生物医用高分子材料

1、分类：分类： 按材料来源分：按材料来源分： （1 1） 医用金属和合金医用金属和合金。主要用于承力的骨、关节和牙等硬组织的修。主要用于承力的骨、关节和牙等硬组织的修 复和替换。复和替换。 （2 2） 医用高分子生物材料医用高分子生物材料。高分子化合物是构成人体绝大部分组织。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）。（和天然高分子（如：胶原、甲壳素）。（3 3） 医用生物陶瓷医用生物陶瓷。有惰性。有惰性 生物陶瓷和活性生物陶瓷（羟基磷灰石陶瓷、可吸

2、收磷酸三钙陶瓷等）生物陶瓷和活性生物陶瓷（羟基磷灰石陶瓷、可吸收磷酸三钙陶瓷等） （4 4） 医用生物复合材料医用生物复合材料。如羟基磷灰石涂复钛合金，炭纤维或生物。如羟基磷灰石涂复钛合金，炭纤维或生物 活性玻璃纤维增强聚乳酸等高分子材料。活性玻璃纤维增强聚乳酸等高分子材料。 （5 5） 生物衍生材料生物衍生材料。这类材料是将活性的生物体组织，包括自体和。这类材料是将活性的生物体组织，包括自体和 异体组织，经处理改性而获得的无活性的生物材料。异体组织，经处理改性而获得的无活性的生物材料。 按用途分：按用途分： （1）手术治疗用高分子材料）手术治疗用高分子材料 缝合线，黏胶剂，止血剂，各种导管，

3、引流管，缝合线，黏胶剂，止血剂，各种导管，引流管， 一次性输血输液器材一次性输血输液器材 （2）药用及药物传递用高分子材料）药用及药物传递用高分子材料 靶向性高分子载体（肝靶向性，肿瘤靶向性），高靶向性高分子载体（肝靶向性，肿瘤靶向性），高 分子药物（干扰素，降胆敏），高分子控制释放载分子药物（干扰素，降胆敏），高分子控制释放载 体（胶囊，水凝胶，脂质体）体（胶囊，水凝胶，脂质体） （3）人造器官或组织）人造器官或组织 人造皮肤，血管，骨，关节，肠道，心脏，肾等。人造皮肤，血管，骨，关节，肠道，心脏，肾等。 按降解性能分：按降解性能分： 可生物降解材料可生物降解材料-指聚合物在生物体内酶、酸碱

4、性指聚合物在生物体内酶、酸碱性 环境下或微生物存在的情况下可以发生分子量下环境下或微生物存在的情况下可以发生分子量下 降、生成水和二氧化碳等对生物体或环境无毒害降、生成水和二氧化碳等对生物体或环境无毒害 的小分子化合物的性能。的小分子化合物的性能。 不可生物降解材料（生物惰性材料）不可生物降解材料（生物惰性材料）-一种生物材一种生物材 料在特殊应用中和宿主反应起作用的能力，要求料在特殊应用中和宿主反应起作用的能力，要求 植入材料和机体间的相互作用能够永久地被协调。植入材料和机体间的相互作用能够永久地被协调。 在生物环境下自身不发生有害的物理（渗透、溶在生物环境下自身不发生有害的物理（渗透、溶

5、解或吸附）或者化学反应（对酸碱酶稳定）。解或吸附）或者化学反应（对酸碱酶稳定）。 二、天然可降解高分子材料二、天然可降解高分子材料 胶原蛋白胶原蛋白、纤维蛋白、纤维蛋白 甲壳素甲壳素、壳聚糖壳聚糖、淀粉、纤维素海藻、淀粉、纤维素海藻 酸钠衍生物酸钠衍生物 可吸收缝线可吸收缝线 药物控释载体药物控释载体 人工皮肤人工皮肤 （1）胶原）胶原 胶原是人体组织中最基本的胶原是人体组织中最基本的蛋白质类蛋白质类 物质，至今已经鉴别出物质，至今已经鉴别出13种胶原，其种胶原，其 中中 IIII、V和和 XI 型胶原为成纤维胶型胶原为成纤维胶 原。原。I 型胶原在动物体内含量最多，已型胶原在动物体内含量最多

