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生物医用高分子材料
第二类：在体外使用的较为大型的人工脏器装臵、 主要作用是在手术过程中暂时替代原有器官的功能。 例如人工肾脏、人工心脏、人工肺等。这类装臵 的发展方向是小型化和内植化。最终能植入体内完 全替代原有脏器的功能。据报道，能够内植的人工 心脏已获得相当年份的考验，在不远的将来可正式 投入临床应用。 第三类：功能比较单一，只能部分替代人体脏器 的功能，例如入工肝脏等。这类人工脏器的研究方 向是多功能化，使其能完全替代人体原有的较为复 杂的脏器功能。
★ 聚离子络合物(Polyion Complex)是另一类具有抗血
栓性的高分子材料。它们是由带有相反电荷的两种水 溶性聚电解质制成的。例如美国Amicon公司研制的离
子型水凝胶Ioplix 101是由聚乙烯苄三甲基铵氯化物与
聚苯乙烯磺酸钠，通过离子键结合得到的。这种聚合
物水凝胶的含水量与正常血管相似，并可调节这两种
★医用高分子的研究至今已有40多年的历史。1949 年，美国首先发表了医用高分子的展望性论文。在 文章中，第一次介绍了利用聚甲基丙烯酸甲酯作为 人的头盖骨和关节，利用聚酰胺纤维作为手术缝合 线的临床应用情况。 据不完全统计，截至1990年， 美国、日本、西欧等国发表的有关医用高分子的学 术论文和专利已超过30000篇。 有人预计，到21世纪，医用高分子将进入一个全 新的时代。除了大脑之外，人体的所有部位和脏器 都可用高分子材料来取代。仿生人也将比想象中更 快地来到世上。
表
(4)具有抗血栓性，不会在材料表面凝血
高分子材料与血液接触时，也会产生血栓。因为 当异物与血液接触时，血液流动状态发生变化，情 况与表面损伤类似。因此也将在材料表面凝血即产 生血栓。
高分子材料的抗血栓问题是一个十分活跃的研究 课题，世界各国有大量科学家在潜心研究，进展也 颇为显著。但至今尚未制得一种能完全抗血栓的高 分子材料。这一问题的彻底解决，还有待于我们的 共同努力。
第九章生物医用高分子材料
• （3） 医用生物陶瓷。有惰性生物陶瓷和活性生物陶瓷（羟基磷灰石陶瓷、 可吸收磷酸三钙陶瓷等）
• （4） 医用生物复合材料。如羟基磷灰石涂复钛合金，炭纤维或生物活性 玻璃纤维增强聚乳酸等高分子材料。
• 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
• ……
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材料
3. History of polymeric biomaterials
1943年 1949年
赛璐珞薄膜开始用于血液透析 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。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。
• 人造器官或组织
• 人造皮肤，血管，骨，关节，肠道，心脏，肾等
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材料
2020/6/17
材料
制备生物医用高分子材料？
化学家来做第一步
• 化学家合成原始材料并检测各项理化指标
• 生物学家检测材料生物毒性及生物相容性
• 医学家做临床动物试验-人体试验
• 化学工程师制造生物医用高分子材料
9.1 概述
一、生物医用材料的定义 （Biomedical materials）
对生物体进行诊断、治疗和置 换损坏组织、器官或增进其功 能的材料。
医用高分子材料介绍
医用高分子材料介绍现代药剂学——高分子材料在药剂学中的应用介绍了高分子材料作为药物载体的必要条件:适当的载药量；载药后具有适当的药物释放能力；无毒、无抗原性，具有良好的生物相容性。
止匕外，根据制剂的加工和成型要求，还应具有适当的分子量和理化性质。
一、高分子材料基础介绍（一）高分子化合物的概念大分子简称为聚合物。
它大致分为有机聚合物化合物（称为有机聚合物）和无机聚合物化合物（无机聚合物）。
高分子化合物又称聚合物或高聚物，是指分子量超过104的一种化合物。
它们是由许多简单的结构单元通过共价键反复连接而成的分子。
（2）重复单元——是聚合物链的基本组成单元。
