生物医用高分子材料

1、第9章，医用高分子材料，1。生物医学材料的定义，可以诊断、治疗和替换受损的组织和器官或改善其功能。9.1概述，根据材料来源，(1)医用金属和合金。主要用于修复和替换硬组织，如承重骨、关节和牙齿。不锈钢、钴基合金、钛和钛合金是目前医用合金的三大支柱。医用合金包括钽、铌和贵金属。(2)医用高分子生物材料。高分子化合物是构成人体大多数组织和器官的物质。医用高分子生物材料包括合成聚合物(如聚酯和硅橡胶)和天然聚合物(如胶原和甲壳质)。近年来，生物可降解高分子材料受到了广泛关注。(3)医用生物陶瓷。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)。(4)医用生物陶瓷。如羟基磷灰石涂层

2、钛合金、碳纤维或生物活性玻璃纤维增强聚乳酸等高分子材料。(5)生物衍生材料。这种材料是通过处理和修饰活性生物组织获得的非活性生物材料，包括自体和同种异体组织。生物医学材料的分类，生物衍生材料，来自患者自身组织，如：用自己的隐静脉作为冠状动脉旁路移植术的血管替代物来自他人的相同组织，如：用他人的角膜治疗患者的角膜疾病来自其他动物的异种组织，如：用猪的心脏瓣膜代替人的心脏瓣膜，治疗心脏病等。聚四氟乙烯，人工关节，例如：德国制造的UHMWPE材料，可用作人工关节和植入人体的人工骨，能耗极低，人工心脏瓣膜，修复组织工程人工骨缺损示意图，三。生物医学聚合物材料、分类用途的制剂、按用途分类、外科治疗用聚合

3、物材料的缝合、粘合剂、止血剂、各种导管、引流管、一次性输血设备、靶向聚合物载体(肝靶向和肿瘤靶向)、聚合物药物(干扰素、降低胆汁敏感性)、聚合物控释载体(胶囊、水凝胶、脂质体)、人造器官或组织、人造皮肤、血管、骨骼、关节、肠、心脏、肾脏等。1。生物医用高分子材料的分类和制备化学家合成原料并测试各种物理和化学指标。生物学家测试材料的生物毒性和生物相容性。医生做临床动物试验。化学工程师为临床应用制造生物医学高分子材料。化学家迈出了第一步。生物医用材料市场发展，全球生物医用材料市场。中国生物医用材料的生物医用工程产业市场增长率高达28%(全球市场增长率为20%)，居世界第一。中国人工关节置换的年增长

4、率高达30%，远高于美国的4%。来自中国科技部、中国生物医用材料市场的数据显示，每年有775万肢体残疾患者和300万新骨损伤患者，每年有2000万需要大量骨修复材料的心血管患者需要24万套人工心脏瓣膜和肾功能衰竭。3.高分子生物材料赛璐珞膜用于血液透析的历史始于1943年。1949年，美国首次发表了一篇关于医用聚合物的前瞻性论文。本文首次介绍了聚甲基丙烯酸甲酯作为人体颅骨、关节和股骨的临床应用，以及聚酰胺纤维作为外科缝合线的临床应用。20世纪50年代，有机硅聚合物被应用于医疗领域，极大地拓展了人工器官的应用范围，包括器官替代和美容手术。20世纪50年代，大量人工器官投入临床使用。如人工尿道(1

5、950)、人工血管(1951)、人工食管(1951)、人工心脏瓣膜(1952)、人工心肺(1953)、人工关节(1954)、人工肝(1958)等。20世纪60年代，医用高分子材料开始进入一个新的发展时期。在20世纪60年代，生物可降解聚合物，如聚乳酸(PLA)、1970-80年代的隐形眼镜和1990年代的药物控制释放，占生物医学材料的一半以上。虽然高分子材料不是万能的，但不可能指望它们解决所有的医学问题，但是通过分子设计，已经合成了具有生物医学功能的理想医用高分子材料。预计在21世纪，医用高分子将进入一个新的时代。除了大脑，人体的所有部分和器官都可以被聚合物材料代替。仿生人将比想象中更快地来到

6、这个世界。(生物医学聚合物要求)基本要求安全生物相容性/生物稳定性/生物降解性无菌性，4。医用聚合物材料的要求，生物医用聚合物的要求根据具体应用的其他要求加工成型性机械成型性机械性能和稳定性机械性能环境敏感性、环境敏感性、表面性能和结构多孔性、表面性能/多孔性、亲水性和疏水性、水抑制性，不会致癌。根据现代医学理论，人类致癌的原因是正常细胞的突变。当这些突变细胞以极快的速度生长和扩散时，癌症就形成了。导致细胞变异的因素很多，包括化学因素、物理因素和病毒。当聚合物材料用于植入人体的人造器官时，它们必须与体内的血液长时间接触。因此，应用的聚合物与血液的相容性是所有性能中最重要的。通常，当人体表皮受损

