生物医用材料

1、L/O/G/O生物医用材料生物医用材料定义义1. 定义定义：生物材料是一类具有特殊性能、特殊生物材料是一类具有特殊性能、特殊功能，用于功能，用于人工器官、外科修复、理人工器官、外科修复、理疗康复、诊断、检查、治疗疾患疗康复、诊断、检查、治疗疾患等医等医疗保健领域，而对人体疗保健领域，而对人体无毒，无副作无毒，无副作用，不凝血，不溶血，不引起人体细用，不凝血，不溶血，不引起人体细胞的突变，畸变和癌变，不引起免疫胞的突变，畸变和癌变，不引起免疫排异反应排异反应的材料。的材料。举例：形状记忆生物材料热弹性马氏体形状记忆效应热弹性马氏体形状记忆效应将一定形状的记忆合金试样冷却到Mf点以下，对之进行一定

2、限度的变形，卸去载荷后，变形被保留下来；将变形了的试样加热到As以上，试样开始恢复，加热到Af点，试样恢复到变形前的形状。 （图中Ms表示冷却时开始产生热弹性马氏体的转变温度，Mf表示冷却时转变的终止温度，As表示升温时逆转的温度，Af表示逆转完全的温度）。 5医学应用医学应用 血栓过滤器：血栓过滤器：预压缩 受热扩张后植入腔道内效果医用腔内支架的应用原理示意医用腔内支架的应用原理示意 消化道内支架 血管内支架 胆道内支架 腔内内支架临临床应应用实实例 记忆合金支架经过预压缩变形后（a） ，能够经很小的腔隙安放到人体血管、消化道、呼吸道、胆道、前列腺腔道以及尿道等各种狭窄部位。支架扩展后形成如

3、图（b）所示的记忆合金骨架，在人体腔内支撑起狭小的腔道，这样就能起到很好的治疗效果。 8固定断骨的销和接骨板：固定断骨的销和接骨板：尺桡骨骨折尺桡骨骨折 术前术前术后术后9取下方便取下方便 代替传统石膏绷带用于代替传统石膏绷带用于创伤部位的固定材料创伤部位的固定材料 骨伤伤固定： 手术时，医生先用低温（05摄氏度）消毒盐水冷却记忆合金器械，然后根据需要改变其抱合部位的形状，安装于患者骨伤部位。待患者体温将其 “ 加热 ” 到设定的温度时，器械的变形部分便恢复到原来设计的形状，从而将伤骨紧紧抱合，起到固定与支撑的作用。这种新技术与传统的骨伤内固定术相比，大大降低了手术的难度，并可使手术时间缩短三

4、分之二。由于材料自身的记忆功能十分稳定，良好的 “ 抱合力 ” 使病人手术的愈合期也大大缩短。 医用细丝 牙齿弓丝（方） 二、性 能 要 求 与 分 类： 生物材料实质上是一种特殊的功能材料。是生物材料实质上是一种特殊的功能材料。是一类与人类生命和健康密切相关的新材料。凡是一类与人类生命和健康密切相关的新材料。凡是应用于人体的生物材料都应具有良好的生物应用于人体的生物材料都应具有良好的生物 性性 能，这是保证其临床安全有效应用的重要技术指能，这是保证其临床安全有效应用的重要技术指标。标。 生物功能性生物功能性和和生物相容性生物相容性是评价生物医学是评价生物医学材料最终能否应用于人体的两个最基本

5、的标准材料最终能否应用于人体的两个最基本的标准。生 物 功 能 性： 生物医学材料应具有良好的物理、生物医学材料应具有良好的物理、 化学和机械性能，化学和机械性能， 以行使所替代、器官的生理功能。以行使所替代、器官的生理功能。 制造人工心脏材料要考虑在心脏制造人工心脏材料要考虑在心脏 有节律的收缩与舒张压力有节律的收缩与舒张压力 变化变化 情况下应力老化。情况下应力老化。 假牙材料必须具有与活体牙相近似的热膨胀系假牙材料必须具有与活体牙相近似的热膨胀系 数、低导数、低导 热性、高硬度以及优良的耐磨性。热性、高硬度以及优良的耐磨性。表表1-5.1 对材料所要求的生物医学功能对材料所要求的生物医学

6、功能表表1-5.2 对材料所要求的生物医学功能对材料所要求的生物医学功能材料对机体产生的生物危害性材料对机体产生的生物危害性 机体组织对材料的影响机体组织对材料的影响 致癌性致癌性 致畸性致畸性 刺激性刺激性 毒性毒性 过敏性过敏性 溶血性溶血性 致突性致突性 老化老化 腐蚀腐蚀 降解降解 注意：注意：材料的降解和腐蚀不仅会材料的降解和腐蚀不仅会影响材料的生物功能性，其产物影响材料的生物功能性，其产物也会对机体产生潜在的生物危害也会对机体产生潜在的生物危害。v 现详细被研究过的生物材料已超现详细被研究过的生物材料已超过一千多种，被广泛应用的也达过一千多种，被广泛应用的也达数十种。数十种。生物材

