第九章-生物医用高分子材料

1、第九章 医用高分子材料,（1） 医用金属和合金。主要用于承力的骨、关节和牙等硬组织的修复和替换。不锈钢、钴基合金、钛及钛合金是目前医用合金的三大支柱。医用合金还有钽、铌和贵金属等。 （2） 医用无机陶瓷。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） （3） 医用高分子生物材料。高分子化合物是构成人体绝大部分组织和器官的物质，医用高分子生物材料包括合成（如：聚酯、硅橡胶）和天然高分子（如：胶原、甲壳素）。近来，生物降解高分子材料得到重视。 （4） 医用生物复合材料。如羟基磷灰石涂复钛合金，炭纤维或生物活性玻璃纤维增强聚乳酸等高分子材料。,生物医用材料,隐形眼镜,手术缝合线

2、,聚四氟乙烯,人工关节,例如： 德国产品 UHMWPE材料,ISO5834-2 ASTM F648 可作为人工关节、人工骨骼植入人体 极低的能耗 ,人工心脏瓣膜,组织工程人工骨缺损修复示意图,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，但通过分子设计的途径，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 十分广阔的。有人预计，在21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 部位和脏器都可用高分子材料来取代。仿生人也将 比想象中更快地来到世上。,本章内容,9.1 医用高分子材料概述,9.2 生物惰性高分子材料,9.3 生物降解高分子材料,9.4 用于人

3、造器官的功能高分子材料,9.5 药用高分子材料,医用高分子材料：指符合特殊医用要求，在医学领域应用到人体上，以医疗为目的，具有特殊要求的功能高分子材料。,9.1 医用高分子材料概述,一、医用高分子材料的定义和分类,分类,9.1 医用高分子材料概述,一、医用高分子材料的定义和分类,按用途分类 按原材料分类 按功能分类,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 高分子药用材料 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，降胆敏），高分子控制释放载体（胶囊，水凝胶，脂质体） 人造器官用材料 人造皮肤，血管，骨，关节，肠道，心脏，肾等,按用途分类

4、,9.1 医用高分子材料概述,一、医用高分子材料的定义和分类,按原材料分类,9.1 医用高分子材料概述,一、医用高分子材料的定义和分类,常见医用高分子的原材料,生物相容性高分子材料 （血液+组织） 生物降解高分子材料 （被降解吸收） 生物功能性高分子材料 （模仿人体器官功能）,按功能分类,9.1 医用高分子材料概述,一、医用高分子材料的定义和分类,9.1 医用高分子材料概述,二、医用高分子材料的特殊要求,材料学要求 医学要求 生物学要求,机械强度、稳定性、外观效果,药物的控制释放、 人造血液的粘度、渗透压、 人造皮肤的促进愈合作用,与生物活体长期和平共处,9.1 医用高分子材料概述,二、医用高

5、分子材料的特殊要求,生物学要求,共性相容性（血液+组织） 特性生物惰性或可生物降解性,良好的血液相容性,9.1 医用高分子材料概述,血液相容性：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。,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，医用高分子对血液的相容性是所有性能中最重要的。,内皮损伤诱发血栓形成示意图,胶原,组织 因子,凝血酶IIa,血小板 激活,凝血酶原II,ADP,TXA2,凝血 瀑布,血栓,纤维蛋白原,纤维蛋白,血小板 聚集,血栓：当人体的表皮受到损伤时，流出的血液会自动凝固。,材料界面性质与血液相容性的关系：,具有血液相容性的材料的特点 低

6、界面能 表面具有亲水或疏水性质 材料界面具有负电荷（血液中多组分呈负电性） 表面附着抗凝血物质（如肝素）,9.1 医用高分子材料概述,有些高分子材料本身对人体有害，不能用作医用材料； 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迁移到表面，从而对周围组织发生作用，引起炎症或组织畸变，严重的可引起全身性反应。,良好的组织相容性,9.1 医用高分子材料概述,组织相容性是指材料在与肌体组织接触过程中不发生不利的刺激性，不发生炎症，不发生排斥反应，没有致癌作用，不发生钙沉积。,9.1 医用高

