医用高分子材料课件

生物医用高分子材料,学生姓名:郭良博专业:材料加工工程指导老师:王庆国,目录,一生物医用高分子概述二生物医用高分子的改性三生物吸收性医用高分子材料的设计四结论,一生物医用高分子概述,高分子化合物是构成人体绝大部分组织和器官的物质，医用高分子生物材料包括合成（如：聚酯、硅橡胶）和天然高分子（如：胶原、甲壳素）。近年来，生物吸收高分子材料得到重视。,聚四氟乙烯,人工关节,例如：德国产品UHMWPE材料,ISO5834-2ASTMF648可用为人工关节、人工骨骼植入人体极低的能耗,（Requirementsforbiomedicalpolymers）Basicrequirements安全性Biocompatibility/Biostability/Biodegradability灭菌性Sterilizability,1.1医用高分子材料的要求,RequirementsforbiomedicalpolymersOtherrequirementsaccordingtospecificapplications加工成型性machine-shapingproperties机械性能与稳定性Mechanicalproperties环境敏感性Environmentalsensitivity表面性能与结构多空性Surfaceproperties/Porosity亲疏水性Hydrophilicity/hydrophobicity,1.2高分子材料的生物相容性,生物相容性是指植入生物体内的材料与肌体之间的适应性。对生物体来说，植入的材料一般都会出现排斥现象。这种排斥反应的严重程度，决定了材料的生物相容性。由于不同的高分子材料在医学中的应用目的不同，生物相容性又可分为组织相容性和血液相容性两种。,组织相容性是指材料与人体组织，如骨骼、牙齿、内部器官、肌肉、肌腱、皮肤等的相互适应性;对组织反应的影响因素包括材料本身的结构和性质、材料中可渗出的化学成分等。血液相容性则是指材料与血液接触是不是会引起凝血、溶血等不良反应。,二生物医用高分子的改性,材料界面性质与血液界面性能的不同可能造成吸附改变蛋白质的形状以及排列，产生溶血、凝血或者血栓,生物相容性差。改善措施强亲水或强疏水表面高分子材料的表面接枝改性表面引入生物相容性物质（肝素、白蛋白等）引入负离子（血液中多组分呈负电性）生成伪内膜,2.1高分子材料表面亲/疏水性的改善,强疏水：对血液成分吸附能力小，因此血液相容性好，如：聚四氟乙烯强亲水：吸水后与血液表面性能接近，减小对蛋白质的吸附，如：聚氧化乙烯（非常重要的抗凝血材料）添加聚氧化乙烯（分子量6000）于凝血酶溶液中，可防止凝血酶对玻璃的吸附。,2.2高分子材料的表面接枝改性,采用化学法（如偶联法、臭氧化法等）和物理法（等离子体法、高能辐射法、紫外光法等）将具有抗凝血性的天然和化学合成的化合物，如肝素、聚氧化乙烯接枝到高分子材料表面上。研究表明，血小板不能粘附于用聚氧化乙烯处理过的玻璃上,2.3高分子材料的肝素化肝素是一种硫酸多糖类物质（见下式），含有SO3-，COO-及NHSO3-等功能基团。是最早被认识的天然抗凝血产物之一。,2.4材料表面带上负电荷的基团,例如：将芝加哥酸（1-氨基-8-萘酚-2,4-二磺酸萘）（见下式）引入聚合物表面后，可减少血小板在聚合物表面上的粘附量，抗疑血性提高。,2.5材料表面伪内膜化人们发现，大部分高分子材料的表面容易沉渍血纤蛋白而凝血。