7、料生物材料分类按医用材料的来源按医用材料的来源按医用材料的性质按医用材料的性质按医用材料在人体使用部位按医用材料在人体使用部位按医用材料的使用要求按医用材料的使用要求按医用材料的来源分类： 人体自身组织：如自身隐静脉；人体自身组织：如自身隐静脉； 同种器官与组织：如人尸体角膜；同种器官与组织：如人尸体角膜； 异种同类器官与组织：如猪肾脏；异种同类器官与组织：如猪肾脏； 天然生物材料的提取与改性：如动物皮天然生物材料的提取与改性：如动物皮、骨胶原的提取，经处理制成缝线；、骨胶原的提取，经处理制成缝线； 合成材料：如硅橡胶制作人工瓣膜。合成材料：如硅橡胶制作人工瓣膜。培养瓶内正在培养的人工表皮培养

8、瓶内正在培养的人工表皮 人造皮肤人造皮肤 人造人造皮肤是利用工程学和细胞生物学的原皮肤是利用工程学和细胞生物学的原理和方法，在体外人工研制的皮肤代用品理和方法，在体外人工研制的皮肤代用品，用来修复、替代缺损的皮肤组织，按成，用来修复、替代缺损的皮肤组织，按成分不同，可分单纯人工真皮和具有表皮细分不同，可分单纯人工真皮和具有表皮细胞层的活性复合皮。胞层的活性复合皮。人工皮肤人工皮肤1980年哈佛大学的二位教授Yannas及Burke发展二层结构的人工皮肤结构，上层由矽胶组成，似人体的上皮；下层为多孔状类真皮结构，主要成分为小牛的胶原蛋白及鲨鱼的软骨素交联而成L/O/G/O人造皮肤的结构及制作人造

9、皮肤的结构及制作人造皮肤有两层：表层和里层。表层是由一种硅橡胶薄膜制成，能阻挡细菌的进攻。里层是一种特殊的培养基，能帮助受伤的皮肤生长。制作：第一种从病人身上提取胶原蛋白，然后放在培养皿上培养成一块皮肤。第二种则是从病人身上提取皮肤细胞，只培养细胞，然后把细胞喷在伤口上，让其生长成皮肤。前者的缺点是平均要等待21天才培养出皮肤。后者虽然可以快速在病人身上生成皮肤，但仍然在实验阶段。这是培养5周的人工复合皮肤组织切片，可见具有与正常皮肤类似的皮层结构L/O/G/O蚕丝人造皮肤蚕丝人造皮肤主要发明人：浙江大学动物科 学学院副教授闵思佳 由科研人员提取蚕丝中的蛋白质生产而成，这种人造皮肤就像用蚕丝做

10、成的服装面料一样，具有丝绸般的光滑平整和柔韧特性。而且，与目前治疗大面积损伤时最常用的猪皮材料相比，它安全性更高。 步骤步骤依据患者皮肤损伤的尺寸，裁剪合适的丝蛋白材料，然后依据患者皮肤损伤的尺寸，裁剪合适的丝蛋白材料，然后将干细胞植入将干细胞植入通过可控的技术，让多个干细胞在丝蛋白构成的材料上生通过可控的技术，让多个干细胞在丝蛋白构成的材料上生长长通过对丝蛋白材料的设计，干细胞可以在其中转化为不同通过对丝蛋白材料的设计，干细胞可以在其中转化为不同的功能细胞，如真皮层的成纤维细胞，表皮层的表皮细胞的功能细胞，如真皮层的成纤维细胞，表皮层的表皮细胞等，最后生长成一块仿生人工皮肤。等，最后生长成一

11、块仿生人工皮肤。以上都是在一个生物反应器里完成的，时间大约以上都是在一个生物反应器里完成的，时间大约1212周，一周，一块类似的人体皮肤就形成了，从而可以用于植皮手术块类似的人体皮肤就形成了，从而可以用于植皮手术。L/O/G/O1. 与其他干细胞制作人工皮肤与其他干细胞制作人工皮肤相比，丝蛋白不会轻易遭到人相比，丝蛋白不会轻易遭到人体排斥体排斥2. 丝蛋白通过技术手段制作的丝蛋白通过技术手段制作的支架结构可以逐步在人体内降支架结构可以逐步在人体内降解，这才是仿生人工皮肤不被解，这才是仿生人工皮肤不被人体保卫系统侵蚀的最大秘密人体保卫系统侵蚀的最大秘密3. 根据测算，要想制作巴掌大根据测算，要想

