生物醫(yī)用高分子材料課件

第九章醫(yī)用高分子材料一、生物醫(yī)用材料的定義

（Biomedicalmaterials）

對生物體進行診斷、治療和置換損壞組織、器官或增進其功能的材料。2024/5/6材料9.1概述按材料來源分（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。（3）醫(yī)用生物陶瓷。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）（4）醫(yī)用生物復合材料。如羥基磷灰石涂復鈦合金，炭纖維或生物活性玻璃纖維增強聚乳酸等高分子材料。（5）生物衍生材料。這類材料是將活性的生物體組織，包括自體和異體組織，經(jīng)處理改性而獲得的無活性的生物材料。

2024/5/6材料

二、生物醫(yī)用材料的分類生物衍生材料①取自患者自體的組織

例如：采用自身隱靜脈作為冠狀動脈搭橋術(shù)的血管替代物②取自其他人的同種組織例如：利用他人角膜治療患者的角膜疾?、蹃碜云渌鼊游锏漠惙N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。2024/5/6材料2024/5/6材料聚四氟乙烯人工關(guān)節(jié)2024/5/6材料例如：德國產(chǎn)品UHMWPE材料ISO5834-2ASTMF648可用為人工關(guān)節(jié)、人工骨骼植入人體極低的能耗……人工心臟瓣膜2024/5/6材料組織工程人工骨缺損修復示意圖2024/5/6材料2024/5/6材料三、生物醫(yī)用高分子材料分類用途制備2024/5/6材料按用途分類手術(shù)治療用高分子材料縫合線，黏膠劑，止血劑，各種導管，引流管，一次性輸血輸液器材藥用及藥物傳遞用高分子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）人造器官或組織人造皮膚，血管，骨，關(guān)節(jié)，腸道，心臟，腎等2024/5/6材料1.分類2024/5/6材料制備生物醫(yī)用高分子材料？化學家合成原始材料并檢測各項理化指標生物學家檢測材料生物毒性及生物相容性醫(yī)學家做臨床動物試驗-人體試驗化學工程師制造生物醫(yī)用高分子材料臨床應用2024/5/6材料化學家來做第一步2.生物醫(yī)用材料市場發(fā)展概況2024/5/6材料全球生物醫(yī)用材料市場2024/5/6材料中國生物醫(yī)用材料市場我國生物醫(yī)學材料的生物醫(yī)學工程產(chǎn)業(yè)的市場增長率高達28％(全球市場增長率20%),居全球之首。我國人工關(guān)節(jié)替換年增長率高達30％，遠高于美國的4％。

----------------國家科技部資料2024/5/6材料775萬肢殘患者和每年新增的300萬骨損傷患者 --------需要大量骨修復材料2000萬心血管病患者 --------每年需要24萬套人工心瓣膜腎衰患者 --------每年需要12萬個腎透析器……2024/5/6材料2024/5/6材料3.Historyofpolymericbiomaterials1943年賽璐珞薄膜開始用于血液透析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)縫合線的臨床應用情況。50年代，有機硅聚合物被用于醫(yī)學領(lǐng)域，使人工器官的應用范圍大大擴大，包括器官替代和整容等許多方面。

DrugcontrolledreleaseTissueengineeringGenetherapy

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）、人工心肺（1953年）、人工關(guān)節(jié)（1954年）、人工肝（1958年）等。進入60年代，醫(yī)用高分子材料開始進入一個嶄新的發(fā)展時期。2024/5/6材料1960s可生物降解聚合物，如：Polylactide(PLA)1970-80s隱形眼鏡（Contactlens），藥物控制釋放(drugcontrolledrelease)1990s-聚合物在生物醫(yī)用材料中的占有率超過一半2024/5/6材料2024/5/6材料

