生物医用敏感材料

生物医用敏感材料生物医用敏感材料第1页

生物医用敏感材料与功效材料和敏感材料关系

功效材料

敏感材料生物医用敏感材料生物医用敏感材料第2页生物医用敏感材料要求：良好生物相容性极高灵敏度稳定性、可靠性使用寿命长生物医用敏感材料第3页生物医用敏感材料分类：（1）按生物医用敏感材料理化属性，

无机非金属敏感材料

金属敏感材料

有机高分子敏感材料（pH、温度、离子强度等敏感）

生物医用复合敏感材料生物陶瓷生物玻璃生物玻璃陶瓷生物医用敏感材料第4页（2）按生物医用敏感材料用途分，

治疗用敏感材料

诊疗用敏感材料本身能感知外界环境细微改变，并能产生对应物理结构和化学性质改变甚至突变。集感知、驱动和信息处理于一体，形成类似生物材料那样含有智能属性高分子材料如检测人体深部位体温温度计中热敏电阻。传感器性能好坏主要取决于敏感材料性能优劣。生物医用敏感材料第5页6.2治疗用生物医用敏感材料

智能型高分子凝胶形状记忆材料物理刺激响应化学刺激响应形状记忆高分子材料形状记忆合金生物医用敏感材料第6页一、智能高分子水凝胶三维高分子网络与溶剂组成体系含有亲溶剂性基团，可被溶剂溶胀最大特点:体积相转变生物医用敏感材料第7页智能高分子水凝胶体积相转变

内因：范德华力、氢键、疏水作用及静电作用力相互组合和竞争溶胀相收缩相外界环境因子改变体积不连续改变生物医用敏感材料第8页

智能高分子水凝胶制备起始原料：

单体(水溶或油溶单体)

聚合物(天然或合成聚合物)

单体和聚合物混合物两个前提:

主链或侧链上带有大量亲水基团适当交联网络结构制备方法：

单体交联聚合

接枝共聚

其它交联或转化等化学引发剂辐射技术引发单体自由基均聚或共聚智能凝胶烯烃类单体共价连接天然高分子（淀粉纤维素）及衍生物生物医用敏感材料第9页

智能高分子凝胶刺激响应性与分类pH响应性凝胶生化响应性凝胶盐敏凝胶温度响应性凝胶光响应性凝胶压力敏感性凝胶电场响应性凝胶刺激响应性物理刺激化学刺激温度光压力电场pH生化盐

化学、相分离、形状、表面、渗透性、机械强度光、电刺激响应分类生物医用敏感材料第10页（一）温度响应性凝胶响应机制：凝胶结构中含有一定百分比疏水和亲水基团，温度改变可影响这些基团疏水作用以及大分子间氢键作用，使得凝胶大分子链构象因响应温度刺激而伸展或卷曲，从而使凝胶体积膨胀或收缩。生物医用敏感材料第11页聚烷基丙烯酰胺类凝胶聚异丙基丙烯酰胺（PNIPAm）凝胶：poly(N-isopropylacrylamide)生物医用敏感材料第12页低临界溶解温度(Lowercriticalsolutiontemperature,LCST)表示在水溶液环境中造成不溶解－NCH(CH3)2基团间疏水相互作用和保持聚合物溶液中水与－NH或－C=O间氢键相互平衡。温度低于LCST时溶胀，高于LCST时收缩。PNIPAmLCST:32C生物医用敏感材料第13页水溶性药品，当温度达体温(37°C)（>LCST）时网络收缩挤掉内部水，药品随之释放。疏水性药品，在温度高于LCST时固定于聚合物网络中，温度低于LCST时则以Fickian扩散形式释放出来。用PNIPAm类水凝胶可实现脉冲药品释放(ON/OFF释放)，可望用于口服、植入或透皮药品释放体系。