12、制作巴掌大的一块仿生人工皮肤，所需要的一块仿生人工皮肤，所需要的丝蛋白不过在的丝蛋白不过在5克左右，差克左右，差不多不多18个蚕茧就能解决问题个蚕茧就能解决问题优 点L/O/G/O英国英国：ICX-SKN的人造皮肤的人造皮肤研制者：从事细胞疗法研究的Intercytex集团 名为ICX-SKN的人造皮肤，这种皮肤在28天后可完全与人体结合，封闭并愈合伤口。 在初步的临床实验中，由于质地逼真，耐久性好，人造皮肤移植取得突破性成功。 ICX-SKN是由自体皮肤细胞产生的一种基质，即结缔组织细胞构成的。结缔组织细胞能在天然皮肤中形成骨胶原。这些结缔组织细胞可构成类似于真实皮肤的组织结构。 L/O/G

13、/O白鼠体上移植的人造皮肤白鼠体上移植的人造皮肤+研制者：第四军医大学的研究人员 +从新生或出生前的试验鼠身上取出少量皮肤组织，采用灭菌、消化、分离、培养等手段，获得了足够的细胞数量后，再用组织工程的办法将其重新组合，成功地研制出具有表皮组织和结缔组织的皮肤。这个过程用一个形象的比喻就是在器皿中“种皮肤”。试验人员将这些人造皮肤移植到白鼠身上，经过观察发现，人造皮肤不仅具有正常皮肤的部分功能，而且具有良好的修复皮肤创伤的作用，到目前为止并未发现有免疫排斥反应。可以说，目前人造“鼠皮”已研制成功。当然，这种皮肤与真正的皮肤还有差距，比如说没有汗腺和毛发等附属物我国第一个“人造皮肤”正式进入临床应

14、用四军医大口腔医院研制的我国组织工程第一个产品实现产业化这项技术的先进性在于，国内目前的这项技术的先进性在于，国内目前的人造皮肤研究仅能进行表皮的复制，人造皮肤研究仅能进行表皮的复制，四军医大则发展出带有结缔组织第二四军医大则发展出带有结缔组织第二层的皮肤，这种技术目前在国际上只层的皮肤，这种技术目前在国际上只有美国掌握，在国内四军医大是第一有美国掌握，在国内四军医大是第一家。家。金岩教授展示金岩教授展示组织工程皮肤组织工程皮肤L/O/G/O俄罗斯以纳米材料制人造皮肤俄罗斯以纳米材料制人造皮肤俄罗斯的生物皮肤和外国的类似产品性质不同。它具有高度的相容性，疗效好。特点是用它进行的包扎无需更换。“

15、吉阿马特里克斯”和恢复的皮肤结合。此外，它有再生的性能，在它上面能繁殖移殖的细胞。还有，俄罗斯的生物皮肤较便宜，这也很重要。斯坦福大学华裔女科学家鲍哲楠(Zhenan Bao，音译)在已取得人造电子皮肤科研成果的基础上，再接再厉，研发出更仿真的透明、超弹性的传感器皮肤，让人造电子皮肤拥有更接近自然皮肤的触觉。这项研究已于10月23日发表在自然纳米科技杂志上。 由美国宇航局科学家研制的一种新型人造皮肤采用垂直碳纳米管层排列在整容手术所使用的橡胶聚合物上，就像是植入一块皮肤一样，碳纳米管通过金丝的串接固定在一起。这些碳纳米管分布在橡胶状的聚合物上，这种结合橡胶聚合物和碳纳米管的人造皮肤能够将接触表

16、面的热量传递至传感器网络，就如同皮肤能够及时获取该信息一样。碳纳米管提取聚合物上的压电感应后，传感器能够向机器人大脑产生一种信号。机器人也需要敏感的皮肤产生一定的触感。 L/O/G/O人工皮肤的发展人工皮肤的发展+人造皮肤在中国起步较晚，但经过几十年人造皮肤在中国起步较晚，但经过几十年的发展，其在各个领域上面都取得的发展，其在各个领域上面都取得 了巨大了巨大的成就。的成就。 在美国、在美国、 加拿大、加拿大、 日本和欧共体日本和欧共体国家组织工程的研究和产业化得到迅速发国家组织工程的研究和产业化得到迅速发展，展， 尤其是美国有尤其是美国有 50 余家公司从事组织工余家公司从事组织工程产品的产业

17、化生产，已经形成价值程产品的产业化生产，已经形成价值 60 亿亿美元的产业，并以每年美元的产业，并以每年 25%的速度递增。的速度递增。初步估计，到初步估计，到 2020 年美国组织工程年美国组织工程 产品市产品市场可达每年场可达每年 180 亿美元。亿美元。 L/O/G/O人造皮肤的最新研究人造皮肤的最新研究多伦多大学的科研人员通过把单个细胞放入凝胶状的薄片材料里，使其生长出一种全新的人造皮肤。值得一提的是，这种新的人造皮肤不仅能够根据实际需要被培育成字母等特殊的形状，其生长速度也大幅提高，从之前的一次生长几微米变成现在一次生长几厘米。 为何能根据需要培育成特殊形状？L/O/G/O “马赛克

