生物医学高分子材料

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1、生物医学高分子材料,沈 新 元 东华大学材料科学与工程学院,一生物医学高分子材料 的概念与分类,生物材料（biomedical materials）包括生物医学材料、生物模拟材料和仿生设计新材料。生物医学材料是用于生命系统接触和发生相互作用的，并能对其细胞、组织和器官进行诊断治疗、替换修复或诱导再生的一类天然或人工合成的特殊功能材料。生物医学材料包括金属生物医学材料、无机非金属生物医学材料和高分子生物医学材料。 生物医学高分子材料也称医用高分子（Biomedica1 Polymer）材料，它是一类用于临床医学的高分子及其复合材料。,二、生物医学高分子材料的种类,1.按来源分类 （1） 天然医用

2、高分子材料 如胶原、明胶、丝蛋白、角质蛋白、纤维素、粘多糖、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包括：取自患者自体的组织取自其他人的同种异体组织来自其他动物的异种同类组织。,合成高分子生物医学材料 有四种聚合物是专门为生物医学应用而开发的： 聚乙交酯（PGA）聚（丙交酯）（PLA） 聚乙交酯-丙交酯（PGLA）聚-对-二氧杂环已酮（PDS）,有几种已工业化生产的聚合物，虽不是专门为生物医学应用而生产，但通过用专门的技术进行加工后也可以制成供生物医学方面应用的纤维、细丝、微孔材料和管状材料。聚四氟乙烯（用做微孔织物和薄膜）

3、聚丙烯（用做微孔薄膜和中空纤维膜 ) 聚丙烯腈（用做中空纤维膜） 聚酰胺纤维,2.按材料与活体组织的相互作用关系分类 生物惰性（bioinert）高分子材料 指在体内不降解、不变性、不引起长期组织反应的生物医学高分子材料 ，适合长期植入体内。 生物活性（bioaciive）高分子材料 指植入高分子材料能够与周围组织发生相互作用，一般指有益的作用。 生物吸收（bioabsorbable）高分子材料 在体内逐渐降解，其降解产物被肌体吸收代谢。,3.按生物医学用途分类 硬组织相容性生物医学高分子材料 软组织相容性生物医学高分子材料 血液相容性生物医学高分子材料 药物和药物控释生物医学高分子材料,三、

4、对医用高分子材料的基本要求,(一） 对医用高分子材料本身性能的要求 1.耐生物老化性。对于长期植入的医用高分子材料，生物稳定性要好，但对于暂时植入的医用高分子材料，则要求能够在确定时间内降解为无毒的单体或片断，通过吸收、代谢过程排出体外。 2.物理和力学稳定性。针对不同的用途，在使用期内医用高分子材料的强度、弹性、尺寸稳定性、耐曲挠疲劳性、耐磨性应适当。对于某些用途，还要求具有界面稳定性。 3.易于加工成型。 4.材料易得，价格适当。 5.便于消毒灭菌。,（二）对医用高分子材料的人体效应的要求-生物相容性生物相容性是描述生物医用材料与生物体相互作用情况的概念。如果说某种材料的生物相容性好，是指

5、这种材料能够与肌体相互适应，即材料对肌体没有显著或严重的不良反应，肌体也不引起材料性能的改变。生物相容性包括血液相容性、组织相容性和生物降解吸收性。,1 血液相容性 指材料与血液接触时，不发生溶血或凝血。 具有抗血栓性能的材料的表面结构有以下特征。 (1)带负电荷表面 （2）具亲水性或疏水性均衡的表面 （3）具微相分离结构表面 （4）具接枝或涂覆抗凝血物质表面天然的抗凝血物质有尿激酶、肝素、前列腺素等。(5)伪内膜形成表面,2.组织相容性 指材料与血液以外的生物组织接触时，材料本身的性能满足使用要求而对生物体无刺激性、不使组织和细胞发生炎症、坏死和功能下降，并能按照需要进行增殖和代谢。 具体来

6、说，要求材料置于一般组织表面、器官空间组织内等处后，活体组织不发生排斥反应，材料自身也不因与活体组织、体液中多成分长期接触发生性质劣化，功能下降。,3生物降解吸收性 指材料在活体环境中可发生速度能控制的降解，并能被活体在一定时间内自行吸收代谢或排泄。按照在生物体内降解方式可分为水解型和酶解型两种。,（三）具备效果显示功能具有显示其医用效果的功能，即生物功能性。1.可检查、诊断疾病2可辅助治疗疾病如注射器、缝合线和手套等手术用品材料3.可分别满足各脏器对维持或延长生命功能的性能要求4.具备支持活体、保护软组织、脑和内脏的功能等。5.具备可改变药物吸收途径，控制药物释放速度、部位，并满足疾病治疗要

