医用高分子材料2

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1、1,1 高分子人工脏器及部件的应用现状 高分子材料作为人工脏器、人工血管、人工骨 骼、人工关节等的医用材料，正在越来越广泛地得 到运用。人工脏器的应用正从大型向小型化发展， 从体外使用向内植型发展，从单一功能向综合功能 型发展。,高分子材料在医学领域的应用,2,根据人工脏器和部件的作用及目前研究进展， 可将它们分成五大类： 第一类：能永久性地植入人体，完全替代原来 脏器或部位的功能，成为人体组织的一部分。如人工血管、人工心脏瓣膜、人工食道、人工气管、人工胆道、人工尿道、人工骨骼、人工关节等。,3,第二类：在体外使用的较为大型的人工脏器装 置、主要作用是在手术过程中暂时替代原有器官的 功能。例如

2、人工肾脏、人工心脏、人工肺等。这类 装置的发展方向是小型化和内植化，最终能植入体 内完全替代原有脏器的功能。,4,第三类：功能比较单一，只能部分替代人体脏器的功能，例如人工肝脏等。这类人工脏器的研究方向是多功能化，使其能完全替代人体原有的较为复杂的脏器功能。 第四类：正在进行探索的人工脏器。指那些功能特别复杂的脏器，如人工胃、人工子宫等。,5,第五类：整容性修复材料，如人工耳朵、人工 鼻子、人工乳房、假肢等。这些部件一般不具备特 殊的生理功能，但能修复人体的残缺部分，使患者 重新获得端正的仪表。 要制成一个完整的人工脏器，必须有能源，传 动装置、自动控制系统及辅助装置或多方面的配 合。然而，不

3、言而喻，其中高分子材料乃是目前制 造人工脏器的关键材料。,6,用于人工脏器的部分高分子材料,7,8,9,2 医用高分子材料的应用 2.1 血液相容性材料与人工心脏 许多医用高分子在应用中需长期与肌体接触， 必须有良好的生物相容性，其中血液相容性是最重 要的性能。人工心脏、人工肾脏、人工肝脏、人工 血管等脏器和部件长期与血液接触，因此要求材料 必须具有优良的抗血栓性能。,10,近年来，在对高分子材料抗血栓性研究中，发 现具有微相分离结构的聚合物往往具有优良的血液 相容性，因而引起人们极大的兴趣。例如在聚苯乙 烯、聚甲基丙烯酸甲酯的结构中接枝上亲水性的甲 基丙烯酸羟乙酯，当接枝共聚物的微区尺寸 在

4、2030 nm范围内时，就有优良的抗血栓性。,11,在微相分离高分子材料中，国内外研究得最活 跃的是聚醚型聚氨酯，或称聚醚氨酯。聚醚氨酯是 一类线型多嵌段共聚物，宏观上表现为热塑性弹性 体，具有优良的生物相容性和力学性能，因而引起 人们广泛的重视。,12,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。,作为医用高分子材料的嵌段聚醚氨酯（SPEU）的一般结构式如下：,13,这类聚合物的共同特点是分子结构都是由软链 段和硬链段两部分组成的，分子间有较强的氢键和 范得华力。聚醚软段聚集形成连续相

5、，而由聚氨酯 和聚脲组成的硬链段聚集而成的分散相微区则分散 在连续相中，因此具有足够的强度和理想的弹性。 同时分子链中的聚醚链段和聚氨酯、聚脲链段分别 提供了材料的亲水、疏水平衡。,14,研究表明，嵌段聚醚氨酯与血小板、细胞的相 互作用，与聚醚软段的分子量、微相分离的程度、 微区的大小、表面化学组成、表面结构等因素密切 相关。另外聚醚氨酯的血液相容性与聚醚链段的亲水性有很大关系，由亲水性较好的聚乙二醇链段制备的聚醚氨酯，抗血栓性较好。,15,聚离子络合物（Polyion Complex）是另一类具 有抗血栓性的高分子材料。它们是由带有相反电荷 的两种水溶性聚电解质制成的。例如美国Amicon公

6、 司研制的离子型水凝胶Ioplex l01是由聚乙烯基苄 基三甲基铵氯化物与聚苯乙烯磺酸钠通过离子键结 合得到的。,16,这种聚合物水凝胶的含水量与正常血管相似， 并可调节这两种聚电解质的比例，制得中性的、阳 离子型的或阴离子型的产品。其中负离子型的材料 可以排斥带负电荷的血小板，更有利于抗凝血。类 似的产品还有聚对乙基苯乙烯三乙基铵溴化物与聚 苯乙烯硝酸钠制得的产物，也是一种优良的人工心 脏、人工血管的制作材料。,17,2.2 人造皮肤材料 治疗大面积皮肤创伤的病人，需要将病人的正 常皮肤移植在创伤部位上。但在移植之前，创伤面 需要清洗，被移植皮肤需要养护，因此需要一定时 间。在这段时间内，