18、凝胶”是一种薄皮状的物质，能够与活体组织的细胞生长兼容，进而确保各种不同的细胞能够在凝胶里进行精准的、可操控的生长繁殖。 精确控制细胞生长具有非常重大的意义，如此一来，人造皮肤的细胞就能模拟活体组织细胞的自然生长，对烧伤患者的治疗十分有利。 控制“马赛克凝胶”里的细胞生长，令其排列成7个字母、组成单词“Toronto”。 L/O/G/O未来人造皮肤未来人造皮肤+有触感+可拉伸+能防弹 可剥落的电子表皮可剥落的电子表皮人造心脏瓣膜的置换 第一个可靠的人工心脏瓣膜，在1961年由美国俄勒冈州波特兰的外科医生史塔尔和他的合作者爱德华斯发明，是装在不锈钢罩中的塑料球。 按材料的属性可分为：无机生物材料

19、；无机生物材料；有机生物材料；有机生物材料；复合生物材料；复合生物材料；天然生物材料；天然生物材料；杂化生物材料杂化生物材料。无 机 生 物 材 料：金属与合金材料；金属与合金材料；碳素材料；碳素材料；生物活性陶瓷；生物活性陶瓷；玻璃材料玻璃材料。普通金属烤瓷牙普通金属烤瓷牙 贵金属烤瓷牙贵金属烤瓷牙齿科材料齿科材料 修复牙齿用的合金除修复牙齿用的合金除银银之外主要有之外主要有镍铬镍铬、钴铬钴铬和和烤瓷合金烤瓷合金。 镍铬合金（软质）适于制作齿冠、冠桥等部件；镍铬合金（软质）适于制作齿冠、冠桥等部件； 钴铬合金（中硬质）适于作齿环、基托，硬质者钴铬合金（中硬质）适于作齿环、基托，硬质者则适于作

20、舌杆、整体部件则适于作舌杆、整体部件 烤瓷合金是用于制造烤瓷固定修复体的底层合金。烤瓷合金是用于制造烤瓷固定修复体的底层合金。先用紧密铸造制成帽状冠，在表面涂上烤瓷，高温先用紧密铸造制成帽状冠，在表面涂上烤瓷，高温烧结。强度与耐磨性高于塑料牙，又能按牙齿色调烧结。强度与耐磨性高于塑料牙，又能按牙齿色调配制。配制。 高铜银合金粉系用于龋齿治疗。为了解决银合金粉高铜银合金粉系用于龋齿治疗。为了解决银合金粉与汞调和中汞蒸气的危害，已制成银汞胶囊，效应与汞调和中汞蒸气的危害，已制成银汞胶囊，效应更佳更佳。牙槽骨内种植体牙槽骨内种植体种植牙并不是真的种上一棵或几棵与天然牙一样的牙齿，而是以种植材料埋植到

21、牙槽骨内（种植体），再在其上做假牙的一种“假牙”修复方法。它是一种以植入骨组织内的下部结构为基础来支持、固位上部牙修复体的缺牙修复方式。主要包括下部的支持种植体和上部的牙修复体两部分。 有 机 生 物 材 料：是具有一定生物相容性的合成高聚物材料是具有一定生物相容性的合成高聚物材料： 硅橡胶；硅橡胶；聚胺酯及其嵌段共聚物；聚胺酯及其嵌段共聚物；尼龙；尼龙；聚丙稀晴；聚丙稀晴；聚稀烃；聚稀烃；聚碳酸酯；聚碳酸酯；聚醚；聚醚；聚砜；聚砜；聚氯乙烯；聚氯乙烯；聚丙稀酸酯等。聚丙稀酸酯等。人工皮肤的材料分合成高分子和生物高分子两类產品及組織工程相關產業產品及組織工程相關產業PLGA：聚乳酸-羟基乙酸共

22、聚物天 然 生 物 材 料：再生纤维再生纤维胶原胶原弹性纤维元弹性纤维元透明质酸透明质酸甲壳素甲壳素软骨素等软骨素等纤维蛋白纤维蛋白 Cusp：一端尖细的突出物，尤指心瓣的三角形段Vascular：血管的基于模塑的纤维蛋白凝胶载体的心脏瓣膜导管模型肌腱组织肌腱组织珊瑚羟基磷灰石人造骨复 合 生 物 材 料：用碳纤维增强的塑料；用碳纤维增强的塑料；用碳纤维或玻璃纤维增强的生物用碳纤维或玻璃纤维增强的生物陶瓷；陶瓷；用碳纤维或玻璃纤维增强的玻璃用碳纤维或玻璃纤维增强的玻璃等等。Hydrogel，水凝胶；透明质酸(Hyaluronic acid HA)、杂 化 生 物 材 料： 指来自活体的指来自活