线性PNIPAm接枝到已交联水凝胶上可显著增加凝胶收缩速率PNIPAm疏水成核作用生物医用敏感材料第14页N－取代基疏水性对凝胶温度刺激响应影响：取代基疏水性越强，凝胶在体积相转变温度处产生体积改变越大，温度响应越显著，且相变温度越低。疏水性增大生物医用敏感材料第15页聚异丙基丙烯酰胺-共－聚甲基丙烯酸丁酯（PNIPAm-co-PBMA）凝胶温度在20～30C交替改变时，凝胶体系可开关式地控制药品释放。LCST:25C在PBS中，吲哚美辛在PNIPAAm-co-PBMA体系随温度脉冲释放体内应用时希望LCST低于生理温度。降低LCST方法？生物医用敏感材料第16页2.温度响应性凝胶接枝到多孔药品胶囊表面，利用聚合物响应过程中链收缩与伸展来阻塞或开放胶囊微孔，到达控制胶囊包封药品释放。温度响应性渗透控制阀式给药系统。生物医用敏感材料第17页温敏凝胶在免疫隔离膜上应用代谢型组织工程中常将产生细胞因子和激素细胞以水凝胶固定化，此水凝胶膜材起免疫隔离作用，它半渗透性仅允许细胞营养物、代谢物及所产生细胞因子和激素通透，而截留抗体、补体和免疫细胞而起免疫隔离作用。P(NIPAm-co-5%AA)凝胶填充人工胰脏示意图人工胰脏能保持胰岛素合成达1个月．此3维培养环境适应贴壁组织培养，在细胞活性降低时利用溶胶－凝胶转变能实现细胞移出，以新种了细胞再种植生物医用敏感材料第18页（二）pH响应性凝胶机理：这类凝胶中含有大量水解或质子化酸、碱基团，如羧基或氨基，这些基团解离受外界pH影响：（1）pH改变时，解离程度改变，造成凝胶内外离子强度改变；（2）解离还会破坏凝胶内氢键，交联点降低，造成网络结构发生改变，引发溶胀。相体积转变可逆

生物医用敏感材料第19页2.甲基丙烯酸烷酯（n-AMA）和二甲基氨乙基丙烯酸酯（DMA）交联凝胶

低pH环境，叔胺质子化，凝胶溶胀；高pH环境，叔胺失去质子，凝胶收缩。凝胶中AMA疏水性对凝胶pH刺激响应性有影响生物医用敏感材料第20页不一样共聚组成比MMA-DMA凝胶随pH改变等温线：MMA含量增加生物医用敏感材料第21页3.聚环氧乙烷与聚丙烯酸互穿网络响应性凝胶

聚环氧乙烷与聚丙烯酸之间形成氢键。高pH环境，羧基电离成羧基负离子，静电相斥，凝胶溶胀；低pH环境，羧基不电离，氢键稳定，凝胶收缩。4.聚丙烯酸－聚乙烯亚胺共聚物聚丙烯酸羧基对pH敏感，pH，凝胶网络溶胀。

生物医用敏感材料第22页pH响应性聚合物接枝到多孔药品胶囊表面，利用聚合物pH响应过程中链收缩与伸展来阻塞或开放胶囊微孔，到达控制胶囊包封药品释放。例：在多孔尼龙胶囊表面接枝聚乙烯吡啶(PVP)或聚甲基丙烯酸（PMA）等pH敏感聚合物链，组成了pH响应性渗透控制阀式给药系统。生物医用敏感材料第23页

接枝尼龙胶囊表面渗透控制机理NaCl应用：①肿瘤化疗②肠溶片生物医用敏感材料第24页25C,NaCl随胶囊外pH改变渗透率改变（胶囊交替地浸到pH=2或pH=12水溶液中）。未接枝接枝PVP接枝PMA生物医用敏感材料第25页5.pH响应性胶原

