《第5章 医用高分子材料》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第5章 医用高分子材料（89页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第第5 5章章 医用高分子材料医用高分子材料生物医用高分子材料生物医用高分子材料人工器官人工器官医用粘合剂医用粘合剂 药用高分子材料药用高分子材料高分子免疫佐剂高分子免疫佐剂 医用诊断高分子医用诊断高分子生物医用高分子材料的发展概况与趋势生物医用高分子材料的发展概况与趋势 目录5.1 5.1 生物医用高分子材料概述植入材料的种植入材料的种类类很多，而高分子材料的使用最很多，而高分子材料的使用最为为广泛，据广泛，据统计统计，近近10年来医用高分子材料的使用占全部生物材料的年来医用高分子材料的使用占全部生物材料的47%。医用高分子材料按照材料的性医用高分子材料按照材料的性质质划分包括划分包括生物惰
2、性高分子材料生物惰性高分子材料和生物可降解高分子材料和生物可降解高分子材料两两类类。生物惰性材料生物惰性材料的的要求要求：不受体液不受体液环境中酶、酸、境中酶、酸、碱碱等的破坏等的破坏。常常见的有尼的有尼龙、聚硅、聚硅氧氧烷、聚乙、聚乙烯、聚丙、聚丙烯、聚丙、聚丙烯酸酸酯、碳碳氟氟聚合物、橡聚合物、橡胶胶等等。通常用于通常用于韧带、肌腱、皮、肌腱、皮肤肤、血管、骨骼、牙、血管、骨骼、牙齿等人体等人体软、硬、硬组织器官的修器官的修复复和替和替换。5.1.1 5.1.1 植入材料必须满足的条件v（1）化学隋性，不会因与体液接触而发生反应；v（2）对人体组织不会引起炎症或异物反应；v（3）不会致癌,
3、高分子材料本身并没有比其他材料更多的致癌可能性；v（4）具有良好的血液相容性(最重要)；v（5）长期植入体内后其力学性能不会受到影响；v（6）能经受必要的清洁消毒措施而不产生物理和化学性质的变化；v（7）易于成型和加工成需要的复杂形状。5.1.2 5.1.2 高分子材料的生物相容性v生物相容性：植入材料在植入生物体之后与机体之间发生一系列的生物反应并最终被生物体所接受的性质。v对生物体来说，植入材料不管其结构、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。v由于不同的高分子材料在医学中的应用目的不同，生物相容性可分为组织相容性和血液相容性两种。v组织相容性：材料与人体组织，
4、如骨骼、牙齿、内部器官、肌肉、肌腱、皮肤等的相互适应性。v血液相容性：材料与血液接触是不是会引起凝血、溶血等不良反应。5.1.3 5.1.3 高分子材料的组织相容性v高分子材料对组织反应的影响因素主要包括：1.材料本身的结构和性质（如微相结构、亲水性、疏水性、电荷等）2.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）3.降解或代谢产物4.植入材料的几何形状v1.组织相容性的要求：v活体组织不发生炎症，排斥，材料不发生钙沉着等。v2.提高血液相容性的技术表面修饰：（1）使表面带负电荷，提高对正电粒子的吸附作用；（2）提高表面亲水性，降低表面自由能，将PEG或肝素通过接枝方法固定在高
5、分子材料表面上以提高其抗凝血性；（3）设计微相分离结构；（4）改变表面粗糙度。以嵌段共聚高分子材料为例, 它由两种或多种 不同性质的单体段聚合而成. 当单体之间不相容 时, 它们倾向于发生相分离, 但由于不同单体之间 有化学键相连, 不可能形成通常意义上的宏观相 变, 而只能形成纳米到微米尺度的相区, 这种相分 离通常称为微相分离, 不同相区所形成的结构称为 微相分离结构. 5.2 5.2 高分子材料的特性v高分子材料：一类相对分子质量比一般有机化合物高得多的化合物。v一般有机化合物的相对分子质量只有几十到几百，高分子化合物是通过小分子单体聚合而成的相对分子质量高达上万甚至上百万的聚合物。v通
6、常高分子材料可以压延成膜；可以纺制成纤维；可以挤铸或模压成各种形状的构件；可以产生强大的粘结能力；可以产生巨大的弹性形变；并具有质轻、绝缘、高强、耐热、耐腐蚀、自润滑等许多独特的性能。v高分子材料的性能是其内部结构和分子运动的具体反映。v高分子材料的高分子链通常由上万到上百万个结构单元组成。图图5-1 5-1 多孔高分子材料的断口电镜照片多孔高分子材料的断口电镜照片高分子结构通常分为高分子结构通常分为链结构和聚链结构和聚集态结构集态结构两个部分。两个部分。链结构链结构是指单个高分子化合物分是指单个高分子化合物分子的结构和形态，所以链结构又可子的结构和形态，所以链结构又可分为近程和远程结构。分为
7、近程和远程结构。近程结构近程结构属于化学结构，也称一属于化学结构，也称一级结构，包括链中原子的种类和排级结构，包括链中原子的种类和排列、取代基和端基的种类、结构单列、取代基和端基的种类、结构单元的排列顺序、支链类型和长度等。元的排列顺序、支链类型和长度等。远程结构远程结构是指分子的尺寸、形态，是指分子的尺寸、形态，链的柔顺性以及分子在环境中的构链的柔顺性以及分子在环境中的构象，也称二级结构。象，也称二级结构。聚集态结构聚集态结构是指高聚物材料整体是指高聚物材料整体的内部结构，包括晶体结构、非晶的内部结构，包括晶体结构、非晶态结构、取向态结构、液晶态结构态结构、取向态结构、液晶态结构等有关高聚物
8、材料中分子的堆积情等有关高聚物材料中分子的堆积情况，统称为三级结构。况，统称为三级结构。5.2.1 5.2.1 近程结构 1. 高分子链的组成v高分子是链状结构，高分子链是由单体通过加聚或缩聚反应连接而成的链状分子。v通常的有机高分子化合物，它是由碳-碳主链或由碳与氧、氮或硫等元素形成主链的高聚物，即均链高聚物或杂链高聚物。v高密度聚乙烯(HDPE)结构为CH2CH2n，是高分子中分子结构最为简单的 一 种 ， 它 的 单 体 是 乙 烯 ， 重 复 单 元 即 结 构 单 元 为 CH2CH2 ，称为链节，n为链节数，亦为聚合度。v聚合物为链节相同，聚合度不同的混合物，这种现象叫做聚合物分子
9、量的分散性。v对于结构完全对称的单体(如乙烯、四氟乙烯)，只有一种连接方式；对于CH2=CHX或CH2=CX2类单体，由于其结构不对称，形成高分子链时可能有三种不同键接方式：头-头连接，尾-尾连接，头-尾连接。v 2高分子链的形态v如果在缩聚过程中有三个或三个以上的官能度的单体存在，或是在加聚过程中有自由基的链转移反应发生，或是双烯类单体第二键被活化等，则单体单元的键接顺序通常有无规、交替、嵌段和接枝之分，能生成支化的或交联的高分子。支化高分子又有星型、梳型和无规支化之分。v1) 线型分子链v由许多链节组成的长链，通常是卷曲为团状，这类高聚物有较高的弹性、塑性好、硬度低，是典型的热塑性材料的结
10、构，如图5-3中所示。IIIIII图图5-3 5-3 高分子链结构示意图高分子链结构示意图 (线型结构；线型结构；IIII支链型结构；支链型结构；IIIIII交联网状结构交联网状结构) )v2) 支链型分子链在主链上带有支链，这类高聚物的性能和加工成型能力都接近线型分子链高聚物。线型和支链型高分子加热可熔化，也可溶于有机溶剂，易于结晶，因此可反复加工成型，称作“热塑性树脂”。合成纤维和大多数塑料都是线型分子。v3) 体型分子链分子链之间有许多链节互相交联，这类高聚物的硬度高、脆性大、弹性和塑性较低，这种形态也称为网状结构。体型高分子不溶于任何溶剂，也不能熔融，所以只能以单体或预聚状态进行成型，