6、，已 被广泛应用于生物医用材料和生化试被广泛应用于生物医用材料和生化试 剂。剂。 结构：结构： 由各种物种和肌体组织制备的胶原差异很小。由各种物种和肌体组织制备的胶原差异很小。 最基本的胶原结构为由三条分子量大约为最基本的胶原结构为由三条分子量大约为1105的的 肽链组成的肽链组成的三股螺旋绳状三股螺旋绳状结构，直径为结构，直径为11.5nm， 长约长约300nm，每条肽链都具有左手螺旋二级结构。，每条肽链都具有左手螺旋二级结构。 胶原分子的两端存在两个小的短链肽，称为胶原分子的两端存在两个小的短链肽，称为端端 肽肽，不参与三股螺旋绳状结构。研究证明，端肽是，不参与三股螺旋绳状结构。研究证明，

7、端肽是 免疫原性识别点，可通过酶解将其除去。除去端肽免疫原性识别点，可通过酶解将其除去。除去端肽 的胶原称为不全胶原，可用作生物医学材料。的胶原称为不全胶原，可用作生物医学材料。 制备来源：制备来源： 牛和猪的肌腱、生皮、骨骼是生产胶牛和猪的肌腱、生皮、骨骼是生产胶 原的主要原料。原的主要原料。 生产：生产： 医用胶原制备的医用胶原制备的主要目的主要目的是除去组织是除去组织 中的非胶原成分和抗原物质，获得高中的非胶原成分和抗原物质，获得高 纯度的胶原肽、胶原纤维或胶原组织。纯度的胶原肽、胶原纤维或胶原组织。 胶原在应用时必须胶原在应用时必须交联交联，以控制其物，以控制其物 理性质和生物可吸收性

8、。同时也必须理性质和生物可吸收性。同时也必须 考虑所用交联方法的强度、稳定性、考虑所用交联方法的强度、稳定性、 毒性、趋钙化以及抗酶降解性能等。毒性、趋钙化以及抗酶降解性能等。 特点：特点： 优点：胶原材料具有优点：胶原材料具有生物力学性能好生物力学性能好, , 免疫原性低免疫原性低等优点等优点, ,被制造成为各种生被制造成为各种生 物医学材料物医学材料, ,在医疗器械产品制造领域在医疗器械产品制造领域 有着不可替代的优势和相当广泛的应有着不可替代的优势和相当广泛的应 用。用。 缺点：缺点：要通过对实际生产过程的要通过对实际生产过程的严格严格 控制控制才能达到动物源性胶原的人用标才能达到动物源

9、性胶原的人用标 准准。 胶原可以用于制造胶原可以用于制造心脏瓣膜、支架、心脏瓣膜、支架、 血管修复材料、止血海绵、创伤辅料、血管修复材料、止血海绵、创伤辅料、 明胶、化妆品、人工皮肤、手术缝合明胶、化妆品、人工皮肤、手术缝合 线、组织工程基质线、组织工程基质等。等。 应用：应用： 人工心脏瓣膜人工心脏瓣膜 前景展望：前景展望： 胶原材料应用范围极其广泛胶原材料应用范围极其广泛,优势明显。优势明显。 我国在对胶原类医疗器械产品的检验评价我国在对胶原类医疗器械产品的检验评价 方面也日趋完善，如不久前又增添了对免方面也日趋完善，如不久前又增添了对免 疫原性检测的要求。但当前国内对胶原类疫原性检测的要

