生物醫(yī)學功能材料

關于生物醫(yī)學功能材料CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-特征與評價生物材料：用于生物系統(tǒng)疾病的診斷、治療、修復或替換生物體組織或器官，增進或恢復其功能的材料。包括與活體相聯(lián)系的材料、植入活體內能起某種生物體功能的材料和模仿生物功能的材料。生物材料是材料科學領域中正在發(fā)展的多種學科相互交叉滲透的領域，其研究內容涉及材料科學、生命科學、化學、生物學、解剖學、病理學、臨床醫(yī)學、藥物學等學科，同時還涉及工程技術和管理學科的范疇。

生物材料不是藥物，其治療途徑是以生物機體直接結合和相互作用為基本特征的。第2頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-特征與評價研究目的：在分析天然生物材料微裝配、生物功能及形成機制的基礎上，發(fā)展新型醫(yī)用材料以用于人體組織器官的修復與替代，發(fā)展仿生高性能工程材料。研究內容：1、生物體的生理環(huán)境、組織結構、器官生理功能及其替代方法的研究；2、具有特種生理功能的生物醫(yī)學材料的合成、改性、加工成型以及特種生理功能與其結構關系的研究。3、材料與生物體的細胞、組織、體液、免疫、內分泌等生理系統(tǒng)的相互作用以及減少材料毒副作用的對策和方法研究；4、生物醫(yī)學材料的衛(wèi)生學處理和管理以及醫(yī)用安全性評價方法與標準的研究。第3頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-特征與評價古代：利用天然物質和材料治病。公元前5000年，黃金修復失牙；公元前3500年，古埃及，棉花纖維、馬鬃等縫合傷口；公元前2500年，中國、埃及，假手、假鼻、假耳等人工假體；隋末唐初，銀膏補牙-成分是銀、錫、汞，與現代牙齒填充材料汞齊合金類似。近代：1829年，通過多種金屬的系統(tǒng)動物實驗，得出金屬鉑對機體組織刺激性最??；1851年發(fā)明天然橡膠的硫化方法后，開始利用天然高分子硬橡木制作人工牙托和顎骨進行臨床治療；第4頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-特征與評價1892年，用硫酸鈣填充骨缺損，這是陶瓷材料植入人體的最早實例。現代：生物醫(yī)學材料取得實質性進展開始于20世紀20年代。不銹鋼：1926年，含18%鉻和8%鎳首先應與于骨科治療，隨后應與于口腔科；1934年，研制出高鉻低鎳單相組織的AISI302和304，在體內生理環(huán)境下的耐腐蝕性顯著提高；1952年，開發(fā)出耐蝕性更好的AISI316不銹鋼；

60年代，研制出超低碳不銹鋼AISI316L和317L。鈷鎳合金：鑄造鈷鎳合金首先在口腔中得到應用；20世紀30年代末被應用于制作接骨板、骨釘等內固定器械；第5頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-特征與評價50年代成功制成人工髖關節(jié)；60年代為了提高力學性能，研制出鍛造鈷鉻鎢鎳合金和鍛造鈷鉻鉬合金，并應用于臨床；70年代為了改善鈷基合金抗疲勞性能，研制出鍛造鈷鉻鉬鎢鐵合金和具有多相組織的MP35N鈷鉻鉬鎳合金，應用于臨床。鈦：金屬鈦，優(yōu)異的耐蝕性、生物相容性、密度低；40年代，制作外科植入體；50年代用純鈦制作接骨板和骨釘；70年代，Ti6A14V合金、TiSAl2.5Sn合金和鈦鉬鋅錫等合金獲得應用，使鈦和鈦合金成為繼不銹鋼和鈷基合金之后的又一類重要醫(yī)用金屬材料；第6頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-特征與評價70年代以后，NiTi系為代表的形狀記憶合金逐漸在骨科和口腔科得到應用，并成為醫(yī)用金屬材料的重要組成部分。生物陶瓷：從60年代初開始應用于生物材料。多晶氧化鋁陶瓷-低溫各向同性碳-生物玻璃-羥基磷灰石(生物活性陶瓷)-生物陶瓷復合材料-引入活體細胞或生長因子的生物陶瓷構架；醫(yī)用高分子：開始于50年代有機硅聚物的發(fā)展。有機硅聚合物-聚甲基丙烯酸甲脂(骨水泥)-醫(yī)用高分子材料大發(fā)展，制作了人工心瓣膜、人工血管、人工骨、手術縫合線等；90年代以后，借助于生物技術和基因工程的發(fā)展，由無生物存活性材料擴展到具有生物學功能的材料領域，其基本特征是具有促進細胞分化、增殖、誘導組織再生、參與生命活動等功能。第7頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-特征與評價分類：按材料屬性分類，材料功能分類，材料來源分類和使用部位分類。按材料屬性分類：A、醫(yī)用金屬材料：包括不銹鋼、鈷基合金，鈦及合金等，廣泛應用于人工假體、人工關節(jié)、醫(yī)療器械等。B、醫(yī)用無機材料：主要是生物陶瓷。分為惰性生物陶瓷，如氧化鋁生物陶瓷；表面生物活性陶瓷，如磷酸鈣基生物陶瓷；可降解生物陶瓷，如β-磷酸三鈣陶瓷等。C、醫(yī)用高分子材料：根據來源分為天然的和合成的，天然的如多糖類、蛋白類，合成的聚氨酯、聚乙烯、聚乳酸、聚四氟乙烯等，用于人體器官、組織、關節(jié)、藥物載體等。D、醫(yī)用復合材料：不同種材料的混合或結合，克服單一材料的缺點，可獲得性能更優(yōu)的材料。第8頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-特征與評價按材料的功能分類：A、硬組織相容性材料：主要用于生物機體的關節(jié)、牙齒及其他骨組織。B、軟組織相容性材料：主要用于人工皮膚、人工氣管、人工食道等。C、血液相容性材料：主要用于人工血管、人工心臟、血漿分離膜、血液灌流用吸附劑、細胞培養(yǎng)基材等。D、生物降解材料：主要用于吸收型縫合線、藥物載體、愈合材料、粘合劑以及組織缺損用修復材料。按材料來源分類：A、自體組織，如人體聽骨、血管等替代組織。B、同種異體器官及組織，如不同人體之間的器官移植。C、異種器官及組織，如動物骨、腎替換人體器官。D、天然生物材料，如動物骨膠原、甲殼素、珊瑚等。E、人工合成材料，如各種人工合成的新型材料。第9頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-特征與評價按使用部位分類：A、硬組織材料，骨、牙齒用材料。B、軟組織材料，軟骨、臟器用材料。C、心血管材料，心血管以及導管材料。D、血液代用材料，人工紅血球、血漿等。E、分離、過濾、透析膜材料，血液凈化、腎透析以及人工肺氣體透過材料等。生物醫(yī)用材料的基本要求：(一)生物相容性：對人體無毒、無刺激、無致畸、致敏、致突變或致癌作用；生物相容性好，在體內不被排斥，無炎癥，無慢性感染，種植體不致引起周圍組織產生局部或全身性反應，最好能與骨形成化學結合，具有生物活性；無溶血、凝血反應等。第10頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-特征與評價(二)化學穩(wěn)定性：耐體液侵蝕，不產生有害降解產物；不產生吸水膨潤、軟化變質；自身不變化等。(三)力學條件：足夠的靜態(tài)強度，如抗彎、抗壓、拉伸、剪切等；具有適當的彈性模量和硬度；耐疲勞、摩擦、磨損、有潤滑性能。(四)其它要求：良好的空隙度，體液及軟硬組織易于長入；易加工成形，使用操作方便；熱穩(wěn)定好，高溫消毒不變質等性能。生物相容性：材料與生物體之間相互作用后產生的各種生物、物理、化學等反應的一種概念。一般地講，就是材料植入人體后與人體相容程度，也就是說是否會對人體組織造成毒害作用。第11頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-特征與評價生物相容性根據材料接觸部位分為三類：1、血液相容性：材料用于心血管系統(tǒng)與血液接觸，主要考察與血液的相互作用；2、組織相容性：材料與心血管外的組織和器官接觸，主要考察與組織的相互作用，也稱一般生物相容性；

