高分子和生物体系的相互作用
浅谈高分子材料在生物医用领域的发展与应用
浅谈高分子材料在生物医用领域的发展与应用上官勇刚浙江大学高分子科学与工程学系高分子合成与功能构造教育部重点实验室50 年代以来，高分子科学发展的一个重要特征是，在本学科进一步向纵深发展的同时，开始向其他相关学科进行渗透并形成了许多新的学科边缘领域。
高分子生物材料( Polymeric Biomaterials)就是高分子科学与生命科学之间相互渗透而产生的一个重要边缘领域。
生物医用高分子材料是生物高分子材料中最为重要的组成部分，生物医用高分子材料指用于生理系统疾病的诊断、治疗、修复或替换生物体组织或器官，增进或恢复其功能的高分子材料。
这类高分子材料的研究有着非常重要的科学意义和实用价值。
随着高分子化学工业的发展，出现了大量的医用新材料和人工装置，如人工心脏瓣膜、人工血管、人工肾用透析膜、心脏起博器以及骨生长诱导剂等。
近十年来，由于生物医学工程、材料科学和生物技术的发展，医用高分子材料及其制品正以其特有的生物相容性、无毒性等优异性能而获得越来越多的医学临床应用。
生物医用高分子材料的发展阶段生物医用高分子材料的发展经历了两个阶段。
第一阶段是工业高分子材料在医学中的自发应用，这个阶段开始于1937年工业聚甲基丙烯酸甲酯用于制造假牙的牙床，其特点在于是,所用的材料都是工业上已经投产的现成材料，对于其应用价值，也已进行了一系列基础性的研究。
第二阶段是根据生命科学的需要，在分子水平上设计开发新型的生物医用高分子材料，并且对已经成熟的生物医用高分子材料进行优化。
这个阶段始于1953年医用级有机硅橡胶的出现，之后于1962年又开发出体内可吸收的聚羟基乙酸酯用作缝合线。
60年代中期起又依据心血管材料的要求，开发出多种抗凝血的聚(醚-氨酯)生物材料。
所有这些都标志着高分子生物材料已开始进入一个以分子工程研究为基础的发展时期。
生物医用高分子材料的分类与应用一.惰性生物医用高分子材料1)血液相容性材料(抗血凝性材料)生物医用高分子存在的最大难点在于血凝性。
高分子中的分子间相互作用
第四章分子间相互作用和超分子组装§4-1 分子间相互作用4-1-1 引言高分子材料中的分子间相互作用是一个庞大而发展迅速的研究课题，也是研究高分子色彩缤纷的凝聚态结构和性能的核心问题。
众所周知，化学是关于物质及其相互转化的科学，生命现象是其最高表现形式。
从1828年人工制备尿素至今的160年中，分子化学已经发展了很多非常复杂和有效的方法，通过以控制和精确的模式打开和组成原子间共价键构造出越来越复杂的分子。
化学工业已成为当今社会造福于人类，同时也给人类带来许多挑战性课题的最重要的工业部门之一。
现代化学与十八、十九世纪的经典化学相比，其研究内容、研究方法、研究特点已不可同日而语。
现代化学的显著特点之一是从宏观进入微观，从静态研究进入动态研究，从个别、细致研究发展到相互渗透、相互联系的研究，从分子内的原子排列向分子间的相互作用发展，新近不久出现的超分子化学就是现代化学生机勃勃发展的最新分支和充满希望的代表。
1987年，美国科学家C.J.Pederson，D.J.Cram，和法国教授J.M.Lehn因在超分子化学研究中的突出贡献而获得诺贝尔化学奖。
J.M.Lehn教授在获奖演说中为超分子化学作了简要注释：超分子化学是研究两种以上的化学物种通过分子间相互作用缔结而成为具有特定结构和功能的超分子体系的科学。
简而言之，超分子化学是研究多个分子通过非共价键（次价键）作用而形成的功能体系的科学。
如果说分子化学是建立在共价键基础上的，那么超分子化学就是建立在分子间非共价键基础上的学科。
该学科的目标是要对分子间相互作用加以控制。
超分子化学是一门新兴的处于近代化学、材料科学和生命科学交汇点的前沿科学。
它的发展不仅与大环化学（冠醚、穴醚、环糊精、杯芳烃、C60等）的发展密切相联，而且与分子自组装（双分子膜、胶束、DNA双螺旋等）、分子器件和新颖有机材料的研究息息相关。
从某种意义上讲，超分子化学超越了分子化学，淡化了有机化学、无机化学、生物化学、和材料科学相互之间的界限，着重强调了具有特定结构和功能的超分子体系，将四大基础化学有机地合为一个整体，融会贯通。
高分子化合物与生物大分子的关系
基因治疗：利用高 分子化合物作为载 体，将正常基因导 入病变细胞，纠正 基因缺陷或异常表 达。
实例：利用高分子 聚合物作为基因传 递系统，成功治疗 遗传性疾病和癌症 等疾病。
相互影响：高分子 化合物在基因治疗 中起到关键作用， 与生物大分子相互 作用，实现基因的 有效传递和表达。
应用前景：随着基 因治疗技术的发展 ，高分子化合物在 未来的生物医学领 域将发挥更加重要 的作用。
高分子化合物可以影响生物大分子 的构象和稳定性，从而调控生物大 分子的结构和功能。
能量转换
高 分 子 化 合 物 在 生 物 大 分 子 中 起 到 能 量 转 换 的 作 用 ， 如 AT P 等 高 分 子 化 合物在生物体内释放能量，供生命活动所需。
高分子化合物在生物大分子中参与能量转换过程，如光合作用中叶绿素 等高分子化合物能够吸收光能并将其转化为化学能。
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高分子化合物可以模拟生物膜，提 高生物传感器的灵敏度和稳定性
高分子化合物可以用于制备纳米生 物传感器，实现高灵敏度和高分辨 率的检测
高分子化合物在组织工程中的应用
用于制造人工器 官和组织
促进细胞生长和 分化
增强组织的机械 性能
调节细胞行为和 功能
高分子化合物在基因治疗中的应用
物质传递
高分子化合物在生物大分子中起到 物质传递的作用，能够携带和转运 生物大分子中的物质。
高分子化合物在生物大分子中起到 物质传递的作用，能够影响生物大 分子的代谢和能量转换。