23、体的天然材料天然材料与与合成材料合成材料 的杂化，如：的杂化，如： 胶原与聚乙烯醇的交联杂化；胶原与聚乙烯醇的交联杂化； 甲壳糖与聚乙烯醇的交联杂化等甲壳糖与聚乙烯醇的交联杂化等。按应用部位分类：硬组织材料：齿科材料、骨科材料；硬组织材料：齿科材料、骨科材料；软组织材料：各种充填、整复材料；软组织材料：各种充填、整复材料；心血管材料（抗凝血材料）：心血管材料（抗凝血材料）： 人工血管、人工导管等。人工血管、人工导管等。血液代用材料：血液代用材料： 人工红血球、代用血浆。人工红血球、代用血浆。透析及超滤用膜材料：透析及超滤用膜材料： 血液净化、血浆分离用膜材料。血液净化、血浆分离用膜材料。德国D

24、ensply Dyract Ap全功能复合体合体的所有优点，放氟功能更强耐磨性能更优异，表面更光滑。这种复合体在操作中简单、快速患者无痛苦，没有任何副作用，而修复质量又极好。 德国Degussa Definite 新型齿科陶瓷材料 具有很好的生物相容性，是汞合金、复合树脂和复合体等材料的代用品。适用于前牙和侧牙区的所有适应症 德国Degussa Definite flow流质型填充材料 新型的流质标准这是一种新型产品，可流动，成形后又坚固无比。它适用于V类龋洞的填充、各类裂隙 封闭、微小的龋坏控制以及用陶瓷、复合树脂作为修复材料的粘固德国Densply 牙胶尖硬度大、弹性好、充填彻底、操作容易

25、是本牙胶尖的优点。 德国DMG树脂材料 各种比色，可适用于修补、充填，也可作为光固化材料。 德国VIVADENT Tetric瓷化树脂德国OMPOGLGS光固化玻璃离子2、国外的一些口腔材料、国外的一些口腔材料按使用要求分类： 非植入性材料和制品：非植入性材料和制品： 聚丙稀聚乙烯，一次性注射器聚丙稀聚乙烯，一次性注射器 植入性材料和制品植入性材料和制品： 聚四氟乙烯，心脏修补片；聚四氟乙烯，心脏修补片； 血液接触性材料和制品：血液接触性材料和制品： 聚氨酯，心脏反博气囊；聚氨酯，心脏反博气囊； 降解和吸收性材料与制品；降解和吸收性材料与制品； 聚乳酸，手术缝线；聚乳酸，手术缝线； 其他：聚苯

26、乙烯，乳胶。其他：聚苯乙烯，乳胶。四种分类法特点：1. 较粗糙较粗糙,实际意义不大实际意义不大;2. 缺乏对材料缺乏对材料 的个性认识的个性认识;3. 前后重复前后重复;4. 区分不明确。区分不明确。 类 别 定 义 举 例 非接触材料与制品不直接又不间接接触患者细胞分离用磁性高分子微球、凝集实验用聚苯乙烯乳液、一次性使用的医用器皿与体表接触ABC材料与制品仅接触体表体外修复物、创口贴、监护仪导电膏、超声传导凝胶 材 料 及 制 品 在 体 外与损伤或破损体接触ABC材料与制品和损伤或已破坏的体表接触与溃疡、烧伤和肉芽组织接触的各类绷带或装置、敷料 注：A-暂时（ 5分钟 B-短期（5分钟19

27、天） C-长期（超过30天） 表表1-6.1 医用材料与制品分类表医用材料与制品分类表 类 别 定义 举 例与 体腔 接触ABC材料和制品与体腔相通接触眼 镜、 导尿 管、 气管 内导管、支 气管 镜套与 血液 间接 接触ABC材料与制品在人体某一部分和血液接触或通过装置将液体、血液输入血管体系输血管 、 输 液管 、 静 脉高 营养 、留置导 管、 注射 器 材 料 及 制 品 在 体 外 与 体 内 接 触与 血液 直接 接触ABC材料与制品和循环血液接 触静脉内 插管 、氧 合袋 、体 外氧合器和 附件 、透 析器 、血 浆分离器、 透析 器管 道与 附件 注：A-暂时（ 5分钟 B-短

28、期（5分钟19天） C-长期（超过30天） 类 别 定 义 举 例与骨接触ABC材料与制品主要和骨接触矫形钉、矫形板、人工关节、人工骨、骨水泥与组织和组织液接触ABC材料与制品主要与组织和组织液接触，或与肌肉膜接触药物释放装置、人工肌腱、人工乳房、人工喉、女性节育装置和宫内节育器、脑积水引流器 材 料 与 制 品 植 入 体 内与血液接触ABC材料与制品主要与血液接触人工血管、人工心脏瓣膜、动静脉瘘管、左心辅助泵、反搏气囊、静脉内药物释放装置 注：A-暂时（ 5分钟 B-短 期（ 5分钟 19天） C-长期 （超 过30天）其它生物医用材料：纳米生物材料纳米生物材料组织工程材料组织工程材料基因

