生物医用高分子材料

第七章医用高分子材料本章内容概述生物惰性高分子材料生物可降解高分子材料组织工程药用高分子材料用于诊断、治疗、修复或替换人体组织、器官或增进其生理功能的新型高技术材料。7.1概述医用金属材料：主要用于人体中承重器官的修复和替换。机械强度高、抗疲劳性能好医用生物陶瓷：主要用于骨骼、牙齿等硬组织的替换和修复。耐腐蚀性能好、使用寿命长。医用高分子材料：在物理化学性质及功能与人体各类器官更为相似。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。聚四氟乙烯1.分类分类材料医用用途治疗用高分子材料手术用材料缝合线、黏合剂、止血剂、骨骼牙齿修补材料治疗用敷料创伤被覆材料、人工皮肤、消毒纱布等治疗用具各种插管、导管、引流管、一次性输液材料等药用高分子材料治疗药物降胆敏、降胆宁、干扰素诱导剂等控制释放药物高分子微胶囊、生物降解型缓释药物导向药物高分子磁性导向等导向药物制剂人造器官用材料人造组织器官人工血管、人工关节、人工玻璃体人造脏器人造心脏、人造肺、假肢和其他人造器官按来源分类天然医用高分子材料如胶原、明胶、丝蛋白、角质蛋白、纤维素、粘多糖、甲壳素及其衍生物等。NCNCH2CHNOCHOOOn胶原CHCOOHNH2R明胶人工合成医用高分子材料如聚氨酯、硅橡胶、聚酯等。可生物降解—指聚合物在生物体内酶、酸碱性环境下或微生物存在的情况下，可以发生分子量下降，生成水、CO2等对生物体或者环境无毒害的小分子化合物的性能。•不可生物降解（生物惰性材料）—一种生物材料在特殊应用中和宿主反应起作用的能力，要求植入材料和机体间的相互作用能够永久的被协调。在生物环境下自身不发生有害的物理（渗透、溶解或者吸收）或者化学反应（对酸碱酶稳定）•生物相容性—指血液相容性和组织相容性，不发生凝血、溶血和血栓反应，不发生组织过敏，排斥或刺激反应，无致癌和钙沉积等反应。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.生物医用高分子材料的发展历史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目前用高分子材料制成的人工器官中，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、整形材料等。已取得重大研究成果。还需要不断完善的有人工肾、人工心脏、人工肺、人工胰脏、人工眼球、人造血液等。另有一些功能较为复杂的器官，如人工肝脏、人工胃、人工子宫等。正处于大力研究开发之中。国际评述◦国际生物材料科学与工程学会联合会主席A.F.VonRecum在“美国生物材料学会论坛”（BiomaterialsForum,SFB,USA）上著文称：“近年来中国生物材料科学与工程极为成功地登上了世界舞台”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。安全性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。•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。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。③具有良好的组织相容性指材料与血液以外的生物组织接触时，材料本身的性能满足使用要求，而对生物体无刺激性、不使组织和细胞发生炎症，不发生排斥反应，没有致癌作用，不会发生钙沉积。具体来说，要求材料置于一般组织表面、器官空间组织内等处后，活体组织不发生排斥反应，材料自身也不因与活体组织、体液中多成分长期接触发生性质劣化，功能下降。是生物医学材料区别于其它高技术材料的最重要的特征生物材料人体宿主反应材料反应材料机体良好的生物医学材料：材料引起的机体反应机体导致的材料反应短期反应和长期反应局部反应和全身反应急性炎症反应全身毒性反应异体反应生物环境作用导致的材料性能蜕变、降解、磨损等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生物惰性高分子材料—长期植入体内不会减少机械强度生物降解高分子材料—按使用需要降解同时降低机械强度表7-1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6775.3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。