胶原是一类动物蛋白，在等电点以下氨基电离，在等电点以上羧基电离，改变pH值可改变其电离度，大分子链荷电性改变必定影响分子链舒展程度，造成宏观溶胀度改变。也就是说，胶原蛋白在酸性条件下为聚阳离子，而在碱性条件下为聚阴离子，故而胶原溶胀性对PH改变含有一定响应性．因而，它是一个很有希望智能型药品释放材料。生物医用敏感材料第26页（三）化学刺激响应系统释放机理刺激响应脉冲释放体系中敏感材料（响应性凝胶）对某一特定化学物质尤其敏感，其物理结构和化学性质随该物质含量多少而改变，从而到达释放药品目标。生物医用敏感材料第27页对葡萄糖响应胰岛素给药系统感知葡萄糖浓度竞争结合、释放药品患者血糖浓度维持正常水平例1刀豆球蛋白系统生物医用敏感材料第28页例2含苯硼酸基团聚合物凝胶微球PBA凝胶中与糖基结合胰岛素释放机制生物医用敏感材料第29页PBA凝胶中糖基胰岛素脉冲释放生物医用敏感材料第30页例3P(MAA-g-EG)responsivehydrogelChem.Soc.Rev.,,34,276–285H+浓度敏感生物医用敏感材料第31页（四）光响应性凝胶

由热敏性材料中引入对光敏感基团制成。响应性机理(3种)：热敏性材料中特殊感光分子，将光能转化为热能，使材料局部温度升高，当凝胶内部温度到达热敏性材料相转变温度时，则凝胶产生响应。例：Suzuki和Tanaka合成聚异丙基丙烯酰胺(PNIPAm)与叶绿酸(chlorophyllin)共聚凝胶，吸光后快速将光能转变为热能，使局部温度升高，从而造成局部体积改变。当温度控制在PNIPAm相转变温度附近(31.5℃)时，伴随光强连续改变，可使凝胶在某光强处产生不连续体积改变。生物医用敏感材料第32页2.将遇光能够分解感光性化合物添加到高分子凝胶中，在光刺激作用下，凝胶内部将产生大量离子，引发凝胶内部渗透压突变，溶剂由外向内扩散，促使凝胶发生体积相转变，产生光敏效应。生物医用敏感材料第33页3.更为常见方法是在高分子主链或侧链引入感光基团，这些感光基团吸收了一定能量光子之后，就会引发一些电子从基态向激发态跃迁．此时，处于高能激发态分子会经过分子内部或分子间能量转移而发生异构化作用，引发分子构型改变，比如，偶氮苯及其衍生物在紫外光照射下其分子结构会发生顺-反异构改变，由“V”字型反式异构体转变成棒状顺式异构体，不但分子尺寸发生大改变，同时也改变了大分子链间距离，从而造成相转变发生生物医用敏感材料第34页（五）电场响应性凝胶这种水凝胶由聚电解质高分子组成，在直流电场作用下可发生形变，其响应性与溶液中自由离子在直流电场作用下定向移动相关。自由离子定向移动会造成：（1）凝胶内外离子浓度不均，产生渗透压改变引发凝胶变形。（2）凝胶中不一样部位pH不一样，从而影响凝胶中聚电解质电离状态，使凝胶结构发生改变，造成凝胶形变。（如，PAA+PVA共混凝胶在Na2CO3溶液中向负极弯曲）

生物医用敏感材料第35页（六）其它响应体系:微波控制抗癌药品（胺甲嘌呤）释放以降解性聚N(3-羟丙基-L-谷氨酰胺)与药品键合，并注入癌变部位，用350MHz微波照射注射在癌变部位药品使其释放。生物医用敏感材料第36页磁场响应性凝胶