3、力學相容性：對于植入體內承受荷載，以及要求其彈性形變和植入部位的組織的彈性形變相協(xié)調的生物材料的力學性能。材料與機體組織發(fā)生兩種反應：材料反應和宿主反應。宿主反應：生物機體對植入材料的反應。材料反應：材料對生物機體作用產生的反應。第12頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-特征與評價生物相容性評價：體外試驗和動物體內試驗。體外試驗：溶出物測定、溶血試驗、細胞毒性試驗等。動物體內試驗：急性全身毒性試驗、刺激試驗、致突變實驗、肌肉埋植試驗、致敏試驗、長期體內試驗等。研究現狀：多處于經驗和半經驗階段，為滿足應用要求。目前進入“生物醫(yī)學材料分子設計學”的建立積累數據和資料的階段，個別性能的分子設計已被應用。

較活躍的生物醫(yī)學材料主要有高抗凝血材料、生物活性陶瓷及玻璃、鈦及鈦合金、鎳鈦記憶合金、生物活性緩釋材料及靶向藥物在體材料、生物粘合劑、可生物降解與可吸收性生物材料、納米生物材料、智能與雜化材料和血液凈化材料。第13頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-特征與評價研究方向：生物相容性的分子設計學研究、血液相容性材料研究、生物膜材料研究、緩釋材料研究、天然生物材料中再生膠原及彈性纖維蛋白的穩(wěn)定化和增強處理方法、甲殼素和透明質酸代替物的應用研究、生物陶瓷和生物玻璃材料的研究、醫(yī)用鈦及鈦合金、鎳鈦合金材料表面與體液相互作用機理和生化反應及金屬表面生物惰性化處理方法的研究、生物材料表面修飾學的研究、生物相容性的表征及評價方法研究、生物活性材料、仿生材料、智能材料、生物/合成雜化材料的研究。發(fā)展趨勢：篩選現有或新出現的材料；研究材料的相容性、機械性和老化性；表面修飾的研究；材料的分子設計。第14頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-人工器官人工器官：研究模擬人體器官的結構和功能，用人工材料和電子技術制成部分或全部替代人體自然器官功能的機械和電子裝置。當人體器官病損而用常規(guī)方法不能醫(yī)治時，有可能給病人使用一個人工制造的器官來取代或部分取代病損的自然器官，補償或修復或輔助其功能。按功能分類：（1）支持運動功能的人工器官，如人工關節(jié)、人工脊椎、人工骨、人工肌腱、肌電控制人工假肢等。（2）血液循環(huán)功能的人工器官，如人工心臟及其輔助循環(huán)裝置、人工心臟瓣膜、人工血管、人工血液等。第15頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-人工器官（3）呼吸功能的人工器官，如人工肺（人工心肺機）、人工氣管、人工喉等。（4）血液凈化功能的人工器官，如人工腎（血液透析機）、人工肺等。（5）消化功能的人工器官，如人工食管、人工膽管、人工腸等。（6）排尿功能的人工器官，如人工膀胱、人工輸尿管、人工尿道等。（7）內分泌功能的人工器官，如人工胰、人工胰島細胞。（8）生殖功能的人工器官，如人工子宮、人工輸卵管、人工睪丸等。

