1、功 能 材 料 1精選課件ppt第十一講 生物醫用高分子材料簡介 生物醫用材料是指具有特殊性能、特殊功能，用于人工器官外科修復、理療康復、診斷、檢查、治療疾患等醫療、保健領域而對人體組織、血液不致產生不良影響的材料。 國際標準化組織(ISO)法國會議專門定義的“生物材料”就是生物醫學材料，它是指“以醫療為目的，用于與組織接觸以形成功能的無生命的材料”。11.1 生物醫用高分子材料概述2精選課件ppt 醫用高分子的研究至今已有40多年的歷史。1949年，美國首先發表了醫用高分子的展望性論文。在文章中，第一次介紹了利用聚甲基丙烯酸甲酯作為人的頭蓋骨和關節，利用聚酰胺纖維作為手術縫合線的臨床應用情況

2、。 據不完全統計，截至1990年，美國、日本、西歐等國發表的有關醫用高分子的學術論文和專利已超過30000篇。 有人預計，到21世紀，醫用高分子將進入一個全新的時代。除了大腦之外，人體的所有部位和臟器都可用高分子材料來取代。仿生人也將比想象中更快地來到世上。3精選課件ppt 醫用高分子材料大致可分為機體外使用與機體內使用兩大類。 機體外用的材科主要是制備醫療用品。如輸液袋、輸液管、注射器等。輸液袋、管可用衛生級聚氯乙烯制造。由于這些高分子材料成本低、使用方便，現已大量使用。 機體內用材料又可分為外科用和內科用兩類。外科方面有人工器官、醫用粘合劑、整形材料等。內科用的主要是高分子藥物。所謂高分子

3、藥物，就是具有藥效的低分子與高分子載體相綜合的藥物，它具有長效、穩定的特點。 4精選課件ppt 人工器官是醫用高分子材料的主要發展方向。目前用高分子材料制成的人工器官己植入人體的有人工腎、人工血管、人工心臟瓣膜、人工關節、人工骨骼、整形材料等。應用的高分子材料主要有PVC、ABS、PP、硅橡膠、含氟聚合物等。正在研究的有人工心臟、人工肺、人工胰臟、人造血、人工眼球等。5精選課件ppt11.2 醫用高分子材料的基本特性1）對醫用高分子材料的基本要求 歸納起來，一個具備了以下七個方面性能的材料，可以考慮用作醫用材料。（1）在化學上是隋性的，不會因與體液接觸而發生反應； 人體環境對高分子材料的作用主

4、要有以下一些形式： (a) 體液引起聚合物的降解、交聯和相變化。 (b) 體內的自由基引起高分子材料的氧化降解反應。6精選課件ppt(c) 生物酶引起的聚合物分解反應。 (d) 在體液作用下，高分子材料中的添加劑溶出，引起性質的變化。 (e) 血液、體液中的類脂質、類團醇及脂肪等物質滲入高分子材料，使材料增塑，強度下降。 因此，在選擇材料時，必須考慮上述因素。7精選課件ppt 值得指出的是，對醫用高分子來說，在某些情況下，“老化”并不一定都是貶意的，有時甚至還有其積極的意義。如作為醫用粘合劑用于組織粘合，或作為醫用手術縫合線時，在發揮了相應的效用后，反倒不希望它們有太好的化學穩定性，而是希望它

5、們盡快地被組織所分解、吸收或迅速出體外。在這種情況下，對材料的附加要求是：在分解過程中，不應產生對人體有害的副產物。8精選課件ppt(2) 對人體組織不會引起炎癥或異物反應 由于外物植入體內引起的組織反應大致有四種情況： (a) 急性局部反應，如局部炎癥、壞死、異物排斥反應形成血栓等。 (b) 慢性局部反應，如局部炎癥、肉芽增生、組織增生、鈣沉積、組織粘連、潰瘍、致癌、形成血栓等。 (c) 急性全身性反應，如急性毒性感染、發熱、神經麻痹、循環障礙、血液破壞等。 (d) 慢性全身性反應。如慢性中毒、血液破壞、臟器功能障礙、組織畸變等。 因此，高分子材料在植入人體之前，必須通過體內試片埋植法進行生

