功能高分子05第7章医用高分子材料

1、7.1 医用高分子材料概述7.2 生物医用高分子材料 7.3 药用高分子材料 作业一、发展简史一、发展简史 人的健康长寿依赖于医学的发展。现代医学的进人的健康长寿依赖于医学的发展。现代医学的进步已经越来越依赖于生物材料和器械的发展。用不步已经越来越依赖于生物材料和器械的发展。用不到医用材料的医学诊断和治疗在现代医学中几乎是到医用材料的医学诊断和治疗在现代医学中几乎是不可想象的。不可想象的。 广义地说，生物医用材料泛指医学中使用到的各广义地说，生物医用材料泛指医学中使用到的各类材料，其中，光是治疗器官的衰竭和组织的缺损类材料，其中，光是治疗器官的衰竭和组织的缺损所涉及的医用材料就十分惊人。所涉及

2、的医用材料就十分惊人。 以美国为例，每年有数以百万计的人患有各以美国为例，每年有数以百万计的人患有各种组织、器官的丧失或功能障碍，需进行种组织、器官的丧失或功能障碍，需进行800800万万次手术进行修复，年耗资超过次手术进行修复，年耗资超过400400亿美元，器官亿美元，器官衰竭和组织缺损所需治疗费占整个医疗费用的一衰竭和组织缺损所需治疗费占整个医疗费用的一半，而其中生物材料的费用几乎占一半。半，而其中生物材料的费用几乎占一半。 中国是一个人口大国，患者的数量十分庞大。中国是一个人口大国，患者的数量十分庞大。随着人民生活水平的提高和对于生命质量的追求，随着人民生活水平的提高和对于生命质量的追求

3、，我国在此方面的医疗费用也会不断增加。我国在此方面的医疗费用也会不断增加。 可见，生物材料是一个巨大的产业。可见，生物材料是一个巨大的产业。按照材料的组成和性质分，生物医用材料可分为：按照材料的组成和性质分，生物医用材料可分为： 医用金属材料、医用陶瓷材料、医用高分子材医用金属材料、医用陶瓷材料、医用高分子材料三大类（以及由它们组合而成的复合材料）。料三大类（以及由它们组合而成的复合材料）。 三类材料均有广阔市场，其中，高分子材料的三类材料均有广阔市场，其中，高分子材料的物理化学性能与金属、陶瓷等材料相比，由于合物理化学性能与金属、陶瓷等材料相比，由于合成高分子材料与生物体中的天然高分子有极其

4、相成高分子材料与生物体中的天然高分子有极其相似的化学结构，与人体组织更加匹配（骨密质等似的化学结构，与人体组织更加匹配（骨密质等除外），因此适用面最广。除外），因此适用面最广。 35003500年前，古埃及人利用天然纤维缝合伤口。年前，古埃及人利用天然纤维缝合伤口。25002500年前的中国和古埃及的墓葬中发现假手等假体。年前的中国和古埃及的墓葬中发现假手等假体。 在近、现代，随着高分子材料的异军突起，大量在近、现代，随着高分子材料的异军突起，大量合成材料用于临床。合成材料用于临床。2020世纪世纪3030年代，有机玻璃应用于临床。年代，有机玻璃应用于临床。4040年代，开始用人造膜材料进行血

5、液透析。年代，开始用人造膜材料进行血液透析。7070年代后，大量新型医用材料用于制作人造器官。年代后，大量新型医用材料用于制作人造器官。到目前，除大脑外的所有人体器官都可以用人造器到目前，除大脑外的所有人体器官都可以用人造器官替代。官替代。从天灵盖到脚趾骨，从内脏到皮肤，从血液到五官从天灵盖到脚趾骨，从内脏到皮肤，从血液到五官都已有人工的高分子代用品。都已有人工的高分子代用品。 19811981年，美国得克萨斯州心脏研究所的外科医生从年，美国得克萨斯州心脏研究所的外科医生从一位濒临死亡的心脏患者的体内，取出了几乎停止一位濒临死亡的心脏患者的体内，取出了几乎停止跳动的心脏，然后把一个人造心脏移入

6、体内，患者跳动的心脏，然后把一个人造心脏移入体内，患者利用这颗人造心脏度过利用这颗人造心脏度过5555小时，直到移植进另一颗小时，直到移植进另一颗因交通事故死亡者的心脏为止，终于使病人起死回因交通事故死亡者的心脏为止，终于使病人起死回生，说明人造心脏发挥暂时替换作用。生，说明人造心脏发挥暂时替换作用。19821982年，美国又一位濒临死亡的心脏病患者，在换年，美国又一位濒临死亡的心脏病患者，在换上了一颗用有机高分子材料制成的人造心脏之后，上了一颗用有机高分子材料制成的人造心脏之后，存活了存活了112112天。天。现在，世界上每年都有几百万人接受人造器官的植现在，世界上每年都有几百万人接受人造器

