專題三-生物醫(yī)用高分子材料.ppt

1、生物醫(yī)用高分子材料,專題三,1. 生物醫(yī)用材料的發(fā)展概況,公元前5000年， 20世紀(jì) 30年代, 50年代， 60至 80年代,人工牙齒 少數(shù)醫(yī)用材料，有機(jī)玻璃 硝酸纖維素透析膜用于血液透析，有機(jī)硅聚合物被廣泛應(yīng)用。 生物醫(yī)用材料的生物相容性研究,90年代，,組織工程材料的出現(xiàn) 標(biāo)志著醫(yī)學(xué)將走出組織器官移植的范疇，步入制造組織和器官的新時(shí)代 在美國(guó)，器官衰竭和組織缺損的治療費(fèi)用占年醫(yī)療費(fèi)用的一半。美國(guó)每年等待心臟移植的人有近五萬(wàn)，可一年至多有兩千二百人可以享受到換心，因?yàn)闆]有心臟來源，每年至少有二萬(wàn)多人在等待 納米粒子藥物，納米微囊藥物的提出,20世紀(jì)90至21世紀(jì)初,人工替代或 修復(fù)用高分

2、子材料 (狹義),藥用高分子,2. 生物醫(yī)用高分子材料分類,高分子醫(yī)療器材和制品,功能修復(fù)材料,人工器官材料,醫(yī)藥包裝用高分子材料,高分子薄膜包衣和控釋膜材料,高分子藥物的載體材料,藥理活性的高分子藥物,組織工程材料,醫(yī)用黏合和縫合高分子材料,3. 醫(yī)用材料的基本要求,人體環(huán)境對(duì)高分子材料的作用，主要有以下幾種形式： 1)體液引起聚合物的降解、交聯(lián)和相變化； 2)體內(nèi)的自由基引起高分子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，高分子材料中的添加劑溶出，引起性質(zhì)的變化； 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(qiáng)度下降。,“老化”在

3、醫(yī)用高分子材料中的特殊含義。,(1)在化學(xué)上是隋性的，不會(huì)因與體液接觸而發(fā)生反應(yīng)。,(2)對(duì)人體組織不會(huì)引起炎癥或異物反應(yīng),(3)不會(huì)致癌,(4)縣有良好的血液相容性，不會(huì)在材料表面凝血,(5)長(zhǎng)期植入體內(nèi)，不會(huì)減小機(jī)械強(qiáng)度,(6)能經(jīng)受必要的清潔消毒措施而不產(chǎn)生變性。,(7)易于加工成需要的復(fù)雜形狀,基本要求,醫(yī)用材料,體外使用醫(yī)用材料,體內(nèi)使用醫(yī)用材料,一般只同皮膚接觸，要求無毒、無刺激，不會(huì)引起皮膚過敏、癌變等，此外，在日光、化學(xué)試劑的消毒過程中不會(huì)變質(zhì)。,會(huì)與體內(nèi)組織、細(xì)胞、血液和體液等長(zhǎng)期接觸，除了要滿足以上條件，還要具備組織相容性、耐生物降解性和血液適應(yīng)性,組織相容性,機(jī)體與外來物

4、的相容程度，要求材料不會(huì)被生物體排異；體內(nèi)組織不會(huì)受材料影響而發(fā)生變?；瘜W(xué)惰性高分子材料如聚四氟乙烯、聚硅酮等；類似氨基酸高分子如聚乳酸、聚羥基乙酸等,1） 高分子材料植入對(duì)組織反應(yīng)的影響,a 材料中滲出的化學(xué)成分對(duì)生物反應(yīng)的影響 添加劑、雜質(zhì)、單體、低聚物以及降解產(chǎn)物等，聚氨酯和聚氯乙烯中可能存在的殘余單體有較強(qiáng)毒性，硅橡膠、聚丙烯、聚四氟乙烯等毒性滲出物較少。,b 高分子的生物降解對(duì)生物反應(yīng)的影響,c 材料的物理形狀等因素對(duì)組織反應(yīng)的影響,2） 高分子材料在體內(nèi)的表面鈣化,3） 高分子材料的致癌性,材料的大小、形狀、孔度、表面平滑等因素，一般來說，植入物體積越大、表描越平滑，造成的組織反應(yīng)

5、越嚴(yán)重；當(dāng)植入材料是大體積薄片時(shí)，容易出現(xiàn)腫瘤，比薄片上穿孔要高出一倍，而海綿狀、纖維狀和粉末狀，幾乎不產(chǎn)生腫瘤。,出現(xiàn)鈣化合物的表面沉積的現(xiàn)象，是導(dǎo)致高分子材料失效的原因之一。一般被植個(gè)體越年輕，越容易發(fā)生鈣化；多孔材料比無孔材料鈣化嚴(yán)重。,固體致癌性（異物致癌性），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、形狀以及本身性質(zhì)， 都有致癌的可能性。,耐生物降解性,同人體的特殊環(huán)境相關(guān)。 人體的不同器官和組織有不同酸堿度：胸腔和腸道是堿性的，血液是微堿性的，而胃是酸性的。此外，還有多種生物酶、蛋白質(zhì)和類固醇等具有生物、化學(xué)活性的物質(zhì)。這些都會(huì)導(dǎo)致材料老化、分解變脆。 如，硅橡膠

