生物医用功能纤维的发展状况省公开课一等奖全国示范课微课金奖课件

生物医用功效纤维材料发展概况王庆瑞(东华大学纤维材料改性国家重点试验室）第1页生物医学领域用各种分离技术医用功效纤维材料

高分子药品与药品纤维第2页一.生物医学领域用各种分离技术

概述

伴随科学技术发展，人们对物质利用深度和广度不停开拓，物质分离和提纯成为了一个主要课题。分离技术类型包含：同种物质按大小和分子量不一样而分离；异种物质按组分不一样而分离；不一样物质状态分离和综合性分离。传统化工过程常见分离方法有筛分、过滤、离心分离、浓缩、蒸馏、蒸发、萃取、重结晶等。不过，对于更高层次分离，如分子或离子尺寸范围分离；生物体组分分离等。采取传统化工分离方法就难以实现，或达不到精度，或极大消耗能源而无实用价值。第3页生物产品特点

生物产品是指在生产过程中某一阶段，应用生化反应制得产品。它包含传统生物技术产品，如用发酵生产有机溶剂、氨基酸、有机酸、抗生素等；当代生物技术产品，如用重组DNA技术生产医疗性多肽和蛋白质。它们与普通化学产品生产不一样，而有其本身特点。

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●产物普通为浓度很低水溶液大多数生化反应都以水为溶剂●培养液是多组分混合物

●稳定性差●对最终产品质量要求很高第5页生物医学制品纯化过程各种生物医学制品因本身性能和产品用途不一样，其纯化过程互有差异。普通而言，按生产次序可分为以下四个步骤，如图所表示。第6页●发酵液预处理与不溶物去除因技术和经济原因，通常采取过滤和离心分离法。为加速不溶物分离，可同时使用絮凝和凝聚技术；为降低过滤介质阻力还可采取错流膜过滤技术。●产物提取亦称初步纯化，可采取吸附、萃取、沉淀或超滤等技术。依据产品质量要求，可采取其中一单元操作，或多级加工程序。●产物精制图中所列单元操作对产物有高度选择性，需依据杂质性能选择其中一相或多相加工程序。●成品加工可依据产品最终用途和要求，决定成品加工方法。第7页纯化过程发展动向

下列图列出了各种单元操作当前技术成熟程度与工业应用度之间近似关系。由图可知，传统吸收与精馏过程，即使其技术成熟程度和工业应用度都很高，但仍有深入提升和改进必要，因为它们属于量大面广技术，它们提升和改进，将给生产带来极为可观经济效益；处于曲线中部一些单元操作，如结晶、萃取、离子交换、吸附等，属于快速发展中分离技术，尚需深入提升其理论深度、并扩展其应用广度，其中萃取技术从用于核燃料提取、分离和纯化开始，扩展到生物产品分离和纯化过程，同时又得到了发展，并派生出双水相萃取、反胶束萃取、超临界萃取等。

第8页1-精馏；2-吸收；3-结晶；4-溶剂萃取；5-萃取（共沸）精馏；6-离子交换；7-吸附（气固）；8-膜（液相进料）；9-吸附（液固）；10-膜（气相进料）；11-色谱分离法；12-超临界萃取；13-液膜；14-场致分离；15-亲和分离第9页当前生物医学产品纯化过程新趋向是各种分离、纯化技术相结合，也包含新、老技术相互交叉、渗透与融合，形成所谓融合技术，或称子代技术，如膜分离与亲和酸基相结合，形成了亲和膜分离过程；膜分离与离心分离相结合，形成了膜离心分离过程等。生物技术下游工程与上游工程相结合，如发酵与分离耦合过程研究也是当今生物化学工程研究热点之一。其优点是解除终产物反馈抑制效应，提升转化率。还可简化产物提取过程，缩短生产周期，增加产率，收到一举多得效果。第10页膜分离技术

