专题三-生物医用高分子材料.ppt

生物医用高分子材料 专题三 1 生物医用材料的发展概况 公元前5000年 20世纪30年代 50年代 60至80年代 人工牙齿少数医用材料 有机玻璃硝酸纤维素透析膜用于血液透析 有机硅聚合物被广泛应用 生物医用材料的生物相容性研究 90年代 组织工程材料的出现标志着医学将走出组织器官移植的范畴 步入制造组织和器官的新时代在美国 器官衰竭和组织缺损的治疗费用占年医疗费用的一半 美国每年等待心脏移植的人有近五万 可一年至多有两千二百人可以享受到换心 因为没有心脏来源 每年至少有二万多人在等待纳米粒子药物 纳米微囊药物的提出 20世纪90至21世纪初 人工替代或修复用高分子材料 狭义 药用高分子 2 生物医用高分子材料分类 高分子医疗器材和制品 功能修复材料 人工器官材料 医药包装用高分子材料 高分子薄膜包衣和控释膜材料 高分子药物的载体材料 药理活性的高分子药物 组织工程材料 医用黏合和缝合高分子材料 3 医用材料的基本要求 人体环境对高分子材料的作用 主要有以下几种形式 1 体液引起聚合物的降解 交联和相变化 2 体内的自由基引起高分子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 高分子材料中的添加剂溶出 引起性质的变化 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 老化 在医用高分子材料中的特殊含义 1 在化学上是隋性的 不会因与体液接触而发生反应 2 对人体组织不会引起炎症或异物反应 3 不会致癌 4 县有良好的血液相容性 不会在材料表面凝血 5 长期植入体内 不会减小机械强度 6 能经受必要的清洁消毒措施而不产生变性 7 易于加工成需要的复杂形状 基本要求 医用材料 体外使用医用材料 体内使用医用材料 一般只同皮肤接触 要求无毒 无刺激 不会引起皮肤过敏 癌变等 此外 在日光 化学试剂的消毒过程中不会变质 会与体内组织 细胞 血液和体液等长期接触 除了要满足以上条件 还要具备组织相容性 耐生物降解性和血液适应性 组织相容性 机体与外来物的相容程度 要求材料不会被生物体排异 体内组织不会受材料影响而发生变 化学惰性高分子材料如聚四氟乙烯 聚硅酮等 类似氨基酸高分子如聚乳酸 聚羟基乙酸等 1 高分子材料植入对组织反应的影响 a材料中渗出的化学成分对生物反应的影响添加剂 杂质 单体 低聚物以及降解产物等 聚氨酯和聚氯乙烯中可能存在的残余单体有较强毒性 硅橡胶 聚丙烯 聚四氟乙烯等毒性渗出物较少 b高分子的生物降解对生物反应的影响 c材料的物理形状等因素对组织反应的影响 2 高分子材料在体内的表面钙化 3 高分子材料的致癌性 材料的大小 形状 孔度 表面平滑等因素 一般来说 植入物体积越大 表描越平滑 造成的组织反应越严重 当植入材料是大体积薄片时 容易出现肿瘤 比薄片上穿孔要高出一倍 而海绵状 纤维状和粉末状 几乎不产生肿瘤 出现钙化合物的表面沉积的现象 是导致高分子材料失效的原因之一 一般被植个体越年轻 越容易发生钙化 多孔材料比无孔材料钙化严重 固体致癌性 异物致癌性 只要植入的材料是固体材料而且面积大于1cm2 无论材料种类 形状以及本身性质 都有致癌的可能性 耐生物降解性 同人体的特殊环境相关 人体的不同器官和组织有不同酸碱度 胸腔和肠道是碱性的 血液是微碱性的 而胃是酸性的 此外 还有多种生物酶 蛋白质和类固醇等具有生物 化学活性的物质 这些都会导致材料老化 分解变脆 如 硅橡胶是化学性能稳定的材料 但是用做人工心脏瓣膜 长期与血液接触后能吸附有机脂而变脆 会在血压作用下破裂 还有一部分材料希望被体内分解吸收 如手术缝合线 医用胶粘剂和接骨材料 如聚羟基乙酸 聚乳酸 壳聚糖等 血液适应性 凝血问题往往是高分子植入失败的关键因素 也是医用高分子材料首要解决的问题 当材料表面同血液接触后 