生物医用高分子材料

第九章医用高分子材料一、生物医用材料的定义（Biomedicalmaterials）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。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。二、生物医用材料的分类生物衍生材料①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②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③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。聚四氟乙烯人工关节例如：德国产品UHMWPE材料•ISO5834-2•ASTMF648•可用为人工关节、人工骨骼植入人体•极低的能耗•……人工心脏瓣膜组织工程人工骨缺损修复示意图三、生物医用高分子材料•分类•用途•制备按用途分类•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•人造皮肤，血管，骨，关节，肠道，心脏，肾等1.分类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•临床应用化学家来做第一步2.生物医用材料市场发展概况0500100015002000250030003500年20052002200032752300165020%12%单位:亿美元世界医疗器械市场生物材料和制品全球生物医用材料市场•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％，远高于美国的4％。----------------国家科技部资料中国生物医用材料市场•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•……3.Historyofpolymericbiomaterials1943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，使人工器官的应用范围大大扩大，包括器官替代和整容等许多方面。DrugcontrolledreleaseTissueengineeringGenetherapy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。•1960s可生物降解聚合物，如：Polylactide(PLA)•1970-80s隐形眼镜（Contactlens），药物控制释放(drugcontrolledrelease)•1990s-聚合物在生物医用材料中的占有率超过一半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。（Requirementsforbiomedicalpolymers）•Basicrequirements•安全性Biocompatibility/Biostability/Biodegradability•灭菌性Sterilizability4.医用高分子材料的要求RequirementsforbiomedicalpolymersOtherrequirementsaccordingtospecificapplications加工成型性machine-shapingproperties机械性能与稳定性Mechanicalproperties环境敏感性Environmentalsensitivity表面性能与结构多空性Surfaceproperties/Porosity亲疏水性Hydrophilicity/hydrophobicity……①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•②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。•通常，当人体的表皮受到损伤时，流出的血液会自动凝固，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：①血管壁特性与状态发生变化；②血液的性质发生变化；③血液的流动状态发生变化。③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。灭菌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、γ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。能经受必要的清洁消毒措施而不产生变性机械强度表9-1高分子材料在狗体内的机械稳定性材料名称植入天数机械强度损失/％尼龙-676174.6107380.7涤纶树脂78011.4聚四氟乙烯6775.35.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（血液中多组分呈负电性）•生成伪内膜①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。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。②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。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。[CONHR(NHCOO{R'O)xCONHR]yNHCONHRNH}n[CONHR(NHCOO{R'O)xCONHR]yNHCOR}nOO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。③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。HOHHOHHOHOOOHHHOHHCOOHHCH2OSO3HHNHSO3HOHOHHOHHOHOOHHHOHHCOOHHCH2OSO3HHNHSO3H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。人工合成的仿肝素共聚物，同样具有较好的抗凝血功能④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。NHSO2NNOHNH2SO3HSO3H⑤材料表面伪内膜化人们发现，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。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•无机高分子聚磷腈表9-2用于人工脏器的部分高分子材料人工脏器高分子材料心脏嵌段聚醚氨酯弹性体、硅橡胶肾脏铜氨法再生纤维素，醋酸纤维素，聚甲基丙烯酸甲酯，聚丙烯腈，聚砜，乙烯-乙烯醇共聚物（EVA），聚丙烯，聚碳酸酯，聚甲基丙烯酸-β-羟乙酯肝脏赛璐玢（cellophane），聚甲基丙烯酸-β-羟乙酯胰脏共聚丙烯酸酯中空纤维肺硅橡胶，聚丙烯中空纤维，聚烷砜关节、骨超高分子量聚乙烯，高密度聚乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯，尼龙，聚酯皮肤硝基纤维素，聚硅酮-尼龙复合物，聚酯，甲壳素角膜聚甲基丙烯酸甲酯，聚甲基丙烯酸-β-羟乙酯，硅橡胶玻璃体硅油，聚甲基丙烯酸-β-羟乙酯鼻、耳硅橡胶，聚乙烯血管聚酯纤维，聚四氟乙烯，嵌段聚醚氨酯人工红血球全氟烃人工血浆羟乙基淀粉，聚乙烯基吡咯烷酮胆管硅橡胶表9-2用于人工脏器的部分高分子材料BiodegradablepolymersPoly(anhydride)sPoly(lactide-co-glycolide)PLGAPolylactidePLAPolyglycolidePGAPoly(ε-caprolactone)PCLPoly(1,3-trimethylenecarbonate)PTMCAliphaticpolyestersAliphaticpolycarbonatesPolyphosphates聚乳酸聚2-羟基乙酸OCOO9.3可降解生物高分子材料（biodegradablepolymers）•结构与性能•合成•应用合成可降解高分子材料（syntheticbiodegradablepolymers）聚酯聚碳酸酯聚磷酸酯聚酸酐聚乳酸聚2-羟基乙酸-羟基丙酸（乳酸二聚体）用途•手术缝合线•骨固定材料•组织修补材料•药物控制释放材料聚2-羟基乙酸（聚乙交酯）•商品名：Dexon，体内降解速度快，用于手术缝合线，适合2-4周愈合的伤口COHOCH2OH聚（丙交酯-乙交酯）天然可降解高分子材料•胶原蛋白，纤维蛋白•甲壳素、壳聚糖、淀粉、纤维素海藻酸钠衍生物可吸收缝线药物控释载体人工皮肤甲壳质甲壳素与