高分子材料雖然不是萬能的，不可能指望它解決一切醫(yī)學問題，但通過分子設(shè)計的途徑，合成出具有生物醫(yī)學功能的理想醫(yī)用高分子材料的前景是十分廣闊的。有人預計，在21世紀，醫(yī)用高分子將進入一個全新的時代。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。2024/5/6材料4.醫(yī)用高分子材料的要求（Requirementsforbiomedicalpolymers）Basicrequirements安全性Biocompatibility/Biostability/Biodegradability滅菌性Sterilizability2024/5/6材料2024/5/6材料RequirementsforbiomedicalpolymersOtherrequirementsaccordingtospecificapplications加工成型性machine-shapingproperties機械性能與穩(wěn)定性Mechanicalproperties環(huán)境敏感性Environmentalsensitivity表面性能與結(jié)構(gòu)多空性Surfaceproperties/Porosity親疏水性Hydrophilicity/hydrophobicity……2024/5/6材料①不會致癌

根據(jù)現(xiàn)代醫(yī)學理論認為，人體致癌的原因是由于正常細胞發(fā)生了變異。當這些變異細胞以極其迅速的速度增長并擴散時，就形成了癌。而引起細胞變異的因素是多方面的，有化學因素、物理因素，也有病毒引起的原因。安全性②具有良好的血液相容性

當高分子材料用于人工臟器植入人體后，必然要長時間與體內(nèi)的血液接觸。因此，應用高分子對血液的相容性是所有性能中最重要的。2024/5/6材料通常，當人體的表皮受到損傷時，流出的血液會自動凝固，稱為血栓。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，不形成血栓。實際上，血液在受到下列因素影響時，都可能發(fā)生血栓：①血管壁特性與狀態(tài)發(fā)生變化；②血液的性質(zhì)發(fā)生變化；③血液的流動狀態(tài)發(fā)生變化。2024/5/6材料③具有良好的組織相容性有些高分子材料本身對人體有害，不能用作醫(yī)用材料。而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殘留一些單體，或使用一些添加劑。當材料植入人體以后，這些單體和添加劑會慢慢從內(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，嚴重的可引起全身性反應。2024/5/6材料滅菌性

高分子材料在植入體內(nèi)之前，都要經(jīng)過嚴格的滅菌消毒。目前滅菌處理一般有三種方法：蒸汽滅菌、化學滅菌、γ射線滅菌。國內(nèi)大多采用前兩種方法。因此在選擇材料時，要考慮能否耐受得了。2024/5/6材料能經(jīng)受必要的清潔消毒措施而不產(chǎn)生變性機械強度2024/5/6材料2024/5/6材料表9-1高分子材料在狗體內(nèi)的機械穩(wěn)定性材料名稱植入天數(shù)機械強度損失/％尼龍-676174.6107380.7滌綸樹脂78011.4聚四氟乙烯6775.35.材料界面性質(zhì)對血液相容性的關(guān)系材料界面性質(zhì)與血液界面性能的不同可能造成吸附改變蛋白質(zhì)的形狀以及排列，產(chǎn)生溶血、凝血或者血栓改善措施強親水或強疏水表面親水或疏水微相分離的聚合物表面引入生物相容性物質(zhì)（肝素、白蛋白等）引入負離子（血液中多組分呈負電性）生成偽內(nèi)膜2024/5/6材料①高分子材料表面親/疏水性的改善強疏水：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。2024/5/6材料

通過接枝改性調(diào)節(jié)高分子材料表面分子結(jié)構(gòu)中的親水基團與疏水基團的比例，使其達到一個最佳值，也是改善材料血液相容性的有效方法。2024/5/6材料②制備具有微相分離結(jié)構(gòu)的材料

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。2024/5/6材料

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。2024/5/6材料

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，不會激活血小板表面的糖蛋白，血小板的特異識別功能表現(xiàn)不出來。2024/5/6材料③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），含有—SO3-，—COO-及—NHSO3-等功能基團。是最早被認識的天然抗凝血產(chǎn)物之一。2024/5/6材料

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。2024/5/6材料2024/5/6材料人工合成的仿肝素共聚物，同樣具有較好的抗凝血功能④使材料表面帶上負電荷的基團例如：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。2024/5/6材料⑤材料表面?zhèn)蝺?nèi)膜化

