第八章医用高分子材料的稳定与降解优秀课件
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❖ 生物学环境可分为四个级别：
生理环境：受化学和热学条件控制 生物生理环境：生物学条件加上适当的细胞产物（如血清的蛋白、酶） 生物环境：生物生理条件加上适当的有生命的活跃的细胞 细胞周围环境：生物环境的一种特殊情况，即：直接邻近有生命的
活跃细胞周围的条件
降解机理
❖ 水解作用 ❖ 酶解作用 ❖ 细胞免疫 ❖ 机械应力或应变
第八章医用高分 子材料的稳定与
降解
Applications of Biodegradable Polymers
“人耳”老鼠
❖ 国家“973”计划首席科学家、上 海组织工程与开发中心主任 曹谊 林教授
❖ 方法是将裸鼠的背上割开一个口 子，然后将已经培养好的“耳朵” 植入后缝合。“耳朵”是在此之 前一周开始制备的。先用一种高 分子化学材料——聚羟基乙酸作 成“人耳”的模型支架，然后让 细胞在这个支架上繁殖生长。支 架最后会自己降解消失，“耳朵” 便与老鼠浑然成为一体。
我国是生物材料和器械的需求大国
❖ 775万肢残患者和每年新增的300万骨损伤患者需要 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， ❖ 2亿至3亿肝炎患者每年需要30万个人工肝， ❖ 肾衰患者每年需要12万个肾透析器。 ❖ 在亚洲，肿瘤是死亡的主要原因之一； ❖ 随着人们生活质量的提高，整形、美容正在兴起； ❖ 计划生育对生物医学材料市场的需求正在增长。 ❖ 人造皮肤、组织粘合剂、防组织粘连剂等的年增长
❖ 所有非内皮化人工合成材料表面在体内均激发一定 程度的免疫反应，如炎性反应，因此，在体内所有 的材料都有降解的可能。
❖ 材料炎性反应取决于材料表面与体液中蛋白质的相 互作用，蛋白的吸附和变性是细胞和材料界面上生 物学反应的原因。
8.2生物医用高分子的稳定化
❖ 添加生物抗氧剂
如维生素E
❖ 结构上设计生物稳定的结构 ❖ 含硅的聚合物 ❖ 含氟的聚合物
❖ 2000年全球医疗器械市场己达1650亿美元， 其中生物医学材料及制品约占40％～50％。
❖ 组织工程支架材料、药物缓释材料、心血管 系统修复材料、血液净化材料、外科修复和 矫形装置等都是高速增长的领域。
❖ 生物材料前沿研究不断取得进展，将开拓更 为广阔的市场空间，并为常规材料的改整和 创新提供导向。预计在今后15～20年间，生 物医学材料产业可达到相当于药物市场份额 的规模。
意义和目的
❖ 生物医学材料应用广泛，仅高分子材料，全 世界在医学上应用的就有90多个品种、1800 余种制品，西方国家在医学上消耗的高分子 材料每年以10％～20％的速度增长。随着现 代科学技术的发展尤其是生物技术的重大突 破，生物材料的应用将更加广泛。
❖ 生物材料市场发展势头迅猛，其发展态势已 可以与信息、汽车产业在世界经济中的地位 相比。
Mechanisms of Hydrolysis (One example, for polyesters) Acid-catalyzed hydrolysis:
Base-catalyzed hydrolysis (saponification):
环境应力开裂
金属离子氧化降解
降解机理总结
❖ 经过大量研究表明，炎性反应细胞所释放的酶（氧 化酸磷酶性脂和物，水 质 胆解 （ 固酶 如 醇）脂）、肪等氧酸构化）成剂以了（及降体解O2液环－•境中，。的H2物O质2，（OCHa）2+、,
Mediator Secretion
Cell Respiratory Burst
Polymer surface degradation
Polymer degradation products
生物学环境
❖ 定义：指处于生物系统中的生物医用材料周围的情况或条件，
包括与其接触的体液、有机大分子、酶、自由基、细胞等多种 因素。
什么是生物医用材料
生物医用材料是一Hale Waihona Puke Baidu用于诊断、治疗或 替换人体组织、器官或增进其功能的新型高 技术材料，是材料科学技术中的一个正在发 展的新领域，不仅技术含量和经济价值高， 而且与患者生命和健康密切相关。近10多年 以来，生物医用材料及制品的市场一直保持 20％左右的增长率。