方括号是指重复连接，这意味着整个分子是通过顺序连接多个这样的重复单元而形成的。
n是重复单元的数量，也称为聚合度。
它是一个平均值，即包含在聚合物中的同源分子的重复单元数的平均值。
根据测定方法或计算方法，获得的平均值在大小和含义上有所不同。
聚合物的分子量M是重复单元的分子量Mo和聚合度（DP）的乘积：例如，如果聚氯乙烯的分子量为50, 000至150, 000,重复单元的分子量为62.5,平均聚合度为800至2400。
也就是说，聚氯乙烯分子是通过结合800至2400个氯乙烯结构单元形成的。
由重复单元连接的线性大分子类似于长链。
因此，重复单元有时被称为链接。
对于像聚乙烯和聚氯乙烯这样的分子，它们的重复单元的组成与合成它们的起始材料相同，只是电子结构略有变化。
因此，这种聚合物的重复单元是单体单元，或者换句话说，是由称为均聚物的单体聚合形成的聚合物。
由两种或多种单体共聚形成的聚合物称为共聚物。
这些聚合物的重复单元与单体结构不同。
（3）大分子化合物的命名1。
习惯命名遵循习惯，聚合物通常根据其来源和制备方法来命名。
大多数天然聚合物都有特殊的名称。
例如，纤维素、淀粉、蛋白质、甲壳质、阿拉伯树胶、藻酸等。
这些名称通常不反映物质的结构。
一些大分子化合物是由天然聚合物衍生或改变而来的，它们的名称是以衍生物开头的基团。
生物医学高分子材料课件
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元素组成
采用光谱分析、色谱-质 谱联用等方法分析材料中 的元素组成。
官能团结构
通过红外光谱、核磁共振 等方法确定高分子材料中 官能团的种类和数量。
热稳定性
采用热重分析法、差热分 析等方法测定高分子材料 的热稳定性和热分解性能 。
生物性能表征
细胞相容性
通过细胞培养、细胞活性染色 等方法评价高分子材料与细胞 的相互作用，测定细胞增殖、
《Polymer》
由Elsevier出版社发行，是全球高分子科学领域的重 要学术期刊之一。主要刊登聚合物合成、结构、性能 及其应用等方向的研究论文、综述和快讯等。
研究机构与高校学科建设
剑桥大学材料科学与工 程系
拥有先进的生物医学高分子材料研究 设备和实验室，开展与生物医用高分 子材料的合成、性质、表征及其应用 相关的研究工作。
改性方法
化学改性
化学改性是通过化学反应对高 分子材料的分子结构、分子量 、交联程度等进行改性的方法
。
物理改性
物理改性是通过物理手段对高分 子材料的分子结构、聚集态结构 、表面性质等进行改性的方法， 如热塑、热固、增强、填充等。
生物改性
生物改性是指利用生物技术对高分 子材料进行改性的方法，如基因工 程、细胞工程等。
电学性能测试
采用电阻率、介电常数等方法测定材料的电学性 能，使用的仪器包括电导率计、四探针测试仪等 。
热学性能测试
采用差热分析、热重分析等方法测定材料的热学 性能，使用的仪器包括差热分析仪、热重分析仪 等。
光学性能测试
采用透光率、浊度等方法测定材料的光学性能， 使用的仪器包括紫外-可见分光光度计等。
医用防护服
医用防护服是一种由高分子材料制成 的防护用品，用于防止病原体传播和 感染，常用于手术室、实验室等高风 险场所的工作人员和患者防护。医用 防护服应具有良好的防护性能、舒适 性和透气性等特点。
医用高分子材料简介
医用高分子材料简介定义：用来制造人体内脏、体外器官、药物剂型及医疗器械的聚合物材料。
20年来，用于这方面的高分子材料有聚氯乙烯、天然橡胶、聚乙烯、聚酰胺、聚丙烯、聚苯乙烯、硅橡胶、聚酯、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯和聚氨酯等医用高分子材料多用于人体，直接关系到人的生命和健康，一般对其性能的要求是：①安全性：必须无毒或副作用极少。
这就要求聚合物纯度高，生产环境非常清洁，聚合助剂的残留少，杂质含量为ppm级，确保无病、无毒传播条件。
②物理、化学和机械性能：需满足医用所需设计和功能的要求。
如硬度、弹性、机械强度、疲劳强度、蠕变、磨耗、吸水性、溶出性、耐酶性和体内老化性等。
以心脏瓣膜为例，最好能使用25万小时，要求耐疲劳强度特别好。
此外，还要求便于灭菌消毒，能耐受湿热消毒(120～140°C)、干热消毒(160～190°C)、辐射消毒或化学处理消毒，而不降低材料的性能。
要求加工性能好，可加工成所需各种形状，而不损伤其固有性能。
