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文檔簡(jiǎn)介

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

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