11、一旦受热固化便不能再改变形状，称作“热固性树脂”。热固性树脂虽然加工成型比较复杂，但具有较好的耐热和耐蚀性能，一般硬度也比较高。v3. 高分子链的构型v构型是指高分子链中原子或基团在空间的几何排列顺序。构型表征了分子中最近邻原子间的相对位置，这种原子排列非常稳定，只有使化学键断裂和重组才能改变构型。构型分为旋光异构和几何异构两大类。v旋光异构：有机物能构成互为镜影的两种异构体，表现出不同的旋光性。v例如饱和氢化物中的碳构成一个四面体，碳原子位于四面体中心，4个基团位于四面体的顶点，当4个基团都不相同时，位于四面体中心的碳原子称为不对称原子，用C*表示，其特点是C*两端的链节不完全相同。有一个C
12、*存在，每一个链节就有两个旋光异构体。v根据它们在高分子链中的链接方式，聚合物链的立体构成分为三种： (a)全同立构，全部由一种旋光异构单元链接；(b)间同立构，由两种旋光异构单元交替链接；(c)无规立构，两种旋光异构单元完全无规链接。v无规立构通过使用特殊催化剂可以转换成有规立构，这种聚合方法称为定向聚合。v旋光异构会影响高聚物材料的性能，例如，全同立构的聚苯乙烯，其结构比较规整，能结晶，软化点为240；而无规立构的聚苯乙烯结构不规整，不能结晶，软化点只有80。v几何异构：由于聚合物内双键上的基团在双键两侧排列的方式不同，分为顺式和反式构型。v例如聚丁二烯利用不同催化系统，可得到顺式和反式构
13、型，前者为聚丁橡胶，后者为聚丁二烯橡胶，结构不同，性能就不完全相同。5.2.2 5.2.2 远程结构1. 分子量和聚合度v远程结构包括分子的大小与形态，链的柔顺性及分子在各种环境中的构象。v分子量是高分子大小的量度，但高分子的分子量只有统计意义，只能用统计平均值来表示，如数均分子量Mn和重均分子量Mw。v聚合度是表征高分子大小的参数，它是指高分子中所含的重复单元的数目，其值与分子量成正比。聚合度也具有统计平均意义。分子量和分子量分布是影响材料性能的重要因素。v聚合物的分子量或聚合度达到某一数值后，才能显示出有实用价值的机械强度，称为临界聚合度。v分子量分布对高分子材料的加工和使用有明显影响，2
14、. 高分子链的构象及柔顺性v高分子链的主链都是以共价键连接起来的，它有一定的键长和键角。如C-C键的键长为154pm，键角为10928。高分子在运动时C-C单键在保持键长和键角不变的情况下可绕轴任意旋转，这就是单键的内旋转。由单键内旋转引起的原子在空间占据不同位置所构成的分子链的各种形态称为高分子链的构象。高分子这种能由链上原子或基团构象变化使获得不同卷曲程度的特性称为高分子链的柔顺性。v高分子链的柔顺性与单链内旋转难易程度有关。分子结构对链的柔顺性有明显的影响，其中主链结构、侧基和链的长度都起作用。C-C键上总带有其他原子或基团，这些原子和基团之间存在着一定的相互作用，阻碍了单键的内旋转；单
15、键的内旋转是彼此受到牵制的，一个键的运动往往要牵连到邻近键的运动；通常链段越短大分子链柔顺性越大，链段越长柔顺性越小。高分子链的柔顺性是高聚物许多性能不同于低分子物质的主要原因。人工器官：人工器官：暂时或永久性地代替身体某些器官主要功能的人工装置，它是生物医学工程专业中一门新的学科，主要研究模拟人体器官的结构和功能，用人工材料和电子技术制成部分或全部替代人体自然器官功能的机械装置和电子装置研究应用比较成功的有人工血管、人工食道、人工尿道、人工心脏瓣膜、人工关节、人工骨等整形材料。5.3.1 5.3.1 分类v根据不同的分类方法人工器官可以分为如下几类：v1）按功能分：（1）支持运动功能的人工器
16、官，如人工关节、人工脊椎、人工骨、人工肌腱、肌电控制人工假肢等。（2）血液循环功能的人工器官，如人工心脏及其辅助循环装置、人工心脏瓣膜、人工血管、人工血液等。（3）呼吸功能的人工器官，如人工肺（人工心肺机）、人工气管、人工喉等。（4）血液净化功能的人工器官，如人工肾（血液透析机）、人工肺等。（5）消化功能的人工器官，如人工食管、人工胆管、人工肠等。（6）排尿功能的人工器官，如人工膀胱、人工输尿管、人工尿道等。（7）内分泌功能的人工器官，如人工胰、人工胰岛细胞。（8）生殖功能的人工器官，如人工子宫、人工输卵管、人工睾丸等。（9）神经传导功能的人工器官，如心脏起搏器、膈起搏器等。（10）感觉功能的
17、人工器官，如人工视觉、人工听觉（人工耳蜗）、人工晶体、人工角膜、人工听骨、人工鼻等。（11）其他类，人工硬脊膜、人工皮肤等。v2）按原理分：（1）机械式装置（如人工心脏瓣膜、人工气管、人工晶体等）（2）电子式装置（如人工耳蜗、人工胰、人工肾、心脏起搏器等）v3）按使用方式分：（1）植入式，如人工关节、人工心脏瓣膜、心脏起搏器。（2）体外式，如人工肾、人工肺、人工胰。这些体外式人工器官实际上都是由电子控制的精密机械装置。5.3.2 5.3.2 具体介绍1. 人工心脏和人工心脏瓣膜v人工心脏：利用外在机械动力的作用把血液输送到全身各器官以代替原有心脏功能的装置。v人工心脏制作所选用的材料主要为高分
18、子材料和金属材料。高分子材料用作人工心脏主体的制作；金属材料，如镍钛合金主要作为人工心脏瓣膜、心室，其坚固性、轻质、表面光滑性非常适于人工心脏。科学家们已经成功在实验室培植膀胱、尿道和气管组织并在临床实验中移植给病患开始把目光转向实验室培育更复杂组织器官的可能性，包括心脏，肾脏，肝脏，胰腺以及胸腺。这一医学进展将有助于延长人的预期寿命，因为它将极大地缩短需要器官移植的病人的等待时间。明尼苏达大学教授多丽丝泰勒(Doris Taylor)甚至已经成功地制成了一个跳动的人体心脏，方法是从一位自愿捐献者的心脏上剥离死亡的细胞组织并代之以新鲜的鲜活细胞。而北卡罗来纳州维克森林大学教授肖恩索克(Shay
19、 Soker)则成功获得了“迷你版”的人类肝脏，他运用取自老鼠肝脏的蛋白质“骨架”，并用人类肝脏干细胞在此基础上培育出一个肝脏。一、人工心一、人工心脏和人工心和人工心脏瓣膜瓣膜 用于人工心用于人工心脏泵体的高分子材料，除具体的高分子材料，除具备一般高分子材料的性能一般高分子材料的性能外，外，还特特别要求具有要求具有柔性、柔性、弹性、耐疲性、耐疲劳强度和抗血栓性强度和抗血栓性。若以一般若以一般成年人的心成年人的心脏每分每分钟平均搏平均搏动72次次为例，每日搏例，每日搏动次次数数高高达达10万次以万次以上，上，当从当从事体力事体力劳动时，还会会成倍增加，一年就要搏成倍增加，一年就要搏动3650多万
20、次。多万次。因此，作因此，作为永久性人工心永久性人工心脏泵的材料要考的材料要考虑到足到足够的安全系的安全系数数，必，必须具具备优异异的的耐耐挠曲性能曲性能。心。心脏每跳每跳动一次，搏出的血液量一次，搏出的血液量约在在3070mL。因而每分。因而每分钟将将有有45L的血液流的血液流经心心脏，多，多时可可达达1415L，为确保血液循确保血液循环畅通无阻，用高分子材料制成的心通无阻，用高分子材料制成的心脏泵体和隔膜的体和隔膜的内内表面必表面必须具有具有优异异的抗凝血性能。的抗凝血性能。 用于人工心用于人工心脏的主要材料有：的主要材料有：链段型聚段型聚醚氨氨酯、聚硅、聚硅氧氧烷与与聚聚氨氨酯的嵌的嵌断
21、断共聚物共聚物、硅橡、硅橡胶胶、聚、聚氯乙乙烯、聚四、聚四氟氟乙乙烯和聚和聚烯烃等。用于等。用于心心脏瓣膜的材料有：瓣膜的材料有：硅橡硅橡胶胶、热解解碳碳和生物瓣和生物瓣。 心心脏瓣膜在心瓣膜在心脏中所起的作用是中所起的作用是极极为重要的，如果重要的，如果说心心脏是血是血液的液的泵体，瓣膜就是体，瓣膜就是单向的向的阀门，它它们只允只允许血液朝一血液朝一个个方向流方向流动。当当血液需要通血液需要通过时就就开启开启，当当需要需要组织血液通血液通过时就就闭锁，从从而保而保证血液在身体中的正常循血液在身体中的正常循环。人体心。人体心脏中有四中有四个个瓣膜：瓣膜：三尖瓣、肺三尖瓣、肺动脉瓣、主脉瓣、主动