7、时，流出的血液会自动凝结，这就是所谓的血栓。血液相容性是指材料在体内与血液接触后不会凝结和溶血，也不会形成血栓。事实上，当受到以下因素的影响时，可能会发生血栓形成：血管壁的特征和状态的变化；血液的性质发生变化；血液流动状态发生变化。良好的组织相容性一些高分子材料对人体有害，不能用作医用材料。然而，一些聚合物材料对人体组织没有不利影响，但是一些单体将不可避免地保留下来，或者在合成和加工过程中使用一些添加剂。这些材料植入人体后，这些单体和添加剂将从内部慢慢迁移到表面，从而作用于周围组织，引起炎症或组织变形，并严重引起全身反应。无菌：聚合物材料在植入人体之前必须经过严格的消毒。目前，一般有三种灭菌方

8、法：蒸汽灭菌、化学灭菌和射线灭菌。前两种方法在中国使用最多。因此，在选择材料时，我们应该考虑我们是否能容忍它们。能承受必要的清洗和消毒措施而不变性，机械强度，表9-1高分子材料在狗体内的机械稳定性，5。材料界面性质与血液相容性之间的关系，材料界面性质与血液界面性质之间的差异可能导致吸附改变蛋白质的形状和排列，产生溶血、凝血或血栓的改进措施强亲水或强疏水表面引入生物相容性物质(肝素、白蛋白等)。)进入具有亲水性或疏水性微相分离的聚合物表面，引入负离子(血液中的许多成分为负)产生假内膜，聚合物材料表面的亲水性/疏水性得到改善，疏水性强：对血液成分的吸附能力小，因此血液相容性好，例如聚四氟乙烯具有很

9、强的亲水性，这种亲水性接近血液吸水后的表面性能，并降低了对蛋白质的吸附。例如，向凝血酶溶液中添加聚环氧乙烷(一种非常重要的抗凝血材料)可以防止凝血酶吸附玻璃。接枝改性可以调节高分子材料表面分子结构中亲水基团与疏水基团的比例达到最佳值，也是提高材料血液相容性的有效方法。具有微相分离结构材料的制备研究发现，具有微相分离结构的高分子材料在血液相容性方面起着重要作用。它们基本上是嵌段共聚物和接枝共聚物。其中，聚氨酯嵌段共聚物，即由软链段和硬链段组成的多嵌段共聚物，其中软链段一般是聚醚、聚丁二烯、聚二甲基硅氧烷等。形成连续相；硬段含有脲基和氨基甲酸酯基形成分散相。美国Ethicon公司推荐的四种医用聚醚

10、氨酯：Biomer、Pellethane、Tecoflex和Cardiothane基本属于这种聚合物。原因是亲水性和疏水性蛋白质在不同的微相区间被吸附，不能激活血小板表面的糖蛋白，也不能显示血小板的特异性识别功能。高分子材料肝素化肝素是一种硫酸化多糖(见下式)，含有-SO3-、-COO-和-NHSO3-等官能团。它是已知最早的天然抗凝血产品之一。在高分子材料表面接枝肝素是改变高分子材料抗凝血性能的重要途径。在高分子材料结构中引入肝素后，肝素在使用过程中缓慢释放，可明显提高抗血栓形成性能。人工合成的类肝素共聚物也具有良好的抗凝血功能。使材料表面带负电荷的基团，例如，在将芝加哥酸(1-氨基-8-萘

11、酚-2，4-萘二磺酸酯)(见下式)引入聚合物表面后，可以降低血小板在聚合物表面上的粘附性，并且可以提高抗怀疑性。材料表面的假内膜研究发现，大多数高分子材料的表面容易沉积纤维蛋白和凝血。如果某些聚合物的表面被有意制成纤维状态，当血液流过该粗糙表面时，稳定的凝血血栓膜迅速形成，但它不会膨胀成血栓，然后诱导血管内皮细胞。这相当于在材料表面覆盖一层光滑的生物层假内膜。这种假内膜像人的心脏和血管一样，具有光滑的表面，从而达到永久的抗血栓形成作用。9.2生物惰性医用高分子材料，聚氯乙烯硅酮聚酯聚四氟乙烯聚丙烯高密度聚乙烯聚丙烯酸酯聚氨酯室温固化环氧树脂精制天然橡胶无机聚合物聚磷腈，表9-2人工器官用一些高

