生物醫(yī)學(xué)功能材料

生物醫(yī)學(xué)功能材料第1頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一第一節(jié)

概述一、基本概念生命科學(xué)是21世紀(jì)備受關(guān)注的新型學(xué)科。而與人類健康休戚相關(guān)的醫(yī)學(xué)在生命科學(xué)中占有相當(dāng)重要的地位。醫(yī)用材料是生物醫(yī)學(xué)的分支之一，是由生物、醫(yī)學(xué)、化學(xué)和材料等學(xué)科交叉形成的邊緣學(xué)科。而醫(yī)用高分子材料則是生物醫(yī)用材料中的重要組成部分，指用于對生物體進行診斷、治療和置換損壞組織、器官或增進其功能的材料。眾所周知，生物體是有機高分子存在的最基本形式，有機高分子是生命的基礎(chǔ)。動物體與植物體組成中最重要的物質(zhì)—蛋白質(zhì)、肌肉、纖維素、淀粉、生物酶和果膠等都是高分子化合物。因此，可以說，第2頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一生物界是天然高分子的巨大產(chǎn)地。高分子化合物在生物界的普遍存在，決定了它們在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的特殊地位。在各種材料中，高分子材料的分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成和理化性質(zhì)與生物體組織最為接近，因此最有可能用作醫(yī)用材料。醫(yī)用高分子材料發(fā)展的動力來自醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的客觀需求。當(dāng)人體器官或組織因疾病或外傷受到損壞時，需要器官移植。然而，只有在很少的情況下，人體自身的器官（如少量皮膚）可以滿足需要。采用同種異體移植或異種移植，往往具有排異反應(yīng)，嚴(yán)重時導(dǎo)致移植失敗。在此情況下，人們自然設(shè)想利用其他材料修復(fù)或替代受損器官或組織。二、醫(yī)用高分子的發(fā)展簡史第3頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一早在公元前3500年，埃及人就用棉花纖維、馬鬃縫合傷口。墨西哥印地安人用木片修補受傷的顱骨。公元前500年的中國和埃及墓葬中發(fā)現(xiàn)假牙、假鼻、假耳。進入20世紀(jì)，高分子科學(xué)迅速發(fā)展，新的合成高分子材料不斷出現(xiàn)，為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域提供了更多的選擇余地。1936年發(fā)明了有機玻璃后，很快就用于制作假牙和補牙，至今仍在使用。1943年，賽璐珞薄膜開始用于血液透析。

1949年，美國首先發(fā)表了醫(yī)用高分子的展望性論文。在文章中，第一次介紹了利用PMMA作為人的頭蓋骨、關(guān)節(jié)和股骨，利用聚酰胺纖維作為手術(shù)縫合線的臨床應(yīng)用情況。50年代，有機硅聚合物被用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，使人工器官的應(yīng)用范圍大大擴大，包括器官替代和整容等許多方面。第4頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一此后，一大批人工器官在50年代試用于臨床。如人工尿道（1950年）、人工血管（1951年）、人工食道（1951年）、人工心臟瓣膜（1952年）、人工心肺（1953年）、人工關(guān)節(jié)（1954年）、人工肝（1958年）等。進入60年代，醫(yī)用高分子材料開始進入一個嶄新的發(fā)展時期。

60年代以前，醫(yī)用高分子材料的選用主要是根據(jù)特定需求，從已有的材料中篩選出合適的加以應(yīng)用。由于這些材料不是專門為生物醫(yī)學(xué)目的設(shè)計和合成的，在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)了許多問題，如凝血問題、炎癥反應(yīng)、組織病變問題、補體激活與免疫反應(yīng)問題等。人們由此意識到必須針對醫(yī)學(xué)應(yīng)用的特殊需要，設(shè)計合成專用的醫(yī)用高分子材料。

