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1、第八章医用高分子材料18.1医用高分子概述8.2生物惰性高分子材料8.3生物降解高分子材料8.4用于人造器官的功能高分子材料8.5药用高分子材料研究内容2一、生物医用材料的分类 按材料的来源分类 1）天然医用高分子材料如胶原、明胶、丝蛋白、角质蛋白、纤维素、 多糖、甲壳素及其衍生物等。 2）人工合成医用高分子材料如聚氨酯、硅橡胶、聚酯等。 3）天然生物组织与器官 取自患者自体的组织，例如采用自身隐静脉作为冠 状动脉搭桥术的血管替代物； 取自其他人的同种异体组织，例如利用他 人角膜治疗患者的角膜疾病； 来自其他动物的异种同类组织，例如采用 猪的心脏瓣膜代替人的心脏瓣膜，治疗心脏病等。38.1医用
2、高分子概述按材料与活体组织的相互作用关系分类一、生物医用材料的分类1）生物惰性高分子材料在体内不降解、不变性、不会引起长期组织反应的高分 子材料，适合长期植入体内。 2）生物活性高分子材料指植入生物体内能与周围组织发生相互作用，促进肌体 组织、细胞等生长的材料。 3）生物吸收高分子材料这类材料又称生物降解高分子材料。这类材料在体内逐 渐降解，其降解产物能被肌体吸收代谢，获通过排泄系 统排出体外，对人体健康没有影响。如用聚乳酸制成的 体内手术缝合线、体内粘合剂等。4二、对医用高分子材料的特殊要求1.1.血液相容性血液相容性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，
3、医用高分子对血液的相容性是所有性 能中最重要的至今尚未制得一种能完全抗血栓的高分子材料。2.2.组织相容性组织相容性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 发生钙沉着。53.3.生物惰性生物惰性二、对医用高分子材料的特殊要求对于那些需要在人体中长期使用功能的材料必须具备生物惰 性，这样才能保证使用寿命。 所谓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，也不对生物体产生不利影响，即具有 生物相容性。4.4.可生物降解性可生物降解性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 有生物降解性，即材料
4、仅有有限的使用寿命，使用期过后材 料可以被生物体分解和吸收。如手术用的缝合线。68.2生物惰性高分子材料嵌段聚醚氨酯（SPEU）弹性体、硅橡胶、PMMA、PP、PE、PC、纤维素（醋酸、铜氨再生、硝酸）、PHEMA、聚砜、聚硅酮、聚酯、FTFE、聚乙烯吡咯烷酮、尼龙及某些共聚物。非生物降解材料非生物降解材料71.1.有机硅材料有机硅材料8.2生物惰性高分子材料有机氯硅烷（RnSiCl4-n,n=1,2,3）经水解缩聚生成有机环氧烷中间体，在催化剂存在下进一步聚合而成聚硅氧烷即硅橡胶生胶。将生胶加入补强填料SiO2及其它助剂后经硫化而成弹性硅橡胶。弹性硅橡胶具有很多医学材料的性能：良好的生物惰性
5、；很高的透气性和对透气的选择性；极佳的耐生物老化性；无味无毒无致癌性；有较好的抗血栓性能；易于消毒灭菌。82.2.聚丙烯酸树脂类材料聚丙烯酸树脂类材料聚甲基丙烯酸羟乙酯（PHEMA）：不含水时和有机玻璃一样，是一种透明无色的固体，可进行机械加工，吸水后变成柔软而富有弹性的水凝较。该材料亲水、透氧，并具有良好的生物相容性，可煮沸消毒。但湿强度较差，通常采用交联、共聚、与大分子反应或共混等方法对水凝较进行改性。实验与临床应用中未见有毒性，对创面无刺激性，创面可在膜下愈合。聚氧化乙烯聚氧化丙烯聚氧化乙烯（Pluronic）智能水凝胶等：低温下可溶于水，受热后不溶于水形成凝胶。 91、骨固化剂2、牙科
