人工脏器PPT课件.ppt

1,小组成员：宋美慧孙靖石良孙晨石超,高分子材料在人工脏器上的应用,2,高分子材料在人工脏器上的应用,高分子材料在人工脏器上的应用简介应用高分子材料的人工脏器在人工脏器中应用的高分子材料本章小结,3,一、高分子材料在人工脏器上的应用简介,1.人工脏器定义：人工器官是生物医学工程专业中一门新的学科。它主要研究模拟人体器官的结构和功能，用人工材料和电子技术制成部分或全部替代人体自然器官功能的机械装置和电子装置。当人体器官病损而用常规方法不能医治时，有可能给病人使用一个人工制造的器官来取代或部分取代病损的自然器官，补偿或修复或辅助其功能。,4,2.人工器官分类按功能分为11类：（1）支持运动功能的人工器官，如人工关节、人工脊椎、人工骨、人工肌腱、肌电控制人工假肢等。（2）血液循环功能的人工器官，如人工心脏及其辅助循环装置、人工心脏瓣膜、人工血管、人工血液等。（3）呼吸功能的人工器官，如人工肺（人工心肺机）、人工气管、人工喉等。（4）血液净化功能的人工器官，如人工肾（血液透析机）、人工肺等。（5）消化功能的人工器官，如人工食管、人工胆管、人工肠等。,5,（6）排尿功能的人工器官，如人工膀胱、人工输尿管、人工尿道等。（7）内分泌功能的人工器官，如人工胰、人工胰岛细胞。（8）生殖功能的人工器官，如人工子宫、人工输卵管、人工睾丸等。（9）神经传导功能的人工器官，如心脏起搏器、膈起搏器等。（10）感觉功能的人工器官，如人工视觉、人工听觉（人工耳蜗）、人工晶体、人工角膜、人工听骨、人工鼻等。（11）其他类，人工硬脊膜、人工皮肤等。,6,7,3.高分子材料在人工脏器上的应用发展简史生命科学是21世纪备受关注的新型学科。而与人类健康休戚相关的医学在生命科学中占有相当重要的地位。医用材料是生物医学的分支之一，是由生物、医学、化学和材料等学科交叉形成的边缘学科。而医用高分子材料则是生物医用材料中的重要组成部分，主要用于人工器官、外科修复、理疗康复、诊断检查、患疾治疗等医疗领域。,8,此后，一大批人工器官在50年代试用于临床。如人工尿道（1950年）、人工血管（1951年）、人工食道（1951年）、人工心脏瓣膜（1952年）、人工心肺（1953年）、人工关节（1954年）、人工肝（1958年）等。进入60年代，医用高分子材料开始进入一个崭新的发展时期。,9,部分人工脏器的临床应用历史,人工骨：1940年H.R.Bohlman人工肾：1943年W.J.Kolff人工气管；1948年O.Tclaqett人工血管：1951年J.H.Grinndlay人工食管：1951年Z.D.Baronofaky心脏起搏器：1952年P.M.Iou人工关节：1954年B.Walldius人工瓣膜：1957年J.H.Stuckey人工肺：1958年D.C.Shechter全人工心肺：1982年W.C.Derries,10,医用高分子材料发展的动力来自医学领域的客观需求。当人体器官或组织因疾病或外伤受到损坏时，需要器官移植。然而，只有在很少的情况下，人体自身的器官（如少量皮肤）可以满足需要。采用同种异体移植或异种移植，往往具有排异反应，严重时导致移植失败。在此情况下，人们自然设想利用其他材料修复或替代受损器官或组织,11,早在公元前3500年，埃及人就用棉花纤维、马鬃缝合伤口。墨西哥印地安人用木片修补受伤的颅骨。公元前500年的中国和埃及墓葬中发现假牙、假鼻、假耳。进入20世纪，高分子科学迅速发展，新的合成高分子材料不断出现，为医学领域提供了更多的选择余地。1936年发明了有机玻璃后，很快就用于制作假牙和补牙，至今仍在使用。1943年，赛璐珞薄膜开始用于血液透析。,12,1949年，美国首先发表了医用高分子的展望性论文。在文章中，第一次介绍了利用PMMA作为人的头盖骨、关节和股骨，利用聚酰胺纤维作为手术缝合线的临床应用情况。