第5頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一美國國立心肺研究所在這方面做了開創(chuàng)性的工作，他們發(fā)展了血液相容性高分子材料，以用于與血液接觸的人工器官制造，如人工心臟等。從70年代始，高分子科學(xué)家和醫(yī)學(xué)家積極開展合作研究，使醫(yī)用高分子材料快速發(fā)展起來。至80年代以來，發(fā)達國家的醫(yī)用高分子材料產(chǎn)業(yè)化速度加快，基本形成了一個嶄新的生物材料產(chǎn)業(yè)。醫(yī)用高分于作為一門邊緣學(xué)科，融和了高分子化學(xué)、高分子物理、生物化學(xué)、合成材料工藝學(xué)、病理學(xué)、藥理學(xué)、解剖學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)等多方面的知識，還涉及許多工程學(xué)問題，如各種醫(yī)療器械的設(shè)計、制造等。上述學(xué)科的相互交融、相互滲透，促使醫(yī)用高分子材料的品種越來越豐富，性能越來越完善，功能越來越齊全。

第6頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一高分子材料雖然不是萬能的，不可能指望它解決一切醫(yī)學(xué)問題，但通過分子設(shè)計的途徑，合成出具有生物醫(yī)學(xué)功能的理想醫(yī)用高分子材料的前景是十分廣闊的。有人預(yù)計，在21世紀(jì)，醫(yī)用高分子將進入一個全新的時代。除了大腦之外，人體的所有部位和臟器都可用高分子材料來取代。仿生人也將比想象中更快地來到世上。目前用高分子材料制成的人工器官中，比較成功的有人工血管、人工食道、人工尿道、人工心臟瓣膜、人工關(guān)節(jié)、人工骨、整形材料等。巳取得重大研究成果，但還需不斷完善的有人工腎、人工心臟、人工肺、人工胰臟、人工眼球、人造血液等。另有一些功能較為復(fù)雜的器官，如人工肝臟、人工胃、人工子宮等。則正處于大力研究開發(fā)之中。第7頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一從應(yīng)用情況看，人工器官的功能開始從部分取代向完全取代發(fā)展，從短時間應(yīng)用向長時期應(yīng)用發(fā)展，從大型向小型化發(fā)展，從體外應(yīng)用向體內(nèi)植入發(fā)展、人工器官的種類從與生命密切相關(guān)的部位向人工感覺器官、人工肢體發(fā)展。第二節(jié)醫(yī)用高分子的分類醫(yī)用高分子是一門較年輕的學(xué)科，發(fā)展歷史不長，因此醫(yī)用高分子的定義至今尚不十分明確。另外，由于醫(yī)用高分子是由多學(xué)科參與的交叉學(xué)科，根據(jù)不同學(xué)科領(lǐng)域的習(xí)慣出現(xiàn)了不同的分類方式。目前醫(yī)用高分子材料隨來源、應(yīng)用目的等可以分為多種類型。第8頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一一、按材料的來源分類1.天然醫(yī)用高分子材料如膠原、明膠、絲蛋白、角質(zhì)蛋白、纖維素、多糖、甲殼素及其衍生物等。2.人工合成醫(yī)用高分子材料如聚氨酯、硅橡膠、聚酯等。3.天然生物組織與器官