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高分子化合物在生物大分子中起到 物质传递的作用，能够影响生物大 分子的结构和功能。
高分子与表面相互作用的临界点及临界点对生物高分子扩散运动的影响的开题报告
高分子与表面相互作用的临界点及临界点对生物高分子扩散运动的影响的开题报告一、研究背景高分子材料在生物医学领域中广泛应用，如药物缓释、组织修复和医疗装置等。
在这些应用中，高分子材料会与生物组织相互作用，因此了解高分子材料与生物组织表面相互作用的临界点及临界点对生物高分子扩散运动的影响至关重要。
二、研究目的1. 了解高分子材料与生物组织表面相互作用的临界点是什么，以及临界点的意义和影响；2. 探讨临界点对生物高分子扩散运动的影响机制；3. 提高高分子材料在生物医学领域的应用水平，为高分子材料的合理设计提供理论指导。
三、研究内容1. 高分子材料与生物组织表面相互作用的临界点的定义和影响；2. 高分子材料的表面性质对临界点的影响；3. 临界点如何影响生物高分子的扩散运动；4. 针对临界点对生物高分子扩散运动的影响机制的实验设计和实验结果分析。
四、研究方法1. 文献综述：收集相关文献，对高分子材料与生物组织表面相互作用的临界点及临界点对生物高分子扩散运动的影响进行分析；2. 实验研究：通过制备不同表面性质的高分子材料，从分子层面和宏观层面探讨临界点对生物高分子扩散运动的影响机制；3. 数据分析：对实验结果进行统计和分析，得出结论。
五、研究意义1. 探讨高分子材料与生物组织表面相互作用的临界点及临界点对生物高分子扩散运动的影响机制，为高分子材料的合理设计提供理论指导；2. 提高高分子材料在生物医学领域的应用水平，促进生物医学工程的发展。
六、预期成果1. 通过文献综述和实验研究，得出高分子材料与生物组织表面相互作用的临界点及临界点对生物高分子扩散运动的影响机制；2. 提供高分子材料在生物医学领域中的应用指导。
生物医学材料和生物体间的相互作用培训课件
生物医学材料和生物体间的相互作用
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所谓内源性钙化是指材料本身的因 素所引起的钙化。外源性钙化则是 指材料以外的因素如血细胞等所引 起的钙化。
生物医学材料和生物体间的相互作用
25
材料与血液接触后，其表面会有多 种细胞的沉积，这些细胞在这些区 域沉积很长一段时间后，细胞就会 死亡，局部的pH值就会改变，从 而吸附钙质，首先形成无定形磷酸 钙盐，随后转变成结晶型磷酸钙， 最后形成羟基磷灰石。这就是钙化 产生的一个基本过程。
生物医学材料和生物体间的相互作用
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（二）钙化
生物医学材料和生物体间的相互作用
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生物医学材料表面形成钙化常使材 料丧失功能，使植入失败。
生物医学材料和生物体间的相互作用
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生物体内产生的病理钙化有两种， 一种为转移性钙化，另一种为营养 不良性钙化。
生物医学材料和生物体间的相互作用
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转移性钙化是由于组织中钙含量都 是正常的，也就是说不会有转移性 钙化产生，所以在血泵上形成的钙 化属于营养不良性钙化。
生物医学材料和生物 体间的相互作用
生物医学材料植入体内对宿主人 体的影响是一个相当复杂的病理 过程。其中感染、钙化和肿瘤这 些现象的临床意义极其重要。
生物医学材料和生物体间的相互作用
2
（一）感染
生物医学材料和生物体间的相互作用
3
感染是植入材料在临床上最常见的 主要并发症之一，植入患者的大约 １％～１０％发生感染。
生物医学材料和生物体间的相互作用
49
生物医学材料导致产生一系列的全 身免疫反应，包括体液反应和细胞 反应。其中，体液反应包括凝血系 统的激活、补体系统的激活、激肽 系统的激活、溶纤系统的激活等。
高分子材料的生物相容性
O
NHSO3H
NHSO3H
第九章 医用高分子 材料
肝素的作用机理是催化和增强抗凝血酶与凝 血
酶的结合而防止凝血。将肝素通过接枝方法固 定在
化特别是纤维包膜厚度密切相关。例如当在大 鼠 体 内植入高分子材料后，如果前3～12 个月内形 成 的 纤维包膜厚度大于0.2 mm，经过一定的潜伏 期后通常会出现癌症。而低于此值，癌症很 少 发 生 。 因此0.2 mm可能是诱发鼠体癌症的临界纤维
第九章 医用高分子 材料
2.1.4 高分子材料在体内的表面钙化 观察发现，高分子材料在植入人体内后，再 经 过一段时间的试用后，会出现钙化合物在材料 表面 沉积的现象，即钙化现象。钙化现象往往是导 致高
第九章 医用高分子 材料
由于不同的高分子材料在医学中的应用目的 不
同，生物相容性又可分为组织相容性和血液相 容性
两种。组织相容性是指材料与人体组织，如骨 骼、 牙齿、内部器官、肌肉、肌腱、皮肤等的相互 适应 性，而血液相容性则是指材料与血液接触是不 是会
第九章 医用高分子 材料 2.1 高分子材料的组织相容性
第九章 医用高分子 材料 （2）高分子材料化学结构的影响
表9-2 纤维包膜的厚度变化（大鼠）
第九章 医用高分子 材料