50年代，有机硅聚合物被用于医学领域，使人工器官的应用范围大大扩大，包括器官替代和整容等许多方面。,13,60年代以前，医用高分子材料的选用主要是根据特定需求，从已有的材料中筛选出合适的加以应用。由于这些材料不是专门为生物医学目的设计和合成的，在应用中发现了许多问题，如凝血问题、炎症反应、组织病变问题、补体激活与免疫反应问题等。人们由此意识到必须针对医学应用的特殊需要，设计合成专用的医用高分子材料。,14,美国国立心肺研究所在这方面做了开创性的工作，他们发展了血液相容性高分子材料，以用于与血液接触的人工器官制造，如人工心脏等。从70年代始，高分子科学家和医学家积极开展合作研究，使医用高分子材料快速发展起来。至80年代以来，发达国家的医用高分子材料产业化速度加快，基本形成了一个崭新的生物材料产业。,15,目前用高分子材料制成的人工器官中，比较成功的有人工血管、人工食道、人工尿道、人工心脏瓣膜、人工关节、人工骨、整形材料等。巳取得重大研究成果，但还需不断完善的有人工肾、人工心脏、人工肺、人工胰脏、人工眼球、人造血液等。另有一些功能较为复杂的器官，如人工肝脏、人工胃、人工子宫等。则正处于大力研究开发之中。,16,医用高分子材料研发过程中遇到的一个巨大难题是材料的抗血栓问题。当材料用于人工器官植入体内时，必然要与血液接触。由于人体的自然保护性反应将产生排异现象，其中之一即为在材料与肌体接触表面产生凝血，即血栓，结果将造成手术失败，严重的还会引起生命危险。对高分子材料的抗血栓性研制是医用高分子研究中的关键问题，至今尚未完全突破。将是今后医用高分子材料研究中的首要问题。,17,4.人工器官的现状,世界卫生组织表明,全世界需紧急器官移植手术的患者数量与所捐献人体器官的数量比为201。在中国每年有1000万心脏衰竭的患者,其中200万到300万人因心衰而死亡,但是每年却只有50个患者有机会接受心脏移植手术。尸体供体是国内目前器官移植的主要供体,占97%以上。,18,19,由此看来，随着人们对人工脏器的研究的不断深入以及科学技术的发展，高分子材料在人工脏器上的应用会越来越广泛，人工脏器的成本会大大的降低，也会有越来越多的病人得到救治的机会。这也是人类研究人工脏器的最终目的。就目前而言，就有许多高分子材料得以在人工脏器上应用。,20,二、应用高分子材料的人工脏器,由于人工器官的种类非常多，下面只重点介绍几种：人工心脏瓣膜人工肾人工肝人工心脏人工皮肤,21,1.人工心脏瓣膜,定义：人工心脏瓣膜是可植入心脏内代替心脏瓣膜（主动脉瓣、肺动脉瓣、三尖瓣、二尖瓣），能使血液单向流动，具有天然心脏瓣膜功能的人工器官。当心脏瓣膜病变严重而不能用瓣膜分离手术或修补手术恢复或改善瓣膜功能时，则须采用人工心脏瓣膜置换术。换瓣病例主要有风湿性心脏病、先天性心脏病、马凡氏综合症等。,22,23,人工瓣膜的类型机械瓣球型瓣BallValves碟型瓣DiskValves单叶碟瓣SingleLeafletDiskValves双叶碟瓣BileafletDiskValves组织瓣（生物瓣）人体组织瓣HumanTissueValves(Homografts,Autografts,RossProcedure)动物组织瓣AnimalTissueValves(Xenografts,Heterografts),24,球型瓣,球型瓣是植入人体的第一种人工心脏瓣膜，许多年来有许多种不同的设计，但到目前为止，在美国临床上仍在使用的球型瓣只剩下Starr-Edwards瓣。球型瓣包括一个支架和球体，是临床使用最早的心脏瓣膜。他们是一组最可靠及持久的瓣膜设计。Starr-Edwards瓣Magovern-CromieSuturelessValve不缝合瓣Smeloff-Sutter瓣,25,Magovern-CromieSuturelessValve不缝合瓣,采用不缝合的技术植入人体内。