医用高分子材料PPT课件.ppt

1 医用高分子材料简介 2 目录 今天主要讲的内容 1 简述医用材料的历史2 高分子材料可作为医用材料的原因3 医用高分子材料的七项性能要求 4 医用高分子材料的分类 5 医用高分子材料的发展方向6 应用 a 人工组织和人工器官b 医用缝合线c 医用粘合剂d 人工晶体e 烤瓷牙材料 3 医用材料的发展史公元前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 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 1949年 美国首先发表了医用高分子的展望性论文 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 4 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 此后 一大批人工器官在50年代试用于临床 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 1958年 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 5 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 6 高分子材料作为医用材料的原因 高分子化合物在生物界的普遍存在 决定了它们在医学领域中的特殊地位 在各种材料中 高分子材料的分子结构 化学组成和理化性质与生物体组织最为接近 因此最有可能用作医用材料 7 医用高分子材料需要满足的七项性能 化学惰性 不会与体液沾染而发生变化对人体组织不会引起炎症或异物反应 不会致癌 具有良好的血液相容性 长期植入体内不会减小机械强度 能经受必要的清洁消毒措施而不产生变性易于加工成需要的复杂形状 8 医用高分子材料的分类 1 按照生物医学用途分类硬组织相容性高分子材料软组织相容性高分子材料血液相容性高分子材料高分子药物 9 2 按照性能分类生物可降解型高分子材料生物非降解型高分子材料3 按照使用性能分类植入性高分子材料非植入性高分子材料 10 目前在实际应用中 更实用的是仅将医用高分子分为两大类 一类是直接用于治疗人体某一病变组织 替代人体某一部位或某一脏器 修补人体某一缺陷的材料 如用作人工管道 血管 食道 肠道 尿道等 人造玻璃体 眼球 人工脏器 心脏 肾脏 肺 胰脏等 人造皮肤 人造血管 手术缝合用线 组织粘合剂 整容材料 假耳 假眼 假鼻 假肢等 的材料 另一类则是用来制造医疗器械 用品的材料 如注射器 手术钳 血浆袋等 这类材料用来为医疗事业服务 但本身并不具备治疗疾病 替代人体器官的功能 因此不属功能高分子的范畴 11 医用高分子的发展巳有50多年的历史 其应用领域巳渗透到整个医学领域 取得的成果是十分显赫的 但距离随心所欲地使用高分子材料及其人工脏器来植换人体的病变脏器尚很远很远 因此尚需作深入的研究探索 就目前来说 医用高分子将在以下4个方面进行深入的研究 5 医用高分子的发展方向 12 1 人工脏器的生物功能化 小型化 体植化目前使用的人工脏器 大多数只有 效应器 的功能 即人工脏器必须与有功能缺陷的生物体共同协作 才能保持体内平衡 研究的方向是使人工脏器永久性地植入体内 完全取代病变的脏器 这就要求高分子材料本身具有生物功能 13 2 高抗血栓性材料的研制至今为止 尚无一种医用高分子材料具有完全抗血栓的性能 