表9-2所示，11种直径为1cm的碟形高 分子材料植入大鼠皮下，在12周以前，这些 材料的组织反应情况类似，只是样品7和8的 纤维包膜形成延迟，样品9的纤维包膜较厚。 进一步延长植入时间，包膜厚度继续增加甚 至引起癌变。 硅橡胶属于高亲水材料，包膜厚度在 0.25mm左右，同时高疏水材料如全氟高分 子Teflon引起的纤维包膜厚度较小。所以如 果高分子材料不渗出有害物质，那么强疏水 性高分子材料和强亲水性高分子材料引起的
生物大分子间相互作用的研究
生物大分子间相互作用的研究随着生物科技的不断发展，研究生物大分子间相互作用的越来越深入。
生物大分子是指在生物体内大量存在的具有重要生物功能的高分子化合物，包括蛋白质、核酸、多糖等。
在生物体内，这些大分子通过相互作用，形成了复杂的生物系统，完成了众多的生物功能，因此，研究生物大分子间相互作用，对于理解生命活动的本质，以及发现和开发新的治疗手段具有重要的价值。
1. 蛋白质之间的相互作用蛋白质是构成生物体的重要组成部分，具有极其重要的生物功能。
蛋白质之间的相互作用是生物体内重要的分子相互作用之一。
其相互作用形式多样，主要包括：氢键相互作用、范德瓦尔斯力相互作用、离子键相互作用等。
在蛋白质的三级结构中，同源二聚体是一种重要的相互作用形式。
同源二聚体是指由两个完全相同的蛋白质链构成的二聚体，其通过相互作用，形成一个具有新的功能的蛋白质结构体。
同源二聚体在生物体内广泛存在，具有很高的生物功能性。
研究同源二聚体的结构、功能和调控，对于探索新的生物功能分子具有重要的意义。
2. 核酸之间的相互作用核酸是生物体内最具有代表性的大分子之一。
在生物体内，核酸通过配对相互作用，形成了重要的生物结构和机体功能。
核酸之间的相互作用主要包括：氢键相互作用、范德瓦尔斯力相互作用等。
在生物体内，RNA与蛋白质之间的相互作用是一种重要的分子相互作用形式。
RNA的特点是在其不同区域上具有不同的功能结构和序列，这使得RNA能够通过与蛋白质的相互作用实现其不同的生物功能。
研究RNA与蛋白质之间的相互作用机制，对于理解生命分子的功能机理具有重要的意义。
3. 生物大分子与其它分子之间的相互作用生物大分子不仅与自身相互作用，还与其它物质之间相互作用。
例如，血红蛋白是一种具有重要生物功能的蛋白质，在生物体内与氧气之间的相互作用实现了氧气的转运功能。
同样，DNA与荧光染料之间的相互作用也是一种重要的生物相互作用形式，可以通过检测荧光信号实现DNA的检测和诊断。
生物大分子的自组装和相互作用
生物大分子的自组装和相互作用生命是由大量的生物大分子构成的。
这些分子中包括蛋白质、核酸、多糖等，它们在生命体内扮演着重要的角色，例如蛋白质可以催化各种生化反应，核酸可以传递遗传信息，多糖可以提供结构支持。
这些生物大分子在生命体内能够自组装和相互作用，形成各种生命体系结构。
这些结构的成立不是由于外力的作用，而是由于分子本身的化学性质决定的。
一、蛋白质的自组装蛋白质是由氨基酸组成的高分子化合物。
在生命体内，它们能够自组装成为各种不同的结构，例如α螺旋、β折叠等。
蛋白质的自组装具有很高的选择性，因为不同的氨基酸之间有不同的化学性质和互作。
例如，亲水性氨基酸很容易聚集在一起，形成亲水性核心；而疏水性氨基酸则会向外层聚集，形成疏水性表面。
这些类似“拼图”的组装方式使得蛋白质能够构成复杂的三维结构，并能够保持稳定。
这些结构对于蛋白质的功能至关重要，因为它们决定蛋白质与其他分子的相互作用。
二、核酸的相互作用核酸是由核苷酸组成的高分子化合物。
在生命体内，核酸主要有两种类型：DNA和RNA。
这些分子通过碱基之间的氢键相互结合，形成二级结构（例如DNA的双螺旋结构），进而形成更高级的结构（例如染色体）。
碱基之间的相互作用具有很高的特异性，因为不同的碱基之间有不同数量和种类的氢键。
例如，腺嘌呤（A）和胸腺嘧啶（T）之间有两个氢键，而鸟嘌呤（G）和胞嘧啶（C）之间有三个氢键。
这些相互作用保证了DNA序列的稳定性和可靠性，这样传递的遗传信息才会被精确保持和传递至下一代细胞。
三、多糖的自组装多糖是由单糖分子组成的高分子化合物，例如淀粉、纤维素、角质等。
这些多糖在生命体内能够通过氢键和范德华力等相互作用自组装成为各种不同的结构，例如淀粉的螺旋形结构和纤维素的平行链结构。
这些结构对于多糖的功能具有重要的影响，因为它们能够改变多糖的化学性质和物理性质，进而影响它们在生命中的功能。
例如，淀粉分子的螺旋结构使其能够作为糊精合成的受体，与生命中的其他分子相互作用。
高分子材料的生物相容性改善研究
高分子材料的生物相容性改善研究高分子材料是一种重要的材料类别，广泛应用于医疗、电子、建筑等各个领域。
然而，由于其特殊的物理和化学性质，高分子材料在与生物体接触时可能会引起不良反应，限制了其在生物医学领域的应用。
因此，研究人员一直致力于改善高分子材料的生物相容性，以提高其应用前景。
首先，我们可以通过选择合适的原料来改善高分子材料的生物相容性。
生物可降解的高分子材料在生物体内能够被代谢和降解，不会产生持久存在的副产物。
因此，研发可降解的高分子材料是一种有效的方法。
例如，聚乳酸和聚乳酸-羟基乙酸共聚物是常用的生物可降解高分子材料，被广泛应用于手术缝合线、骨修复和组织工程等领域。
其次，表面修饰是改善高分子材料生物相容性的另一种重要方法。
高分子材料表面的化学组成和形态结构决定了其与生物体的相互作用。
通过表面修饰，可以改变高分子材料的亲水性、抗菌性和细胞黏附性等特性。
例如，将高分子材料表面引入羟基、胺基等亲水基团可以增加其与水的相容性，减少组织液吸附和细胞黏附。
而表面修饰材料还可以通过引入抗菌剂、药物等来增加高分子材料的抗菌性和药物控释性。
除了表面修饰，纳米技术也是改善高分子材料生物相容性的常用手段之一。
纳米技术可以制备具有特殊形态和结构的高分子材料，从而实现对材料性能的调控。
例如，在高分子材料中添加纳米颗粒，可以增加其表面积，提高材料与生物体的相互作用。
