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1、1,1,医用高分子材料,王平山，博士 教授，博士生导师,医用高分子材料 （临床医学）,2,2,医用高分子材料 （临床医学）,高长有，马列 编著,赵长生 主编,3,（2）对人体组织不会引起炎症或异物反应 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。,医用高分子材料 （临床医学）,4,（3）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
2、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。,医用高分子材料 （临床医学）,5,医用高分子材料 （临床医学）,Brian Cancer,Brian Cancer Cell,6,医用高分子材料 （临床医学）,Cancer Cell Under Attack by the Immune System,7,医用高分子材料 （临床医学）,受体酪氨酸激酶（RTK）通路利用蛋白质Sos和Ras之间的相互作用，并会导致一些癌症和其他疾病的分子变化。 纽约大学化学系和纽约大学隆根医学中心的科学家研发出了一
3、种新高分子化合物，能阻止与很多癌症有关的蛋白质的信号传导，这对抑制癌细胞的生长至关重要。 人造Sos有高分子或大分子的结构，能阻止Sos和Ras之间相互作用。,8,医用高分子材料 （临床医学）,化学致癌物质：其种类最多，分布极广。 无机化合物如：石棉砷化物铬化物等 放射性元素钴、镭、氡等 有机化合物如：联安苯，烯环烃有机亚硝酸，黄曲毒素等都是化学致癌因子,9,医用高分子材料 （临床医学）,多环或杂环芳烃如苯并(a)芘、苯并(a)蒽等；单环芳香胺（如邻甲苯胺、邻茴香胺）；双环或多环芳香胺（如2-萘胺、联苯胺等）；喹啉（如苯并（g）喹啉等）；硝基呋喃；偶氮化合物(如二甲氨基偶氮苯等)；链状或环状亚
4、硝胺类几乎都致癌。,10,医用高分子材料 （临床医学）,具有广谱及较强抗菌活性，对革兰阳性及阴性菌均有抑制作用,长期大剂量服用可出现粒细胞减少、血小板减少,磺胺嘧啶,11,当医用高分子材料植入人体后，高分子材料本 身的性质，如化学组成、交联度、相对分子质量及 其分布、分子链构象、聚集态结构、高分子材料中 所含的杂质、残留单体、添加剂都可能与致癌因素 有关。但研究表明，在排除了小分子渗出物的影响 之外，与其他材料相比，高分子材料本身并没有比 其他材料更多的致癌可能性。,医用高分子材料 （临床医学）,12,（4）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
5、触。因此，医用高分子对 血液的相容性是所有性能中最重要的。 高分子材料的血液相容性问题是一个十分活跃 的研究课题，但至今尚未制得一种能完全抗血栓的 高分子材料。这一问题的彻底解决，还有待于各国 科学家的共同努力。,医用高分子材料 （临床医学）,13,医用高分子材料 （临床医学）,LDPE PP PTFE PMMA Poly(2-hydroxyethyl methacrylate),14,（5）长期植入体内不会减小机械强度 许多人工脏器一旦植入体内，将长期存留，有 些甚至伴随人们的一生。因此，要求植入体内的高 分子材料在极其复杂的人体环境中，不会很快失去 原有的机械强度。 事实上，在长期的使用过
6、程中，高分子材料受 到各种因素的影响，其性能不可能永远保持不变。 我们仅希望变化尽可能少一些，或者说寿命尽可能 长一些。,医用高分子材料 （临床医学）,15,一般来说，化学稳定性好的，不含易降解基团 的高分子材料，机械稳定也比较好。如聚酰胺的酰 胺基团在酸性和碱性条件下都易降解，因此，用作 人体各部件时，均会在短期内损失其机械强度，故 一般不适宜选作植入材料。而聚四氟乙烯的化学稳 定性较好，其在生物体内的稳定性也较好。表91 是一些高分子以纤维形式植入狗的动脉后其机械强 度的损失情况。,医用高分子材料 （临床医学）,16,医用高分子材料 （临床医学）,表91 高分子材料在狗体内的机械稳定性,1
