生物医用高分子材料第二章.

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1、生物高分子及制品,内容,第一章 绪论 第二章 高分子和生物体系的相互作用 第三章 生物相容性材料 第四章 人工器官用材料 第五章 医疗诊断用高分子材料 第六章 药物缓释 第七章 材料的安全性评价 第八章 介绍医用高分子材料的构造、形态、机能 和医用材料的设计,第二章 高分子和生物体的相互作用,2.1 医用高分子的基本功能 医用高分子材料多用于人体，直接关系到人的生命和健康，因此对医用高分子材料的性能有一些一般，但相对于通用高分子材料特殊的要求。 安全性、物理化学和机械性能、适应性 、特殊功能。,第二章 相互作用,第二章 高分子和生物体的相互作用,2.1 医用高分子的基本功能 物理功能 物理化学

2、功能 生物体适应的种类,第二章 相互作用,生物医用材料设计和制造的目的:就是能够代替脏器的功能，或具有与脏器相对应的功能。 目前，合成医用材料的物理和化学性能一般都能够达到所必须的要求； 还必须具有更高层次的性能，如考虑与生物体成分的相互作用等。,第二章 相互作用,生物功能性分类 物理功能 物理化学功能 高层次生物功能,第二章 相互作用,生物功能性分类-1,物理功能 内容 应用举例 强度支持，构造保持 人工骨，人工牙 齿，人工关节 被覆，锁闭 损伤皮肤表面，组织损 伤部位闭合，缝合线， 卡钉，骨钉,第二章 相互作用,生物功能性分类-1,物理功能 内容 应用举例 管道，泵，瓣膜， 人工血管，人工

3、食道， 阀 人工气管，分路器，人 工心脏，人工瓣膜 电学性质 探测器 光学性质 人工眼球，隐形眼镜,第二章 相互作用,生物功能性分类-2,化学功能 内容 应用举例,第二章 相互作用,接合，填充， 物质移动， 选择吸附,骨水泥，医用粘合剂， 血液净化，人工肺，隐形眼镜 人工肝，免疫吸附,生物功能性分类-3,高层次生物功能 内容 应用举例,第二章 相互作用,化学测量， 化学反应， 生物功能,生物传感器， 生物反应器， 杂化人工器官,2.1.1 物理机能,A 力学性质 医用材料的种类很多，如人工器官、软组织材料、硬组织材料，牙科、骨科、整形外科等用的材料，都要求具有一定的力学性能。 研究生物材料力学

4、性能的专门学科生物力学。,第二章 相互作用,2.1.1 物理机能,A 力学性质 生物力学是应用力学原理和方法对生物体中的力学问题定量研究的生物物理学分支。其研究范围从生物整体到系统、器官(包括血液、体液、脏器、骨骼等)，从鸟飞、鱼游、鞭毛和纤毛运动到动物体液的输运等。,第二章 相互作用,2.1.1 物理机能,A 力学性质 生物力学的基础是能量守恒、动量定律、质量守恒三定律并加上描写物性的本构方程。生物力学研究的重点是与生理学、医学有关的力学问题。,第二章 相互作用,2.1.1 物理机能,A 力学性质 生物力学根据研究对象的不同可分为生物流体力学、生物固体力学和运动生物力学等。 医用高分子材料所

5、涉及的力学性质属于“生物固体力学”范围。,第二章 相互作用,人工牙齿,第二章 相互作用,人工股骨置换,第二章 相互作用,骨科用的材料要求具有比较高的强度。 粘弹性高分子材料。 开裂变形：在一定的负荷应力作用下，材料随着时间的变形现象。 应力松弛 粘弹性材料应力速度依赖性。,第二章 相互作用,第二章 相互作用,表2-2 人体牙齿、牙周支持组织的弹性模量及泊松比与部分高分子材料的比较,B 涂覆和修复机能 皮肤表面损伤后的涂覆和损伤裂口的修复。 材料的要求：强度要求不高，但要求具有一定的柔软性，皮肤涂覆材料与正常皮肤的伸缩性的要求。 材料的来源：生物由来的材料比较合适。,第二章 相互作用,第二章 相