③适应性：包括与医疗用品中其他材料的适应性，材料与人体各种组织的适应性。
材料植入人体后,要求长时期对体液无影响；与血液相容性好,对血液成分无损害，不凝血，不溶血，不形成血栓；无异物反应，在人体内不损伤组织，不致癌致畸，不会导致炎症坏死、组织增生等。
④特殊功能：不同的应用领域，要求材料分别具有一定的特殊功能。
例如：具有分离透析机能的人工肾用过滤膜、人工肺用气体交换膜，以及人造血液用吸脱气体的物质等，都要求有各自特殊的分离透过机能。
在大多数情况下，现有高分子材料的表面化学组成与结构很难满足上述要求，通常要采用表面改性处理，如接枝共聚，以改进其抗凝血性等性能。
人造脏器（包括内脏和体外装置）。
①内脏：有代用血管、人工心脏、人工心脏瓣膜、心脏修复、人工食道、人工胆管、人工尿道、人工腹膜、疝补强材料、人工骨和人工关节、人工血浆、人工腱、人工皮肤、整容材料及心脏起搏器等。
②体外器官和装置：有人工心肺机、人工肺、人工肾、人工肝、人工脾、麻痹肢刺激器、电子假肢、假齿、假眼、假发、假耳、假手、假足等。
生物医用高分子材料
研究意义：
医用生物材料的基本要求是安全、 有效，研究甲壳素、壳聚糖及其 衍生物的使用安全性对该产品在 临床的推广和应用具有重要意义。
1、治疗外伤、创伤
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。
参考实验： 刘延敏[10]等－大鼠创伤愈合实验 胡丹[13]等－甲壳胺人工皮肤膜治疗指端
急性损伤
甲壳质缝线
2、治疗烧伤、烫伤
壳聚糖的线型分子链结构使其具有优良的成纤 性，其纤维可作为可吸收医用手术缝合线、人 造皮肤、止血材料、手术包扎材料等。壳聚糖 与胶原、明胶、抗菌药物等复合，改善物理性 能和功能特性，可应用于烧伤、烫伤病人的治 疗。
参考实验：
李瑞欣[15]－壳聚糖外、中、内三层急救烧伤敷料 姜广建[19]－壳聚糖、明胶、甘油复合透明型连续性
还有一些功能较为复杂的器官，如人工肝脏、 人工胃、人工子宫等，则正处于大力研究开 发之中。
人工关节
如： 德国UHMWPE材料
●ISO5834-2 ●ASTM F648 ●可用为人工关节、 人工骨骼植入人体 ●能耗极低
人工骨
小结
几丁质因为不溶于酸碱也不溶于水而 不能被身体利用。脱乙酰基后可增加 其溶解性因此可被身体吸收。几丁质 脱乙酰基纯度越高其品质越好。
制备来源：
自然界中,甲壳质存在于低等植物菌类、 藻类的细胞,甲壳动物虾、蟹、昆虫的 外壳，高等植物的细胞壁等，其量不 低于丰富的纤维素，是除纤维素以外 的又一大类重要多糖。据估计自然界 中，甲壳质每年生物合成的量多达 1000亿吨。
不可生物降解材料（生物惰性材料）-一种生物材 料在特殊应用中和宿主反应起作用的能力，要求 植入材料和机体间的相互作用能够永久地被协调。 在生物环境下自身不发生有害的物理（渗透、溶 解或吸附）或者化学反应（对酸碱酶稳定）。
功能高分子材料第七章生物医用高分子材料
（2）对人体组织不会引起炎症或异物反应 有些高分子材料本身对人体有害，不能用作医
用材料。而有些高分子材料本身对人体组织并无不 良影响，但在合成、加工过程中不可避免地会残留 一些单体，或使用一些添加剂。当材料植入人体以 后，这些单体和添加剂会慢慢从内部迁移到表面， 从而对周围组织发生作用，引起炎症或组织畸变， 严重的可引起全身性反应。
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二、医用高分子的分类
医用高分子是一门较年轻的学科，发展历史不长，因 此医用高分子的定义至今尚不十分明确。另外，由于医用高 分子是由多学科参与的交叉学科，根据不同学科领域的习惯 出现了不同的分类方式。
目前医用高分子材料随来源、应用目的等可以分为多种 类型。各种医用高分子材料的名称也很不统一。
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1、按材料的来源分类
工尿道（1950年）、人工血管（1951年）、人工食道（1951
年）、人工心脏瓣膜（1952年）、人工心肺（1953年）、 人工关节（1954年）、人工肝（1958年）等。