①取自患者自體的組織，例如采用自身隱靜脈作為冠狀動脈搭橋術(shù)的血管替代物；

②取自其他人的同種異體組織，例如利用他人角膜治療患者的角膜疾?。?/p>

③來自其他動物的異種同類組織，例如采用豬的心臟瓣膜代替人的心臟瓣膜，治療心臟病等。第9頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一二、按材料與活體組織的相互作用關(guān)系分類1.生物惰性高分子材料在體內(nèi)不降解、不變性、不會引起長期組織反應(yīng)的高分子材料，適合長期植入體內(nèi)。2.生物活性高分子材料指植入生物體內(nèi)能與周圍組織發(fā)生相互作用，促進肌體組織、細(xì)胞等生長的材料。3.生物吸收高分子材料這類材料又稱生物降解高分子材料。這類材料在體內(nèi)逐漸降解，其降解產(chǎn)物能被肌體吸收代謝，獲通過排泄系統(tǒng)排出體外，對人體健康沒有影響。如用聚乳酸制成的體內(nèi)手術(shù)縫合線、體內(nèi)粘合劑等。第10頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一三、按生物醫(yī)學(xué)用途分類1.硬組織相容性高分子材料如骨科、齒科用高分子材料；2.軟組織相容性高分子材料3.血液相容性高分子材料4.高分子藥物和藥物控釋高分子材料四、按與肌體組織接觸的關(guān)系分類1.長期植入材料如人工血管、人工關(guān)節(jié)、人工晶狀體等。2.短期植入（接觸）材料如透析器、心肺機管路和器件等。3.體內(nèi)體外連通使用的材料如心臟起搏器的導(dǎo)線、各種插管等。4.與體表接觸材料及一次性醫(yī)療用品材料第11頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一目前在實際應(yīng)用中，更實用的是僅將醫(yī)用高分子分為兩大類，一類是直接用于治療人體某一病變組織、替代人體某一部位或某一臟器、修補人體某一缺陷的材料。如用作人工管道（血管、食道、腸道、尿道等）、人造玻璃體（眼球）、人工臟器（心臟、腎臟、肺、胰臟等）、人造皮膚、人造血管，手術(shù)縫合用線、組織粘合劑、整容材料（假耳、假眼、假鼻、假肢等）的材料。另一類則是用來制造醫(yī)療器械、用品的材料，如注射器、手術(shù)鉗、血漿袋等。這類材料用來為醫(yī)療事業(yè)服務(wù)，但本身并不具備治療疾病、替代人體器官的功能，因此不屬功能高分子的范疇。國內(nèi)通常將高分子藥物單獨列為一類功能性高分子。第12頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)對醫(yī)用高分子材料的基本要求醫(yī)用高分子材料是一類特殊用途的材料。它們在使用過程中，常需與生物肌體、血液、體液等接觸，有些還須長期植入體內(nèi)。由于醫(yī)用高分子與人們的健康密切相關(guān)，因此對進入臨床使用階段的醫(yī)用高分子材料具有嚴(yán)格的要求，要求有十分優(yōu)良的特性。歸納起來，一個具備了以下七個方面性能的材料，可以考慮用作醫(yī)用材料。一、化學(xué)隋性，不會因與體液接觸而發(fā)生反應(yīng)人體環(huán)境對高分子材料主要有以下一些影響：1.體液引起聚合物的降解、交聯(lián)和相變化；2.體內(nèi)的自由基引起材料的氧化降解反應(yīng)；3.