在瓣膜缘的四周有小的钩子，手术者将其安置在合适位置后，用小钩子固定。,26,Smeloff-SutterValve,在设计笼球瓣时，有一个思路就是减小球的大小来减低瓣膜对流出道的阻塞。但如果球体太小，小于瓣膜的横径，那么球体有移位的可能。所以Smeloff-Sutter和Cutter-Smeloff瓣在两边都有笼球来限制球体的活动，但有保持小球体改善血液动力学的优点。,27,二尖瓣,28,三尖瓣,29,主动脉瓣,30,正在植入球形人造心脏瓣膜,31,碟型瓣DiskValves,碟型瓣分单页和双页碟瓣。最早的设计是单页碟瓣，临床上取得了巨大的成功。尽管双页碟瓣的出现要晚些，却已占领目前美国人工机械心脏瓣膜市场90%的份额。,32,人体组织瓣HumanTissueValves,无排斥反应，不用免疫抑制治疗人体组织瓣的应用有两种：同种异体移植,Homografts：将一个瓣膜从一个人移植到另一个人。自身移植,Autograft：从本人的一个部位移植到另一个部位。应用最多的自身移植是将肺动脉瓣移植到主动脉瓣，称为Ross手术。,33,34,动物组织瓣膜(异种移植物xenograft),PorcineValvesHancockPorcineValveCarpentier-EdwardsPorcineValveTissuemedStentedPorcineValvePericardial（心包）ValvesCarpentier-EdwardsPericardialValveIonescu-ShileyPericardialValveHancockPericardialValveStentlessValvesSt.JudeTorontoSPV(StentlessPorcineValve)MedtronicFreestyleStentlessAorticValveTissuemedStentlessPulmonaryValve,35,CEPericardialValve,Manufacturer:BaxterHealthcareCorporation,EdwardsCVSDivision.USManufacturingplantinIrvine,CA.AvailableinUS:YesSizes:Aortic:19-27mm,Mitral:Notavailableyet.Somesurgeonshaveimplantedlargeaorticvalvesinthemitralpositionbutthisisdiscouragedbythemanufacturer.Durability:At12years,Freedomfromreoperation=89%;Freedomfromexplantduetovalvedysfunction=91%XRayAppearance:Acontinuousthinwirebentinto3Ushapedloops,36,37,2.人工肾,定义：又称人工透析机，是用人工方法模仿人体肾小球的过滤作用，在体外循环的情况下，去除人体血液内过剩的含氮化合物、新陈代谢产物或逾量药物等，调节水和电解质平衡，以使血液净化的一种高技术医疗仪器。人工肾是一种透析治疗设备。透析疗法包括血液透析、血液滤过、血液灌流和腹膜透析，是分别应用血液透析机、血滤机、血液灌流器和腹膜透析管对病人进行治疗的技术。,38,发展：1913年英国的阿黛尔用硝棉胶膜作为透析膜，生理盐水作为透析液为肾病患者进行透析。这就是人工肾的前驱研究。1935年黑斯首次将透析技术用于临床。1943年荷兰医生科尔夫制成了第一个人工肾，首次以机器代替人体的重要器官。1960年，美国外科医生斯克里布纳发明了一种塑料连接器，可永久装进病人前臂，连接动脉和静脉，与人工肾极容易连接，不会损伤血管，这样就能够为病人长期进行血液透析治疗。