7、分子材料概述,提高高分子材料的组织相容性的解决方法: 提高材料的纯度材料中的有害杂质会加速材料的老化并加剧组织与材料之间的生物化学反应。 材料本身具有良好的化学稳定性在体内环境下不易老化和分解。 有良好的机械强度和光滑表面使用过程中不对组织产生破坏和刺激。 采用与组织相容性好的材料进行表面复合，改进组织相容性。,生物惰性是指材料在生物内部环境下自身不发生有害的化学反应和物理破坏。 化学变化酶、酸、碱等造成 物理变化渗透、溶解、吸附等造成,良好的生物惰性,9.1 医用高分子材料概述,与生物惰性的要求相反，在某些场合需要医用高分子材料具有可生物降解性，即材料仅有有限的使用寿命，使用期过后材料可以被

8、生物体分解和吸收。 如手术用的缝合线和固定骨骼的骨水泥、骨丁等，采用可降解材料可以防止二次疼痛。,9.1 医用高分子材料概述,良好的生物降解性,9.2 生物惰性医用高分子材料,9.2 生物惰性高分子材料,基本特点： 良好的生物相容性（血液+组织） 材料在生物环境下表现出的惰性即非生物降解性： 不老化、不降解、不干裂、不溶解,医学应用： 人体植入材料（人工骨和骨关节材料、器官修复材料） 人造组织 人造器官,改善材料生物相容性的途径 强亲水或强疏水表面 亲水或疏水微相分离的聚合物 表面引入生物相容性物质（肝素、白蛋白） 引入负离子（血液中多组分呈负电性） 生成伪内膜,9.2 生物惰性高分子材料,

9、改善高分子材料表面亲水性,强疏水：对血液成分吸附能力小，因此血液相容性好。如：聚四氟乙烯 强亲水：吸水后与血液表面性能接近，减小对蛋白质的吸附。如：聚氧化乙烯（非常重要的抗凝血材料）添加聚氧化乙烯（分子量6000）于凝血酶溶液中，可防止凝血酶对玻璃的吸附。,9.2 生物惰性高分子材料,通过接枝改性调节高分子材料表面分子结构中的亲水基团与疏水基团的比例，使其达到一个最佳值，也是改善材料血液相容性的有效方法。, 采用亲水-疏水微相分离的嵌段共聚的方法,研究发现，具有微相分离结构的高分子材料对血液相容性有十分重要的作用。它们基本上是嵌段共聚物和接枝共聚物。其中研究得较多的是聚氨酯嵌段共聚物，即由软段

10、和硬段组成的多嵌段共聚物，其中软段一般为聚醚、聚丁二烯、聚二甲基硅氧烷等，形成连续相；硬段包含脲基和氨基甲酸酯基，形成分散相。,9.2 生物惰性高分子材料,美国Ethicon公司推荐的四种医用聚醚氨酯：Biomer，Pellethane，Tecoflex和Cardiothane基本上都属于这一类聚合物。,原因被认为是亲水和疏水的蛋白质被吸附于不同的微相区间，不会激活血小板表面的糖蛋白，血小板的特异识别功能表现不出来。, 在材料表面引入生物相容性物质,9.2 生物惰性高分子材料,肝素是一种硫酸多糖类物质，含有-SO3-，-COO-及-NHSO3-等功能基团。最早被认识的天然抗凝血产物之一。,将肝

11、素通过接枝方法固定在高分子材料表面上以提高其抗凝血性，是使材料的抗凝血性改变的重要途径。在高分子材料结构中引入肝素后，在使用过程中，肝素慢慢地释放，能明显提高抗血栓性。,9.2 生物惰性高分子材料,人工合成的仿肝素共聚物，同样具有较好的抗凝血功能,9.2 生物惰性高分子材料, 在材料表面引入负离子,例如：将芝加哥酸（1-氨基-8-萘酚-2, 4-二磺酸萘）（见下式）引入聚合物表面后，可减少血小板在聚合物表面上的粘附量，抗疑血性提高。,9.2 生物惰性高分子材料,人们发现，大部分高分子材料的表面容易沉渍 血纤蛋白而凝血。如果有意将某些高分子的表面制 成纤维林立状态，当血液流过这种粗糙的表面时，

