醫(yī)學資料 高分子材料在醫(yī)學中的應用 學習課件

高分子材料在醫(yī)學中的應用一、醫(yī)用高分子材料的定義

（Biomedicalmaterials）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，主要用于人工器官、外科修復、理療康復、診斷檢查、患疾治療等醫(yī)療領域。

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。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，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)學領域中的特殊地位。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。②取自其他人的同種異體組織，例如利用他骨折需要用繃帶和夾板把骨折部位包扎，然后用石膏固定，需要一個月時間愈合。一次性高分子醫(yī)療用品纖維蛋白原是一種血漿蛋白質(zhì)，存在于動物體的血液中。纖維蛋白原是一種血漿蛋白質(zhì)，存在于動物體的血液中。一類是直接用于治療人體某一病變Membrane---Dermal人工肺又名氧合器或氣體交換器，它是一種代替人體肺臟排出二氧化碳、攝取氧氣，是氣體和血液的交換器。療事業(yè)服務，但本身并不具備治療疾病、替代人體因此，需要再做手術取出。但仍不是理想的接骨材料，主要是因為單體毒性、異物反應等組織反應。生物醫(yī)用材料的發(fā)展概況

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，高分子科學迅速發(fā)展，新的合成高分子材料不斷出現(xiàn)，為醫(yī)學領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（硝酸纖維素）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、關節(jié)和股骨，利用聚酰胺纖維作為手術縫合線的臨床應用情況。

20世紀50年代，有機硅聚合物被用于醫(yī)學領域，使人工器官的應用范圍大大擴大，包括器官替代和整容等許多方面。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）、人工心肺（1953年）、人工關節(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。

1975年手術縫合線投入市場20世紀80年代，隱形眼鏡20世紀90年代商品化人工皮膚2000年人工胰進入臨床試驗人工關節(jié)例如：德國產(chǎn)品UHMWPE材料ISO5834-2ASTMF648可用為人工關節(jié)、人工骨骼植入人體極低的能耗……三、全球生物醫(yī)用材料市場我國生物醫(yī)學材料的生物醫(yī)學工程產(chǎn)業(yè)的市場增長率高達28％(全球市場增長率20%),居全球之首。我國人工關節(jié)替換年增長率高達30％，遠高于美國的4％。

----------------國家科技部資料中國生物醫(yī)用材料市場775萬肢殘患者和每年新增的300萬骨損傷患者

--------需要大量骨修復材料2000萬心血管病患者

--------每年需要24萬套人工心瓣膜腎衰患者

--------每年需要12萬個腎透析器……四、醫(yī)用高分子的分類:

（1）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??；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。

膠原可以用于制造止血海綿、創(chuàng)傷輔料、人工皮膚、手術縫合線、組織工程基質(zhì)等。甲殼素、殼聚糖等產(chǎn)品生物相容性好，且具有止血、止痛、抑菌、促進肉芽組織和上皮組織的形成等作用，是外傷、創(chuàng)傷治療的理想產(chǎn)品。傷口包扎材料——護創(chuàng)膜雙層人工皮膚Apligraf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。纖維蛋白原在人體內(nèi)的主要功能是參與凝血過程。臨床常見分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、手術鉗、血漿袋等。這類材料用來為醫(yī)療事業(yè)服務，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。五、對醫(yī)用高分子材料的基本要求

對人體組織不會引起炎癥或異物反應不會致癌血液相容性，不會在材料表面凝血長期植入人體內(nèi)，不會減小機械強度能經(jīng)受必要的清潔消毒措施而不產(chǎn)生變性易于加工成需要的復雜形狀惰性的，不會因與體液接觸而發(fā)生發(fā)應對醫(yī)用高分子材料的基本要求六、高分子材料在醫(yī)學領域的應用

