生物医学高分子材料

-----手术缝合线
用甲壳质材料制成的外科手术缝合线，具有柔 软、易打结、、易吸收无炎症反应等特点，加 速愈合。
------ 抗凝剂
外科手术中已采用壳聚糖作止血材料，它比常 规止血剂的止血效果好，且操作简便，不易感 染。
-----人工器官 用甲壳质及衍生物的中空纤维膜 制成的人工
▪ 聚酰胺纤维
2.按材料与活体组织的相互作用关系分类
▪ 生物惰性（bioinert）高分子材料 指在体内不降解、不变性、不引起长期组织反应
的生物医学高分子材料 ，适合长期植入体内。 ▪ 生物活性（bioaciive）高分子材料
指植入高分子材料能够与周围组织发生相互作用， 一般指有益的作用。
▪ 生物吸收（bioabsorbable）高分子材料 在体内逐渐降解，其降解产物被肌体吸收代谢。
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 ，
（四）对医用高分子材料生产与加工的要求
要防止在医用高分子材料生产、加工工程中 引入对人体有害的物质。
1.严格控制用于合成医用高分子材料的原料 的纯度，不能代入有害杂质，重金属含量不 能超标。
2.医用高分子材料的加工助剂必须是符合医 用标准。
3.对于体内应用的医用高分子材料，生产环 境应当具有适宜的洁净级别。
Ehrlich腹水癌C，对正常的红血球骨髓细胞无影响。
3) 促进组织修复及止血作用
甲壳质及其降解产物都带有正电荷，可以从血清中 分离出血小板因子-4，增加血清中H6水平，或促进血 小板聚集或凝血素系统。作为止血剂有促进伤口愈合、 抑制伤口愈合纤维增生、并促进组织生长的功能，对 烧、烫伤有独特疗效。
8.甲克素及壳聚糖纤维的加工及应用

甲壳素类短纤维→纺纱

针织→制衣 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
目前国外的甲壳素类纤维主要用于医疗卫生领域， 特别是日本和美国利用甲壳素及其衍生物制成可吸收 医用缝合线和医用敷料。
近年日本开发了服装用的甲壳素/纤维素共混纤维 蟹鳖纶，该纤维具有抗菌、防霉、去臭、吸湿、保温 柔软、染色性好等优点，已引起纤维工作者的高度重
（三）具备效果显示功能
具有显示其医用效果的功能，即生物功 能性。
1.可检查、诊断疾病
2．可辅助治疗疾病如注射器、缝合线和 手套等手术用品材料
3.可分别满足各脏器对维持或延长生命功 能的性能要求
4.具备支持活体、保护软组织、脑和内脏 的功能等。
5.具备可改变药物吸收途径，控制药物释 放速度、部位，并满足疾病治疗要求的功能。
生物医学材料包括金属生物医学材料、无机非金 属生物医学材料和高分子生物医学材料。
生物医学高分子材料也称医用高分子（Biomedica1 Polymer）材料，它是一类用于临床医学的高分子及 其复合材料。
二、生物医学高分子材料的种类
1.按来源分类 （1） 天然医用高分子材料 如胶原、明胶、丝蛋
白、角质蛋白、纤维素、粘多糖、甲壳素及其衍 生物等。 （2） 人工合成医用高分子材料 如聚氨酯、硅橡 胶、聚酯等。 （3） 天然生物组织与器官 包括：①取自患者自体的组织
▪ 甲壳素纺丝原液的制备多采用溶解性能优异的有 机溶剂,加适当的氯化锂助溶。
2) 甲壳素类纤维的成型
▪ 制备甲壳素类纤维可采用干法纺丝、湿法纺丝和 干-湿法纺丝等不同的成型工艺 。
3) 甲壳素类纤维的后处理
▪ 甲壳素类纤维的后处理包括拉伸和还原等工序。 ▪ 拉伸可在纺丝成型时连续进行，也可以在制成初
固定棒材。
4.甲壳质及壳聚糖的制备 以虾蟹壳为原料，通过以下步骤制备：
① 原料预处理
将虾蟹壳的肉质、污物尽可能剔除，后用水 洗净，注意虾蟹壳一定要新鲜的，腐败的应去 掉。
② 浸酸
取洗净的新鲜虾蟹壳，加HCI溶液浸泡，除 去其中CaCO3、Ca3（PO4）2等矿物质成分。
③ 碱煮
视。