生物酶引起的聚合物分解反應(yīng)；4.在體液作用下材料中添加劑的溶出；5.血液、體液中的類脂質(zhì)、類固醇及脂肪等物質(zhì)滲入高分子材料，使材料增塑，強度下降。第13頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一但對醫(yī)用高分子來說，某些情況下，“老化”并不一定都是貶意的，有時甚至還有積極意義。如作為醫(yī)用粘合劑用于組織粘合，或作為醫(yī)用手術(shù)縫合線時，在發(fā)揮了相應(yīng)的效用后，反倒不希望它們有太好的化學(xué)穩(wěn)定性，而是希望能盡快被組織分解、吸收或迅速排出體外。在這種情況下，對材料的附加要求是：分解過程中，不應(yīng)產(chǎn)生對人體有害的副產(chǎn)物。二、對人體組織不會引起炎癥或異物反應(yīng)有些高分子材料本身對人體有害，不能用作醫(yī)用材料。而有些高分子材料本身對人體組織并無不良影響，但在合成、加工過程中不可避免地會殘留一些單體，或使用一些添加劑。當(dāng)材料植入人體以后，這些單體和添加劑會慢慢從內(nèi)部遷移到表面，從而對周圍組織發(fā)生作用，引起炎癥或組織畸變，嚴(yán)重的可引起全身性反應(yīng)。第14頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一三、不會致癌根據(jù)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)理論認(rèn)為，人體致癌的原因是由于正常細(xì)胞發(fā)生了變異。當(dāng)這些變異細(xì)胞以極其迅速的速度增長并擴散時，就形成了癌。而引起細(xì)胞變異的因素是多方面的，有化學(xué)因素、物理因素，也有病毒引起的原因。當(dāng)醫(yī)用高分子材料植入人體后，高分子材料本身的性質(zhì)，如化學(xué)組成、交聯(lián)度、相對分子質(zhì)量及其分布、分子鏈構(gòu)象、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)、高分子材料中所含的雜質(zhì)、殘留單體、添加劑都可能與致癌因素有關(guān)。但研究表明，在排除了小分子滲出物的影響之外，與其他材料相比，高分子材料本身并沒有比其他材料更多的致癌可能性。第15頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一四、具有良好的血液相容性當(dāng)高分子材料用于人工臟器植入人體后，必然要長時間與體內(nèi)的血液接觸。因此，醫(yī)用高分子對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問題是一個十分活躍的研究課題，但至今尚未制得一種能完全抗血栓的高分子材料。這一問題的徹底解決，還有待于各國科學(xué)家的共同努力。五、長期植入體內(nèi)不會減小機械強度許多人工臟器一旦植入體內(nèi)，將長期存留，有些甚至伴隨人們的一生。因此，要求植入體內(nèi)的高分子材料在極其復(fù)雜的人體環(huán)境中，不會很快失去原有的機械強度。事實上，在長期的使用過程中，高分子材料受到各種因素的影響，其性能不可能永遠(yuǎn)保持不變。僅希望變化盡可能少一些，或者說壽命盡可能長一些。

