生物工程塑料

,生物工程塑料浅析,主讲：416男寝,生物工程塑料的分类与现状,生物工程塑料的应用与优势,生物工程塑料的发展与前景,目 录,生物工程塑料的概念与历史,什么是生物工程塑料,生物工程塑料的概念,生物工程塑料是用于人体组织和器官的诊断及修复或增进其功能的一类高技术材料，即用于取代、修复活组织的天然或人造材料。生物材料能执行、增进或替换因疾病、损伤等失去的某种功能，而不能恢复缺陷部位。 生物工程塑料通常有两个定义：狭义的生物材料是指天然生物材料，也就是由生物过程形成的材料。广义的生物材料是指用于替代、修复组织器官的天然或人造材料。,生物工程塑料的历史,6,生物材料的开发和利用可追溯到3500年前，那时的古埃及人就开始利用棉纤维、马鬃作缝合线缝合伤口；印第安人则使用木片修补受伤的颅骨。2500年前，中国和埃及的墓葬中就发现有假牙、假鼻和假耳。人类很早就用黄金来修复缺损的牙齿，并沿用至今。1588年人们用黄金板修复颚骨。1775年就有用金属固定体内骨折的记载。1851年发明了天然橡胶的硫化方法后，有人采用硬胶木制作了人工牙托的颚骨。,生物工程塑料的历史,7,生物材料的分类及现状,两种分类方法1、按应用性质来分类： 抗凝血材料（心血管材料）、齿科材料、骨科材料、眼科材料、吸附解毒材料（血液灌流用）、假体材料、缓释材料、生物粘合材料、透析及超滤用膜材料、一次性医用材料，等等。,8,2、按生物材料的属性分类：天然生物材料：再生纤维、胶原、透明质酸、甲壳素等。合成高分子生物材料：硅橡胶、聚氨脂及其嵌段共聚 物、涤纶、尼龙、聚丙烯腈、聚烯烃医用金属材料：不锈钢、钛及钛合金、钛镍记忆合金等无机生物医学材料：碳素材料、生物活性陶瓷、玻璃材料杂化生物材料：指来自活体的天然材料与合成材料的杂化，如 胶原与聚乙烯醇的交联杂化等复合生物材料：用碳纤维增强的塑料，用碳纤维或玻璃纤维增 强的生物陶瓷、玻璃等,9,目前被详细研究过的生物材料已超过1000种，被广泛应用的有90多种，1800多种制品。西方国家每年耗用生物材料量以1015%的速度增长，1980年全球医用生物材料及制品的销售额为200亿美元，1990年达500亿美元，1995年近1000亿美元。 我国生物材料的研究起步较晚（五十年代），但发展很快。,生物工程塑料的现状,10,生物材料是研制人工器官及一些重要医疗技术的物质基础，综观人工器官及医疗装置的发展史，每一种新型生物材料的发现都引起了人工器官及医疗技术的飞跃。生物惰性医用硅橡胶人工耳、人工鼻、人工颌骨等血液相容性较好的各向同性碳被复材料碟片式机械心脏瓣膜血液亲和性及物理机械性能较好的聚氨酯嵌段共聚物促使人工心脏向临床应用跨越一大步可形成假生物内膜的编织涤纶管人工血管向实用化飞跃。,生物工程塑料的应用,掌握：1、人造器官 2、生物工程材料的分类 3、生物工程材料的基本性质,12,生物工程塑料的研究：包括人工器官、医疗用品（输血输液用具、注射器、心导管、主动脉气囊反搏器、角膜接触镜、中心静脉插管、膀胱造瘘管、医用粘合剂以及各种医用导管、医用膜、创伤包扎材料和各种手术、护理用品等 ）和药用高分子（作为赋形剂 、合成新型药物 ）三大类。