此外，通过纳米材料的载药和药物控释技术，可以改变高分子材料的药物释放行为和药效，提高治疗效果。
此外，高分子材料的物理性质也与生物相容性密切相关。
例如，高分子材料的力学性能可以影响其与生物组织的相互作用。
如果高分子材料的强度过高，可能导致组织损伤和炎症反应。
因此，在设计高分子材料时，需要考虑其力学性能与生物体的匹配性。
此外，高分子材料的表面形貌和结构也会影响与生物体的相互作用。
例如，通过改变高分子材料的形貌和孔隙结构，可以促进组织细胞的侵入和修复。
综上所述，改善高分子材料的生物相容性是一个复杂而多方面的课题。
高分子材料的生物相容性研究
高分子材料的生物相容性研究1.引言在医学领域中，高分子材料被广泛应用于医疗器械、组织工程和药物输送等方面。
然而，高分子材料与生物体的相互作用极为重要。
因此，研究高分子材料的生物相容性具有重要的意义。
2.生物相容性的定义生物相容性是指高分子材料与生物体相互作用时所引发的生物学反应的性质和程度。
一个理想的高分子材料应该具有良好的生物相容性，即能够与生物体相互作用但不会引起不良反应。
3.高分子材料的生物相容性评价方法3.1 组织相容性评价组织相容性评价是通过观察高分子材料与组织的相互作用来评价其生物相容性的方法。
常用的方法包括体内植入试验、体外细胞培养和动物模型的应用。
3.2 免疫相容性评价免疫相容性评价是通过观察高分子材料对免疫系统的影响来评价其生物相容性的方法。
常用的方法包括淋巴细胞转化试验、细胞毒性测试和免疫组化分析等。
3.3 血液相容性评价血液相容性评价是通过观察高分子材料与血液的相互作用来评价其生物相容性的方法。
常用的方法包括血小板黏附试验、凝血时间检测和血管内皮细胞的评估等。
4.高分子材料的改性提高生物相容性4.1 表面改性通过在高分子材料表面引入功能化基团或涂覆生物活性物质来改善其生物相容性。
例如，可以用共价键或物理键将功能化基团引入材料表面，增强其细胞黏附和生物活性。
4.2 生物活性物质的导入将生物活性物质如药物、生长因子等导入高分子材料中，可以促进其与生物体的相互作用。
这种方法可以通过物理吸附、共价键或微胶囊等方式实现。
4.3 复合材料的制备制备高分子复合材料来改善其生物相容性。
例如，将高分子材料与陶瓷、金属等制备成复合材料，既保留了高分子材料的可塑性，又增加了其生物活性和生物相容性。
5.高分子材料的应用与展望5.1 医疗器械高分子材料在医疗器械领域中有着广泛的应用，如人工关节、血管支架和人工心脏瓣膜等。
改善材料的生物相容性可以提高医疗器械的使用效果和安全性。
5.2 组织工程高分子材料在组织工程领域中被用于构建组织和器官的支架材料，以促进组织的再生和修复。
高分子生物材料
高分子生物材料引言高分子生物材料是一种结合了高分子材料和生物材料特性的材料，具有广泛的应用前景。
本文将介绍高分子生物材料的定义、特点及其在医学、食品、环境等领域的应用。
一、高分子生物材料的定义和特点高分子生物材料是指以高分子材料为基础，通过特殊的处理方法，使其具备生物材料的特性和功能。
与传统的高分子材料相比，高分子生物材料具有以下特点：1. 生物相容性：高分子生物材料具有良好的生物相容性，可以与生物体组织相互作用而不引起明显的免疫排斥反应。
2. 生物降解性：高分子生物材料可以在生物体内发生降解，降解产物可以通过正常的代谢途径排出体外，不会对生物体产生长期的不良影响。
3. 生物活性：高分子生物材料可以通过改变材料的表面性质或引入生物活性物质，具备特定的生物功能，如抗菌、促进组织再生等。
二、高分子生物材料在医学领域的应用1. 人工器官和组织工程：高分子生物材料可以用于制造人工器官，如人工心脏瓣膜、人工血管等。
同时，高分子生物材料也可以作为支架材料用于组织工程，促进组织再生和修复。
2. 药物传递系统：高分子生物材料可以作为药物载体，通过调控材料的释放性能，实现药物的缓慢释放和靶向传递，提高药物疗效并减少副作用。
3. 包装材料：高分子生物材料可以用于制造医疗器械的包装材料，保护器械免受外界环境的污染，并延长其使用寿命。
三、高分子生物材料在食品领域的应用1. 食品包装材料：高分子生物材料可以用于制造食品包装材料，具有良好的防潮、防氧化和抗菌性能，保持食品的新鲜度和品质。
2. 食品添加剂：高分子生物材料可以作为食品添加剂，用于增加食品的稳定性、口感和营养价值，并改善食品的质感。
3. 生物传感器：高分子生物材料可以用于制造食品质量检测的生物传感器，实现对食品中有害物质的快速检测和监测。
四、高分子生物材料在环境领域的应用1. 污水处理：高分子生物材料可以用于污水处理，通过吸附、分离和催化等作用，去除污水中的有害物质，提高水质。
功能性高分子材料科学-医用高分子及生物吸收性高分子材料
3 对医用高分子材料的基本要求
3.1 化学隋性，不会因与体液接触而发生反应 人体环境对高分子材料主要有以下一些影响： 1)体液引起聚合物的降解、交联和相变化； 2)体内的自由基引起材料的氧化降解反应； 3)生物酶引起的聚合物分解反应； 4)在体液作用下材料中添加剂的溶出； 5)血液、体液中的类脂质、类固醇及脂肪等物
功能高分子材料
医用高分子材料
1 发展简史
公元前3500年，埃及人用棉花纤维、马鬃缝合伤口 1936年发明了有机玻璃，制作假牙和补牙 1943年，赛璐珞薄膜开始用于血液透析
1 发展简史
1949年，美国发表医用高分子文章中，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 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
4 高分子材料的生物相容性
4.1 高分子材料的组织相容性 4.1.1高分子材料植入对组织反应的影响