7、许多病人由于体液的大量损耗 以及蛋白质与盐分的丢失而丧失生命。因此，人们 用高亲水性的高分子材料作为人造皮肤，暂时覆盖 在深度创伤的创面上，以减少体液的损耗和盐分的 丢失，从而达到保护创面的目的。,18,聚乙烯醇微孔薄膜和硅橡胶多孔海绵是制作人 造皮肤的两种重要材料。这两种人造皮肤使用时手 术简便，抗排异性好，移植成活率高，已应用于临 床。高吸水性树脂用于制作人造皮肤方面的研究， 亦已取得很多成果。此外，聚氨基酸、骨胶原、角 蛋白衍生物等天然改性聚合物也都是人造皮肤的良 好材料。,19,据报道，日本市场上近年出现一种高效人造皮 肤，对严重烧伤的患者十分有效。这种人造皮肤的 原料是甲壳质材料，从

8、螃蟹壳、虾壳等物质中萃取 出来，经过抽制成丝，再进行编织。这种人造皮肤 具有生理活性，可代替正常皮肤进行移植，因此可 减少患者再次取皮的痛苦。临床试验表明，这种皮 肤的移植成活率达90以上。,20,将人体的表皮细胞在高分子材料上粘附、增 殖，从而制备有生理活性的人工皮肤，是近年来 的又一研究动向，并已取得相当的成就。例如将 由骨胶原和葡糖胺聚糖组成的多孔膜与有机硅材 料复合形成双层膜。将少量取自患者皮肤的表面 细胞置于多孔膜上，覆在创伤面上。不久表皮细 胞即在多孔膜上增殖而形成皮肤。然后将有机硅 膜剥下，多孔膜则被酶降解，被人体所吸收。,21,2.3 医用粘合剂 粘合剂作为高分子材料中的一大类

9、别，近年来 已扩展到医疗卫生部门，并且其适用范围正随着粘 合剂性能的提高、使用趋于简便而不断扩大。医用 粘合剂在医学临床中有十分重要的作用。在外科手 术中，医用粘合剂用于某些器官和组织的局部粘合 和修补；手术后缝合处微血管渗血的制止；骨科手 术中骨骼、关节的结合与定位；齿科手术中用于牙 齿的修补等。,22,从医用粘合剂的使用对象和性能要求来区分， 可分成两大类，一类是齿科用粘合剂，另一类则是 外科用（或体内用）粘合剂。由于口腔环境与体内 环境完全不同，对粘合剂的要求也不相同。此外， 齿科粘合剂用于修补牙齿后，通常需要长期保留， 因此，要求具有优良的耐久性能。而外科用粘合剂 在用于粘合手术创伤后

10、，一旦组织愈合，其作用亦 告结束，此时要求其能迅速分解，并排出体外或被 人体所吸收。,23,（1）齿科用粘合剂 齿科用粘合剂的历史可追溯到半个世纪以前。 1940年，首次用于齿科修补手术的高分子材料是聚 甲基丙烯酸甲酯。它是将甲基丙烯酸甲酯乳液与甲 基丙烯酸甲酯单体混合，然后在修补过程中聚合固 化。这种粘合剂的硬度与粘结力均不够高，所以很 快被淘汰。1965年出现了以多官能度甲基丙烯酸酯 为基料，无机粉末为填料的复合粘合剂，性能大大 提高，至今仍在齿科修复中广泛应用。,24,牙科中使用的粘合剂，按照其被粘物的不同， 可分为软组织用粘合剂和硬组织用粘合剂两大类。 1) 软组织用粘合剂 这是一类用

11、于齿龈或口腔粘膜等软组织的粘合 剂。以前软组织的缝合是通过缝合线手术完成的。 粘合剂用于口腔内软组织的粘合，不仅快速，无痛 苦，而且能促进肌体组织的自愈能力，因此这方面 的应用越来越受到欢迎。,25,软组织的粘合目的是促进组织本身的自然愈 合，所以通常只要保持一星期到10天左右的粘结力 就可以了。但是它必须能迅速粘结，能与水分，脂 肪等共存，无毒，不会产生血栓，而且不妨碍创伤 的愈合过程，分解产物对肌体无影响。遗憾的是至 今尚无能全面符合这些条件的理想粘合剂。因此， 目前在进行口腔软组织手术时，都是粘合与缝合并 用的。,26,最早用于齿科软组织粘合的粘合剂是氰基 丙烯酸烷基酯。但这种粘合剂在有