22、脉瓣和二尖瓣。脉瓣和二尖瓣。无无论哪哪一一个个瓣膜瓣膜发生病生病变，如增厚、，如增厚、狭狭窄或窄或闭锁不全都不全都会会引起不良后果，引起不良后果，会会出出现心肌心肌劳损、左心或右心、左心或右心衰竭，衰竭，这些都些都属属于心于心脏病病变的重要的重要类型，型，严重重时可可导致心力衰竭死致心力衰竭死亡。亡。 人工心人工心脏瓣膜主要有：瓣膜主要有：球形瓣、蝶形瓣和生物瓣球形瓣、蝶形瓣和生物瓣等几等几种种类型。由型。由于心于心脏瓣膜植入心腔后，始瓣膜植入心腔后，始终都全部浸都全部浸没没在血液之中，因此在血液之中，因此对于材料于材料的要求十分苛刻。的要求十分苛刻。它它不不仅要具有高强度和耐疲要具有高强度和
23、耐疲劳性，而且要有性，而且要有优异异的的抗凝血性和耐磨性。抗凝血性和耐磨性。v人工心脏瓣膜：可植入心脏内代替原有天然心脏瓣膜（主动脉瓣、肺动脉瓣、三尖瓣、二尖瓣），能使血液单向流动，具有天然心脏瓣膜功能的人工器官。主要分为球形瓣，蝶形瓣，人体组织瓣，动物组织瓣等。v人体组织瓣的应用有两种：同种异体移植：将一个瓣膜从一个人移植到另一个人。自身移植：从本人的一个部位移植到另一个部位。应用最多的自身移植是将肺动脉瓣移植到主动脉瓣，称为Ross手术。图图5-4 5-4 常见的几种人工心脏瓣膜常见的几种人工心脏瓣膜2. 人工肾v定义：又称人工透析机，一种透析治疗设备，是用人工方法模仿人体肾小球的过滤作用
24、，在体外循环的情况下，去除人体血液内过剩的含氮化合物、新陈代谢产物或逾量药物等，调节水和电解质平衡，以使血液净化的一种高技术医疗仪器。v原理：应用的膜分离技术原理，需从病人动脉将血液引流出来，在人工肾经过透析后再从静脉输入病人体内。v组成：血液净化系统（透析器）、透析液供给系统和自动控制系统三部分v透析器是人工肾的核心部分，现有用于透析器的膜材料主要有用化学方法从棉花中提取的再生纤维素和改良纤维素，以及一些高分子聚合物如聚丙烯睛、聚酰胺、乙烯乙烯醇共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯等。 肾脏具有具有清清除血液中代除血液中代谢的的废物，如物，如肌肝、尿素、尿酸肌肝、尿素、尿酸和和对人体人体有害的毒物、排除
25、有害的毒物、排除过多的水分、多的水分、维持持盐分的分的浓度和酸度和酸碱碱平衡，以及重平衡，以及重新吸收新吸收补充人体所需的部分充人体所需的部分营养养等功能。等功能。肾功能衰竭功能衰竭会会使代使代谢废物不物不能及能及时清清除而在血液中除而在血液中积蓄，使肌体的生理蓄，使肌体的生理环境失去平衡而境失去平衡而导致尿毒致尿毒症，甚至危及生命，采用一般症，甚至危及生命，采用一般药物已无法救治。物已无法救治。为了挽救病人，了挽救病人，进行行肾移植已移植已获成功，而且愈后效果成功，而且愈后效果较好。然而，由于供体好。然而，由于供体来来源受到限制源受到限制和移植后的排和移植后的排异异反反应等受到限制，等受到限
26、制，发明了人工明了人工肾。人工人工肾是利用是利用高分高分子材料子材料进行透析、行透析、过滤和吸附作用和吸附作用，使代，使代谢物物进入外界配置好的透析入外界配置好的透析液中，液中，经透析、透析、过滤处理后完成理后完成肾脏的功能。的功能。 人工人工肾进行血液行血液净化有以下几化有以下几种种方法：血液透析法、血液方法：血液透析法、血液过滤法、法、血液透析血液透析过滤法、血法、血浆交交换法和血液毒素吸附法。法和血液毒素吸附法。v发展：v1913年英国的阿黛尔用硝棉胶膜作为透析膜，生理盐水作为透析液为肾病患者进行透析。这就是人工肾的前驱研究。v1935年黑斯首次将透析技术用于临床。v1943年荷兰医生科
27、尔夫制成了第一个人工肾，首次以机器代替人体的重要器官。v1960年，美国外科医生斯克里布纳发明了一种塑料连接器，可永久装进病人前臂，连接动脉和静脉，与人工肾极容易连接，不会损伤血管，这样就能够为病人长期进行血液透析治疗。1946年在伦敦，哈默.史密斯医院使用的由科尔夫发明的早期人工肾 德国贝朗全电脑控制血液透析仪v原理：v需从病人动脉将血液引流出来，在人工肾经过透析后再从静脉输入病人体内。它的核心部分是一种用高分子材料（称为膜材料）制成的透析器。这种膜材料具有半通透特性，可代替肾小球以实现其毛细血管壁的滤过功能，达到血液净化的目的。现用的膜材料有用化学方法从棉花中提取的再生纤维素和改良纤维素，
28、以及一些高分子聚合物如聚丙烯睛、聚酰胺、乙烯乙烯醇共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯等。当今世界上有300多种产品的人工肾，所用透析膜材料有30多种。 v人工肾是应用的膜分离技术原理。根据GibbsDonnan膜平衡原理，用半透膜将引出 人体外的血液与专门配制的透析液隔开。由于血液和透析液所含溶质浓度的不同，及其所形成的渗透浓度差，使包含代谢产物的溶质（如尿素、肌肝、尿酸，以及废物硫酸盐、酚和过剩离子Na+、K+、Cl），在浓度梯度的驱动下，从浓度高的血液一侧，通过半透膜向浓度低的透析液一侧移动（称为弥散作用）；而水分则从渗透浓度低的一侧向浓度高的一侧转移（称为渗透作用），最终实现动态平衡，达到清除人体
29、代谢废物和纠正水、电解质和酸碱平衡的治疗目的。v组成：v 透析型人工肾由三部分组成：血液净化系统（透析器）、透析液供给系统和自动控制系统。v常用的透析器是空心纤维型结构，由内径200m，壁厚30m左右的透析膜材料制成的1万1.5万根空心纤维，组装在直径510cm、长约2025cm的圆柱状玻璃容器内。血液在空心纤维管内流动，透析液则环绕空心纤维管外四周流动，分别用泵驱动使血液和透析液循环。v当代人工肾由微机控制，可自动检测和控制渗透压（静脉回路压力和透析液压力之差）、透析液的温度及浓度，并能进行静脉口路气泡检测及报警，漏血检测及报警，以及透析液低电导检测及报警。人工人工肾透析回路透析回路组成示意
30、成示意图 三、人工皮三、人工皮肤肤 皮皮肤肤在人体中起着在人体中起着保保护、感、感觉、调节体体温温、分泌和排泄、吸收、分泌和排泄、吸收和免疫等作用和免疫等作用。当当皮皮肤肤受到受到损伤时，受，受伤皮皮肤肤表面的水分表面的水分损失失将会将会比正常比正常时增加增加1020倍，体液中的蛋白、离子等有效成分也倍，体液中的蛋白、离子等有效成分也会随会随之之一起渗出，一起渗出，这样不不仅会会影影响响人体正常的吸收和代人体正常的吸收和代谢的平衡，同的平衡，同时极极容易引起容易引起创面感染和面感染和并并发其他疾病。因此，及其他疾病。因此，及时并并有效地保有效地保护创面，面，对创面面进行抗渗、防感染及封行抗渗、
31、防感染及封闭措施是皮措施是皮肤肤修修复复的的关关键。由于通。由于通过植皮可以同植皮可以同时达达到防止水分和体液的蒸到防止水分和体液的蒸发和流失、和流失、预防感染、防感染、并并使使肉芽和上皮肉芽和上皮细胞逐胞逐渐成成长以促以促进治愈的目的，因此植皮是皮治愈的目的，因此植皮是皮肤肤修修复复中最中最为重要的措施。重要的措施。 根据根据对皮皮肤肤在人体中作用的在人体中作用的认识没没，如今，如今认为理想的皮理想的皮肤肤修修复复材料材料应该是是无毒、无毒、没没有刺激性、不有刺激性、不会会引起免疫反引起免疫反应；具有相容性以；具有相容性以及及类似天然皮似天然皮肤肤的透的透湿湿性、柔性、柔软性和性和润湿湿性；
32、性；应既既能能与与创面面组织紧贴，起到防止，起到防止创面的水分、体液面的水分、体液损失和吸收失和吸收创面渗出液的作用，又面渗出液的作用，又易于在皮易于在皮肤肤愈合后自愈合后自动脱脱落，落，并并且易于消毒的材料。且易于消毒的材料。 目前在目前在临床中得到床中得到应用的皮用的皮肤肤修修复复材料可分材料可分为两两大大类：一：一类是是天然的皮天然的皮肤肤（包括自体皮、（包括自体皮、异异体皮和体皮和异种异种皮）或皮）或动物物组织（羊膜、羊膜、胎胎盘、腹膜、腹膜等）；另一等）；另一类是人工皮是人工皮肤肤，原料取自于天然高分子（，原料取自于天然高分子（胶胶原、甲原、甲壳壳素等）或合成高分子（尼素等）或合成高