,39,1946年在伦敦，哈默.史密斯医院使用的由科尔夫发明的早期人工肾,40,德国贝朗全电脑控制血液透析仪,41,原理：需从病人动脉将血液引流出来，在人工肾经过透析后再从静脉输入病人体内。它的核心部分是一种用高分子材料（称为膜材料）制成的透析器。这种膜材料具有半通透特性，可代替肾小球以实现其毛细血管壁的滤过功能，达到血液净化的目的。现用的膜材料有用化学方法从棉花中提取的再生纤维素和改良纤维素，以及一些高分子聚合物如聚丙烯睛、聚酰胺、乙烯乙烯醇共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯等。当今世界上有300多种产品的人工肾，所用透析膜材料有30多种。,42,人工肾是应用的膜分离技术原理。根据GibbsDonnan膜平衡原理，用半透膜将引出人体外的血液与专门配制的透析液隔开。由于血液和透析液所含溶质浓度的不同，及其所形成的渗透浓度差，使包含代谢产物的溶质（如尿素、肌肝、尿酸，以及废物硫酸盐、酚和过剩离子Na+、K+、Cl），在浓度梯度的驱动下，从浓度高的血液一侧，通过半透膜向浓度低的透析液一侧移动（称为弥散作用）；而水分则从渗透浓度低的一侧向浓度高的一侧转移（称为渗透作用），最终实现动态平衡，达到清除人体代谢废物和纠正水、电解质和酸碱平衡的治疗目的。,43,组成：透析型人工肾由三部分组成：血液净化系统（透析器）、透析液供给系统和自动控制系统。常用的透析器是空心纤维型结构，由内径200m，壁厚30m左右的透析膜材料制成的1万1.5万根空心纤维，组装在直径510cm、长约2025cm的圆柱状玻璃容器内。血液在空心纤维管内流动，透析液则环绕空心纤维管外四周流动，分别用泵驱动使血液和透析液循环。当代人工肾由微机控制，可自动检测和控制渗透压（静脉回路压力和透析液压力之差）、透析液的温度及浓度，并能进行静脉口路气泡检测及报警，漏血检测及报警，以及透析液低电导检测及报警。,44,人工肾透析回路组成示意图,45,3.人工肝,概念：又称人工肝支持系统(ArtificialLiversupportsystem,ALSS)。就是借助人工干预使肝脏功能得以暂时替代，从而为患者自身细胞再生及功能恢复创造较好的内环境及宝贵的时间。人工肝与其它内科治疗的主要区别在于前者主要通过“功能替代”治病，后者主要通过“功能加强”治病。人工肝的研究始于20世纪50年代,46,人工肝的应用：国内主要用于急慢性肝功能衰竭的支持治疗，为自身肝细胞功能再生及功能恢复创造条件。在国外主要作为肝移植前的暂时维持手段及移植后的肝脏最初无功能状态时的暂时替代。主要适应症有：重症肝炎、肝衰竭、血小板减少性紫癜、多发性骨髓瘤、高血脂、全身性红斑狼疮、重症肌无力、药物中毒、重度血型不合妊娠等。,47,分类介绍,根据其组成和性质主要可分三类：（1）非生物型，又称物理型，主要通过物理或机械的方法进行治疗，如血浆置换、胆红素吸附等。（2）生物型，将生物部分如同种及异种肝细胞与合成材料相结合组成特定的装置，患者的血液或血浆通过该装置进行物质交换和解毒转化等。（3）混合型，由生物及非生物型组成的具有两者功能的人工肝支持系统。,48,非生物型人工肝：目前较常用的方法有血浆置换（Plasmaexchange，PE）、血浆胆红素、氨及药物吸附（PA）、全血灌流（HP）、血液滤过（HF）等。较少开展的方法有血液透析加吸附（Biologic-DT）、双重滤过血浆置换（DFPP）等。,49,血浆置换目前以血浆置换在国内外应用最多。采用血浆分离器将患者血浆从全血中分离并弃去，同时代之以新鲜冷冻血浆或人血白蛋白等溶液。此方法在去除血液中胆红素、内毒素、细胞毒性因子等有害物质的同时，补充多种生物活性成分。