膜广泛地存在于自然界，起着分隔、分离、选择性透过等主要功效。膜分离技术是指用半透膜作为选择性障碍层，凭借外部能量或化学位差，使混合体系中一些组分透过，而保留其它组分，从而到达分级、分离、提纯、富集等目标技术总称。这里所指膜（Membrane）应与普通薄膜（Film）相区分；薄膜主要功效是起着隔离和保护作用，如农用地膜、包装薄膜等；而膜是指位于一个流体相内、或两种流体相间一层薄凝聚相部分，并能使这两部分之间产生传质作用。膜既能够是固态，也能够是液态，甚至是气态。

第11页膜分离技术既能使混合流体按组份不一样而分离，又能对流体进行净化和浓缩。它因含有以下优点而受到重视和蓬勃发展:分离时没有相态改变，故无须加热，也无需加入其它试剂，所以能耗降低，而且不产生二次污染；设备结构简单，操作方便，占地面积小，成本低，有利于实施连续化生产和自动控制；能够使一些按传统方法难以分离物质，如共沸物，热敏性物质，或化学稳定性差物质以及生物制品等得以实现分离。膜选择分离性和通透性除与膜材料和被处理溶液性能相关外，还与膜上微孔孔径、连通性和孔隙率等原因亲密相关。传统制膜方法是在成膜原液或熔体中加入水溶性致孔剂，成膜后再用水把膜中水溶性物质萃取而去除，其在膜中所处地位即成为孔洞，控制致孔剂使用量和分子量，能控制膜孔隙率和孔尺寸。第12页中空纤维膜横截面结构如图1，其部分截面图如图1~3所表示图1中空纤维横截面图2中空纤维膜指状支撑层结构第13页图3中空纤维膜图4中空纤维膜双针指状层结构海绵状支撑层结构膜表面为致密层；中间为支撑层，支撑层还有指状（图2）、针状（图3）、海绵状（图4）之分；致密层和支撑层之间为过渡层，过渡微孔孔径呈分散状，靠表面微孔较小，越向里层孔径越大。可经过调整铸膜工艺而调整孔大小及分布。第14页除中空纤维膜外，还有平板膜、卷式膜、管式膜、褶叠膜等各种型式。各种型式膜都有其特点，可依据分离需要而选择。经典膜过程有:气体分离、反渗透、离子交换、透析、电渗析、超滤、微过滤和渗透蒸发等。第15页二.医用功效纤维材料

概述

许多科学工作者正致力于生命奥秘探索，主要集中在：生物组织结构；结构与器官功效关系；生物器官设计和研制等三方面。对医用材料要求：首先，要有医疗功效，还必须强调安全性。外用医疗材料与肌体接触时间短，要求稍低，而与血液直接接触或植入体内材料则要求较高，即要有良好生物相容性。全部医用材料应满足以下基本要求：

第16页（1）聚合物纯度高；（2）化学性能不活泼；（3）无毒，不引发肿瘤或过敏反应，没有异物反应；（4）稳定物理化学性能和良好力学性能；（5）优良生物相容性；（6）能经受必要消毒处理；（7）易加工成必须复杂形状。第17页医用软组织材料●高吸水性纤维材料

高吸水性材料是一个含有强吸水性基团并存在一定交联度高分子材料。吸水能力高达本身重量500-2500倍，甚至高达5000倍。类型：淀粉类、纤维素类、聚丙烯酸类、聚丙烯腈水解物，醋酸乙烯酯共聚物，改性聚乙烯醇。●医用缝合线

非吸收性：蚕丝、银丝、聚酰胺、聚乙烯、聚酯等。吸收性：骨胶原、肠线、甲壳素、聚羟基乙酸、乙交酯-丙交酯共聚物、聚乙二醇酸三元共聚物等。●放射性纤维。

●食用保健纤维．

第18页●人造皮肤

作用：预防水分和体液挥发或流失；预防细菌感染；使肉芽或上皮生长；促进伤口愈合。要求：柔软、优良弹性、紧贴创面；透湿、透气、抗菌；无刺激作用；能促进新皮长出；可进行灭菌处理。●人造血管