不会导致血液结构和成分改变 产生溶血和凝血现象 可能发生血栓的原因 1 血管壁特性和状态发生变化 2 血液的性质发生变化 3 血液的流动状态发生变化 血栓的形成 防止血小板粘附 与表面能有关 与材料的含水率有关 与材料表面的疏水亲水平衡有关 与材料的表面电荷有关 与材料的光滑程度有关 人工替代或修复用高分子材料 1 人工心脏 一个成年人的心脏每分钟搏出的血液有4L 5L 运动时最多可14L 15L 心脏移植已超过千例 存活一年达47 二年达37 五年以上的达20 但可供移植的心脏数量有限 人工心脏研究有近40年 1977 在小牛体内植入人工心脏 存活184天 1979年 在小牛中植入Jarvik 7型人工心脏 存活221天 1982年 植入在61岁老人体内 存活112天 1981年以来使用抗排斥功能药物 环孢霉素 使手术成活率提高 人工心脏是由微机电动机带动的机械泵 人工心脏的泵体材料的选择是关键 硅橡胶容易老化 其他如聚氟乙烯 聚氯乙烯 聚烯烃等高分子材料易造成凝血现象 增加材料表面的光洁度 减小血小板等血液成分在表面凝聚 防止血栓生成 使材料表面带有负电荷 通过静电排斥作用防止带负电荷的血小板凝集 适当提高高分子材料的亲水性 以提高材料的血液相容性通过化学反应 在材料中引入具有抗凝血效果的肝素结构 制备微相分离结构的高分子材料 聚醚型聚氨酯 微相分离材料就是相分离的尺寸在微米的数量级以下 生物膜就是微相分离材料 主要成分是一种磷脂 由亲水和疏水两部分组成 亲水在表面 疏水朝向膜 蛋白质镶嵌在中间 这种生物膜的血液相容性很好 特点是分子结构部是由软链段和硬链段两部分组成的 在分子间有较强的氢键和范德华力 聚醚软段聚集形成连续相 而由聚氨酯组成的硬链段聚集而成的分散相微区 分散在连续相中 多相材料抗凝血机理 覆盖控制模型血浆蛋白质的吸附为材料表面的微相结构所控制 亲 疏水性不同的蛋白质被选择性地吸附在不同的微区 这种特定的蛋白吸附层结构不会激活血小板表面的糖蛋白 血小板的异体识别功能就体现不出来 从而不会发生凝血 6 聚离子络合物 PolyionComplex 是另一类具有抗血栓性的高分子材料 它们是由带有相反电荷的两种水溶性聚电解质制成的 例如美国Amicon公司研制的离子型水凝胶Ioplex101是由聚乙烯基苄基基三甲基铵氯化物与聚苯乙烯磺酸钠 通过离子键结合得到的 这种聚合物水凝胶的含水量与正常血管相似 并可调节两种聚电解质的比例 制得中性的 正离子型的或负离子型的产品 其中负离子型的材料可以排斥带负电荷的血小板 有利于抗凝血 2 人工肾 血液渗析器 血流 透析液 肾的主要功能是过滤和排泄血液中的代谢产物和有毒物质 调节体内水分和电解质的平衡 所谓人工肾主要就是通过体外渗析的方法治疗 渗析是一种用浓度差为动力进行分离的膜过程 血液渗析要求 只能让血液中分子量为500 50000之间的尿毒素透过 但不会让分子量更大的血液成分流失 血液渗析膜的高分子材料主要有铜氨纤维素 87 醋酸纤维素 聚砜和聚丙烯腈等 铜氨纤维素用量最大 性能也最好 人工肾的中空纤维渗析膜间的空隙较小 表面积大 在进行血液体外流转时 血球损伤较严重 两次治疗必须间隔至少一周 3 人工肺 人工肺又称氧合器 是血液体外循环时气体交换的器械 早期的氧合器是鼓泡型的 是将氧气在血液中鼓泡的方法来进行气体交换的 但是弊端很大 损伤红细胞 大量微气泡会造成气栓 此后 20世纪70年代 发展了膜式氧合器 类似人工肾 血液中的二氧化碳通过特质的膜同氧气交换 目前使用的都是微孔聚丙烯中空纤维制成的人工肺 纤维管壁有100nm的微孔 聚丙烯是疏水的 血液不会从微孔留出 操作时 血液在纤维膜外流动 氧气在纤维馆内流动 在压力下 扩散到血液 进行氧合作用 4 人工角膜和接触眼镜 修复性医用高分子材料 角膜上没有血管组织 在进行新陈代谢时需要通过泪液从空气中直接得到氧气 因此 