第八章-生物医学功能材料

1、第八章第八章 生物医学功能材料生物医学功能材料 Company Logo 内内 容容 生物医学材料的特征与评价生物医学材料的特征与评价1 人工器官与生物医学材料人工器官与生物医学材料 2 药物载体药物载体3 生物医学功能材料生物医学功能材料-特征与评价特征与评价 生物材料：用于生物系统疾病的诊断、治疗、修复或替换生 物体组织或器官，增进或恢复其功能的材料。包括与活体相 联系的材料、植入活体内能起某种生物体功能的材料和模仿 生物功能的材料。 生物材料是材料科学领域中正在发展的多种学科相互交 叉渗透的领域，其研究内容涉及材料科学、生命科学、化学、 生物学、解剖学、病理学、临床医学、药物学等学科，同

2、时 还涉及工程技术和管理学科的范畴。 生物材料不是药物，其治疗途径是以生物机体直接结合 和相互作用为基本特征的。 Company Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-特征与评价特征与评价 研究目的：在分析天然生物材料微装配、生物功能及形成机制的 基础上，发展新型医用材料以用于人体组织器官的修复与替代， 发展仿生高性能工程材料。 研究内容： 1、生物体的生理环境、组织结构、器官生理功能及 其替代方法的研究； 2、具有特种生理功能的生物医学材料的合成、改性、 加工成型以及特种生理功能与其结构关系的研究。 3、材料与生物体的细胞、组织、体液、免疫、内分 泌等生理系统的相互作用以及减少材料毒副

3、作用的对 策和方法研究； 4、生物医学材料的卫生学处理和管理以及医用安全性评价方法与 标准的研究。 Company Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-特征与评价特征与评价 古代：利用天然物质和材料治病。 公元前5000年，黄金修复失牙； 公元前3500年，古埃及，棉花纤维、马鬃等缝合伤口； 公元前2500年，中国、埃及，假手、假鼻、假耳等人工假体； 隋末唐初，银膏补牙-成分是银、锡、汞，与现代牙齿填充材 料汞齐合金类似。 近代： 1829年，通过多种金属的系统动物实验，得出金属铂对机体组 织刺激性最小； 1851年发明天然橡胶的硫化方法后，开始利用天然高分子硬橡 木制作人工牙托和颚骨

4、进行临床治疗； Company Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-特征与评价特征与评价 1892年，用硫酸钙填充骨缺损，这是陶瓷材料植入人体的最早 实例。 现代：生物医学材料取得实质性进展开始于20世纪20年代。 不锈钢： 1926年，含18%铬和8%镍首先应与于骨科治疗，随后应与于 口腔科； 1934年，研制出高铬低镍单相组织的AISI302和304，在体内生 理环境下的耐腐蚀性显著提高； 1952年，开发出耐蚀性更好的AISI316不锈钢； 60年代，研制出超低碳不锈钢AISI316L和317L。 钴镍合金：铸造钴镍合金首先在口腔中得到应用； 20世纪30年代末被应用于制作接骨板

5、、骨钉等内固定器械； Company Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-特征与评价特征与评价 50年代成功制成人工髋关节； 60年代为了提高力学性能，研制出锻造钴铬钨镍合金和锻造钴 铬钼合金，并应用于临床； 70年代为了改善钴基合金抗疲劳性能，研制出锻造钴铬钼钨铁 合金和具有多相组织的MP35N钴铬钼镍合金，应用于临床。 钛：金属钛，优异的耐蚀性、生物相容性、密度低； 40年代，制作外科植入体； 50年代用纯钛制作接骨板和骨钉； 70年代，Ti6A14V合金、TiSAl2.5Sn合金和钛钼锌锡等合金获 得应用，使钛和钛合金成为继不锈钢和钴基合金之后的又一类 重要医用金属材料； Com