6、互作用,生物软组织与合成高分子材料的最大区别：生物体软组织材料的水分含量特别高。,第二章 相互作用,损伤部位的修复材料是与生物体本身的组织进行物理结合。例如缝合线，目前用生物可降解性材料，在伤口愈合后自身降解，被生物体吸收。,第二章 相互作用,C 导管、泵类 人工血管，食管和气管等要求必须具有一定的柔软性。特别是人工血管和气管必须与宿主材料的力学特性一致。所使用材料的弹性也需要一致。,第二章 相互作用,Lifespan膨体聚氟乙烯（ePTFE）人工血管,第二章 相互作用,Albograft涤纶人工血管,第二章 相互作用,第二章 相互作用,人工血管一般有三个基本性能,强度。 孔度：在120mmH

7、g（1mmHg =01133kPa）压力下，每平方厘米人工血管每分钟漏血量称为孔度。 顺应性 ：人体动脉管腔随血压变化而出现的“脉动”对稳定血流起着重要作用。同样，人工血管管壁也应具备随血流压力出现相应的收缩和舒张能力，这种在压力变化下出现的容积变化称为顺应性。,第二章 相互作用,顺应性,表2-3 各类人工血管材料顺应性,D 电性能 对生物体组织直接使用电刺激时，使用金属导线，与体液等必须绝缘，因此在金属材料表面必须有高分子材料绝缘。,第二章 相互作用,E 光学性能 眼科用的高分子材料。要求材料的光学性能与眼睛某些部位的一致。包括角膜和水晶体的曲折率、曲率半径和厚度：,第二章 相互作用,曲折率

8、： 水晶体1.386-1.406， 角膜 1.376， 泪液 =房水=销子体=1.336。 高分子材料PMMA的曲折率为1.49。,第二章 相互作用,第二章 相互作用,2.1.2 物理化学机能,A 接合、填充 使用生物接合剂的领域：血管外科、消化器外科、形成外科、脑神经外科、整形外科、牙科等领域。,第二章 相互作用,2.1.2 物理化学机能,接合的机理： 一次结合力：共有结合，一般是化学结合 二次结合力：主要是氢键和分子间的相互作用力； 三次结合力：一般是指机械的镶嵌等。,第二章 相互作用,第二章 相互作用,B 物质的移动 血液中病因物质如尿素、肌肝等清除用的血液透析膜。血液中二氧化碳清除的人

9、工肺等。牵涉到物质的移动。,第二章 相互作用,扩散系数： JA=-DAdcA/dZ=-DA(c1-c2)/ZM 这里DA为扩散系数（Diffusion coefficient），dcA/dZ为Z方向的浓度微分，ZM膜的厚度，c1，c2分别为膜两边的浓度。,第二章 相互作用,第二章 相互作用,C 选择性吸附 医用材料表面对蛋白质的吸附。 Langmuir式 v=vm*ac/(1+ac) Freundlich式 v=ac1/b Frumkin-Chomkin式 v=a*ln(bc) 这里v为吸附量，vm为平衡吸附量；a、b、c均为系数。 高分子材料表面对蛋白质的吸附一般为Langmuir吸附。,第

10、二章 相互作用,第二章 相互作用,吸附分离是利用吸附剂和被分离物质的分子间的相互作用达到对该物质的吸附分离。Van der Waals力和静电力利用的非特异性分离，多孔性的非特异分离。有时也存在一定的特异分离。发生化学结合一般都是特异性分离。,第二章 相互作用,2.1.3 生物体适应的种类,第二章 相互作用,根据生物进化学说，发展到今天的生物都具有高度的适应性，也就是说生物体的结构与功能是适应的，它对内能协调统一，对外能适应复杂多变的环境。 DNA分子独特的双螺旋结构，适应它的两个重要功能，即自我复制遗传信息的传递，控制蛋白质的合成遗传信息的表达。,2.1.3 生物体适应的种类,第二章 相互作