10、求。但当前国内对胶原类 生物医用材料免疫原性的研究很少，并且生物医用材料免疫原性的研究很少，并且 对于此类产品的免疫原性对于此类产品的免疫原性尚无标准评价方尚无标准评价方 法法。这一点仍需要我们继续不断地摸索与。这一点仍需要我们继续不断地摸索与 探究。探究。 参考文献： 动物源性胶原的生产、应用及其免疫原性 杜晓丹, 方玉, 奚廷斐, 郭婷婷, Du Xiao-dan, Fang Yu, Xi Ting-fei, Guo Ting-ting - 中国组织工程研究与临床康复2008年23 期 （2）甲壳质）甲壳质 甲壳质是甲壳质是1811年由法国学者布拉克年由法国学者布拉克 诺诺(Braconn

11、o)发现，发现，1823年由欧年由欧 吉尔吉尔(Dier)从甲壳动物外壳中提取从甲壳动物外壳中提取, 并命名为并命名为CHITIN，译名为，译名为几丁质几丁质。 结构：结构： 1分子量分子量 甲壳质的化学结构和植物纤维素非常相似。甲壳质的化学结构和植物纤维素非常相似。 都是都是六碳糖六碳糖的多聚体，分子量都在的多聚体，分子量都在100万万 以上以上。 分子量越高吸附能力越强，适合工业、环分子量越高吸附能力越强，适合工业、环 保领域应用。低分子量容易被人体吸收。保领域应用。低分子量容易被人体吸收。 分子量为分子量为7000左右的几丁聚糖，大约含左右的几丁聚糖，大约含 30个左右的葡萄糖胺残基。个

12、左右的葡萄糖胺残基。 纳米甲壳质纳米甲壳质 2脱乙酰基纯度脱乙酰基纯度 几丁质经过脱乙酰基成为几丁聚糖，几丁质经过脱乙酰基成为几丁聚糖， 而几丁聚糖的基本单位是葡萄糖胺。而几丁聚糖的基本单位是葡萄糖胺。 几丁质因为不溶于酸碱也不溶于水而几丁质因为不溶于酸碱也不溶于水而 不能被身体利用。脱乙酰基后可增加不能被身体利用。脱乙酰基后可增加 其溶解性因此可被身体吸收。几丁质其溶解性因此可被身体吸收。几丁质 脱乙酰基纯度越高其品质越好。脱乙酰基纯度越高其品质越好。 制备来源：制备来源： 自然界中自然界中,甲壳质存在于低等植物菌类、甲壳质存在于低等植物菌类、 藻类的细胞藻类的细胞,甲壳动物虾、蟹、昆虫的甲

13、壳动物虾、蟹、昆虫的 外壳，高等植物的细胞壁等，其量不外壳，高等植物的细胞壁等，其量不 低于丰富的纤维素，是除纤维素以外低于丰富的纤维素，是除纤维素以外 的又一大类重要多糖。据估计自然界的又一大类重要多糖。据估计自然界 中，甲壳质每年生物合成的量多达中，甲壳质每年生物合成的量多达 1000亿吨。亿吨。 生产：生产： 首先用稀的首先用稀的氢氧化钠氢氧化钠液除去蛋白质，然后，液除去蛋白质，然后， 用用盐酸盐酸除去钙盐，剩下的就是几丁质。为了除去钙盐，剩下的就是几丁质。为了 从这些几丁质中除去乙酰基，用长时间的从这些几丁质中除去乙酰基，用长时间的高高 温温，使之在浓的氢氧化钠中发生反应，就可，使之在

14、浓的氢氧化钠中发生反应，就可 制成含有氨基的甲壳质制成含有氨基的甲壳质(几丁聚糖或壳糖胺几丁聚糖或壳糖胺)。 因为几丁质不溶于酸碱，也不溶于水，很难因为几丁质不溶于酸碱，也不溶于水，很难 被人体利用。经被人体利用。经脱乙酰基脱乙酰基成几丁聚糖后它能成几丁聚糖后它能 溶于稀酸和体液中，可被人体所利用。溶于稀酸和体液中，可被人体所利用。 （3）壳聚糖）壳聚糖 壳聚糖为甲壳素的壳聚糖为甲壳素的脱乙酰衍生物脱乙酰衍生物，由，由 甲壳素在甲壳素在4050浓度的氢氧化浓度的氢氧化 钠水溶液中钠水溶液中110120下水解下水解2 4h得到。得到。 壳聚糖在壳聚糖在碱性碱性条件下存在大量氢键，体系收缩，条件下

