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第九章功能高分子 医用高分子材料 2 一 简介医用材料 生物医学的分支 是由生物 医学 化学和材料等学科交叉形成的边缘学科 医用高分子材料 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 1 概述 3 医用高分子材料 是一门较年轻的学科 发展历史不长 因此医用高分子的定义至今尚不十分明确 另外 由于医用高分子是由多学科参与的交叉学科 根据不同学科领域的习惯出现了不同的分类方式 1 概述 二 分类 4 日本医用高分子专家樱井靖久将医用高分子分成如下的五大类 1 与生物体组织不直接接触的材料这类材料用于制造虽在医疗卫生部门使用 但不直接与生物体组织接触的医疗器械和用品 如药剂容器 血浆袋 输血输液用具 注射器 化验室用品 手术室用品等 二 分类 5 2 与皮肤 粘膜接触的材料用这类材料制造的医疗器械和用品 需与人体肌肤与粘膜接触 但不与人体内部组织 血液 体液接触 因此只要求无毒 无刺激 有一定的机械强度 1 概述 二 分类 6 2 与皮肤 粘膜接触的材料用这类材料制造的物品如手术用手套 麻醉用品 吸氧管 口罩 气管插管等 诊疗用品 洗眼用具 耳镜 压舌片 灌肠用具 肠 胃 食道窥镜导管和探头等 绷带 橡皮膏等 人体整容修复材料 例如假肢 假耳 假眼 假鼻等 二 分类 7 3 与人体组织短期接触的材料这类材料大多用来制造在手术中暂时使用或暂时替代病变器官的人工脏器 如手术缝合线 组织粘合剂 人造皮肤等 这类材料在使用中需与肌体组织或血液接触 故一般要求有较好的生物体适应性和抗血栓性 1 概述 二 分类 8 4 长期植入体内的材料用这类材料制造的人工脏器或医疗器具 一经植入人体内 将伴随人的终生 不再取出 因此不仅要求有非常优异的生物体适应性和抗血栓性 并有较高的机械强度和稳定的化学 物理性质 1 概述 二 分类 9 4 长期植入体内的材料用这类材料制备的人工脏器包括 脑积水症髓液引流管 人造血管 人工瓣膜 人工气管 人工尿道 人工骨骼 人工关节等 1 概述 二 分类 10 5 药用高分子这类高分子包括大分子药物和药物高分子 前者是指将传统的小分子药物大分子化 如聚青霉素 后者则指本身就有药理功能的高分子 如阴离子聚合物型的干扰素诱发剂 1 概述 二 分类 11 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 1 概述 二 分类 12 如用作人工管道 血管 食道 肠道等 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 1 概述 二 分类 13 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 本章讨论直接用于治疗人体病变组织 替代人体病变器官 修补人体缺陷的高分子材料 二 分类 14 一 概述许多高分子材料植入人体内后只是起到暂时替代作用 例如高分子手术缝合线用于缝合体内组织时 当肌体组织痊愈后 缝合线的作用即告结束 这时希望用作缝合线的高分子材料能尽快地分解并被人体吸收 以最大限度地减少高分子材料对肌体的长期影响 二 生物吸收性高分子材料 15 一 概述生物吸收性材料 容易在生物体内分解 参与代谢 并最终排出体外 对人体无害 因而越来越受到人们的重视 二 生物吸收性高分子材料 16 二 生物吸收性天然高分子材料已经在临床医学获得应用的生物吸收性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生物吸收性高分子材料 二 生物吸收性高分子材料 17 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 二 生物吸收性天然高分子材料 二 生物吸收性高分子材料 18 1 胶原胶原 人体组织中最基本的蛋白质类物质 如脊椎动物的主要结构是蛋白质 其是支持组织和结构组织 皮肤 肌腱和骨骼等有机质 的主要组成成分 二 生物吸收性天然高分子材料 19 1 胶原胶原的主要来源 牛和猪的肌腱 生皮 骨骼等 至今已经鉴别出13种胶原 其中I III V和XI型胶原为成纤胶原 其中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 二 生物吸收性天然高分子材料 20 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 二 生物吸收性天然高分子材料 1 胶原 21 胶原交联以后 酶降解速度显著下降 常用的交联剂是戊二醛和环氧化合物 