,十大不可思议的人造器官,1、人造子宫(Artificial Uterus)2、人造胃(Artificial Stomach) 3、人造心脏(Artificial Heart)4、人造骨骼(Artificial Skeleton)5、人造皮肤(Artificial Skin) 6、人造视网膜(Artificial Retina) 7、人造血(Artificial Blood) 8、人造血管(Artificial Bloodvessels) 9、人造肌肉(Artificial Muscles) 10、微型肝脏(Microliver),1、人造子宫(Artificial Uterus),人造子宫是理想中的科研及繁衍装置,它通过模拟哺乳动物子宫和卵生动物卵的条件,使受精卵在人造环境下发育,从而摆脱对母体的需求,使动物远缘杂交成为可能,而且可以作为批量生产生物的基地。,2、人造胃(Artificial Stomach) 人造胃由上下两部分组成，想一个巨型计算机。其上半部分是一个带有蓝色漏斗的圆筒容器，食物被倒入容器内。这里是食物、胃酸和消化酶混合的地方。一旦这一过程完成，食物就会在下面一条银制管子里被碾碎。这条管子装在一个透明盒子里。在我们真正的胃里，食物随后将被人体吸收。其中食物在胃里某个特定部位停留时间的长短、在不同阶段的激素反应等等，都是由电脑完成的。,人造心脏与人类心脏大小相当，人造心脏本体可取代患者心脏的左右心室，微型锂电池和操纵系统植入患者腹腔，用以提供动力。外接电池组可通过安装在腹部皮肤下的能量传输装置对微型锂电池进行充电。,3、人造心脏(Artificial Heart),4、人造骨骼(Artificial Skeleton),如果人体的骨头不幸受伤，传统的骨头移植手术会撷取病患其它部位的骨头或是利用陶瓷来替代。不过加拿大有一所大学目前正在研发“骨骼打印机”，利用类似喷墨打印机的技术，将人造骨粉转变成精密的骨骼组织。,5、人造皮肤(Artificial Skin) 到目前为止，许多科学家已从生物高分子材料或合成高分子材料中制造出了一二十种人造皮肤。他们把这些材料纺织成带微细孔眼的皮片，上面还盖着一层层薄薄的、模仿“表皮”的制品。,6、人造视网膜(Artificial Retina) 南加利福尼亚大学研制的仿生眼项目人造视网膜。旨在开发一种可以帮助因衰老或疾病导致视网膜受损的人恢复视力的人造视网膜技术，他们已经在志愿者身上对植入式微型摄像头进行了早期的人体试验。 志愿者们佩戴着安装有数字摄像头的太阳镜，视网膜上安装了分布有电极的含银硅脂，数字摄像头将拍摄到的图像以无线的方式传送到硅脂 上的16个电极上，电极产生的信号刺激视网膜上的神经细胞，就使盲人“看到”了图像。,7、人造血(Artificial Blood) 人造血是一种乳白的、完全人工合成的复苏DA，以代替人血中输送氧气的血红蛋白。1933年，人造血首批研究取得成果。1966年，美国辛辛那提大学的两位教授格拉克和高兰做了一次示范表演，将一只小鼠完全浸没在全氟化碳液中仍能活着，这是因为在这种溶液中小鼠仍能得到生存所必需的氧气，所以不至于因窒息而死亡。但是，这种全氟化碳溶液不能同血液混合。,8、人造血管(ArtificialBloodvessels) 德国科学家日前利用3D立体打印技术成功研制出了一种人造血管。德国弗劳霍夫研究所的科学家们运用化合高分子材料结合能够有效抵抗排异反应的生物分子制作出了一种特殊的“印刷墨水”，其印制出来的物质经化学反应后能够形成一种有弹性的固体，方便科学家根据人类血管构造将其雕塑成3D立体人造血管。 实际上，3D立体打印技术的精细度十分惊人。为了制造出相似度最高的人造血管，科学家还运用了双光子聚合技术，利用镭射光刺激人造血管材料分子交联化，之后将成形的血管植入细胞内壁。,人造肌肉又叫电活性聚合物，是一种新型智能高分子材料，它能够在外加电场的作用下，通过材料内部结构的改变而伸缩、弯曲、束紧或膨胀，和生物肌肉十分相似。