医用生物高分子材料.doc

医用生物高分子材料一 摘要。医用高分子材料的简介：医用高分子材料是生物医用材料的一个重要组成部分，是一类用于诊断、治疗和器官再生的材料，具有延长病人生命、提高病人生存质量的作用，生物医用材料的发展历史、医用高分子材料的来源和已经取得的一些实际应用。生物医用材料是人工器官和医疗器械的基础，迄今已有几千年的发展历史，而生物医用高分子作为生物医用材料中发展最早、应用最广泛、用量最大的材料，鉴于其具有原料来源广泛、可以通过分子设计改变结构、生物活性高、材料性能多样等优点，是目前发展最为迅速的领域，已经成为现代医疗材料中的主要部分。二.关键词 发展过程及应用领域; 组成材料；在医学上的用途；未来的发展1发展过程及应用领域：人类使用高分子材料的历史，可以追溯到7000年前。我国浙江省余姚县出土的河姆渡文化遗址中（距今7000年），发现了涂有大漆的木碗，我国西汉时期（公元前200年至公元8年）已有麻布增强大漆树脂而成的脱胎漆器技术，这应是世界上最早的“树脂基复合材料”。蚕丝的使用可以追溯到45千年前，在浙江吴兴出土了中国45千年前的蚕丝织物。考古发现，我国于西汉时期已出现造纸技术，使用原料是蚕丝渣，麻布，公元105年（东汉）蔡伦发明“造纸”只是造纸术的进一步改进。造纸术于公元8世纪左右才传入阿拉伯并进一步传入欧洲。由天然高分子化学改性或由人工合成探索新高分子材料的近代高分子材料研究始于19世纪中页。1844年Goodyear（美国）发明的天然橡胶硫化技术，开创了近代的高分子材料研究。1868年出现了硝基纤维素酯用樟脑作增塑剂，制赛璐珞的技术，从而出现了塑料。1890年出现了硝基纤维素酯用乙醇做溶剂湿法纺丝的成纤技术，从而出现了人造纤维。1895年左右出现了用帆布增强硫化橡胶制轮胎的技术，这是首次出现的近代技术的复合材料。1905年出现纤维素以碱性二硫化碳为溶剂制造粘胶丝技术。1907年出现了酚醛树脂合成技术，并与1910年实现工业化生产，用于制造电工绝缘材料（俗称电木）。1940年出现用玻璃纤维增强热固性树脂的“玻璃钢”制造技术。 随着世界经济的高速发展，人类社会对材料的需求也日益多样化，从而导致了上世纪60年代以后，在多种基本高分子材料问世的背景下，高分子材料向国民经济各个领域飞速扩展的局面。但这种扩展已不再是新高分子化合物的研制为主线，而是根据现有基本高分子化合物，面向市场，面向具体应用目标的丰富多彩的市场产品的开发。目前高分子材料已深入应用到国民经济、人类生活的各个方面，成为了人类社会继金属材料，无机材料之后的第三大材料。生物医用高分子材料指用于生理系统疾病的诊断、治疗、修复或替换生物体组织或器官，增进或恢复其功能的高分子材料。研究领域涉及材料学、化学、医学、生命科学。在功能高分子材料领域，生物医用高分子材料可谓异军突起，目前已成为发展最快的一个重要分支。生物医用功能高分子材料中有的可以全部植人体内，有的也可以部分植入体内而部分暴露在体外，或置于体外而通过某种方式作用于体内组织。随着现代生物工程技术的高度发展，又使得利用生物体合成生物材料成为可能。此类材料由于具有良好的生物相容性和生物降解性备受世人瞩目。合成医用高分子材料发展的第一阶段始于1937年，其特点是所用高分子材料都是已有的现成材料，如用丙烯酸甲酯制造义齿的牙床。第二阶段始于1953年，其标志是医用级有机硅橡胶的出现，随后又发展了聚羟基乙酸酯缝合线以及四种聚(醚一氨)酯心血管材料，从此进入了以分子工程研究为基础的发展时期。目前的研究焦点已经从寻找替代生物组织的合成材料转向研究一类具有主动诱导、激发人体组织器官再生修复的新材料，这标志着生物医用高分子材料的发展进入了第三个阶段，其特点是这种材料一般由活体组织和人工材料有机结合而成，在分子设计上以促进周围组织细胞生长为预想功能，其关键在于诱使配合基和组织细胞表面的特殊位点发生作用以提高组织细胞的分裂和生长速度。.生物医用高分子材料的特性要求：医用高分子材料，是指在医学上使用的高分子材料。其对于挽救生命救治伤残提高人类生活质量等方面具有重要意义。能被用于医疗领域作为医用材料就必须有着它独特的性质，性能要求也必须十分苛刻。通过归纳，应当符合以下要求：（1） 生物相容性。生物相容性是描述生物医用材料与生物体相互作用情况的。