6、物體試驗，確保萬元一失。9精選課件ppt(3)不會致癌 當高分子材料植入人體后，高分子材料本身的性質，如交聯度、分子量、構象、高分子材料中所含的雜質、單體、添加劑都可能與致癌因素有關。但研究表明，高分子材料與其他材料相比，并沒有更多的致癌可能性。而是植入材料的形狀對癌癥的產生影響較大。曾對不同形狀的材料植入小白鼠體內出現腫瘤的情況進行過統計(見表62)。 由此可見，當向人體植入高分子材料時，除考慮材料的物理、化學性質外，還應充分考慮其形狀因素。10精選課件ppt表11精選課件ppt(4)具有抗血栓性，不會在材料表面凝血 高分子材料與血液接觸時，也會產生血栓。因為當異物與血液接觸時，血液流動狀態

7、發生變化，情況與表面損傷類似。因此也將在材料表面凝血即產生血栓。 高分子材料的抗血栓問題是一個十分活躍的研究課題，世界各國有大量科學家在潛心研究，進展也頗為顯著。但至今尚未制得一種能完全抗血栓的高分子材料。這一問題的徹底解決，還有待于我們的共同努力。12精選課件ppt(5) 長期植入體內，不會減小機械強度表6.3是一些高分子以纖維形式植入狗的動脈后其機械強度的損失情況。 13精選課件ppt(6)能經受必要的清潔消毒措施而不產生變性 高分子材料在植入體內之前，都要經過嚴格的滅菌消毒。目前滅菌處理一般有三種方法；蒸汽滅菌；化學滅菌，射線滅菌。國內大多采用前兩種方法。因此在選擇材料時，要考慮能否耐受

8、得了。 (a)蒸汽滅菌 蒸汽滅菌一般是在壓力滅菌器小進行的，溫度可達120-140C。因此軟化點較低的聚合物在此溫度下將發生變形，故不能選用。14精選課件ppt * (b)化學滅菌 化學滅菌采用滅菌劑滅菌，常用的滅菌劑有環氧乙烷、烷基(芳基)季胺鹽(如新潔爾滅)、碘化合物(如碘伏)、甲醛、戊二醛等。它們的優點是可以低溫消毒，材料在消毒過程中不存在變形問題。但新產生的問題是容易與高分子材料發生副反應。除了化學反應外，還有些高分子材料表面易吸附滅菌劑。被吸附的滅菌劑在人體內的釋放是相當危險的，可引起溶血、細胞中毒和組織炎癥，嚴重時可引起全身性反應。例如，實驗觀察到，聚合物表面吸附上30ppm環氧乙

9、烷，可造成狗的溶血速度增加倍。因此，院床應用時必須除去一切滅菌劑后才能植入體內。15精選課件ppt射線滅菌 射線滅菌的特點是穿透力強，滅菌效果好，并可自續化操作，可靠生好。但由于輻射能量大，對聚合物材料有較大影響，通常使機械強度下降。（7）易于加工成需要的復雜形狀 人工臟器往往具有很復雜的形狀，因此，用于人工臟器的高分子材料應具有優良的成型性能。否則，即使各項性能都滿足醫用高分子的要求，卻無法加工成所需的形狀，則仍然是無法應用的。16精選課件ppt 2）醫用高分子的血液相容性 (1) 血栓的形成 當人體的表皮受到損傷時，流出的血液會自動凝固，稱為血栓。實際上，血液在受到下列因素影響時，都可能發