第16頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-人工器官（9）神經傳導功能的人工器官，如心臟起搏器、膈起搏器等。（10）感覺功能的人工器官，如人工視覺、人工聽覺（人工耳蝸）、人工晶體、人工角膜、人工聽骨、人工鼻等。（11）其他類，人工硬脊膜、人工皮膚等。按原理分類機械式裝置（如人工心臟瓣膜、人工氣管、人工晶體等）電子式裝置（如人工耳蝸、人工胰、人工腎、心臟起搏器等）按使用方式分類植入式，如人工關節(jié)、人工心臟瓣膜、心臟起搏器。體外式，如人工腎、人工肺、人工胰。體外式人工器官實際上都是由電子控制的精密機械裝置。第17頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-人工器官人工心臟：利用機械的方法把血液輸送到全身各器官以代替心臟的功能的裝置。1982年，JARVIK-7是世界上第一個試圖永久性植入人體的完全人工心臟，最大缺點是需要由體外裝置提供動力的能源。1998年，首個輕便式的心臟“輔助器”投放英美市場。2000年，給病人植入首個Jarvik-2000型人工心臟，重約90克，附在心臟的左心室上。2001年7月2日，世界上第一例全植入式人工心臟植入手術在美國獲得成功。第18頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-人工器官人工心臟包括血泵、驅動裝置、監(jiān)控系統(tǒng)、能源。血泵：包括膜式血泵、囊型血泵、管型血泵及螺形血泵等四種，材料有硅橡膠、甲基硅橡膠、嵌段硅橡膠、聚氨酯、聚氯乙烯和復合材料等。驅動系統(tǒng)：供給人工心臟血泵工作的動能。形式多樣，大致可分為機械、電動、磁力、氣壓、液壓五種形式。監(jiān)控系統(tǒng)：監(jiān)控人工心臟工作狀態(tài)。基本上從血泵機能，驅動裝置各項指標及血液循環(huán)生理參數變化三個方面進行監(jiān)控。能源：依靠外加能源工作以推動血液循環(huán)。既能滿足功率要求，并使之微型化做到全置入體內，長期達數年使用的能源，目前尚未完全解決。第19頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-人工器官人工心臟瓣膜：可植入心臟內代替心臟瓣膜（主動脈瓣、肺動脈瓣、三尖瓣、二尖瓣），能使血液單向流動，具有天然心臟瓣膜功能的人工器官。

當心臟瓣膜病變嚴重而不能用瓣膜分離手術或修補手術恢復或改善瓣膜功能時，則須采用人工心臟瓣膜置換術。換瓣病例主要有風濕性心臟病、先天性心臟病、馬凡氏綜合癥等。人工瓣膜的類型：機械瓣：球型瓣、碟型瓣、單葉碟瓣、雙葉碟瓣；組織瓣（生物瓣）：人組織瓣、動物組織瓣。第20頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-人工器官機械瓣的制瓣材料一般包括三個方面：堅硬材料(支架)、彈性材料(阻塞體)、織品類材料(瓣環(huán))。球型瓣：構造簡單，開閉活動穩(wěn)定、耐用，但中心血流受阻，在球瓣前后有渦流，是目前各類機械瓣的“鼻祖”。碟型瓣：瓣架低，跨瓣壓差大，屬周圍血流型，血液動力學性能差。解決了球型瓣架過高的問題，但整個瓣常出現血栓，偶而出現浮動碟與支架碰撞現象和支撐焊口斷裂。雙葉碟瓣：瓣葉活動靈活，有效瓣口面積較大，跨瓣壓差小，血栓栓塞率低開放時為85。，流體力學性能最佳，是目前用得最多的一種機械瓣。機械瓣膜材料血液相容性的原因，植入機械瓣膜的患者，在植入后須長期進行抗凝治療，有引起嚴重出血的危險。第21頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-人工器官生物瓣膜具有良好的流體力學特性，沒有阻塞體，血栓形成的可能性非常低，不會對血液有形成分產生破壞；制作瓣膜的材料有很好的血液相容性，不會產生凝血、溶血以及形成血栓等良好特性，不需要進行抗凝治療。生物瓣膜以鈣磷酸鹽沉積在生物瓣材料上形成瓣膜的鈣化，致使材質彈性韌性以及機械強度都發(fā)生很大變化，造成生物瓣失靈。