6、pany Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-特征与评价特征与评价 70年代以后， NiTi系为代表的形状记忆合金逐渐在骨科和口 腔科得到应用，并成为医用金属材料的重要组成部分。 生物陶瓷：从60年代初开始应用于生物材料。多晶氧化铝陶瓷 -低温各向同性碳-生物玻璃-羟基磷灰石(生物活性陶瓷)-生物陶 瓷复合材料-引入活体细胞或生长因子的生物陶瓷构架； 医用高分子：开始于50年代有机硅聚物的发展。有机硅聚合物 -聚甲基丙烯酸甲脂(骨水泥)-医用高分子材料大发展，制作了 人工心瓣膜、人工血管、人工骨、手术缝合线等；90年代以后， 借助于生物技术和基因工程的发展，由无生物存活性材料扩展 到具

7、有生物学功能的材料领域，其基本特征是具有促进细胞分 化、增殖、诱导组织再生、参与生命活动等功能。 Company Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-特征与评价特征与评价 分类：按材料属性分类，材料功能分类，材料来源分类和使 用部位分类。 按材料属性分类 ：A、医用金属材料：包括不锈钢、钴基合 金，钛及合金等，广泛应用于人工假体、人工关节、医疗器 械等。B、医用无机材料：主要是生物陶瓷。分为惰性生物陶 瓷，如氧化铝生物陶瓷；表面生物活性陶瓷，如磷酸钙基生 物陶瓷；可降解生物陶瓷，如-磷酸三钙陶瓷等。C、医用高 分子材料：根据来源分为天然的和合成的，天然的如多糖类、 蛋白类，合成的聚氨酯

8、、聚乙烯、聚乳酸、聚四氟乙烯等， 用于人体器官、组织、关节、药物载体等。 D、医用复合材 料：不同种材料的混合或结合，克服单一材料的缺点，可获 得性能更优的材料。 Company Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-特征与评价特征与评价 按材料的功能分类：A、硬组织相容性材料：主要用于生物 机体的关节、牙齿及其他骨组织。B、软组织相容性材料： 主要用于人工皮肤、人工气管、人工食道等。C、血液相容 性材料：主要用于人工血管、人工心脏、血浆分离膜、血液 灌流用吸附剂、细胞培养基材等。D、生物降解材料：主要 用于吸收型缝合线、药物载体、愈合材料、粘合剂以及组织 缺损用修复材料。 按材料来源分

9、类：A、自体组织，如人体听骨、血管等替代 组织。B、同种异体器官及组织，如不同人体之间的器官移 植。C、异种器官及组织，如动物骨、肾替换人体器官。D、 天然生物材料，如动物骨胶原、甲壳素、珊瑚等。E、人工 合成材料，如各种人工合成的新型材料。 Company Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-特征与评价特征与评价 按使用部位分类：A、硬组织材料，骨、牙齿用材料。B、 软组织材料，软骨、脏器用材料。C、心血管材料，心血 管以及导管材料。D、血液代用材料，人工红血球、血浆 等。E、分离、过滤、透析膜材料，血液净化、肾透析以 及人工肺气体透过材料等。 生物医用材料的基本要求： (一) 生物

10、相容性：对人体无毒、无刺激、无致畸、致敏、 致突变或致癌作用；生物相容性好，在体内不被排斥， 无炎症，无慢性感染，种植体不致引起周围组织产生局 部或全身性反应，最好能与骨形成化学结合，具有生物 活性；无溶血、凝血反应等。 Company Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-特征与评价特征与评价 (二) 化学稳定性：耐体液侵蚀，不产生有害降解产物；不产 生吸水膨润、软化变质；自身不变化等。 (三) 力学条件：足够的静态强度，如抗弯、抗压、拉伸、剪 切等；具有适当的弹性模量和硬度；耐疲劳、摩擦、磨损、 有润滑性能。 (四) 其它要求：良好的空隙度，体液及软硬组织易于长入； 易加工成形，使用

11、操作方便；热稳定好，高温消毒不变质等 性能。 生物相容性：材料与生物体之间相互作用后产生的各种生物 、物理、化学等反应的一种概念。一般地讲，就是材料植入 人体后与人体相容程度，也就是说是否会对人体组织造成毒 害作用。 Company Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-特征与评价特征与评价 生物相容性根据材料接触部位分为三类： 1、血液相容性：材料用于心血管系统与血液接触，主要 考察与血液的相互作用； 2、组织相容性：材料与心血管外的组织和器官接触，主 要考察与组织的相互作用，也称一般生物相容性； 3、力学相容性：对于植入体内承受荷载，以及要求其弹 性形变和植入部位的组织的弹性形变相协