成人一次置换3000-3500毫升血浆并适当补充部分白蛋白及其它液体，可使患者血清中的内毒素、胆红素、肿瘤坏死因子等有害物质迅速减少35%-60%左右，同时补充的凝血因子、补体、白蛋白、纤维蛋白等所需成分迅速在体内发挥作用。伴随血液中毒性物质的减少，临床症状也有较为明显的改善。,50,WLXGX-888型伟力血液净化人工肝支持系统,51,生物型人工肝（BioartificalLiver）主要由生物反应器、有活力的培养肝细胞及循环辅助系统组成。其原理如下：将肝细胞置于生物反应器中，患者血液或血浆在循环辅助装置的作用下流经生物反应器时通过半透膜或直接与培养肝细胞之间进行物质交换。具有解毒、分泌、合成及转化等多种类似自然肝的功能及作用。所用细胞最好是人源非肿瘤细胞系，同时易于大量长期培养并具有较高的生物活性。目前研究较多的有原代培养的异种动物如大鼠、兔、猪等的肝细胞，其中原代培养的猪肝细胞是目前研究最多的一种细胞，在临床应用中取得较好的效果。,52,混合型或杂交型人工肝由于肝功能衰竭患者血中的毒物对培养的肝细胞有毒害作用，可影响到肝细胞的活力和治疗效果，因此一般先将患者血浆经非生物型的胆红素或其它吸咐装置吸咐，而后再进入生物反应器中循环。使用异种细胞存在着潜在的免疫反应，动物传染病传播到患者，以及伦理学等问题。,53,4.人工心脏,定义：人工心脏是利用机械的方法把血液输送到全身各器官以代替心脏的功能的装置。人工心脏可分为暂时性，即部分取代心脏的辅助性人工心脏；长期性，即取代整个心脏的安全人工心脏。,54,人工心脏的发展史,1895年，试制人工心脏泵对机体的组织和器官进行灌流。本世纪30年代，研制出世界上第一个人工心脏。暂时的辅助性人工心脏，实际上是一种体外循环机。1957年美国开始完全人工心脏的研究。1958年制成塑料的人工心脏，并进行了以人工心脏置换狗心脏的试验，但这只狗只活了90分钟。1969年，人工心脏用于人体。,55,1982年，JARVIK-7是世界上第一个试图永久性植入人体的完全人工心脏。此种人工心脏外部有驱动装置，患者借助管子与机器相连接，可长期使用，这种人工心脏的最大缺点是需要由体外装置提供动力的能源。1998年，首个轻便式的心脏“辅助器”投放英美市场。2000年，给病人植入首个Jarvik-2000型人工心脏，重约90克，附在心脏的左心室上。,56,2001年7月2日，世界上第一例全植入式人工心脏植入手术在美国获得成功。名为AbioCor。重约两磅，呈柚子状，材料是塑料和钛。151天身亡。完全代替心室功能并能完整植入体内的人工心脏，不依赖体外的机器工作，能给病人更多活动能力。由4部分构成：金属钛的心脏本体、一微型锂电池、一计算机控制系统以及外接电池组。人造心脏本体取代患者心脏的左右心室，微型锂电池和控制系统将植入患者的腹腔，外接电池组不植入人体，而是通过安装在腹部表皮下的插座向植入的微型锂电池充电。有两个替代左右心室的腔室，4个接口，分别连接左右心房、主动脉、肺动脉。两个腔室中间是电动机和泵，在心脏与血管的接口部分装有活塞，以代替心脏瓣膜的功能。锂电池能量耗尽的时候由外挂电池组充电。,57,58,使用人工心脏的捷克男子雅各布哈力克(JakubHalik),59,选用材料高分子材料一直是人工循环的主要应用材料。针对人工心脏的特点聚脂类有较好的应用前途，如聚乌拉坦。今后还有可能利用人工材料的特点体外塑行以微创手术将人工心脏置入人体，或者将人工材料做成人体可降解材料，使其在一定时期后功能完成后自然降解，以免除二次手术。人工合金对人工心脏也做出了较大的贡献，如镍钛合金曾经作为人工心脏瓣膜、心室，其坚固性、轻质、表面光滑性非常适于人工心脏。近来有人做成镍钛锆合金其优越性更为突出。,60,人工心脏的发展方向,随着人工心脏向小型化、耐用性强及低阻力的发展有可能将来像人工心脏起搏器一样得以广泛应用。人工心脏的发展需要进一步解决的问题：1.小型而具有高射血效能2.