高分子材料在医学中的应用

医用高分子材料•一、医用高分子材料的定义（Biomedicalmaterials）•医用高分子材料则是生物医用材料中的重要组成部分，主要用于人工器官、外科修复、理疗康复、诊断检查、患疾治疗等医疗领域。众所周知，生物体是有机高分子存在的最基本形式，有机高分子是生命的基础。动物体与植物体组成中最重要的物质——蛋白质、肌肉、纤维素、淀粉、生物酶和果胶等都是高分子化合物。因此，可以说，生物界是天然高分子的巨大产地。高分子化合物在生物界的普遍存在，决定了它们在医学领域中的特殊地位。在各种材料中，高分子材料的分子结构、化学组成和理化性质与生物体组织最为接近，因此最有可能用作医用材料。生物医用材料的发展概况早在公元前3500年，埃及人就用棉花纤维、马鬃缝合伤口。墨西哥印地安人用木片修补受伤的颅骨。公元前500年的中国和埃及墓葬中发现假牙、假鼻、假耳。进入20世纪，高分子科学迅速发展，新的合成高分子材料不断出现，为医学领域提供了更多的选择余地。1936年发明了有机玻璃后，很快就用于制作假牙和补牙，至今仍在使用。1943年，赛璐珞薄膜（硝酸纤维素）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。20世纪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。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。1975年手术缝合线投入市场20世纪80年代，隐形眼镜20世纪90年代商品化人工皮肤2000年人工胰进入临床试验人工关节例如：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•……0500100015002000250030003500年20052002200032752300165020%12%单位:亿美元世界医疗器械市场生物材料和制品三、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……四、医用高分子的分类:（1）按材料的来源分类1）天然医用高分子材料如胶原、明胶、丝蛋白、角质蛋白、纤维素、多糖、甲壳素及其衍生物等。2）人工合成医用高分子材料如聚氨酯、硅橡胶、聚酯等。3）天然生物组织与器官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取自其他人的同种异体组织，例如利用他人角膜治疗患者的角膜疾病；③来自其他动物的异种同类组织，例如采用猪的心脏瓣膜代替人的心脏瓣膜，治疗心脏病等。胶原可以用于制造止血海绵、创伤辅料、人工皮肤、手术缝合线、组织工程基质等。•甲壳素、壳聚糖等产品生物相容性好，且具有止血、止痛、抑菌、促进肉芽组织和上皮组织的形成等作用，是外伤、创伤治疗的理想产品。伤口包扎材料——护创膜双层人工皮肤Apligraf纤维蛋白纤维蛋白是纤维蛋白原的聚合产物。纤维蛋白原是一种血浆蛋白质，存在于动物体的血液中。纤维蛋白原在人体内的主要功能是参与凝血过程。临床常见分类一类是直接用于治疗人体某一病变组织、替代人体某一部位或某一脏器、修补人体某一缺陷的材料。如用作人工管道（血管、食道、肠道、尿道等）、人造玻璃体（眼球）、人工脏器（心脏、肾脏、肺、胰脏等）、人造皮肤、人造血管，手术缝合用线、组织粘合剂、整容材料（假耳、假眼、假鼻、假肢等）的材料。另一类则是用来制造医疗器械、用品的材料，如注射器、手术钳、血浆袋等。这类材料用来为医疗事业服务，但本身并不具备治疗疾病、替代人体器官的功能，因此不属功能高分子的范畴。五、对医用高分子材料的基本要求对人体组织不会引起炎症或异物反应不会致癌血液相容性，不会在材料表面凝血长期植入人体内，不会减小机械强度能经受必要的清洁消毒措施而不产生变性易于加工成需要的复杂形状惰性的，不会因与体液接触而发生发应对医用高分子材料的基本要求六、高分子材料在医学领域的应用1、医用材料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。1.人工心脏人工心脏研究有近40年，1977，在小牛体内植入人工心脏，存活184天；1979年，在小牛中植入Jarvik-7型人工心脏，存活221天；1982年，植入在61岁老人体内，存活112天；1981年以来使用抗排斥功能药物（环孢霉素），使手术成活率提高。最高纪录为1997年以羊为实验对象的试验中，存活864天。人工心脏是由微机电动机带动的机械泵。1.金属钛制成心脏本体2.一个微型锂电池3.一个计算机操纵系统4.外接电池组人工心脏瓣膜心脏起搏器2.人工肾（血液渗析器）血流透析液血液渗析膜的高分子材料主要有铜氨纤维素（87%）、醋酸纤维素、聚砜和聚丙烯腈等。铜氨纤维素用量最大，性能也最好。人工肾的中空纤维渗析膜间的空隙较小，表面积大，在进行血液体外流转时，血球损伤较严重。两次治疗必须间隔至少一周。人工肾的工作原理人工肾的工作原理3.人工肺目前使用的都是微孔聚丙烯中空纤维制成的人工肺。纤维管壁有100nm的微孔，聚丙烯是疏水的，血液不会从微孔留出。