15、存在大量氢键，体系收缩， 药物通透率低，表现为药物通透率低，表现为“关关”；酸性酸性条件下成盐，条件下成盐， 由于同种电荷的相互排斥，聚合物网络扩张，药由于同种电荷的相互排斥，聚合物网络扩张，药 物通透率高，表现为物通透率高，表现为“开开”，因此具有，因此具有pH刺激响刺激响 应性，可作为应性，可作为智能型药物控制释放材料使用智能型药物控制释放材料使用。 壳聚糖接枝丙烯酸在壳聚糖接枝丙烯酸在酸性酸性条件下存在大量氢键，体条件下存在大量氢键，体 系收缩，药物通透率低，表现为系收缩，药物通透率低，表现为“关关”；在；在碱性碱性条条 件下成盐，离子性基团解离，由于同种电荷的相互件下成盐，离子性基团解

16、离，由于同种电荷的相互 排斥，聚合物网络扩张，药物通透率高，表现为排斥，聚合物网络扩张，药物通透率高，表现为 “开开”，因此具有，因此具有pH刺激响应性，可作为刺激响应性，可作为智能型药智能型药 物控制释放材料使用物控制释放材料使用。 （4）甲壳素、壳聚糖及其衍生）甲壳素、壳聚糖及其衍生 物在医药敷料中的应用物在医药敷料中的应用 研究意义：研究意义： 医用生物材料的基本要求是医用生物材料的基本要求是安全、安全、 有效有效，研究甲壳素、壳聚糖及其，研究甲壳素、壳聚糖及其 衍生物的使用安全性对该产品在衍生物的使用安全性对该产品在 临床的推广和应用具有重要意义。临床的推广和应用具有重要意义。 1、治

17、疗外伤、创伤、治疗外伤、创伤 甲壳素、壳聚糖等产品甲壳素、壳聚糖等产品生物相容性好生物相容性好，且，且 具有止血、止痛、抑菌、促进肉芽组织和具有止血、止痛、抑菌、促进肉芽组织和 上皮组织的形成等作用，是外伤、创伤治上皮组织的形成等作用，是外伤、创伤治 疗的理想产品。疗的理想产品。 参考实验： 刘延敏10等大鼠创伤愈合实验 胡丹13等甲壳胺人工皮肤膜治疗指端 急性损伤 甲壳质缝线 2、治疗烧伤、烫伤、治疗烧伤、烫伤 壳聚糖的壳聚糖的线型分子链线型分子链结构使其具有优良的结构使其具有优良的成纤成纤 性性，其纤维可作为可吸收医用手术缝合线、人，其纤维可作为可吸收医用手术缝合线、人 造皮肤、止血材料、

18、手术包扎材料等。壳聚糖造皮肤、止血材料、手术包扎材料等。壳聚糖 与胶原、明胶、抗菌药物等复合，改善物理性与胶原、明胶、抗菌药物等复合，改善物理性 能和功能特性，可应用于烧伤、烫伤病人的治能和功能特性，可应用于烧伤、烫伤病人的治 疗。疗。 参考实验： 李瑞欣15壳聚糖外、中、内三层急救烧伤敷料 姜广建19壳聚糖、明胶、甘油复合透明型连续性 烧伤敷料 3、治疗溃疡、治疗溃疡 慢性皮肤溃疡，包括血管性溃疡、放射性溃疡及感染性溃慢性皮肤溃疡，包括血管性溃疡、放射性溃疡及感染性溃 疡等，临床治疗困难，是一种临床常见的疾病。疡等，临床治疗困难，是一种临床常见的疾病。 中药选择选用紫草、当归、白芷、甘草等活