7、官的植入手术，人造器官的植入手术及其医用高分子的功入手术，人造器官的植入手术及其医用高分子的功能材料的开发，无疑是人类延长个体生命的福音。能材料的开发，无疑是人类延长个体生命的福音。 二、分类二、分类在医药领域中应用的高分子化合物主要有：在医药领域中应用的高分子化合物主要有：用于制造人工组织和人工器官的生物医用高分用于制造人工组织和人工器官的生物医用高分子材料。子材料。作为载体、助剂或药理活性物质，以提高药物作为载体、助剂或药理活性物质，以提高药物制剂的安全性、长效性及专一性的药用高分子制剂的安全性、长效性及专一性的药用高分子( (高高分子药物分子药物) )。医疗过程中各种外用的器具和用品。医

8、疗过程中各种外用的器具和用品。前两者为医用高分子的主要内容。前两者为医用高分子的主要内容。医用高分子：生物医用高分子、药用高分子医用高分子：生物医用高分子、药用高分子生物医用高分子（简称医用高分子）：生物医用高分子（简称医用高分子）：生物惰性高分子材料：生物惰性高分子材料：为了提高材料在使用过程中的寿命。为了提高材料在使用过程中的寿命。 如人工器脏、整形填充材料如人工器脏、整形填充材料可降解生物高分子：可降解生物高分子：医疗过程中需要临时使用的材料，希望医疗过程中需要临时使用的材料，希望 其功能发挥过后能被吸收分解。其功能发挥过后能被吸收分解。 如手术用的缝合材料、粘接材料、固定材料如手术用的

9、缝合材料、粘接材料、固定材料以医用高分子材料为原材料制出的人工脏器，即具有部分或全以医用高分子材料为原材料制出的人工脏器，即具有部分或全部代替人体某一器官功能的器件，有的只需在体内短期使用，部代替人体某一器官功能的器件，有的只需在体内短期使用，有的则需在体内停留较长时间，甚至整个生命期。有的则需在体内停留较长时间，甚至整个生命期。因此对这类材料有严格的要求。因此对这类材料有严格的要求。诸如良好的化学稳定性、无毒、无副作用、耐老化、耐疲劳，诸如良好的化学稳定性、无毒、无副作用、耐老化、耐疲劳，以及有生物相容性等。医用缝线、高分子药物、组织粘合剂等以及有生物相容性等。医用缝线、高分子药物、组织粘合

10、剂等要求在其发挥了效用以后，能被机体组织分解、吸收或迅速排要求在其发挥了效用以后，能被机体组织分解、吸收或迅速排出体外。出体外。较难解决的问题是医用高分子材料的抗血凝性，血液一接触到较难解决的问题是医用高分子材料的抗血凝性，血液一接触到植入人体内的高分子材料，会产生排它作用，并在其表面形成植入人体内的高分子材料，会产生排它作用，并在其表面形成血凝。血凝。一、基本要求一、基本要求1、材料学方面的要求、材料学方面的要求要求材料满足医疗过程对其机械、物理和化学方面的要求材料满足医疗过程对其机械、物理和化学方面的要求，如机械强度、透过性质、加工性能、外观效果等。要求，如机械强度、透过性质、加工性能、外

11、观效果等。2、医学方面的要求、医学方面的要求如药物的控制释放、人造血液的粘度、人造皮肤的促如药物的控制释放、人造血液的粘度、人造皮肤的促进作用等都属于医学方面的要求。进作用等都属于医学方面的要求。3、生物学方面的要求、生物学方面的要求特殊要求特殊要求材料要与生物活体长期和平共处，就必须不影响活体正常材料要与生物活体长期和平共处，就必须不影响活体正常的生物活动和适应活体的生理反应，并且耐受生理环境。的生物活动和适应活体的生理反应，并且耐受生理环境。对材料的总体要求：对材料的总体要求：(1)必须无毒，而且是化学惰性的。必须无毒，而且是化学惰性的。(2)与人体组织和血液相容性要好，不引起刺激、炎症、