（二） 胶原纤维
1．胶原的存在 胶原是蛋白质中，它主要存在于动物的结缔组
织和硬骨料组织。 不同组织中的胶原，其化学组成和结构都有差
异，一般按胶原的所在组织称之为皮胶原、骨 胶原、齿胶原等。
2．胶原蛋白纤维的制备与应用
胶原纤维是通过重新组构牛屈肌腱的骨胶 原悬浮液制成的。首先将干净的肌腱薄片用解 酶进行处理，除去骨胶原纤维素中的弹性硬， 使之容易膨胀。之后将肌腱薄片浸在氰乙酸和 甲醇-水的混其膨胀。接着再将得到的混合物 均匀化处理和过滤，然后压入适当的凝固浴里 形成丝条。
生纤维后再进行后拉伸。 ▪ 对于某些甲壳素衍生物纺制的纤维，可将该类纤
维直接应用，也可根据需要
7.甲壳素类纤维的的结构性能与应用
甲壳素类纤维是由甲壳素类物质作为原 料制得的，因此它们具有甲壳素类物质的一些 性能，如良好的生物活性、生物相容性和生物 可降解性等。同时纤维成型过程中超分子结构 发生的改变和形成的形态结构对纤维的性能也 有一定的影响。另外必须指出，不同种类的甲 壳素类纤维由于其化学结构的不同，导致其超 分子结构也有一定差异。

(2)化妆品领域 甲壳质、壳聚糖具有良好的增稠、保湿、重
金属络合、防静电性能，广泛用于各类膏霜及 护发用品等化妆品中，起到吸湿、保湿、护发、 润肤等功效

（3） 农业领域

-----作植物种子处理剂
6．甲壳素类纤维的制备技术
1) 甲壳素类纤维纺丝原液的制备
▪ wenku.baidu.com壳聚糖为原料时，多选用5%以下的醋酸水溶液 作为溶剂。
4) 增强免疫力 壳聚糖能增强巨噬细胞的吞噬作用和水解酶的活性，
刺激巨噬细胞产生淋巴因子，启动免疫系统，且不增 加抗体的产生。