6、是化學(xué)性能穩(wěn)定的材料，但是用做人工心臟瓣膜，長(zhǎng)期與血液接觸后能吸附有機(jī)脂而變脆，會(huì)在血壓作用下破裂。還有一部分材料希望被體內(nèi)分解吸收，如手術(shù)縫合線，醫(yī)用膠粘劑和接骨材料，如聚羥基乙酸、聚乳酸、殼聚糖等。,血液適應(yīng)性,凝血問題往往是高分子植入失敗的關(guān)鍵因素，也是醫(yī)用高分子材料首要解決的問題。 當(dāng)材料表面同血液接觸后，不會(huì)導(dǎo)致血液結(jié)構(gòu)和成分改變，產(chǎn)生溶血和凝血現(xiàn)象。 可能發(fā)生血栓的原因：1. 血管壁特性和狀態(tài)發(fā)生變化；2. 血液的性質(zhì)發(fā)生變化；3. 血液的流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化。,血栓的形成,防止血小板粘附： 與表面能有關(guān)；與材料的含水率有關(guān)；與材料表面的疏水親水平衡有關(guān)；與材料的表面電荷有關(guān)；與材料的

7、光滑程度有關(guān)。,人工替代或修復(fù)用高分子材料,1. 人工心臟,一個(gè)成年人的心臟每分鐘搏出的血液有4L-5L，運(yùn)動(dòng)時(shí)最多可14L-15L。心臟移植已超過千例，存活一年達(dá)47%，二年達(dá)37%，五年以上的達(dá)20%。但可供移植的心臟數(shù)量有限。,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(shù)成活率提高。,人工心臟是由微機(jī)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的機(jī)械泵。人工心臟的泵體材料的選擇是關(guān)鍵，硅橡膠容易老化，其他如聚氟乙烯、聚氯乙烯、聚烯

8、烴等高分子材料易造成凝血現(xiàn)象。,增加材料表面的光潔度，減小血小板等血液成分在表面凝聚，防止血栓生成。 使材料表面帶有負(fù)電荷，通過靜電排斥作用防止帶負(fù)電荷的血小板凝集。 適當(dāng)提高高分子材料的親水性，以提高材料的血液相容性 通過化學(xué)反應(yīng)，在材料中引入具有抗凝血效果的肝素結(jié)構(gòu)。 制備微相分離結(jié)構(gòu)的高分子材料。（聚醚型聚氨酯）,微相分離材料就是相分離的尺寸在微米的數(shù)量級(jí)以下。生物膜就是微相分離材料，主要成分是一種磷脂，由親水和疏水兩部分組成，親水在表面，疏水朝向膜，蛋白質(zhì)鑲嵌在中間。這種生物膜的血液相容性很好。,特點(diǎn)是分子結(jié)構(gòu)部是由軟鏈段和硬鏈段兩部分組成的，在分子間有較強(qiáng)的氫鍵和范德華力。聚醚軟段聚

9、集形成連續(xù)相，而由聚氨酯組成的硬鏈段聚集而成的分散相微區(qū)，分散在連續(xù)相中。,多相材料抗凝血機(jī)理：覆蓋控制模型 血漿蛋白質(zhì)的吸附為材料表面的微相結(jié)構(gòu)所控制，親/疏水性不同的蛋白質(zhì)被選擇性地吸附在不同的微區(qū)。這種特定的蛋白吸附層結(jié)構(gòu)不會(huì)激活血小板表面的糖蛋白，血小板的異體識(shí)別功能就體現(xiàn)不出來，從而不會(huì)發(fā)生凝血。,6. 聚離子絡(luò)合物(Polyion Complex)是另一類具有抗血栓性的高分子材料。它們是由帶有相反電荷的兩種水溶性聚電解質(zhì)制成的。,例如美國(guó)Amicon公司研制的離子型水凝膠Ioplex101是由聚乙烯基芐基基三甲基銨氯化物與聚苯乙烯磺酸鈉，通過離子鍵結(jié)合得到的。這種聚合物水凝膠的含水

10、量與正常血管相似，并可調(diào)節(jié)兩種聚電解質(zhì)的比例，制得中性的、正離子型的或負(fù)離子型的產(chǎn)品。其中負(fù)離子型的材料可以排斥帶負(fù)電荷的血小板，有利于抗凝血。,2. 人工腎（血液滲析器）,血流,透析液,腎的主要功能是過濾和排泄血液中的代謝產(chǎn)物和有毒物質(zhì)，調(diào)節(jié)體內(nèi)水分和電解質(zhì)的平衡。,所謂人工腎主要就是通過體外滲析的方法治療。滲析是一種用濃度差為動(dòng)力進(jìn)行分離的膜過程。血液滲析要求，只能讓血液中分子量為500-50000之間的尿毒素透過，但不會(huì)讓分子量更大的血液成分流失。,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