生物瓣的優(yōu)點：(1)不需要長期抗凝；(2)置換后接近正常的血液動力學；(3)能維持長期組織學上與功能的完整性。

作瓣膜材料的生物組織有下列幾種：同種同體組織有闊筋膜、肺動脈；同種異體組織有主動脈瓣、硬腦膜、闊筋膜；異種異體組織有豬主動脈瓣、牛心包、牛主動脈瓣。第22頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-人工器官人工肺：又名氧合器或氣體交換器，是代替人體肺臟排出CO2、攝取O2，進行氣體交換的人工器官，應用于心臟手術的體外循環(huán)，和血泵配合稱為人工心肺機。人工心肺機：由氧合器和血泵及輔助設備組成的，能進行體外循環(huán)的機械裝置。用于心臟手術的體外循環(huán)、肺移植的輔助呼吸、急性呼吸衰竭的輔助治療等。人工肺分為靜立垂屏式、轉碟式、鼓泡式和膜肺式。靜立垂屏式：由上方儲血室、氧合室和下方儲血室三部分組成。靜脈血先用血泵注入上方儲血室，繼而流向有機玻璃制成的氧合室。氧合室內垂掛著3-14片不銹鋼片。血液自上而下流動，在不銹鋼片上與氧合室內充的氧氣接觸進行血氣交換。氧合的血流流入下方儲血室，由另一血泵注入人體。第23頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-人工器官轉碟式：將引流出的靜脈血流入一個圓筒形槽，槽內液面保持一定高度。槽上有一個固定有數十個圓形不銹鋼碟片的轉軸，碟片的一小半浸在血液中。當轉軸轉動時，它所帶動的碟片上就涂上一層血液，與槽內的氧氣接觸進行血氣交換。鼓泡式：氧合室為柱狀，氧氣通過氣體分散器變成小氣泡進入氧合室，與血液混合后上升，進行血氣交換。氧合室上方有去泡室，內裝金屬或塑料絲網架，上涂消泡劑硅油，血內氣泡接觸硅油立即破滅。去泡后的氧合血經過濾后進入一個螺旋管狀的儲血室儲存，再經多級過濾，變溫后注入人體。膜肺：依據仿生原理按照肺泡氣體彌散生理功能設計，最接近人體肺生理功能。第24頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-人工器官原理：血液和氧氣由薄膜隔開，一側通靜脈血，另一側通純氧。靜脈血的氧分壓為40mmHg左右，而純氧的壓力約700mmHg，氧氣經膜彌散進入血液，使血液氧合。血液中的二氧化碳分壓為40mmHg，氧氣中的PCO2為0-5mmHg，CO2經膜由血液向氣體側彌散，最終逸出。膜肺是隨著膜材料的發(fā)展而發(fā)展的。第一個膜肺用的是聚氯乙烯。真正實用的膜肺出現于1960年，膜材料為硅橡膠。膜肺的大發(fā)展是在1980年以后，出現了各種高分子聚合物材料制成的各種形式的膜肺，如聚酯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、醋酸纖維素、乙基纖維素、硅橡膠等。第25頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-人工器官人工膀胱：替代膀胱功能的人工裝置。對膀胱腫瘤或因病變所致膀胱攣縮等癥，患者在須行膀胱摘除術時，植人人工膀胱儲存和排除尿液，不僅可維持正常生活，而且可以克服一般尿道改道等手術帶來的各種并發(fā)癥及給患者生活帶來的不便。人工膀胱的類型有生物材料的、非生物材料的及全置換體內植入型3種。(1)生物材料的人工膀胱：自體組織移作人工膀胱，如用腸代膀胱、胃代膀胱術等；異體組織移作人工膀胱，如采用經化學處理的牛心包組織制做人工膀胱。

(2)非生物材料的人工膀胱：

第26頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-人工器官體外留置型：采用各種造口術，用引流管將尿液引至體外，用集尿袋作人工膀胱積蓄尿液。例如，采用硅橡膠作引流管，使用一次性的集尿袋，使組織刺激反應和感染等并發(fā)癥明顯減少。移行上皮細胞再生型人工膀胱：利用膀胱的移行上皮細胞具有良好再生能力的原理，在膀胱切除后，盆腔內設置膀胱支架，使殘留的膀胱及尿道組織沿支架再生成一個膀胱，最后去除埋人的膀胱支架。支架可分為一、不能吸收的膀胱支架，例如聚乙烯或明膠海綿等制成的支架，在用后需自體內取出；二、生物降解材料制膀胱支架，例如以聚a氨基酸膜做支架，可全部降解。第27頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-人工器官(3)全置換體內植入型人工膀胱：由人工輸尿管、單向止逆瓣、集尿器、人工括約肌裝置和人工尿道五個部分組成。人工膀胱上端左右有一段人工輸尿管，與患者原輸尿管縫合聯(lián)接。下端有一小段人工尿道與患者原有尿道縫合聯(lián)接。集尿器是人工膀胱儲尿的容器，上聯(lián)單向止逆瓣防止尿液返流腎臟，下接人工括約肌以控制尿液的排放。目前仍處在動物實驗及臨床試用階段。人工膀胱的材料必須具備如下條件：①組織相容性；②尿液相容性；③對泌尿系統(tǒng)其他器官不產生刺激，不導致尿路梗阻、炎癥、致癌及誘發(fā)泌尿系本身的疾病。④密封性良好，與輸尿管、尿道易于縫合及結合，不產生漏尿；⑤易于手術及消毒。第28頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-人工器官人工皮膚：作為皮膚創(chuàng)傷修復材料和損傷皮膚的替代品，可以使皮膚大面積和深度燒傷的患者在自體皮不夠的情況下

進行修復治療并使之恢復因皮膚創(chuàng)傷喪失的生理功能。人工皮膚的研究分為三個階段，分別是創(chuàng)傷敷料、人工皮膚和活性人工皮膚。創(chuàng)傷敷料：包括吸收敷料、不粘敷料、封閉和半封閉敷料、水凝膠敷料和含藥敷料。吸收敷料：保護創(chuàng)面和吸收體液，以使創(chuàng)傷不受細菌的感染和進一步惡化。大多為天然材料，如：甲殼素，殼聚糖，果酸，明膠，淀粉等，可在人體內降解并被人體吸收。不粘敷料：經過石蠟、石油浸泡過的紗布不粘創(chuàng)面，防止創(chuàng)面干燥和病原菌進入創(chuàng)傷，