6、材料3、眼科角膜接触镜片4、人体组织粘合剂5、烧伤敷料6、介入疗法栓塞材料用途2.聚丙烯酸树脂类材料103.聚氨酯医用聚氨酯具有优异的力学强度、高弹性、耐磨性、润滑性、耐疲劳性、生物相容性、可加工性等性能，因此被广泛用于生物材料，尤其是血液接触材料如血管、心脏瓣膜、封堵器、介入诊疗的导管等，以及组织工程中的支架材料，以促进细胞和组织的再生，如长期植入的医用装置及人工器官等结构特征，热塑性弹性体：1.软段和硬段2.微相分离结构3.物理交联点114 . 聚四氟乙烯化学和生物惰性化学：无臭无毒；耐酸耐碱；不吸不粘；绝缘热稳定；不溶。生物：表面能低；相容性好；易成型加工12二、生物惰性高分子材料的应用
7、8.3生物降解高分子材料13生物吸收性高分子材料在体液的作用下完成两个步骤，即降解和吸收。前者往往涉及高分子主链的断裂，使分子量降低。作为医用高分子要求降解产物（单体、低聚体或碎片）无毒14高分子材料在体内最常见的降解反应为水解反应，包括酶催化水解和非酶催化水解。能够通过酶专一性反应降解的高分子称为酶催化降解高分子；而通过与水或体液接触发生水解的高分子称为非酶催化降解高分子。从严格意义上讲，只有酶催化降解才称得上生物降解，但在实际应用中将这两种降解统称为生物降解。 15吸收过程是生物体为了摄取营养或通过肾脏、汗腺或消化道排泄废物所进行的正常生理过程。高分子材料一旦在体内降解以后，即进入生物体的
8、代谢循环。这就要求生物吸收性高分子应当是正常代谢物或其衍生物通过可水解键连接起来的。在一般情况下，由CC键形成的聚烯烃材料在体内难以降解。只有某些具有特殊结构的高分子材料才能够被某些酶所降解。16生物吸收性高分子材料的分解吸收速度生物吸收性高分子材料的分解吸收速度用于人体组织治疗的生物吸收性高分子材料，其分解和吸收速度必须与组织愈合速度同步。人体中不同组织不同器官的愈合速度是不同的，例如表皮愈合一般需要310天，膜组织的痊愈要需1530天，内脏器官的恢复需要12个月，而硬组织如骨骼的痊愈则需要23个月等等。17因此，对植入人体内的生物吸收性高分子材料在组织或器官完全愈合之前，必须保持适当的机械
9、性能和功能。而在肌体组织痊愈之后，植入的高分子材料应尽快降解并被吸收，以减少材料长期存在所产生的副作用。18酶催化降解和非酶催化降解的结构降解速度关系不同。对非酶催化降解高分子而言，降解速度主要由主链结构（键型）决定。主链上含有易水解基团如酸酐、酯基、碳酸酯的高分子，通常有较快的降解速度。对于酶催化降解高分子，如聚酰胺、聚酯、糖苷等，降解速度主要与酶和待裂解键的亲和性有关。酶与待裂解键的亲和性越好，则降解越容易发生，而与化学键类型关系不大。 19此外，由于低分子量聚合物的溶解或溶胀性能优于高分子量聚合物，因此对于同种高分子材料，分子量越大，降解速度越慢。亲水性强的高分子能够吸收水、催化剂或酶，
10、一般有较快的降解速度。含有羟基、羧基的生物吸收性高分子，不仅因为其较强的亲水性，而且由于其本身的自催化作用，所以比较容易降解。相反，在主链或侧链含有疏水长链烷基或芳基的高分子，降解性能往往较差。20在固态下高分子链的聚集态可分为结晶态、玻璃态、橡胶态。如果高分子材料的化学结构相同，那么不同聚集态的降解速度有如下顺序：橡胶态玻璃态结晶态显然，聚集态结构越有序，分子链之间排列越紧密，降解速度越低。21一、一、 生物吸收性天然高分子材料生物吸收性天然高分子材料已经在临床医学获得应用的生物吸收性天然高分子材料包括蛋白质和多糖两类生物高分子。这些生物高分子主要在酶的作用下降解，生成的降解产物如氨基酸、糖
11、等化合物，可参与体内代谢，并作为营养物质被肌体吸收。因此这类材料应当是最理想的生物吸收性高分子材料。 22白蛋白、葡聚糖和羟乙基淀粉在水中是可溶的，临床用作血容量扩充剂或人工血浆的增稠剂。胶原、壳聚糖等在生理条件下是不溶性的，因此可作为植入材料在临床应用。下面对一些重要的生物吸收性天然高分子材料作简单介绍。1. 1.甲壳质衍生物甲壳质衍生物甲壳素是一种的线性多糖。昆虫壳皮、虾蟹壳中均含有丰富的甲壳素。壳聚糖为甲壳素的脱乙酰衍生物，由甲壳素在4050浓度的氢氧化钠水溶液中110120下水解24h得到。甲壳素能为肌体组织中的溶菌酶所分解，已用于制造吸收型手术缝合线。其抗拉强度优于其他类型的手术缝合