7、求的功能。,（四）对医用高分子材料生产与加工的要求 要防止在医用高分子材料生产、加工工程中引入对人体有害的物质。 1.严格控制用于合成医用高分子材料的原料的纯度，不能代入有害杂质，重金属含量不能超标。 2.医用高分子材料的加工助剂必须是符合医用标准。 3.对于体内应用的医用高分子材料，生产环境应当具有适宜的洁净级别。,三主要生物可降解纤维材料,（一）甲壳素类纤维 1甲壳素的存在甲壳质（chitin）又名几丁质、甲壳素、壳多糖，广泛存在于节足动物（蜘蛛类、甲壳类）的翅膀或外壳及真菌和藻类的细胞壁中。在自然界中，甲壳质的年生物合成量约100亿吨，是地球上除纤维素以外的第二大有机资源，是人类可充分利

8、用的巨大自然资源宝库。,2.甲壳素的研究开发现状 甲壳质及其衍生物工业正在崛起，研究开发正方兴未艾。从20世纪80年代以来，美国和日本等国都已经投入了大量人力、物力进行这方面的开发与研究。我国的甲壳质资源极其丰富，而且曾是研究开发甲壳质制品较早的国家之一。早在1958年，就对甲壳质的性能及生产进行过研究，并用于纺织染整上作上浆剂。进入20世纪80年代后期，甲壳质资源的开发利用引起了一些科研院所的重视，并开始了在医疗和保健等领域的研究与开发。,3.甲壳质及壳聚糖的生物活性,1) 抗菌、杀菌作用 脱乙酰度为30和70的甲壳质能提高宿主抗Sendai病毒及大肠杆菌感染能力。壳聚糖可抑制细菌、霉菌生长

9、。,2) 抗肿瘤作用 甲壳质可选择性地凝聚白血病的L1210细胞，Ehrlich腹水癌C，对正常的红血球骨髓细胞无影响。,3) 促进组织修复及止血作用 甲壳质及其降解产物都带有正电荷，可以从血清中分离出血小板因子-4，增加血清中H6水平，或促进血小板聚集或凝血素系统。作为止血剂有促进伤口愈合、抑制伤口愈合纤维增生、并促进组织生长的功能，对烧、烫伤有独特疗效。,4) 增强免疫力 壳聚糖能增强巨噬细胞的吞噬作用和水解酶的活性，刺激巨噬细胞产生淋巴因子，启动免疫系统，且不增加抗体的产生。此外，壳聚糖为天然抗酸剂，具中和胃酸、抗溃疡作用，还可降低肾病患者血清胆固醇、尿素及肌酸水平。在医药、农药制剂开发

10、中作缓释剂载体辅料，合成人工器官（人工皮肤、粘膜、腿、牙、骨）及骨固定棒材。,4.甲壳质及壳聚糖的制备 以虾蟹壳为原料，通过以下步骤制备： 原料预处理 将虾蟹壳的肉质、污物尽可能剔除，后用水洗净，注意虾蟹壳一定要新鲜的，腐败的应去掉。 浸酸 取洗净的新鲜虾蟹壳，加HCI溶液浸泡，除去其中CaCO3、Ca3（PO4）2等矿物质成分。 碱煮将浸酸后的软壳浸泡于NaOH溶液中煮沸1h左右，目的是使蛋白质被碱液溶解，油脂皂化溶于碱水中，同时色素也遭到破坏。 氧化脱色 将碱煮后的虾蟹壳浸于清水中，滴入KMnO4酸性溶液，以氧化原料中的色素和一些未被碱除去的杂质。还原将氧化后的原料浸泡清水中，并滴入草酸溶

11、液，直至蟹虾壳的褐色完全褪尽，色泽呈纯白为止。滤干后干燥，得到甲壳质。 脱乙酰基 将甲壳质浸泡于NaOH溶液中可达到脱乙酰目的。脱乙酰基后滤干后干燥，即得壳聚糖。,5甲壳质、壳聚糖及其衍生物的应用（1）医药及医疗领域 -生产药物的原料 壳聚糖及其水解的壳聚寡糖、氨基葡萄糖等已用作生产药物的中间体、载体或辅料。 -药用辅料甲壳质及其衍生物作为新型的药用辅料已收载于药剂辅料大全及药用辅料应用技术，它们可用作制剂的填充剂、分散剂、粘结剂、崩解剂、包衣剂、制粒剂、稳定剂、植入剂的载体、控释制剂的赋形剂和控释膜材料、微囊和微球的囊材、抗癌药物的复合物、片剂的稀释剂等。-人工皮肤（医用敷料）用甲壳质和壳聚