10、生血栓：血管壁特性與狀態發生變化；血液的性質發生變化；血液的流動狀態發生變化。 高分子材料植入體內與血液接觸時，血液的流動狀態和血管壁狀態都將發生變化，因此也會發生血栓。血栓的形成機理是十分復雜的。一般認為，異物與血液接觸時，首先將吸附血漿內蛋白質，然后粘附血小板，繼而血小板崩壞，放出血小板因子，在異物表面凝血，產生血般。此外，紅血球粘附引起溶血；凝血致活酶的活化，都是形成血栓的原因。(見圖61)17精選課件ppt18精選課件ppt (2) 血液相容性高分子材料的制取 普通的高分子材料一般不具備抗血栓性，但可通過多種途徑來改善。目前常用的有以下一些手段。 (a)將材料表面處理得盡可能光滑。 (

11、b)使材料表面帶上負電荷的基團。例如將芝加哥酸(1氨基 8萘酚2，4二磺酸萘)引入聚合物表面后，血小板粘附量減少，抗凝血性提高。19精選課件ppt(c) 調節材料表面分子結構中的親水基團與疏水基團的比例，使其達到一個最佳值。 (d) 在材料表面引入動物的肝素。肝素是一種硫酸多糖類物質，具有優良的抗凝血性。 在高分子材料結構中引入肝素后，在使用過程中，肝素慢慢地釋放，能明顯提高抗血栓性。20精選課件ppt (e) 材料表面偽內膜化，這是抗血栓性研究的新動向。 人們發現，大部分高分子材料的表面容易沉漬血纖蛋白而凝血。如果有意將某些高分子的表面制成纖維林立狀態，當血液流過這種粗糙的表面時，迅速形成穩

12、定的凝固血栓膜，但不擴展成血栓，嗣后誘導出血管內皮細胞。這樣就相當于在材料表面上覆蓋了一層光滑的生物層偽內膜。這沖偽內膜與人體心臟和血管一樣，具有光滑的表面，從而達到永久性的抗血栓。21精選課件ppt11.3 高分子材料在醫學領域的應用1）高分子人工臟器及部件的應用現狀 高分子材料作為人工臟器、人工血管、人工骨骼、人工關節等的醫用材料，正在越來越廣徑地得到運用。 根據人工臟器和部件的作用及目前研究進展，可將它們分成五大類。 第一類：能永久性地植入人體，完全替代原來臟器或部位的功能，成為人體組織的一部分。屬于這一類的有人工血管、人工心臟瓣膜、人工食道、人工氣管、人工膽道、人工尿道、人工骨骼、人工

13、關節等。22精選課件ppt 第二類：在體外使用的較為大型的人工臟器裝置、主要作用是在手術過程中暫時替代原有器官的功能。 例如人工腎臟、人工心臟、人工肺等。這類裝置的發展方向是小型化和內植化。最終能植入體內完全替代原有臟器的功能。據報道，能夠內植的人工心臟已獲得相當年份的考驗，在不遠的將來可正式投入臨床應用。 第三類：功能比較單一，只能部分替代人體臟器的功能，例如入工肝臟等。這類人工臟器的研究方向是多功能化，使其能完全替代人體原有的較為復雜的臟器功能。23精選課件ppt 第四類：正在進行探索的人工臟器。這是指那些功能特別復雜的臟器，如人工胃、人工子宮等。這類人工臟器的研究成功，將使現代醫學水平有

14、一重大飛躍。 第五類：整容性修復材料，如人工耳朵、人工鼻子、人工乳房、假肢等。這些部件一般不具備特殊的生理功能，但能修復人體的殘缺部分，使患者重新獲得端正的儀表。從社會學和心理學的角度看，也是具有重大意義的。24精選課件ppt25精選課件ppt26精選課件ppt27精選課件ppt2）醫用高分子材料的應用 (1) 血液相客性材料與人工心臟 許多醫用高分子在應用中需長期與肌體接觸，必須有良好的生物相容性，其中血液相容性是最重要的。人工心臟、人工腎臟、人工肝臟、人工血管等臟器和部件長期與血液接觸，因此要求材料必須具有優良的抗血栓性能。 近年來，在對高分子材料抗血栓性研究中，發現具有微相分離結構的聚合