12、调的生物材料 的力学性能。 材料与机体组织发生两种反应：材料反应和宿主反应。 宿主反应：生物机体对植入材料的反应。 材料反应：材料对生物机体作用产生的反应。 Company Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-特征与评价特征与评价 生物相容性评价：体外试验和动物体内试验。 体外试验：溶出物测定、溶血试验、细胞毒性试验等。 动物体内试验：急性全身毒性试验、刺激试验、致突变实验、 肌肉埋植试验、致敏试验、长期体内试验等。 研究现状：多处于经验和半经验阶段，为满足应用要求。目前 进入“生物医学材料分子设计学”的建立积累数据和资料的阶段， 个别性能的分子设计已被应用。 较活跃的生物医学材料主要

13、有高抗凝血材料、生物活性陶 瓷及玻璃、钛及钛合金、镍钛记忆合金、生物活性缓释材料及 靶向药物在体材料、生物粘合剂、可生物降解与可吸收性生物 材料、纳米生物材料、智能与杂化材料和血液净化材料。 Company Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-特征与评价特征与评价 研究方向：生物相容性的分子设计学研究、血液相容性材料 研究、生物膜材料研究、缓释材料研究、天然生物材料中再 生胶原及弹性纤维蛋白的稳定化和增强处理方法、甲壳素和 透明质酸代替物的应用研究、生物陶瓷和生物玻璃材料的研 究、医用钛及钛合金、镍钛合金材料表面与体液相互作用机 理和生化反应及金属表面生物惰性化处理方法的研究、生物 材

14、料表面修饰学的研究、生物相容性的表征及评价方法研究、 生物活性材料、仿生材料、智能材料、生物/合成杂化材料的 研究。 发展趋势：筛选现有或新出现的材料；研究材料的相容性、 机械性和老化性；表面修饰的研究；材料的分子设计。 Company Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-人工器官人工器官 人工器官：研究模拟人体器官的结构和功能，用人工材 料和电子技术制成部分或全部替代人体自然器官功能的 机械和电子装置。当人体器官病损而用常规方法不能医 治时，有可能给病人使用一个人工制造的器官来取代或 部分取代病损的自然器官，补偿或修复或辅助其功能。 按功能分类： （1）支持运动功能的人工器官，如人工

15、关节、人工脊椎、 人工骨、人工肌腱、肌电控制人工假肢等。 （2）血液循环功能的人工器官，如人工心脏及其辅助循 环装置、人工心脏瓣膜、人工血管、人工血液等。 Company Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-人工器官人工器官 （3）呼吸功能的人工器官，如人工肺（人工心肺机）、人工气 管、人工喉等。 （4）血液净化功能的人工器官，如人工肾（血液透析机）、人 工肺等。 （5）消化功能的人工器官，如人工食管、人工胆管、人工肠等。 （6）排尿功能的人工器官，如人工膀胱、人工输尿管、人工尿 道等。 （7）内分泌功能的人工器官，如人工胰、人工胰岛细胞。 （8）生殖功能的人工器官，如人工子宫、人工输

16、卵管、人工睾 丸等。 Company Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-人工器官人工器官 （9）神经传导功能的人工器官，如心脏起搏器、膈起搏器等。 （10）感觉功能的人工器官，如人工视觉、人工听觉（人工耳 蜗）、人工晶体、人工角膜、人工听骨、人工鼻等。 （11）其他类，人工硬脊膜、人工皮肤等。 按原理分类 机械式装置（如人工心脏瓣膜、人工气管、人工晶体等） 电子式装置（如人工耳蜗、人工胰、人工肾、心脏起搏器等） 按使用方式分类 植入式，如人工关节、人工心脏瓣膜、心脏起搏器。 体外式，如人工肾、人工肺、人工胰。体外式人工器官实际上 都是由电子控制的精密机械装置。 Company Log

