第二章通用塑料

第二章通用塑料 主讲教师：杨晓莉第六章医用高分子材料博士博士主讲教师：杨晓莉副教授副教授

第六章医用高分子材料 Polymer materials 6.1 生物医用材料概述 6.2 生物惰性医用高分子材料 6.3 可降解生物高分子材料

生物医用材料的定义 生物医用高分子材料生物医用材料的分类 6.1 生物医用材料概述 Polymer materials 生物医用材料概述

（1）生物医用材料的定义（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。聚四氟乙烯 6.1 生物医用材料概述 Polymer materials 材料

（2）生物医用材料的分类 医用金属和合金医用高分子生物材料医用生物陶瓷医用生物复合材料生物衍生材料 6.1 生物医用材料概述 Polymer materials 按材料来源分

组织工程人工骨缺损修复示意图 6.1 生物医用材料概述 Polymer materials 材料

6.1 生物医用材料概述 Polymer materials

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）人造器官或组织人造皮肤，血管，骨，关节，肠道，心脏，肾等 6.1 生物医用材料概述 Polymer materials （3）生物医用高分子材料分类

6.1 生物医用材料概述 Polymer materials 生物医用高分子材料按降解性能分类可生物降解与不可生物降解材料可生物降解性指聚合物在生物体内酶，酸碱性环境下或微生物存在的情况下，可以发生分子量下降，生成水，二氧化碳的等对生物体或者环境无毒害的小分子化合物的性能生物相容性—指血液相容性和组织相容性，不发生凝血，溶血和血栓反应，不发生组织过敏，排斥或刺激反应，无致癌和钙沉淀等反应。不可生物降解性—也叫生物惰性材料——一中生物材料在特殊应用中和宿主反应起作用的能力，要求植入材料和机体间的相互作用能够永久的被协调。在生物环境自身不发生有害的物理或化学反应材料

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 6.1 生物医用材料概述 Polymer materials 制备流程化学家来做第一步

全球生物医用材料市场 6.1 生物医用材料概述 Polymer materials 生物医用材料市场发展概况

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 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24万套人工心瓣膜肾衰患者 --------每年需要12万个肾透析器 …… 6.1 生物医用材料概述 Polymer materials 中国医用材料市场

History of polymeric biomaterials 1943年赛璐珞薄膜开始用于血液透析 1949年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。 6.1 生物医用材料概述 Polymer materials Drug controlled release Tissue engineering Gene therapy

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。 6.1 生物医用材料概述 Polymer materials 1960s 可生物降解聚合物，如：Polylactide(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

目前高分子材料制成的人工器官中，比较成功的有人工血管、人工食道、人工尿道、人工心脏瓣膜、人工关节、人工骨、整形材料等。已取得重大研究成果 6.1 生物医用材料概述 Polymer materials 还需不断完成的有人工肾、人工心脏、人工肺、人工胰脏、人工眼球、人造血液等。另有一些功能较为复杂的器官，如人工肝脏、人工胃、人工子宫等。则正处于大力研究开发之中。

医用高分子材料的要求 （Requirements for biomedical polymers） Basic requirements：安全性、灭菌性 6.1 生物医用材料概述 Polymer materials Other requirements：加工成型性、机械性能与稳定性、环境敏感性、表面性能与结构多样性、亲疏水性。

安全性 6.1 生物医用材料概述 Polymer materials 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。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。

通常，当人体的表面收到损伤时，流出的血液会自动凝固，称为血栓。通常，当人体的表面收到损伤时，流出的血液会自动凝固，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：血管壁特性与状态发生变化血液的性质发生变化血液的流动状态发生变化。 6.1 生物医用材料概述 Polymer materials

具有良好的组织相容性 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。 6.1 生物医用材料概述 Polymer materials

灭菌性 能经受必要的清洁消毒措施而不产生变性 6.1 生物医用材料概述 Polymer materials 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，要考虑能否耐得了了。

机械强度 6.1 生物医用材料概述 Polymer materials 生物惰性高分子材料——长期植入体内不会减小机械强度生物降解高分子材料——按使用需要降解同时降低机械强度高分子材料在狗体内的机械稳定性

材料界面性质 材料界面性质与血液界面性能的不同可能造成吸附改变白质的形状以及排列，产生溶血、凝血或者血栓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 6.1 生物医用材料概述 Polymer materials

高分子材料表面亲/疏水性的改善 强疏水：对血液成分吸附能力小，因此血液相容性好，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。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。 6.1 生物医用材料概述 Polymer materials

制备具有微相分离结构的材料 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。 6.1 生物医用材料概述 Polymer materials

美国Ethicon公司推荐的四种医用聚醚氨酯：Biomer 6.1 生物医用材料概述 Polymer materials ，Pellethane，Tecoflex和Cardiothane基本上都属于这一类聚合物。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。

高分子材料的肝素化 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。 6.1 生物医用材料概述 Polymer materials

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。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。 6.1 生物医用材料概述 Polymer materials 人工合成的仿肝素共聚物，同样具有较好的抗凝血功能

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。 6.1 生物医用材料概述 Polymer materials

材料表面伪内膜化 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。 6.1 生物医用材料概述 Polymer materials

6.2生物惰性医用高分子材料 聚氯乙烯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 Polymer materials

6.2生物惰性医用高分子材料 Polymer materials 用于人工脏器的部分高分子材料

6.2生物惰性医用高分子材料 Polyphosphates Poly(anhydride)s Polylactide PLA Poly(ε-caprolactone) PCL Poly(1,3-trimethylene carbonate) PTMC Polyglycolide PGA Poly(lactide-co-glycolide) PLGA Polymer materials Biodegradable polymers Aliphatic polyesters Aliphatic polycarbonates 聚乳酸聚2-羟基乙酸

