材料学科前沿讲座总结

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生物医用高分子

一.引言

生物医用功能材料即医用仿生材料，又称为生物医用材料。这类材料是用于与生命系统接触并发生相互作用，能够对细胞、组织和器官进行诊断治疗、替换修复或诱导再生的天然或人工合成的特殊功能材料。随着化学工业的发展和医学科学的进步，生物医用功能材料的应用越来越广泛。从高分子医疗器械到具有人体功能的人工器官，从整形材料到现代医疗仪器设备，几乎涉及到医学的各个领域，都有使用医用高分子材料的例子。医用高分子材料所用的材料种类已由最初的几种，发展到现在的几十种，其制品种类已有上千种。

目前，生物医用功能材料应用很广泛，几乎涉及到医学的各个领域。其大致可分为机体外使用与机体内使用两大类。机体外用的材料主要是制备医疗用品，如输液袋、输液管、注射器等。由于这些高分子材料成本低、使用方便，现已大量使用。机体内用材料又可分为外科用和内科用两类。外科方面有人工器官、医用黏合剂、整形材料等。内科用的主要是高分子药物。所谓高分子药物，就是具有药效的低分子与高分子载体相结合的药物，它具有长效、稳定的特点。

二.发展历史

生物医用高分子材料的发展经历了三个阶段，第一阶段始于1937年，其特点是所用高分子材料都是已有的现成材料，如用丙烯酸甲酯制造义齿的牙床。第二阶段始于1953年，其标志是医用级有机硅橡胶的出现，随后又发展了聚羟基乙酸酯缝合线以及四种聚酯心血管材料，从此进入了以分子工程研究为基础的发展时期。该阶段的特点是在分子水平上对合成高分子的组成、配方和工艺进行优化设计，有目的地开发所需要的高分子材料。

目前的研究焦点已经从寻找替代生物组织的合成材料转向研究一类具有主动诱导、激发人体组织器官再生修复的新材料，这标志着生物医用高分子材料的发展进入了第三个阶段。其特点是这种材料一般由活体组织和人工材料有机结合而成，在分子设计上以促进周围组织细胞生长为预想功能，其关键在于诱使配合基和组织细胞表面的特殊位点发生作用以提高组织细胞的分裂和生长速度。

三.基本性能要求

1. 力学性能稳定

在使用期限内，针对不同的用途，材料的尺寸稳定性、耐磨性、耐疲劳度、强度、模量等应适当。比如，用超高分子量聚乙烯材料做人工关节时，应该用模量高、耐疲劳强度好、耐磨性好的材料。

2. 化学性能稳定

作为生物材料，化学性能必须稳定，对人体的血液、体液等无影响，不形成血栓等不良影响。人体是一个相当复杂的环境，血液在正常环境下呈现微碱性，胃液呈酸性，且体液与血液中含有大量的钾、钠、镁离子，含有多种生物酶、蛋白质、人体的环境易引起聚合物的降解、交联及氧化反应；生物酶会引起聚合物的解聚；体液会引起高分子材料中的添加剂析出；血液中的脂类、类固醇以及脂肪等会引起聚合物的溶胀，使得材料的强度降低。例如聚氨酯中含有的酰胺基极易水解，在体内会降解而失去强度，经过嵌段改性后，化学稳定性提高。

3. 与人体的组织相容性好

医用材料必须与人体的组织相容性好，不会引起炎症或其他排异反应材料，所引起的宿主反应应该能够控制在一定可以接受的范围之内。一些含有对人体有毒有害的基团是不能用作生物医用功能材料的，如有些添加剂对人体有害或有些残留单体对人体有不良影响等，这都应该引起极度的警惕。有些添加剂会随时间的变化，从材料内部逐渐迁移到表面与体液和组织发生作用，引起各种急性和慢性的反应。

