生物材料课件

生物材料,第15组叶兴萌（01）孙斌（28）徐伟（34）,生物材料,1：生物材料及其发展概况2：生物材料的分类3：几种重要的生物降解高分子材料4：黄胶原的生产工艺5：聚羟基烷酸的生产工艺6：展望,1：生物材料及其发展概况,1.1：生物材料的定义生物材料可理解为一切与生物体相关的应用性材料，包括应用于生物体上的和生物体合成的各种材料。,1.2：生物材料的发展概况,生物材料（Biomaterials）兴起于20世纪60年代，当时是因医学需要而发展起来的。是生物、医学、化学和材料科学交叉形成的边缘学科。随着生命科学和材料科学的发展，特别是人类对人类对自身与环境协调的关系的关注，新型生物材料不断涌现，显示出巨大的发展前景。,2：生物材料的分类,按生物材料的来源分类,天然生物材料,半天然生物材料,特殊复合材料,人工生物材料,蛋白质类（聚氨基酸）,糖类（黄胶原、甲壳素）,酯类（聚羟基烷酸）,聚乳酸,聚乳酸羟磷灰石,生物金属材料,生物陶瓷材料,化学合成高分子聚合材料,按生物材料的降解性分类,全生物降解高分子材料（微生物多糖）,生物破坏高分子材料（聚乙烯）,不可降解的生物无机材料（生物陶瓷材料）,按应用分类,生物医学材料,生物包装材料,其他生物应用材料材料,生物医学材料,生物医学材料是一类与人体组织、体液或血液相接触，具有人体器官和组织的功能或部分功能的材料。是制造人工器官、医疗装置和药物的物质基础。需具备生物相容性好，稳定性好，物理和力学性能好等性质。根据用途可分为以下几种：,（1）：硬组织材料，用作骨科和齿科；（2）：软组织材料，用作眼科材料及一些填充、修复材料；（3）：吸附分离材料，如人工肾；（4）：心血管材料和人工血液材料；（5）：组织粘合剂和缝合线材料；（6）：药物和药物载体材料；（7）：一次性使用的医用材料，如注射器。,生物包装材料,生物包装材料是指对生态环境和人体健康无害、能源循环和材料再生利用，可促进持续发展的包装材料。由于聚氯乙烯、聚乙烯等包装材料需上百年才能降解，严重污染环境，所以从上世纪90年代至今，生态化包装材料有了极大的发展。,3：重要的生物降解高分子材料,生物降解高分子材料是指在自然界微生物，如细菌、霉菌及藻类作用下，可完全降解为低分子的材料。最终成为单体或代谢成为二氧化碳和水。,3.1：生物降解机制,（1）生物的物理作用：微生物粘附在高分子聚合物表面，生物的增长使物质发生机械性破坏。（2）生物的化学作用：微生物对高分子聚合物发生作用，将其转变并产生新物质。（3）酶的直接作用：微生物侵蚀高聚物，通过水解和氧化等反应将高分子裂解为相对分子质量低的物质。,3.2：聚乳酸,聚乳酸（PLA）是由淀粉原料经由乳酸杆菌发酵制成乳酸，再通过化学合成转换成聚乳酸。其具有良好的生物可降解性，使用后能被自然界中微生物完全降解，最终生成二氧化碳和水，不污染环境。,聚乳酸树脂,3.2.1：聚乳酸的类型,乳酸具有左旋（LLA）和右旋（DLA）两种旋光异构体，故聚乳酸有聚右旋乳酸（PDLA）、聚左旋乳酸（PLLA）和聚消旋乳酸（PDLLA）。,3.2.2：聚乳酸的合成方法,目前，合成聚乳酸的方法主要有直接法和间接法两种：直接合成法：在脱水剂的存在下，乳酸分子间受热脱水直接缩聚成低聚物，然后在继续升温，低分子量的聚乳酸扩链成更高分子量的聚乳酸。间接合成法：一般是先将乳酸齐聚成低分子量的聚乳酸，然后在高温高真空下裂解成乳酸的环状的二聚体丙交酯，经过分离钝化，在引发剂的存在下开环聚合得到高分子的聚乳酸。