7、7,（6）能经受必要的清洁消毒措施而不产生变性 高分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。,医用高分子材料 （临床医学）,18,（7）易于加工成需要的复杂形状 人工脏器往往具有很复杂的形状，因此，用于 人工脏器的高分子材料应具有优良的成型性能。否 则，即使各项性能都满足医用高分子的要求，却无 法加工成所需的形状，则仍然是无法应用的。 此外还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。应严格控制原料的纯 度。加工助剂必须符合医用标准。生产环境应当
8、具 有适宜的洁净级别，符合国家有关标准。,医用高分子材料 （临床医学）,19,与其他高分子材料相比，对医用高分子材料的 要求是非常严格的。对于不同用途的医用高分子材 料，往往又有一些具体要求。在医用高分子材料进 入临床应用之前，都必须对材料本身的物理化学性 能、机械性能以及材料与生物体及人体的相互适应 性进行全面评价，然后经国家管理部门批准才能进 入临床使用。,医用高分子材料 （临床医学）,20,2. 高分子材料的生物相容性 生物相容性是指植入生物体内的材料与肌体之 间的适应性。对生物体来说，植入的材料不管其结 构、性质如何，都是外来异物。出于本能的自我保 护，一般都会出现排斥现象。这种排斥反
9、应的严重 程度，决定了材料的生物相容性。因此提高应用高 分子材料与肌体的生物相容性，是材料和医学科学 家们必须面对的课题。,医用高分子材料 （临床医学）,21,由于不同的高分子材料在医学中的应用目的不 同，生物相容性又可分为组织相容性和血液相容性 两种。组织相容性是指材料与人体组织，如骨骼、 牙齿、内部器官、肌肉、肌腱、皮肤等的相互适应 性，而血液相容性则是指材料与血液接触是不是会 引起凝血、溶血等不良反应。,医用高分子材料 （临床医学）,22,2.1 高分子材料的组织相容性 2.1.1 高分子材料植入对组织反应的影响 高分子材料植入人体后，对组织反应的影响因 素包括材料本身的结构和性质（如微
10、相结构、亲水 性、疏水性、电荷等）、材料中可渗出的化学成分 （如残留单体、杂质、低聚物、添加剂等）、降解 或代谢产物等。此外，植入材料的几何形状也可能 引起组织反应。,医用高分子材料 （临床医学）,23,（1）材料中渗出的化学成分对生物反应的影响 材料中逐渐渗出的各种化学成分（如添加剂、 杂质、单体、低聚物以及降解产物等）会导致不同 类型的组织反应，例如炎症反应。组织反应的严重 程度与渗出物的毒性、浓度、总量、渗出速率和持 续期限等密切相关。一般而言，渗出物毒性越大、 渗出量越多，则引起的炎症反应越强。,医用高分子材料 （临床医学）,24,例如，聚氨酯和聚氯乙烯中可能存在的残余单 体有较强的毒
11、性，渗出后会引起人体严重的炎症反 应。而硅橡胶、聚丙烯、聚四氟乙烯等高分子的毒 性渗出物通常较少，植入人体后表现的炎症反应较 轻。 如果渗出物的持续渗出时间较长，则可能发展 成慢性炎症反应。如某些被人体分解吸收较慢的生 物吸收性高分子材料容易引起慢性无菌性炎症。,医用高分子材料 （临床医学）,25,（2）高分子材料的生物降解对生物反应的影响 高分子材料生物降解对人体组织反应的影响取 决于降解速度、产物的毒性、降解的持续期限等因 素。降解速度慢而降解产物毒性小，一般不会引起 明显的组织反应。但若降解速度快而降解产物毒性 大，可能导致严重的急性或慢性炎症反应。如有报 道采用聚酯材料作为人工喉管修补