12、迅速形成稳定的凝固血栓膜，但不扩展成血栓，然 后诱导出血管内皮细胞。这样就相当于在材料表面 上覆盖了一层光滑的生物层伪内膜。这种伪内膜 与人体心脏和血管一样，具有光滑的表面，从而达 到永久性的抗血栓。,9.2 生物惰性高分子材料, 材料表面伪内膜化,生物惰性高分子材料 有机硅类 聚丙烯酸酯类 聚氨酯 聚四氟乙烯,9.2 生物惰性高分子材料,用于人工脏器的部分高分子材料,用于人工脏器的部分高分子材料,9.3 生物降解性高分子材料,9.3 生物降解性高分子材料,生活便利 能源消耗,高分子材料使用废弃后如何处理？,回收再利用 焚烧 填埋,既保证生活品质又减少环境污染，必须从源头做起，大力开发和推广生

13、物降解高分子材料，这是治标治本的好方法，符合当今高分子材料绿色化的潮流。,环境污染,塑料制品的使用,生物降解材料（美国ASTM材料和实验协会定义）： 在自然界微生物(细菌、真菌、藻类等)作用下能发生物理、化学、生物作用而降解或酶解的材料。,9.3 生物降解性高分子材料,一、高分子材料的生物降解机理,光化学降解 热化学降解 生物化学降解,高分子降解,（3）微生物吸收或消耗碎片，经代谢最终形成二氧化碳 和水等。,（1）高分子材料的表面被微生物粘附。,（2) 在微生物分泌的酶的作用下，高分子断裂成相对小 的分子碎片。,9.3 生物降解性高分子材料,一、高分子材料的生物降解机理,生物降解过程,生物降解

14、过程的影响因素,1 化学结构与生物降解能力的关系（含可水解基团） 水解强度：酸酐碳酸酯酰胺,9.3 生物降解性高分子材料,2 材料性质和结构对水解过程的影响,3 影响水解的外界条件,(温度、水分、酸碱度),一、高分子材料的生物降解机理,9.3 生物降解性高分子材料,生物降解过程的影响因素分子结构,一、高分子材料的生物降解机理,由人工合成的结构内具有可水解结构的缩合型高分子。,合成可降解高分子材料,合成可降解性高分子的结构,天然可降解高分子材料,由生物体内提取或自然环境中直接得到的一类大分子； 具有良好的生物相容性和可降解性，但机械性能较差。,具有商业应用价值的天然高分子生物可降解材料主要有淀粉

15、、植物纤维、壳聚糖、胶原蛋白等，其中尤其以改性后的淀粉塑料最为重要。,生物降解材料的种类与性能,9.3 生物降解性高分子材料,9.3 生物降解性高分子材料,二、人工合成可生物降解高分子材料,聚乳酸类 聚原酸酯类 聚碳酸酯类 聚酸酐类 聚磷嗪类,9.3 生物降解性高分子材料,二、人工合成可生物降解高分子材料,聚乳酸类 聚原酸酯类 聚碳酸酯类 聚酸酐类 聚磷嗪类,9.3 生物降解性高分子材料,二、人工合成可生物降解高分子材料,聚乳酸类 聚原酸酯类 聚碳酸酯类 聚酸酐类 聚磷嗪类,聚乳酸,典型生物降解高分子材料,聚乳酸是无毒的高分子化合物，与石油化学合成树脂相比，具有良好的生物相容性、可降解性、机械

16、物理性能。 研究表明，聚乳酸使用后埋在土壤中612个月即能被自然界中微生物完全降解，最终生成二氧化碳和水，不污染环境。,聚乳酸,51,典型生物降解高分子材料,聚乳酸是无毒的高分子化合物，与石油化学合成树脂相比，具有良好的生物相容性、可降解性、机械物理性能。 研究表明，聚乳酸使用后埋在土壤中6-12个月即能被自然界中微生物完全降解，最终生成二氧化碳和水，不污染环境。,聚乳酸的制备,直接缩聚法：,通过乳酸分子间脱水、酯化、逐步缩合聚合成聚乳酸。要想获得高分 子量的聚乳酸，水分的脱出及抑制聚合物的降解是直接法的关键。 聚乳酸直接缩聚合成方法 主要可分为溶液聚合和熔融聚合。,3,3,2,Mw=2,00