4. 无致癌性，耐生物老化

无致癌性，耐生物老化，长期放置体内的材料及物理机械性能不发生明显的变化。生物医用药用功能材料植入人体时，除应该考虑材料的物理性质和化学性质外，另外还应该考虑其形状因素。引起癌变的因素是多方面的，有化学因素、物理因素以及病毒等。应用高分子材料植入人体后，其本身的性能以及它所包含的杂质、残余单体等都有可能引起和众多副反应的发生。研究表明，高分子材料对人体并不存在更多的致癌因素。

5. 易于加工成型并且来源广泛

除上述一般要求外，根据用途的不同和植入部位的不同有着各自的特殊要求，如与血液接触的不能产生凝血，眼科材料应对角膜无刺激，注射整形材料要求注射前流动性好，注射后固化要快等。作为体外时用的材料，要求对皮肤无害，不导致皮肤过敏，耐汗水等侵蚀，耐消毒而不变质。人工器官还要求材料应具有良好的加工性能，易于加工成所需的各种复杂形状。总而言之，不同的用途有着许多特殊的要求。

四、医用高分子材料分类

1. 高分子人造器官

高分子人造器官主要包括人造心脏、人造肺、人造肾脏等内脏器官；人造血管、人造骨骼等体外器官；人造假肢等。由于这些人造器官需要长时间与人体细胞、体液和血液接触，因此此类材料除了需要具备特殊的功能外，还要求材料安全无毒，稳定性好，具备良好的生物相容性。大多数的高分子本身对生物体并无毒副作用，不产生不良影响，毒副作用往往来自于高分子生产时加入的添加剂，如抗氧剂、增塑剂、催化剂以及聚合不完全产生的低分子聚合物。因此对材料的添加剂需要仔细选择，对高分子人造器官应进行生物体测定。人造器官在使用前的灭菌也是重要的一个环节。另外，人造器官要求在使用条件下材料不能发生水解、降解和氧化反应等。

2. 高分子治疗材料

用于治疗用的功能高分子材料主要包括牙科材料、眼科材料、美容材料和外用治疗用材料。对这种材料的基本要求首先也是稳定性和相容性好，无毒副作用；其次才是机械性能和使用性能。例如，人工晶状体以前多用硅玻璃水晶体，后采用硅橡胶球，也可以用甲基丙稀酸环和甲基丙烯酸丁酯的共聚物来提高其折光性和韧性。20世纪80年代初，聚乙烯醇水凝胶被用来制造人工玻璃体，PVA水凝胶的特性与玻璃体比较接近，注入后可以与玻璃体完全融合。3. 高分子包装材料

用于药物包装的高分子材料正逐年增加。包装药物的高分子材料大体上可分为软、硬两种类型。硬型材料如聚酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯等，由于其强度高、透明性好、尺寸稳定、气密性好，常用来代替玻璃容器和金属容器，制造饮片和胶囊等固体制剂的包装。新型聚酯聚萘二甲酸乙二醇酯除具有优异的力学性能及阻隔性能外，还有较强的耐紫外线性，可用于口服液、糖浆等的热封装。软型材料如聚乙烯、聚丙烯、聚偏氯乙烯及乙烯-醋酸乙烯共聚物等，常加工成复合薄膜，主要用来包装固体冲剂、片剂等药物。而半硬质聚氯乙烯片材则被用作片剂、胶囊的铝塑泡罩包装的泡罩材料。至于药膏、洗剂、酊剂等外用药液的包装，则用耐腐蚀性极强且综合性能优良的聚四氟乙烯来担任。

五、小结

医用高分子的发展已经渗透到医学的各个领域，但离随心所欲地应用高分子医用材料的目标尚有许多差距。传统的医用高分子材料多采用聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯作为硬组织材料，但它们的性能还远远不够。医用高分子材料在许多方面尚有待进一步发展。

迄今为止，许多人工脏器还不能解决凝血问题，异体材料的抗凝血性已成为医用高分子材料发展的一个重要的问题，制备生物相容性好、具有抗血栓性能的材料已成为目前的一个重要的课题。研究开发混合型人工脏器，将生物酶和生物细胞固定在高分子材料上，制备具有生物活性的人工脏器已取得很大的成就。