的目的?！惭合嗳菪?組織相容性〕高分子材料一些高分子與低分子材料分子量

醫(yī)用高分子材料要求：化學(xué)穩(wěn)定性高、無(wú)毒副作用、耐老化、耐疲勞，以及具有生物相容性等。

它是生物醫(yī)學(xué)材料中開(kāi)展最早、應(yīng)用最廣、用量最大的材料，也是正在迅速開(kāi)展的一個(gè)重要領(lǐng)域，電離輻射可以引起高分子材料分子結(jié)構(gòu)和功能的改變，在生物高分子材料改性和尋找材料新功能方面有重要應(yīng)用前景。電離輻射在生物材料中的特點(diǎn)1.受照射生成自由基或離子，引發(fā)生物材料自身發(fā)生輻射聚合、輻射接枝與輻射交聯(lián)或降解反響方法簡(jiǎn)單。2.在輻射合成、加工過(guò)程中無(wú)需引入任何引發(fā)劑或添加劑，所得產(chǎn)物純潔，是生物醫(yī)用高分子材料的臨床應(yīng)用重要特征。3.一些熱敏性生物材料不能在高溫下處理，而輻照加工或改性的材料可在室溫、甚至低溫下進(jìn)行。4.電離輻射不僅起到加工的作用，同時(shí)還具有殺滅細(xì)菌和病毒的作用，方便快“潔〞。第二節(jié)水凝膠與傷口被覆凝膠一、醫(yī)用水凝膠的根本概念水凝膠〔Hydrogels〕指水溶性聚合經(jīng)過(guò)輕度交聯(lián)形成的空間網(wǎng)絡(luò)聚合物，它隨外部環(huán)境的不同可引起自身體積的變化，某些微小環(huán)境如溫度、pH、溶劑組成、離子強(qiáng)度、電場(chǎng)和光等都有可能導(dǎo)致水凝膠體積的明顯變化。應(yīng)用：抗菌性人造皮膚、人工滲析膜材料，人造骨及其它功能高分子材料等，應(yīng)用水凝膠對(duì)pH敏感性原理還建立了藥物控制釋放體系。1.結(jié)構(gòu)的多孔性可使它在使用前就把殘留的引發(fā)劑及其分解產(chǎn)物、雜質(zhì)從水凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中排出掉。2.可溶脹大于它自身幾倍、幾十倍的水量，用于皮膚抗枯燥、醫(yī)用調(diào)濕增稠、藥物載體、醫(yī)學(xué)美容、食品保鮮等等。3.使用時(shí)呈溶脹狀態(tài)，柔軟具有彈性，可減少對(duì)周?chē)?xì)胞和組織的機(jī)械沖撞和刺激。4.凝膠外表與周?chē)芤褐g有很低的外表張力，可減少對(duì)體液中蛋白質(zhì)的吸附作用從而減少血栓、炎癥等有害物質(zhì)的生成。5.可設(shè)計(jì)為多孔海綿狀、無(wú)孔凝膠、光學(xué)透明膜、管材、纖維狀物、粉末、微球或納米粒子等，也可以將水凝膠接枝在力學(xué)性能較好的基材上。水凝膠的存在形式水凝膠由高分子三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)及其所包含的水共同組成的一種多元體系，既像液體，又像固體，是繼金屬材料、無(wú)機(jī)陶瓷材料、有機(jī)高分子材料、復(fù)合材料之后的一種新型功能材料。〔一〕共聚凝膠〔二〕共混物凝膠〔三〕環(huán)境敏感性水凝膠●共聚凝膠由兩種或兩種以上單體通過(guò)化學(xué)反響共聚生成的凝膠叫共聚凝膠。共聚凝膠在結(jié)構(gòu)上可以是無(wú)規(guī)那么共聚和交替共聚，也可以制成接枝和嵌段共聚物。交鏈聚合物結(jié)構(gòu)圖

應(yīng)用●共混物凝膠兩種或兩種以上聚合物凝膠混合在一起叫做聚合物的共混物或共混物凝膠?；ハ嘟宦?lián)聚合物網(wǎng)絡(luò)IPN：互穿網(wǎng)絡(luò)聚合物凝膠應(yīng)用輻射法制備互穿網(wǎng)絡(luò)聚合物方法