11、用,动物的适应:保护色、警戒色、拟态,2.1.3 生物体适应的种类,适应性 种类 方法 表面的 非刺激性 材料表面性质的控制 （抗血栓性） 抗血栓性物质的利用 组织接着性 软组织接着表面的形成 硬组织接着表面的形成 本体的 力学整合性 柔软性、刚直性、强度 设计的调和性 置入材料,第二章 相互作用,2.2 生体反应,是指生物体与材料的相互作用。高分子材料溶出的低分子量物质，会引起生物体的全身反应。 2.2.1生物相容性的概念 生物体与材料之间的相互作用就是与生物相容性相关的问题。,第二章 相互作用,生物相容性是研究生物材料时最先而又为生物材料学专家们所观注的课题，前面生物安全性指标中涉及的，如

12、材料的溶血性、过敏性、皮内刺激、包埋实验、骨髓细胞微核试验和细胞培养实验等内容，实际上也属于生物相容性的范畴。,第二章 相互作用,生物相容性的具体内容最初仅指材料表面的抗凝性，但随着人工肾和血液净化治疗的发展，由于血液透析过程中出现“首次使用综合症，FUS”，因而对生物材料，特别是分离膜的生物相容性便逐渐扩大到对机体免疫系统的影响及其临床后果等范围。,第二章 相互作用,Biocompatibility testing,Biocompatibility testing is an integral part of biomaterials. If the part works perfectly

13、 in the lab, but causes damage once inside the body, the effects could be catastrophic. Testing ranges from the very simple blood test to more intricate testing with tissue cultures.,第二章 相互作用,生物相容性的定义,1994年在生物相容性统一观点的会议记录中，建议生物相容性可定义为：“在特殊应用中，材料、医用装置，或治疗系统能完成其功能，但又不会在临床上明显地引起宿主的反应”。 与血液接触的生物材料，主要是血液

14、相容性,第二章 相互作用,材料表面在与血液接触时，机体的凝血系统，溶纤系统，激肽系统和补体系统将产生一系列的防御反应，各系统之间又有相关联的反应，其中补体在血液净化过程中因活化而产生的C3b, iC3b, C5a, 和C5a des arg等降解产物会进一步引起一系列的临床过敏反应和后果。,第二章 相互作用,第二章 相互作用,第二章 相互作用,第二章 相互作用,血液生物材料相互作用的测定表明有关的特征是蛋白吸附、血小板反应、内源性凝血、纤溶活化、红细胞、白细胞和补体激活。影响临床应用的是生物材料血液反应的因素是生物材料的结构、抗血栓物质，疾病和药物治疗所决定的病人状态。生物材料的评价方法采用临

15、床、体内、半体内和体外方法，材料的开发用半体内和体外方法。,第二章 相互作用,第二章 相互作用,(1) 抗凝性 血液在与材料表面接触时： 材料表面很快吸附一层血蛋白，如能引起血细胞粘附的白蛋白，纤维连接素，或引起止血和形成血栓的纤维蛋白原、纤维蛋白、凝血酶、接触因子、高分子量激肽酶原Von Wilkbrand因子，或引起炎症和免疫反应的球蛋白、免疫复合因子、补体碎片C3b。这些血蛋白在材料表面相互之间进行着动态的解吸和再吸附的竞争。随着时间延长和其它因素的影响，被牢固吸附的血蛋白的构象发生改变。,第二章 相互作用,(1) 抗凝性 血液在与材料表面接触时： 血小板和白细胞粘附在构象改变蛋白吸附层

16、上形成血小板栓子， 进一步将凝血系统活化并导致凝血酶产生和形成纤维蛋白。,第二章 相互作用,第二章 相互作用,血液动力学的情况直接影响到血栓的大小、在血液净化系统中形成的部位，血栓的结构及其碎裂情况。 在产生湍流的部位，如连接处、分离器内、血流管路缩小和分枝部位会形成大块的血栓沉积物，甚至可将整个循环系统堵塞。,第二章 相互作用,(2) 对免疫系统的影响 “首次使用综合症”就是在使用铜芬膜后发现的，表现在引起机体产生一系列防御反应，临床表现为轻者恶心、呕吐、胸痛、呼吸困难、皮疹、麻疹等过敏反应，重者则呈过敏性休克和其它病症。 Ringoir和Vanholder在1992年的综述性文章中，曾明确提出应当拒绝把