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)，當血液流過這種粗糙的表面時，迅速形成穩(wěn)定的凝固血栓膜，但不擴展成血栓，然后誘導出血管內(nèi)皮細胞。這樣就相當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，從而達到永久性的抗血栓。2024/5/6材料9.2生物惰性醫(yī)用高分子材料聚氯乙烯有機硅類滌綸聚四氟乙烯聚丙烯高密度聚乙烯聚丙烯酸酯類聚氨酯室溫固化環(huán)氧樹酯精制天然橡膠無機高分子聚磷腈2024/5/6材料2024/5/6材料表9-2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，聚酯皮膚硝基纖維素，聚硅酮-尼龍復合物，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2024/5/6材料表9-2用于人工臟器的部分高分子材料2024/5/6材料BiodegradablepolymersPoly(anhydride)sPoly(lactide-co-glycolide)PLGAPolylactidePLAPolyglycolidePGAPoly(ε-caprolactone)PCLPoly(1,3-trimethylenecarbonate)PTMCAliphaticpolyestersAliphaticpolycarbonatesPolyphosphates聚乳酸聚2-羥基乙酸9.3可降解生物高分子材料

（biodegradablepolymers）結(jié)構(gòu)與性能合成應用2024/5/6材料2024/5/6材料2024/5/6材料2024/5/6材料2024/5/6材料合成可降解高分子材料（syntheticbiodegradablepolymers）

聚酯聚碳酸酯聚磷酸酯聚酸酐2024/5/6材料聚乳酸聚2-羥基乙酸2024/5/6材料

-羥基丙酸2024/5/6材料（乳酸二聚體）2024/5/6材料用途手術(shù)縫合線骨固定材料組織修補材料藥物控制釋放材料2024/5/6材料聚2-羥基乙酸（聚乙交酯）商品名：Dexon，體內(nèi)降解速度快，用于手術(shù)縫合線，適合2-4周愈合的傷口2024/5/6材料聚（丙交酯-乙交酯）2024/5/6材料2024/5/6材料天然可降解高分子材料膠原蛋白，纖維蛋白甲殼素、殼聚糖、淀粉、纖維素海藻酸鈉衍生物可吸收縫線藥物控釋載體人工皮膚2024/5/6材料2024/5/6材料甲殼質(zhì)甲殼素與殼聚糖甲殼素是一種的線性多糖。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40％～50％濃度的氫氧化鈉水溶液中110～120℃下水解2～4h得到。2024/5/6材料

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。其抗拉強度優(yōu)于其他類型的手術(shù)縫合線。在兔體內(nèi)試驗觀察，甲殼素手術(shù)縫合線4個月可以完全吸收。甲殼素還具有促進傷口愈合的功能，可用作傷口包扎材料。甲殼素膜用于覆蓋外傷或新鮮燒傷的皮膚創(chuàng)傷面時，具有減輕疼痛和促進表皮形成的作用，因此是一種良好的人造皮膚材料。2024/5/6材料2024/5/6材料2024/5/6材料2024/5/6材料膠原

膠原是人體組織中最基本的蛋白質(zhì)類物質(zhì)，至今已經(jīng)鑒別出13種膠原，其中I～III、V和XI型膠原為成纖維膠原。I型膠原在動物體內(nèi)含量最多，已被廣泛應用于生物醫(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。

2024/5/6材料2024/5/6材料

由各種物種和肌體組織制備的膠原差異很小。最基本的膠原結(jié)構(gòu)為由三條分子量大約為1×105的肽鏈組成的三股螺旋繩狀結(jié)構(gòu)，直徑為1～1.5nm，長約300nm，每條肽鏈都具有左手螺旋二級結(jié)構(gòu)。膠原分子的兩端存在兩個小的短鏈肽，稱為端肽，不參與三股螺旋繩狀結(jié)構(gòu)。研究證明，端肽是免疫原性識別點，可通過酶解將其除去。除去端肽的膠原稱為不全膠原，可用作生物醫(yī)學材料。2024/5/6材料