11、空隙較小，表面積大，在進(jìn)行血液體外流轉(zhuǎn)時(shí)，血球損傷較嚴(yán)重。兩次治療必須間隔至少一周。,3. 人工肺,人工肺又稱氧合器，是血液體外循環(huán)時(shí)氣體交換的器械。,早期的氧合器是鼓泡型的，是將氧氣在血液中鼓泡的方法來進(jìn)行氣體交換的。但是弊端很大，損傷紅細(xì)胞，大量微氣泡會(huì)造成氣栓。此后，20世紀(jì)70年代，發(fā)展了膜式氧合器，類似人工腎。血液中的二氧化碳通過特質(zhì)的膜同氧氣交換。,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(huì)從微孔留出。操作時(shí)，血液在纖維膜外流動(dòng)，氧氣在纖維館內(nèi)流動(dòng)，在壓力下，擴(kuò)散到血液，進(jìn)行氧合作用。,4.人工角膜和接觸眼鏡 (修復(fù)性醫(yī)用高分

12、子材料),角膜上沒有血管組織，在進(jìn)行新陳代謝時(shí)需要通過淚液從空氣中直接得到氧氣。因此，對(duì)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(jī)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(yīng)，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。,這類材料的含水率40-70%，比硬質(zhì)鏡片舒適，但是氧氣透過性仍不高，如果含水率超過70%，就與角膜接近，但是強(qiáng)度變很差。目前有種硅樹脂做的鏡片，透氧性高，可以保

13、持水分在材料中并不流失，非拋棄型隱形眼鏡。,PHEMA,5. 人工骨,治療骨折時(shí)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(shù)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(jī)硅的接骨材料。但仍不是理想的接骨材料，主要是因?yàn)閱误w毒性、異物反應(yīng)等組織反應(yīng)。,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(qiáng)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(zhǎng)血管，并被骨質(zhì)填充，可以達(dá)到完全愈合的效果。,6. 齒科材料,牙冠充填材料要求對(duì)周圍組織無刺激，固化時(shí)間短，機(jī)械強(qiáng)

14、度高，熱膨脹系數(shù)與牙齒的牙釉接近。銀汞合金是常用的材料，但70年代后受到限制。,聚丙烯酸酯樹脂，熱膨脹系數(shù)與牙齒相差大，耐磨差，用于制作假牙或牙拖,聚丙烯酸酯樹脂的改性： 引入親水基，提高與牙齒的粘結(jié)性 引入芳香基或含磷基團(tuán)，提高耐磨性，同時(shí)聚合時(shí)放熱小，樹脂的體系收縮小。,用于制牙拖粉的甲基丙烯酸甲酯原料,用于補(bǔ)牙的含羥基和萘基的甲基丙烯酸酯原料,含磷酸酯的甲基丙烯酸酯原料,7. 高分子繃帶材料 (高分子醫(yī)療器材),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(gè)月時(shí)間愈合。然而石膏不透氣，會(huì)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(yù)聚體制成的。使用時(shí)，先在水

15、中浸潤(rùn)，然后包扎。在水作用下的預(yù)聚體能很快反應(yīng)，生成聚氨基甲酸酯，并形成交聯(lián)。柔軟的紗布會(huì)變得很硬，同時(shí)，紗布較疏松，易于透氣。,8. 一次性高分子醫(yī)療用品,一次性醫(yī)用器材有很多，有注射器、輸液袋、輸液管、引流器、各種插管等。使用的塑料都是醫(yī)用級(jí)的，不含添加劑。,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(shí)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(qiáng)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(shí)，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

16、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(qiáng)吸水藥棉,超強(qiáng)吸水性樹脂是一種特殊的功能高分子材料。對(duì)純水的吸附量可達(dá)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(qiáng)吸水劑的原理,制備超強(qiáng)吸水性高分子材料必須具備兩個(gè)條件: 要含有親水基團(tuán)，如羧基、羥基、酰胺基、氨基等。這些基團(tuán)能同水形成氫鍵。 要適度交聯(lián)或含有結(jié)晶結(jié)構(gòu)。交聯(lián)就是使線性的聚合物分子用化學(xué)鍵連接形成三維的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。吸水時(shí)，交聯(lián)網(wǎng)張開，樹脂膨脹，進(jìn)一步凝膠化，成為高吸水樹脂。,交聯(lián)度不能太低，否則樹脂會(huì)溶解，或形成的水凝膠強(qiáng)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。,在醫(yī)療保健方面的應(yīng)用,超強(qiáng)吸水性樹脂在其他方面的應(yīng)用,超強(qiáng)吸水樹脂主要用于代替棉花、紗布等材料，用于制備婦女兒童的衛(wèi)生用品。還可用于制作床褥、接觸性眼鏡、緩釋藥物等醫(yī)用材料。,超強(qiáng)吸水樹脂可用于農(nóng)業(yè)和園林。保持土壤的吸水和保水性，吸收肥料農(nóng)藥等。也可用于水果和蔬菜的保鮮和森林滅火。,在建筑方面超強(qiáng)吸水樹脂用于止水堵漏。同橡膠混合，可制成堵漏劑，抗洪器材。還可用于地基的加固劑。,超強(qiáng)吸水樹脂還可以做成涂料和墻紙，用于浴室等