第16頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一一般來說，化學(xué)穩(wěn)定性好的，不含易降解基團的高分子材料，機械穩(wěn)定也比較好。如聚酰胺的酰胺基團在酸性和堿性條件下都易降解，因此，用作人體各部件時，均會在短期內(nèi)損失其機械強度，故一般不適宜選作植入材料。而聚四氟乙烯的化學(xué)穩(wěn)定性較好，其在生物體內(nèi)的穩(wěn)定性也較好。六、能經(jīng)受必要的清潔消毒措施而不產(chǎn)生變性高分子材料在植入體內(nèi)之前，都要經(jīng)過嚴(yán)格的滅菌消毒。目前滅菌處理一般有三種方法：蒸汽滅菌、化學(xué)滅菌、γ射線滅菌。國內(nèi)大多采用前兩種方法。因此在選擇材料時，要考慮能否耐受得了。七、易于加工成需要的復(fù)雜形狀人工臟器往往具有很復(fù)雜的形狀，因此，用于人工臟器的高分子材料應(yīng)具有優(yōu)良的成型性能。否則，即使各項性能都滿足醫(yī)用高分子的要求，卻無法加工成所需的形狀，則仍然是無法應(yīng)用的。第17頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一此外還要防止在醫(yī)用高分子材料生產(chǎn)、加工工程中引入對人體有害的物質(zhì)。應(yīng)嚴(yán)格控制原料的純度。加工助劑必須符合醫(yī)用標(biāo)準(zhǔn)。生產(chǎn)環(huán)境應(yīng)當(dāng)具有適宜的潔凈級別，符合國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。與其他高分子材料相比，對醫(yī)用高分子材料的要求是非常嚴(yán)格的。對于不同用途的醫(yī)用高分子材料，往往又有一些具體要求。在醫(yī)用高分子材料進入臨床應(yīng)用之前，都必須對材料本身的物理化學(xué)性能、機械性能以及材料與生物體及人體的相互適應(yīng)性進行全面評價，然后經(jīng)國家管理部門批準(zhǔn)才能進入臨床使用。第18頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一第四節(jié)高分子材料的生物相容性生物相容性是指植入生物體內(nèi)的材料與肌體之間的適應(yīng)性。對生物體來說，植入的材料不管其結(jié)構(gòu)、性質(zhì)如何，都是外來異物。出于本能的自我保護，一般都會出現(xiàn)排斥現(xiàn)象。這種排斥反應(yīng)的嚴(yán)重程度，決定了材料的生物相容性。因此提高應(yīng)用高分子材料與肌體的生物相容性，是材料和醫(yī)學(xué)科學(xué)家們必須面對的課題。由于不同的高分子材料在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用目的不同，生物相容性又可分為組織相容性和血液相容性兩種。組織相容性是指材料與人體組織，如骨骼、牙齒、內(nèi)部器官、肌肉、肌腱、皮膚等的相互適應(yīng)性，而血液相容性則是指材料與血液接觸是不是會引起凝血、溶血等不良反應(yīng)。第19頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一一、高分子材料的組織相容性1.高分子材料植入對組織反應(yīng)的影響高分子材料植入人體后，對組織反應(yīng)的影響因素包括材料本身的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)（如微相結(jié)構(gòu)、親水性、疏水性、電荷等）、材料中可滲出的化學(xué)成分（如殘留單體、雜質(zhì)、低聚物、添加劑等）、降解或代謝產(chǎn)物等。此外，植入材料的幾何形狀也可能引起組織反應(yīng)。2.高分子材料在體內(nèi)的表面鈣化觀察發(fā)現(xiàn)，高分子材料在植入人體內(nèi)后，再經(jīng)過一段時間的試用后，會出現(xiàn)鈣化合物在材料表面沉積的現(xiàn)象，即鈣化現(xiàn)象。鈣化現(xiàn)象往往是導(dǎo)致高分子材料在人體內(nèi)應(yīng)用失效的原因之一。試驗結(jié)果證明，鈣化現(xiàn)象不僅是膠原生物材料的特征，一些高分子水溶膠，如聚甲基丙烯酸羥乙酯在大鼠、倉鼠、荷蘭豬的皮下也有鈣化現(xiàn)象。