,3.2.3：聚乳酸的应用,聚乳酸塑料在工农业生产领域应用广泛，由于聚乳酸塑料韧性好，故适合加工成高附加值的薄膜，聚乳酸塑料还可用作林业木材、水产用材和土壤、沙漠绿化的保水材料。聚乳酸作为医用生物可吸收高分子材料是目前生物降解高分子材料最活跃的研究领域，聚乳酸在生物医学上的应用主要表现在缝合线、药物控释载体、骨科内固定材料、组织工程支架等方面。,3.3：甲壳素与壳聚糖,甲壳素广泛存在于低等植物及甲壳动物的外壳中，其每年生物合成资源最高达1000亿吨，是地球上仅次于植物纤维的第二大生物资源。将甲壳动物的外壳通过酸碱处理，脱去钙、盐和蛋白质，即得到甲壳质。,甲壳素止血垫,甲壳素有强化免疫、降血糖、降血脂、降血压、强化肝脏机能、调节植物神经系统及内分泌系统等功能，还可作为保健材料，用于护肤产品、保健内衣等。壳聚糖具有较多的侧基官能团，可进行酯化、醚化、氧化、磺化以及接枝交联等反应对其进行改性。特别是磺化产品，其结构与肝素极其相似，可作为肝素的代用品作抗凝剂。,主要特征：生物相容性好：其制品与人体不存在排斥问题。生物活性优异：其制品具有抑菌、降低血糖和胆固醇含量、促进体液免疫和细胞免疫等作用。生物降解性好：其制品用于一般的有机组织均能被生物降解并被机体完全吸收。,3.4：聚氨基酸,聚氨基酸以及它的共聚材料，是广泛应用与临床的生物材料，在药物控制体系中具有明显的优势:(1)主链两侧基团提供了药物交联及用于调节性能的悬浮基团调节位点;(2)降解产物无毒性。因为目前只发现两种微生物合成具有单一结构的聚氨基酸，远不能满足生产、生活需要，所以一般采用化学方法合成。,补充：“假型”聚氨基酸由于酰胺键在聚合物主链中反复出现，影响它的机械性能，故研究人员采用酯键来取代主链结构中的多肽键，大大改善了聚合物的机械性能和降解速度。,4：黄原胶的生产工艺,黄原胶是20世纪50年代美国农业部的北方研究室从野油菜黄单孢菌发现了分泌的中性水溶性多糖。外观为淡褐黄色粉末状固体，亲水性很强，没有任何的毒副作用，黄原胶具有很强的耐酸、碱、盐、热等特性。,黄原胶,4.1：黄原胶的生产工艺,工艺流程为:菌种摇瓶扩大培养发酵罐发酵提取干燥粉碎成品包装。,黄原胶生产工艺流程图,黄原胶发酵生产的工艺要点,发酵菌种：野油菜黄单孢菌、秋海棠黄单胞菌、豌豆黄单胞菌等。培养基原料：碳源为葡萄糖和蔗糖，氮源蛋白胨，硝酸铵或尿素。反应条件：一般为分批间歇发酵。发酵过程提供充足的氧气。菌株生长温度20-35，Ph6.5-7.5；研究指出较高温度21-35可提高黄原胶产量，Ph7.0。发酵过程中用菜籽油作消泡剂。,4.2：黄原胶的提取,包括固液分离和沉淀提取。目前多采用两种较新的提纯技术：硅藻土过滤法和酶降解法。黄原胶产品的提取采用有机溶剂沉淀法（醇析法），用醇作沉淀剂。,乙醇沉淀法提取黄原胶工艺流程,5：聚羟基烷酸的生产工艺,聚羟基烷酸，是许多微生物合成的胞内能量和碳源贮藏物质。此物质是一种聚脂类物质，具有热塑性。同化学合成塑料相比，其不仅有很多相类似的理化性质，而且具有独特的生物相容性、压电性、光学活性等。广泛应用与轻工、农业、医学工程材料等方面。,聚羟基烷酸的结构通式,5.1聚羟基烷酸生物合成,聚羟基烷酸生产菌或植物,5.2聚羟基烷酸生产工艺的控制,菌种：圆褐固氮菌、巨大芽孢杆菌。发酵方式：高密度，补料分批式发酵。补料：碳源为主，辅以氮源，逐步提高C/N比。溶氧：菌体生长时，供以充足的氧气；合成产物时适当降低溶氧。,5.2：提取工艺,有机溶剂提取法，如氯仿；表面活性剂-次氯酸钠法；（