由穿孔的不粘膜層加吸收襯墊組成。第29頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-人工器官封閉和半封閉敷料：半透過性材料，清潔創(chuàng)傷、減少體液滲出，促進創(chuàng)傷修復。水凝膠敷料：水凝膠吸水溶脹后對創(chuàng)面形成閉合吸收敷料，以防菌防毒并在創(chuàng)傷修復后易于除去。該類材料主要為CMC鈉鹽，聚乙烯，毗咯烷酮等，愈合率比不用的對照組提高30%~36%。含藥敷料：在敷料中加入使上皮再生和消炎以及抗生素等藥物材料，其效果比不用的對照組愈合率提高16-37%。人工皮膚：替代損傷皮膚的材料，可用于大面積燒傷的皮膚的修復。合成高分子材料：合成纖維織物，如尼龍、聚酯、聚丙烯等；多孔薄膜，如聚乙烯醇、聚氨酯、硅橡膠、聚乙烯等。第30頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-人工器官生物高分子材料：同種異體或異種組織，如人或動物的羊膜、腹膜和皮膚；膠原蛋白。

人工皮膚的材料基本上為天然材料和合成的高分子材料的復合。因為天然材料的機械強度無法滿足實際的要求，必須輔以機械強度好的高分子材料做外部包扎材料。

隨著人工皮膚的研究和發(fā)展，在深度和大面積燒傷的治療中，

由于自體皮源不足，僅僅用沒有活細胞的人工皮膚己不能滿足實際的需要，希望通過體外培養(yǎng)來擴展自體皮表面積或重建上皮層來滿足這一要求。

目前體外培養(yǎng)移植皮有自體角質細胞移植皮；異體角質細胞移植皮；在同種膠原上培養(yǎng)的自體角質細胞移植皮；在人工真皮上培養(yǎng)的角質細胞移植皮；

復合皮膚移植皮。第31頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-人工器官蛋白類：膠原，明膠，絲素等。為人工皮膚的重要組成，是細胞分化、生長的營養(yǎng)基地，缺點是無彈性、強度低、降解太快。多糖類：甲殼糖，糖胺多糖，透明質酸等。有促進細胞生長的功能，但用量增加有抑制成纖維細胞生長的作用，同時材料的彈性低，質脆。鹽類：海藻酸鈉，海藻酸鈣等。為交聯(lián)劑，同時起到促細胞生長的作用。高聚物：不降解材料，如聚氨醋，滌綸，尼龍，硅橡膠等。為生物惰性材料，不降解，只能用做外層敷料不能永久代替皮膚；第32頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-人工器官生物降解材料：如聚酯，乙丙交醋等，生物性能好，可降解，可代謝，但如果其分子量小則強度不夠，分子量大難溶于水，溶解時出現降解，影響材料的機械強度，其降解之后的產物使其周圍組織酸度提高，出現無菌性炎癥。

單獨使用任一種材料都不能滿足實際的需求，需要把幾種材料進行雜化或交聯(lián)。人工皮膚材料研究的發(fā)展趨勢：原料選擇的新顆性；制備方法的新穎性；材料性能的新穎性。

人工皮膚隨著組織工程學的發(fā)展和在細胞支架材料性能上進一步完善，本著仿生的原則，人為地更接近于天然，應用于人類，將會大大地提高人類的生命質量和生活水平。第33頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-人工器官人工腎：替代腎臟功能的裝置，患者動脈血經硅膠管引入透析器，使血液和透析液隔半透膜流動而進行透析，血液被凈化后再由硅膠管經靜脈輸回體內。人工腎尚未能完全取代腎臟的全部生理功能，它僅能協(xié)助清除體內大部分代謝廢物，并調節(jié)水、電解質及酸堿平衡。

人工腎要完成血液在體外循環(huán)的透析過程，必須具備合乎要求的血液管道、人工腎機(透析液供給裝置)和透析器。血液管道包括血液進出透析器的管道系統(tǒng)。組成管壁的材料具有良好的血液相容性，以減少血液有形成分遭受破壞。管腔內徑為4~5mm，保證足夠的血液循環(huán)量。血泵用于管道增厚部分，增加血壓。備有注射肝素、輸液等分管及排氣、濾過等回血裝置。第34頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-人工器官人工腎機：包括透析液的供給與循環(huán)系統(tǒng)和自動監(jiān)護系統(tǒng)。透析液根據是否需預先人工配制分為有半自動型和全自動型。透析液的流程兩種方式：1、單流程式，亦稱單通道式：指透析液經透析器流出后即廢棄。優(yōu)點為流程簡單、透析效果較好，缺點是透析液量大、費用貴、供液裝置和儲水槽體積較大、不易搬動。2、再循環(huán)式：指透析液經透析器流出后，再引入凈化吸附裝置處理，然后供連續(xù)循環(huán)使用。加有凈化器(吸附筒)。優(yōu)點為減少透析液的用量，縮小透析液供給裝置的體積。自動監(jiān)護裝置包括血路監(jiān)護報警(動脈壓報警、靜脈壓報警等)和透析液路監(jiān)護報警(溫度報警、透析液流量報警等)。第35頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-人工器官透析器：包括血液進出透析器的管道系統(tǒng)、各種材料的透析膜和透析液進出透析器的管道系統(tǒng)。透析器的效能應考慮血液在透析器內流動途徑、阻力、透析膜和透析液接觸面積及透析膜材料等因素。透析膜是一種以濃度差為推動力的分離膜。根據分離的溶質的粒徑，要求透析膜上有相適應的孔徑均勻的微孔。膜孔徑在3μm以下的有機高聚物的均質膜，是一類不帶電荷的多孔膜，目前主要用于人工腎。常用的制備材料纖維素和聚合物，如銅氨法再生纖維素、醋酸纖維素、聚丙烯腈、乙烯-乙烯醇共聚物以及聚甲基丙烯酸甲酯、聚砜、聚丙烯酰胺等。第36頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-人工器官