33、分子（尼龙、涤纶、硅橡、硅橡胶胶等）。等）。 国内国内外外对于人工皮于人工皮肤肤已有已有许多多研研究，公究，公认较好的是呈好的是呈复复合合结构构的的人人工皮工皮肤肤（图5-1）。其）。其表表层是其控制水分蒸是其控制水分蒸发、防止蛋白、防止蛋白质和和电解解质损失，失，可以防止可以防止细菌侵入的菌侵入的合成高分子膜；中合成高分子膜；中间层是由合成高分子是由合成高分子纤维制成制成，用于人工皮用于人工皮肤肤缝合固定在被植体上的合固定在被植体上的柔柔软织物；底物；底层是由生物相容性好，是由生物相容性好，能促能促进表皮表皮细胞胞贴壁和增壁和增值的生物降解高分子的生物降解高分子制成的，可防止皮下制成的，可防
34、止皮下积液液的海的海绵状状物物质，组成人工皮成人工皮肤肤的材料如表的材料如表5-2所示。所示。表表5-2 组成人工皮成人工皮肤肤的材料的材料组组 成成材材 料料举举 例例功功 能能表层表层合成高分子膜合成高分子膜聚乙烯聚乙烯聚氨酯聚氨酯硅酮高分子硅酮高分子控制水分蒸发控制水分蒸发防止蛋白质和电解质损失防止蛋白质和电解质损失防止细菌侵入防止细菌侵入中间层中间层合成高分子纤维合成高分子纤维尼龙筛网尼龙筛网方便人工皮肤缝合固定于方便人工皮肤缝合固定于被植体被植体底层底层海绵状生物降解性海绵状生物降解性高分子高分子胶原海绵体胶原海绵体壳聚糖壳聚糖共聚（丙交共聚（丙交酯酯-乙交酯）乙交酯）促进表皮细胞贴
35、壁和增殖促进表皮细胞贴壁和增殖防止皮下积液防止皮下积液图图5-10 5-10 用于创伤覆盖的人工皮肤用于创伤覆盖的人工皮肤4、人工胰腺一种由微机控制的机械装置，其原理是用人工方法取代正常胰腺的内分泌，用以补充胰岛素的分泌不足。分类：体外型人工胰、半生物型人工胰岛、植入型人工胰。5. 人工肝v又称人工肝支持系统，就是借助人工干预暂时替代原有完整肝脏的功能，为患者自身细胞再生及功能恢复创造较好的内环境及宝贵的时间。v人工肝根据其组成和性质主要可分三类：非生物型、生物型和混合型。6. 人工耳蜗v又称电子耳蜗，或人工电子耳，是模拟人体耳蜗生理功能的电子装置。v由体内和体外两部分组成。它能将通过外耳传入
36、的声能转换成电能，通过植人鼓阶、圆窗或耳囊内的电极，直接刺激耳蜗内残余的听神经纤维，使聋人产生听觉。图图5-9 5-9 一种常见的人工耳蜗一种常见的人工耳蜗7. 人工肺v定义：又称氧合器，是指用来取代人体肺功能，用于血气交换，调节血内氧气和二氧化碳含量的装置。v分类：静立垂屏式人工肺、转碟式人工肺、鼓泡式人工肺、膜肺。v膜肺的设计原理不同于前三者，其主要依据仿生原理按照肺泡气体弥散生理功能设计的；前三种人工肺中血液与氧气直接接触，而膜肺中血液和氧气由薄膜隔开，一侧通静脉血，另一侧通纯氧。v发展：第一个膜肺出现于1955年，膜材料用的是聚氯乙烯。真正实用的膜肺出现于1960年，膜材料为硅橡胶。膜
37、肺的大发展是在1980年以后，出现了各种高分子聚合物材料制成的各种形式的膜肺。20世纪80年代，我国的鼓泡式氧合器和聚丙烯中空纤维管型膜肺均研制成功。v聚合物材料：聚酯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、醋酸纤维素、乙基纤维素、硅橡胶等v膜肺的结构形式：平板型、中空纤维管型、液膜型（用氟碳化合物）和透析型8. 心脏起搏器v定义：一类在心肌收缩发生障碍时，可以通过外部电脉冲刺激心脏使其正常工作的电子器械。v分类：体外式和体内埋植式两种体外式：使用方法简单，在紧急情况下使用，对患者进行抢救非常方便。还可根据患者的状况变换心搏数。但是如果长期使用，在放置电极的部位容易发生感染。体内埋植式：将起博
38、器植入病人腹部或腋窝皮下，对长期使用者非常方便，但起搏器心搏数固定也会带来各种问题。近年来已经研制出可以变动心搏数的诱导型起搏器。电极和接收器植于体内，用发送器在体外控制，这样便可以根据情况变更心搏数。图图5-11 5-11 常见的心脏起搏器示意图常见的心脏起搏器示意图5.4 5.4 医用粘合剂作用：v在外科手术中，医用胶粘剂用于某些器官和组织的局部粘合和修补；v手术后缝合处微血管渗血的制止v骨科手术中骨骼、关节的结合与定位；v齿科手术中用于牙齿的修补等。v在计划生育领域中,医用胶粘剂更有其它方法无可比拟的优越性：用胶粘剂粘堵输精管或输卵管，既简便、无痛苦，无副作用，必要时还可以很方便地重新疏
39、通。v1）理想的医用粘合剂应该具备以下条件：v（1）在有水的组织液的条件下也能进行胶接；v（2）常温常压下能与组织快速胶接； v(3）在固化的同时，能与组织产生较大胶接强度； v(4）不显示毒性，不致突变，不致畸，不致癌； v(5）不妨碍生物体组织的自身愈合； v(6）本身无菌且能抑菌； v(7）固化后胶体具弹性或韧性； v(8）呈单组分液态或糊状，不含非水溶剂v(9）在组织内可逐渐降解吸收、排泄； v(10）常温下易于储存，用前不需要调配。 2) 医用粘合剂的分类v从医用胶粘剂的使用对象和性能要求：齿科用胶粘剂和外科用(或体内用)胶粘剂v按照用途：软组织用胶粘剂,牙科用胶粘剂,骨水泥和皮肤用
40、胶粘剂等(1) 软组织用胶粘剂v -氰基丙烯酸酯粘合剂 v由于-碳原子上CN、COOR等极性基团的诱导效应，-位的碳原子有很强的吸电性，在微量阴离子存在下就能产生瞬间聚合反应，同时使聚合体形成多极性中心，为与粘接对象产生界面粘接力提供条件。v特点：在生物体组织上聚合速度最快，单组分、液态、无溶剂、室温固化、固化速度快、粘接强度高等特点。v目前，国外该胶粘剂品种有Adhere、Cyanobond、Eastman910、等 。 国 内 比 较 有 名 的 有 504止 血 胶 (主 胶 为 -氰 基 丙 烯 酸 正 丁 酯 )、 508医 用 胶 粘 剂 (主 胶 为 -氰基丙烯酸正辛酯)等v 血
41、纤维蛋白粘合剂 v主要成分：浓缩的血纤维蛋白原、凝备酶、血液凝固第VIII因子、抑肽酶等。v特点：利用二次止血原理的生理功能性粘合剂，粘合不受血小板减少等血液凝固障碍的影响，不需加热加压，固化比较迅速。粘合不受水分的影响，同组织的亲和性好，并可适度吸收。主要用于软组织手术创伤部位的止血，神经、胰血管的粘合等。v发展：早在1909年就有人研究尝试从血液中提取凝血物质用于止血。1972年奥地利开发成功粘合剂“FS”用于神经修复，英国Kumanote大学医院为了提高胰管和空肠的吻合效果，在手述中使用了该粘合剂。 (2) 硬组织用粘合剂v 牙科粘合剂 v牙科治疗和修复应用的粘接材料：粘固剂、合成粘合剂
42、和复合树脂。 v作用：固定修复，或正畸矫治器及附件等的粘固，窝洞的基衬和暂时充填。 v发展：传统的粘固剂属于无机类材料，俗称水门汀，例如磷酸锌等。近代发展了含有机化物的改性材料，如丁香油、聚羧酸、玻璃离子体等。20世纪30年代德国曾推出以甲基丙烯酸甲酯（MMA）为主体的粘接材料，用作正畸治疗和松动牙固定。50年代美国开发-氰基丙烯酸酯类快速粘合剂，用于牙龈切除、拔牙等手术伤口的止血和粘接，以代替缝合，作牙周敷料治疗口腔溃疡以及正畸领间牵引松动牙固定等方面。 70年代以后，开发了能与牙齿形成某种化学性联结的粘合剂，其中4-META和phenyl-p，已被广泛用作配制粘合剂。v 骨组织用粘合剂 v
43、通常人工骨和人工关节与骨组织的接合，采用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）骨水泥，由于其单体易引起细胞毒性反应，骨水泥与骨组织界面有纤维组织生长，形成厚的结合组织膜，同时伴有血压下降、聚合物的热效应对骨水泥四周产生损伤，以及结合力不充分等问题。v近年来磷酸钙系骨水泥越来越引起重视。作用是使埋入骨内的材料表面活化，使在材料表面上形成的骨组织与骨直接结合。v在生物体内，材料表面刚一溶出就从四周组织吸收钙、磷构成磷灰石层，同时，接近材料表面的骨组织有产生新生骨的功能，该新生骨与材料新生的磷灰石层直接结合，称之为结合性形成骨。v羟基磷灰石或定向性玻璃陶瓷等，反应层薄、界面结合力或机械强度好，有利于临床应用。