12、材料出现慢性炎 症的情况。,医用高分子材料 （临床医学）,26,（3）材料物理形态等因素对组织反应的影响 高分子材料的物理形态如大小、形状、孔度、 表面平滑度等因素也会影响组织反应。另外，试验 动物的种属差异、材料植入生物体的位置等生物学 因素以及植入技术等人为因素也是不容忽视的。 一般来说，植入体内材料的体积越大、表面越 平滑，造成的组织反应越严重。植入材料与生物组 织之间的相对运动，也会引发较严重的组织反应。,医用高分子材料 （临床医学）,27,曾对不同形状的材料植入小白鼠体内出现肿瘤 的情况进行过统计，发现当植入材料为大体积薄片 时，出现肿瘤的可能性比在薄片上穿大孔时高出一 倍左右。而海
13、绵状、纤维状和粉末状材料几乎不会 引起肿瘤（见表92）。,医用高分子材料 （临床医学）,28,医用高分子材料 （临床医学）,表92 不同形状的材料对产生肿瘤的影响* （%）,* 试验周期为两年,29,原因可能是由于材料的植入使周围的细胞代谢 受到障碍，营养和氧的供应不充分以及长期受到异 物刺激而使细胞异常分化、产生变异所致。而当植 入材料为海绵状、纤维状和粉末状时，组织细胞可 围绕材料生长，因此不会由于营养和氧的不足而变 异，因此致癌危险性较小。,医用高分子材料 （临床医学）,30,2.1.2 高分子材料在体内的表面钙化 观察发现，高分子材料在植入人体内后，再经 过一段时间的试用后，会出现钙化
14、合物在材料表面 沉积的现象，即钙化现象。钙化现象往往是导致高 分子材料在人体内应用失效的原因之一。试验结果 证明，钙化现象不仅是胶原生物材料的特征，一些 高分子水溶胶，如聚甲基丙烯酸羟乙酯在大鼠、仓 鼠、荷兰猪的皮下也发现有钙化现象。,医用高分子材料 （临床医学）,31,用等离子体发射光谱法分析钙化沉积层的元素 组成，发现钙化层中以钙、磷两种元素为主，钙磷 比为1.611.69，平均值1.66，与羟基磷灰石中的 钙磷比1.67几乎相同，此外还含有少量的锌和镁。 这表明，钙化现象是高分子材料植入动物体内后， 对肌体组织造成刺激，促使肌体的新陈代谢加速的 结果。,医用高分子材料 （临床医学）,32
15、,影响高分子材料表面钙化的因素很多，包括生 物因素（如物种、年龄、激素水平、血清磷酸盐水 平、脂质、蛋白质吸附、局部血流动力学、凝血 等）和材料因素（亲水性、疏水性、表面缺陷） 等。一般而言，材料植入时，被植个体越年青，材 料表面越可能发生钙化。多孔材料的钙化情况比无 孔材料要严重。,医用高分子材料 （临床医学）,33,2.1.3 高分子材料的致癌性 虽然目前尚无足够的证据说明高分子材料的植 入会引起人体内的癌症。但是，许多试验动物研究 表明，当高分子材料植入鼠体内时，只要植入的材 料是固体材料而且面积大于1cm2，无论材料的种类 （高分子、金属或陶瓷）、形状（膜、片状或板 状）以及材料本身是
16、否具有化学致癌性，均有可能 导致癌症的发生。这种现象称为固体致癌性或异物 致癌性。,医用高分子材料 （临床医学）,34,根据癌症的发生率和潜伏期，高分子材料对大 鼠的致癌性可分为三类。 能释放出小分子致癌物的高分子材料，具有 高发生率，潜伏期短的特征。 本身具有癌症原性的高分子材料，发生率较 高，潜伏期不定； 只是作为简单异物的高分子材料，发生率较 低，潜伏期长。显然只有第三类高分子材料才有可 能进行临床应用。,医用高分子材料 （临床医学）,35,研究发现，异物致癌性与慢性炎症反应、纤维 化特别是纤维包膜厚度密切相关。例如当在大鼠体 内植入高分子材料后，如果前312 个月内形成的 纤维包膜厚度大于0.2 mm，经过一定的潜伏期后通 常会出现癌症。而低于此值，癌症很少发生。因此 0.2 mm可能是诱发鼠体癌症的临界纤维包膜厚度。,医用高分子材料 （临床医学）,36,2.2 高分子材料的血液相容性 2.2.1 高分子材料的凝血作用 （1）血栓的形成 通常