第20頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一鈣化現(xiàn)象是高分子材料植入動物體內(nèi)后，

對肌體組織造成刺激，促使肌體的新陳代謝加速的

結(jié)果。影響高分子材料表面鈣化的因素很多，包括生物因素（如物種、年齡、激素水平、血清磷酸鹽水平、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)吸附、局部血流動力學(xué)、凝血等）和材料因素（親水性、疏水性、表面缺陷）等。一般而言，材料植入時，被植個體越年青，材料表面越可能發(fā)生鈣化。多孔材料的鈣化情況比無孔材料要嚴(yán)重。3.高分子材料的致癌性雖然目前尚無足夠證據(jù)說明高分子材料植入會引起人體內(nèi)的癌癥。但，許多試驗研究表明，當(dāng)高分子材料植入鼠體內(nèi)時，只要植入的材料是固體材料而且面積大于1cm2，無論材料種類（高分子、金屬或陶瓷）、形狀（膜、片狀或板狀）及材料本身是否具有化學(xué)致癌性，均有可能導(dǎo)致癌癥的發(fā)生。第21頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一二、高分子材料的血液相容性1.高分子材料的凝血作用（1）血栓的形成通常，當(dāng)人體的表皮受到損傷時，流出的血液會自動凝固，稱為血栓。實際上，血液在受到下列因素影響時，都可能發(fā)生血栓。如①血管壁特性與狀態(tài)發(fā)生變化；②血液的性質(zhì)發(fā)生變化；③血液的流動狀態(tài)發(fā)生變化。血栓的形成機理是十分復(fù)雜的。一般認(rèn)為，異物與血液接觸時，首先將吸附血漿內(nèi)蛋白質(zhì)，然后粘附血小板，繼而血小板崩壞，放出血小板因子，在異物表面凝血，產(chǎn)生血栓。此外，紅血球粘附引起溶血；凝血致活酶的活化，也都是形成血栓的原因。第22頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一（2）影響血小板在材料表面粘附的因素①血小板的粘附與材料表面能有關(guān)，低表面能材料一般具有較好的抗血栓性；②血小板的粘附與材料的含水率有關(guān)，含水率越高血小板粘附數(shù)越小；③血小板的粘附與材料表面疏水-親水平衡有關(guān)，一個親水-疏水性調(diào)節(jié)得較合適的聚合物，往往有足夠的吸附力吸附蛋白質(zhì)，形成一層隋性層，從而減少血小板在其上層的粘附；④血小板的粘附與材料表面的電荷性質(zhì)有關(guān)，帶適當(dāng)負(fù)電荷的材料表面，血小板難于粘附，有利于材料的抗血栓性。但若電荷密度太大，容易損傷血小板，反而造成血栓；第23頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一⑤血小板的粘附與材料表面的光滑程度有關(guān)，血液流經(jīng)的表面上有任何障礙都會改變其流動狀態(tài)，因此材料表面的平整度將嚴(yán)重影響材料的抗血栓性。第五節(jié)生物吸收性高分子材料許多高分子材料植入人體內(nèi)后只是起到暫時替代作用，例如高分子手術(shù)縫合線用于縫合體內(nèi)組織時，當(dāng)肌體組織痊愈后，縫合線的作用即告結(jié)束，這時希望用作縫合線的高分子材料能盡快地分解并被人體吸收，以最大限度地減少高分子材料對肌體的長期影響。由于生物吸收性材料容易在生物體內(nèi)分解，參與代謝，并最終排出體外，對人體無害，因而越來越受到人們的重視。第24頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一一、生物吸收性天然高分子材料已經(jīng)在臨床醫(yī)學(xué)獲得應(yīng)用的生物吸收性天然高分子材料包括蛋白質(zhì)和多糖兩類生物高分子。這些生物高分子主要在酶的作用下降解，生成的降解產(chǎn)物如氨基酸、糖等化合物，可參與體內(nèi)代謝，并作為營養(yǎng)物質(zhì)被肌體吸收。因此這類材料應(yīng)當(dāng)是最理想的生物吸收性高分子材料。