44、v 皮肤用压敏胶 v医用压敏胶是由弹性体和增粘树脂组成。v所用原料：天然橡胶、SIS、SBS、丙烯酸共聚物、有机硅共聚物、聚氨酯等v发展：早期在该领域中使用最多的是橡胶型压敏胶带。由于天然橡胶易老化,往往需要添加多种辅助剂。以SIS、SBS等弹性体为主的热熔型压敏胶粘带,具有无色透明、无毒无味、粘接性好、耐老化等优点,广泛应用于妇女卫生制品及婴幼儿尿不湿等方面。最近,国内外报道了采用辐射交联和金属阳离子交联研制的丙烯酸酯热熔压敏胶,该胶具有众多优点。它与可见光引发剂共混而获得光敏性，遇光后通过乙烯基交联而降低剥离强度（最大降幅达90%）。5.5 5.5 药用高分子材料v5.5.1 概述v定义：
45、一类人工合成的用于一定治疗目的的功能高分子。v根据药用高分子材料的结构特点及用途分为：v有药理活性的高分子药物、药物载体用高分子材料、高分子薄膜包衣及控释膜材料、常规医药包装用高分子材料等。其中前三种材料均参与构成药剂，即形成高分子药物制剂，由此在充分合理地发挥药效的同时，尽可能避免或减低副作用。5.5.2 5.5.2 药用高分子材料v与低分子药物制剂相比，高分子药物制剂一般具有低毒、高效、缓释、长效、可定点释放等优点。v通常具备如下条件：v1) 高分子药物制剂本身及其分解产物应当无毒，不会引起炎症和组织变异反应，无致癌性；v2) 在进入血液循环系统时不会引起血栓；v3) 具有一定的水溶性，能
46、够在体内水解出具有药理活性的基团；v4) 能够有效到达病灶处，并积累一定浓度；v5) 口服药剂的高分子残基能通过排泄系统排出体外；通过导入方式进入循环系统的药物，则要求聚合物主链易于降解，使之有可能排出体外或被人体吸收。1. 有药理活性的高分子药物v有药理活性的高分子药物本身具有药理作用，通常在断链后即失去药性，是真正意义上的高分子药物。2. 药物载体用高分子材料v之所以有药物载体用高分子材料是因为低分子药物在体内的新陈代谢一般速度很快，半衰期很短，在体内的浓度降低快，很难维持治疗所需要的浓度水平，大大影响了疗效，故需大剂量频繁进药，而暂时性过高的药剂浓度又会加重副作用，此外低分子药物也缺乏进
47、人人体部位的选择性。3. 高分子薄膜包衣及控释膜材料v在药物制剂中主要以纤维素、动物蛋白、水溶性高分子等用作高分子薄膜包衣及控释膜材料，如用作胶囊材料、微球、脂质体载体。v高分子薄膜包衣及控释膜材料又可以分为：(1)片剂的薄膜衣材料；(2)胶囊剂的空胶囊材料；(3)膜控释材料。4. 常规医药包装用高分子材料v常规医药包装用高分子材料大体可按照软、硬进行分类，也可按照适用药剂类型分类。5.6 5.6 高分子免疫佐剂v5.6.1 免疫1. 免疫定义 ：v机体免疫系统识别自身与异己物质，并通过免疫应答排除抗原性异物，以维持机体生理平衡的功能。v免疫是人体的一种生理功能，人体依靠这种功能识别“自己”和
48、“非己”成分，从而破坏和排斥进入人体的抗原物质，或人体本身所产生的损伤细胞和肿瘤细胞等，以维持人体的健康。2.佐剂(adjuvant)v定义：非特异性免疫增强剂，当与抗原一起注射或预先注入机体时，可增强机体对抗原的免疫应答或改变免疫应答类型。v种类:氢氧化铝佐剂、短小棒状杆菌、脂多糖、细胞因子、明矾等v佐剂增强免疫应答的机制：通过改变抗原的物理形状，延长抗原在机体内保留时间；刺激单核吞噬细胞对抗原的提成能力；刺激淋巴细胞分化，增加扩大免疫应答能力。v由于佐剂能增强抗原表面面积，并能延长抗原在体内保留时间，使抗原与淋巴系统细胞有充分接触时间，所以它有多种作用：v(1)把无抗原性的物质转变为有效的
49、抗原；v(2)增强循环抗体的水平或产生更有效的保护性免疫；v(3)改变所产生的循环抗体的类型；v(4)增强细胞介导的超敏反应的能力；v(5)产生实验性自身免疫或其他类型的变态性疾病；v(6)保护抗原(特别是DNA，RNA)不受体内酶的分解。5.6.2 5.6.2 免疫佐剂v又称非特异性免疫增生剂。本身不具抗原性，但同抗原一起或预先注射到机体内能增强免疫原性（见抗原）或改变免疫反应类型。v常用的佐剂可分为4类：无机佐剂，如氢氧化铝，明矾等；有机佐剂，微生物及其产物如分枝杆菌、短小杆菌、百日咳杆菌、内毒素、细菌提取物等；合成佐剂，如人工合成的双链多聚核苷酸、左旋咪唑、异丙肌苷等；油剂，如费氏佐剂、
50、花生油乳化佐剂、矿物油、植物油等。p弗氏佐剂目前在实验动物中最常用，又可分为弗氏不完全佐剂和完全佐剂两种。不完全佐剂：油剂与乳化剂相混合而成，当其再与抗原混合，即成油包水乳剂，可用于免疫注射。弗氏完全佐剂：在不完全佐剂中加入死的分枝杆菌。完全佐剂的免疫强度大于不完全佐剂。该佐剂主要用于动物实验，不适宜于人类使用。而且动物多次注射后也常会发生佐剂病。1. 免疫佐剂的生物作用包括v（1）抗原物质混合佐剂注入机体后，改变了抗原的物理性状，可使抗原物质缓慢地释放，延长了抗原的作用时间；v（2）佐剂吸附了抗原后，增加了抗原的表面积，使抗原易于被巨噬细胞吞噬；v（3）佐剂能刺激吞噬细胞对抗原的处理；v（4
51、）佐剂可促进淋巴细胞之间的接触，增强辅助T细胞的作用；v（5）可刺激致敏淋巴细胞的分裂和浆细胞产生抗体。故免疫佐剂的作用可使无免疫原性物质变成有效的免疫原；v（6）可提高机体初次和再次免疫应答的抗体滴变；v（7）改变抗体的产生类型以及产生迟发型变态反应，并使其增强。2具备条件v佐剂的条件作为一种良好的佐剂，必须具备下列条件：v（1）增加抗原的表面积，并改变抗原的活性基团构型，从而增强抗原的免疫原性；v（2）佐剂与抗原混合能延长抗原在局部组织的存留时间，减低抗原的分解速度，使抗原缓慢释放至淋巴系统中，持续刺激机体产生高滴度的抗体；v（3）佐剂可以直接或间接激活免疫活性细胞并使之增生，从而增强了体
52、液免疫、细胞免疫和非特异性免疫功能；v（4）良好的佐剂应具有无毒性或副作用低的特点。 3.常用佐剂的种类和制备v佐剂主要可分为两种：p一种本身具有免疫原性，如百日咳杆菌、抗酸杆菌（结核分枝杆菌）以及革兰阴性杆菌等；p另一种本身无免疫原性，如氢氧化铝、磷酸钙、矿物油乳剂、表面活性剂等。目前应用最多的是弗氏佐剂(Freund adjuvant)。 v1） 弗氏佐剂 v弗氏佐剂是目前动物实验中最常用的佐剂，分为不完全弗氏佐剂和完全弗氏佐剂。p不完全弗氏佐剂：液体石蜡与羊毛脂混合而成，组分比为15：1，可根据需要而定，通常为2：1。p完全弗氏佐剂：不完全佐剂中加卡介苗(最终浓度为220mg/ml)或死
53、的结核分枝杆菌。 一般首次注射时用12体积FCA加上12体积的抗原进行乳化，第二次或第三次注射时用不完全佐剂或不用佐剂。如不加佐剂，则抗原量增大10-20倍。v配制方法：v按比例将羊毛脂与石蜡油置容器内，用超声波使之混匀，高压灭菌，置4下保存备用。v在免疫动物前，先将弗氏佐剂与抗原按一定比例混合，佐剂和抗原体积比一般为1：1，制备成 油包水乳状液。v抗原用量视抗原分子量不同及免疫原性及免疫动物不同而有一定差异，无统一标准和固定模式。一般是每兔（约2kg重）或每羊（约20kg重）第1次注射抗原1mg，以后逐次增加抗原量，最多每次不超过3mg。v佐剂与抗原乳化可按如下方法进行： p（1） 研磨法p
54、（2） 注射器混合法p（3） 超声v2） 氢氧化铝佐剂 v取5%硫酸铝溶液250ml，在强烈搅拌下加入5%氢氧化钠溶液100ml，用生理盐水离心洗涤沉淀2次，在悬浊液中滴入生理盐水中使体积达到250ml。免疫接种时，取适量氢氧化铝佐剂加等体积抗原即可免疫。 v3） 明矾佐剂 v钾铝矾(硫酸铝钾)在一定pH条件下产生氢氧化铝胶体吸附抗原而产生佐剂效应。制备方法是用生理盐水溶解蛋白质抗原，在搅拌下缓慢滴入一定量10%硫酸铝钾溶液，用NaOH调pH到65，此时溶液变成乳状悬液，离心后去掉上清液，沉淀用生理盐水洗涤二次，加入硫柳汞防腐，4保存备用。明矾佐剂一般用于肌肉注射，皮下注射容易引起肉芽肿和脓肿