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 二 生物吸收性天然高分子材料 1 胶原 22 明胶 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 二 生物吸收性天然高分子材料 2 明胶 23 例如 在60 80 水浴中可以制备浓度为5 20 的溶液 如果要得到25 35 的浓溶液 则需要加热至90 100 二 生物吸收性天然高分子材料 2 明胶 24 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 可以制成多种医用制品 如膜 管等 二 生物吸收性天然高分子材料 2 明胶 25 用戊二醛和环氧化合物作交联剂可以延长降解吸收时间 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 二 生物吸收性天然高分子材料 2 明胶 26 纤维蛋白原 一种血浆蛋白质 存在于动物体的血液中 在人体内的主要功能是参与凝血过程 纤维蛋白 是纤维蛋白原的聚合产物 具有良好的生物相容性 止血 促进组织愈合等功能 在医学领域有着重要用途 二 生物吸收性天然高分子材料 3 纤维蛋白 27 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 可通过交联和改变其聚集状态来控制其降解的速度 二 生物吸收性天然高分子材料 3 纤维蛋白 28 目前 人的纤维蛋白或经热处理后的牛纤维蛋白用作止血粉 创伤辅料 骨填充剂 修补因疾病或手术造成的骨缺损 等已用于临床 二 生物吸收性天然高分子材料 3 纤维蛋白 二 生物吸收性高分子材料 29 例如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 二 生物吸收性天然高分子材料 3 纤维蛋白 二 生物吸收性高分子材料 30 甲壳素 是由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 二 生物吸收性天然高分子材料 4 甲壳素与壳聚糖 二 生物吸收性高分子材料 31 壳聚糖 为甲壳素的脱乙酰衍生物 由甲壳素在40 50 浓度的氢氧化钠水溶液中110 120 下水解2 4h得到 二 生物吸收性天然高分子材料 4 甲壳素与壳聚糖 32 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溶液中 可以制备膜 纤维和凝胶等各种生物制品 二 生物吸收性天然高分子材料 4 甲壳素与壳聚糖 33 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 二 生物吸收性天然高分子材料 4 甲壳素与壳聚糖 34 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 二 生物吸收性天然高分子材料 4 甲壳素与壳聚糖 35 甲壳素缝线的电镜照片 甲壳素人工皮的电镜照片 二 生物吸收性天然高分子材料 4 甲壳素与壳聚糖 36 虽然生物吸收性天然高分子材料具有良好的生物相容性和生物活性 但毕竟来源有限 远远不能适应快速发展的现代医疗事业的需求 因此 人工合成的生物吸收性高分子材料有了快速发展的时间和空间 三 生物吸收性合成高分子材料 二 生物吸收性高分子材料 37 生物吸收合成高分子材料 多数属于能够在温和的生理条件下发生水解的生物吸收性高分子 降解过程一般不需要酶的参与 三 生物吸收性合成高分子材料 二 生物吸收性高分子材料 38 高分子材料作为人工脏器 人工血管 人工骨骼 人工关节等医用材料 越来越广泛地得到运用 人工脏器的应用正从大型向小型化发展 从体外使用向内植型发展 从单一功能向综合功能型发展 三 高分子材料在医学领域的应用 一 高分子人工脏器及部件的应用现状 39 为了满足材料的医用功能性 生物相容性和血液相容性的严峻要求 医用高分子材料也由通用型逐步向专用型发展 一 高分子人工脏器及部件的应用现状 三 高分子材料在医学领域的应用 40 目前 已研究出许多有生物活性的高分子材料 例如将生物酶和生物细胞等固定在高分子材料分子中 以克服高分子材料与生物肌体相容性差的缺点 开发出混合型人工脏器的工作正在取得可喜的成绩 一 高分子人工脏器及部件的应用现状 三 高分子材料在医学领域的应用 41 用于人工脏器的部分高分子材料 42 43 治疗大面积皮肤创伤的病人 需要将病人的正常皮肤移植在创伤部位上 但在移植之前 创伤面需要清洗 被移植皮肤需要养护 因此需要一定时间 但在这段时间内 许多病人由于体液的大量损耗以及蛋白质与盐分的丢失而丧失生命 三 高分子材料在医学领域的应用 2 人造皮肤材料 44 因此 