材料中可渗出的化学成分：如残留单体、杂质、低聚物、添加剂 等 降解或代谢产物 材料本身的结构和性质：如微相结构、亲水 性、疏水性、电荷等，植入材料的几何形状也可能引起组织反应
4 高分子材料的生物相容性
4 高分子材料的生物相容性
例如，聚氨酯和聚氯乙烯中可能存在的残余单 体有较强的毒性，渗出后会引起人体严重的炎症反 应。而硅橡胶、聚丙烯、聚四氟乙烯等高分子的毒 性渗出物通常较少，植入人体后表现的炎症反应较 轻。
如果渗出物的持续渗出时间较长，则可能发展 成慢性炎症反应。如某些被人体分解吸收较慢的生 物吸收性高分子材料容易引起慢性无菌性炎症。
4 高分子材料的生物相容性
（3）材料物理形态等因素对组织反应的影响 高分子材料的物理形态如大小、形状、孔度、
《生物高分子及制品》教学大纲
《生物高分子及制品》教学大纲一、课程基本信息课程名称（中、英文）：《生物高分子及制品》(Biopolymers and their Products)课程号（代码）：课程类别：专业选修课学时：48 学分：3二、教学目的及要求生物医用高分子材料是生物医用材料的一个重要组成部分，是一类用于诊断、治疗和器官修复与再生的材料，具有延长病人生命、提高病人生存质量的作用，是材料科学、化学、生命科学和医学交叉的发展领域。
其研究与开发、既有重大的社会需求，也有重大的经济需求。
高性能医用高分子材料和器械是现代医学各种诊断和治疗技术赖以存在的基础，并不断推动各种新诊断和治疗手段的出现。
本课程介绍了高分子材料与生物体的相互作用，强调了材料的生物相容性的重要性，以及生物医用高分子材料的生物相容性和安全性评价。
并分别介绍了人工器官用高分子材料、医疗诊断用高分子材料、药物缓释用高分子材料、软硬组织替代和组织工程用高分子材料，以及医用高分子材料的设计。
本课程可以开拓学生视野，培养学生的兴趣；使高分子专业和生物医学工程专业学生对生物高分子材料和制品有全面深入的认识和了解，并为今后从事相关行业打下基础。
对毕业要求及其分指标点支撑情况：（1）毕业要求1，分指标点1.4；（2）毕业要求2，分指标点2.2。
三、教学内容（含各章节主要内容、学时分配，并红字方式注明重点难点）第一章绪论（3学时）介绍生物高分子和一般合成高分子的区别和联系；生物医疗用高分子材料的发展；一般医用高分子材料的目的机能和材料设计的关系；临床医用和制品的开发；生产环境要求；制品的研究开发所面临的问题。
使学生对本课程的学习内容和学习方法建立整体概念。
要点：课程学习的目的、方法、要求生物医用高分子的特点；一般医用高分子材料的目的机能和材料设计的关系；医用高分子生产环境的要求；医用高分子材料消毒灭菌的重要性医用高分子制品研究开发面临的问题第二章生物医用高分子材料的生物相容性和安全性评价（9学时）介绍医疗用高分子的基本机能；生物高分子和生物体的基本生物反应；高分子和生物体系的相互作用及生物相容性的概念；生物医用材料的生物相容性评价及其相关的各种评价方法要点：医用高分子的基本机能生物高分子与生物体的基本反应生物相容性的概念血液相容性、组织相容性的概念及其评价方法生物材料降解的评价方法生物学评价及新材料研究生物相容性研究及评价展望第三章人工器官用材料（12学时）介绍各种血液净化型人工器官；牙科和眼科材料，杂化型人工器官，包括人工肝脏、人工血管等。
生物大分子的超分子自组装机制和自组织特性
生物大分子的超分子自组装机制和自组织特性生物大分子是生命体系中最基本的构成单元，包括蛋白质、核酸、多糖等复杂高分子化合物。
这些大分子常常具有高度的自组装性和自组织性，能够通过自组装和自组织方式形成各种具有复杂结构和功能的超分子体系。
本文将介绍生物大分子的超分子自组装机制和自组织特性。
一、生物大分子的自组装机制生物大分子的自组装机制可以分为两种类型，一种是非共价性自组装，包括疏水作用、静电作用、热力学驱动等；另一种是共价性自组装，包括亲核-电子机制、自由基聚合等。
疏水作用是一种非共价性自组装机制，通常发生在水相中的大分子聚集体中。
生物大分子的疏水作用跟其分子结构密切相关，疏水性越强的分子通常在水相中聚集起来形成疏水聚集体。
这些聚集体形成的方式可以是线性的，如蛋白质中的螺旋形和β折叠结构；也可以是非线性的，如某些蛋白质富含疏水性的区域可以形成疏水芯。
静电作用也是一种非共价性自组装机制，通常发生在带电的生物大分子之间。
带电的生物大分子可以通过电荷配对形成不同结构的配基对，形成电学能的低能量态。
多糖的酸碱性分子及其衍生物在生物大分子中起到了极为重要的作用。
热力学驱动是一种非共价性自组装机制，通常发生在高分子的溶液中。
高分子在水溶液中形成的聚集体是受溶液浓度和温度的影响的，当浓度升高或者温度降低时，生物大分子聚集体化的趋势更加明显，在此条件下可以发现一系列相转变现象。
亲核-电子机制是生物大分子共价性自组装机制的一种，广泛存在于核酸及核酸蛋白复合体中。
核酸分子的自组装主要发生于碱基对之间，这种自组装机制依赖于自由的氢键。
通过这种方式，核酸可以形成序列特异性的配对结构，从而实现不同碱基序列之间的辨识。
自由基聚合是生物大分子共价性自组装机制的另一种，这种机制主要通过单体的自由基聚合形成大分子。
二、生物大分子的自组织特性生物大分子的自组织性包括动态平衡、非平衡态、自组理念、自组骨架等。
这些特性使得生物大分子能够在空间和时间上组织自己的结构和功能。
生物大分子与生物功能的关系
生物大分子与生物功能的关系生命的存在和发展离不开生物大分子，如蛋白质、核酸和多糖等。
这些大分子具有不同的生物功能，这些功能与它们的结构和化学性质密切相关。
在本文中，我们将探讨生物大分子与生物功能的关系。
蛋白质与生物功能蛋白质是生命体系中最基本的大分子，也是最复杂和多功能的大分子之一。
蛋白质可通过由上至下的层级结构来进行描述，这些层级结构包括原始结构、二级结构、三级结构和四级结构。