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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。60年代以前，医用高分子材料的选用主要是 根据特定需求，从已有的材料中筛选出合适的加以应用。 由于这些材料不是专门为生物医学目的设计和合成的， 在应用中发现了许多问题，如凝血问题、炎症反应、组 织病变问题、补体激活与免疫反应问题等。人们由此意 识到必须针对医学应用的特殊需要，设计合成专用的医 用高分子材料。
本章讨论直接用于治疗人体病变组织，替代人体病变 器官、修补人体缺陷的高分子材料。
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三、对医用高分子材料的基本要求
医用高分子材料是一类特殊用途的材料。它们在 使用过程中，常需与生物肌体、血液、体液等接触， 有些还须长期植入体内。由于医用高分子与人们的健 康密切相关，因此对进入临床使用阶段的医用高分子 材料具有严格的要求，要求有十分优良的特性。归纳 起来，一个具备了以下七个方面性能的材料，可以考 虑用作医用材料。
医用高分子概况
医用高分子概况生物医学高分子简称医用高分子，是一类令人瞩目的功能高分子材料。
它已渗入到医学和生命科学的各个部门并应用于临床的诊断与治疗。
特别是直接与体液接触的或可植入体内的所谓“生物材料”，它们必须无毒，有良好的生物相容性和稳定性，有足够的机械强度，而且易于加工、消毒。
医用高分子材料制品种类繁多。
从天灵盖到脚趾骨，从内脏到皮肤，从血液到五官都已有人工的高分子代用品。
与此同时，高分子药物及固定化酶、人工细胞、标记细胞、免疫吸附剂等也在迅速发展。
目前全世界每年生产的医用高分子材料包括医疗用品在内多达800万吨，价值30亿美元。
生物材料是指与体液接触的异体材料，除少数金属、陶瓷和碳素外，绝大部分是橡胶、纤维、模制塑料等合成高分子材料。
以它们为原材料制出的人工脏器，即具有部分或全部代替人体某一器官功能的器件，有的只需在体内短期使用，如插入器件(导液管等)，有的则需在体内停留较长时间，甚至整个生命期。
因此对这类材料有严格的要求：(1)必须无毒，而且是化学惰性的。
(2)与人体组织和血液相容性要好，不引起刺激、炎症、致癌和过敏等反应。
(3)有所需的物理性能(尺寸、强度、弹性、渗透性等)，并能在使用期间保持其不变。
(4)容易制备、纯化、加工和消毒。
生物高分子材料可以粗略地分为三大类：软性即橡胶状聚合物、半结晶聚合物和其他有关聚合物(见表1、2、3)。
医用硅橡胶是最早也是最成功的商品化医用高分子材料之一。
都难以满足对生物材料的所有要求，因而又不得不采用共聚、接枝、交联以及表面化学修饰等多种手段(统称为改性)，以制成各种复合材料，使其性能尽可能适应使用的特殊需要。
自《今日化学》，辐射在医用高分子材料中的应用，哈鸿飞、杨福良。
生物医学高分子材料
2.甲壳素的研究开发现状
甲壳质及其衍生物工业正在崛起，研究开发 正方兴未艾。 从20世纪80年代以来，美国和日本等国都已 经投入了大量人力、物力进行这方面的开发与 研究。 我国的甲壳质资源极其丰富，而且曾是研究 开发甲壳质制品较早的国家之一。早在1958年， 就对甲壳质的性能及生产进行过研究，并用于 纺织染整上作上浆剂。进入20世纪80年代后期， 甲壳质资源的开发利用引起了一些科研院所的 重视，并开始了在医疗和保健等领域的研究与 开发。
3.甲壳质及壳聚糖的生物活性
1) 抗菌、杀菌作用 脱 乙 酰 度 为 30 ％ 和 70 ％ 的 甲 壳 质 能 提 高 宿 主 抗 Sendai病毒及大肠杆菌感染能力。壳聚糖可抑制细菌、 霉菌生长。
2) 抗肿瘤作用 甲 壳 质 可 选 择 性 地 凝 聚 白 血 病 的 L1210 细 胞 ， Ehrlich腹水癌C，对正常的红血球骨髓细胞无影响。
胶原纤维的基本性能及与其他纤维的比较
表 胶原纤维的基本性能及与其他纤维的比较
项目 干抗张强度/g.d-1 干伸长率/% 湿抗张强度/g.d-1） 湿伸长率/% 初始弹性模数/g.d-1 相对密度 柔韧度 胶原纤维 1.8-2.5 40-50 0.8-1.5 42-50 26-58 1.39 很好 羊毛 1.0-1.7 25-35 0.761.63 25-50 11-25 1.32 很好 乳酪纤 维 1.1 50 0.6 60 大豆蛋白纤 维 0.7 60 0.35 60
8.甲克素及壳聚糖纤维的加工及应用