12、大量水分存在的 口腔中粘结比较团难，所以现在已不再使用。取而 代之的是称为EDH的组织粘合剂。EDH组织粘合剂的 组成是氰基丙烯酸甲酯、丁腈橡胶和聚异氰酸 酯按100:100:1020（重量比）的比例配制而成， 再制成67的硝基甲烷溶液。,27,这种粘合剂具有较好的挠屈性和活体组织粘结 性，最早是用作预防脑动脉瘤破裂的涂层，后来 发现对齿科软组织的粘合也有很好的效果。如用作 齿槽脓漏症手术创面的粘合、牙根切除手术中牙根 断端部分的包覆等。,28,2) 牙齿硬组织用粘合剂 牙齿的主要组成物为牙釉质、牙骨质、牙本质 和齿髓。牙釉质和牙骨质构成齿冠的外层，最硬， 莫氏硬度为67，主要成分为羟基磷灰石

13、。牙本质 稍软，莫氏硬度为45，含较多的有机质和水分。 牙齿中心部位的齿髓则含有丰富的血管和神经活组 织。牙釉质、牙本质和齿髓的材性差别很大，故粘 结比较困难。虽然经过长期的努力，但至今尚无十分理想的粘合剂。,29,目前常用的齿科粘合剂主要有以下品种： 磷酸锌粘固剂 羧基化粘固剂 玻璃离子键聚合物粘固剂 聚甲基丙烯酸酯粘合剂,30,目前最重要的齿科粘合剂是双酚A双(3甲 基丙烯酰氧基2羟丙基)醚,简称BisGMA。它 的分子中同时具有亲水基和疏水基，因此，粘结性 能优良，可用作补牙用复合充填树脂。它是一种双 官能团单体，聚合时放热少，体积收缩小，聚合后 成体型结构，耐磨，膨胀系数小。用紫外光照

14、射或 用过氧化苯甲酰N,N双（羟乙基）对甲苯 胺引发体系引发，可在室温下快速聚合。,31,BisGMA的化学结构式如下：,32,(2) 外科用粘合剂 外科用粘合剂的应用范围很广，如胃、肠道、 胆囊等消化器官的吻合；血管、气管、食道、尿道 的修补和连接；皮肤、腹膜的粘合；神经的粘合； 肝、肾、胰脏切除手术后的粘合；肝、肾、胰、肺 等器官的止血；缺损组织的修复；骨骼的粘合等。 其中大部分是对软组织的粘合。,33,外用粘合剂的使用目的与部位,34,外科用粘合剂经过50多年的发展，至今已有几 十种品种。但根据使用要求，仍以较早开发的 氰基丙烯酸酯最为合适。 -氰基丙烯酸酯是一类瞬时粘合剂，单组分无 溶

15、剂，粘结时无需加压，可常温固化，粘结后无需 特殊处理。由于其粘度低，铺展性好，固化后无色 透明，有一定的耐热性和耐溶剂性。,35,尤其可贵的是-氰基丙烯酸酯能与比较潮湿的 人体组织强烈结合，因而被选作理想的外科用粘合 剂，而且是迄今为止唯一用于临床手术的粘合剂。 -氰基丙烯酸酯类粘合剂在使用时以-氰基 丙烯酸烷基酯为主要成分，加入少量高级多元醇酯 （如癸二酸二辛酯等）作增塑剂，可溶性聚合物 （如聚甲基丙烯酸酯）作增粘剂，氢醌和二氧化硫 作稳定剂组成的。,36,-氰基丙烯酸烷基酯是丙烯酸酯中位置上 的氢原子被氰基取代的产物，其结构通式如下。 其中的烷基可以从甲基到辛基变化。临床应用 中主要是甲基

16、、乙基和丁基。实验室中还对其他直 链烷基和带有侧链的以及氟代的烷基进行过研究。,37,由于位置上的氰基是一个吸电子性很强的基 团，可使碳原子呈现很强的正电性，因此有很大 的聚合倾向。其聚合过程如下图所示。,38,当-氰基丙烯酸酯在空气中暴露或与潮湿表面接触时，OH离子迅速引发其聚合。这就是它能作为瞬间粘合剂的原因。此外-氰基丙烯酸酯在光、热、自由基引发剂作用下亦很容易进行自由基聚合反应。,39,-氰基丙烯酸酯的聚合速度和对人体组织的 影响与烷基的种类关系很大。氰基丙烯酸甲酯 的聚合速度最快，但对人体组织的刺激性最大。随 着烷基的长度和侧链碳原子数的增加，聚合速度降 低，刺激性也减小。在水、生理盐水、葡萄糖水溶 液、人尿中甲酯、乙酯和丙酯的粘合速度较快； 而在乳汁、血清、淋巴液等含有氨基酸的物质中， 则以丁酯和辛酯的粘合速度较快。,40,-氰基丙烯酸酯聚合物在人体内会分解成甲 醛和氰基醋酸烷基酯。分解速度随烷