原始结构是由一个或多个氨基酸链组成的线状结构，而二级结构则是通过氢键形成的螺旋和折叠。
三级结构是通过多肽侧链之间的相互作用形成的，而四级结构则是由两个或多个三级结构之间的相互作用形成的。
蛋白质的结构决定了它的功能。
蛋白质具有多种生物功能，如结构支撑（如肌肉蛋白）、酶活性（如胰岛素）、细胞识别（如免疫球蛋白）和运输（如血红蛋白）等。
如血红蛋白就是一种具有氧气结合和输送功能的蛋白质，它由四个结构相同的亚基组成，每个亚基都包含一个铁离子，用于氧气结合。
核酸与生物功能核酸是由核苷酸以互补配对形式组成的双链螺旋结构，具有储存、复制和传递遗传信息的功能。
核酸包括脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）两种类型。
DNA是生命体系中存储遗传信息的重要分子，在细胞分裂时能够准确复制并传递给下一代细胞。
DNA的结构是由磷酸基团和多个核苷酸组成的双链螺旋结构。
这些核苷酸是由一个五碳糖、一个磷酸基团和一个氮碱基组成的。
DNA中的氮碱基包括腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、鸟嘌呤（G）和胞嘧啶（C）。
RNA则可参与信息传递、蛋白质合成和基因调控等多种生物功能。
RNA的结构与DNA类似，但含有与T不同的氮碱基尿嘧啶（U）。
RNA的复制和转录过程包括多种酶的参与。
例如，RNA聚合酶能将DNA中的信息转录为RNA，从而参与蛋白质合成。
多糖与生物功能多糖是由大量单糖分子组成的高分子，包括淀粉、纤维素、壳聚糖和肝糖等。
多糖在生物体内具有多种生物功能，如能够提供能量、构成细胞壁、提供支撑等。
高分子材料的生物相容性与研究
高分子材料的生物相容性与研究在现代科技的快速发展中，高分子材料因其独特的性能和广泛的应用而备受关注。
从日常生活中的塑料制品到医疗领域的人工器官，高分子材料已经深入到我们生活的方方面面。
然而，当这些材料与生物体接触时，其生物相容性就成为了一个至关重要的问题。
生物相容性是指材料在特定应用中与生物体相互作用时，产生适当的宿主反应的能力。
对于高分子材料来说，良好的生物相容性意味着它们在植入或接触生物体后，不会引起毒性反应、免疫排斥、炎症或其他有害的生理反应。
高分子材料的种类繁多，包括天然高分子和合成高分子。
天然高分子如胶原蛋白、纤维素等，通常具有较好的生物相容性，因为它们在生物体中本身就存在。
合成高分子则是通过化学方法人工合成的，如聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等。
虽然这些合成高分子在性能上具有很大的可调节性，但它们的生物相容性往往需要经过精心的设计和优化。
影响高分子材料生物相容性的因素有很多。
首先是材料的化学组成。
材料表面的化学基团会直接影响其与生物体的相互作用。
例如，带有羟基、羧基等亲水性基团的材料通常更容易与生物体相容，而带有苯环、卤素等疏水性基团的材料则可能引发不良反应。
其次是材料的物理性质，包括表面粗糙度、孔隙率、硬度等。
光滑的表面和适当的孔隙率有助于细胞的黏附、生长和分化，而过硬或过软的材料可能无法提供足够的机械支持。
此外，材料的降解性能也非常关键。
如果材料在体内降解过快，可能无法发挥其预期的功能；如果降解过慢，则可能会积累在体内，引起不良后果。
为了评估高分子材料的生物相容性，科学家们采用了一系列的实验方法。
细胞培养实验是常见的一种，通过观察细胞在材料表面的黏附、增殖和分化情况，来初步判断材料的生物相容性。
动物实验则更加接近实际应用情况，将材料植入动物体内，观察其长期的组织反应和整体的生理影响。
此外，还有血液相容性测试，用来评估材料与血液接触时是否会引起凝血、溶血等不良反应。
在医疗领域，高分子材料的生物相容性研究具有重要的意义。
高分子材料对生物细胞的相互作用
高分子材料对生物细胞的相互作用高分子材料是一类由高分子链构成的材料，具有较高的分子量和较大的分子量分布。
高分子材料在生物医学领域中被广泛应用，如药物传递、组织工程、生物传感和生物成像等。
高分子材料与生物细胞之间的相互作用研究对于深入理解高分子材料在生物体内的表现和应用潜力具有重要意义。
高分子材料对生物细胞的相互作用可以从多个方面进行研究。
首先，高分子材料与细胞之间的物理相互作用包括吸附、排斥、渗透、侵入和释放等过程。
高分子材料的表面性质和分子结构可以影响其在细胞表面的吸附行为。
一些高分子材料具有亲水性表面，有利于与水性细胞膜的相互作用。
另一些高分子材料则具有亲油性表面，可以与含有油脂成分的细胞膜相互作用。
此外，高分子材料的柔性和纳米尺寸的特点也有助于其更好地渗透到细胞内部，使得高分子材料能够用于细胞内的药物释放和基因传递等应用。
第二，高分子材料与细胞之间的化学相互作用也非常重要。
高分子材料的分子结构和功能基团可以与细胞膜和细胞内的生物分子发生反应。
例如，一些高分子材料在与细胞膜接触时可以通过水解和酶催化反应释放出药物。
另一方面，高分子材料的表面官能团可以与细胞膜上的特定受体或配体结合，实现针对性的药物传递和细胞信号调控。
第三，高分子材料对细胞的暂时或永久性影响也是需要考虑的。
一些高分子材料在与细胞接触后可能产生毒性效应，如免疫反应、氧化应激和细胞死亡。
因此，在使用高分子材料进行生物医学应用时，需要对其生物相容性进行充分评估。
另一方面，高分子材料也可以通过与细胞内的信号通路相互作用，调控细胞增殖、分化和迁移等生物学过程。
最后，高分子材料对细胞的生物学响应也是一个研究热点。
高分子材料可以激活细胞内的信号通路，调控细胞的基因表达和蛋白质合成。
一些高分子材料甚至可以模拟细胞外基质的功能，诱导细胞增殖和分化。