19、血止痛、祛腐中药选择选用紫草、当归、白芷、甘草等活血止痛、祛腐 生肌类药物，并提取有效成分；珍珠经超微粉碎后制成分生肌类药物，并提取有效成分；珍珠经超微粉碎后制成分 子离子态溶液；壳聚糖经化学修饰后制成水溶液。采用微子离子态溶液；壳聚糖经化学修饰后制成水溶液。采用微 乳化技术与微胶囊技术，将以上成分配制成具有定量缓释乳化技术与微胶囊技术，将以上成分配制成具有定量缓释 功能的微胶囊药膜。该复合膜中药有效成分与壳聚糖结合功能的微胶囊药膜。该复合膜中药有效成分与壳聚糖结合 在一起，既保持了壳聚糖本身生物活性，又使中药缓释吸在一起，既保持了壳聚糖本身生物活性，又使中药缓释吸 收，而且具有喷涂方便、自然

20、成膜、渗透性强、易于吸收、收，而且具有喷涂方便、自然成膜、渗透性强、易于吸收、 加快溃疡愈合等特点。加快溃疡愈合等特点。 参考实验： 李令根21壳聚糖中药复合药膜治疗难治性溃疡 4、治疗褥疮、治疗褥疮 褥疮又名压迫性溃疡，是老龄人群的多发褥疮又名压迫性溃疡，是老龄人群的多发 病和常见病，可分为外源性、原发性、内病和常见病，可分为外源性、原发性、内 源性、继发性等类型。壳聚糖应用于褥疮源性、继发性等类型。壳聚糖应用于褥疮 的临床治疗取得了良好的效果。的临床治疗取得了良好的效果。 参考实验： 蒋玉燕26壳聚糖流体膜 黄冬梅27在传统中药四黄膏（含大黄、 黄连、黄柏、黄芩）中加入甲壳质制成甲 黄膜液

21、 应用：应用： 甲壳素能为肌体组织中的溶菌酶所分解，已用于制造甲壳素能为肌体组织中的溶菌酶所分解，已用于制造 吸收型手术缝合线吸收型手术缝合线。其抗拉强度优于其他类型的手术。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，甲壳素手术缝合线缝合线。在兔体内试验观察，甲壳素手术缝合线4个个 月可以完全吸收。月可以完全吸收。 甲壳素还具有促进伤口愈合的功能，可用作甲壳素还具有促进伤口愈合的功能，可用作伤口包扎伤口包扎 材料材料。 甲壳素膜用于覆盖外伤或新鲜烧伤的皮肤创伤面时，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，因此是一种良具有减轻疼痛和促进表皮形

22、成的作用，因此是一种良 好的好的人造皮肤材料人造皮肤材料。 甲壳质手术缝合线甲壳质手术缝合线 伤口包扎材料 护创膜 优势：优势： 几丁聚糖具有很强的几丁聚糖具有很强的抗菌抗菌力，促进肉芽力，促进肉芽 生长和皮肤再生的效能，可用于制造人生长和皮肤再生的效能，可用于制造人 工皮肤，或治疗烧伤、烫伤，加速外伤工皮肤，或治疗烧伤、烫伤，加速外伤 愈合愈合。 用几丁聚糖制成人工皮肤不会发生人体用几丁聚糖制成人工皮肤不会发生人体 排斥反应带来的一系列问题。这种人工排斥反应带来的一系列问题。这种人工 皮肤和身体皮肤和身体亲和力强亲和力强，可被人体吸收，可被人体吸收， 可使皮肤愈合良好。它还有可使皮肤愈合良好

23、。它还有促使细胞活促使细胞活 化化的作用，可大量产生胶原纤维，不会的作用，可大量产生胶原纤维，不会 留下伤疤。留下伤疤。 实例：实例： 具有消炎、抑菌、具有消炎、抑菌、 止血、止痛、促进止血、止痛、促进 组织生长等功能。组织生长等功能。 无刺激，无毒性，无刺激，无毒性， 无过敏。具有优良无过敏。具有优良 的的生物相容性生物相容性和和可可 降解降解性能，易被人性能，易被人 体吸收。体吸收。 三、生物医用高分子材料三、生物医用高分子材料 市场发展概况市场发展概况 全球生物医用材料市场全球生物医用材料市场 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 年 200520022

