生物医用高分子材料课件

• 通常，当人体的表皮受到损伤时，流材料出202的0/9/30 血液会 自动凝固，称为血栓。
• 血液相容性指材料在体内与血液接触后不发生凝 血、溶血现象，不形成血栓。
• 实际上，血液在受到下列因素影响时，都可能发 生血栓：① 血管壁特性与状态发生变化；② 血 液的性质发生变化；③ 血液的流动状态发生变化。
材料
⑤材料表面伪内膜化
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人们发现，大部分高分子材料的表面容易沉渍
血纤蛋白而凝血。如果有意将某些高分子的表面制
成纤维林立状态，当血液流过这种粗糙的表面时，
迅速形成稳定的凝固血栓膜，但不扩展成血栓，然
后诱导出血管内皮细胞。这样就相当于在材料表面
上覆盖了一层光滑的生物层—伪内膜。这种伪内膜
CH2OSO3H
COOH
CH2OSO3H
COOH
HH
OH
HH
OH
HH
OH
HH
OH
O
OH H
O
OH H
O
OH H
O
OH H
H NHSO3H
H OH
H NHSO3H
H OH
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将肝素通过接枝方法固定在高分子材料表面上 以提高其抗凝血性，是使材料的抗凝血性改变的重 要途径。在高分子材料结构中引入肝素后，在使用 过程中，肝素慢慢地释放，能明显提高抗血栓性。
③ 具有良好的组织相容性
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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
无不良的影响，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。
聚四氟乙烯
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人工关节
例如： 德国产品 UHMWPE材料
•ISO5834-2 •ASTM F648 •可用为人工关节、 人工骨骼植入人体 •极低的能耗 •……
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人工心脏瓣膜
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组织工程人工骨缺损修复示意图 材料 2020/9/30
白质的吸附，如：聚氧化乙烯（非常重要的抗凝 血材料） 添加聚氧化乙烯（分子量6000）于凝血酶溶液 中，可防止凝血酶对玻璃的吸附。
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通过接枝改性调节高分子材料表面分子结构中 的亲水基团与疏水基团的比例，使其达到一个最 佳值，也是改善材料血液相容性的有效方法。
②制备具有微相分离结构的材料 材料 2020/9/30
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三、生物医用高分子材料
• 分类 • 用途 • 制备
1. 分类
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按用途分类
• 手术治疗用高分子材料
缝合线，黏胶剂，止血剂，各种导管，引流管，一次性 输血输液器材
• 药用及药物传递用高分子材料
• 靶向性高分子载体（肝靶向性，肿瘤靶向性），高分子药 物（干扰素，降胆敏），高分子控制释放载体（胶囊，水 凝胶，脂质体）
Requirements for biomedical材料po2020/l9/3y0 mers
Other requirements according to specific applications 加工成型性machine-shaping properties 机械性能与稳定性Mechanical properties 环境敏感性Environmental sensitivity 表面性能与结构多空性Surface properties/Porosity 亲疏水性Hydrophilicity / hydrophobicity
• 1960s 可生物降解聚合物，如：Po材料ly20l20a/9/30ctide(PLA) • 1970-80s 隐形眼镜（Contact lens），药物控制
释放(drug controlled release) • 1990s- 聚合物在生物医用材料中的占有率超过一
半
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人工合成的仿肝素共聚物，同样具有较好的抗凝血功能
④使材料表面带上负电荷的基团
例如：将芝加哥酸（1-氨基-8-萘酚-2, 4-二磺酸萘） （见下式）引入聚合物表面后，可减少血小板在 聚合物表面上的粘附量，抗疑血性提高。
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NH SO2
NN
OH NH2
SO3H SO3H
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高分子材料虽然不是万能的，不可能指望它解 决一切医学问题，但通过分子设计的途径，合成出 具有生物医学功能的理想医用高分子材料的前景是 十分广阔的。有人预计，在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。
第九章 医用高分子材料
9.1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。
二、生物医用材料的分类 材料 2020/9/30
按材料来源分
• （1） 医用金属和合金。主要用于承力的骨、关节和牙等硬组织的修复和 替换。不锈钢、钴基合金、钛及钛合金是目前医用合金的三大支柱。医用 合金还有钽、铌和贵金属等。
……
安全性
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① 不会致癌 根据现代医学理论认为，人体致癌的原因是由
于正常细胞发生了变异。当这些变异细胞以极其迅 速的速度增长并扩散时，就形成了癌。而引起细胞 变异的因素是多方面的，有化学因素、物理因素， 也有病毒引起的原因。
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• ②具有良好的血液相容性 当高分子材料用于人工脏器植入人体后，必然要长 时间与体内的血液接触。因此，应用高分子对血液 的相容性是所有性能中最重要的。
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灭菌能性经受必要的清洁消毒措施而不产生变性
高分子材料在植入体内之前，都要经过严格的 灭菌消毒。目前灭菌处理一般有三种方法：蒸汽灭 菌、化学灭菌、γ射线灭菌。国内大多采用前两种 方法。因此在选择材料时，要考虑能否耐受得了。