因此，高分子材料的设计和改性需要考虑其与细胞的相互作用，以实现理想的生物学效应。
综上所述，高分子材料对生物细胞的相互作用涉及物理、化学和生物学等多个层面。
高分子材料的生物相容性与应用
高分子材料的生物相容性与应用在当今科技飞速发展的时代，高分子材料因其独特的性能和广泛的应用领域而备受关注。
其中，高分子材料的生物相容性是一个至关重要的特性，它决定了这些材料在生物医学领域中的应用前景和效果。
首先，我们来了解一下什么是高分子材料。
高分子材料，简单来说，就是由大量大分子组成的材料。
这些大分子通常是由许多重复的结构单元通过化学键连接而成。
常见的高分子材料有塑料、橡胶、纤维等。
而当这些高分子材料被应用于生物医学领域时，例如制造人工器官、药物载体、组织工程支架等，它们与生物体之间的相互作用就变得极为关键，这就引出了生物相容性的概念。
生物相容性是指材料在特定的应用环境中，与生物体相互作用时产生适当的反应，且不会引起有害的生物学效应。
一个具有良好生物相容性的高分子材料，在植入或接触生物体后，应该不会引发免疫反应、炎症、毒性、血栓形成等不良后果，同时还能够有效地执行其预期的功能。
那么，影响高分子材料生物相容性的因素有哪些呢？材料的化学组成是一个重要方面。
不同的化学基团和化学键会影响材料与生物体的相互作用。
例如，某些含有羟基、羧基等亲水性基团的高分子材料，往往更容易与生物体的水环境相互融合，表现出较好的生物相容性。
材料的表面性质也起着关键作用。
表面的粗糙度、亲水性、电荷分布等都会影响细胞的黏附、增殖和分化。
此外，材料的物理性能，如硬度、弹性模量等，也需要与所接触的生物组织相匹配，以避免造成机械损伤或不适应。
接下来，让我们看看高分子材料在生物医学领域中的一些具体应用。
在组织工程中，高分子材料被用于构建组织支架，为细胞的生长和组织的再生提供支撑和引导。
例如，聚乳酸（PLA）和聚乙醇酸（PGA）等可降解高分子材料，可以制成具有特定孔隙结构和力学性能的支架，用于骨组织、软骨组织和神经组织的修复。
在药物输送领域，高分子材料可以作为药物的载体，实现药物的控释和靶向输送。
通过将药物包裹在高分子纳米粒子中，可以延长药物在体内的循环时间，提高药物的生物利用度，并减少药物的副作用。
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第二章 相互作用
生物功能性分类-1
物理功能
内容 应用举例 强度支持，构造保持 人工骨，人工牙 齿，人工关节 被覆，锁闭 损伤皮肤表面，组织损 伤部位闭合，缝合线， 卡钉，骨钉
第二章 相互作用
生物功能性分类-1
物理功能
内容
管道，泵，瓣膜，
阀
应用举例
人工血管，人工食道，
人工气管，分路器，人 工心脏，人工瓣膜 探测器 人工眼球，隐形眼镜
第二章 相互作用
顺应性
表2-3 各类人工血管材料顺应性
名称 针织涤纶 顺应性(%) 1. 97
凝胶涂层涤纶 机织涤纶 聚氨酯(中孔型) 标准ePTFE 薄型ePTFE 人体股动脉
0. 90 0. 80 2. 90 0. 22 0. 60 4. 10
第二章 相互作用
D
电性能
对生物体组织直接使用电刺激时，使 用金属导线，与体液等必须绝缘，因此 在金属材料表面必须有高分子材料绝缘。
Biocompatibility
testing is an integral part of biomaterials. If the part works perfectly in the lab, but causes damage once inside the body, the effects could be catastrophic. Testing ranges from the very simple blood test to more intricate testing with tissue cultures.
第二章 相互作用
2.1.1 物理机能
A
力学性质
生物力学的基础是能量守恒、动量定律、 质量守恒三定律并加上描写物性的本构方程。 生物力学研究的重点是与生理学、医学有关 的力学问题。
第二章 相互作用
2.1.1 物理机能
A
力学性质
生物力学根据研究对象的不同可分为生 物流体力学、生物固体力学和运动生物力学 等。 医用高分子材料所涉及的力学性质属于 “生物固体力学”范围。
第二章 相互作用 损伤部位的修复材料是与生物体本身 的组织进行物理结合。例如缝合线，目 前用生物可降解性材料，在伤口愈合后 自身降解，被生物体吸收。
第二章 相互作用管和气管等要求必须 具有一定的柔软性。 特别是人工血管和气 管必须与宿主材料的 力学特性一致。所使 用材料的弹性也需要 一致。
第二章 相互作用
2.1.2 物理化学机能
A
接合、填充 使用生物接合剂的领域：血管外科、 消化器外科、形成外科、脑神经外科、 整形外科、牙科等领域。
第二章 相互作用
2.1.2 物理化学机能
接合的机理： 一次结合力：共有结合，一般是化学结 合 二次结合力：主要是氢键和分子间的相 互作用力； 三次结合力：一般是指机械的镶嵌等。
材料 牙齿 皮质骨 松质骨 牙周膜 弹性模量 （GPa） 20.29 23.23 78.4 0.069 泊松比 0.3 0.3 0.3 0.45 材料 尼龙 硬橡胶 低压聚乙烯 聚砜 聚碳酸酯 弹性模量 （GPa） 2.8 2.8 0.9 2.5 2.2 泊松比 0.4 0.43
第二章 相互作用
B
第二章 相互作用
第二章 相互作用
B
物质的移动
血液中病因物质如尿素、肌肝 等清除用的血液透析膜。血液中二 氧化碳清除的人工肺等。牵涉到物 质的移动。
第二章 相互作用
扩散系数：
JA=-DAdcA/dZ=-DA(c1-c2)/ZM 这里DA为扩散系数（Diffusion coefficient），dcA/dZ为Z方向的浓 度微分，ZM膜的厚度，c1，c2分别 为膜两边的浓度。