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。例如：将芝加哥酸（1-氨基-8-萘酚-3,4-二磺酸萘）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，抗凝血性提高。NHSO2NNOHNH2SO3HSO3H在材料中引入阴离子基团，或者采用电荷注入的方式使界面带有负电荷，都可以提高材料的抗凝血性质。③高分子材料的肝素化肝素是一种硫酸多糖类物质，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。④材料表面伪内膜化伪内膜是一种采用仿生学的原理，在材料表面生成的一层与血管内壁相似的修饰层。在材料表面沉积一层很薄的蛋白层，可以促进内皮细胞在其表面的吸附和生长，形成一层类似于血管内壁的伪内膜。生物材料的表面修饰与改性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聚膦腈表7-2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7-2用于人工脏器的部分高分子材料生物惰性高分子材料的应用（1）软组织修复材料填充材料用来弥补一些容貌缺陷、萎缩或者发育不完全，使之符合审美要求的医用材料。常用的高分子材料有硅橡胶、聚乙烯和聚四氟乙烯。导液管用于插入人体深处输入液体（如养分、生理盐水、药物、血液等）或通过血管插入心脏进行有关检查的导管。制造材料必须是血液相容、不凝血、不感染的材料。PU等由于良好的挠曲性和易于加工成不同的大小和长度，是应用广泛的导液管材料。人工骨人工骨以置换病人体内无法愈合的伤骨，特别是关节。人工骨将长久地留在人体内代替骨的功能，对材料的机械性能要求很高，用于制备人工骨的主要是一些高分子复合材料，如陶瓷/超高分子量聚乙烯。(2)硬组织修复材料牙科修复材料如牙冠填充和制备假牙。甲基丙烯酸酯树脂是较早使用的牙冠填充高分子材料，但其机械强度较差，使用寿命较短，因此现在多已被一些牙科复合树脂所取代。牙科复合树脂主要组分包括基体树脂、填料、降粘单体、引发剂和稳定剂。在固态下高分子链的聚集态可分为结晶态、玻璃态、橡胶态。如果高分子材料的化学结构相同，那么不同聚集态的降解速度有如下顺序：橡胶态玻璃态结晶态显然，聚集态结构越有序，分子链之间排列越紧密，降解速度越低易降解高分子结构难降解高分子结构直链交联橡胶态、玻璃态结晶态脂肪族芳香族低相对分子量高相对分子量亲水性疏水性表面粗糙表面光滑高分子结构与降解性的关系7.3可降解生物高分子材料由于低分子量聚合物的溶解或溶胀性能优于高分子量聚合物，因此对于同种高分子材料，分子量越大，降解速度越慢。亲水性强的高分子能够吸收水、催化剂或酶，一般有较快的降解速度。含有羟基、羧基的生物吸收性高分子，不仅因为其较强的亲水性，而且由于其本身的自催化作用，所以比较容易降解，相反，在主链或侧链含有疏水长链烷基或芳基的高分子，降解性能往往较差。A、合成的高分子材料CHCOROnOCRCOnOC(CH2)5OOnCHCOCH3OnCH2COOnNNROOOONH2NHOnH3CH2COOOCH3CH2RnNPRRn聚羟基烷酸酯聚酸酐聚己内酯聚乳酸聚羟基乙酸聚酰亚胺聚赖氨酸聚原酸酯聚膦腈CHCOROn应用最广泛的是聚羟基乙酸(PGA)、聚乳酸(PLA)、聚ε-已内酯(PCL)及其共聚物。聚羟基烷酸酯的降解产物能人体完全吸收。常用作医用缝合线和外科矫正材料，以及药物释放载体。PGA、PLA是亲水性材料，降解速度较快，适用于2~4周伤口就能愈合的外科手术PCL是疏水性材料，降解速度慢，最适合作为长效植入药物的控释载体。C(CH2)5OOnCHCOCH3OnCH2COOn聚己内酯聚乳酸聚羟基乙酸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人工皮肤甲壳素与壳聚糖•化学名称为聚N-乙酰-D葡萄糖胺，属于氨基多糖，是仅有的具有明显碱性的天然多糖。•是一种来源于动物的天然多糖，普遍存在于虾、蟹等低等动物及昆虫等节肢动物的外壳中。将甲壳动物的外壳通过酸碱处理，脱去钙、盐和蛋白质，即得到甲壳质。甲壳素能为肌体组织中的溶菌酶所分解，已用于制造吸收型手术缝合线。其抗拉强度优于其他类型的手术缝合线。在兔体内试验观察，甲壳素手术缝合线4个月可以完全吸收。甲壳素还具有促进伤口愈合的功能，可用作伤口包扎材料。甲壳素膜用于覆盖外伤或新鲜烧伤的皮肤创伤面时，具有减轻疼痛和促进表皮形成的作用，因此是一种良好的人造皮肤材料。甲壳素缝线的电