生物医用材料可分为医用金属材料、医 用陶瓷材料和医用高分子材料三大类
8.3 可降解的生物医用高分子材料
❖ 定义：是指在生物体内经水解、酶解等过程， 逐渐降解成低分子量化合物或单体，降解产 物能被排出体外或能参加体内正常新陈代谢 而消失的材料。
按在活体内分解的性质分类
❖ 水解型：低级脂肪族聚酯（如聚乳酸、 聚乙醇酸）、聚己内酯、聚酸酐、 聚原酸酯等
❖ 酶解型：天然蛋白质、合成多肽、多糖类、 核酸、聚羟基丁酸等
❖ 交联方法
物理交联 化学交联
纤维蛋白
❖ 一类主要的不溶于水的蛋白质，通常都 含有呈现相同二级结构的多肽链,多存在 于血液中，当我们为了不让新鲜的猪血 凝固，而搅拌猪血，就是破坏了纤维蛋 白。许多纤维蛋白结合紧密，并为单个 细胞或整个生物体提供机械强度，起着 保护或结构上的作用。
按天然和人工合成分类
❖ 天然材料：胶原、壳聚糖、纤维素、蛋白 质、天然珊瑚
❖ 合成材料：聚乳酸、聚乙醇酸、聚己内酯、 聚酸酐、聚原酸酯等
8.3.1天然的可降解聚合物材料
胶原
❖ 优点
无抗原性 生物相容性好 可参与组织愈合过程
❖ 缺点
降解快 机械强度小
❖ 应用
烧伤创伤敷料 骨移植替代材料 组织再生诱导物
polymer
Composition, Additives Surface Properties and Morphology
Cell Adhesion
Protein adsorption: Composition Density Coverage Activity
Density Coverage
Cell Activation
率达45%左右。
8.1 医用高分子材料体内降解机理
❖ 希望稳定－－长期植入的材料 ❖ 希望降解－－短期、释放生物活性物质 ❖ 与聚合物本身结构、聚合单体、添加剂、分子量
及其分布、结晶度、表面形态等性质有关 ❖ 与材料在体内所处的环境有关，包括体液、有机
大分子（如蛋白质等）、酶、自由基、细胞等
The hypothesis concerning cell/polymer feedback control of biodegradation of biomedical polymer
生理环境：受化学和热学条件控制 生物生理环境：生物学条件加上适当的细胞产物（如血清的蛋白、酶） 生物环境：生物生理条件加上适当的有生命的活跃的细胞 细胞周围环境：生物环境的一种特殊情况，即：直接邻近有生命的
活跃细胞周围的条件
降解机理
❖ 水解作用 ❖ 酶解作用 ❖ 细胞免疫 ❖ 机械应力或应变
第八章医用高分 子材料的稳定与
降解
Applications of Biodegradable Polymers
“人耳”老鼠
❖ 国家“973”计划首席科学家、上 海组织工程与开发中心主任 曹谊 林教授
❖ 方法是将裸鼠的背上割开一个口 子，然后将已经培养好的“耳朵” 植入后缝合。“耳朵”是在此之 前一周开始制备的。先用一种高 分子化学材料——聚羟基乙酸作 成“人耳”的模型支架，然后让 细胞在这个支架上繁殖生长。支 架最后会自己降解消失，“耳朵” 便与老鼠浑然成为一体。
我国是生物材料和器械的需求大国
❖ 775万肢残患者和每年新增的300万骨损伤患者需要 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， ❖ 2亿至3亿肝炎患者每年需要30万个人工肝， ❖ 肾衰患者每年需要12万个肾透析器。 ❖ 在亚洲，肿瘤是死亡的主要原因之一； ❖ 随着人们生活质量的提高，整形、美容正在兴起； ❖ 计划生育对生物医学材料市场的需求正在增长。 ❖ 人造皮肤、组织粘合剂、防组织粘连剂等的年增长
❖ 所有非内皮化人工合成材料表面在体内均激发一定 程度的免疫反应，如炎性反应，因此，在体内所有 的材料都有降解的可能。
❖ 材料炎性反应取决于材料表面与体液中蛋白质的相 互作用，蛋白的吸附和变性是细胞和材料界面上生 物学反应的原因。
8.2生物医用高分子的稳定化
❖ 添加生物抗氧剂
如维生素E
❖ 结构上设计生物稳定的结构 ❖ 含硅的聚合物 ❖ 含氟的聚合物
❖ 2000年全球医疗器械市场己达1650亿美元， 其中生物医学材料及制品约占40％～50％。