15、物往往有優良的血掖相容性。例如在聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯結構中接枝上親水性的甲基丙烯酸 羥乙酯，當接枝共聚物的微區尺寸在20 30nm范圍內時，有優良的抗血特性。28精選課件ppt 在微相分離高分子材料中，國內外研究得最活躍的是聚醚型聚氨酯。或稱聚醚氨脂。聚醚氨脂是一類線型多嵌段共聚物，宏觀上表現為熱塑性彈性體，具有優良的生物相容性和力學性能。作為醫用高分子材料的嵌段聚醚氨酯(Segmented Polyether Urethane，SPEU)的一般結構式如下：29精選課件ppt 美國Ethicon公司推薦的四種醫用聚醚氨酪Biomer，Pellethane，Tecoflex以和cardio

16、thane基本上都屬于這一類聚合物。它們的共同特點是分子結構都是由軟鏈段和硬鏈段兩部分組成的，在分子間有較強的氫鏈和范德華力。聚醚軟段聚集形成連續相，而由聚氨酯、聚脲組成的硬鏈段聚集而成的分散相微區則分散在連續相中，因此具有足夠的強度和理想的彈性。Biomer是一種線型芳香聚醚氨脂。30精選課件ppt Pellethane也是一種線型芳香聚醚氨酯。與Biomer不同的是它以14丁二醇為擴鏈劑，因此分子鏈中無脲基，柔順性較Biomer更好。 Tecoflex是一種淺型脂環族聚醚氨酯，也用1，4丁二醇擴鏈。性能接近于Pellethane。 Cardiothane是一種網狀結構的芳香聚醚氨脂。用乙酰

17、氧基硅氧烷作交聯劑、耐熱性、耐水解性和尺寸穩定性郁比較好。31精選課件ppt 聚離子絡合物(Polyion Complex)是另一類具有抗血栓性的高分子材料。它們是由帶有相反電荷的兩種水溶性聚電解質制成的。例如美國Amicon公司研制的離子型水凝膠Ioplix 101是由聚乙烯芐三甲基銨氯化物與聚苯乙烯磺酸鈉，通過離子鍵結合得到的。這種聚合物水凝膠的含水量與正常血管相似，并可調節這兩種聚電解質的比例，制得中性的、正離子型的或負離子型的產品。其中負離子型的材料可以排斥帶負電荷的血小板，更有利于抗凝血。類似的產品還有用聚對乙基苯乙烯三乙基銨溴化物與聚苯乙烯磺酸鈉制得的產物，也是一種優良的人工心臟、

18、人工血管的制作材料。32精選課件ppt此外，硅橡膠、聚四氟乙烯都是較好的血管材料。33精選課件ppt(2) 選擇透過性膜材料與人工腎、人工肺 (a) 血液凈化系統的膜材料與人工腎 腎臟的主要生理功能是過濾和排泄新陳代謝產物。將過剩的電解質、水排入尿中，以維持體液的酸堿平衡和滲透壓的平衡。當疾病造成腎臟功能衰竭引起代謝紊亂時，便將危及生命。人工腎是利用高分子材料的透析、過濾和吸附注能，使代謝物進入外界配置好的透析液中，經透析、過濾處理后完成腎臟的功能。 目前用人工腎進行血液凈化基于以下幾種方法：血液透析法(Hemodialysis)；血液過濾法(Hemofiltratio)5血液透析過濾法(He

