功能高分子材料課件-第九章-生物醫(yī)用高分子材料

1、2020/10/7,材料,第九章 醫(yī)用高分子材料,2020/10/7,材料,一、生物醫(yī)用材料的定義（Biomedical materials）,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。,9.1 概述,2020/10/7,材料,按材料來源分,（1） 醫(yī)用金屬和合金。主要用于承力的骨、關節(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。高分子化合物是構成人體絕大部分組織和器官的物質，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

2、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，經處理改性而獲得的無活性的生物材料。,二、生物醫(yī)用材料的分類,2020/10/7,材料,生物衍生材料,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的血管替代物 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病 來自其它動物的異種組織 例如：采用豬的心臟瓣膜代替人的心臟瓣膜，治療心臟病等。,2020/

3、10/7,材料,聚四氟乙烯,2020/10/7,材料,人工關節(jié),例如： 德國產品 UHMWPE材料,ISO5834-2 ASTM F648 可用為人工關節(jié)、人工骨骼植入人體 極低的能耗 ,2020/10/7,材料,人工心臟瓣膜,2020/10/7,材料,組織工程人工骨缺損修復示意圖,2020/10/7,材料,2020/10/7,材料,三、生物醫(yī)用高分子材料,分類 用途 制備,2020/10/7,材料,按用途分類,手術治療用高分子材料 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），

4、高分子控制釋放載體（膠囊，水凝膠，脂質體） 人造器官或組織 人造皮膚，血管，骨，關節(jié)，腸道，心臟，腎等,1. 分類,2020/10/7,材料,2020/10/7,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,化學家來做第一步,2020/10/7,材料,2. 生物醫(yī)用材料市場發(fā)展概況,2020/10/7,材料,全球生物醫(yī)用材料市場,2020/10/7,材料,我國生物醫(yī)學材料的生物醫(yī)學工程產業(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

5、關節(jié) 替換年增長率高達30，遠高于美國的4。 -國家科技部資料,中國生物醫(yī)用材料市場,2020/10/7,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 ,2020/10/7,材料,3. History of polymeric biomaterials 1943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 節(jié)和股骨，利用聚酰胺纖維作為手術縫合線的臨床 應用情況。50年代，有機硅聚合物

6、被用于醫(yī)學領 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。,Drug controlled release,Tissue engineering,Gene therapy,2020/10/7,材料,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。,2020/10/7,材料,1960s 可生物降解聚合物，如：Polylactide(PLA) 19

7、70-80s 隱形眼鏡（Contact lens），藥物控制釋放(drug controlled release) 1990s- 聚合物在生物醫(yī)用材料中的占有率超過一半,2020/10/7,材料,2020/10/7,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。,2020/10/7,材料,（Requirements for biomedic

8、al polymers） Basic requirements 安全性Biocompatibility/Biostability / Biodegradability 滅菌性Sterilizability,4. 醫(yī)用高分子材料的要求,2020/10/7,材料,Requirements for biomedical polymers Other requirements according to specific applications 加工成型性machine-shaping properties 機械性能與穩(wěn)定性Mechanical properties 環(huán)境敏感性Environmenta

9、l sensitivity 表面性能與結構多空性Surface properties/Porosity 親疏水性Hydrophilicity / hydrophobicity ,2020/10/7,材料, 不會致癌 根據現代醫(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,2020/10/7,材料,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。,202

10、0/10/7,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與血液接觸后不發(fā)生凝血、溶血現象，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： 血管壁特性與狀態(tài)發(fā)生變化； 血液的性質發(fā)生變化； 血液的流動狀態(tài)發(fā)生變化。,2020/10/7,材料, 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

11、可引起全身性反應。,2020/10/7,材料,滅菌性,高分子材料在植入體內之前，都要經過嚴格的 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、射線滅菌。國內大多采用前兩種 方法。因此在選擇材料時，要考慮能否耐受得了。,能經受必要的清潔消毒措施而不產生變性,2020/10/7,材料,機械強度,2020/10/7,材料,表9-1 高分子材料在狗體內的機械穩(wěn)定性,2020/10/7,材料,5. 材料界面性質對血液相容性的關系,材料界面性質與血液界面性能的不同可能造成吸附改變蛋白質的形狀以及排列，產生溶血、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

12、物相容性物質（肝素、白蛋白等） 引入負離子（血液中多組分呈負電性） 生成偽內膜,2020/10/7,材料,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。,2020/10/7,材料,通過接枝改性調節(jié)高分子材料表面分子結構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。,2020/10/7,材料,制備具有微相分離結構的材料 研究發(fā)現，具有微相分離結

13、構的高分子材料對 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。,2020/10/7,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。,2020/10/7,材料,原因被認為是親水和疏水的蛋白質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不出來。,2020/10/7,材料,

14、高分子材料的肝素化 肝素是一種硫酸多糖類物質（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物之一。,2020/10/7,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。在高分子材料結構中引入肝素后，在使用過程中，肝素慢慢地釋放，能明顯提高抗血栓性。,2020/10/7,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,2020/10/7,材料,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

15、提高。,2020/10/7,材料,材料表面?zhèn)蝺饶せ?人們發(fā)現，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膜。這種偽內膜 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。,2020/10/7,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,2020/10/7,材料