许多人工脏器的植换手术就是因为无法解决凝血问题而归于失败 因此 尽快解决医用高分子材料的抗血栓性问题 巳成为医用高分子材料发展的一个关键性问题 受到各国科学家的重视 14 3 发展新型医用高分子材料至今为止 医用高分子所涉及到的材料大部分限于已工业化的高分子材料 这显然不能适应和满足十分复杂的人体各器官的功能 因此发展适合医学领域特殊要求的新型 专用高分子材料 已成为广大化学家和医学专家的共识 目前研究开发混合型人工脏器 即将生物酶和生物细胞固定在合成高分子材料上 制取有生物活性的人工脏器的工作 已经取得了相当大的成就 4 推广医用高分子的临床应用高分子材料在医学领域的应用虽已取得了很大的成就 但很多尚处于试验阶段 如何将已取得的成果迅速推广到临床医学应用 以拯救更多患者的生命 需要高分子材料界与医学界的通力协作 15 应用 一 人工组织和人工器官 人们口中常说的高分子人工器官材料或高分子内植材料 实事上也是高分子生物材料 人造器官在生物材料医学上是指能植入人体或能与生物组织或生物流体相接触的材料 16 从应用情况看 人工器官的功能开始从部分取代向完全取代发展 从短时间应用向长时期应用发展 从大型向小型化发展 从体外应用向体内植入发展 人工器官的种类从与生命密切相关的部位向人工感觉器官 人工肢体发展 从单一功能向综合功能型发展 17 用于人工脏器的部分高分子材料一览 18 分类 一 根据人工脏器和部件的作用及目前研究进展 可将它们分成五大类 第一类 能永久性地植入人体 完全替代原来脏器或部位的功能 成为人体组织的一部分 第二类 在体外使用的较为大型的人工脏器装置 主要作用是在手术过程中暂时替代原有器官的功能 第三类 功能比较单一 只能部分替代人体脏器的功能 例如人工肝脏等 第四类 正在进行探索的人工脏器 第五类 整容性修复材料 这些部件一般不具备特殊生理功能 但能修复人体的残缺部分 使患者重新获得端正的仪表 19 按高分子主链结构可分为 碳链高分子 它们在生物体内降解速率都较慢 如聚乙烯 聚甲基丙烯酸甲酯及聚四氟乙烯等 为半永久性材料 杂链高分子 在生物体内的稳定性视主链的水解稳定性 聚合物结晶度 亲水性和交联度而定 如有机硅橡胶和聚对苯二甲酸乙二酯等可作为半永久性生物材料 20 生物相容性要求 例如 人工心脏 人工肾脏 人工肝脏 人工血管等脏器和部件长期与血液接触 因此要求材料必须具有优良的抗血栓性能 近年来的研究发现具有微相分离结构的聚合物往往具有优良的血液相容性 如在聚苯乙烯 聚甲基丙烯酸甲酯的结构中接枝上亲水性的甲基丙烯酸 羟乙酯 当接枝共聚物的微区尺寸在20 30nm范围内时 就有优良的抗血栓性 以高分子材料作为镁合金支架的涂层可改善支架的降解性能及生物相容性 目前镁合金常用的涂覆高分子材料有胶原蛋白 壳聚糖 聚乳酸及其共聚物 有机化合物转化膜 聚氨酯 这些高分子材料均具有好的生物性能 作为镁合金的涂层可以改善镁合金的生物相容性 延缓镁合金的降解时间 但有机物与镁合金之间的结合强度主要依靠物理机械力和化学键合 物理机械力不能够满足要求 必须要对镁合金表面和有机物进行处理 应用合适的表面活性剂使镁合金与有机物之间产生化学键合 从而达到要求 21 事例 1 人工心脏 22 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 例如研究较多的聚乌拉坦就具有耐用 弹性好 抗老化 顺应性好 组织相溶性好的特点 除此之外还有人将其分子辅基改变 合成进硅和维生素E等进一步改善其特性以更有利于人工器官的应用 