驅(qū)氧后，在室溫下γ輻照15kGy劑量

形成半互穿網(wǎng)絡(luò)凝膠體

半互穿網(wǎng)絡(luò)〔Semi-IPNs〕凝膠該方法制備的Semi-IPNs凝膠：膠溶脹度可達(dá)300倍左右，還具有溫度敏感性〔LCST為約40℃〕、pH敏感性〔pH=3〕和電場(chǎng)響應(yīng)性。LCST：指低臨界溶液溫度●環(huán)境敏感性水凝膠定義：指某一臨界環(huán)境條件下，如溫度、pH、電場(chǎng)、光、溶劑組成條件的變化等，水凝膠隨環(huán)境條件的微小變化會(huì)發(fā)生突躍性相轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象。

常見(jiàn)的有：溫度敏感性、光敏感性、pH敏感性、壓力敏感性、生化響應(yīng)敏感性、電場(chǎng)敏感性、磁場(chǎng)敏感性等水凝膠?！魷囟让舾行运z

能隨環(huán)境溫度而改變體積，當(dāng)溫度升高時(shí)，疏水相相互作用增強(qiáng)，使凝膠收縮，降低溫度，凝膠溶脹。因?yàn)闇囟鹊淖兓捎绊懯杷陀H水基團(tuán)，從而使凝膠結(jié)構(gòu)改變，發(fā)生體積變化。

◆光敏感性水凝膠光敏感性水凝膠是由熱敏性材料中引入對(duì)光敏感的基團(tuán)制成的。有三種類(lèi)型：〔1〕在熱敏性材料中參加感光分子，將光能轉(zhuǎn)化為熱能，使材料局部溫度升高產(chǎn)生凝膠響應(yīng)〔2〕光敏分子遇光分解產(chǎn)生的離子化作用來(lái)實(shí)現(xiàn)凝膠響應(yīng)〔3〕水凝膠材料中引入了發(fā)色基團(tuán)，由光照后發(fā)色基團(tuán)理化性質(zhì)發(fā)生變化，導(dǎo)致聚合物性能也發(fā)生改變實(shí)現(xiàn)凝膠響應(yīng)?！魀H值敏感性水凝膠

凝膠中含有弱酸和堿性基團(tuán)，這些基團(tuán)在不同的pH值及離子強(qiáng)度的溶液中凝膠體積隨之變化。◆壓力敏感性水凝膠

水凝膠在低壓下出現(xiàn)坍塌，在高壓下出現(xiàn)膨脹。

…………

傷口被覆凝膠的輻射制備

1.單體N-VP或AAm輻射制備法

電離輻射對(duì)單體的直接作用：

另一種是通過(guò)水輻解產(chǎn)物的間接作用：

式中M為單體，生成的聚合物是線性分子鏈，如果繼續(xù)加大輻照劑量，它們就會(huì)交聯(lián)起來(lái)逐漸生成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的凝膠。

2.聚合物〔PVP〕制備被覆膜第一步：將單體原料溶于生理鹽水中，加熱到60℃，攪拌使其形成均勻溶液。第二步：輻照25kGy形成交聯(lián)聚合物被覆膜

水凝膠的應(yīng)用領(lǐng)域在不斷擴(kuò)大，目前可歸納為：①合成傷口治療被覆膜；②藥物緩釋體系以及透皮體系；③牙科材料；④植入材料；⑤可注射聚合物材料；⑥眼科應(yīng)用；⑦雜化型器官和被囊生命組織。比方用于細(xì)胞別離與培養(yǎng)、物料萃取、固定化酶、藥物的控制釋放和靶向藥物等領(lǐng)域。