55、。 v4） 脂质体 v 脂质体包封抗原后，可使抗原延缓释放，并且脂质体颗粒有刺激机体免疫反应的作用。因此，用脂质体包封的抗原免疫动物可提高免疫效果。4. 高分子免疫佐剂v50年代开始，尤其是80年代以来，人们发现许多高分子化合物用于增强机体对抗原的免疫应答十分有效，我们称之为高分子免疫佐剂(polymer immunoadjuvant)。v按不同的作用机理可以分为3类:v(1)高分子本身能刺激、活化免疫细胞。v(2)利用高分子物质改变抗原的物理状态和递呈方式 v(3)利用高分子对抗原控制释放。v利用高分子控制释放系统，设计具有向免疫器官(如脾脏、淋巴结等)和免疫细胞(如巨噬细胞等)靶向输送性能
56、的高分子佐剂也将是十分有意义的研究课题。高分子免疫佐剂的优点还在于：这种长效佐剂可望将初免和加强免疫合并为一次接种，大大简化接种程序，降低疫苗成本。5.7 5.7 医用诊断高分子高分子材料含有的成分高分子材料含有的成分形态形态用途用途用于生物传感器活性功能特性用于生物传感器活性功能特性纤维素纤维素实验纸实验纸简易检查试药简易检查试药亲水、空隙多、包埋保存酶较容易、利用微胶囊可同时含浸其他试药亲水、空隙多、包埋保存酶较容易、利用微胶囊可同时含浸其他试药醋酸纤维素聚碳酸酯醋酸纤维素聚碳酸酯膜膜酶电极酶电极利用分子选择透过性（利用分子选择透过性（HOHO基质，用两种膜使酶保持三明治状，防止流出）基质
57、，用两种膜使酶保持三明治状，防止流出）骨胶原骨胶原膜膜酶电极酶电极通过电化学吸附法，通过电化学吸附法，可在含酶介质中吸附骨胶原可在含酶介质中吸附骨胶原尼龙尼龙管状管状固定酶反应堆固定酶反应堆利用素材分子中的胺结合，使各种酶固定化，成管状，应用于流程系统利用素材分子中的胺结合，使各种酶固定化，成管状，应用于流程系统分析仪分析仪聚丙烯酰胺聚丙烯酰胺凝胶凝胶固定酶试药固定酶试药可以使用共价键链接可以使用共价键链接TiOTiO2 2- -围胶纤维素聚醋围胶纤维素聚醋薄膜薄膜滑板型固相分析元件滑板型固相分析元件利用形成均等膜原的积层涂膜特性使酶试药成三明治利用形成均等膜原的积层涂膜特性使酶试药成三明治多
58、孔性二氧化硅多孔性二氧化硅珠状珠状固定酶蛋白固定酶蛋白多孔性相当于单位容积的面积很大，通过硅烷偶合法易固定各种结构单多孔性相当于单位容积的面积很大，通过硅烷偶合法易固定各种结构单元元醋酸纤维素醋酸纤维素膜膜免疫电极免疫电极利用多孔性及容易形成薄膜的性质，包含并固定特定的抗原、抗体等利用多孔性及容易形成薄膜的性质，包含并固定特定的抗原、抗体等聚丙烯酰胺葡酸聚丙烯酰胺葡酸珠状珠状FIAFIA试药试药蛋白质吸着能高，容易制成微粒子，其密度接近于水蛋白质吸着能高，容易制成微粒子，其密度接近于水聚苯乙烯聚苯乙烯珠状珠状RIARIA试药试药蛋白质吸着能高，容易制成，而且为控制非特异吸着种种表面处理成为蛋白
59、质吸着能高，容易制成，而且为控制非特异吸着种种表面处理成为可能可能聚苯乙烯聚苯乙烯试验管试验管RIARIA试药试药蛋白质吸着能高，容易制成，而且为控制非特异吸着种种表面处理成为蛋白质吸着能高，容易制成，而且为控制非特异吸着种种表面处理成为可能（载子成为反应容器，故操作简单）可能（载子成为反应容器，故操作简单）聚苯乙烯聚苯乙烯胶乳胶乳凝聚反应试药凝聚反应试药蛋白质吸着能高，容易制成，而且为控制非特异吸着种种表面处理成为蛋白质吸着能高，容易制成，而且为控制非特异吸着种种表面处理成为可能可能高分子材料含有的成分高分子材料含有的成分形态形态用途用途用于生物传感器活性功能特性用于生物传感器活性功能特性聚
60、苯乙烯聚苯乙烯珠状珠状EIAEIA试药试药蛋白质吸着能高，容易制成，而且为控制非特异吸着种种表面处理成为蛋白质吸着能高，容易制成，而且为控制非特异吸着种种表面处理成为可能可能聚苯乙烯聚苯乙烯试管脂酸冻点试管脂酸冻点EIAEIA试药试药蛋白质吸着能高，容易制成，而且为控制非特异吸着种种表面处理成为蛋白质吸着能高，容易制成，而且为控制非特异吸着种种表面处理成为可能（载子成为反应容器，故操作简单）可能（载子成为反应容器，故操作简单）玻璃玻璃蒸馏球状蒸馏球状EIAEIA试药试药分离后洗净容易，可结合抗体抗原等，可利用硅烷偶联反应法分离后洗净容易，可结合抗体抗原等，可利用硅烷偶联反应法5.7.1 5.7
61、.1 疾病诊断的机理疾病诊断的机理v生物体的自我保护功能：当外界的细菌、病毒等异物(抗原)侵入人体时，会自动地产生与异物抗原相对应的抗体蛋白。该抗体与人侵的抗原发生特异结合，使入侵抗原失活。v通过检测抗原或抗体的有无及浓度的高低，便可诊断疾病感染、病变或在治疗过程中疾病的康复程度。这类检查是利用相对应的抗原和抗体特异而且定量地生成抗原一抗体复合物的基本原理实现的。v当人体发生变态时，在体内必然生成异种蛋白(抗原)，测定该蛋白抗原，便可诊断疾病(或变态)。把抗原或抗体通过物理吸附或化学键合的方法，固载于功能高分子材料表面，这样的功能高分子材料便可应用于疾病的检测、诊断。5.7.2 5.7.2 应
62、用的高分子材料应用的高分子材料1.温度致变化高分子材料v聚苯烯酸酰胺共聚的水凝胶，有氢键结合的互穿交联网络（IPN）结构。这种共聚聚苯烯酸酰胺（PG）在纯水中高于特定温度时，体积溶胀，反之则收缩。聚N-异丙基丙烯酰胺（PNI-PA）凝胶与这种热刺激应答功能相反，在较低温度（32）时，则急剧膨胀。在较高温度时，则收缩。2.pH刺激引起变化的高分子材料v聚乙基恶唑啉（PROX）与聚甲基丙烯酸（PMMA）在水中呈配合状态，且在不同的pH值时发生相变化。聚丙烯酸钠在水溶液中也随pH值不同，显示无规则伸展状态或棒状。聚苯胺在不同pH值时，引起不同的颜色变化。3.光功能高分子材料v1)紫外线刺激 v光敏分
63、子，如无色氰化物无色氢氧化物的分子，进入PNIPA的凝胶网络结构所形成的光敏凝胶共聚物，在UV光照或停止照射时，体积会发生变化（溶胀或收缩）。v2)可见光刺激 vPNIPA加入发色剂叶绿酸铜三钠盐而形成光敏凝胶，光照射时收缩，停止光照射时溶胀。4.电刺激功能高分子材料 v 在硫酸钠水溶液中每隔2s间隙地加入20V直流电场，直链烷基表面活性剂作用下，聚（2-丙烯酰胺-2-甲基）丙烷磺酸（PAMPS）凝胶，在溶液中会一屈一伸地向阴极移动，速度可达25cm/min。聚苯胺聚吡咯在不同电场下会显现不同的颜色。5.生化刺激功能PG v 利用刺激应答性高分子水凝胶的微胶囊或脂肪小体的生理膜作为医用渗透膜，
64、药物释放系统等材料的适用性研究，已经取得成效。5.7.3 5.7.3 高分子诊断试剂应用实例v固定色氨酸的琼脂糖和交联的聚乙烯醇胶对于风湿性因子和免疫复合体都是优秀的吸附体，可应用于自免疫疾病的诊断。v慢性风湿病的诊断，是以乳胶吸附人免疫球蛋白的被动凝聚反应，以相位显微镜观察，当风湿性因子存在时，1min-2min内发生剧烈的凝聚反应。v肝癌的检测，使用甲种脂蛋白，以同位素为标志物进行检查。v高分子酶试剂是临床诊断试剂中发展极快的后起之秀，已达180多种。诊断用酶试剂如下六种：v氧化-还原酶：如抗坏血酸氧化酶、胆碱氧化酶等；转移酶：如醋酸激酶、腺甘酸激酶；加水分解酶：如碱性磷酸酶甾醇酯酶、肌酸
65、脒基水化酶；脱氢酶：如草酰乙脱氢酶；异性化酶变旋酯；合成酶：如酰基辅酶合成酶等。5.8 5.8 几种重要的医用高分子材料5.8.1 尼龙v尼龙是一类重要的高分子聚合物，一般用重复单元的碳原子数目表示不同类型的尼龙。v尼龙可以通过缩聚反应或开环聚合制得。尼龙分子链之间的氢键作用和高度的结晶性，使得尼龙便于制得性能优良的纤维，它在长度方向有很高的强度。5.8.2 聚乙烯p聚乙烯是由乙烯（C2H4）构成，聚乙烯的化学式为-(C2H4)n-，其中n标示的是聚乙烯的聚合度。图图5-125-12 乙烯与聚乙烯化学结构图乙烯与聚乙烯化学结构图乙烯根据分子量和链结构可以把聚乙烯分成：v低密度聚乙烯、线性低密度