在生物材料医学上，人造器官是指能植入人体或能与生物组织或生物流体相接触的材料，或者说是具有天然器官组织的功能或天然器官部件功能的材料。,9、人造肌肉(Artificial Muscles),它是一种圆锥形物体，由塑料制成，长约50厘米，直径10厘米。圆锥体中含有纤维素和具有清洁血 液功能的猪肝脏细胞。,10、微型肝脏(Microliver),27,生物工程材料,低分子：分子量低于一千,如煤、糖、油、水泥、和抗菌素等。 中分子：分子量在数千范围，如维生素B12等。高分子：分子量在几万至几百万，如蛋白质、棉、毛、木材、松香、橡胶、塑料、合成纤维。医用高分子材料：在医学上应用的、尤其能在机体内使用的高分子材料。天然树脂：如松香。合成树脂：由低分子量的化合物经过各种化学反应而制得的高分子量的树脂状物质，如聚氯乙烯、聚乙烯。塑料主要成分就是合成树脂。,28,一些高分子与低分子化合物的分子量,29,天然高分子生物材料,人类机体的皮肤、肌肉、组织和器官都是由高分子化合物组成的，天然高分子生物材料是人类最早使用的医用材料之一。天然材料具有不可替代的优点：功能多样性、与机体的相容性、生物可降解性以及对其进行改性与复合和杂化等研究。目前天然高分子生物材料主要有：天然蛋白质材料：胶原蛋白、纤维蛋白天然多糖类材料：纤维素、甲壳素和壳聚糖等它们由于结构和组成的差异，表现出不同的性质，应用于不同的方面。,30,天然蛋白质材料胶原蛋白,脊椎动物的主要结构蛋白，是支持组织和结构组织（皮肤、肌腱和骨骼的有机质）的主要组成成分。胶原来源广泛，被广泛应用。由于胶原与人体组织相容性好，不易引起抗体产生，植入人体后无刺激性无毒性反应，能促进细胞增殖，加快创口愈合并具有可降解性，可被人体吸收，降解产物也无毒副作用。基本单位为原胶原蛋白，由三条肽链相互拧成的三股螺旋状结构的蛋白质，其分子量为30万左右。由不同种类的动物分离出来的胶原结构极其相似。,31,胶原分散体具有再生特性，可以将其加工成不同形状的制品而用于临床，并越来越受到人们重视。胶原凝胶用作创伤敷料粉末用于止血剂和药物释放系统纺丝纤维用作人工血管、人工皮、人工肌腱和外科缝线薄膜用于角膜、药物释放系统和组织引导再生材料管用于人工血管、人工胆管和管状器官空心纤维用于血液透析膜和人工肺膜海绵用于创伤敷料和止血剂等。,32,天然蛋白质材料纤维蛋白,是纤维蛋白原在生理条件下凝固而成的一种材料。 纤维蛋白可用不同方法进行化学改性，其中包括放射性碘化法、与合成高分子进行接枝和在纤维蛋白上进行酶的固定等。纤维蛋白主要来源于血浆蛋白，因此具有明显的血液和组织相容性，无毒副作用和其他不良影响。作为止血剂、创伤愈合剂和可降解生物材料在临床上已经应用很久；它的主要生理功能为止血，另外还可明显促进创伤的愈合；还可作为一种骨架，促进细胞的生长；并具有一定的杀菌作用。,33,纤维蛋白在临床上比较普遍使用的应用形式：纤维蛋白原的就地凝固：用于眼科手术的组织粘合剂，肺切除后胸腔填充物和外科手术中的止血；纤维蛋白粉末：用作止血剂，可以与抗菌素共用，用作充填慢性骨炎和骨髓炎手术后的骨缺损；纤维蛋白海绵：用作止血剂、扁平瘢的治疗和唾液腺外科手术后的填充物；组织代用品：主要用于关节成型术、视网膜脱离、眼外科治疗、肝脏止血及疝气修复等；纤维蛋白薄膜：用于神经外科：替代硬脑膜和保护；末梢神经缝线：用于烧伤治疗：消除颌面窦和口腔间的穿孔。,34,天然多糖类材料,多糖是由许多单糖分子经失水缩聚，通过糖苷键结合而成的天然高分子化合物。均聚糖：多糖水解后只产生一种单糖，如纤维素、淀粉杂聚糖：水解产物是两种或两种以上的单糖，如菊粉等。