生物功能性聚合物〔Biofunctionalpolymers〕：生物活性物質(zhì)與載體聚合物相結(jié)合的產(chǎn)物。載體：指聚合物凝膠，有均聚凝膠、共聚凝膠、共混凝膠等。生物活性物質(zhì)：包括酶、抗體、抗原、細(xì)胞組織、抗凝血?jiǎng)?、抗菌劑及小分子藥物，其中藥物的固定化與緩慢釋放研究最為深入。第三節(jié)生物功能聚合物與藥物緩釋體系輻射物理法(固定化)常溫預(yù)輻射包埋方法：將單體置于普通的吸收管中，接通氧氣然后置于輻射場(chǎng)室溫下輻照，輻照期間由于氧的存在不可能發(fā)生聚合反響，僅獲得烷基過(guò)氧化物〔ROOR〕或烷基過(guò)氧氫〔ROOH〕，它們?cè)谑覝叵孪喈?dāng)穩(wěn)定。當(dāng)輻照一定時(shí)間后，將氧的吸收管從輻射場(chǎng)取出，再將需固定化的活性物質(zhì)參加上述體系中進(jìn)行固定。缺點(diǎn)：生物活性物質(zhì)輻射失活低溫過(guò)冷態(tài)輻射包埋法：通過(guò)降低輻照溫度緩解生物活性物質(zhì)輻射失活。藥物控制釋放體系藥物控制釋放體系〔DrugContralandDeliverySystems,DCDS〕就是將藥物制成一定的劑型，控制藥物在人體內(nèi)的釋放度，使藥物按照設(shè)計(jì)的劑量、在要求的時(shí)間范圍內(nèi)以一定的速度在體內(nèi)緩慢釋放，以到達(dá)治療某種疾病的目的。智能藥物控制釋放體系能對(duì)外界的某種刺激信號(hào)，如光、熱、磁場(chǎng)、電流、超聲波或某種化學(xué)物質(zhì)作出響應(yīng)，根據(jù)刺激信號(hào)的性質(zhì)、強(qiáng)弱調(diào)整藥物的釋放。061218(h)藥物濃度緩釋治療劑量范圍注射注射注射藥物緩釋與注射的比較藥物緩釋方式：口服、皮膚吸收、皮下植入和外部植入。輻射制備藥物緩釋舉例1：丙烯酸+L-脯氨酸甲酯制備縮聚物〔A-proOMe〕，然后與甲基丙烯酸乙酯單體〔HEMA〕和憎水苯乙烯單體〔St〕在有交聯(lián)劑的作用下，用60Coγ射線真空輻照〔30kGy〕產(chǎn)生輻射共聚物，該枯燥凝膠具有明顯的溫度敏感性，體積溶脹度高，將共聚凝膠在0℃下與藥物浸泡〔吸附飽和〕，制備出不同的溫敏藥物控釋體系調(diào)整給藥。輻射制備藥物緩釋舉例2：HEMA+HA+驅(qū)氧+交聯(lián)劑γ射線照射50kGy透明質(zhì)酸的聚電解質(zhì)凝膠

該凝膠具有電場(chǎng)響應(yīng)，再設(shè)計(jì)生物傳感裝置感受器：接受環(huán)境刺激〔光、聲、味、電場(chǎng)、磁場(chǎng)及化學(xué)物質(zhì)〕傳送器：將反響轉(zhuǎn)化為信號(hào)〔如溫度、pH、電場(chǎng)等〕，這個(gè)信號(hào)可使環(huán)境敏感性凝膠溶脹〔藥物釋放〕或收縮〔停止釋放〕，這就是智能化緩釋體系。感受器傳送器一、醫(yī)用有機(jī)硅材料包括聚硅氧烷和聚硅烷兩類(lèi)，常用聚硅氧烷樹(shù)脂〔Siliconeresin〕和聚硅氧烷橡膠〔Siliconerubber〕。直鏈聚硅氧烷

支鏈聚硅氧烷

第四節(jié)

醫(yī)用有機(jī)硅及聚氨酯將聚硅氧烷樹(shù)脂參加SiO2，二氧化鈦〔TiO2〕等，再經(jīng)過(guò)硫化〔交聯(lián)〕并參加其他輔料和助劑進(jìn)行混煉成型、熱處理、熟化后就得到高性能的硅橡膠。醫(yī)用硅橡膠用途：①長(zhǎng)期植入：心臟起搏器、人造喉頭、人工皮膚、人工指關(guān)節(jié)等；②短期植入：腹膜透析管、動(dòng)靜脈外瘺管、導(dǎo)尿管、胃插管等；③體外循環(huán)：人工心肺器薄膜、人工腎導(dǎo)管、胎兒吸引管吸頭等。

用硅橡膠制備人工鼻梁、人工下巴、下頜骨、人工耳、人工喉、鼻孔支架、止鼾器、陰莖假體、人工睪丸、人工乳房、人工關(guān)節(jié)、嬰兒奶嘴等已廣泛應(yīng)用于臨床實(shí)踐。

改進(jìn)改進(jìn)二、醫(yī)用聚氨酯材料定義：聚氨酯〔Polyurethane，PU〕是一類(lèi)物理性質(zhì)變化范圍較廣且分子內(nèi)含有氨基甲酸乙酯鍵的高分子材料的總稱(chēng)。醫(yī)用吸水性材料〔Superabsorbentpolymer，SAP〕是具有超級(jí)吸水性能的聚合物，它的吸水量可達(dá)自身的幾十倍甚至上千倍，在受擠壓時(shí)水也不會(huì)被擠出，材料易加工，使用方便。應(yīng)用：在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、石油、化工、環(huán)保、建材以及生活用品等各個(gè)領(lǐng)域，生理衛(wèi)生用品，如嬰兒尿布、超薄婦女衛(wèi)生用品。第五節(jié)醫(yī)用吸水性材料分類(lèi)：淀粉類(lèi)、纖維類(lèi)和合成聚合物特點(diǎn)：無(wú)