29、芯片材料基因芯片材料智能材料，等等智能材料，等等合成聚合物制成的一个鼻状支架新种软骨细胞，体外培养育出的人造鼻植入物培养出的组织工程化的人耳人造鼻骨组织 人造神经组织 培养组织 生物医学高分子材料生物医学高分子材料按用途分类按用途分类 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，引流管，一次性输血输液器材缝合线，黏胶剂，止血剂，各种导管，引流管，一次性输血输液器材 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），高分子药物（干扰素靶向性高分子载体（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

30、体（胶囊，水凝胶，脂质体），降胆敏），高分子控制释放载体（胶囊，水凝胶，脂质体） 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1. 分类类制备制备生物医用高分子材料？生物医用高分子材料？化学学家来来做第一步 化学家合成原始材料并检测各项理化指标化学家合成原始材料并检测各项理化指标 生物学家检测材料生物毒性及生物相容性生物学家检测材料生物毒性及生物相容性 医学家做临床动物试验医学家做临床动物试验-人体试验人体试验 化学工程师制造生物医用高分子材料化学工程师制造生物医用高分子材料 临床应用临床应用材料 生物高分子材料发展史生物高分

31、子材料发展史1943年 赛璐赛璐珞薄膜开开始用于血液透析1949年 美国国首先发发表了医医用高分子的展望性论论文。在文章 中，第一次介绍绍了利用PMMA作为为人的头头盖骨、关关 节节和股骨，利用聚酰胺纤维酰胺纤维作为为手术缝术缝合线线的临临床 应应用情况况。50年代，有机硅聚合物被用于医学领医学领 域，使人工器官的应应用范围围大大扩扩大，包括器官替 代和整容等许许多方面。 Drug controlled releaseTissue engineeringGene therapy 此后，一大批人工器官在此后，一大批人工器官在50年代试用于临床。如年代试用于临床。如人工人工尿道（尿道（1950年）

32、年）、人工血管（人工血管（1951年）年）、人工食道（人工食道（1951年）年）、人工心脏瓣膜（人工心脏瓣膜（1952）、人工心肺（人工心肺（1953年）年）、人工关节（人工关节（1954年）年）、人工肝（人工肝（1958年）年）等。进等。进入入60年代，医用高分子材料开始进入一个崭新的发展时年代，医用高分子材料开始进入一个崭新的发展时期。期。 1960s 可生物降解聚合物，如：可生物降解聚合物，如：Polylactide(PLA) 1970-80s 隐形眼镜（隐形眼镜（Contact lens），药物控制释放），药物控制释放(drug controlled release) 1990s-19

33、90s-聚合物在生物医用材料中的占有率超过一聚合物在生物医用材料中的占有率超过一半半2022-7-5材料 高分子材料虽然不是万能的，不可能指望它解高分子材料虽然不是万能的，不可能指望它解决一切医学问题，但决一切医学问题，但通过分子设计的途径通过分子设计的途径，合成出，合成出具有生物医学功能的理想医用高分子材料的前景是具有生物医学功能的理想医用高分子材料的前景是十分广阔的。有人预计，在十分广阔的。有人预计，在21世纪，医用高分子将世纪，医用高分子将进入一个全新的时代。除了大脑之外，人体的所有进入一个全新的时代。除了大脑之外，人体的所有部位和脏器都可用高分子材料来取代。仿生人也将部位和脏器都可用高

34、分子材料来取代。仿生人也将比想象中更快地来到世上。比想象中更快地来到世上。2022-7-5材料（Requirements for biomedical polymers） Basic requirements 安全性安全性 Biocompatibility/Biostability / Biodegradability 灭菌性灭菌性 Sterilizability医用高分子材料的要求医用高分子材料的要求2022-7-5材料Requirements for biomedical polymersOther requirements according to specific applicatio

35、ns加工成型性 machine-shaping properties机械性能与稳与稳定性 Mechanical properties环环境敏感性 Environmental sensitivity表面性能与结构与结构多空性 Surface properties/Porosity亲亲疏水性 Hydrophilicity / hydrophobicity 2022-7-5材料 不会会致癌 根据现现代医学医学理论认为论认为，人体致癌的原因是由于正常细细胞发发生了变异变异。当这当这些变异细变异细胞以极极其迅速的速度增长并扩长并扩散时时，就形成了癌。而引起细细胞变异变异的因素是多方面的，有化学学因素、物