12、分子材料，表9-2人工器官用一些高分子材料，生物降解聚合物，脂肪族聚酯，脂肪族聚碳酸酯，聚乳酸，聚2-羟基乙酸，9.3生物降解聚合物，结构与性能合成应用，合成可降解高分子材料，(合成生物降解聚合物)，聚酯聚碳酸酯聚磷酸酯聚酐，聚乳酸， 聚(2-羟基乙酸)，-羟基丙酸，(乳酸二聚体)，应用，外科缝合骨固定材料，组织修复材料，药物控释材料，聚(2-羟基乙酸)，商品名：Dexon，体内降解速度快，用于外科缝合。 适用于伤口愈合2-4周，聚乳酸-乙交酯，天然可降解高分子材料，胶原蛋白，纤维蛋白甲壳素，壳聚糖，淀粉，纤维素，海藻酸钠衍生物，可吸收缝线，药物控释载体，人工皮肤，甲壳素，甲壳素和壳聚糖甲壳素

13、均为线性多糖。甲壳质在昆虫壳、虾和蟹壳中含量丰富。壳聚糖是甲壳素的脱乙酰衍生物，是将甲壳素在40% 50%的氢氧化钠水溶液中于110 120水解2 4h得到的。甲壳质可被人体组织中的溶菌酶分解，并已被用于制造吸收性外科缝合线。它的抗拉强度优于其他类型的手术缝合线。在兔体内，甲壳素缝合线可在4个月内完全吸收。甲壳素还具有促进伤口愈合的作用，可用作伤口敷料。甲壳质膜是一种很好的人工皮肤材料，因为当它用于覆盖创伤或新鲜烧伤的伤口表面时，它能减轻疼痛并促进表皮的形成。胶原蛋白和胶原蛋白是人体组织中最基本的蛋白质物质。到目前为止，已鉴定出13种胶原蛋白，其中、和XI胶体为成纤维细胞。型胶原蛋白是动物体内

14、最丰富的胶原蛋白，已被广泛应用于生物医学材料和生化试剂中。牛和猪的肌腱、皮肤和骨头是胶原蛋白生产的主要原料。不同物种和身体组织制备的胶原蛋白差别不大。最基本的胶原蛋白结构是由三条分子量约为1105的肽链组成的三股螺旋绳结构，直径约为1 1.5纳米，长度约为300纳米。每个肽链都有一个左旋螺旋二级结构。胶原分子两端有两个小的短链肽，称为末端肽，不参与三螺旋绳结构。证明末端肽是免疫原性识别点，可以通过酶水解去除。没有末端肽的胶原称为不完全胶原，可用作生物医学材料。胶原蛋白可用于制作止血海绵、伤口佐剂、人造皮肤、手术缝合线、组织工程基质等。胶原蛋白在应用过程中必须交联，以控制其物理性质和生物吸收性。

15、纤维蛋白纤维蛋白是纤维蛋白原的聚合产物。纤维蛋白原是一种血浆蛋白，存在于动物的血液中。纤维蛋白原在人体内的主要功能是参与凝血过程。纤维蛋白具有良好的生物相容性、止血和促进组织愈合的功能，在医学领域有着重要的应用。纤维蛋白的降解包括酶降解和吞噬作用，降解产物可被机体完全吸收。降解率因产品而异，从几天到几个月不等。交联和改变其聚集状态是控制其降解速率的重要手段。天然可降解高分子材料的优点，原料来源丰富，廉价易得，可通过常规方法加工成型，具有良好的生物相容性，不会引起异物反应。药物聚合物、聚合物药物和聚合物药物载体靶向药物聚合物导向材料和聚合物药物。1.聚合物骨架本身具有药理活性。p331，聚乙烯N-氧代吡啶是一种具有药理活性的聚合物，可溶于水。注射其水溶液或吸入其气雾剂，对吸入大量含游离二氧化硅粉尘引起的急慢性矽肺有很好的疗效，并有很好的预防作用。聚乙烯磺酸钠是一种具有抗凝血作用的聚合物。聚乙烯磺酸钠的聚合单体是乙烯基磺酸钠。由于磺酸钠基团的强电排斥作用，很难通过自由基聚合得到聚合物。有效的方法是用等离子体引发聚合。一种血浆补充剂，用于治疗由其他原因引起的创伤性急性出血和血容量减少。青霉素和乙烯醇-乙烯胺共聚物通过酰胺键结合，得到水溶性药物聚合