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。膠原在應用時必須交聯(lián)，以控制其物理性質(zhì)和生物可吸收性。2024/5/6材料

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)，存在于動物體的血液中。纖維蛋白原在人體內(nèi)的主要功能是參與凝血過程。2024/5/6材料2024/5/6材料

纖維蛋白具有良好的生物相容性，具有止血、促進組織愈合等功能，在醫(yī)學領(lǐng)域有著重要用途。纖維蛋白的降解包括酶降解和細胞吞噬兩種過程，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。2024/5/6材料天然可降解高分子材料的優(yōu)點

原料來源豐富，便宜易得可用常規(guī)方法加工成型

具有良好的生物相容性

不引起異體反應2024/5/6材料藥用高分子高分子藥物高分子藥物載體靶向藥物高分子導向材料2024/5/6材料高分子藥物1.高分子骨架本身具有藥理活性2024/5/6材料p331聚乙烯N-氧吡啶是一種具有藥理活性的高分子，能溶于水中。注射其水溶液或吸入其煙霧劑，對于治療因大量吸入含游離二氧化硅粉塵所引起的急性和慢性矽肺病有較好效果．并有較好的預防效果2024/5/6材料聚乙烯磺酸鈉是一種具有抗凝血作用的聚合物．聚乙烯磺酸鈉的聚合單體是乙烯基磺酸鈉。由于磺酸鈉基團的強烈電斥作用，單體不易靠攏，因此，通過自由基聚合很難得到聚合物。有效的方法是采用等離子引發(fā)聚合。2024/5/6材料

血漿增量劑，用于治療外傷性急性出血及其他原因引起的血容量減少2024/5/6材料

將青霉素與乙烯醇-乙烯胺共聚物以酰胺鍵相結(jié)合，得到水溶性的藥物高分子。這種高分子青霉素在人體內(nèi)停留時間比低分子青霉素長30-40倍。高分子載體藥物2024/5/6材料藥物控制釋放目的：使藥物以最小的劑量在特定部位產(chǎn)生療效；優(yōu)化藥物釋放速率以提高療效，降低毒副作用；2024/5/6材料高分子藥物緩釋材料控釋藥物的劑型與技術(shù)口服注射制劑植入制劑噴霧劑經(jīng)皮給藥粘膜貼劑……2024/5/6材料緩釋技術(shù)時間控制體系靶向技術(shù)部位控制體系智能控制釋放反饋控制體系……緩釋機理擴散控制化學反應控制溶劑活化控制體系磁控制體系2024/5/6材料口服緩釋制劑：新康泰克2024/5/6材料2024/5/6材料2024/5/6材料納米樹形高分子（納米在藥物輸運中的應用）作為藥物載體的樹狀高分子把樹形高分子設(shè)計得只在適當?shù)挠|發(fā)分子存在的情況下自動地膨脹并釋放出藥物使定制的樹形高分子恰好在需要治療的組織或器官內(nèi)釋放出其運載的藥物。代表性藥物控釋系統(tǒng)及公司2024/5/6材料產(chǎn)品領(lǐng)域公司POLYOXWSR控制藥物釋放載體DowChem.Co,USA抗癌藥物增效系統(tǒng)Johnson&Johnson，USA(原Alza)吸收增效劑EastmanChem.Co,USA蛋白質(zhì)藥物釋放AltusBiologiesInc.USA靶向釋放端粒治療TargesomeInc.USA注射制劑PharmaceuticalProfiles,UK治療細胞,生長因子釋放RegenTecLtd.UK吸入藥物釋放AcruxLtd.Australia基因轉(zhuǎn)染的新脂質(zhì)體釋放系統(tǒng)NovosomAG,German2024/5/6材料

壁虎膠帶——仿生干型高分子粘合材料聚酰亞胺薄膜利用全范德華力作用原理微制造而成具有緊密排列的規(guī)整微突起結(jié)構(gòu)

1cm2:～3N(300g)蜘蛛人玩具:高15cm重40g覆蓋0.5cm2壁虎膠帶AutumnK.,etal,Nature,2000,405:681-685Au