19、modiafiltration)；血漿交換法(Plasmaexchange)和血液灌流法(Hemoperfusion)等。34精選課件ppt (i) 血液透析法 血液透析法的原理是使血液流過透析膜的一側，膜的另一側則流過經滅菌消毒處理的透析液。由于膜兩側各種離子的濃度不同，則血液中的廢物、過剩的電解質、過剩的水可透過膜而進入透析液。達到凈化血液的目的。據統計，一個慢性尿毒癥患者每周透析23次，每次56小時。每次可從血液中透析出肌酸酐12克、尿素1525克、水2升，基本上相當于患者每天必須排除的廢物量。 現階段用于制作人工腎透析膜的高分子材料主要有銅氨纖維素、醋酸纖維素、丙烯腈間烯丙基苯磺酸鈉共

20、聚物、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯，乙烯乙烯醇共聚物等。其中以銅氨纖維素的應用最為普遍，約占所有透析膜材料的87。35精選課件ppt 透析膜孔隙較小，傳質面積大，在透析過程中，血液與高分子材料的接觸機會較多，因此，用血液透析潔凈化血液時，血球損傷的機會較多，易造成細胞內液、外液、腦脊髓液的組成和滲透壓發生變化，引起頭痛、嘔吐等癥狀。為了進一步改進人工腎的功能，過濾型人工腎應運而生。36精選課件ppt(ii) 血液過濾法 血液過濾法的原理類似于人體中腎小球的過濾作用。所用的分離膜是超濾膜而不是透析膜。它是用超濾膜過濾掉血液中的毒物和廢物后，適當補充體液置換液，以調節血液的濃度。超濾膜的孔隙大于透析

21、膜，因此，能更有效地去除血液中的廢物，血液處理率大大提高，而且不易損傷血球和血小板，抗凝血性提高。常用的超濾膜有聚砜平膜和中空纖維膜、三醋酸纖維膜、聚酰胺中空纖維膜和EVA（乙烯-乙酸乙烯酯共聚物）中空纖維膜等。37精選課件ppt (iii) 血漿交換法 當腎臟和肝臟病患者的血液中出現不正常的蛋白質、抗原、抗體、免疫復合體等時，可用血漿交換法換掉血掖中的有毒血漿，輸入新的健康血漿。傳統的血漿分離采用離心法，操作繁瑣，交換速度低。近年來發展的膜分離法，交換速度大大提高。用分離膜制成約血漿交換器，一次可交換45升血漿。分離膜通常為用三醋酸纖維素、聚砜、聚碳酸酯、EVA等聚合物制備的多孔膜，膜的孔徑

22、為0.20.4nm。38精選課件ppt(IV) 血液灌流法 血液灌流法常用于肝昏迷、嚴重肝障礙患者。它是用吸附劑與血液直接接觸，從血液中吸附有毒物質，例如吸附掉導致嚴重黃膽病的血清膽紅素等。常用的吸附劑有活性炭、活性炭纖維、大孔型吸附樹脂等。單純的吸附劑通常強度較低，易碎裂。臨床應用中發現容易損傷血小板和白血球。研究發現，如果在吸附劑表面包覆上一層高分子被覆劑。就可大大減少被處理血液中的血小板、白血球損傷現象。最早使用的高分子被覆劑是硝基纖維素。將活性炭用硝基纖維素和肝素包覆后再用白蛋白處理，用于血液灌流，可取得良好的效果。39精選課件ppt 用作被覆劑的高分子材料首先要有良好的血液相容性，其

23、次還應與吸附劑有良好的粘結性，否則，在使用中被覆劑會脫落污染血液。較好的被覆劑材料有甲基丙烯酸 羥乙酯、丙烯酰胺甲基丙烯酸羥乙酯共聚物、甲基丙烯酸甲酯一甲基丙烯酸己基磺酸鈉共聚物、醋酸纖維素等。例如用聚甲基丙烯酸己基硝酸鈉或其共聚物包覆活性炭，吸附肌酸酐的量可達空白活性炭吸附量的82-92。40精選課件ppt (b) 氧富化膜與人工肺 氧富化膜又稱富氧膜，是為將空氣中的氧氣富集而設計的一類分離膜。 將空氣中的氧富集至40甚至更高，有許多實際用途。空氣中氧的富集有許多種方法，例如空氣深冷分餾法、吸附解吸法、膜法等。用作人工肺等醫用材料時，考慮到血液相容性、常溫、常壓等條件，上述諸法中，以膜法最為