❖ 组织工程支架材料、药物缓释材料、心血管 系统修复材料、血液净化材料、外科修复和 矫形装置等都是高速增长的领域。
❖ 生物材料前沿研究不断取得进展，将开拓更 为广阔的市场空间，并为常规材料的改整和 创新提供导向。预计在今后15～20年间，生 物医学材料产业可达到相当于药物市场份额 的规模。
意义和目的
❖ 生物医学材料应用广泛，仅高分子材料，全 世界在医学上应用的就有90多个品种、1800 余种制品，西方国家在医学上消耗的高分子 材料每年以10％～20％的速度增长。随着现 代科学技术的发展尤其是生物技术的重大突 破，生物材料的应用将更加广泛。
❖ 生物材料市场发展势头迅猛，其发展态势已 可以与信息、汽车产业在世界经济中的地位 相比。
Mechanisms of Hydrolysis (One example, for polyesters) Acid-catalyzed hydrolysis:
Base-catalyzed hydrolysis (saponification):
环境应力开裂
金属离子氧化降解
降解机理总结
❖ 经过大量研究表明，炎性反应细胞所释放的酶（氧 化酸磷酶性脂和物，水 质 胆解 （ 固酶 如 醇）脂）、肪等氧酸构化）成剂以了（及降体解O2液环－•境中，。的H2物O质2，（OCHa）2+、,
Mediator Secretion
Cell Respiratory Burst
Polymer surface degradation
Polymer degradation products
生物学环境
❖ 定义：指处于生物系统中的生物医用材料周围的情况或条件，
包括与其接触的体液、有机大分子、酶、自由基、细胞等多种 因素。
什么是生物医用材料
生物医用材料是一Hale Waihona Puke Baidu用于诊断、治疗或 替换人体组织、器官或增进其功能的新型高 技术材料，是材料科学技术中的一个正在发 展的新领域，不仅技术含量和经济价值高， 而且与患者生命和健康密切相关。近10多年 以来，生物医用材料及制品的市场一直保持 20％左右的增长率。
生物医用材料可分为医用金属材料、医 用陶瓷材料和医用高分子材料三大类
8.3 可降解的生物医用高分子材料
❖ 定义：是指在生物体内经水解、酶解等过程， 逐渐降解成低分子量化合物或单体，降解产 物能被排出体外或能参加体内正常新陈代谢 而消失的材料。
按在活体内分解的性质分类
❖ 水解型：低级脂肪族聚酯（如聚乳酸、 聚乙醇酸）、聚己内酯、聚酸酐、 聚原酸酯等
❖ 酶解型：天然蛋白质、合成多肽、多糖类、 核酸、聚羟基丁酸等
❖ 交联方法
物理交联 化学交联
纤维蛋白
❖ 一类主要的不溶于水的蛋白质，通常都 含有呈现相同二级结构的多肽链,多存在 于血液中，当我们为了不让新鲜的猪血 凝固，而搅拌猪血，就是破坏了纤维蛋 白。许多纤维蛋白结合紧密，并为单个 细胞或整个生物体提供机械强度，起着 保护或结构上的作用。
按天然和人工合成分类
❖ 天然材料：胶原、壳聚糖、纤维素、蛋白 质、天然珊瑚
❖ 合成材料：聚乳酸、聚乙醇酸、聚己内酯、 聚酸酐、聚原酸酯等
8.3.1天然的可降解聚合物材料
胶原
❖ 优点
无抗原性 生物相容性好 可参与组织愈合过程
❖ 缺点
降解快 机械强度小
❖ 应用
烧伤创伤敷料 骨移植替代材料 组织再生诱导物
polymer
Composition, Additives Surface Properties and Morphology
Cell Adhesion
Protein adsorption: Composition Density Coverage Activity
Density Coverage
Cell Activation
率达45%左右。
8.1 医用高分子材料体内降解机理
❖ 希望稳定－－长期植入的材料 ❖ 希望降解－－短期、释放生物活性物质 ❖ 与聚合物本身结构、聚合单体、添加剂、分子量
及其分布、结晶度、表面形态等性质有关 ❖ 与材料在体内所处的环境有关，包括体液、有机
大分子（如蛋白质等）、酶、自由基、细胞等
The hypothesis concerning cell/polymer feedback control of biodegradation of biomedical polymer