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 23 2 人工肌肉 美国的科学家日前称 他们最近成功地研制出一种新型的人造肌肉 这种人造肌肉不仅可以自我修复 还可以在运动收缩过程中产生电力 这些电力未来甚至可以为你的手机或者MP3播放器充电 研究人员们使用了普遍存在的 柔韧灵活的碳纳米管作为电极 以取代其它含金属的膜 能够做成更像人类的机器人 更轻便灵巧的人造假肢 新研制的靠燃料驱动的人造肌肉很容易进行微型化甚至纳米级设备的生产 24 二 医用缝合线 医用缝合线是常见的线型材料 广泛应用于各类外科手术中 用以缝合伤口 联结组织 随着科学技术的不断进步 缝合材料目前经历了四代发展历程 第一代为丝线 第二代为羊肠线 第三代为化学合成可吸收缝合线 PGA PGLA PLA 第四代为胶原蛋白可吸收缝合线 25 第一代 丝线 非吸收性 早在公元前3500年 古埃及人就用绵纤维 马鬃来缝合伤口 中国古代史书中也早有用亚麻 头发 猪棕 草纤维等用于缝合的记录 古印第安人还有用大蚂蚁头咬合伤口来进行缝合的记录 是在当时条件下对各种缝合材料的原始应用 1930年 临床开始用现代丝线 丝线是用蚕丝制作而成的 里面有蚕丝蛋白 病人肌体组织对其有排异反应 现代医学多用在血管结扎及皮肤间断缝合 1938年开始出现化学尼龙线 聚酯线等非吸收性化学合成线 同时开始使用微创伤缝合针 26 第二代 羊肠线 可吸收性 出现在公元1800年左右 用于了网球拍的网线 1860年 英国医生JosephLister用灭菌的羊肠线开始现代缝合 从此开始有了最原始的可吸收缝合线 是用羊的肠系膜制作而成的 优点 羊肠线至今仍是一般体内缝合线的材料 它来源广阔且制作工艺相对简单 成本低廉 缺点 柔韧性差 组织反应大 在消化液和感染环境下抗张强度耗损快张力较低 在植入人体后吸收时间不确定 有较严重的组织排异反应 现代医用羊肠线分为铬制羊肠线和平制羊肠线 铬制羊肠线即原料羊肠衣经铬化物溶液浸制处理后而制成的羊肠线 由于含铬而显绿色 平制羊肠线即原料羊肠衣未经铬化物处理而制成的羊肠线 铬制羊肠线和平制羊肠线线均不染色 27 28 第三代 化学合成缝线 可吸收性 公元1960年 美国人发明了化学合成可吸收缝合线 包括PGA PLA 人工合成可吸收缝线 原材料为 人工代谢产物 乙醇酸 乳酸 聚合而成 生产工艺为纺丝 拉伸 涂层等工序制成 吸收方式为水解 具有操作方便 吸收时间可预知 它的吸收时间与缝线含水量密切相关 含水量高则吸收时间短 含水量低则吸收时间长 因此对生产 储存环境要求较高 直到现在 由于主要成分为化学物质并含有化学涂层 所以仍然有吸收不完全 存在轻度组织排异反应 美国1970年开始实行缝合线批准制度 缝合线专利保护期为14年 29 第四代 胶原蛋白缝线 可吸收性 1995年中国曾家修教授发明纯天然可吸收胶原蛋白缝合线 该种材料胶原蛋白占93 弹力蛋白占3 脂肪占4 为天然成型材料 采用生物原理制成 生产过程中无任何化学成分掺入 为原生态蛋白质材料 优点 由于主要成分为 型胶原蛋白 用于创伤缝合后 能为伤口愈合提供充分营养 并且具有吸收完全无致痕 使用方便 生物相容性好 无组织排异反应 吸收时间合适的优良特性 缺点 线不够长 少量缝线有粗细不均匀现象 30 它的吸收时间与缝线粗细密切相关 缝线越粗 吸收时间越长 缝线越细 吸收时间越短 一般吸收期为8 60天 对生产环境要求较高 另外也有利用新型羊肠线宣传第四代胶原蛋白缝合线的产品 