24、000 3275 2300 1650 20% 12% 单位: 亿 美 元 世 界 医 疗 器 械 市 场 生 物 材 料 和 制 品 中国生物医用材料市场中国生物医用材料市场 我国生物医学材料的生物医学工程产我国生物医学材料的生物医学工程产 业的市场增长率高达业的市场增长率高达 28(全球市场全球市场 增长率增长率20%),居全球之首。居全球之首。 我国人工关节我国人工关节 替换年增长率高达替换年增长率高达30 ，远高于美国的，远高于美国的4。 775万万肢残患者和每年新增的肢残患者和每年新增的300万万骨损骨损 伤患者伤患者 -需要大量骨修复材料需要大量骨修复材料 2000万心血管病患者万心

25、血管病患者 -每年需要每年需要24万万套人工心瓣膜套人工心瓣膜 肾衰患者肾衰患者 -每年需要每年需要12万万个肾透析器个肾透析器 目前用高分子材料制成的人工器官中，比较目前用高分子材料制成的人工器官中，比较 成功的有成功的有人工血管、人工食道、人工尿道、人工血管、人工食道、人工尿道、 人工心脏瓣膜、人工关节、人工骨、整形材人工心脏瓣膜、人工关节、人工骨、整形材 料料等，已取得重大研究成果。等，已取得重大研究成果。 还需不断完善的有还需不断完善的有人工肾、人工心脏、人工人工肾、人工心脏、人工 肺、人工胰脏、人工眼球、人造血液肺、人工胰脏、人工眼球、人造血液等。等。 还有一些功能较为复杂的器官，如

26、还有一些功能较为复杂的器官，如人工肝脏、人工肝脏、 人工胃、人工子宫人工胃、人工子宫等，则正处于大力研究开等，则正处于大力研究开 发之中。发之中。 如：如： 德国德国UHMWPEUHMWPE材料材料 ISO5834-2ISO5834-2 ASTM F648ASTM F648 可用为人工关节、可用为人工关节、 人工骨骼植入人体人工骨骼植入人体 能耗极低能耗极低 人工关节人工关节 人工骨人工骨 小结小结 分类：分类： 按材料来源分：按材料来源分： （1 1） 医用金属和合金医用金属和合金。主要用于承力的骨、关节和牙等硬组织的修。主要用于承力的骨、关节和牙等硬组织的修 复和替换。复和替换。 （2 2

27、） 医用高分子生物材料医用高分子生物材料。高分子化合物是构成人体绝大部分组织。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）。（和天然高分子（如：胶原、甲壳素）。（3 3） 医用生物陶瓷医用生物陶瓷。有惰性。有惰性 生物陶瓷和活性生物陶瓷（羟基磷灰石陶瓷、可吸收磷酸三钙陶瓷等）生物陶瓷和活性生物陶瓷（羟基磷灰石陶瓷、可吸收磷酸三钙陶瓷等） （4 4） 医用生物复合材料医用生物复合材料。如羟基磷灰石涂复钛合金，炭纤维或生物。如羟基磷灰石涂复钛合金，炭纤维或生物 活性玻璃纤维增强聚乳酸等高分子材料。活性玻璃纤维增强聚乳酸等高分子材料。 （5 5） 生物衍生材料生物衍生材料。这类材料是将活性的生物体组织，包括自体和。这类材料是将活性的生物体组织，包括自体和 异体组织，经处理改性而获得的无活性的生物材料。异体组织，经处理改性而获得的无活性的生物材料。 制备来源：制备来源： 牛和猪的肌腱、生皮、骨骼是生产胶牛和猪的肌腱、生皮、骨骼是生产胶 原的主要原料。原的主要原料。 结构：结构： 1分子量分子量 甲壳质的化学结构和植物纤维素非常相似。甲壳质的化学结构和植物纤维素非常相似。 都是都是六碳糖六碳糖的多聚体，分子量都在的多聚体