24、適宜。41精選課件ppt 在進行心臟外科手術中，心臟活動需暫停一段時間，此時，需要體外人工心肺裝置代行其功能：呼吸功能不良者，需要輔助性人工肺；心臟功能不良者需要輔助循環系統，用體外人工肺向血液中增加氧。所有這些都涉及到人工肺的使用。目前人工肺有兩種類型。一類是氧氣與血液直接接觸的氣泡型，特點是廉價、高效，但易溶血和順傷血球，僅能短時間使用，適合于成人手術。另類是膜型，氣體通過分離膜與血液交換氧和二氧化碳。膜型人工肺的優點是容易小型化，可控制混合氣體中特定成分的濃度，可連續長時間使用，適用于兒童的手術。 可用作人工肺富氧膜的高分子材料很多，其中較重要的有硅橡膠(SR)、聚烷基砜(PAS)、硅酮

25、聚碳酸酯等，這些類型的富氧膜已作為商品應市。42精選課件ppt43精選課件ppt(3) 人工骨、關節材料 人工骨骼是高分子材料在醫學領域中的最早應用。第一例醫用高分于是用聚甲基丙烯酸甲酯作為頭蓋骨。現在，尼龍、聚酯、聚乙烯、聚四氟乙烯都已成功地用作人工骨骼材料。 人工關節有很多種類，如股關節、膝關節、肘關節、肩關節、手關節、指關節等，其中以股關節和膝關節承受的力最大。60年代之前使用的人工關節都是金屬骨-金屬臼關節，患者在使用中有痛苦感。1963年出現了第一例金屬骨-聚四氟乙烯寬骨臼的人工關節，開始了高分子人工關節的時代。44精選課件ppt 近年來，人工關節大多是以不銹鋼、陶瓷等高強度材料作人

26、工骨、以高分子材料為臼配合而成的。較理想的高分子材料是耐磨性優異的超高分子量聚乙烯(UHMWPE，分子量約300萬)。它的砂磨耗指數僅是高密度聚乙烯和尼龍的1/51/10，摩擦系數遠遠小于不銹鋼。但據報道，臨床應用的陶瓷骨均出現不同程度的開裂和斷裂，因此，人們將研究的注意力又重新轉向骨水泥。45精選課件ppt 骨水泥是一類傳統的骨用粘合劑，1940年就已用于腦外科手術中，幾十年來，一直受到醫學界和化學界的重視。 骨水泥是由單體、聚合物微粒(150-200m)、阻聚劑，促進負等組成。為了便于x射線造影，有還加入造影劑BaSO4。下表是常用骨水泥的基本組成和配方。46精選課件ppt47精選課件pp

27、t (4) 人造皮膚材料 治療大面積皮膚創傷的病人，需要將病人的正常皮膚移植在創傷部位上。在移植之前，創傷面需要清洗，被移植皮膚需要養護，因此需要一定時日。在這段時間內，許多病人由于體液的大量損耗以及蛋白質與鹽分的丟失而喪失生命。因此，人們用高親水性的高分子材料作為人造皮膚，暫時覆蓋在深度創傷的創面上，以減少體液的損耗和鹽分的丟失，從而達到保護創面的目的。聚乙烯醇微孔薄膜和硅橡膠多孔海綿是制作人造皮膚的兩種重要材料。這兩種人造皮膚使用時手術簡便，抗排異性好，移植成活率高，已應用于臨床。高吸水性樹脂用于制作人造皮膚方面的研究，亦已取得很多成果。聚氨基酸、骨膠原、角蛋白衍生物等天然改性聚合物，都是人造皮膚的良好材料。48精選課件ppt 據報道，日本市場上近年出現一種高效人造皮膚，對嚴重燒傷的患者十分有效。這種人造