机械强度
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• 原因被认为是亲水和疏水的蛋白质 被吸附于不同的微相区间，不会激 活血小板表面的糖蛋白，血小板的 特异识别功能表现不出来。
③高分子材料的肝素化
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肝素是一种硫酸多糖类物质（见下式），含有—
SO3-，—COO-及—NHSO3-等功能基团。是最早被认 识的天然抗凝血产物之一。
• 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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制备生物医化用学家高来分做子第材一步料？
• 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 • 临床应用
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（4R.eq医uir用em高en分ts子for材bi料om的ed要ica求l polymers）
• Basic requirements • 安全性Biocompatibility/Biostability / Biodegradability • 灭菌性Sterilizability
与人体心脏和血管一样，具有光滑的表面，从而达
到永久性的抗血栓。
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9.2 生物惰性• 聚医氯乙用烯高分子材料
• 有机硅类涤纶 • 聚四氟乙烯 • 聚丙烯 • 高密度聚乙烯 • 聚丙烯酸酯类 • 聚氨酯 • 室温固化环氧树酯 • 精制天然橡胶 • 无机高分子聚磷腈
表9-2 用于人工脏器的部分高分材子料 2材020/9/30料
中国生物医用材料市场 材料 2020/9/30
• 我国生物医学材料的生物医学工程产业的市场 增长率高达 28％(全球市场增长率20%),居全 球之首。
• 我国人工关节 替换年增长率高达30％，远高 于美国的4％。 ----------------国家科技部资料
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• 775万肢残患者和每年新增的300万骨损伤患者 ---
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2. 生物医用材料市 场发展概况
全球生物医用材料市场 材料 2020/9/30
单 位: 亿 美 元
3500
世 界 医 疗 器 械市 场 生物 材料和 制 品
3275
3000
12%
2500 2000 1500
1650
2300
20%
1000
500
0
2000
2002
2005 年
{ C NH R [ NH C O ( R' O )x C NH R ]y NH C NH R" NH }n
O
O
O
O
{ C NH R [ NH C O ( R' O )x C NH R ]y NH C O R" O }n
美国Ethicon公司推荐的四种医用聚醚氨酯： Biomer，Pellethane，Tecoflex和 Cardiothane基本上都属于这一类聚合物。
表9-1 高分子材料在狗体内的机械稳定性
材料名称
尼龙-6 涤纶树脂 聚四氟乙烯
植入天数 761 1073 780 677
机械强度损失 /％ 74.6 80.7 11.4 5.3
5. 材料界面性质对血液相容性的关系 材料 2020/9/30
• 材料界面性质与血液界面性能的不同可能造成吸 附改变蛋白质的形状以及排列，产生溶血、凝血 或者血栓
-----需要大量骨修复材料
• 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
• ……
3. History of polymeric biomaterials
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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。
• （5） 生物衍生材料。这类材料是将活性的生物体组织，包括自体和异体 组织，经处理改性而获得的无活性的生物材料。
生物衍生材料
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①取自患者自体的组织 例如：采用自身隐静脉作为冠状动脉搭桥术的血 管替代物
②取自其他人的同种组织 例如：利用他人角膜治疗患者的角膜疾病
③来自其它动物的异种组织 例如：采用猪的心脏瓣膜代替人的心脏瓣膜，治 疗心脏病等。
• （2） 医用高分子生物材料。高分子化合物是构成人体绝大部分组织和器 官的物质，医用高分子生物材料包括合成（如：聚酯、硅橡胶）和天然高 分子（如：胶原、甲壳素）。近来，生物降解高分子材料得到重视。
• （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。
Drug controlled release
Tissue engineering
Gene therapy
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此后，一大批人工器官在50年代试用于临床。 如人工尿道（1950年）、人工血管（1951年）、 人工食道（1951年）、人工心脏瓣膜（1952）、 人工心肺（1953年）、人工关节（1954年）、人 工肝（1958年）等。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。
• 改善措施 • 强亲水或强疏水表面 • 亲水或疏水微相分离的聚合物 • 表面引入生物相容性物质（肝素、白蛋白等） • 引入负离子（血液中多组分呈负电性） • 生成伪内膜
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①• 强高疏分水：子对材血料液表成分面吸亲附/能疏力水小性，因的此改血善液相容
性好，如：聚四氟乙烯 • 强亲水：吸水后与血液表面性能接近，减小对蛋
研究发现，具有微相分离结构的高分子材料对 血液相容性有十分重要的作用。
它们基本上是嵌段共聚物和接枝共聚物。其中研 究得较多的是聚氨酯嵌段共聚物，即由软段和硬段组 成的多嵌段共聚物，其中软段一般为聚醚、聚丁二烯、 聚二甲基硅氧烷等，形成连续相；硬段包含脲基和氨 基甲酸酯基，形成分散相。
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O 材料 2020/9/30