操作时，血液在纤维膜外流动，氧气在纤维馆内流动，在压力下，扩散到血液，进行氧合作用。人工肺又名氧合器或气体交换器，它是一种代替人体肺脏排出二氧化碳、摄取氧气，是气体和血液的交换器。鼓泡式→膜式人工肺4.人工角膜光学镜柱常用材料有聚甲基丙烯酸羟乙酯(PHEMA）、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA）、硅凝胶、玻璃等；周边支架常用材料有陶瓷、氟碳聚合物、羟基磷灰石、生物材料、聚四氟乙烯等。4.接触眼镜角膜上没有血管组织，在进行新陈代谢时需要通过泪液从空气中直接得到氧气。因此，对人工角膜材料和隐形眼镜要求透氧气，和较好亲水性。主要硬性接触镜和软性接触镜。硬性接触镜是用透光性好的聚丙烯酸酯类树脂制成，如有机玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯）等。通过在角膜和镜片间的眼泪保证氧气供应，但透氧性和吸湿性都还是较差。软质接触镜是用亲水高分子的水凝胶制成。常用的有聚甲基丙烯酸羟乙酯、聚乙烯基吡啶、N-乙烯基吡咯烷酮与甲基丙烯酸酯的共聚物。PHEMA5.人工骨治疗骨折时用的内固定材料常用金属材料，但是与骨质不相容。因此，需要再做手术取出。常用的高分子接骨材料是骨水泥。是一种在常温下固化的以聚甲基丙烯酸为主体的骨凝固材料，又出现了有机硅的接骨材料。但仍不是理想的接骨材料，主要是因为单体毒性、异物反应等组织反应。最近发明使用可降解高分子材料作为骨骼粘结材料。例如，高强度聚乳酸，相容性好，而且可以缓慢水解成羟基乙酸和乳酸，并最终生成水和CO2排出。降解留下的孔道可以生长血管，并被骨质填充，可以达到完全愈合的效果。人工骨脊柱修复支架InterporeCrossInternationalInc.SynergyTMIQLowBackSystem7.人工皮肤Silastic---EpidermalMembrane---DermalIntegra治疗过程Source:IntegraLifeSciencesCorporation二、高分子医疗器材1.高分子绷带材料骨折需要用绷带和夹板把骨折部位包扎，然后用石膏固定，需要一个月时间愈合。然而石膏不透气，会引起炎症。高分子绷带材料是由纱布浸了由异氰酸酯封端的聚氨酯预聚体制成的。使用时，先在水中浸润，然后包扎。在水作用下的预聚体能很快反应，生成聚氨基甲酸酯，并形成交联。柔软的纱布会变得很硬，同时，纱布较疏松，易于透气。2.一次性高分子医疗用品一次性针筒是由聚丙烯树脂制备，耐温性比聚乙烯和聚氯乙烯树脂都好，可在115度短时间高温消毒，是制备硬质医用材料的首选高分子原料。输液袋和输液管大多都是PVC树脂制备，柔软、透明、强度高。塑料针头，同输液用金属针头配套使用，形状如针头的套管。使用时，塑料针头同金属针头一起插入静脉血管，然后拔出金属针头，让塑料针头留在血管内，出口同输液瓶相接。每次输液后，不用把塑料针头拔出，封住出口即可。这种塑料针头在体内可保留一月左右。塑料针头是用聚氨酯制备的。3.超强吸水药棉超强吸水性树脂是一种特殊的功能高分子材料。对纯水的吸附量可达自身重量的几十倍至几千倍。吸水后无论加多大的压力也不脱水，又叫高保水剂。超强吸水剂的原理1.要含有亲水基团2.要适度交联或含有结晶结构。交联度不能太低，否则树脂会溶解，或形成的水凝胶强度差。吸水量低。交联度也不能太高，否则交联网无法张开。4.医用粘合剂目前医用粘合剂是丁酯，504胶水。501胶水是甲酯，对皮肤的刺激性和毒性都很强。可以用于骨骼粘结，伤口粘结等。不能直接涂在皮肤上，因为发热量大。药用高分子•高分子药物•高分子药物载体•靶向药物高分子导向材料1.高分子药物•1.高分子骨架本身具有药理活性p331•聚乙烯N-氧吡啶是一种具有药理活性的高分子，能溶于水中。注射其水溶液或吸入其烟雾剂，对于治疗因大量吸入含游离二氧化硅粉尘所引起的急性和慢性矽肺病有较好效果．并有较好的预防效果•聚乙烯磺酸钠是一种具有抗凝血作用的聚合物．聚乙烯磺酸钠的聚合单体是乙烯基磺酸钠。由于磺酸钠基团的强烈电斥作用，单体不易靠拢，因此，通过自由基聚合很难得到聚合物。有效的方法是采用等离子引发聚合。血浆增量剂，用于治疗外伤性急性出血及其他原因引起的血容量减少将青霉素与乙烯醇-乙烯胺共聚物以酰胺键相结合，得到水溶性的药物高分子。这种高分子青霉素在人体内停留时间比低分子青霉素长30-40倍。2.高分子载体药物高分子药物缓释材料•药物控制释放目的：–使药物以最小的剂量在特定部位产生疗效；–优化药物释放速率以提高疗效，降低毒副作用；控释药物的剂型与技术口服注射制剂植入制剂喷雾剂经皮给药粘膜贴剂……缓释技术时间控制体系靶向技术部位控制体系智能控制释放反馈控制体系……•口服缓释制剂：新康泰克靶向纳米微球纳米树形高分子（纳米在药物输运中的应用）作为药物载体的树状高分子•把树形高分子设计得只在适当的触发分子存在的情况下自动地膨胀并释放出药物•使定制的树形高分子恰好在需要治疗的组织或器官内释放出其运载的药物。七、医用高分子的发展方向（1）人工脏器的生物功能化、小型化、体植化（2）高抗血栓性材料的研制（3）发展新型医用高分子材料（4）推广医用高分子的临床应用