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1、医用高分子材料,一、生物医用材料的定义 （Biomedical materials）,对生物体进行诊断、治疗和置换损坏组织、器官或增进其功能的材料。,2019/4/20,材料,9.1 概述,按材料来源分,（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。 （3） 医用生物陶瓷。有惰性生物陶瓷和活性生物
2、陶瓷（羟基磷灰石陶瓷、可吸收磷酸三钙陶瓷等） （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。 （5） 生物衍生材料。这类材料是将活性的生物体组织，包括自体和异体组织，经处理改性而获得的无活性的生物材料。,2019/4/20,材料,二、生物医用材料的分类,生物衍生材料,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 取自其他人的同种组织 例如：利用他人角膜治疗患者的角膜疾病 来自其它动物的异种组织 例如：采用猪的心脏瓣膜代替人的心脏瓣膜，治疗心脏病等。,2019/4/20,材料,2019/4/20,材料,聚四氟乙烯,人工
3、关节,2019/4/20,材料,例如： 德国产品 UHMWPE材料,ISO5834-2 ASTM F648 可用为人工关节、人工骨骼植入人体 极低的能耗 ,人工心脏瓣膜,2019/4/20,材料,组织工程人工骨缺损修复示意图,2019/4/20,材料,2019/4/20,材料,三、生物医用高分子材料,分类 用途 制备,2019/4/20,材料,按用途分类,手术治疗用高分子材料 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 药用及药物传递用高分子材料 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） 人造器官或组织
4、 人造皮肤，血管，骨，关节，肠道，心脏，肾等,2019/4/20,材料,1. 分类,2019/4/20,材料,制备生物医用高分子材料？,化学家合成原始材料并检测各项理化指标 生物学家检测材料生物毒性及生物相容性 医学家做临床动物试验-人体试验 化学工程师制造生物医用高分子材料 临床应用,2019/4/20,材料,化学家来做第一步,2. 生物医用材料市场发展概况,2019/4/20,材料,全球生物医用材料市场,2019/4/20,材料,中国生物医用材料市场,我国生物医学材料的生物医学工程产业的市场增长率高达 28(全球市场增长率20%),居全球之首。 我国人工关节 替换年增长率高达30，远高于美
5、国的4。 -国家科技部资料,2019/4/20,材料,775万肢残患者和每年新增的300万骨损伤患者 -需要大量骨修复材料 2000万心血管病患者 -每年需要24万套人工心瓣膜 肾衰患者 -每年需要12万个肾透析器 ,2019/4/20,材料,2019/4/20,材料,3. History of polymeric biomaterials 1943年 赛璐珞薄膜开始用于血液透析 1949年 美国首先发表了医用高分子的展望性论文。在文章 中，第一次介绍了利用PMMA作为人的头盖骨、关 节和股骨，利用聚酰胺纤维作为手术缝合线的临床 应用情况。50年代，有机硅聚合物被用于医学领 域，使人工器官的应
6、用范围大大扩大，包括器官替 代和整容等许多方面。,Drug controlled release,Tissue engineering,Gene therapy,此后，一大批人工器官在50年代试用于临床。 如人工尿道（1950年）、人工血管（1951年）、 人工食道（1951年）、人工心脏瓣膜（1952）、 人工心肺（1953年）、人工关节（1954年）、人 工肝（1958年）等。进入60年代，医用高分子材 料开始进入一个崭新的发展时期。,2019/4/20,材料,1960s 可生物降解聚合物，如：Polylactide(PLA) 1970-80s 隐形眼镜（Contact lens），药物控
7、制释放(drug controlled release) 1990s- 聚合物在生物医用材料中的占有率超过一半,2019/4/20,材料,2019/4/20,材料,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。,2019/4/20,材料,4. 医用高分子材料的要求,（Requirements for biomedical polymers） Ba
8、sic requirements 安全性Biocompatibility/Biostability / Biodegradability 灭菌性Sterilizability,2019/4/20,材料,2019/4/20,材料,Requirements for biomedical polymers Other requirements according to specific applications 加工成型性machine-shaping properties 机械性能与稳定性Mechanical properties 环境敏感性Environmental sensitivity 表面
9、性能与结构多空性Surface properties/Porosity 亲疏水性Hydrophilicity / hydrophobicity ,2019/4/20,材料, 不会致癌 根据现代医学理论认为，人体致癌的原因是由 于正常细胞发生了变异。当这些变异细胞以极其迅 速的速度增长并扩散时，就形成了癌。而引起细胞 变异的因素是多方面的，有化学因素、物理因素， 也有病毒引起的原因。,安全性,具有良好的血液相容性 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，应用高分子对血液的相容性是所有性能中最重要的。,2019/4/20,材料,通常，当人体的表皮受到损伤时，流出的血
10、液会自动凝固，称为血栓。 血液相容性指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。 实际上，血液在受到下列因素影响时，都可能发生血栓： 血管壁特性与状态发生变化； 血液的性质发生变化； 血液的流动状态发生变化。,2019/4/20,材料, 具有良好的组织相容性 有些高分子材料本身对人体有害，不能用作医用材料。而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。,2019/4/20,材料,灭菌性,高分
11、子材料在植入体内之前，都要经过严格的 灭菌消毒。目前灭菌处理一般有三种方法：蒸汽灭 菌、化学灭菌、射线灭菌。国内大多采用前两种 方法。因此在选择材料时，要考虑能否耐受得了。,2019/4/20,材料,能经受必要的清洁消毒措施而不产生变性,机械强度,2019/4/20,材料,2019/4/20,材料,表9-1 高分子材料在狗体内的机械稳定性,5. 材料界面性质对血液相容性的关系,材料界面性质与血液界面性能的不同可能造成吸附改变蛋白质的形状以及排列，产生溶血、凝血或者血栓 改善措施 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、白蛋白等） 引入负离子（血液中多组分呈
12、负电性） 生成伪内膜,2019/4/20,材料,高分子材料表面亲/疏水性的改善,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。,2019/4/20,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。,2019/4/20,材料,制备具有微相分离结构的材料 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。,2019/
13、4/20,材料,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。,2019/4/20,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。,2019/4/20,材料,高分子材料的肝素化 肝素是一种硫酸多糖类物质（见下式），含
14、有SO3-，COO-及NHSO3-等功能基团。是最早被认识的天然抗凝血产物之一。,2019/4/20,材料,将肝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。,2019/4/20,材料,2019/4/20,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,使材料表面带上负电荷的基团,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。,2019/4/20,材料,材料表面伪内膜化 人们发
15、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， 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。,2019/4/20,材料,9.2 生物惰性医用高分子材料,聚氯乙烯 有机硅类涤纶 聚四氟乙烯 聚丙烯 高密度聚乙烯 聚丙烯酸酯类 聚氨酯 室温固化环氧树酯 精制天然橡胶 无机高分子聚磷腈,2019/4/20,材料,2019/4/20,材料,表9-2 用于人工脏器的部分高
16、分子材料,2019/4/20,材料,表9-2 用于人工脏器的部分高分子材料,2019/4/20,材料,Biodegradable polymers,Aliphatic polyesters,Aliphatic polycarbonates,聚乳酸,聚2-羟基乙酸,9.3 可降解生物高分子材料 （biodegradable polymers）,结构与性能 合成 应用,2019/4/20,材料,2019/4/20,材料,2019/4/20,材料,2019/4/20,材料,2019/4/20,材料,合成可降解高分子材料,（synthetic biodegradable polymers）,聚酯 聚碳酸酯 聚磷酸酯 聚酸酐,2019/4/20,材料,聚乳酸,聚2-羟基乙酸,2019/4