●医用富氧器：把空气中氧富集至40%或以上。

●神经通道．

●水果保鲜系统：使周围气氛含O23%，CO25%，N292%。●抗菌防臭纤维

●麻醉性纤维

第19页人工脏器●人工肾血液透析器

因肾脏器质性病变、事故、中毒等原因，使肾功效衰竭而造成新陈代谢物质在体内沉积、从而引发尿毒症。人工肾主要利用透析作用，代替肾脏功效以去除人体中代谢废物，如尿素、尿酸和肌肝酸等。人工肾主要有血液透析、血液过滤、血液透析过滤等三种类型，其中以人工肾血液透析器应用最多。人工肾透析器流程示意如图

第20页第21页●人工肝透析器

肝脏是担负各种功效主要器官，也是人体中主要滤除毒素器官。肝脏可因服药过量、过敏、急性肝炎等各种原因引发中毒而受损，从而失去解毒功效。因血液中有害物质浓度提升引发神经症状、昏睡，最终造成死亡。人工肝主要采取吸附方法和透析方法，前者因存在各种缺点，当前已放弃使用。透析方法正在发展中。

第22页●肝腹水超滤浓缩器肝腹水是一个常见疾病，临床上通常采取定时排除病人体内腹水以缓解病情，但同时必须给病人回输蛋白。腹水浓缩器是把病人体内腹水进行浓缩，除去水及对人体无用物质，并将其中蛋白回输给病人新技术。有时，患者肝硬变和肝癌合并发生，在进行腹水浓缩前应首先除去癌细胞和细菌，然后再排除水及低分子废液。第23页●血液浓缩器

在体外循环心内直视手术中广泛应用血液稀释方法，以降低血球破坏，降低末梢阻力。血液稀释能引发脏器水肿，细胞外液增加，影响心肺功效恢复。使用血液浓缩器排除多出水分是当前采取最主要方法。●人工肺

人工肺主要用于胸腔外科手术以及呼吸不良者辅助治疗。原有使用气泡式人工肺已被膜式人工肺所取代。第24页●混合型人工脏器

人工脏器发展已逐步进入混合型，即从单功效走向多功效。如把酶和生物细胞固定在高分子材料上以制取有生物活性人工脏器。在人工肝膜外侧固定蛋白酶，合成白蛋白可经过膜而进入血液中。在人工肾固定脲酶、谷氨酸脱氢酶、葡萄糖脱氢酶等，血液中代谢产物尿素在酶催化下转化成氨，并在酶促下转化成谷氨酸，使混合型人工肾有更高级功效。第25页三.高分子药品与药品纤维

高分子药品

传统低分子药品因易被吸收，又易于排泄而缺乏持久性；药品在体内分布广而缺乏选择性。近年来研制高分子药品基本上能克服上述缺点。当前主要研究方向为：药品控制释放；药品持久释放；药品主要集中在特定部位（病灶）。类型：有药品活性高分子；高分子载体药品；低分子药品包埋于高聚物膜中。高分子物质释放和送达体系：高分子药品进入身体后，以适当浓度、连续时间、导向并集聚到患病器官、脏器或细胞部位，以充分发挥药品疗效。

第26页高分子药品释放体系可分为：

(1)时间控制释放体系：零级释放；脉冲释放(2)部位控制送达体系(3)智能型药品送达体系：使药品在所定部位、所定时间、以所定剂量释放。第27页药品纤维

以纺织品作为药品载体已经有久远历史。如由古代香囊、香袋发展而来安眠药枕、神功元气袋之类保健用具；又如由药膏发展而来伤湿止痛膏、十香暖脐膏等。药品纤维主要利用纤维含有最大表面积，有利于药品释放；纺织品与人类生活