安全可靠的控制系统和能源供应模型3.经久耐用的带瓣血室,61,5.人工皮肤,人工皮肤它是在受创伤皮肤治疗过程中使用的一种暂时性的创面保护性覆盖材料，科学的名称应该为人工的烧（创）伤覆盖材料。传统的人工皮肤是由合成纤维制成的，一般由基底层与织物层结合而成。织物层由锦纶涤沦丙纶等纤维材料组成。将纤维织成具有特殊的丝绒状或无絮状的表面，其目的是使人体组织可以长入并固定。如把锦纶丝绒结合在厚度为0.25mm的聚合多肽基底层上，经抗生物质处理，制成的人工皮肤。,62,人工皮肤应具备下列物理化学及生物化学条件：一是防止水分与体液从创面蒸发与流失；二是防止创面的感染；三是使用肉芽或新皮能逐渐成长，促使治愈。传统的人工皮肤虽有多种，但都有不足之处。由甲壳素纤维制成的人工皮肤，医疗效果显著优于传统的人工皮肤。目前已经商品化了，其中商标为帕斯基奇W的人工皮肤是比较理想的医疗效果非常出色的创伤保护材料。,63,它是采用血清蛋白质对甲壳素微细纤维进行处理，以提高其吸附性，然后将甲壳素纤维切成长度为5-15mm的短纤维，用水作分散剂，用聚乙烯醇作粘合剂制成非织造布，并切成适当大小，包装灭菌供临床使用。,64,甲壳素人工皮肤耐溶解性强，便于表皮细胞长入，愈后不发生粘连，具有止血镇痛的功效，并能抑制微生物菌类的繁殖，促进伤口愈合。还可以采用这种材料的基体，培养表皮细胞，再贴于创伤表面，待甲壳素纤维分解后，就形成完整的新生真皮。甲壳素人工皮肤是一种前所未有的高技术新材料，它能与生物体组织发生细胞间的亲和与反应，表现出卓有成效的辅助治疗功能。,65,我国是拥有12.5亿人口的大国,每年因事故烧伤病人不计其数,治疗中往往采用病人自身皮肤移植,远远不能满足要求。人工皮肤的研究与开发，市场前景广阔,66,三、在人工脏器中应用的高分子材料,1.对医用高分子材料的基本要求医用高分子材料是一类特殊用途的材料。它们在使用过程中，常需与生物肌体、血液、体液等接触，有些还须长期植入体内。由于医用高分子与人们的健康密切相关，因此对进入临床使用阶段的医用高分子材料具有严格的要求，要求有十分优良的特性。归纳起来，一个具备了以下七个方面性能的材料，可以考虑用作医用材料。,67,1）化学隋性，不会因与体液接触而发生反应人体环境对高分子材料主要有以下一些影响：1)体液引起聚合物的降解、交联和相变化；2)体内的自由基引起材料的氧化降解反应；3)生物酶引起的聚合物分解反应；4)在体液作用下材料中添加剂的溶出；5)血液、体液中的类脂质、类固醇及脂肪等物质渗入高分子材料，使材料增塑，强度下降。,68,但对医用高分子来说，在某些情况下，“老化”并不一定都是贬意的，有时甚至还有积极的意义。如作为医用粘合剂用于组织粘合，或作为医用手术缝合线时，在发挥了相应的效用后，反倒不希望它们有太好的化学稳定性，而是希望它们尽快地被组织所分解、吸收或迅速排出体外。在这种情况下，对材料的附加要求是：在分解过程中，不应产生对人体有害的副产物。,69,（2）对人体组织不会引起炎症或异物反应有些高分子材料本身对人体有害，不能用作医用材料。而有些高分子材料本身对人体组织并无不良影响，但在合成、加工过程中不可避免地会残留一些单体，或使用一些添加剂。当材料植入人体以后，这些单体和添加剂会慢慢从内部迁移到表面，从而对周围组织发生作用，引起炎症或组织畸变，严重的可引起全身性反应。,70,（3）不会致癌根据现代医学理论认为，人体致癌的原因是由于正常细胞发生了变异。当这些变异细胞以极其迅速的速度增长并扩散时，就形成了癌。而引起细胞变异的因素是多方面的，有化学因素、物理因素，也有病毒引起的原因。,71,当医用高分子材料植入人体后，高分子材料本身的性质，如化学组成、交联度、相对分子质量及其分布、分子链构象、聚集态结构、高分子材料中所含的杂质、残留单体、添加剂都可能与致癌因素有关。