是作为医用材料必不可少的条件包括血液相容性，组织相容性，生物降解吸收性。（1）生物功能性。生物功能性是指生物材料具有在其植入位置上行使功能所要求的物理和化学性质具体有：可检查诊断疾病；可辅助治疗疾病；可满足脏器对维持或延长生命功能的性能要求；可改变药物吸收途径：控制药物释放速度、部位满足疾病治疗要求的功能等。（3）无毒性。无毒性即化学惰性。此外，还应具备耐生物化物理和力学稳定性。易加工成型，材料易得、价格适当便于消毒灭菌；以及还要防止在医用高分子材料生产。加工过程中引入对人体有害的物质。（4）可加工性：能够成型、消毒(紫外灭菌、高压煮沸、环氧乙烷气体消毒、酒精消毒)等2 组成材料 生物医学材料是指一类具有特殊性能、特种功能，用于人工器官、外科修复、理疗康复、诊断、治疗疾患，而对人体组织不会产生不良影响的材料。现在各种合成材料和天然高分子材料、金属和合金材料、陶瓷和碳素材料以及各种复合材料，其制成品都已经被广泛应用于临床和科研。一般而言，临床医学对生物医学材料有以下基本的要求:无毒性，不致癌，不致畸，不引起人体细胞的突发和组织细胞的反应；与人体组织相容性好，不引起中毒、溶血凝血、发热和过敏等现象；化学性质稳定，抗体液、血液及酶的作用；具有与天然组织相适应的物理机械特性；针对不同的使用目的具有特定的功能。例如：生物医学高分子材料（Biomedical Polymer）有天然的和合成的两种，发展最快的是合成高分子医用材料。通过分子设计，可以获得很多具有良好物理机械性和生物相容性的生物材料。其中软性材料常用作人体软组织如血管、食道和指关节等的代用品；合成的硬材料可以用作人工硬脑膜、笼架球形的人工心脏瓣膜的球形阀等；液态的合成材料如室温硫化硅橡胶可以用作注入式组织修补材料。生物医学无机非金属材料或生物陶瓷生物陶瓷（Biomedical Ceramics）化学性质稳定，具有良好的生物相容性。生物陶瓷主要包括两类:（1）惰性生物陶瓷（如氧化铝、医用碳素材料等），这类材料具有较高的强度，耐磨性能良好，分子中的键力较强。（2）生物活性陶瓷（如羟基磷灰石和生物活性玻璃等），这类材料具有能在生理环境中逐步降解和吸收，或与生物机体形成稳定的化学键结合的特性，因而具有极为广阔的发展前景。生物医学复合材料生物医学复合材料（Biomedical Composites）是由两种或两种以上不同材料复合而成的生物医学材料，主要用于修复或替换人体组织、器官或增进其功能以及人工器官的制造。其中钛合金和聚乙烯组织的假体常用作关节材料；碳钛合成材料是临床应用良好的人工股骨头；高分子材料与生物高分子（如酶、抗源、抗体和激素等）结合可以作为生物传感器。生物医学衍生材料 生物医学衍生材料（Biomedical Derived Materials）是经过特殊处理的天然生物组织形成的生物医学材料，是无生物活力的材料，但是由于具有类似天然组织的构型和功能，在人体组织的修复和替换中具有重要作用，主要用作皮肤掩膜、血液透析膜、人工心脏瓣膜等。 全球生物医学材料市场主要产品目前大量用于医疗器械（植入器械、体外循环系统等）的生物医学材料主要有20种，其中医用高分子12种，金属4种，陶瓷2种，其它2种。利用现有的生物医学材料，已开发应用的医用植入体、人工器官等近300种，主要包括:心脏和心血管系统（起搏器、心脏瓣膜、人造血管、导管和分流管等）；矫形外科（人工关节、骨板、骨螺钉等内固定器械、骨缺损填充或修复体、脊柱和脊柱融合器械、功能化模拟神经肌肉和人工关节软骨等）；整形外科（颅、颌面、耳、鼻等修复体和人工乳房等）；软组织修复（人工尿道、人工膀胱和肠、体内、外分流管、人工气管、缝线和组织粘合修补材料等）；牙科（牙种植体、牙槽骨替换、增高和充填剂等）；感觉神经系统（人工晶体、接触镜、神经导管、中耳修复体、经皮导线、重建听力和视力修复体等），及药物和生物活性物质控释载体等。3 在医学上的用途 生物医用高分子材料的应用根据不同的角度、目的甚至习惯，医用高分子材料应用有不同的分类方法，尚无统一标准。主要在人造器官、人造组织、以及其它的一些高分子药剂等。A人造器官（1）人工肾：四十年前荷兰医生用赛璐洛玻璃纸作为透析膜, 成功地滤除了患者血液中的毒素。目前人工肾以中空丝型最为先进, 其材质有醋酸纤维, 赛璐洛和聚乙烯醇。