但由于生产当中经过提纯 粘合 拉丝 抛光 涂层等工艺 原生态分子结构已经破坏 使用当中断线较多 仍有组织反应等羊肠线特征 真正意义上的纯天然胶原蛋白缝合线最基本特点为 抗张拉力强 吸收效果好 酶解吸收 无拉丝 无纺丝 非编织 无涂层 2020 2 4 31 32 理想的手术缝合线应满足的条件 1 可以进行彻底的消毒杀菌处理 2 有一定的机械性能 如适当的机械强度 延伸度 柔软性和弹性回复 湿润强度和摩擦系数 3 缝合 打结时操作方便 作结后持结性能良好 4 缝合线在体内一定时间内保持一定的强度 5 对机体组织有适应性 不致因异物反应而发生炎症 6 能在人体内部自行分解后被吸收或排出体外 可预测的吸收性 7 产品质量稳定可靠 制作容易 价廉易得 33 1 在外科手术中 医用粘合剂用于某些器官和组织的局部粘合和修补 2 手术后缝合处微血管渗血的制止 3 骨科手术中骨骼 关节的结合与位 4 齿科手术中用于牙齿的修补等 医用粘合剂 34 35 齿科用粘合剂的历史可追溯到半个世纪以前 1940年 首次用于齿科修补手术的高分子材料是聚甲基丙烯酸甲酯 它是将甲基丙烯酸甲酯乳液与甲基丙烯酸甲酯单体混合 然后在修补过程中聚合固化 这种粘合剂的硬度与粘结力均不够高 所以很快被淘汰 1965年出现了以多官能度甲基丙烯酸酯为基料 无机粉末为填料的复合粘合剂 性能大大提高 至今仍在齿科修复中广泛应用 36 软组织用粘合剂 这是一类用于齿龈或口腔粘膜等软组织的粘合剂 最早用于齿科软组织粘合的粘合剂是 氰基丙烯酸烷基酯 但这种粘合剂在有大量水分存在的口腔中粘结比较团难 所以现在已不再使用 取而代之的是称为EDH的组织粘合剂 EDH组织粘合剂的组成是 氰基丙烯酸甲酯 丁腈橡胶和聚异氰酸酯按100 100 10 20 重量比 的比例配制而成 再制成6 7 的硝基甲烷溶液 这种粘合剂具有较好的挠屈性和活体组织粘结性 最早是用作预防脑动脉瘤破裂的涂层的 后来发现对齿科软组织的粘合也有很好的效果 37 牙齿硬组织用粘合剂 目前最重要的齿科粘合剂是双酚A 双 3 甲基丙烯酰氧基 2 羟丙基 醚 简称Bis GMA 它的分子中同时具有亲水基和疏水基 因此 粘结性能优良 可用作补牙用复合充填树脂 它是一种双官能团单体 聚合时放热少 体积收缩小 聚合后成体型结构 耐磨 膨胀系数小 用紫外光照射或用过氧化苯甲酰 N N 双 羟乙基 对甲苯胺引发体系引发 可在室温下快速聚合 38 外科用粘合剂 39 氰基丙烯酸酯能与比较潮湿的人体组织强烈结合 因而被选作理想的外科用粘合剂 而且是迄今为止唯一用于临床手术的粘合剂 氰基丙烯酸酯类粘合剂在使用时以 氰基丙烯酸烷基酯为主要成分 加入少量高级多元醇酯 如癸二酸二辛酯等 作增塑剂 可溶性聚合物 如聚甲基丙烯酸酯 作增粘剂 氢醌和二氧化硫作稳定剂组成的 当 氰基丙烯酸酯在空气中暴露或与潮湿表面接触时 OH 离子迅速引发其聚合 这就是它能作为瞬间粘合剂的原因 不疼哟 40 氰基丙烯酸酯聚合物在人体内会分解成甲醛和氰基醋酸烷基酯 分解速度随烷基碳原子数增多而降低 水解物对人体的毒性也随烷基碳原子数增多而减小 甲酯聚合物在人体内约4周左右开始分解 15周左右可全部水解完 而丁酯聚合物则在16个月后仍有残存聚合物 分解后的产物大部分被排泄 少量被吸收 通过对其致癌性和组织反应性等的深入跟踪观察 均未发现对人体有不良的影响 41 人工晶体 42 什么是人工晶体 人工晶体 IOL 是一种植入眼内的人工透镜 取代天然晶状体的作用 第一枚人工晶体是由JohnPike