白蛋白、葡聚糖和羥乙基淀粉在水中是可溶的，臨床用作血容量擴充劑或人工血漿的增稠劑。膠原、殼聚糖等在生理條件下是不溶性的，因此可作為植入材料在臨床應(yīng)用。第25頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一1.膠原膠原是人體組織中最基本的蛋白質(zhì)類物質(zhì)，至今已經(jīng)鑒別出13種膠原，其中I～III、V和XI型膠原為成纖維膠原。I型膠原在動物體內(nèi)含量最多，已被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)用材料和生化試劑。牛和豬的肌腱、生皮、骨骼是生產(chǎn)膠原的主要原料。由各種物種和肌體組織制備的膠原差異很小。最基本的膠原結(jié)構(gòu)為由三條分子量大約為1×105的肽鏈組成的三股螺旋繩狀結(jié)構(gòu)，直徑為1～1.5nm，長約300nm，每條肽鏈都具有左手螺旋二級結(jié)構(gòu)。膠原分子的兩端存在兩個小的短鏈肽，稱為端肽，不參與三股螺旋繩狀結(jié)構(gòu)。研究證明，端肽是免疫原性識別點，可通過酶解將其除去。除去端肽的膠原稱為不全膠原，可用作生物醫(yī)學(xué)材料。第26頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一膠原可以用于制造止血海綿、創(chuàng)傷輔料、人工皮膚、手術(shù)縫合線、組織工程基質(zhì)等。膠原在應(yīng)用時必須交聯(lián)，以控制其物理性質(zhì)和生物可吸收性。戊二醛和環(huán)氧化合物是常用的交聯(lián)劑。殘留的戊二醛會引起生理毒性反應(yīng)，因此必須注意使交聯(lián)反應(yīng)完全。膠原交聯(lián)以后，酶降解速度顯著下降。2.明膠明膠是經(jīng)高溫加熱變性的膠原，通常由動物的骨骼或皮膚經(jīng)過蒸煮、過濾、蒸發(fā)干燥后獲得。明膠在冷水中溶脹而不溶解，但可溶于熱水中形成粘稠溶液，冷卻后凍成凝膠狀態(tài)。純化的醫(yī)用級明膠比膠原成本低，在機械強度要求較低時可以替代膠原用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。第27頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一明膠可以制成多種醫(yī)用制品，如膜、管等。由于明膠溶于熱水，在60～80℃水浴中可以制備濃度為5～20％的溶液，如果要得到25～35％的濃溶液，則需要加熱至90～100℃。為了使制品具有適當(dāng)?shù)臋C械性能，可加入甘油或山梨糖醇作為增塑劑。用戊二醛和環(huán)氧化合物作交聯(lián)劑可以延長降解吸收時間。3.纖維蛋白纖維蛋白是纖維蛋白原的聚合產(chǎn)物。纖維蛋白原是一種血漿蛋白質(zhì)，存在于動物體的血液中。人和牛的纖維蛋白原分子量在330000～340000之間，二者之間的氨基酸組成差別很小。纖維蛋白原由三對肽鏈構(gòu)成，每條肽鏈的分子量在47000～63500之間。除了氨基酸之外，纖維蛋白原還含有糖基。纖維蛋白原在人體內(nèi)的主要功能是參與凝血過程。第28頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一纖維蛋白具有良好的生物相容性，具有止血、促進組織愈合等功能，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著重要用途。纖維蛋白的降解包括酶降解和細(xì)胞吞噬兩種過程，降解產(chǎn)物可以被肌體完全吸收。降解速度隨產(chǎn)品不同從幾天到幾個月不等。通過交聯(lián)和改變其聚集狀態(tài)是控制其降解速度的重要手段。目前，人的纖維蛋白或經(jīng)熱處理后的牛纖維蛋白已用于臨床。纖維蛋白粉可用作止血粉、創(chuàng)傷輔料、骨填充劑（修補因疾病或手術(shù)造成的骨缺損）等。纖維蛋白飛沫由于比表面大，適于用作止血材料和手術(shù)填充材料。纖維蛋白膜在外科手術(shù)中用作硬腦膜置換、神經(jīng)套管等。第29頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一4.甲殼素與殼聚糖甲殼素是由β-（1,4）-2-乙酰氨基-2-脫氧-D-葡萄糖（N-乙酰-D-葡萄糖胺）組成的線性多糖。昆蟲殼皮、蝦蟹殼中均含有豐富的甲殼素。殼聚糖為甲殼素的脫乙酰衍生物，由甲殼素在40～50％濃度氫氧化鈉水溶液中110～120℃下水解2～4h得到。甲殼素能為肌體組織中的溶菌酶所分解，已用于制造吸收型手術(shù)縫合線。其抗拉強度優(yōu)于其他類型的手術(shù)縫合線。在兔體內(nèi)試驗觀察，甲殼素手術(shù)縫合線4個月可以完全吸收。甲殼素還具有促進傷口愈合的功能，可用作傷口包扎材料。當(dāng)甲殼素膜用于覆蓋外傷或新鮮燒傷的皮膚創(chuàng)傷面時，具有減輕疼痛和促進表皮形成的作用，因此是一種良好的人造皮膚材料。第30頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一二、生物吸收性合成高分子材料雖然生物吸收性天然高分子材料具有良好的生物相容性和生物活性，但畢竟來源有限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)快速發(fā)展的現(xiàn)代醫(yī)療事業(yè)的需求。因此，人工合成的生物吸收性高分子材料有了快速發(fā)展的時間和空間。生物吸收合成高分子材料多數(shù)屬于能夠在溫和生理條件下發(fā)生水解的生物吸收性高分子，降解過程一般不需要酶的參與。1.聚α-羥基酸酯及其改性產(chǎn)物聚酯主鏈上的酯鍵在酸性或者堿性條件下均容易水解，產(chǎn)物為相應(yīng)的單體或短鏈段，可參與生物組織的代謝。第31頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一乙醇酸和乳酸是典型的α-羥基酸，其縮聚產(chǎn)物即為聚α-羥基酸酯，即聚乙醇酸（PGA）和聚乳酸（PLA）。2.聚酯醚及其相似聚合物