12、与人体组织和血液相容性要好，不引起刺激、炎症、致癌和过敏等反应。致癌和过敏等反应。(3)有所需的物理性能有所需的物理性能(尺寸、强度、弹性、渗透性等尺寸、强度、弹性、渗透性等)，并，并能在使用期间保持其不变。能在使用期间保持其不变。(4)容易制备、纯化、加工和消毒。容易制备、纯化、加工和消毒。二、特殊要求二、特殊要求生物学方面的要求生物学方面的要求1、血液相容性、血液相容性2、组织相容性、组织相容性3、生物惰性、生物惰性4、可生物降解性、可生物降解性1、血液相容性、血液相容性指材料在体内与血液接触后不发生凝血、溶血现象，指材料在体内与血液接触后不发生凝血、溶血现象，不形成血栓。不形成血栓。血液

13、相容性只与材料的表面性质有关，而与材料内部结血液相容性只与材料的表面性质有关，而与材料内部结构无关。构无关。研究表明，具有以下表面性质的材料表现出血研究表明，具有以下表面性质的材料表现出血液相容性。液相容性。(1)具有较低界面能的材料；具有较低界面能的材料；(2)具有强亲水性或强亲脂性界面的材料；具有强亲水性或强亲脂性界面的材料；(3)具有负电荷界面的材料；具有负电荷界面的材料；(4)表面附着一层抗凝血物质的材料。表面附着一层抗凝血物质的材料。2、组织相容性、组织相容性指材料在与肌体组织接触过程中不发生不利的刺激指材料在与肌体组织接触过程中不发生不利的刺激反应，不发生炎症，不发生排斥反应，没有

14、致癌作用。反应，不发生炎症，不发生排斥反应，没有致癌作用。产生组织相容性问题的关键原因在于肌体自身的排异反产生组织相容性问题的关键原因在于肌体自身的排异反应和材料自身的化学稳定性。应和材料自身的化学稳定性。提高材料组织相容性的方法：提高材料组织相容性的方法：(1)提高材料的纯净程度；提高材料的纯净程度；(2)材料本身具有良好的化学稳定性；材料本身具有良好的化学稳定性；(3)有良好的机械强度和光滑表面；有良好的机械强度和光滑表面；(4)采用与组织相容性好的材料进行表面复合。采用与组织相容性好的材料进行表面复合。3、生物惰性、生物惰性指材料在生物内部环境下自身不发生化学反应和指材料在生物内部环境下

15、自身不发生化学反应和物理破坏，也不对生物体产生不利影响。物理破坏，也不对生物体产生不利影响。材料的生物惰性取决于材料的化学结构、纯净程度以材料的生物惰性取决于材料的化学结构、纯净程度以及材料的聚集状态等因素。及材料的聚集状态等因素。生物惰性好的高分子材料：聚乙烯、聚四氟乙烯、硅生物惰性好的高分子材料：聚乙烯、聚四氟乙烯、硅橡胶、脂肪族聚氨酯等。橡胶、脂肪族聚氨酯等。 三、生物惰性高分子材料三、生物惰性高分子材料1、人工脏器、人工脏器 (1)人工肺人工肺(并不是对于人体肺的完全替代，而是体外执行血液并不是对于人体肺的完全替代，而是体外执行血液氧交换功能的一种装置氧交换功能的一种装置)；(2)人工

16、肾人工肾(透析型、过滤型、吸附型透析型、过滤型、吸附型)；(3)人工肝脏人工肝脏(透析等透析等)；(4)人工胰脏人工胰脏(如如:可采用包膜法，即在移植的异体胰岛或动物胰可采用包膜法，即在移植的异体胰岛或动物胰岛表面覆盖一层高分子半透膜，能允许胰岛素向膜外渗透，但岛表面覆盖一层高分子半透膜，能允许胰岛素向膜外渗透，但阻止淋巴细胞和抗体进入膜内而引起排异损伤阻止淋巴细胞和抗体进入膜内而引起排异损伤)；(5)人工心脏瓣膜人工心脏瓣膜；(6)心脏起搏器电极的高分子包覆层心脏起搏器电极的高分子包覆层；(7)其它其它(人工心脏、人工血管、人工喉、人工气管、人工食管、人工心脏、人工血管、人工喉、人工气管、人

17、工食管、人工膀胱人工膀胱等等) 2、人工组织、人工组织 用于口腔、五官、骨、创伤和整型等用材料，包括用于口腔、五官、骨、创伤和整型等用材料，包括(1)牙科材料牙科材料(蛀牙填补用树脂、假牙和人工牙根、人工齿冠材蛀牙填补用树脂、假牙和人工牙根、人工齿冠材料和硅橡胶牙托软衬垫等料和硅橡胶牙托软衬垫等)；(2)眼科材料眼科材料(人工角膜、人工晶状体、人工玻璃体、人工眼球、人工角膜、人工晶状体、人工玻璃体、人工眼球、人工视网膜、人工泪道、隐型眼镜人工视网膜、人工泪道、隐型眼镜)；(3)骨科材料骨科材料(人工关节、人工骨、接骨材料等人工关节、人工骨、接骨材料等)；(4)肌肉与韧带材料肌肉与韧带材料(人工