但研究表明，在排除了小分子渗出物的影响之外，与其他材料相比，高分子材料本身并没有比其他材料更多的致癌可能性。,72,（4）具有良好的血液相容性当高分子材料用于人工脏器植入人体后，必然要长时间与体内的血液接触。因此，医用高分子对血液的相容性是所有性能中最重要的。高分子材料的血液相容性问题是一个十分活跃的研究课题，但至今尚未制得一种能完全抗血栓的高分子材料。这一问题的彻底解决，还有待于各国科学家的共同努力,73,（5）长期植入体内不会减小机械强度许多人工脏器一旦植入体内，将长期存留，有些甚至伴随人们的一生。因此，要求植入体内的高分子材料在极其复杂的人体环境中，不会很快失去原有的机械强度。事实上，在长期的使用过程中，高分子材料受到各种因素的影响，其性能不可能永远保持不变。我们仅希望变化尽可能少一些，或者说寿命尽可能长一些。,74,一般来说，化学稳定性好的，不含易降解基团的高分子材料，机械稳定也比较好。如聚酰胺的酰胺基团在酸性和碱性条件下都易降解，因此，用作人体各部件时，均会在短期内损失其机械强度，故一般不适宜选作植入材料。而聚四氟乙烯的化学稳定性较好，其在生物体内的稳定性也较好。表91是一些高分子以纤维形式植入狗的动脉后其机械强度的损失情况。,75,表91高分子材料在狗体内的机械稳定性,76,（6）能经受必要的清洁消毒措施而不产生变性高分子材料在植入体内之前，都要经过严格的灭菌消毒。目前灭菌处理一般有三种方法：蒸汽灭菌、化学灭菌、射线灭菌。国内大多采用前两种方法。因此在选择材料时，要考虑能否耐受得了。,77,（7）易于加工成需要的复杂形状人工脏器往往具有很复杂的形状，因此，用于人工脏器的高分子材料应具有优良的成型性能。否则，即使各项性能都满足医用高分子的要求，却无法加工成所需的形状，则仍然是无法应用的。此外还要防止在医用高分子材料生产、加工工程中引入对人体有害的物质。应严格控制原料的纯度。加工助剂必须符合医用标准。生产环境应当具有适宜的洁净级别，符合国家有关标准。,78,2.高分子材料分类,天然医用高分子材料如胶原、明胶、丝蛋白、角质蛋白、纤维素、多糖、甲壳素及其衍生物等。人工合成医用高分子材料如聚氨酯、硅橡胶、聚酯等。,79,1）天然高分子材料已经在临床医学获得应用的天然高分子材料包括蛋白质和多糖两类生物高分子。这些生物高分子主要在酶的作用下降解，生成的降解产物如氨基酸、糖等化合物，可参与体内代谢，并作为营养物质被肌体吸收。因此这类材料应当是最理想的天然高分子材料。,80,白蛋白、葡聚糖和羟乙基淀粉在水中是可溶的，临床用作血容量扩充剂或人工血浆的增稠剂。胶原、壳聚糖等在生理条件下是不溶性的，因此可作为植入材料在临床应用。下面对一些重要的天然高分子材料作简单介绍。,81,胶原胶原是人体组织中最基本的蛋白质类物质，至今已经鉴别出13种胶原，其中IIII、V和XI型胶原为成纤维胶原。I型胶原在动物体内含量最多，已被广泛应用于生物医用材料和生化试剂。牛和猪的肌腱、生皮、骨骼是生产胶原的主要原料,82,由各种物种和肌体组织制备的胶原差异很小。最基本的胶原结构为由三条分子量大约为1105的肽链组成的三股螺旋绳状结构，直径为11.5nm，长约300nm，每条肽链都具有左手螺旋二级结构。胶原分子的两端存在两个小的短链肽，称为端肽，不参与三股螺旋绳状结构。研究证明，端肽是免疫原性识别点，可通过酶解将其除去。除去端肽的胶原称为不全胶原，可用作生物医学材料,83,胶原可以用于制造止血海绵、创伤辅料、人工皮肤、手术缝合线、组织工程基质等。胶原在应用时必须交联，以控制其物理性质和生物可吸收性。戊二醛和环氧化合物是常用的交联剂。残留的戊二醛会引起生理毒性反应，因此必须注意使交联反应完全。胶原交联以后，酶降解速度显著下降。,84,明胶明胶是经高温加热变性的胶原，通常由动物的骨骼或皮肤经过蒸煮、过滤、蒸发干燥后获得。