针织→制衣 甲壳素类短纤维→纺纱 机织→制衣
甲壳素类短纤维→疏棉→成网→浸轧 →烘干→裁切→包装→消毒→医用非织造布
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3，聚氨基酸类 具有良好的抗菌活性，而其小分子氨基酸却无药理活性 4，肝素 多糖类化合物，可与血液良好相容，具有优异的抗凝血性 能。 5，聚乙烯吡咯酮（全氟取代） 水溶性高分子，对水和离子保持稳定作用，与血液有良好 的相容性，毒性小。
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生物医用高分子材料（二）
6，阳离子聚合物、阴离子聚合物具有各种药理活性 阳离子季铵盐，治疗痉挛性疾病的有效药物；聚阳离子还 具有杀菌性、抗病毒性，对癌细胞有抑制作用。 高分子杀菌剂可低温消毒，对人体无毒。 聚阴离子具有免疫、抗病毒、抗肿瘤的活性；二乙烯基醚 与顺丁烯二酸酐共聚所得的吡喃聚合物。
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3，玻璃与聚合物粘合剂 由粉剂（硅酸铝玻璃粉末）和液剂（50%的丙烯酸水溶剂）组 成。对牙釉质和象牙质均有优良的粘接性，外观是半透明的， 与牙齿色调基本一致，因此可用于门牙修补。 4，PMMA粘合剂 性能差多采用改性聚合物。
2-羟基-3-萘氧丙基酯
甲基丙烯酸乙氧基烷基磷酸酯
生物医用高分子材料（二）
4.5.3 血液过滤法
类似于人体中肾小球的过滤作用。 超滤膜：孔径可以调节，依靠液体的压力差，使血液中的毒物 通过膜过滤出去。 优势：孔隙大于透析膜，更有效除去血液中毒素，血液处理率 大大提高，治疗时间缩短，而且不易损伤血球和血小板，抗凝 血性提高。 常用膜材料：聚砜平膜，三醋酸纤维膜，中空纤维膜， 聚酰胺中空纤维膜和乙烯-乙烯醇中空纤维膜等。
生物医用高分子材料
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溶解的甲壳素或壳聚糖，可以制备膜、纤维 和凝胶等各种生物制品。
甲壳素能为肌体组织中的溶菌酶所分解，已 用于制造吸收型手术缝合线。具有促进伤口 愈合的功能，可用作伤口包扎材料。
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合成可降解高分子材料
合成可降解高分子材料多数属于能够 在温和生理条件下发生水解的生物吸收 性高分子，降解过程一般不需要酶的参 与。
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吸收过程是生物体为了摄取营养或通过肾脏、
汗腺或消化道排泄废物所进行的正常生理过
程。材料一旦在体内降解，即进入生物体的
代谢循环。要求生物可降解性高分子应当是
正常代谢物或其衍生物通过可水解连接起来
的。
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生物吸收性高分子材料的分解吸收速度
人体中不同组织不同器官的愈合速度是不同的。
植入材料的分解和吸收速度必须与组织愈合速度同 步。 植入材料在组织或器官完全愈合之前，必须保持适 当的机械性能和功能。
可加入甘油或山梨糖醇作为增塑剂来提高 制品的机械性能。
用交联剂可以延长降解吸收时间。
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3.纤维蛋白
纤维蛋白是高度不溶的纤维蛋白原的聚 合产物，是像细针一样的晶状物。 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。
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纤维蛋白具有良好的生物相容性，具有止血、 促进组织愈合等功能。通过交联和改变其聚 集状态是控制其降解速度的重要手段。
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高分子材料在体内的表面钙化
◆钙化现象往往会导致高分子材料在人体内应
用失效的原因之一。钙化现象不仅是胶原生 物材料的特征，一些高分子水溶胶，如聚甲 基丙烯酸羟乙酯在大鼠、仓鼠、荷兰猪的皮 下也发现有钙化现现象。