透析作用是血液與透析液之間通過透析膜進行彌散、滲透和濾過的一個過程。因此，透析膜是透析器的重要組成部分，對其基本要求是：1、半透膜、無毒性、表面光潔，有抗凝血和良好的血液相容性。2、孔徑應不超過3μm，使中、小分子量物質可自由通過，而對血液中血細胞、血小板、白蛋白等分子量在35,000以上物質則不能通過。3、透析膜厚度較薄(10~20μm)，能耐受一定壓力(500mmHg以上)以增加透析效果和防止透析過程中破膜引起溶血和失血。第37頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-人工器官人工骨：用人工材料制造的人骨的替代品或者骨折固定的材料。高分子合成材料：聚甲基丙烯酸甲酯、高密度聚乙烯、聚砜、聚左旋乳酸、乙醇酸共聚物、液晶自增強聚乳酸、自增強聚乙醇酸等；無機材料：羥基磷灰石、氧化鋁生物陶瓷等，可以替代人體頭蓋骨、肩、臂、指、肥肉關節(jié)等。

理想的人工骨復合材料應該具有良好的生物相容性和生物可降解性，并能夠促進新骨細胞的生成。

磷酸三鈣人工骨材料是目前研究和應用較多的骨替代材料之一，其理化性質與骨組織相似，生物相容性良好，具有一定的傳導成骨能力，并能在體內進行生物降解。但是磷酸三鈣一般呈顆粒狀，在缺損骨組織部位很難成型，其應用有一定的局限性。第38頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-人工器官人工器官的主要研究方向：生物相容性表面技術：主要是梯度修飾，通過組裝、修飾材料的表面，提高人工組織與人工器官表面與整體的生物相容性。精密加工技術：是人工器官在體內長期安全有效發(fā)揮功能的重要保證。如體內植入支架、接入導管球囊與管體的連接，眼內人工晶體的成型等。組織工程中的轉基因技術：降低宿主免疫排斥反應.組織工程網絡構架的生物活性組裝與表面修飾：調控細胞生長速度與構造，組裝與修飾分子層的厚度和生長因子表面與微環(huán)境的濃度，通過界面技術和生物降解等緩釋技術加以調控。組織工程網絡構架在低重力效應下細胞和組織三維培養(yǎng)技術和裝置的研究。第39頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-藥物載體藥用功能材料：即醫(yī)藥用仿生材料，又稱為生物醫(yī)藥材料，用于與生物系統(tǒng)接觸并發(fā)生相互作用，能夠對細胞、組織和器官進行診斷治療、替換修復或誘導再生的天然或人工合成的特殊功能材料。

按其應用可分為不直接與人體接觸的、與人體組織接觸的和進入人體內的三大類。根據材料的屬性可分為醫(yī)用金屬材料、醫(yī)用無機非金屬材料或稱為醫(yī)用陶瓷、醫(yī)用復合材料和醫(yī)用高分子材料。

絕大多數屬功能高分子范疇，有的具有人體組織或器官的某些功能；有的利用其物理化學性能阻止或疏通某些功能障礙，使之恢復其正常功能；有的只作為醫(yī)療器械使用。第40頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-藥物載體按照功能分類，醫(yī)用高分子材料主要應用于人造器官和治療用材料。第一類是具有藥埋活性的高分子，藥物處于高分子鏈時才具有活性。第二類指高分子載體藥物，多為低分子藥物，以化學方式連接在高分子長鏈上。第三類是微膠囊化的低分子藥物，以高分子材料為可控釋放膜，將具有藥埋活性的低分子藥物包裹在高分子中，以提高藥物的治療效果。第41頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-藥物載體藥用功能材料的基本性能要求（1）化學性能穩(wěn)定，對人體的血液、體液等無影響，不形成血栓等不良反應。例如聚氨酯中所含的酰胺基團技藝水解，在體內會降解而失去強度，經嵌段改性后，化學穩(wěn)定性提高。（2）材料與人體的組織相容性良好，不會引起炎癥或其他排異反應。（3）無致癌性，耐生物老化，長期放置體內的材料其物理機械性能不發(fā)生明顯變化。（4）不因高壓蒸煮、干燥滅菌、藥液等消毒措施而發(fā)生質變。例如蒸汽滅菌的溫度一般在120~140℃，不能選用軟化點低于此溫度的材料。第42頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-藥物載體高分子藥物控制釋放體系的特點：藥物釋放到環(huán)境中的濃度比較穩(wěn)定；能十分有效地利用藥物；能夠讓藥物的釋放部位盡可能接近病源，提高了藥效，避免發(fā)生全身性的副作用；可以減少用藥次數。

緩控釋制劑主要由骨架型和貯庫型兩種。藥物以分子或微晶、微粒的形式均勻分散在各種載體材料中，則形成骨架型緩、控釋制劑；

藥物被包裹在高分子聚合物膜內，則形成貯庫型緩、控釋制劑。

兩種類型的緩、控釋制劑所涉及的釋藥原理主要有溶出、擴散、溶蝕、滲透壓或離子交換作用。第43頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-藥物載體擴散原理：以擴散為主的緩、控釋制劑，藥物首先溶解成溶液后再從制劑中擴散出來進入體液，其釋藥受擴散速率的控制。

藥物的釋放以擴散為主的結構有以下幾種：水不溶性包衣膜，如乙基纖維素包衣的微囊或小丸制劑；含水性孔道的包衣膜，如乙基纖維素與甲基纖維素混合組成的膜材；骨架型的藥物擴散，通過骨架中許多彎彎曲曲的孔道擴散進行的。