自然界广泛存在的多糖主要有：植物多糖：如纤维素、半纤维素、淀粉、果胶等；动物多糖：如甲壳素、壳聚糖、肝素、硫酸软骨素等；琼脂多糖：如琼脂、海藻酸、角叉藻聚糖等；菌类多糖：如D葡聚糖、D半乳聚糖、甘露聚糖等；微生物多糖：如右旋糖酐、凝乳糖、出芽短梗孢糖等。研究较多的多糖类材料为纤维素、甲壳素和壳聚糖。,35,天然多糖类材料 纤维素,葡萄糖经由糖苷键连结的高分子化合物。它具有不同的构型和结晶形式，是构成植物细胞壁的主要成分，是存在于自然界中数量最多的碳水化合物。结构复杂，至今仍未被完全了解。天然的纤维素属于纤维型，再生纤维素属于纤维型，后者结构更为稳定。不同的天然纤维素其结晶度有明显差异，随着结晶度的提高，其抗张强度、硬度、密度增加，但弹性、韧性、膨胀性、吸水性和化学反应性下降。,36,在医学上的应用形式主要是制造各种医用膜：硝酸纤维素膜：用于血液透析和过滤，但由于制膜困难及不稳定等缺点，已逐渐被其他材料取代；粘胶纤维（人造丝）或赛珞玢（玻璃纸）管：用于透析，但由于含有磺化物及尿素、肌酐的透析性不好等原因，作为透析用的赛珞玢逐渐被淘汰；再生纤维素（铜珞玢）：是目前人工肾使用较多的透析膜材料，对溶质的传递，纤维素膜起到筛网和微孔壁垒作用；醋酸纤维素膜：主要用于血透析系统；全氟代酰基纤维素：用于制造代膜式肺、人工心瓣膜、人工细胞膜层，各种导管、插管和分流管等。,37,天然多糖类材料 甲壳素,化学名称为聚N-乙酰-D葡萄糖胺，分子式为（C3H13NO5）n，属于氨基多糖，是仅有的具有明显碱性的天然多糖。广泛存在于低等植物及甲壳动物的外壳中，其每年生物合成资源最高达1000亿吨，是地球上仅次于植物纤维的第二大生物资源。是一种来源于动物的天然多糖，普遍存在于虾、蟹等低等动物及昆虫等节肢动物的外壳中。将甲壳动物的外壳通过酸碱处理，脱去钙、盐和蛋白质，即得到甲壳质。,38,被科学家誉为继蛋白质、糖、脂肪、维生素、矿物质以外的第六生命要素。甲壳素有强化免疫、降血糖、降血脂、降血压、强化肝脏机能、活化细胞、调节植物神经系统及内分泌系统等功能，还可作为保健材料，用于健康无害烟、护肤产品、保健内衣等。作为医用生物材料可用于：医用敷料：甲壳素具有良好的组织相容性，可灭菌、促进伤口愈合、吸收伤口渗出物且不脱水收缩药物缓释剂： 基本为中性，可与任何药物配伍止血棉、止血剂：在血管内注射高粘度甲壳素，可形成血栓口愈合剂，使血管闭塞，从而在手术中达到止血目的，较注射明胶海绵等常规止血方法，操作容易，感染少。,39,甲壳素缝线的电镜照片,40,甲壳素人工皮的电镜照片,41,天然多糖类材料 壳聚糖,是甲壳素去除部分乙酸基后的产物（甲壳素的衍生物），甲壳素继续用浓碱乙酸基化则得到壳聚糖，具有一定的粘度，无毒、无害、无副作用。不溶于水和碱液，但可溶于多种酸溶液中。它具有较多的侧基官能团，可进行酯化、醚化、氧化、磺化以及接枝交联等反应对其进行改性。特别是磺化产品，其结构与肝素极其相似，可作为肝素的代用品作抗凝剂。,42,适用广，生物相容性良好的新型生物材料正在受到人们的普遍重视，目前在医学多上用于：可吸收性缝合线：用于消化道和整形外科；人工皮：用于整形外科、皮肤外科，用于、度烧伤，采皮伤和植皮伤等；细胞培养：制备不同形状的微胶囊，培养高浓度细胞，如包封的是活细胞，则构成人工生物器官；海绵：用于拔牙患 、囊肿切除、齿科切除部分的保护材料；眼科敷料：可生成较多的成胶原和成纤维细胞；隐形眼镜膜：用于药物释放系统和组织引导再生材料；固相酶载体,43,合成高分子生物材料,合成高分子材料已经迅速地取代了除了食品以外的许多宝贵天然资源。合成高分子生物材料是指利用聚合方法制备的一类生物材料。