生医材料概论.doc

Chapter 4生醫材料概論 4.1生醫材料：醫療上之材料，用以與生體組織、體液、或血液等接觸，且不會產生副作用之惰性材料。可能是直接植入到身體內，或只與生體組織、體液、或血液等接觸而已。 例如：靜脈導管、人造皮膚、人工關節、人工瓣膜、人造血管、人工腎臟等。 4.1.1生醫材料的分類：1. 天然材料(生物材料) 。2. 高分子材料(人工合成材料) 。3. 金屬、陶瓷材料等。 4.1.2生醫材料的用途：1. 用來做生物補綴物。2. 替代組織器官。例如：人工關節、人工瓣膜、人工腎臟等。3. 診療用品等。例如：血袋、導管等。4. 或外科手術用品等。例如：縫線、止血物等。4.1.3生物性生醫材料：1. 蛋白質。例如：明膠、膠原蛋白等 。2. 多糖類物質 。例如：澱粉、糊精等 。3. 聚氨基酸等。4.1.4高分子生醫材料：1. 生分解性高分子 。例如：聚乳酸PLA、聚甘酸PGA、 聚己內酯Poly-e-caprolactone等。2. 水膠。例如：丙烯酸系列水膠，HEMA。3. 矽(橡)膠。4. 聚峖酯。等4.1.5金屬、陶瓷之生醫材料：1. 不鏽鋼。例如：316L骨釘、骨板。2. 鈷、鉻合金，鈦合金等。例如：人工髖關節 。3. 陶瓷材料。例如：氫氧基磷灰石、生醫玻璃陶瓷等。4.2生醫材料-History:1. The Romans, Chinese, and Aztec used gold in dentistry more than 2000 years ago.Through much of recorded history, glass eyes and wooden teeth have been in common use. 絲、貓腸線2. At the turn of this century, synthetic plastics became available. Their ease of fabrication led to many implantation experiments, most of them, in light of our contemporary understanding of biomaterials toxicology, doomed to failure. 3. In 1937, Poly(methyl methacrylate) (PMMA) was introduced in dentistry.4. During World War II, shards of PMMA from shattered gunnery turrets, unintentionally implanted in the eyes of aviators, suggested that some materials might evoke only a mild foreign body reaction.5. Just after World War II, Voorhees experimented with parachute cloth (Vinyon N) as a vascular prosthesis.6. In 1958, in a cardiovascular surgery textbook by Rob, the suggestion was offered that surgeons might visit their local drapers shop and purchase Dacron fabric that could be cut with pinking shears to fabricate an arterial prosthesis.7. In the early 1960s Charnley used PMMA, ultrahigh-molecular-weight polyethylene, and stainless steel for total hip replacement.4.3 BIOMATERIALS Although biomaterials are primarily used for medical applications, they are also used to grow cells in culture, in apparatus for handling proteins in the laboratory, in devices to regulate fertility in cattle, in the aquaculture of oysters, and possibly in the near future they will be used in a cell-silicon biochip that would be integrated into computers. Common problem: the interaction between biological systems and synthetic (or modified natural) materials.