2.2 生体反应
是指生物体与材料的相互作用。高 分子材料溶出的低分子量物质，会引起 生物体的全身反应。
2.2.1生物相容性的概念
生物体与材料之间的相互作用就是与 生物相容性相关的问题。
第二章 相互作用
生物相容性是研究生物材料时最先而又为
生物材料学专家们所观注的课题，前面生 物安全性指标中涉及的，如材料的溶血性、 过敏性、皮内刺激、包埋实验、骨髓细胞 微核试验和细胞培养实验等内容，实际上 也属于生物相容性的范畴。
电学性质 光学性质
第二章 相互作用
生物功能性分类-2
化学功能
内容
接合，填充， 物质移动， 选择吸附
应用举例
骨水泥，医用粘合剂，
血液净化，人工肺，隐形眼镜
人工肝，免疫吸附
第二章 相互作用
生物功能性分类-3
高层次生物功能
内容
化学测量，
化学反应，
应用举例
生物传感器， 生物反应器， 杂化人工器官
第二章 相互作用
第二章 相互作用
(1)
抗凝性
血液在与材料表面接触时：
①材料表面很快吸附一层血蛋白，如能引起血 细胞粘附的白蛋白，纤维连接素，或引起止血 和形成血栓的纤维蛋白原、纤维蛋白、凝血酶、 接触因子Ⅻ、高分子量激肽酶原Von Wilkbrand因子，或引起炎症和免疫反应的球蛋 白、免疫复合因子、补体碎片C3b。这些血蛋白 在材料表面相互之间进行着动态的解吸和再吸 附的竞争。随着时间延长和其它因素的影响， 被牢固吸附的血蛋白的构象发生改变。
生物功能
第二章 相互作用
2.1.1 物理机能
A
力学性质
医用材料的种类很多，如人工器官、软 组织材料、硬组织材料，牙科、骨科、整形 外科等用的材料，都要求具有一定的力学性 能。 研究生物材料力学性能的专门学科—— 生物力学。
第二章 相互作用
2.1.1 物理机能
A
力学性质
生物力学是应用力学原理和方法对生物 体中的力学问题定量研究的生物物理学分支。 其研究范围从生物整体到系统、器官(包括血 液、体液、脏器、骨骼等)，从鸟飞、鱼游、 鞭毛和纤毛运动到动物体液的输运等。
涂覆和修复机能
皮肤表面损伤后的涂覆和损伤裂口的 修复。 材料的要求：强度要求不高，但要求 具有一定的柔软性，皮肤涂覆材料与正 常皮肤的伸缩性的要求。 材料的来源：生物由来的材料比较合 适。
第二章 相互作用
第二章 相互作用
生物软组织与合成高分子材料的最大 区别：生物体软组织材料的水分含量特 别高。
动物的适应:保护色、警戒色、拟态
第二章 相互作用
2.1.3 生物体适应的种类
适应性 表面的
种类 非刺激性 （抗血栓性） 组织接着性
方法 材料表面性质的控制 抗血栓性物质的利用 软组织接着表面的形成 硬组织接着表面的形成 柔软性、刚直性、强度 置入材料
本体的
力学整合性 设计的调和性
第二章 相互作用
第二章 相互作用
第二章 相互作用
C
选择性吸附
医用材料表面对蛋白质的吸附。 Langmuir式 v=vm*ac/(1+ac) Freundlich式 v=ac1/b Frumkin-Chomkin式 v=a*ln(bc) 这里v为吸附量，vm为平衡吸附量；a、b、c均为 系数。 高分子材料表面对蛋白质的吸附一般为 Langmuir吸附。
第二章 相互作用
生物相容性的定义
1994年在生物相容性统一观点的会议记录中，
建议生物相容性可定义为：“在特殊应用中， 材料、医用装置，或治疗系统能完成其功能， 但又不会在临床上明显地引起宿主的反应”。 与血液接触的生物材料，主要是血液相容性
第二章 相互作用
材料表面在与血液接触时，机体的①凝
生物高分子及制品
内容
第一章 绪论 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章
高分子和生物体系的相互作用
生物相容性材料 人工器官用材料 医疗诊断用高分子材料 药物缓释 材料的安全性评价 介绍医用高分子材料的构造、形态、机能 和医用材料的设计
第二章 相互作用
第二章 高分子和生物体的相互作用
第二章 相互作用
(2)
对免疫系统的影响
“首次使用综合症”就是在使用铜芬 膜后发现的，表现在引起机体产生一系 列防御反应，临床表现为轻者恶心、呕 吐、胸痛、呼吸困难、皮疹、麻疹等过 敏反应，重者则呈过敏性休克和其它病 症。 Ringoir和Vanholder在1992年的综述性 文章中，曾明确提出应当拒绝把铜芬膜 一类的血液净化膜用于临床。
第二章 相互作用
Lifespan膨 体聚氟乙烯 （ePTFE） 人工血管
第二章 相互作用
Albograft涤纶人工血管
第二章 相互作用
人工血管一般有三个基本性能
强度。 孔度：在120mmHg（1mmHg =01133kPa）压 力下，每平方厘米人工血管每分钟漏血量称为 孔度。 顺应性 ：人体动脉管腔随血压变化而出现的“ 脉动”对稳定血流起着重要作用。同样，人工 血管管壁也应具备随血流压力出现相应的收缩 和舒张能力，这种在压力变化下出现的容积变 化称为顺应性。
第二章 相互作用
(1)
抗凝性
血液在与材料表面接触时： ②血小板和白细胞粘附在构象改变蛋白吸 附层上形成血小板栓子， ③进一步将凝血系统活化并导致凝血酶产 生和形成纤维蛋白。
第二章 相互作用
第二章 相互作用
血液动力学的情况直接影响到血栓的大
小、在血液净化系统中形成的部位，血 栓的结构及其碎裂情况。 在产生湍流的部位，如连接处、分离器 内、血流管路缩小和分枝部位会形成大 块的血栓沉积物，甚至可将整个循环系 统堵塞。
第二章 相互作用
人工牙齿
第二章 相互作用
人工股骨置换
第二章 相互作用 骨科用的材料要求具有比较高的强度。 粘弹性——高分子材料。 开裂变形：在一定的负荷应力作用下， 材料随着时间的变形现象。 应力松弛 粘弹性材料应力速度依赖性。