此外，壳聚糖为天然抗酸剂，具中和胃酸、抗溃
疡作用，还可降低肾病患者血清胆固醇、尿素及肌酸
水平。在医药、农药制剂开发中作缓释剂载体辅料，
合成人工器官（人工皮肤、粘膜、腿、牙、骨）及骨
3.按生物医学用途分类
▪ 硬组织相容性生物医学高分子材料 ▪ 软组织相容性生物医学高分子材料 ▪ 血液相容性生物医学高分子材料 ▪ 药物和药物控释生物医学高分子材料
三、对医用高分子材料的基本要求
(一） 对医用高分子材料本身性能的要求 1.耐生物老化性。对于长期植入的医用高分子材料，
生物稳定性要好，但对于暂时植入的医用高分子材料， 则要求能够在确定时间内降解为无毒的单体或片断， 通过吸收、代谢过程排出体外。
生物医学高分子材料
沈新元
东华大学材料科学与工程学院
一．生物医学高分子材料
的概念与分类
生物材料（biomedical materials）包括生物医 学材料、生物模拟材料和仿生设计新材料。
生物医学材料是用于生命系统接触和发生相互作 用的，并能对其细胞、组织和器官进行诊断治疗、替 换修复或诱导再生的一类天然或人工合成的特殊功能 材料。
具体来说，要求材料置于一般组织表面、 器官空间组织内等处后，活体组织不发 生排斥反应，材料自身也不因与活体组 织、体液中多成分长期接触发生性质劣 化，功能下降。
3．生物降解吸收性
指材料在活体环境中可发生速度能控 制的降解，并能被活体在一定时间内自 行吸收代谢或排泄。
按照在生物体内降解方式可分为水 解型和酶解型两种。
三．主要生物可降解纤维材料
（一）甲壳素类纤维
1．甲壳素的存在 甲壳质（chitin）又名几丁质、甲壳素、壳
多糖，广泛存在于节足动物（蜘蛛类、甲壳类） 的翅膀或外壳及真菌和藻类的细胞壁中。在自 然界中，甲壳质的年生物合成量约100亿吨， 是地球上除纤维素以外的第二大有机资源，是 人类可充分利用的巨大自然资源宝库。
聚-对-二氧杂环已酮（PDS）
O
CH CO CH3
O )]P
[CH2 CH2 O CH2 CO O ]P
有几种已工业化生产的聚合物，虽不是专 门为生物医学应用而生产，但通过用专门的技 术进行加工后也可以制成供生物医学方面应用 的纤维、细丝、微孔材料和管状材料。
▪ 聚四氟乙烯（用做微孔织物和薄膜）
▪ 聚丙烯（用做微孔薄膜和中空纤维膜 ) ▪ 聚丙烯腈（用做中空纤维膜）
生物相容性是描述生物医用材料与生 物体相互作用情况的概念。如果说某种 材料的生物相容性好，是指这种材料能 够与肌体相互适应，即材料对肌体没有 显著或严重的不良反应，肌体也不引起 材料性能的改变。
生物相容性包括血液相容性、组织 相容性和生物降解吸收性。
1． 血液相容性
指材料与血液接触时，不发生溶血或凝血。
5．甲壳质、壳聚糖及其衍生物的应用 （1）医药及医疗领域 ----生产药物的原料
壳聚糖及其水解的壳聚寡糖、氨基葡萄糖等已 用作生产药物的中间体、载体或辅料。
-----药用辅料 甲壳质及其衍生物作为新型的药用辅料已收
载于《药剂辅料大全》及《药用辅料应用技 术》，它们可用作制剂的填充剂、分散剂、粘 结剂、崩解剂、包衣剂、制粒剂、稳定剂、植
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。
具有抗血栓性能的材料的表面结构有以下 特征。
(1)带负电荷表面
（2）具亲水性或疏水性均衡的表面
（3）具微相分离结构表面
（4）具接枝或涂覆抗凝血物质表面天然 的抗凝血物质有尿激酶、肝素、前列腺素 等。
(5)伪内膜形成表面
2.组织相容性
指材料与血液以外的生物组织接触时， 材料本身的性能满足使用要求而对生物 体无刺激性、不使组织和细胞发生炎症、 坏死和功能下降，并能按照需要进行增 殖和代谢。
2.物理和力学稳定性。针对不同的用途，在使用期内 医用高分子材料的强度、弹性、尺寸稳定性、耐曲挠 疲劳性、耐磨性应适当。对于某些用途，还要求具有 界面稳定性。
3.易于加工成型。 4.材料易得，价格适当。 5.便于消毒灭菌。
（二）对医用高分子材料的人体效应的 要求--------生物相容性
②取自其他人的同种异体组织 ③来自其他动物的异种同类组织。
合成高分子生物医学材料
有四种聚合物是专门为生物医学应用而开发的：
▪ 聚乙交酯（PGA）
[CH2 CO O CH2 CO O ]P
▪ 聚（丙交酯）（PLA）
[ CH CO CH3
O
CH CO CH3
O
] P
▪ 聚乙交酯-丙交酯（PGLA）
▪
[( CH2 CO O CH2 CO O )P ...( CH CO CH 3
表:甲壳素和壳聚糖纤维的质量指标
断裂强度
品种
线密度 /tex
强度/cN.dtex-1
干强
湿强
甲壳素纤 0.17-
维
0.44
0.972.20
0.350.97
伸长/%
干伸
湿伸
打结强 度
/cN.dt ex-1
4-8 3-8
0.441.44
壳聚糖纤 0.17-
维
0.44
0.972.73
0.351.23
4-8
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
胶原纤维 1.8-2.5
羊毛 1.0-1.7
乳酪纤 维 1.1
大豆蛋白纤 维 0.7
干伸长率/%
40-50
25-35
50
60
湿抗张强度/g.d-1） 0.8-1.5
0.76-
6-12
0.441.32

目前甲壳素纤维和壳聚糖纤维的断裂强度较低，
特别是湿强远低于干强，这使它们的加工和应用受
到一定的限制。
我们制备的壳聚糖纤维经中国纺织工业协会化 纤产品检测中心测试。线密度为2.01dtex，断裂强 度为2.02.5cN/dtex，断裂伸长率为9%左，达到国 外同类纤维先进水平。