由于合成高分子可以通过组成和结构控制而具有多种多样的物理和化学性质。医用高分子材料科学是一门新兴的边缘学科，是生物医学工程的一个主要分支，合成高分子材料已成为制造各种人工器官、软硬组织修复体、医用粘结剂、缝合线、人造血液等的最主要的也是用量最大的生物材料。,44,合成高分子材料的组成物（单体，添加剂等）可能向生物环境释放，有可能导致毒性反应。其弹性模量低和弹性常使其不能用于承受较大负荷的体位的修复。合成高分子生物材料可分为：生物不可降解的：硅橡胶、聚氨酯、环氧树脂、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸酯水凝胶、一氰基丙烯酸酯类、聚酸胺和饱和聚酯等。生物可降解的：聚乙烯醇、聚乳酸、聚乙内酯、乳酸一乙醇酸共聚物和聚一羟基丁酸酯等。,45,合成高分子生物材料硅橡胶,平均分子量40万，有机硅弹性体的主要成分，是含有硅原子的特种合成橡胶的总称。它具有优异的生理特性：无毒无味、生物相容性好、耐生物老化、较好的抗凝血性、长期植入体内物理性能下降甚微、耐高温严寒（ -90 250）良好的电绝缘性、耐氧老化性、耐光老化性以及防霉性、化学稳定性等。在医学上主要用于：粘合剂、导管、整形和修复外科（人工关节、皮肤扩张、烧伤的皮肤创面保护、人工鼻梁、人工耳廓和人工眼环）、缓释和控释等。,46,防噪音耳塞：佩戴舒适，阻隔噪音，保护耳膜。胎头吸引器：操作简便，使用安全，可根据胎儿头部大小变形，吸引时胎儿头皮不会被吸起，可避免头皮血肿和颅内损伤等弊病，能大大减轻难产孕妇分娩时的痛苦。人造血管：具有特殊的生理机能，能做到与人体“亲密无间”，人的机体也不排斥它，经过一定时间，就会与人体组织完全事例起来稳定性极为良好。 鼓膜修补片：其片薄而柔软，光洁度和韧性都良好。是修补耳膜的理想材料，且操作简便，效果颇佳。 此外还有硅橡胶人造气管、人造肺、人造骨、硅橡胶十二指肠管等，功效都十分理想。,47,合成高分子生物材料聚氨酯（PU，Polyurethane）,是聚醚、聚酯和二异氰酸酯的总称。具有良好的延伸性和抗挠曲性，强度高、耐磨损，血液相容性、抗血栓性能好，且不损伤血液成分，使其在医疗领域得到广泛应用。主要用于：人工心脏搏动膜、心血管医学元件、人工心脏、辅助循环、人工血管、体外循环血液路、药物释放体系、缝合线与软组织粘合剂绷带、敷料、吸血材料、人工软骨和血液净化器具的密封剂等。,48,合成高分子生物材料环氧树脂（Epoxy Resin）,基本特性是所用单体中至少含有一个环氧基团。环氧基可与含有“活泼氢”的化合物发生反应，因此可用适当的胺或某些酸类催化作均聚反应。主要用途：与玻璃布一起用于骨折的开放性复位和固定，粘合骨头加强氧化铝的髋关节髁，牙科充填材料，电子起搏器与体液分开的保护层（灌封）。眼睑修补术和加固颅动脉瘤和脑电极探针的绝缘等。,49,合成高分子生物材料聚氯乙烯（PVC，氯纶）,是由单体氯乙烯聚合而成的合成树脂，是用量最大的医用高分子材料。原料丰富、聚合容易、抗凝血性能良好，但耐热性不高（70）。通过添加物的应用可使改变为具有可屈挠性能。在医学中用量最大的是制作塑料输血输液袋，可提高红细胞和血小板的生存率；还可用于医用导管、人工输尿管、胆管和心脏瓣膜、血泵隔膜、增补面部组织、青光眼引流管和中耳孔等。软质PVC的毒性问题仍有争议，目前只能用于制造与人体短期接触的制品。,50,合成高分子生物材料聚四氟乙烯（PTFE）,又名泰氟隆（Teflon），热塑性塑料，最好的耐高温塑料，结晶熔点高达327，几乎完全是化学惰性的，具有自润滑性或非粘性，不易被组织液浸润。主要用于：人工输