12、糖制作的外用撒粉、药膏及填充物已广泛用于外科敷料的生产。用甲壳质、壳聚糖等原料制成的人工皮肤（医用敷料）用于整形内科、皮肤科，作为被覆保护材料。,-手术缝合线 用甲壳质材料制成的外科手术缝合线，具有柔软、易打结、易吸收无炎症反应等特点，加速愈合。 - 抗凝剂 外科手术中已采用壳聚糖作止血材料，它比常规止血剂的止血效果好，且操作简便，不易感染。 -人工器官用甲壳质及衍生物的中空纤维膜 制成的人工肾可以经受高温消毒，而且有较大的机械强度。在对血液透析时，克服了长期使用醋酸纤维和铜氨纤维膜制成的人工肾对中、低分子有毒物质透过率低的缺点。 -骨修复材料 甲壳质可制成骨缺损支架材料，骨细胞可在其支架上爬

13、行替代，生长良好。由壳聚糖配以适当的无机盐制造的“骨钉”，在骨外科手术中用于取代钢板以固定骨骼。 - 接触眼镜材料甲壳质类物质是制备硬性或软性接触眼镜的理想材料。所得产品透气性能优异且具促进眼内伤口或创面愈合作用。若加入染色剂还可制作新颖的彩色接触镜。,(2)化妆品领域甲壳质、壳聚糖具有良好的增稠、保湿、重金属络合、防静电性能，广泛用于各类膏霜及护发用品等化妆品中，起到吸湿、保湿、护发、润肤等功效（3） 农业领域-作植物种子处理剂 以壳聚糖处理的植物种子，发芽率有提高，增加了抗土壤真菌的能力。-杀菌剂 、 壳聚糖能阻止植物病原菌细胞的发育生长，诱导出宿主植物对病原菌的防护机能，减少菌类对植物的

14、危害。（4） 其他 壳聚糖、甲壳质在纺织印染行业中作污水处理剂；食品工业中的增稠剂、絮凝剂；造纸工业中的新型助剂；贵金属提取络合剂；涂料、颜料、染料添加剂等。,6甲壳素类纤维的制备技术,甲壳素类纤维纺丝原液的制备 以壳聚糖为原料时，多选用5%以下的醋酸水溶液作为溶剂。 甲壳素纺丝原液的制备多采用溶解性能优异的有机溶剂,加适当的氯化锂助溶。 甲壳素类纤维的成型 制备甲壳素类纤维可采用干法纺丝、湿法纺丝和干-湿法纺丝等不同的成型工艺 。 甲壳素类纤维的后处理 甲壳素类纤维的后处理包括拉伸和还原等工序。 拉伸可在纺丝成型时连续进行，也可以在制成初生纤维后再进行后拉伸。 对于某些甲壳素衍生物纺制的纤维

15、，可将该类纤维直接应用，也可根据需要,7.甲壳素类纤维的的结构性能与应用,甲壳素类纤维是由甲壳素类物质作为原料制得的，因此它们具有甲壳素类物质的一些性能，如良好的生物活性、生物相容性和生物可降解性等。同时纤维成型过程中超分子结构发生的改变和形成的形态结构对纤维的性能也有一定的影响。另外必须指出，不同种类的甲壳素类纤维由于其化学结构的不同，导致其超分子结构也有一定差异。,表:甲壳素和壳聚糖纤维的质量指标,目前甲壳素纤维和壳聚糖纤维的断裂强度较低，特别是湿强远低于干强，这使它们的加工和应用受到一定的限制。我们制备的壳聚糖纤维经中国纺织工业协会化纤产品检测中心测试。线密度为2.01dtex，断裂强度

16、为2.02.5cN/dtex，断裂伸长率为9%左，达到国外同类纤维先进水平。,8.甲克素及壳聚糖纤维的加工及应用,针织制衣 甲壳素类短纤维纺纱机织制衣甲壳素类短纤维疏棉成网浸轧烘干裁切包装消毒医用非织造布,目前国外的甲壳素类纤维主要用于医疗卫生领域，特别是日本和美国利用甲壳素及其衍生物制成可吸收医用缝合线和医用敷料。近年日本开发了服装用的甲壳素/纤维素共混纤维蟹鳖纶，该纤维具有抗菌、防霉、去臭、吸湿、保温柔软、染色性好等优点，已引起纤维工作者的高度重视。,（二） 胶原纤维,1胶原的存在 胶原是蛋白质中，它主要存在于动物的结缔组织和硬骨料组织。 不同组织中的胶原，其化学组成和结构都有差异，一般按胶原的所在组织称之为皮胶原、骨胶原、齿胶原等。,