36、理因素，也有病毒引起的原因。安全性 具有良好的血液相容性具有良好的血液相容性 当高分子材料用于人工脏器植入人体后，必然要长时当高分子材料用于人工脏器植入人体后，必然要长时间与体内的血液接触。因此，间与体内的血液接触。因此，应用高分子对血液的相容性应用高分子对血液的相容性是所有性能中最重要的是所有性能中最重要的。 血液相容性血液相容性就是指血液对与它接触的非存活材料和器件产生合乎要求的反应的一种性能；具体来说应具备以下性质：不凝血、不溶血、不破坏血细胞、不致使血浆蛋白变性及酶系统破坏，不扰乱电解质平衡。其中，不凝血是血液相容性最重要，也是最不易做到的要求。 2022-7-5材料 通常，当人体的表

37、皮受到损伤时，流出的血液会通常，当人体的表皮受到损伤时，流出的血液会自动凝固，称为自动凝固，称为血栓血栓。 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，不形成血栓。 实际上，血液在受到下列因素影响时，都可能发实际上，血液在受到下列因素影响时，都可能发生血栓：生血栓： 血管壁特性与状态发生变化；血管壁特性与状态发生变化； 血血液的性质发生变化；液的性质发生变化； 血液的流动状态发生变化血液的流动状态发生变化。2022-7-5材料 具有良好的组织相容性具有良好的组织相容性 有些高分子材料本身对人体有害，不能用作有些高分子材料本身对人体有害，不能用作医用材料。而有些高分子材料本身对人体组

38、织并医用材料。而有些高分子材料本身对人体组织并无不良的影响，但在合成、加工过程中不可避免无不良的影响，但在合成、加工过程中不可避免地会残留一些单体，或使用一些添加剂。当材料地会残留一些单体，或使用一些添加剂。当材料植入人体以后，这些单体和添加剂会慢慢从内部植入人体以后，这些单体和添加剂会慢慢从内部迁移到表面，从而对周围组织发生作用，迁移到表面，从而对周围组织发生作用，引起炎引起炎症或组织畸变症或组织畸变，严重的可引起全身性反应。，严重的可引起全身性反应。2022-7-5材料灭菌性灭菌性 高分子材料在植入体内之前，都要经过严格的高分子材料在植入体内之前，都要经过严格的灭菌消毒。目前灭菌处理一般有

39、三种方法：灭菌消毒。目前灭菌处理一般有三种方法：蒸汽灭蒸汽灭菌、化学灭菌、菌、化学灭菌、射线灭菌射线灭菌。国内大多采用前两种。国内大多采用前两种方法。因此在选择材料时，要考虑能否耐受得了。方法。因此在选择材料时，要考虑能否耐受得了。能经经受必要的清洁清洁消毒措施而不产产生变变性生物医用高分子材料用途生物医用高分子材料用途 手术缝合线手术缝合线 骨固定材料骨固定材料 组织修补材料组织修补材料 药物控制释放材料药物控制释放材料2022-7-5材料人工心脏瓣膜人工心脏瓣膜组织工程人工骨缺损修复示意图组织工程人工骨缺损修复示意图2022-7-5材料1、天然可降解高分子材料、天然可降解高分子材料 胶原蛋

40、白，纤维蛋白胶原蛋白，纤维蛋白 甲壳素、壳聚糖、淀粉、纤维素海藻酸甲壳素、壳聚糖、淀粉、纤维素海藻酸钠衍生物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天然可降解高分子材料的优点天然可降解高分子材料的优点 原料来源丰富，便宜易得原料来源丰富，便宜易得 可用常规方法加工成型可用常规方法加工成型 具有良好的生物相容性具有良好的生物相容性 不引起异体反应不引起异体反应（1）胶原蛋白）胶原蛋白 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

41、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，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由各种物种和肌体组织制备的胶原差异很小织制备的胶原差异很小。最基本的胶原结构为。最基本的胶原结构为由 三 条 分 子 量 大 约 为由 三 条 分 子 量 大 约 为1105的肽链组成的的肽链组成的三三股螺旋绳状股螺旋绳状结构，直径结构，直径为为 1 1 . 5 n m ， 长 约， 长 约300nm。制备来源：制备来源： 牛和猪的肌腱、生皮、骨骼是生产胶原的牛和猪的肌腱、生皮、骨骼是生产胶原的主要原料。主要原料。 生产

42、：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中的是除去组织中的非胶原成分和抗原物质，获得高纯度的胶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。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，以控制其物理性，以控制其物理性质和生物可吸收性。同时也必须考虑所用质和生物可吸收性。同时也必须考虑所用交联方法的强度、稳定性、毒性、趋钙化交联方法的强度、稳定性、毒性、趋钙化以及抗酶降解性能等。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, ,免疫免疫原性低原性低等优点等优点, ,被制造成为各种

43、生物医学材被制造成为各种生物医学材料料, ,在医疗器械产品制造领域有着不可替代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用。的优势和相当广泛的应用。 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控制严格控制才能达到动物源性胶原的人用标准才能达到动物源性胶原的人用标准。 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、手术缝合线明胶、化妆品、人工皮肤、手术缝合线、组织工程基质、组织工程基质等。等。应用：应用：2022-7-5材料 纤维蛋白纤维蛋白 纤维蛋白是纤维