包埋有磁性材料高吸水性凝胶称为磁场响应性凝胶。当把铁磁性“种子”材料预埋在凝胶中并置于磁场时，铁磁材料被加热而使凝胶局部温度上升，造成凝胶膨胀或收缩，撤掉磁场，凝胶冷却恢复至原来大小。这种方法可用于植入型药品释放体系，由电源和线圈组成手表大小装置产生磁场，使凝胶收缩而释放一定剂量药品。比如：Langer开发了包埋有磁环乙烯醋酸二烯酯共聚物胰岛素释放体系，施加振动磁场则胰岛素呈脉冲释放。生物医用敏感材料第37页总之，高分子凝胶智能化表现在以下几方面。当外部环境pH、离子强度、温度、电场以及环境中所含有其它化学物质发生改变时，高分子凝胶即展现出“刺激-应答”状态。比如在高分子凝胶中出现相转变，表现为网络网孔增大、网络失去弹性、网络体积急剧改变（可改变几百倍之多），甚至在三维网络结构中不再存在凝胶相。而且这些改变是可逆和不连续。

生物医用敏感材料第38页

上述这些改变使高分子凝胶体积既能够发生溶胀，又能够收缩，利用这种性质设计出一个装置，它含有肌肉功效，这种人造肌肉制成机械手类似于智能机器人手，能够拿东西。生物医用敏感材料第39页（一）形状记忆合金二、形状记忆医用材料生物医用敏感材料第40页（二）形状记忆聚合物（Shapememorypolymer,SMP）

SMP是指对已经赋形高聚物在一定条件下（如加热、光照、改变酸碱度、磁场等）实施变形，将这种变形状态保留下来；当聚合物再进行加热、光照或者改变酸碱度等刺激时候，聚合物又能够恢复到其原来赋形状态生物医用敏感材料第41页Timeseriesphotographsthatshowtherecoveryofashape-memorytube.(a)-(f)Starttofinishoftheprocesstakesatotalof10sat50°C.Thetubewasmadeofapoly(ε-caprolactone)dimethacrylatepolymernetwork(theMnofthenetwork’sswitchingsegmentswas104gmol-1)thathadbeenprogrammedtoformaflathelix.生物医用敏感材料第42页

形状记忆材料循环热机械试验Rr

反应材料能够记忆其原始形状能力,而Rf

则表示材料能够固定某一瞬间形变能力。生物医用敏感材料第43页

与形状记忆含金相比，形状记忆聚合物含有以下优点：质量轻，成本低、形状记忆温度可调，易着色，形变量大、赋形轻易等特点。生物医用敏感材料第44页这类高分子普通可看作二相结构,即由记忆起始形状固定相和随温度改变可逆地固定与软化可逆相组成。可逆相为物理交联结构,如Tm较低结晶态,Tg较低玻璃态,而固定相可分为物理交联结构和化学交联结构。以物理交联结构(即Tm或Tg较高一相在较低温时形成分子缠绕)为固定相形状记忆高分子材料称为热塑性形状记忆高分子,以化学交联结构为固定相形状记忆高分子称为热固性形状记忆高分子生物医用敏感材料第45页形状记忆聚合物基础结构特征：实质上，形状记忆聚合物是一个聚合物网络结构。形状记忆聚合物网络中包含两种功效结构，一个为负责触发形状记忆效果结构，被称作开关结构，另一个为负责记忆聚合物原始形状结构，称为固定结构。生物医用敏感材料第46页形状记忆聚合物网络结构中开关结构能够是结晶或非晶分子链或链段，其玻璃化转变温度或熔融转变温度(Ttrans)作为形状记忆聚合物开关温度(Ts)，也有文件称其为形状回复温度。固定结构能够是作为化学交联化学键，也能够是作为物理交联结晶或非晶微区结构，或是分子链缠结。微区结构作为物理交联时其热转变温度Tperm必须大于Ts