1、醫(yī)用材料

高分子材料作為人工臟器、人工血管、人工骨骼、人工關節(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。1.人工心臟人工心臟研究有近40年，1977，在小牛體內(nèi)植入人工心臟，存活184天；1979年，在小牛中植入Jarvik-7型人工心臟，存活221天；1982年，植入在61歲老人體內(nèi)，存活112天；1981年以來使用抗排斥功能藥物（環(huán)孢霉素），使手術成活率提高。最高紀錄為1997年以羊為實驗對象的試驗中，存活864天。人工心臟是由微機電動機帶動的機械泵。人工心臟瓣膜心臟起搏器2.人工腎（血液滲析器）血流透析液血液滲析膜的高分子材料主要有銅氨纖維素（87%）、醋酸纖維素、聚砜和聚丙烯腈等。銅氨纖維素用量最大，性能也最好。人工腎的中空纖維滲析膜間的空隙較小，表面積大，在進行血液體外流轉(zhuǎn)時，血球損傷較嚴重。兩次治療必須間隔至少一周。人工腎的工作原理人工腎的工作原理3.人工肺目前使用的都是微孔聚丙烯中空纖維制成的人工肺。纖維管壁有100nm的微孔，聚丙烯是疏水的，血液不會從微孔留出。操作時，血液在纖維膜外流動，氧氣在纖維館內(nèi)流動，在壓力下，擴散到血液，進行氧合作用。

人工肺又名氧合器或氣體交換器，它是一種代替人體肺臟排出二氧化碳、攝取氧氣，是氣體和血液的交換器。鼓泡式→膜式一、醫(yī)用高分子材料的定義

（Biomedicalmaterials）把樹形高分子設計得只在適當?shù)挠|發(fā)分子存在的情況下自動地膨脹并釋放出藥物骼、人工關節(jié)等的醫(yī)用材料，正在越來越廣泛地得雙層人工皮膚Apligraf高分子材料作為人工臟器、人工血管、人工骨把樹形高分子設計得只在適當?shù)挠|發(fā)分子存在的情況下自動地膨脹并釋放出藥物是一種在常溫下固化的以聚甲基丙烯酸為主體的骨凝固材料，又出現(xiàn)了有機硅的接骨材料。口服緩釋制劑：新康泰克最高紀錄為1997年以羊為實驗對象的試驗中，存活864天。一類是直接用于治療人體某一病變埃及人就用棉花纖維、馬鬃縫合傷口。軟質(zhì)接觸鏡是用親水高分子的水凝膠制成。常用的有聚甲基丙烯酸羥乙酯、聚乙烯基吡啶、N-乙烯基吡咯烷酮與甲基丙烯酸酯的共聚物。道、尿道等）、人造玻璃體（眼球）、人工臟器Silastic---Epidermal人工肺

