生物惰性高分子：聚氨酯

一种生物惰性高分子：聚氨酯（ABio-inertPolymer：Polyurethane）,周君2009年3月24日,内容目录,第一部分生物惰性与生物活性第二部分生物惰性类别概述第三部分聚氨酯的概述第四部分聚氨酯作为生物惰性材料的应用,第一部分生物活性与生物惰性,前言：生物惰性材料的地位,生物材料发展历程：）,第一代生物材料,第二代生物材料,第三代生物材料,一战之前,二十世纪八十年代以前,自80年代以来,人们对于医学、科学、技术工程学料了解较少，多采用纯经验的或者就地取材进行治疗,马鬃、棉花缝合伤口，用木片、铜、金修复颅骨，用金属丝固定断骨，用天然橡胶制作牙托,医学、材料科学（特别是高分子科学）、生物化学以及大型物理测试技术，科学研究深入到微观、众多高分子材料的涌现,生物医学材料学科的确立，以及大量与生物组织相类似的多种生物材料。，这些材料能够替代和模仿生物体组织的某些技能,现代生物学对于对于细胞分化、繁殖、生长的控制，特别是具有定向导向生长功能的生长因子的发现,具有促进人体自身修复和再生作用的生物医学复合材料（具有生理“活性”组元和控制载体的组元）,生物活性材料与生物活性材料,生物活性材料与生物活性材料,第二部分生物惰性材料类别,第一类金属,金属材料因其具有较高的强度和韧性，适用于修复硬组织系统，故最早采用。如，用金属板修复颅骨缺损或镶牙。随着医用金属材料的发展，研制了抗蚀性好的不锈钢，以后又发展了钴基合金和钽，这些金属材料组织反应小，效果更佳。钛及其合金质量轻，弹性模量与骨骼相近似，有推广趋势。应用于人工关节、人工骨、矫形物以及人工假肢、血管套管吻合、脑止血夹等。,第二类生物陶瓷,生物材料植入人体后，首先通过人体各种吞噬系统吞噬掉，不能吞噬掉就要将异物排斥出体外，若既不能吞噬又不能排斥出体外，人体组织就将异物包围，与正常组织隔离。这类材料结构上比较稳定，键力较强，故具有较高的机械强度和耐磨性能及化学稳定性。氧化铝陶瓷：其中高纯氧化铝陶瓷占据首位。特别是单晶氧化铝C轴方向具有相当高的抗弯强度（1300MPa）,因而用来制作人工骨、人工牙根、人工关节和固定骨折用的螺栓。氧化锆陶瓷：生物相容性良好，在人体内稳定性高，而且比氧化铝的断裂韧性更高，耐磨性更优良，有利于减小植入物的尺寸和实现地摩擦、磨损，在人工牙根和人工股关节方面应用。石墨材料：质轻，良好的润滑性和疲劳特性，弹性模量与致密的人骨相同，不溶解，生物亲和性好、耐蚀、力学刺激小。,第三类生物惰性高分子,如同高分子的分类，其也可以分为塑料、橡胶、纤维。塑料类包括：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯（聚偏氯乙烯/聚四氟乙烯）、聚碳酸酯、聚乙烯醇缩醛、环氧树脂、聚甲基丙烯酸酯及其衍生物和聚砜；橡胶类包括：聚氨酯弹性体、聚硅氧烷和天然橡胶；纤维包括：涤纶、尼龙、聚丙烯、聚酯纤维等。其中应用广泛和已经商业化的有:PE、PVC、丙烯酸树脂、硅橡胶、聚丙烯酰胺等。生物惰性高分子具有：较好的可塑性、耐磨损性、较高的力学性能和高弹性。原材料广泛、价格低廉、且可以通过共聚改善降解性。故，占有很高的比重。,第三部分聚氨酯概述聚氨酯化学性能与结构生物相容性,聚氨酯化学,聚氨酯（Polyurethane，PU）是据氨基甲酸酯的简称，是一类高分子主链上带有重复的氨基甲酸酯结构单元的聚合物的总称。,氨基甲酸酯结构单元,聚氨酯线性分子分子结构式,聚氨酯化学,聚氨酯合成：通常由多异氰酸酯和低聚物多元醇以及多元醇或芳香族二胺等通过逐步聚合反应制得。故，从广义上讲，它是异氰酸酯的加成物。原料上，主要有（还有催化剂、溶剂、扩链剂、支链剂、增塑剂、硫化剂、减摩剂、脱模剂、填充剂等）（1）异氰酸酯：高度不饱和，易与氢反应；（2）低聚物多元醇或多元醇：主要使用聚醚多元醇（n为聚合度，x为枝化度）聚酯多元醇,聚氨酯化学,聚氨酯弹性体合成方法一步法：全部的原料一次混合反映生成聚氨酯制品。