。生物医用敏感材料第47页依据固定结构不一样类型，能够把形状记忆聚合物分为以化学交联为固定结构型和以物理交联为固定结构型，并将其简称为化学交联型和物理交联型形状记忆聚合物。生物医用敏感材料第48页化学交联型形状记忆聚合物中，作为固定结构化学交联键将分子链连接起来，并形成交联网络结构，固定结构为化学交联键，开关结构为聚合物网链。生物医用敏感材料第49页Molecularmechanismofthethermallyinducedshape-memoryeffect.Ttrans=thermaltransitiontemperaturerelatedtotheswitchingphase.Tm=Ttras生物医用敏感材料第50页在化学交联型形状记忆聚合物中，交联网络熔点或玻璃化转变温度为形状记忆聚合物开关温度，如形状记忆交联聚乙烯(即热收缩聚乙烯)熔点为其开关温度，而形状记忆环氧树脂玻璃化转变温度为开关温度。化学交联型形状记忆聚合物网链类型、网链长短、交联密度等结构原因决定其热性能、机械性能和形状记忆性能。生物医用敏感材料第51页

物理交联型形状记忆聚合物固定结构为相分离造成微区结构或分子链缠结形成物理交联点。经典、以微区结构为物理交联形状记忆聚合物为嵌段共聚形状记忆聚合物。线形嵌段形状记忆聚合物，如PU、PET-PEO等PU生物医用敏感材料第52页线形嵌段聚合物形状记忆机理示意图嵌段共聚形状记忆聚合物中，软段相作为开关结构（回复相）而硬段富集相作为固定结构（固定相）。回复相既能够是无定形相也能够是结晶相，其玻璃化转变温度或熔融转变温度作为形状记忆效应开关温度。回复相热转变温度小于固定相热转变温度。生物医用敏感材料第53页含有相分离结构接枝共聚物，如聚乙烯－聚己内酰胺接技共聚物在此接枝共聚形状记忆聚合物中，聚己内酰胺熔点为220℃左右，聚己内酰胺微区作为固定相分散在聚乙烯基体中。聚乙烯作为回复相，其熔点120℃左右，这一温度作为聚乙烯－聚己内酰胺接枝共聚物形状记忆开关温度。接枝共聚形状记忆聚合物A:聚乙烯，B:聚己内酰胺生物医用敏感材料第54页

另外一个物理交联型形状记忆聚合物是以分子链缠结为固定结构形状记忆聚合物。这类形状记亿聚合物特点是高分子量，这使得聚合物内部存在大范围物理缠结。在聚合物形变过程中，这些缠结能够阻止分子链相互滑移，起到固定结构作用。以分子链缠结为固定结构形状记忆聚合物生物医用敏感材料第55页聚降冰片烯为这种形状记忆聚合物代表，其分子量高达300万，远高于普通塑料。聚降冰片烯形状记忆开关温度为其玻璃化转变温度35～45℃。生物医用敏感材料第56页形状记忆过程Ttras=Tg;开关结构为结晶相，固定相为物理交联点生物医用敏感材料第57页Ttras=Tm;开关结构为结晶相，固定相为物理交联点生物医用敏感材料第58页生物医用敏感材料第59页形状记忆材料应用矫形外固定骨折绷带癌症放射治疗时定位生物医用敏感材料第60页热致形状记忆高分子应用医疗器材-固定创伤部位器材医疗器材-手术缝合线生物医用敏感材料第61页异径管接合材料---热收缩管生物医用敏感材料第62页●包装材料

●变形物复原，如紧固铆钉等生物医用敏感材料第63页6.3诊疗用敏感材料1.生物医用无机非金属敏感材料（1）生物医用无机热敏材料热敏电阻陶瓷：负温度系数NTC热敏陶瓷正温度系数PTC热敏陶瓷临界温度热敏陶瓷（CTR）线性阻温特征热敏陶瓷(线性NTC/PTC)生物医用敏感材料第64页几个经典热敏电阻陶瓷及金属温度特征示意图。1－Pt丝，2－NTC，3－CTR，4－PTC，5－线性PTC，6－线性NTC生物医用敏感材料第65页负温度系数NTC热敏陶瓷：测量人体深部体温及血、尿中参数浓度氧化物陶瓷正温度系数PTC热敏陶瓷：开关型或缓变型热敏电阻陶瓷、测量电流