JohnHolt和HaroldRidley共同设计的 于1949年11月29日 Ridley医生在伦敦St Thomas医院为病人植入了首枚人工晶体 43 人工晶体想法的来源 在第二次世界大战中 人们观察到某些受伤的飞行员眼中有玻璃弹片 却没有引起明显的 持续的炎症反应 于是想到玻璃或者一些高分子有机材料可以在眼内保持稳定 由此发明了人工晶体 44 人工晶体的主要材料 人工晶体经过了数十年的发展 材料主要是由线性的多聚物和交连剂组成 通过改变多聚物的化学组成 可以改变人工晶体的折射率 硬度等等 45 最经典的人工晶体材料是PMMA 是表面肝素处理晶体 也就是聚甲基丙烯酸甲酯 聚甲基丙烯酸甲酯 PMMA 用来制造人工晶体 几十年的临床应用证明 这种材料稳定 质轻 透明度好 屈光指数大 生物相容性好 且不会被机体的生物氧化反应所降解 它的理化性质 未发现任何降解或释放出丙烯酸单体 它在组织内的稳定性也相当好 不仅是由于其本身的理化惰性 而且对机体的生物反应较轻 对老化及环境中其它变化的抵抗力也很强 其折射率约为1 491 它能透过较宽范围的波长 300 700hm 包括紫外光谱 所以植入人工晶体后的眼与无晶状体眼一样感受颜色更亮 更饱和 昼光下会有蓝视现象 但红视不多见 PMMA的主要缺点是不能耐受高温高压消毒 至今PMMA仍然是制造硬质人工晶体的首选材料 46 近年来也用硅胶和水凝胶 hydrogels 制造人工晶体 由于其质软具有充足的柔韧性 故又称为软性人工晶体 可通过小切口植入眼内 水凝胶又根据聚合体中含水率的多少和其性质 分成2种 聚甲基丙烯酸羟乙酯 PHEMA 和高含水率的水凝胶 目前在临床上使用最广泛的软性人工晶体是硅胶 其次是PHEMA 47 大多数人工晶体可以阻挡太阳光中的紫外光线 但不能够滤过光谱中的蓝光部分 近来有学者提出 这一部分的光线对于视网膜特别是黄斑区有损伤作用 为了解决这一不足 Alcon公司最新推出了Acrysofnatural蓝光滤过型人工晶体 是在丙烯酸酯材料中增加了黄色载色基团 可以滤过有害的蓝光 它是目前最接近人眼生理状态的人工晶体 48 人工晶体的应用领域 1 适合微切口的人工晶体微切口的白内障手术是指切口小于2mm的白内障超声乳化术 目前专为微切口白内障摘除手术设计应用的人工晶体有2种 AcriSmart人工晶体 材料为疏水型丙烯酸酯 一片式设计 可通过1 4mm切口 植入后其在囊袋里稳定性好 并具用一定的假性调节力 ThinOptX人工晶体 为亲水型丙烯酸酯材料 其光学部超薄 卷曲折叠 可能过最小为1 0mm切口 可获得类似于传统折叠型人工晶体的远 近视力 2 可植入式微型望远镜式人工晶体可植入式微型望远镜式人工晶体适用于有黄斑变性的白内障患者 可将物像放大3倍 为患者提供单眼放大的中心视力 而对侧眼保留周边视力 以提高生活质量 目前 此种晶体还在临床观察中 3 光调节人工晶体由交叉排列的硅凝胶聚合体基质和均匀分布的光敏小体组成 当用近紫外线照射晶状体光学部位时 可使光敏小体聚合和迁移 从而改变晶状体的厚度 进行原位近视 远视和散光的精细调节 是最有前途 满足个性化需求的人工晶体 是最有前途 满足个性化需求的人工晶体 49 虽然现在高科技材料已经具有越来越好的功能以及相容性 但是它们是远远不能代替我们自身器官的功能的 所以我们要好好保护我们的眼睛 不要有用到代替材料的那一天 要相信原配永远是最好的 50 三 烤瓷牙材料 51 什么是烤瓷牙 定义 烤瓷牙全称是烤瓷熔附金属全冠 是一种理想的修复体 它是先用合金制成金属基底 再在其表面覆盖与