如果有意将某些高分子的表面制成纤维林立状态，当血液流过这种粗糙的表面时，迅速形成稳定的凝固血栓膜，但不扩展成血栓，然后诱导出血管内皮细胞。这样就相当于在材料表面上覆盖了一层光滑的生物层伪内膜。这种伪内膜与人体心脏和血管一样，具有光滑的表面，从而达到永久性的抗血栓。,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。生物吸收合成高分子材料多数属于能够在温和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。,三生物吸收性医用高分子材料的设计,聚酯在酸性或者碱性条件水解产物为相应的单体或短链段，可参与生物组织的代谢。聚酯的降解速度可通过聚合单体的选择调节。乙醇酸和乳酸是典型的羟基酸，其缩聚产物即为聚羟基酸酯，即聚乙醇（PGA）和聚乳酸（PLA）。乳酸中的碳是不对称的分别称为聚D乳酸（PDLA）和聚L乳酸（PLLA）。,3.1聚羟基酸酯及其改性产物,由两种异构体乳酸的混合物消旋乳酸制备的聚乳酸称为聚DL乳酸（PLA），无光学活性。PDLA和PLLA的物理化学性质基本上相同，而PLA的性质与两种光学活性聚乳酸有很大差别。在自然界存在的乳酸都是L-乳酸，故用其制备的PLLA的生物相容性最好。,聚羟基酸酯可通过如下两种直接方法合成。羟基酸在脱水剂（如氧化锌）的存在下热缩合；卤代酸脱卤化氢而聚合。但是用这些方法合成的聚羟基酸酯的分子量往往只有几千，很难超过2w，机械性能较差。因此，直接聚合得到的聚羟基酸酯一般只能用于药物释放体系，而不能用于制备手术缝合线、骨夹板等需要较高机械性能的产品。,为了制备高分子量的聚羟基酸酯，目前采用环状内酯开环反应的技术路线。根据聚合机理，环状内酯的开环聚合有三种类型，即阴离子开环聚合、阳离子开环聚合和配位开环聚合。由乙交酯或丙交酯开环聚合得到的PGA或PLA也称为聚乙交酯或聚丙交酯。由两种交酯共聚得到的聚酯，叫聚乙丙交酯。组成为90:10的聚乙丙交酯的性质接近于PGA，但柔顺性改善，可作为生物吸收材料在临床上应用。,通过改变其结晶度和亲水性可改变或控制聚羟基酸酯的降解性和生物吸收性。例如将丙交酯与己内酯共聚，得到的共聚物比PLLA具有更好的柔顺性。如果将乙交酯与1,3二氧环己酮2共聚，则可得到柔顺性较好的聚（乙交酯碳酸酯），用于制造单纤维手术缝合线。,PGA和PLLA为高结晶性高分子，质地较脆而柔顺性不够。因此人们设计开发了一类具有较好柔顺性生物吸收性高分子聚醚酯，以弥补PGA和PLLA的不足。聚醚酯可通过含醚键的内酯为单体通过开环聚合得到。如由二氧六环开环聚合制备的聚二氧六环可用作单纤维手术缝合线。,3.2聚酯醚及其相似聚合物,将乙交酯或丙交酯与聚醚二醇共聚，可得到聚醚聚酯嵌段共聚物。例如由乙交酯或丙交酯与聚乙二醇或聚丙二醇共聚，可得到聚乙醇酸聚醚嵌段共聚物和聚乳酸聚醚嵌段共聚物。在这些共聚物中，硬段和软段是相分离的，结果其机械性能和亲水性均得以改善。据报道，由PGA和聚乙二醇组成的低聚物可用作骨形成基体。,除了上述羟基酸酯类的高分子材料外，对其他类型的生物吸收高分子材料也进行了研究。将吗啉2,5二酮衍生物进行开环聚合，可得到聚酰胺酯。由于酰胺键的存在，这些聚合物具有一定的免疫原性。而且它们能够通过酶和非酶催化降解，有可能在医学领域得到应用。,3.3其他生物吸收性合成高分子,聚酸酐、聚磷酸酯和脂肪族聚碳酸酯等高分子也有大量的研究报道，主要尝试用于药物释放体系的载体。由于这些聚合物目前尚难以得到高分子量的产物，机械性能较差，故还不适于在医学领域