具体来说，聚合物多元醇、扩链剂和催化剂加入，加热熔融，搅拌，升温至100110，-0.098MPa下抽真空至无气泡溢出，降温到60一下，加入计量的异氰酸酯，反应一段时间，达到一定粘度后出料，在120下加热固化。两步法：将低聚物多元醇和多异氰酸酯先生成分子量比较低的预聚物，然后加入扩链剂等与预聚物反应生成聚氨酯制品。具体来说，聚合物多元醇加入，加热熔融，搅拌升温到100120。在-0.098MPa下抽真空至无气泡溢出，假如计量的二异氰酸酯，反应一段时间，脱气泡得到异氰酸酯封端的预聚体部分（A组分）；多元醇、固化剂在100120，-0.098MPa下抽真空至无气泡溢出（B组分）；两组分按比例混合均匀，倒入模具，在100110烘箱熟化。,聚氨酯化学,反应方程式预聚物的合成：二异氰酸酯与端羟基的聚酯、聚醚进行加成聚合。（方程式）预聚物扩连反应：端异氰酸酯基地预聚物能与水、二元醇、二元胺等反应，进行扩连生成可溶性高分子聚合物。聚氨酯弹性体的交联反应：用交联剂（如多元胺、过量的二异氰酸酯、硫磺等）生成交联大分子弹性体。（用硫磺时，需要不饱和的侧链）,预聚物的合成,预聚物扩连反应,聚氨酯弹性体的交联反应,Yoursubtopicgoeshere,聚合物中的脲基与多余的异氰酸酯反应生成缩二脲基,氨基甲酸酯基与多余的异氰酸酯反应生成脲基甲酸酯基,酰氨基与多余的异氰酸酯反应生成酞氨基,性能与结构,结构1.典型的软链段与硬链段共存的结构：特征基团-NHCOO中O的可屈挠性以及一些柔性链段，同时NHCO的刚性以及其他的刚性基团（如芳环）；2.微相分离：软链段占50%-90%，而硬链段极性强、相互作用力大，硬链段与软链段在热力学上具有自发分离的倾向，即不相容性。所以硬链段易聚集在一起形成微区（domain），分布于软段相中。,性能1.微区形成海岛结构，起交联点作用，从而起着增强作用。（常温高强度、高弹性）2.二级交联（氢键）对拉伸强度、软化温度、玻璃化温度、结晶性、模量、耐油性、耐磨性的提高影响大。3.耐水性能（较差）4.耐热性能（较差）5.高强度、高弹性、高耐磨、耐油脂、优异的生物相容性。6.表面性能：凝血理论,生物相容性,聚氨酯弹性体血的液相容性,血液相容性是生物材料与血液接触时对血液有无破环的量度，包括是否导致血栓、红细胞破环、血小板减少或功能下降，是否影响血液中多种酶的活性及电解质浓度的变化，是否引起有害的免疫反应等，对上述诸因素影响很小，则称血液相容性很好。理论上，那些能与血液相容而不会引起血液凝结、毒性和免疫反应的材料称为血容性材料。,一般地来说，高分子材料一旦与血液接触，几秒钟之内就会吸附血浆蛋白，接着吸附血小板，继而血小板崩坏，放出血小板因子，于是在材料表面凝血产生血栓。,生物相容性,聚氨酯弹性体血的液相容性,阻止生物材料与血液接触引起的凝血过程，可以从生物体中找到答案。生物体内有大量的天然抗凝剂。内皮细胞具有组织凝血的功能，与血液接触的内皮细胞包面的多糖蛋白复合物粘多糖，排斥凝血因子和血小板粘附，而内皮细胞膜蛋白与凝血酶结合，不利于凝血级联反应，同时激活一些使凝血因子失活的C蛋白和S蛋白。有趣的是，最有效的抗凝剂之一就是凝血过程中形成的纤维蛋白。它将85%-90%凝血酶吸附，使血凝局限于创伤处。,生物相容性,聚氨酯弹性体血的液相容性：聚氨酯具有良好的抗凝血性，一方面归于其特殊表面的氨基甲酸酯基结构，于人体的构造比较相似，所以其适应性较突出；另一方面，具有微相分离结构，微相分离结构和生物细胞壁的结构相似，所以具有较好的血液相容性。但如果长期使用，还是会产生凝血现象。为了解决这个问题，需要进行分子改性。引入抗凝血物质进行表面改性，从而提高抗凝血性。,生物相容性,聚氨酯的组织相容性,组织相容性（histocompatibility）是指植入材料与活体组织之间相互容纳的程度，主要考察材料接触到软组织时，长期的医疗过程中发生的变化。当医用材料与装置植入体内某一部位时，局部的组织对异物发生机体防御式对答反应，材料周围的组织将出现白细胞、淋巴细胞和吞噬细胞的聚集，发生不同程度的急性炎症。