人们用高亲水性的高分子材料作为人造皮肤 暂时覆盖在深度创伤的创面上 以减少体液的损耗和盐分的丢失 从而达到保护创面的目的 三 高分子材料在医学领域的应用 2 人造皮肤材料 45 聚乙烯醇微孔薄膜和硅橡胶多孔海绵 是制作人造皮肤的两种重要材料 这两种人造皮肤使用时手术简便 抗排异性好 移植成活率高 已应用于临床 三 高分子材料在医学领域的应用 2 人造皮肤材料 46 高吸水性树脂 用于制作人造皮肤方面的研究 亦已取得很多成果 此外 聚氨基酸 骨胶原 角蛋白衍生物等天然改性聚合物也都是人造皮肤的良好材料 三 高分子材料在医学领域的应用 2 人造皮肤材料 47 据报道 日本市场上近年出现一种高效人造皮肤 对严重烧伤的患者十分有效 这种人造皮肤的原料是甲壳质材料 从螃蟹壳 虾壳等物质中萃取出来 经过抽制成丝 再进行编织 2 人造皮肤材料 三 高分子材料在医学领域的应用 48 这种人造皮肤具有生理活性 可代替正常皮肤进行移植 因此可减少患者再次取皮的痛苦 临床试验表明 这种皮肤的移植成活率达90 以上 2 人造皮肤材料 三 高分子材料在医学领域的应用 49 将人体的表皮细胞在高分子材料上粘附 增殖 从而制备有生理活性的人工皮肤 是近年来的又一研究动向 并已取得相当的成就 三 高分子材料在医学领域的应用 2 人造皮肤材料 50 例如 将由骨胶原和葡糖胺聚糖组成的多孔层与有机硅材料复合制成双层膜 将少量取自患者皮肤的表面细胞置于多孔层中 覆在创伤面上 不久表皮细胞即在多孔层中增殖而形成皮肤 然后将有机硅膜剥下 多孔层则分解 被人体所吸收 三 高分子材料在医学领域的应用 2 人造皮肤材料 51 粘合剂作为高分子材料中的一大类别 近年来已扩展到医疗卫生部门 并且其适用范围正随着粘合剂性能的提高 使用趋于简便而不断扩大 医用粘合剂在医学临床中有十分重要的作用 三 高分子材料在医学领域的应用 3 医用粘合剂 52 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 用于术后缝合可制止微血管渗的 骨科手术中用于骨骼 关节的结合与定位 齿科手术中用于牙齿的修补等 三 高分子材料在医学领域的应用 3 医用粘合剂 53 从医用粘合剂的使用对象和性能要求来区分 可分成两大类 一类是齿科用粘合剂 另一类则是外科用 或体内用 粘合剂 由于口腔环境与体内环境完全不同 对粘合剂的要求也不相同 三 高分子材料在医学领域的应用 3 医用粘合剂 54 齿科粘合剂用于修补牙齿后 通常需要长期保留 因此 要求具有优良的耐久性能 外科用粘合剂在用于粘合手术创伤后 一旦组织愈合 其作用亦告结束 此时要求其能迅速分解 并排出体外或被人体所吸收 三 高分子材料在医学领域的应用 3 医用粘合剂 55 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 3 医用粘合剂 1 齿科用粘合剂 三 高分子材料在医学领域的应用 56 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 3 医用粘合剂 1 齿科用粘合剂 三 高分子材料在医学领域的应用 57 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 3 医用粘合剂 1 齿科用粘合剂 58 外科用粘合剂的应用范围很广 如胃 肠道 胆囊等消化器官的吻合 血管 气管 食道的修补和连接 皮肤 腹膜的粘合 肝 肾 胰脏切除手术后的粘合 肝 肾 胰 肺等器官的止血 骨骼的粘合等 其中大部分是对软组织的粘合 3 医用粘合剂 2 外科用粘合剂 59 外用粘合剂的使用目的与部位 60 外科用粘合剂经过50多年的发展 至今已有几十种品种 由于其粘度低 铺展性好 固化后无色透明 有一定的耐热性和耐溶剂性 目前仍在广泛使用 3 医用粘合剂 2 外科用粘合剂 三 高分子材料在医学领域的应用 61 氰基丙烯酸酯 是丙烯酸酯中 H被氰基取代的产物 其结构通式如下 3 医用粘合剂 2 外科用粘合剂 62 氰基丙烯酸酯 是一类瞬时粘合剂 单组分无溶剂 粘结时无需加压 可常温固化 粘结后无需特殊处理 3 医用粘合剂 2 外科用粘合剂 三 高分子材料在医学领域的应用 63 由于 位置上的氰基是一个吸电子性很强的基团 可使 碳原子呈现很强的正电性 因此有很大的聚合倾向 3 医用粘合剂 2 外科用粘合剂 64 由此可见 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 此外 氰基丙烯酸酯在光 热 自由基引发剂作用下亦很容易进行自由基聚合反应 3 医用粘合剂 2 外科用粘合剂 65 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