对人工角膜材料和隐形眼镜要求透氧气 和较好亲水性 主要硬性接触镜和软性接触镜 硬性接触镜是用透光性好的聚丙烯酸酯类树脂制成 如有机玻璃 聚甲基丙烯酸甲酯 等 通过在角膜和镜片间的眼泪保证氧气供应 但透氧性和吸湿性都还是较差 软质接触镜是用亲水高分子的水凝胶制成 常用的有聚甲基丙烯酸羟乙酯 聚乙烯基吡啶 N 乙烯基吡咯烷酮与甲基丙烯酸酯的共聚物 这类材料的含水率40 70 比硬质镜片舒适 但是氧气透过性仍不高 如果含水率超过70 就与角膜接近 但是强度变很差 目前有种硅树脂做的镜片 透氧性高 可以保持水分在材料中并不流失 非抛弃型隐形眼镜 PHEMA 5 人工骨 治疗骨折时用的内固定材料常用金属材料 但是与骨质不相容 因此 需要再做手术取出 常用的高分子接骨材料是骨水泥 是一种在常温下固化的以聚甲基丙烯酸为主体的骨凝固材料 又出现了有机硅的接骨材料 但仍不是理想的接骨材料 主要是因为单体毒性 异物反应等组织反应 最近发明使用可降解高分子材料作为骨骼粘结材料 例如 高强度聚乳酸 相容性好 而且可以缓慢水解成羟基乙酸和乳酸 并最终生成水和CO2排出 降解留下的孔道可以生长血管 并被骨质填充 可以达到完全愈合的效果 6 齿科材料 牙冠充填材料要求对周围组织无刺激 固化时间短 机械强度高 热膨胀系数与牙齿的牙釉接近 银汞合金是常用的材料 但70年代后受到限制 聚丙烯酸酯树脂 热膨胀系数与牙齿相差大 耐磨差 用于制作假牙或牙拖 聚丙烯酸酯树脂的改性 引入亲水基 提高与牙齿的粘结性引入芳香基或含磷基团 提高耐磨性 同时聚合时放热小 树脂的体系收缩小 用于制牙拖粉的甲基丙烯酸甲酯原料 用于补牙的含羟基和萘基的甲基丙烯酸酯原料 含磷酸酯的甲基丙烯酸酯原料 7 高分子绷带材料 高分子医疗器材 骨折需要用绷带和夹板把骨折部位包扎 然后用石膏固定 需要一个月时间愈合 然而石膏不透气 会引起炎症 高分子绷带材料是由纱布浸了由异氰酸酯封端的聚氨酯预聚体制成的 使用时 先在水中浸润 然后包扎 在水作用下的预聚体能很快反应 生成聚氨基甲酸酯 并形成交联 柔软的纱布会变得很硬 同时 纱布较疏松 易于透气 8 一次性高分子医疗用品 一次性医用器材有很多 有注射器 输液袋 输液管 引流器 各种插管等 使用的塑料都是医用级的 不含添加剂 一次性针筒是由聚丙烯树脂制备 耐温性比聚乙烯和聚氯乙烯树脂都好 可在115度短时间高温消毒 是制备硬质医用材料的首选高分子原料 输液袋和输液管大多都是PVC树脂制备 柔软 透明 强度高 塑料针头 同输液用金属针头配套使用 形状如针头的套管 使用时 塑料针头同金属针头一起插入静脉血管 然后拔出金属针头 让塑料针头留在血管内 出口同输液瓶相接 每次输液后 不用把塑料针头拔出 封住出口即可 这种塑料针头在体内可保留一月左右 塑料针头是用聚氨酯制备的 超强吸水药棉 超强吸水性树脂是一种特殊的功能高分子材料 对纯水的吸附量可达自身重量的几十倍至几千倍 吸水后无论加多大的压力也不脱水 又叫高保水剂 超强吸水剂的原理 制备超强吸水性高分子材料必须具备两个条件 要含有亲水基团 如羧基 羟基 酰胺基 氨基等 这些基团能同水形成氢键 要适度交联或含有结晶结构 交联就是使线性的聚合物分子用化学键连接形成三维的网状结构 吸水时 交联网张开 树脂膨胀 进一步凝胶化 成为高吸水树脂 交联度不能太低 否则树脂会溶解 或形成的水凝胶强度差 吸水量低 交联度也不能太高 否则交联网无法张开 在医疗保健方面的应用 超强吸水性树脂在其他方面的应用 超强吸水树脂主要用于代替棉花 纱布等材料 用于制备妇女儿童的卫生用品 还可用于制作床褥 接触性眼镜 缓释药物等医用材料 超强吸水树脂可用于农业和园林 保持土壤的吸水和保水性 吸收肥料农药等 也可用于水果和蔬菜的保鲜和森林灭火 在建筑方面超强吸水树脂用于止水堵漏 同橡胶混合 可制成堵漏剂 抗洪器材 还可用于地基的加固剂 超强吸水树脂还可以做成涂料和墙纸 用于