18、肌肉、人工韧带人工肌肉、人工韧带)；(5)皮肤科材料皮肤科材料(人工皮肤等人工皮肤等)；(6)整形外科材料整形外科材料(人工鼻、人工下颌骨、人工耳朵、假肢等人工鼻、人工下颌骨、人工耳朵、假肢等)；(7)人造血液人造血液（能携带氧气）（能携带氧气） ，含人造血浆，含人造血浆(水溶性聚合物辅以水溶性聚合物辅以营养液等营养液等 用途用途 功能功能 生物医学材料生物医学材料牙槽骨，下颚骨 修补或重建 生物陶瓷，磷酸三钙，羟基磷灰石，生物玻璃人工牙根 种植假牙 钛表面喷涂羟基磷灰石氧化铝，肽合金，聚砜假牙 聚甲基丙烯酸甲脂，陶瓷，珊瑚 牙托 固定假牙 聚甲基丙烯酸甲脂，环氧树脂，硅橡胶，丙烯酸脂共聚物

19、镶牙材料 聚甲基丙烯酸甲脂自凝塑胶，黄金，不锈钢填充材料 填补龋洞裂沟 聚甲基丙烯酸甲脂自凝塑胶，丙烯酸系复合树脂，银汞合金，牙水泥，紫外光固化丙烯酸脂类涂料 防龋防酸涂料 牙齿保护涂层 紫外光固化丙烯酸脂类涂料 齿科矫形 不锈钢丝，镍钛记忆合金药用高分子是在药物制剂中应用的高分子化合物。主要应用有：药用高分子是在药物制剂中应用的高分子化合物。主要应用有：载体。载体。用以控制药物缓慢释放，一般由有机硅橡胶、聚甲基丙用以控制药物缓慢释放，一般由有机硅橡胶、聚甲基丙烯酸酯类等制成封闭细管、微囊或薄膜。烯酸酯类等制成封闭细管、微囊或薄膜。主药。主药。有长效的特点。有长效的特点。其结构有：在高分子侧基

20、上连接低分子药物；在高分子主链中含其结构有：在高分子侧基上连接低分子药物；在高分子主链中含低分子药物。低分子药物。药物制剂和包装用高分子材料药物制剂和包装用高分子材料（这里的包装材料不涉及外包装（这里的包装材料不涉及外包装材料，特指药物在制备过程中需要的高分子材料，它们往往对提材料，特指药物在制备过程中需要的高分子材料，它们往往对提高药效、方便药物起作用等方面有一定效果）：药物制剂用高分高药效、方便药物起作用等方面有一定效果）：药物制剂用高分子材料（液状制剂中的高分子增稠剂、稀释剂、分散剂和消泡剂；子材料（液状制剂中的高分子增稠剂、稀释剂、分散剂和消泡剂；固体制剂中的高分子粘合剂、包衣剂、膏剂

21、和涂膜剂）、微胶囊固体制剂中的高分子粘合剂、包衣剂、膏剂和涂膜剂）、微胶囊等。等。 高分子作为药物的载体高分子作为药物的载体, 其作用有二其作用有二:(一一) 使药物以最小的剂量在特定的部位产生治疗效应使药物以最小的剂量在特定的部位产生治疗效应,(二二)优化药物释放速率优化药物释放速率,以提高疗效以提高疗效,降低毒副作用降低毒副作用,实现实现:(1)长效作用长效作用：常用的低分子药物由于相对分子质量小：常用的低分子药物由于相对分子质量小,在血在血液中停留时间短液中停留时间短,易排出体外易排出体外,故药效短。青霉素、青霉素故药效短。青霉素、青霉素的持续药效不长的持续药效不长,若将它们接到聚乙烯醇和乙烯胺共聚物若将它们接到聚乙烯醇和乙烯胺共聚物分子链上分子链上,可使药效延长近可使药效延长近40倍。倍。(2)增效作用增效作用:并不是所有药物高分子化后都能提高药效并不是所有药物高分子化后都能提高药效,但但只要选好载体只要选好载体,合适的载体即能引导药物直接进攻病变细胞合适的载体即能引导药物直接进攻病变细胞的靶区的靶区,或改变药物在靶组织内的转运和分布或改变药物在靶组织内的转运和分布,或增加渗透作或增加渗透作用用,导致增效。导致增效。(3)缓释作用缓释