其中以赛璐路居多, 占98%, 它是一种亲水性的、气体和水都能通过的材料, 同时要求有很好的选择过滤性, 病人的血液从人工肾里流过由它们所构成的中空丝膜, 就可将尿素、尿酸,Ca2+等物质通过, 并留在人工肾里继而排出, 而人体所需的营养、蛋白质却被挡住,留在血液里返回人体, 从而对血液起到过滤作用, 目前中空纤维膜已在西德的恩卡公司、日本旭化成和夕沙毛公司研究成功, 并用于工业化生产。（2）人工肺：人工肺并不是对于人体肺的完全替代，而是体外执行血液氧交换功能的一种装置，目前以膜式人工肺最为适合生理要求,它是以疏水性硅橡胶, 聚四氟乙烯等高分子材料制成。(3)人工心脏：1982年美国犹他大学医疗中心, 成功地为61岁的牙科医生克拉克换上了Jarvak一7型人工心脏, 打破了人造心脏持久的世界纪录, 美国人工心脏专家考尔夫博士指出闭,人工心脏研制成功与否取决于找到合适的弹性体, 作为人工心脏主体心泵的高分子材料,现在所用的材料主要为硅橡胶。（4）其它，如人工心脏瓣膜、心脏起搏器电极的高分子包覆层、人工血管、人工喉、人工气管、人工食管、人工膀胱等。B.人造组织指用于口腔科、五官科、骨科、创伤外科和整型外科等的材料，包括：(1)牙科材料：主要采用聚甲基丙烯酸甲酯系、聚砜和硅橡胶等，如蛀牙填补用树脂、假牙和人工牙根、人工齿冠材料和硅橡胶牙托软衬垫等；(2)眼科材料：这类材料特别要求具有优良的光学性质、良好的润湿性和透氧性、生物惰性和一定的力学性能，主要制品有人工角膜(PTFE、PMMA)、人工晶状体(硅油、透明质酸水溶液)、人工玻璃体、人工眼球、人工视网膜、人工泪道、隐型眼镜(PMMA、PHEMA、PVA)等；(3)骨科材料：人工关节、人工骨、接骨材料(如骨钉)等，原材料主要有高密度聚乙烯、高模量的芳香族聚酰胺、聚乳酸、碳纤维及其复合材料；(4)肌肉与韧带材料：人工肌肉、人工韧带等，原材料有PET、PP、PTFE、碳纤维等；(5)皮肤科材料：人工皮肤，含层压型人工皮肤、甲壳素人工皮肤、胶原质人工皮肤、组织膨胀器。C.药用高分子(1)高分子缓释药物载体：药物的缓释是近年来人们研究的热点。目前的部分药物尤其是抗癌药物和抗心血管病类药物(如强心苷)具有极高的生物毒性而较少有生物选择性，通常利用生物吸收性材料作为药物载体，将药物活性分子投施到人体内以扩散、渗透等方式实现缓慢释放。通过对药物医疗剂量的有效控制，能够降低药物的毒副作用，减少抗药性，提高药物的靶向输送，减少给药次数，减轻患者的痛苦，并且节省财力、人力、物力。目前存在时间控制缓释体系(如“新康泰克”等，理想情形为零级释放)、部位控制缓释体系(脉冲释放方式)。近年来研究较多的是利用聚合物的相变温度依赖性(如智能型凝胶)，在病人发烧时按需释放药物，还有利用敏感性化学物质引致聚合物相变或构象改变来释放药物的物质响应型释放体系。(2)高分子药物(带有高分子链的药物和具有药理活性的高分子)：如抗癌高分子药物(非靶向、靶向)、用于心血管疾病的高分子药物(治疗动脉硬化、抗血栓、凝血)、抗菌和抗病毒高分子药物(抗菌、抗病毒、抗支原体感染)、抗辐射高分子药物、高分子止血剂等。将低分子药物与高分子链结合的方法有吸附、共聚、嵌段和接枝等。第一个实现高分子化的药物是青霉素(1 962年)，所用载体为聚乙烯胺，以后又有许多的抗生素、心血管药和酶抑制剂等实现了高分子化。天然药理活性高分子有激素、肝素、葡萄糖、酶制剂等。4 未来的发展.国内外研究进展近年来，美国、欧洲和日本对生物医用高分子材料的研究与开发突飞猛进，从人工器官到高效缓释高分子药物都取得了很多成果和巨大效益。自20世纪70年代末起，北京大学和南开大学从事这一领域的研究。“九五”期间由何炳林与卓仁禧主持的国家自然科学基金重大项目组织大批科研力量进行研究，在此领域取得了显著成绩。1998年“生物医学高分子”项目获教育部科技进步一等奖。我国现有医用高分子材料60多种，制品达400余种。早在1999年6月，科技部生物领域专家组就在南京和上海召开了“生物芯片技术”和“组织工程技术”研讨会，会议决定启动这2个研究项目H，并作为该领域的重点课题。东南大学、清华大学、华中农业大学、上海第二医科大学、第一军医大学和华东理工大学等单位承担了这些课题，其某些研究成果已见报道。此外，中科院化学所、天津大学、中国科技大学、浙江大学、四川大学、军事医