66、聚乙烯、高密度聚乙烯和超高分子量聚乙烯性质性质低密度低密度高密度高密度超高密度超高密度比重比重/(g/cm/(g/cm3 3) )0.912-0.9250.912-0.9250.926-0.9400.926-0.9400.941-0.9650.941-0.965抗张强度抗张强度/MPa/MPa7.59-11.047.59-11.0411.73-12.4611.73-12.4623.46-25.53023.46-25.530邵氏硬度邵氏硬度D41-D46D41-D46D50-D60D50-D60D60-D70D60-D70弹性模量弹性模量/MPa/MPa96.60-262.2096.60-262
67、.20172.50-379.50172.50-379.50414.00-1242.00414.00-1242.00表表5-2 5-2 低、高、超高密度聚乙烯的性质低、高、超高密度聚乙烯的性质5.8.3 5.8.3 超高分子量聚乙烯（超高分子量聚乙烯（UHMWPEUHMWPE）v定义：平均分子量在150万以上的线性结构聚乙烯，是一种新型的热塑性工程塑料。UHMWPE是德国Hoechst公司于1958年作为商品最早在世界上出售的。1. UHMWPE的结构与性能1）结晶度 当UMHMWPE被降到液态温度以下时，聚乙烯分子链会在C-C结合处发生旋转从而形成链状折叠。链状的折叠使分子形成局部有序结构，这
68、种片状的区域被称为结晶区。这些结晶区嵌在那些不定型的无序组织中，并通过一些连接分子相连。图图5-13 5-13 聚乙烯微观结构示意图聚乙烯微观结构示意图v结晶区域的程度和取向由很多因素决定，包括分子量、成形过程和环境因素。v结晶区是极其微小的，肉眼不可见，这些结晶散射可见光，让UHMWPE在室温下有一个白色的、不透明的外表。在熔点以上（大约137），UHMWPE变得透明。结晶区域的厚度为10-50nm长度为10-50mm，结晶区之间大约为50nm。vUHWMPE的结晶组织可以使用透射电镜放大到16,000倍来观察。染色使无序区域在显微图中呈现灰色，而结晶区呈现带黑色轮廓的白色。可以把看作是无序
69、区和结晶区的互联的网络结构。图图5-14 5-14 超高分子量聚乙烯透射电超高分子量聚乙烯透射电镜照片镜照片v2)热转变v聚合物有三个温度转变点：玻璃化转变温度、熔点、粘流温度。v对于UHMWPE玻璃化转变发生在-160。当温度升高到熔点以上时，不定型区流动性增加。当UHMWPE的温度升高到60-90时，聚合物中的结晶态开始熔化。vUHMWPE的差热分析线表征了UHMWPE的两个关键特征:差热曲线反映的第一个特征是UHMWPE的熔点。反映了样本的结晶区域发生熔化所需要的焓的变化。图图5-15 UHMWPE5-15 UHMWPE的差热分析结果的差热分析结果v优点：p耐磨损性能非常卓越，砂浆磨损试
70、验表明，比一般碳钢和铜等金属要耐磨数倍、比尼龙耐磨4倍；p冲击强度极高，比尼龙6和聚丙烯大10倍；p能吸收震动冲击和防噪声；p摩擦系数很低，远较尼龙及其他塑料小，具有自润滑作用；p不易粘附异物，滑动时有极优良的抗粘着特性；p耐化学腐蚀，并可屏蔽原子辐射；p工作温度范围可自265到100，低温到195时，仍能保持很好的韧性和强度，不致脆裂；p无毒性、无污染、可再循环回收利用，和其他塑料相比有良好的热稳定性和不吸水性，能保持尺寸精度不变形；p成本低廉。分子量分子量2.52.510106 6密度密度/g/g cmcm-3-30.9530.953热变形温度热变形温度/8585脆化温度脆化温度/-70-
71、70拉伸强度拉伸强度/MPa/MPa3434断裂伸长率断裂伸长率/%/%350350冲击强度冲击强度/KJ/KJ m m-2-2130130热导率热导率/w/(m/w/(m k)k)8.58.5表表5-3 UHMWPE5-3 UHMWPE的物理力学性能的物理力学性能2.UHMWPE的应用v主要是作为工程材料和医用材料使用。v作为工程材料使用时，其在物料运输、设备衬里、各种机械零件等方面的应用具有独特的优势，适于制作农业和建筑机械的零部件。v由于UHMWPE具有优异的生理惰性和生理适应性，故令其成为理想的医用高分子材料。5-17 5-17 由超高分子量聚乙烯生产的各类由超高分子量聚乙烯生产的各类
72、零件零件v1）超高分子量聚乙烯应用于关节替换材料vUHMWPE可制成人工心脏瓣膜、矫形外科零件、人工关节髋臼等v2）超高分子量聚乙烯应用于支架材料vUHMWPE 微粒已经被研究作为IL21 基因生长的支架材料。v3）UHMWPE 用于其它医疗领域v血液泵的材料、牙医用材料的填充材料图图5-18 5-18 超高分子量聚乙烯人工关节超高分子量聚乙烯人工关节v3. UHMWPE改性与摩擦磨损性能v对UHMWPE的改性主要有化学方法(如共聚、接枝、交联等)及物理方法(如填充、共混、增强等)。v聚合物接枝是由两种不同的高分子以化学键连接而成。表面接枝，包括化学法表面接枝、表面光接枝、辐射表面接枝和等离子
73、体表面接枝等。聚合物通过表面接枝，表面生长出一层新的有特殊性能的接枝聚合物层，从而达到显著的表面改性效果，聚合物的本体性能不受影响。v交联是为了改善形态稳定性、耐蠕变性及环境应力开裂性。通过交联，UHMWPE的结晶度下降，交联度提高，耐磨性得以增强。交联可分为化学交联和辐射交联。v化学交联包括过氧化物交联、偶联剂交联。UHMWPE改性主要使用硅烷偶联剂。v辐射交联：在一定剂量电子射线或射线作用下，超高分子量聚乙烯分子结构中的一部分主链或侧链可能被射线切断，产生一定数量的游离基，这些游离基彼此结合形成交联链，使超高分子量聚乙烯的线型分子结构转变为网状大分子结构。v经一定剂量辐照后，超高分子量聚乙
74、烯的蠕变性、浸润性和硬度等物理性能得到一定程度的改善。图图5-19 UHMWPE5-19 UHMWPE辐照交联机理示意图辐照交联机理示意图UHMWPEUHMWPE结构结构 (CH(CH2 2) ) n n 2. 2. 2. 2. 辐照交联辐照交联辐照交联辐照交联UHMWPEUHMWPEUHMWPEUHMWPEFreeRadicalsCross-linkingCross-linking 射线辐照超高分子量聚乙烯射线辐照超高分子量聚乙烯/ /纳米陶瓷复合材料纳米陶瓷复合材料v根据离子注入的电子能量阻止损失规律和高分子交联机理，聚合物的表面硬度和生物摩擦学特性的可通过高能离子注入获得较好效果。v填料
75、填充通过添加无机填料，使聚合物的刚性、耐热性、尺寸稳定性等得到改善。常用的填料有无机粉状颗粒（石墨、MoS2、高岭土、Al2O3、SiO2等），纤维（玻璃纤维、炭纤维及碳化硅纤维等）。vUHMWPE的平均分子量超过150万，其分子链很长，易发生缠结。在不影响UHMWPE主要性能的基础上对其进行共混法流动改性，降低UHMWPE的熔体黏度，提高其熔体流动性。常用的与UHMWPE共混的物质有高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚丙烯、尼龙、聚酯等聚合物。5.8.4 5.8.4 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMAPMMA）v骨水泥已经应用在临床上，并成功修复了髋关节和膝关节。骨水泥主要是由PMMA粉末和甲基丙烯酸酯（
76、单体）液体组成。粉末和液体在室温下混合后很快发生聚合反应并释放出热量。v加入的对苯二酚能避免当材料暴露在光、高温等环境下时过早的聚合。N,N二甲基P甲苯胺用来提高和加速材料的粘合过程。表表5-4 5-4 影响成型的内在因素和外在因素影响成型的内在因素和外在因素内在因素内在因素外部因素外部因素单体和粉末的成分单体和粉末的成分混合环境混合环境: :温度温度, ,湿度湿度, ,容器类型容器类型粉末的粒度粉末的粒度, ,形状和聚合的程度及分布形状和聚合的程度及分布混合技术混合技术: :搅拌片的数目和转速搅拌片的数目和转速液体粉末液体粉末治疗环境治疗环境: :湿度湿度, ,温度温度, ,压力压力, ,接