利用擴散原理達到緩、控釋作用的方法：包衣、制成微囊、制成不溶性骨架片劑、增加粘度以減少擴散速度、制成植入劑、制成乳劑。第44頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-藥物載體溶出原理：溶出速度慢的藥物顯示出緩釋的性質。根據溶出速度公式，通過減少藥物的溶解度，增大藥物的粒徑，以降低藥物的溶出速度，達到長效作用。具體方法有制成溶解度小的鹽或酯；與高分子化合物生成難溶性鹽；控制粒子大小。溶蝕與擴散、溶出結合：釋藥系統(tǒng)決大多數取決于溶出或擴散過程，但某些骨架型制劑，骨架本身也處于溶蝕的過程，結果使藥物擴散的路徑長度改變，形成移動界面擴散系統(tǒng)。此類系統(tǒng)的優(yōu)點在于材料的生物溶蝕性能不會最后形成空骨架，缺點則是由于影響因素多，其釋藥動力學較難控制。第45頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-藥物載體滲透壓原理：利用滲透壓原理制成的控釋制劑，能均勻恒速地釋放藥物，比骨架型緩釋制劑更為優(yōu)越。只要膜內藥物維持飽和溶液狀態(tài)，釋藥速率恒定。

此類系統(tǒng)的優(yōu)點在于其可傳遞體積較大，理論上，藥物的釋放與藥物的性質無關，缺點是造價貴，另外對溶液狀態(tài)不穩(wěn)定的藥物不適用。離子交換作用：由水不溶性交聯(lián)聚合物組成的樹酯，其聚合物鏈的重復單元上含有成鹽基團，藥物結合于樹脂上。當帶有適當電荷的離子與離子交換基團接觸時，通過交換將藥物游離釋放出來。第46頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-藥物載體高分子微膠囊藥物釋放體系可分為貯存式和基體式兩種結構。

貯存式結構的藥物集中在內層，其外層為由高分子材料制成的膜，用于該控釋系統(tǒng)的高分子材料一般為疏水性線形生物降解高分子，包埋藥物后制成埋植劑、微球制劑。

基體式結構的藥物則是均勻地分散于微膠囊內，其藥物可以呈單分散，也可以呈一定聚集態(tài)結構分散于高分子基體中，藥物通過擴散作用并協(xié)同高分子的降解作用釋放?？梢赃x擇疏水性生物降解性高分子或水凝膠作為基質，特別是水凝膠由于其良好的生物相容性和釋放行為的可控性而成為藥控研制的熱點。第47頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-藥物載體理想的藥物釋放體系，通常應當滿足①將藥物傳送到作用部位；②在達到要求療效的前提下，藥物投放量最小，藥物的毒副作用最??；③安全；④服用方便，易被患者接受；⑤在通常的環(huán)境下具有一定的物理和化學穩(wěn)定性。目前常用的五類藥物的給藥途徑為：①通過胃腸消化道給藥；②體內給藥(包括眼內、口、舌下、鼻腔、直腸以及陰道、子宮內給藥)；③透皮給藥；④動脈注射及靜脈點滴；⑤皮下及肌肉注射。

通過合適的給藥途徑，可使藥物釋放達到較為理想的效果。第48頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-藥物載體高分子藥物膠囊可大大減少服藥次數，屏蔽藥物的刺激性氣味、延長藥物的活性、控制藥物釋放劑量、提高藥物療效，因此具有比一般藥物制劑明顯的優(yōu)越性

微膠囊化的具體制備方法一般有以下幾種：①化學方法：包括界面聚合法、原位聚合法、聚合物快速溶解法、氣相表面聚合法等。②物理化學方法：包括水溶液中相分離法、有機溶劑中相分離法、溶液中干燥法、溶液蒸發(fā)法、粉末床法等。③物理方法：空氣懸浮涂層法、噴霧干燥法、真空噴涂法、靜電氣溶膠法、多孔離心法等。物理方法需要較復雜的設備，投資較大，而化學方法和物理化學方法一般通過反應釜即可進行，應用較多。第49頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-藥物載體界面聚合法：將兩種帶不同活性基團的單體分別溶于兩種互不相容的溶劑中，當一種溶液分散到另一種溶液中時，在兩種溶液的界面上形成了一層聚合物膜。

如果被包裹物是親油性的，應將被包裹物和油溶性單體先溶于有機溶劑，然后將此溶液在水中分散成很細的液滴。再在不斷攪拌下往永相中加入含有水溶性單體的水溶液，于是在液滴表面上很快生成一層很薄的聚合物膜。經沉淀、過濾和干燥后，便得到包有液滴的微膠囊如果被包裹的是水溶性物，則整個過程正好與上述方法相反。