16、,表9-2 用于人工臟器的部分高分子材料,2020/10/7,材料,表9-2 用于人工臟器的部分高分子材料,2020/10/7,材料,Biodegradable polymers,Aliphatic polyesters,Aliphatic polycarbonates,聚乳酸,聚2-羥基乙酸,2020/10/7,材料,9.3 可降解生物高分子材料（biodegradable polymers）,結構與性能 合成 應用,2020/10/7,材料,2020/10/7,材料,2020/10/7,材料,2020/10/7,材料,合成可降解高分子材料,（synthetic biodegradable

17、polymers）,聚酯 聚碳酸酯 聚磷酸酯 聚酸酐,2020/10/7,材料,聚乳酸,聚2-羥基乙酸,2020/10/7,材料,-羥基丙酸,2020/10/7,材料,（乳酸二聚體）,2020/10/7,材料,2020/10/7,材料,用途,手術縫合線 骨固定材料 組織修補材料 藥物控制釋放材料,2020/10/7,材料,聚2-羥基乙酸（聚乙交酯）,商品名：Dexon，體內降解速度快，用于手術縫合線，適合2-4周愈合的傷口,2020/10/7,材料,聚（丙交酯-乙交酯）,2020/10/7,材料,2020/10/7,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

18、藻酸鈉衍生物 可吸收縫線 藥物控釋載體 人工皮膚,2020/10/7,材料,甲殼質,2020/10/7,材料,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4050濃度的氫氧化鈉水溶液中110120下水解24h得到。,2020/10/7,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縫合線。其抗拉強度優(yōu)于其他類型的手術縫合線。在兔體內試驗觀察，甲殼素手術縫合線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

19、作用，因此是一種良好的人造皮膚材料。,2020/10/7,材料,2020/10/7,材料,2020/10/7,材料,2020/10/7,材料,膠原,膠原是人體組織中最基本的蛋白質類物質，至 今已經鑒別出13種膠原，其中 IIII、V和 XI 型膠 原為成纖維膠原。I 型膠原在動物體內含量最多， 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、骨骼是生產膠原的主要原料。,2020/10/7,材料,2020/10/7,材料,由各種物種和肌體組織制備的膠原差異很小。 最基本的膠原結構為由三條分子量大約為1105的 肽鏈組成的三股螺旋繩狀結構，直徑為11.5nm， 長約300nm，每條肽鏈

20、都具有左手螺旋二級結構。 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構。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。,2020/10/7,材料,膠原可以用于制造止血海綿、創(chuàng)傷輔料、人工皮膚、手術縫合線、組織工程基質等。膠原在應用時必須交聯(lián)，以控制其物理性質和生物可吸收性。,2020/10/7,材料,纖維蛋白 纖維蛋白是纖維蛋白原的聚合產物。纖維蛋白原是一種血漿蛋白質，存在于動物體的血液中。纖維蛋白原在人體內的主要功能是參與凝血過程。,2020/10/7,材料,2020/10/7,材料,纖維蛋白具有良好的生物相容

21、性，具有止血、 促進組織愈合等功能，在醫(yī)學領域有著重要用途。 纖維蛋白的降解包括酶降解和細胞吞噬兩種過 程，降解產物可以被肌體完全吸收。降解速度隨產 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。,2020/10/7,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,2020/10/7,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,2020/10/7,材料,高分子藥物,1. 高分子骨架本身具有藥理活性,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。

22、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,2020/10/7,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。,2020/10/7,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,2020/10/7,材料,將青霉素與乙烯醇-乙烯胺共聚物以酰胺鍵相結合，得到水溶性的藥物高分子。這種高分子青霉素在人體內停留時間比低分子青霉素長30-40倍。,高分

23、子載體藥物,2020/10/7,材料,2020/10/7,材料,高分子藥物緩釋材料,藥物控制釋放目的： 使藥物以最小的劑量在特定部位產生療效； 優(yōu)化藥物釋放速率以提高療效，降低毒副作用；,2020/10/7,材料,控釋藥物的劑型與技術,口服 注射制劑 植入制劑 噴霧劑 經皮給藥 粘膜貼劑 ,緩釋技術時間控制體系 靶向技術部位控制體系 智能控制釋放反饋控制體系 ,2020/10/7,材料,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,2020/10/7,材料,口服緩釋制劑：新康泰克,2020/10/7,材料,2020/10/7,材料,納米樹形高分子 （納米在藥物輸運中的應用）,

24、作為藥物載體的樹狀高分子,把樹形高分子設計得只在適當的觸發(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釋放出其運載的藥物。,2020/10/7,材料,代表性藥物控釋系統(tǒng)及公司,2020/10/7,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)整微突起結構 1cm2: 3N(300g),蜘蛛人玩具: 高15cm 重40g 覆蓋0.5cm2壁虎膠帶,Autumn K.,et al, Nature,2000,405:681-685 Autumn K.,et al, Proc.Natl.Acad.Sci.,USA, 2002, 99: 12252-12256,2020/10/7,材料,壁虎的腳上 覆蓋了一層非常細小的絨