44、蛋白原的聚合产物纤维蛋白是纤维蛋白原的聚合产物。纤维蛋。纤维蛋白原是一种血浆蛋白质，存在于动物体的血白原是一种血浆蛋白质，存在于动物体的血液中。液中。纤维蛋白原在人体内的主要功能是参纤维蛋白原在人体内的主要功能是参与凝血过程与凝血过程。2022-7-5材料2022-7-5材料 纤维蛋白具有良好的生物相容性，具有纤维蛋白具有良好的生物相容性，具有止血、止血、促进组织愈合促进组织愈合等功能，在医学领域有着重要用途。等功能，在医学领域有着重要用途。 纤维蛋白的降解包括酶降解和细胞吞噬两种过纤维蛋白的降解包括酶降解和细胞吞噬两种过程，程，降解产物可以被肌体完全吸收降解产物可以被肌体完全吸收。降解速度随

45、产。降解速度随产品不同从几天到几个月不等。通过交联和改变其聚品不同从几天到几个月不等。通过交联和改变其聚集状态是控制其降解速度的重要手段。集状态是控制其降解速度的重要手段。2022-7-5材料甲壳素与壳聚糖甲壳素与壳聚糖 甲壳素是一种的线性多糖。昆虫壳皮、虾蟹甲壳素是一种的线性多糖。昆虫壳皮、虾蟹壳中均含有丰富的甲壳素。壳聚糖为甲壳素的脱乙壳中均含有丰富的甲壳素。壳聚糖为甲壳素的脱乙酰衍生物，由甲壳素在酰衍生物，由甲壳素在4050浓度的氢氧化钠浓度的氢氧化钠水溶液中水溶液中110120下水解下水解24h得到。得到。 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

46、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缝合。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，甲壳素手术缝合线线。在兔体内试验观察，甲壳素手术缝合线4个月可以完全个月可以完全吸收。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，因此是一种良好的具有减轻疼痛和促进表皮形成的作用，因此是一种良好的人造皮肤材料人造皮肤材料。甲壳质缝线2.2.药用高分子材料药用高分子材料高

47、分子化合物主要的三个方面：（1 1）作为控制释放药物的载体。）作为控制释放药物的载体。（2 2）作为药物使用。）作为药物使用。（3 3）作为药物制剂的辅助材料。）作为药物制剂的辅助材料。 特别是采用智能高分子材料，可使药物释放体系特别是采用智能高分子材料，可使药物释放体系 （DDSDDS）智能化。此体系的特点是药物是否需要可由药剂）智能化。此体系的特点是药物是否需要可由药剂本身判断，它可感知疾病引起的化学物质及物理量变化的本身判断，它可感知疾病引起的化学物质及物理量变化的信号，药剂能对信号响应并自主地控制药物的释放。信号，药剂能对信号响应并自主地控制药物的释放。高分子药物高分子药物 1. 高分

48、子骨架本身具有药理活性高分子骨架本身具有药理活性 聚乙烯聚乙烯N-氧吡啶是一种具有氧吡啶是一种具有药理活性药理活性 的高分子，能溶于水的高分子，能溶于水中。注射其水溶液或吸入其烟中。注射其水溶液或吸入其烟雾剂，对于治疗因大量吸入含雾剂，对于治疗因大量吸入含游离二氧化硅粉尘所引起的急游离二氧化硅粉尘所引起的急性和慢性矽肺病有较好效果性和慢性矽肺病有较好效果并有较好的预防效果。并有较好的预防效果。2022-7-5材料 将青霉素与乙烯醇将青霉素与乙烯醇-乙烯胺共聚物以酰胺键相结乙烯胺共聚物以酰胺键相结合，得到水溶性的药物高分子。这种高分子青霉素合，得到水溶性的药物高分子。这种高分子青霉素在人体内停留

49、时间比低分子青霉素长在人体内停留时间比低分子青霉素长30-40倍倍。高分子载载体药药物2022-7-5材料高分子药药物缓释缓释材料 药物控制释放目的：药物控制释放目的： 使药物以最小的剂量在特定部位产生疗效；使药物以最小的剂量在特定部位产生疗效； 优化药物释放速率以提高疗效，降低毒副作用；优化药物释放速率以提高疗效，降低毒副作用； 口服缓释制剂：新康泰克口服缓释制剂：新康泰克2022-7-5材料纳纳米树树形高分子（纳纳米在药药物输运输运中的应应用）作为药为药物载载体的树状树状高分子 把树树形高分子设计设计得只在适当当的触发触发分子存在的情况况下自动动地膨胀并释胀并释放出药药物 使定制的树树形高分子恰好在需要治疗疗的组织组织或器官内释内释放出其运载运载的药药物。 生物医