光學鏡柱常用材料有聚甲基丙烯酸羥乙酯(PHEMA）、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA）、硅凝膠、玻璃等；周邊支架常用材料有陶瓷、氟碳聚合物、羥基磷灰石、生物材料、聚四氟乙烯等。4.接觸眼鏡角膜上沒有血管組織，在進行新陳代謝時需要通過淚液從空氣中直接得到氧氣。因此，對人工角膜材料和隱形眼鏡要求透氧氣，和較好親水性。主要硬性接觸鏡和軟性接觸鏡。硬性接觸鏡是用透光性好的聚丙烯酸酯類樹脂制成，如有機玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯）等。通過在角膜和鏡片間的眼淚保證氧氣供應，但透氧性和吸濕性都還是較差。軟質(zhì)接觸鏡是用親水高分子的水凝膠制成。常用的有聚甲基丙烯酸羥乙酯、聚乙烯基吡啶、N-乙烯基吡咯烷酮與甲基丙烯酸酯的共聚物。PHEMA5.人工骨治療骨折時用的內(nèi)固定材料常用金屬材料，但是與骨質(zhì)不相容。因此，需要再做手術取出。常用的高分子接骨材料是骨水泥。是一種在常溫下固化的以聚甲基丙烯酸為主體的骨凝固材料，又出現(xiàn)了有機硅的接骨材料。但仍不是理想的接骨材料，主要是因為單體毒性、異物反應等組織反應。最近發(fā)明使用可降解高分子材料作為骨骼粘結(jié)材料。例如，高強度聚乳酸，相容性好，而且可以緩慢水解成羥基乙酸和乳酸，并最終生成水和CO2排出。降解留下的孔道可以生長血管，并被骨質(zhì)填充，可以達到完全愈合的效果。人工骨脊柱修復支架InterporeCrossInternationalInc.SynergyTMIQLowBackSystemSilastic---EpidermalMembrane---DermalIntegra治療過程Source:IntegraLifeSciencesCorporation二、高分子醫(yī)療器材1.高分子繃帶材料骨折需要用繃帶和夾板把骨折部位包扎，然后用石膏固定，需要一個月時間愈合。然而石膏不透氣，會引起炎癥。高分子繃帶材料是由紗布浸了由異氰酸酯封端的聚氨酯預聚體制成的。使用時，先在水中浸潤，然后包扎。在水作用下的預聚體能很快反應，生成聚氨基甲酸酯，并形成交聯(lián)。柔軟的紗布會變得很硬，同時，紗布較疏松，易于透氣。2.一次性高分子醫(yī)療用品一次性針筒是由聚丙烯樹脂制備，耐溫性比聚乙烯和聚氯乙烯樹脂都好，可在115度短時間高溫消毒，是制備硬質(zhì)醫(yī)用材料的首選高分子原料。輸液袋和輸液管大多都是PVC樹脂制備，柔軟、透明、強度高。塑料針頭，同輸液用金屬針頭配套使用，形狀如針頭的套管。使用時，塑料針頭同金屬針頭一起插入靜脈血管，然后拔出金屬針頭，讓塑料針頭留在血管內(nèi)，出口同輸液瓶相接。每次輸液后，不用把塑料針頭拔出，封住出口即可。這種塑料針頭在體內(nèi)可保留一月左右。塑料針頭是用聚氨酯制備的。超強吸水性樹脂是一種特殊的功能高分子材料。對純水的吸附量可達自身重量的幾十倍至幾千倍。吸水后無論加多大的壓力也不脫水，又叫高保水劑。超強吸水劑的原理要含有親水基團要適度交聯(lián)或含有結(jié)晶結(jié)構(gòu)。交聯(lián)度不能太低，否則樹脂會溶解，或形成的水凝膠強度差。吸水量低。交聯(lián)度也不能太高，否則交聯(lián)網(wǎng)無法張開。4.醫(yī)用粘合劑目前醫(yī)用粘合劑是丁酯，504膠水。501膠水是甲酯，對皮膚的刺激性和毒性都很強?？梢杂糜诠趋勒辰Y(jié)，傷口粘結(jié)等。不能直接涂在皮膚上，因為發(fā)熱量大。最高紀錄為1997年以羊為實驗對象的試驗中，存活864天。纖維管壁有100nm的微孔，聚丙烯是疏水的，血液不會從微孔留出。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。1979年，在小牛中植入Jarvik-7型人工心臟，存活221天；把樹形高分子設計得只在適當?shù)挠|發(fā)分子存在的情況下自動地膨脹并釋放出藥物高分子材料作為人工臟器、人工血管、人工骨20世紀80年代，隱形眼鏡一類是直接用于治療人體某一病變可以用于骨骼粘結(jié)，傷口粘結(jié)等。工肝（1958年）等。血液相容性，不會在材料表面凝血智能控制釋放反饋控制體系能經(jīng)受必要的清潔消毒措施而不產(chǎn)生變性有機硅聚合物被用于醫(yī)學領域，使人工器官的應用范圍大大擴大，包括器官替代和整容等許多方面。3）天然生物組織與器官硬性接觸鏡是用透光性好的聚丙烯酸酯類樹脂制成，如有機玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯）等。藥用高分子高分子藥物高分子藥物載體靶向藥物高分子導向材料1.高分