材料作為醫用材料時需進行哪些測試？4.4高分子材料將高分子聚合物應用於醫療上，做為醫療器材、體內植入物、藥物傳遞系統、或藥物控制釋放等方面，已有相當的發展歷史。 甚麼是高分子材料(Polymer)？ 就是由很多單體聚合而成為分子量很大(高)的材料，我們又稱塑膠材料。Poly: 多mer：單體 n (CH2=CH2) -(-CH2CH2-)n- 乙烯單體，分子量28 聚合反應 聚乙烯，分子量500000 均聚物 (Homopolymer)： -A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A- 共聚物 (Copopolymer)：雜排式共聚物(Random copolymer)：-A-B-B-A-B-A-B-B-A-交替排列式共聚物(Alternating copolymer)：-A-B-A-B-A-B-段鍊式共聚物(Block copolymer)：-A-A-A-A-A-B-B-B-B-B-生物分解性高分子材料使用具有降解性(degradable)的高分子，如聚乳酸，或聚甘醇酸及其共聚物等，應用於藥物控制釋放及醫療方面，是相當重要的。主要是因為降解性高分子可自行分解，並經由體內之代謝作用，可將分解後之分子排到體外，以避免手術後再處理，或當藥物用罄後須再施以手術將剩下之高分子基材取出。一般常見之生物分解吸收性高分子材料有1. polylactide -(-OC(CH3)HCO-) n - (PLA)有結晶態與非結晶態。特性：水解約50週，結晶度由0%增至50%。醫療上用途：手術縫線、藥物控制釋放、整型移植。2. polyglycolic acid -(-OCH2CO-) n - (PGA)PGA水解較PLLA快。特性：在體內由於酵素催化，使水解速度加快，植入體內可維持八週之久。醫療上用途：手術縫線、藥物制放、整型移植、血管接枝。3. poly(e-caprolatone)-(O-(CH2)5-CO-) n -特性：水解過程分為結晶區與非結晶區之水解，水解速率較PLLA慢。醫療上用途：手術縫線、藥物控制釋放、整型移植。等等。 其中又以聚乳酸(polylactic acid)與聚甘醇酸(polyglycolic acid)之研究最多，技術也最成熟，應用最廣。早在1962年，American Cyanamid及Johnson and Johnson就發展聚甘醇酸做為手術縫線(Dexon)。由於聚甘醇酸的組織相容好，又有良好的機械性質(如機械彈性好、高抗伸張性、套結牢靠、及強度期可靠等)，且其蛻解速度可以預期，逐漸取代貓腸線成為主要之手術縫線材料。 聚乳酸與聚甘醇酸的化學結構如圖一所示。純聚甘醇酸為直鏈構造，容易結晶，為半結晶狀之聚合物(結晶度高達50%以上)，融點(Tm)為224-226 C，玻璃轉化點溫度(Tg)為36 C。聚甘醇酸具親水特性，一般在水溶液中或體內蛻解的很快，依照聚合物的分子量、結晶度、及形狀與形態，蛻解速度可從幾小時到幾個月。為了控制聚甘醇酸均聚物的水解速度，可以加入較不易水解之高分子聚合物，形成共聚物。1970年代，Du Pont推出類似聚甘醇酸結構的聚乳酸，並將PLA與PGA共聚成Vicryl ，以降低聚甘醇酸之水解不安定性。圖一、聚乳酸與聚甘醇酸之化學結構聚乳酸與聚甘醇酸具有類似之化學結構，主鏈上有一甲基，結構如圖一所示。聚甘醇酸主鏈上之氫原子基被一甲基取代，即為聚乳酸。因為乳酸為一對掌性分子(chiral molecule)，具有兩種立體異構物，分別為L型及D型，L-乳酸與D-乳酸的化學性質類似，但有相反的立體結構，因此其旋光性亦不同。L-乳酸與D-乳酸具有光學活性，而DL-乳酸為混合型(含等比例的L-乳酸與D-乳酸)，則不具光學活性。因此乳酸的聚合物中，依聚合單體分子的不同，也可分為聚L-乳酸(PLLA)、聚D-乳酸、與聚DL-乳酸(聚左右消旋性乳酸，PDLLA)。聚L-乳酸與聚D-乳酸之結構規則，聚合物中有結晶區與非結晶區所構成；而聚DL-乳酸因排列不規則，聚合物為非結晶態。因生體內之乳酸為L型，所以在生物醫學的應用上大部分是利用聚L-乳酸與聚DL-乳酸。4.5 Case Study: 人工皮膚人的皮膚：燒、燙傷：沖、脫、泡、蓋、送燒、燙傷分類： 一度燒傷： 只到表皮，很痛