17、0-10,000,乳酸原料转化成丙交酯 PLA,聚乳酸的制备,丙交酯开环聚合法：,丙交酯开环聚合得到预期的较高分子量(Mw100,000 )PLA产品。,连续熔融聚合 和间歇熔融聚合,9.3 生物降解性高分子材料,聚乳酸手术缝合线,聚乳酸应用,缓释药物载体,组织工程耳朵,聚乳酸应用,聚乳酸包装袋,聚乳酸一次性餐具,人工合成生物降解材料存在的主要问题,具有商业应用价值的天然高分子生物可降解材料主要有淀粉、植物纤维、甲壳质衍生物、胶原蛋白等，其中尤其以改性后的淀粉塑料最为重要。,三、天然可生物降解高分子材料,9.3 生物降解性高分子材料,典型生物降解高分子材料,淀粉颗粒的扫描电子显微镜照片,优点：

18、来源丰富、价格低廉、生物降解性好。 缺点：强极性、强结晶性、热塑性差、加工困难 、极强的亲水性 、耐候性差。,淀粉,(a)玉米淀粉,(b)小麦淀粉,淀粉应用,环保玉米淀粉牙签,淀粉基一次性餐具,淀粉基容器包装材料,淀粉应用,淀粉基环保袋,目前，淀粉塑料产量在众多品种的生物降解塑料中居首位，占总量的2/3以上，我国建成的降解塑料生产线绝大多数是生产填充型淀粉塑料和双降解淀粉塑料。,淀粉类生物降解性产品的潜在优势在于: 淀粉在各种环境中都具备完全生物降解能力; 塑料中的淀粉分子降解或灰化后，形成二氧化碳气体， 不对土壤或空气产生毒害; 采取适当的工艺使淀粉热塑化后可达到用于制造塑料 材料的机械性能

19、; 淀粉是可再生资源。,壳聚糖（chitosan）甲壳素脱乙酰基得到的产物，是已知的唯一的含氮碱性多糖。,9.3 生物降解性高分子材料,甲壳质（chitin）是重要的海洋生物资源，自然界每年生产的甲壳素有100亿吨，主要来源于虾壳，蟹壳，昆虫壳和 微生物等。,脱乙酰基,甲壳质衍生物在生物医药方面的应用,(1) 医用纤维和膜材料 (2) 药物载体 (3) 凝血材料人造皮肤 (4) 高分子药物 (5) 人造器官,9.3 生物降解性高分子材料,(1) 医用纤维和膜材料 (2) 药物载体 (3) 凝血材料人造皮肤 (4) 高分子药物 (5) 人造器官,甲壳素和壳聚糖及其衍生物溶液具有良好的可纺性，可以

20、采用湿法或干法方式制成纤维。 壳聚糖纤维制成的手术缝合线在伤口愈合后可不必拆线。,甲壳质衍生物在生物医药方面的应用,(1) 医用纤维和膜材料 (2) 药物载体 (3) 凝血材料 (4) 高分子药物 (5) 人造器官,壳聚糖广泛作为药物载体材料使用，可以制成颗粒、片剂、膜剂、微胶囊等剂型。 可以达到控制药物恒定释放和靶向给药的目的，且药物释放后甲壳质基体材料能够被人体降解吸收，不会对人体组织造成损害。,甲壳质衍生物在生物医药方面的应用,(1) 医用纤维和膜材料 (2) 药物载体 (3) 凝血材料 (4) 高分子药物 (5) 人造器官,作为凝血材料使用，如包扎用纱布经甲壳质或壳聚糖溶液处理后包扎伤

21、口，立即止血，并有消炎作，伤口愈合速度提高22-55。 伤口长好后纱布不粘连，甚至不留痕迹。,甲壳质衍生物在生物医药方面的应用,(1) 医用纤维和膜材料 (2) 药物载体 (3) 凝血材料 (4) 高分子药物 (5) 人造器官,抗肿瘤作用 增强免疫力 降低脂肪和胆固醇,甲壳质衍生物在生物医药方面的应用,(1) 医用纤维和膜材料 (2) 药物载体 (3) 凝血材料 (4) 高分子药物 (5) 人造器官,用各种甲壳质为主要材料制备的透析过滤膜、中空纤维、医用吸附剂、集束纤维等可用于各种人工器官，如人工肝脏、人工肾、人造骨、人造血管等的制造过程。 将肝素固定在壳聚糖上制作的吸附剂，可以选择性吸附血液中的胆固醇。因此，甲壳质型人造肾脏的功能已经非常接近天然肾脏。