12、线。在兔体内试验观察，甲壳素手术缝合线4个月可以完全吸收。 231. 1.甲壳质衍生物甲壳质衍生物 甲壳素还具有促进伤口愈合的功能，可用作伤口包扎材料。 甲壳素膜用于覆盖外伤或新鲜烧伤的皮肤创伤面时，具有减轻疼痛和促进表皮形成的作用，因此是一种良好的人造皮肤材料。 甲壳素在甲磺酸、甲酸、六氟丙醇、六氟丙酮以及含有5氯化锂的二甲基乙酰胺中是可溶的，壳聚糖能在有机酸如甲酸和乙酸的稀溶液中溶解。从溶解的甲壳素或壳聚糖，可以制备膜、纤维和凝胶等各种生物制品。242. 2.胶原蛋白胶原蛋白A. 来源：胶原是哺乳动物结缔组织中的主要成分，构成人体约 30%的蛋白质，在皮肤中的干重达72。B. 类型：胶原有
13、19种类型，最常见的是型、II型和III型。其中I型最丰富，且性能优良，被广泛用于生物材料。C. 结构：原胶原（Procollagen）是胶原的基本组成单位，其分子基础是三条左旋的-螺旋体的多肽链相互绞合并卷曲而成一个右旋的三股螺旋体，直径大约为1015A0 ,长约300nm，链的分子量为12万，每一条链有1050个氨基酸，其一级结构富含脯氨酸和羟脯氨酸，而且第三个氨基酸总是甘氨酸；仅含少量的络氨酸，不含色氨酸。 D. 性能：胶原的免疫原性温和，具有优异的组织相容性。25263. 3. 明胶明胶明胶是经高温加热变性的胶原，通常由动物的骨骼或皮肤经过蒸煮、过滤、蒸发干燥后获得。明胶在冷水中溶胀而
14、不溶解，但可溶于热水中形成粘稠溶液，冷却后冻成凝胶状态。纯化的医用级明胶比胶原成本低，在机械强度要求较低时可以替代胶原用于生物医学领域。27明胶可以制成多种医用制品，如膜、管等。由于明胶溶于热水，在6080水浴中可以制备浓度为520的溶液，如果要得到 2535的浓溶液，则需要加热至 90100。为了使制品具有适当的机械性能，可加入甘油或山梨糖醇作为增塑剂。用戊二醛和环氧化合物作交联剂可以延长降解吸收时间。284. 4.纤维蛋白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质，存在于动物体的血液中。人和牛的纤维蛋白原分子量在330000340000之间，二者之间的氨基酸组成差别
15、很小。纤维蛋白原由三对肽链构成，每条肽链的分子量在4700063500之间。除了氨基酸之外，纤维蛋白原还含有糖基。纤维蛋白原在人体内的主要功能是参与凝血过程。29纤维蛋白具有良好的生物相容性，具有止血、促进组织愈合等功能，在医学领域有着重要用途。纤维蛋白的降解包括酶降解和细胞吞噬两种过程，降解产物可以被肌体完全吸收。降解速度随产品不同从几天到几个月不等。通过交联和改变其聚集状态是控制其降解速度的重要手段。二、人工合成可生物降解高分子材料二、人工合成可生物降解高分子材料1.聚乳酸类-羟基丙酸3031 手术缝合线 骨固定材料 组织修补材料 药物控制释放材料聚乳酸在医疗上的应用聚乳酸在医疗上的应用3
16、2338.4用于人造器官的功能高分子材料一、采用功能高分子材料的人造脏器1. 1.人造心脏人造心脏34(1)心脏的功能心脏是人体循环系统的动力器官每天搏动十万次以上每分钟有4-5升的血液流经心脏他人心脏移植到患者身上存在的问题人工心脏1. 1.人造心脏人造心脏35具有微相分离结构的聚氨酯嵌段共聚物具有微相分离结构的亲疏水型嵌段共聚物商品化人工 心脏用材料1. 1.人造心脏人造心脏1957年，美国的Kolff和Akutsu就开始进行人工心脏的实验研究。生物膜的组成和结构(脂质和蛋白质) 得到启发。362. 2.人造肾脏人造肾脏维持体液的酸碱平衡和渗透压平衡肾脏主要 生理功能过滤和排泄新陈代谢产物及有毒物质调节体内水份和电解质平衡慢性尿毒症患者每天需排除的物质和量37(1)血液透析使血液流过透析膜的一侧，膜的另一侧流过透析液。由于膜两侧 各种离子的浓度不同，则血液中的废物、过剩的电解质、过剩的 水可透过膜而进入透析液而达到净化血液的目的。膜的含水机械强度要大人工肾透析膜的要求良好