PGA和PLLA為高結(jié)晶性高分子，質(zhì)地較脆而柔順性不夠。因此人們設(shè)計開發(fā)了一類具有較好柔順性生物吸收性高分子-聚醚酯，以彌補PGA和PLLA的不足。聚醚酯可通過含醚鍵內(nèi)酯為單體通過開環(huán)聚合得到。如由二氧六環(huán)開環(huán)聚合制備的聚二氧六環(huán)可用作單纖維手術(shù)縫合線。3.其他生物吸收性合成高分子除了上述α-羥基酸酯類高分子材料外，對其他類型生物吸收高分子材料也進行了研究。將嗎啉-2,5-二酮衍生物進行開環(huán)聚合，可得到聚酰胺酯。由于酰胺鍵的存在，這些聚合物具有一定的免疫原性。而且能夠通過酶和非酶催化降解，有可能在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到應(yīng)用。第32頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一第六節(jié)高分子材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用一、高分子人工臟器及部件的應(yīng)用現(xiàn)狀高分子材料作為人工臟器、人工血管、人工骨骼、人工關(guān)節(jié)等的醫(yī)用材料，正在越來越廣泛地得到運用。人工臟器的應(yīng)用正從大型向小型化發(fā)展，從體外使用向內(nèi)植型發(fā)展，從單一功能向綜合功能型發(fā)展。為了滿足材料的醫(yī)用功能性、生物相容性和血液相容性的嚴(yán)峻要求，醫(yī)用高分子材料也由通用型逐步向?qū)Ｓ眯桶l(fā)展，并研究出許多有生物活性的高分子材料，例如將生物酶和生物細(xì)胞等固定在高分子材料分子中，以克服高分子材料與生物肌體相容性差的缺點。開發(fā)混合型人工臟器的工作也正在取得可喜的成績。第33頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一根據(jù)人工臟器和部件的作用及目前研究進展，可將它們分成五大類。第一類：能永久性地植入人體，完全替代原來臟器或部位的功能，成為人體組織的一部分。屬于這一類的有人工血管、人工心臟瓣膜、人工食道、人工氣管、人工膽道、人工尿道、人工骨骼、人工關(guān)節(jié)等。第二類：在體外使用的較為大型的人工臟器裝置、主要作用是在手術(shù)過程中暫時替代原有器官的功能。例如人工腎臟、人工心臟、人工肺等。這類裝置的發(fā)展方向是小型化和內(nèi)植化，最終能植入體內(nèi)完全替代原有臟器的功能。第三類：功能比較單一，只能部分替代人體臟器的功能，例如人工肝臟等。這類人工臟器的研究方向是多功能化，使其能完全替代人體原有的較為復(fù)雜的臟器功能。第34頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一第四類：正在進行探索的人工臟器。這是指那些功能特別復(fù)雜的臟器，如人工胃、人工子宮等。這類人工臟器的研究成功，將使現(xiàn)代醫(yī)學(xué)水平有一重大飛躍。第五類：整容性修復(fù)材料，如人工耳朵、人工鼻子、人工乳房、假肢等。這些部件一般不具備特殊的生理功能，但能修復(fù)人體的殘缺部分，使患者重新獲得端正的儀表。從社會學(xué)和心理學(xué)的角度來看，也是具有重大意義的。要制成一個完整的人工臟器，必須有能源、傳動裝置、自動控制系統(tǒng)及輔助裝置或多方面的配合。然而，不言而喻，其中高分子材料乃是目前制造人工臟器的關(guān)鍵材料。第35頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一二、醫(yī)用高分子材料的應(yīng)用1.血液相容性材料與人工心臟許多醫(yī)用高分子在應(yīng)用中需長期與肌體接觸，必須有良好的生物相容性，其中血液相容性是最重要的性能。人工心臟、人工腎臟、人工肝臟、人工血管等臟器和部件長期與血液接觸，因此要求材料必須具有優(yōu)良的抗血栓性能。近年來，在對高分子材料抗血栓性研究中，發(fā)現(xiàn)具有微相分離結(jié)構(gòu)的聚合物往往具有優(yōu)良的血液相容性，因而引起人們極大的興趣。2.人造皮膚材料治療大面積皮膚創(chuàng)傷的病人，需要將病人的正常皮膚移植到創(chuàng)傷部位。但在移植之前，創(chuàng)傷面需要清洗，被移植皮膚需要養(yǎng)護，因此需要一定時間。在這段時間內(nèi)，許多病人由于體液的大量損耗及蛋白質(zhì)與鹽分的丟失而喪失生命。因此，用高親水性高分子材料作為人造皮膚，暫時覆蓋在深度創(chuàng)傷的創(chuàng)面上，以減少體液損耗和鹽分丟失，從而達到保護創(chuàng)面的目的。第36頁，共41頁，2023年，2月20日，星期一3.醫(yī)用粘合劑粘合劑作為高