常用的活性單體有多元醇、多元胺、多元酚和多元酰氯、多異氰酸酯等。界面聚合法所得微膠囊的壁很薄，為0.00l～0.011微米，被包裹物滲透性較好。第50頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-藥物載體水(油)中相分離法：將聚合物溶于適當介質(水或有機溶劑)，并將被包裹物分散于該介質中，然后向介質中逐步加入聚合物的非溶劑，使聚合物從介質中凝聚出來，沉積在被包裹物顆粒表面而形成微膠囊。溶液干燥法：使被包裹物溶液與聚合物溶液形成乳液，再將這種乳液分散于水或揮發(fā)性溶劑，形成復合乳液。然后通過加熱、減壓、萃取、冷凍等方法除去溶解聚合物的溶劑，則聚合物沉積于被包裹物表面，形成微膠囊。氣相表面聚合法：把氣化的自由基(活性單體)沉積在固體顆粒表面上使之聚合。如對苯二撐氣化后，導人放有Mg粉的小室，冷卻后，對苯二撐自由基就沉積在Mg粉的表面上聚合形成包裹層(微膠囊)。Mg經包覆后，在空氣下不吸濕。第51頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-藥物載體噴霧干燥法：分為水溶液系統(tǒng)、有機溶液系統(tǒng)和膠囊漿系統(tǒng)。水溶液系統(tǒng)：被包裹的物質(芯材)是不溶于水的固體顆?；蛞后w，包埋芯材的材料(壁材)是水溶性材料，芯材分散或乳化于壁材的水溶液中，構成起始溶液。該溶液在噴霧干燥器內霧化形成小液滴，芯材被水相包裹起來，水分由于高溫而揮，壁材在芯材表面成膜將芯材包埋，形成微膠囊。有機溶液系統(tǒng)：壁材是不溶于水的材料，芯材既可以是不溶于水的材料，也可以是溶于水的或與水反應的材料，壁材的載體溶劑是某種有機溶劑。膠囊漿系統(tǒng)：通過相分離法微膠囊化得到的微膠囊的分散液，將其噴霧干燥，可得到微膠囊粉末。此方法得到很小粒徑的微膠囊，包埋效率很高，但包埋成本也較高，適臺于對失重產品或高附加值的產品進行包埋。第52頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-藥物載體原位聚合法：單體、引發(fā)劑或催化劑以原位處于同一介質中，然后向介質中加入單體的非溶劑，使單體沉積在原位顆粒表面上，井引發(fā)聚合，形成微膠囊。也可將上述溶液分散在另一不溶性介質中，并使其聚合。在聚合過程中，生成的聚合物不溶于溶液，從原位液滴內部向液滴表面沉積成膜，形成微膠囊。

原位聚合法要求被包裹物可溶于介質中，而聚合物則不溶解。其適用面相當廣泛，任何氣態(tài)、液態(tài)，水溶性和油溶性的單體均可適用．甚至可用低分子量聚合物、預縮聚物代替單體。

為了使被包裹物分散均勻，在介質中還常加入表面活性劑或聚乙烯醇、二氧化硅膠體等作為保護膠體。第53頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-藥物載體高分子微膠囊的藥物釋放機制分為程序式藥物脈沖釋放體系和智能式藥物脈沖釋放系統(tǒng)。

程序式藥物脈沖釋放系統(tǒng)設計的關鍵在于能控制藥物釋放的滯后時間及藥物釋放的持續(xù)時間。藥物釋放滯后時間的控制方法有①以油膏狀生物降解聚合物如聚原酸酯作為大分子藥物的載體材料阻止內部藥物的擴散釋放，直到聚合物降解到一定分子量；②利用不載藥的膜層或聚合物層阻止內層藥物的擴散釋放，直到膜破裂或聚合物層融蝕掉。

藥物釋放持續(xù)時間的控制方法有利用聚合物融蝕速度控制和利用藥物在水凝膠中的擴散釋放速度控制。第54頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-藥物載體例如：利用聚原酸酯作為蛋白質的載體材料制成了一種蛋白質藥物脈沖釋放系統(tǒng)。當聚原酸酯降解到一定分子量時，藥物在聚原酸酯中的擴散系數增大，開始從系統(tǒng)中釋放，并隨聚原酸酯的進一步降解而逐步釋放。改變聚原酸酯的結構或分子量可改變藥物釋放的滯后時間及藥物釋放的持續(xù)時間。

智能式藥物脈沖釋放系統(tǒng)根據信號的來源可分為外部調節(jié)的藥物脈沖釋放系統(tǒng)和體內自身調節(jié)的藥物脈沖釋放系統(tǒng)。ERIPS控釋系統(tǒng)信號有光、電、磁、超聲波等。如一種由兩種水溶性的聚合物-聚甲基丙烯酸及聚乙基嚼唑啉組成的電融蝕高分子在pH低于5.0時會通過氫鍵作用形成不溶于水的第55頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-藥物載體復合物，當pH增大到5.4后，復合物離解成水溶性聚合物。用這種復合物做成藥物載體在交變電場作用下，由于陽極附近pH升高，復合物逐漸溶解而使藥物釋放出來。SRIPRS控制系統(tǒng)根據藥物釋放速度受信號影響程度可分為調節(jié)型及觸發(fā)型。調節(jié)型是在體內信號的刺激下系統(tǒng)釋放出一部分藥物，隨著信號減弱乃至消失，逐漸減少乃至停止釋放藥物；觸發(fā)型為當系統(tǒng)受到體內信號的刺激時，釋放出內部所有藥物。如一種最內層為低pH下不溶解而高pH下可溶解的生物融蝕性聚合物，第二層為一種酶降解的酸性水凝膠，水解酶包埋于其中的材料可以作為戒毒藥品。最外層為酶不能透過而小分子可以自由透過的膜。酶在體內毒品濃度較低時活力喪失，而當毒品達到一定濃度時酶活力恢復將水凝膠降解。第56頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-藥物載體在藥物制劑方面，傳統(tǒng)的給藥方式如使用片劑、膠囊及注射劑等，存在一些缺點，比如給藥后血藥濃度起伏較大，藥物作用缺乏靶向特異性等，這些會嚴重影響治療效果。藥物控制釋放載體是智能材料發(fā)展的一個重要方向。智能藥物控制釋放體系：能夠按照局部病變的特殊環(huán)境，如溫度、pH值、光、磁場或生物分子等的的區(qū)別而作出反應，實現對藥物釋放的信號控制，達到定時定位地釋放藥物的效果。

1、pH敏感型藥物釋放體系

人體生理環(huán)境下不同部位的pH值有所差別，如胃液中胃酸的pH值約為1.0-1.5，小腸中的pH值約為6.0-6.8，而結腸中的pH值約為6.5-7.5。

第57頁,共65頁，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物醫(yī)學功能材料-藥物載體腫瘤組織則因為腫瘤細胞比正常細胞生長代謝更快，生成了更多的乳酸等酸性代謝產物而導致腫瘤