明胶在冷水中溶胀而不溶解，但可溶于热水中形成粘稠溶液，冷却后冻成凝胶状态。纯化的医用级明胶比胶原成本低，在机械强度要求较低时可以替代胶原用于生物医学领域。,85,明胶可以制成多种医用制品，如膜、管等。由于明胶溶于热水，在6080水浴中可以制备浓度为520的溶液，如果要得到2535的浓溶液，则需要加热至90100。为了使制品具有适当的机械性能，可加入甘油或山梨糖醇作为增塑剂。用戊二醛和环氧化合物作交联剂可以延长降解吸收时间。,86,纤维蛋白纤维蛋白是纤维蛋白原的聚合产物。纤维蛋白原是一种血浆蛋白质，存在于动物体的血液中。人和牛的纤维蛋白原分子量在330000340000之间，二者之间的氨基酸组成差别很小。纤维蛋白原由三对肽链构成，每条肽链的分子量在4700063500之间。除了氨基酸之外，纤维蛋白原还含有糖基。纤维蛋白原在人体内的主要功能是参与凝血过程。,87,纤维蛋白具有良好的生物相容性，具有止血、促进组织愈合等功能，在医学领域有着重要用途。纤维蛋白的降解包括酶降解和细胞吞噬两种过程，降解产物可以被肌体完全吸收。降解速度随产品不同从几天到几个月不等。通过交联和改变其聚集状态是控制其降解速度的重要手段。,88,目前，人的纤维蛋白或经热处理后的牛纤维蛋白已用于临床。纤维蛋白粉可用作止血粉、创伤辅料、骨填充剂（修补因疾病或手术造成的骨缺损）等。纤维蛋白飞沫由于比表面大，适于用作止血材料和手术填充材料。纤维蛋白膜在外科手术中用作硬脑膜置换、神经套管等。,89,甲壳素与壳聚糖甲壳素是由（1,4）2乙酰氨基2脱氧D葡萄糖（N乙酰D葡萄糖胺）组成的线性多糖。昆虫壳皮、虾蟹壳中均含有丰富的甲壳素。壳聚糖为甲壳素的脱乙酰衍生物，由甲壳素在4050浓度的氢氧化钠水溶液中110120下水解24h得到。,90,甲壳素在甲磺酸、甲酸、六氟丙醇、六氟丙酮以及含有5氯化锂的二甲基乙酰胺中是可溶的，壳聚糖能在有机酸如甲酸和乙酸的稀溶液中溶解。从溶解的甲壳素或壳聚糖，可以制备膜、纤维和凝胶等各种生物制品,91,甲壳素能为肌体组织中的溶菌酶所分解，已用于制造吸收型手术缝合线。其抗拉强度优于其他类型的手术缝合线。在兔体内试验观察，甲壳素手术缝合线4个月可以完全吸收。甲壳素还具有促进伤口愈合的功能，可用作伤口包扎材料。当甲壳素膜用于覆盖外伤或新鲜烧伤的皮肤创伤面时，具有减轻疼痛和促进表皮形成的作用，因此是一种良好的人造皮肤材料。,92,2）人工合成高分子材料聚羟基酸及其衍生物乙醇酸和乳酸是典型的羟基酸，其缩聚产物即为聚羟基酸酯，即聚乙醇酸（PGA）和聚乳酸（PLA）。乳酸中的碳是不对称的，因此有D乳酸和L乳酸两种光学异构体。由单纯的D乳酸或L乳酸制备的聚乳酸是光学活性的，分别称为聚D乳酸（PDLA）和聚L乳酸（PLLA）。,93,聚羟基酸酯可通过如下两种直接方法合成。羟基酸在脱水剂（如氧化锌）的存在下热缩合；卤代酸脱卤化氢而聚合。但是用这些方法合成的聚羟基酸酯的分子量往往只有几千，很难超过20000。而通常只有分子量大于25000的聚羟基酸酯才具有较好的机械性能。因此，直接聚合得到的聚羟基酸酯一般只能用于药物释放体系，而不能用于制备手术缝合线、骨夹板等需要较高机械性能的产品。,94,为了制备高分子量的聚羟基酸酯，目前采用环状内酯开环反应的技术路线。根据聚合机理，环状内酯的开环聚合有三种类型，即阴离子开环聚合、阳离子开环聚合和配位开环聚合。目前，商品聚羟基酸酯一般采用阳离子开环聚合制备。由于医用高分子材料对生物毒性要求十分严格，因此要求催化剂是非毒性的。目前最常用的催化剂是二辛酸锡，其安全性是可靠的。,95,由乙交酯或丙交酯开环聚合得到的PGA或PLA也称为聚乙交酯或聚丙交酯。由两种交酯共聚得到的聚酯，叫聚乙丙交酯。PGA在室温下为结晶态,PLA在室温下为无定形体。当其组成(摩尔比)在25:7575:25之间时，共聚产物为无定形玻璃态高分子，性能接近