可降解生物 高分子材料 6.3 可降解生物高分子材料 Polymer materials (1)高分子结构与降解性的关系（5）药用高分子材料 (2)用途 (4)合成可降解高分子材料（3）天然可降解高分子材料

6.3 可降解生物高分子材料 Polymer materials (1)高分子结构与降解性的关系在固态下高分子链的聚集态可分为结晶态玻璃态橡胶态。如果高分子材料的化学结构相同，那么不同聚集态的降解速度有如下顺序：橡胶态>玻璃态>结晶态显然，聚集态结构越有序，分子链之间排列越紧密，降解速度越低。由于低分子量聚合物的溶解或溶胀性能优于高分子聚合物，因此对于同种高分子材料，分子量越大，降解速度越慢。亲水性强的高分子能够吸收水、催化剂或酶，一般有较快的降解速度。含有羟基、羧基的生物吸收性高分子，不仅因为其较强的亲水性，而且由于其本身的自催化作用，所以比较容易降解。相反，在主链或侧链含有疏水长链烷基或芳基的高分子，降解性能往往较差。

6.3 可降解生物高分子材料 Polymer materials 高分子结构与降解性的关系

药物控制释放材料 6.3 可降解生物高分子材料 Polymer materials (2)用途手术缝合线骨固定材料组织修补材料

（3）天然可降解高分子材料 6.3 可降解生物高分子材料 Polymer materials 种类：胶原蛋白，纤维蛋白甲壳素、壳聚糖、淀粉、纤维素海藻酸钠衍生物用途：可吸收缝线药物控释载体人工皮肤特点：原料来源丰富，便宜易得可用常规方法加工成型具有良好的生物相容性不引起异体反应

6.3 可降解生物高分子材料 Polymer materials 甲壳质

6.3 可降解生物高分子材料 Polymer materials 甲壳素与壳聚糖甲壳素是一种的线性多糖。昆虫壳皮、虾蟹壳中均含有丰富的甲壳素。壳聚糖为甲壳素的脱乙酰衍生物，由甲壳素在40％～50％浓度的氢氧化钠水溶液中110～120 ℃下水解2～4h得到。甲壳素能为肌体组织中的溶菌酶所分解，已用于制造吸收型手术缝合线。其抗拉强度优于其他类型的手术缝合线。在兔体内试验观察，甲壳素手术缝合线4个月可以完全吸收。甲壳素还具有促进伤口愈合的功能，可用作伤口包扎材料。甲壳素膜用于覆盖外伤或新鲜烧伤的皮肤创伤面时，具有减轻疼痛和促进表皮形成的作用，因此是一种良好的人造皮肤材料。

6.3 可降解生物高分子材料 Polymer materials 壳聚糖在碱性条件下存在大量氢键，体系收缩，药物通透率低，表现为“关”；碱性条件下成盐，由于同种电荷的相互排斥，聚合物网络扩张，药物通透率高，表现为“开”，因此具有PH刺激相应性，可作为智能型药物控制释放材料使用。

6.3 可降解生物高分子材料 Polymer materials

6.3 可降解生物高分子材料 Polymer materials 壳聚糖接枝丙烯酸壳聚糖在碱性条件下存在大量氢键，体系收缩，药物通透率低，表现为“关”；碱性条件下成盐，由于同种电荷的相互排斥，聚合物网络扩张，药物通透率高，表现为“开”，因此具有PH刺激相应性，可作为智能型药物控制释放材料使用。

胶原胶原是人体组织中最基本的蛋白质类物质，至今已经鉴别出13种胶原，其中 I～III、V和 XI 型胶原为成纤维胶原。I 型胶原在动物体内含量最多，已被广泛应用于生物医用材料和生化试剂。牛和猪的肌腱、生皮、骨骼是生产胶原的主要原料。 6.3 可降解生物高分子材料 Polymer materials

6.3 可降解生物高分子材料 Polymer materials 由各种物种和肌体组织制备的胶原差异很小。最基本的胶原结构为由三条分子量大约为1×105的肽链组成的三股螺旋绳状结构，直径为1～1.5nm，长约300nm，每条肽链都具有左手螺旋二级结构。胶原分子的两端存在两个小的短链肽，称为端肽，不参与三股螺旋绳状结构。研究证明，端肽是免疫原性识别点，可通过酶解将其除去。除去端肽的胶原称为不全胶原，可用作生物医学材料。胶原可以用于制造止血海绵、创伤辅料、人工皮肤、手术缝合线、组织工程基质等。胶原在应用时必须交联，以控制其物理性质和生物可吸收性。

纤维蛋白 纤维蛋白是纤维蛋白原的聚合产物。纤维蛋白原是一种血浆蛋白质，存在于动物体的血液中。纤维蛋白原在人体内的主要功能是参与凝血过程。 6.3 可降解生物高分子材料 Polymer materials

纤维蛋白具有良好的生物相容性，具有止血、促进 6.3 可降解生物高分子材料 Polymer materials 组织愈合等功能，在医学领域有着重要用途。纤维蛋白的降解包括酶降解和细胞吞噬两种过程，降解产物可以被肌体完全吸收。降解速度随产品不同从几天到几个月不等。通过交联和改变其聚集状态是控制其降解速度的重要手段。

聚酯 6.3 可降解生物高分子材料 Polymer materials (4)合成可降解高分子材料（synthetic biodegradable polymers）聚碳酸酯聚磷酸酯聚酸酐

6.3 可降解生物高分子材料 Polymer materials 聚乳酸聚2-羟基乙酸

6.3 可降解生物高分子材料 Polymer materials -羟基丙酸

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