77、触表面接触表面( (组织组织, ,空气空气, ,水等水等) )5.8.5 5.8.5 橡胶v在室温下，至少能被拉长为原来长的2倍，释放后，能立即恢复到原长。v天然橡胶的交联度能控制它的弹性；如果硫的加入量达到30%，橡胶就会变得很硬。在橡胶中加入防老化剂，能够防止橡胶被氧化，从而提高橡胶的寿命。填充物，如焦黑或者硅粉也能改善橡胶的物理性能。v橡胶乳液和血液能够相容。v聚氨酯通常是热固性聚合物，被广泛用作植入件的外表涂层。聚氨酯类橡胶由带一个芳香族的二异氰酸盐的预聚物合成得到，最终得到的长链带有一个活泼的异氰酸盐基团，使得链与链之间发生交联作用。聚氨酯类橡胶不但强度高，而且能抵抗油和化学物质的腐
78、蚀。v根据所有羟基化合物不同聚氨酯可分为聚酯型和聚醚型，其中聚醚型是弹性体，作为医用生物材料的主要是聚醚型。医用聚氨酯大多是嵌段聚醚型聚氨酯。嵌段共聚的聚氨酯具有很好的生物相容性和良好的抗凝血功能，可被应用于人造心脏血泵或其他修复心血管系统的材料。5.8.6 5.8.6 水凝胶v定义：具有交联结构的水溶性高分子中引入一部分亲水基团而形成能遇水膨胀的交联聚合物。v水凝胶具有以下特性:水凝胶都是长链高分子；在生理环境中,水凝胶不溶于水；在生理条件下,含水量在10%-98%。v含水量高的水凝胶能抑制细胞附着，就有良好的氧透性和组织相容性。v种类：聚甲基丙烯酸-2-羟乙基酯（PHEMA）、聚丙烯酰胺（
79、PMA）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和聚乙烯醇（PVA）等。PHMEMA可用于烧伤敷料，使烧伤移植的硅橡胶更好的与创面黏合。PMA具有良好的生物相容性，通透性和抗凝血性，可作为人工肾和人工肝和酶的包膜材料。PVP具有良好生物相容性，对皮肤和眼球都没有刺激作用，可以和HEMA、非亲水性甲基丙烯酸酯共聚，制备适合角膜接触的水凝胶，如人工玻璃体。PVA水凝胶有很强的亲水性，可用于制备人工软骨、人工喉及人工玻璃体。同时由于水凝胶有良好的组织相容性和通透性，还可以应用于药物释放。图图5-20 PVA5-20 PVA复合水凝胶的制备过程复合水凝胶的制备过程5.9 5.9 生物医用高分子材料的发展概况与趋势5
80、.9.1 5.9.1 概述概述v生物医用高分子材料：用于生理系统疾病的诊断、治疗、修复或替换生物体组织或器官，增进或恢复其功能的高分子材料。研究领域涉及材料学、化学、医学、生命科学。v常用的医用高分子材料主要有：硅橡胶、聚氨酯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚酯纤维、水凝胶等多种v所涉及的医用高分子制品有：人工器官、医疗器械制品和药用高分子三大类，约有1000多个品种规格。v用于生命科学和医学领域的医用高分子材料主要可以分为如下几类：人体功能替代或修复用高分子材料、药用高分子材料、高分子医疗器材及制品等。5.9.2 5.9.2 发展概况1生物医用高分子材料的基本要求v（1）生物相容性：
81、描述生物医用材料与生物体相互作用情况的，是作为医用材料必不可少的条件，包括血液相容性，组织相容性，生物降解吸收性。v（2）生物功能性：生物材料具有在其植入位置上行使功能所要求的物理和化学性质，具体有：可检查、诊断疾病；可辅助治疗疾病；可满足脏器对维持或延长生命功能的性能要求；可改变药物吸收途径；控制药物释放速度、部位、满足疾病治疗要求的功能等。v（3）无毒性，无毒性即化学惰性。v（4）耐生物化，物理和力学稳定性，易加工成型，材料易得，价格适当，便于消毒灭菌；v（5）防止在医用高分子材料生产、加工过程中引入对人体有害的物质。2硅橡胶在医疗上的应用v特性：疏水性、耐氧化、抗老化性，优异的耐热性，对
82、人体有良好的生物相容性。v硅橡胶模拟制品：脑积水引流装置、人工肺、视网膜植入物、人工脑膜、喉头、人工手指、手掌关节、人造鼓膜、牙齿印膜及托牙组织面软衬垫、人工心脏瓣膜附件、人工肌腱以及用于消化系统和外科制品的各种导管等。v应用：硅胶在整容和修复方面的应用：人工颅骨的修复，修补面容的缺陷等。医疗器械方面：作为导管短期植入人体的某个部位，作为抢救和治疗各种病例的重要辅助材料和手段。如：为肝功能不全、肠瘘、烧伤等病人进行补液用的静插管。硅胶材料用于膜式人工肺、胎儿吸引器吸头、医用电极板基质及生物传感器包装材料等。3聚氯乙烯(PVC)在医疗中的作用v作用：可以制成贮血袋、输液(血)器具、导液管、呼吸面
83、具、肠道和肠道外营养管、腹膜透析袋、体外循环管路、膜式氧合器和血液透析管路、各种医用导管等一次性医疗用品。v弊端：如药物吸附、增塑剂毒性，由PVC塑料制成的输液管、包装袋、血袋、呼吸面具、食品袋等产品对人类发育和繁殖有害。4聚氨酯弹性体在医疗中的作用v 具有记忆功能的聚氨酯称为室温形状记忆性聚氨酯，工作原理是利用其硬段和软段两相间的玻璃化温度的差别来实现形状记忆过程。v作用：可用于制作各种矫形、保形用品。如：牙科矫形器、肾科矫形器、绷带、乳罩、腹带等。 v聚氨酯弹性体能广泛应用于生物医学，与它所具有的优异性能是分不开的。其主要性能为：v(1)具有优良的抗凝血性能；v(2)毒性试验符合医用要求；
84、v(3)临床应用中生物相容性好，无致畸变作用，无过敏反应，可解决天然胶乳医用制品存在的“蛋白质过敏”和“致癌物亚硝胺析出”两个问题，从而成为许多天然胶乳医用制品的更新换代产品；v(4)具有优良的韧性和弹性，加工性能好，加工方式多样，是制作各类医用弹性体制品的首选材料；v(5)具有优异的耐磨性能、软触感、耐湿气性、耐多种化学品性能；v(6)能采用通常的方法灭菌，暴露在射线下而性能不变，可适合于所需的医疗环境。vTPU医用制品种类繁多，涉及临床各科室，主要应用领域包括：v(1)植入制品。主要有人工心脏、人工心脏瓣膜、人造血管、血管修补片、主动脉内反博气囊、输血泵、人工硬脑膜、人造颅骨、骨粘合剂、计
85、划生育输精管栓塞、介入栓塞材料等。v(2)导管类制品。如J型导管(猪尾巴管)、血液透析插管(分短期、长期两种)、中心静脉留置导管、肝胆引流导管、胃镜软管、肠造痰管、胃肠营养管、膀胱测压管、化疗泵管、介入造影导管、微导管、热稀释气囊漂浮导管、导管鞘等。v(3)膜类制品。医用手术膜、透明敷料膜、人造皮肤、医用防护服、避孕套、医用手套、冷敷冰袋、血浆袋、血栓捉捕器等。v(4)可用于导丝表面涂层、医用绷带、假肢材料、组织工程材料、药物缓释材料、隐形眼睛材料等。5.9.3 5.9.3 发展趋势发展趋势将主要体现在以下几个方面：v(1)人工代用器官在材料本体及表面结构的有序化、复合化方面，需要构造同生物体
86、相似的结构和功能，其生物相容性还需要大幅度提高，这一研究方向将取得长足进步。v(2)开发具有人体天然组织的物理力学性质和生物学性质的生物医用材料，达到高分子的生物功能化和生物智能化，是医用高分子材料发展的重要方向。生物高分子的研究将从以人工合成为主，转向生物材料的“软合成”和“自组装”。v(3)很多医用材料要求具有生物相容性，同时具有良好的生物降解性，因而医用可生物降解高分子材料将继续受到高度重视，无论是作为缓释药物还是作为促进组织生长的骨架材料，都将得到巨大发展。v(4)药用高分子及医药包装用高分子材料的应用将继续扩大，尤其在高分子药物、药物载体、缓释控释等领域的研究将受到更多的关注。习题v1. 高分子材料对组织反应的影响因素主要包括.v2. 如何提高高分子材料的血液相容性？试举例说明。v3. 高分子材料作为医用生物材料有哪些优缺点？v4. 理想的医用粘合剂应该具备哪些条件？v5. 免疫佐剂有哪些生物作用？试简单叙述。v6. 如何制作弗氏佐剂？具体过程如何？v7. 目前主要使用的医用高分子材料有哪些？它们分别具有哪些优缺点？