长期条件下，材料被淋巴细胞、成纤细胞和胶原纤维包裹，形成纤维性薄膜囊。生物相容性好，形成正常的薄膜囊；如果较差，材料中残余的小分子毒性物质不断渗出，刺激形成慢性炎症，逐步形成肉芽肿或癌变。,生物相容性,某一嵌段聚醚聚氨酯的组织相容性证明,第四部分聚氨酯作为生物材料的应用概述人造器官药物释放其他用途,聚氨酯生物材料概述,自20世纪30年代人们首次使用赛璐璐膜作为透析膜制成的人工肾应用于临床获得成功以来，高分子医用材料领域的研究、开发、应用日益增多。自20世纪50年代以来，聚氨酯弹性体开始应用于医学材料。目前世界应用聚氨酯用量约在1.5万吨/年以上，仅有国外几家大公司已商业化生产，如美国诺誉（Noveon）、德国拜耳（Bayer）、美国陶氏化学（DowChemical）、德国巴斯夫（Basf）其优异的性能：1.优异的抗凝血性能：迅速吸附蛋白质不吸附血小板2.毒性试验符合应用要求：细胞培养法和小白鼠尾部试验证明3.临床应用中，生物相容性好，无致畸变作用，无过敏反应4.优良的韧性和弹性，加工性能好，加工方式多样，是制作应用弹性体的首选材料。,聚氨酯人造器官（ArtificialOrgans）,人造肾,导尿管（表面改性的PU，降低了钙离子沉积、阻止刺激成分外溢、防止尿垢、无刺激作用）血液透析导管（透析膜）血液滤过装置（模仿肾小球的重吸收、排泌功能）（中空纤维）,聚氨酯人造器官（ArtificialOrgans）,人工心脏,心脏起搏机导线绝缘体（小直径导线、金属氧化影响小）人工心脏瓣膜（低血栓）AbioCor泵（Ti和聚氨酯塑料）辅助装置（心室辅助装置）,聚氨酯人造器官（ArtificialOrgans）,人工皮肤皮肤（控制体内水分蒸发；防止外界细菌侵入）；大面积烧伤病人由于皮肤不够用，而别人的皮肤又产生排异而脱落。严重烧伤或烫伤的患者，需要将病人的正常皮肤移植过来，但治疗之前，创面要清洗，皮肤要养护，需要一定时间，但这段时间由于体液的损耗和蛋白质与盐分的流失使病人丧命。人工皮肤用作创伤覆盖：防止体内水分的损失和体液的流失，防止感染。其要求：无毒无刺激、柔软、附在创伤面而不移动或能愈合、遇到分泌物而不变性和降低强度、透气性、吸水性、透湿性等。种类：以胶原等天然材料为支架的、以合成材料为支架的。聚氨酯人工皮肤：组织学和功能上与天然皮肤完全接近、具有分化良好的表皮层和真皮层、弹性、主动抗感染、与动物皮肤愈合。,聚氨酯人造器官（ArtificialOrgans）,假肢人工假肢原理：通过使用骨水泥（骨胶）或用生物结合方法（即压配合）将人工假肢体部件与人体骨组织腔内或一定形状表面牢固相结合。分类：壳式假肢（外骨骼假肢，exoskeltalprosthesis）骨骼式假肢（内骨骼假肢，emdoskeltalprosthesis）材料：金属、生物陶瓷、高分子（骨水泥）、同种异形骨聚氨酯应用：高度多孔的泡沫假肢聚氨酯-脲弹性体人工假肢仿真骨骼式下肢假肢,药物释放（聚氨酯缓释药物载体）,聚氨酯水凝胶药物缓释材料水凝胶：网络结构和可吸收大量溶液。载入药物与释放：聚合物弹性体与含药物分子的溶液形成水凝胶，有效药物分子便均匀的分布在所得到的水凝胶三维网络结构中，之后便可通过控制其溶胀-退溶胀促使药物分子以一定速率从水凝胶基质中扩散而作用于目标组织，也可通过使水凝胶分子链降解的方法释放。聚氨酯微球缓释材料包裹或吸附药物而制成聚磷酸酯-聚氨酯（PPU）药物释放材料聚磷酸酯有可以功能化的侧链,药物释放（药物释放体系发展）,智能水凝胶对刺激产生响应的环境敏感水凝胶。具有传递药物的孔通道，对生理敏感。纳米控释载体以纳米颗粒为载体，将药物、RNA、ONA、PNA（肽核苷酸）、dsRNA（双链RNA）等其他目的物质包裹在纳米颗粒之中或吸附在表面，通过细胞摄粒作用，使纳米颗粒进入细胞，释放目的物质。（靶向作用、通过生物屏障）载药微球药物分散或包埋在微球材料中而形成球状实体，粒径一般在0.3300m。可运送活性物质至肿瘤或器官。,其