17、o 生物医学功能材料生物医学功能材料-人工器官人工器官 人工心脏：利用机械的方法把血液输送到全身各器官以代替心 脏的功能的装置。 1982年 ，JARVIK-7是世界上第一个试图永久性植入人体的完 全人工心脏，最大缺点是需要由体外装置提供动力的能源。 1998年，首个轻便式的心脏“辅助器”投放 英美市场。2000年，给病人植入首个Jarvik -2000型人工心脏，重约90克，附在心脏的 左心室上。 2001年7月2日，世界上第一 例全植入式人工心脏植入手 术在美国获得成功。 Company Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-人工器官人工器官 人工心脏包括血泵、驱动装置、监控系统、能

18、源。 血泵：包括膜式血泵、囊型血泵、管型血泵及螺形血泵等四种， 材料有硅橡胶、甲基硅橡胶、嵌段硅橡胶、聚氨酯、聚氯乙烯 和复合材料等。 驱动系统：供给人工心脏血泵工作的动能。形式多样，大致可 分为机械、电动、磁力、气压、液压五种形式。 监控系统：监控人工心脏工作状态。基本上从血泵机能，驱动 装置各项指标及血液循环生理参数变化三个方面进行监控。 能源：依靠外加能源工作以推动血液循环。既能满足功率要求， 并使之微型化做到全置入体内，长期达数年使用的能源，目前 尚未完全解决。 Company Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-人工器官人工器官 人工心脏瓣膜：可植入心脏内代替心脏瓣膜（主动脉

19、瓣、肺 动脉瓣、三尖瓣、二尖瓣），能使血液单向流动，具有天然 心脏瓣膜功能的人工器官。 当心脏瓣膜病变严重而不能用瓣膜分离手术或修补手术 恢复或改善瓣膜功能时，则须采用人工心脏瓣膜置换术。换 瓣病例主要有风湿性心脏病、先天性心脏病、马凡氏综合症 等。 人工瓣膜的类型： 机械瓣：球型瓣、碟型瓣、单叶碟瓣、 双叶碟瓣 ； 组织瓣（生物瓣）：人组织瓣、动物组 织瓣。 Company Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-人工器官人工器官 机械瓣的制瓣材料一般包括三个方面：坚硬材料(支架)、 弹性材料(阻塞体)、织品类材料(瓣环)。 球型瓣：构造简单，开闭活动稳定、耐用，但中心血流受阻， 在球瓣

20、前后有涡流，是目前各类机械瓣的“鼻祖”。 碟型瓣：瓣架低，跨瓣压差大，属周围血流型，血液动力学性 能差。解决了球型瓣架过高的问题，但整个瓣常出现血栓，偶 而出现浮动碟与支架碰撞现象和支撑焊口断裂。 双叶碟瓣：瓣叶活动灵活，有效瓣口面积较大，跨瓣压差小， 血栓栓塞率低开放时为85。，流体力学性能最佳，是目前用得 最多的一种机械瓣。 机械瓣膜材料血液相容性的原因，植入机械瓣膜的患者， 在植入后须长期进行抗凝治疗，有引起严重出血的危险。 Company Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-人工器官人工器官 生物瓣膜具有良好的流体力学特性，没有阻塞体，血栓形 成的可能性非常低，不会对血液有形成

21、分产生破坏；制作瓣膜 的材料有很好的血液相容性，不会产生凝血、溶血以及形成血 栓等良好特性，不需要进行抗凝治疗。 生物瓣膜以钙磷酸盐沉积在生物瓣材料上形成瓣膜的钙化， 致使材质弹性韧性以及机械强度都发生很大变化，造成生物瓣 失灵。 生物瓣的优点：(1)不需要长期抗凝；(2)置换后接近正常 的血液动力学；(3)能维持长期组织学上与功能的完整性。 作瓣膜材料的生物组织有下列几种：同种同体组织有阔筋 膜、肺动脉；同种异体组织有主动脉瓣、硬脑膜、阔筋膜；异 种异体组织有猪主动脉瓣、牛心包、牛主动脉瓣。 Company Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-人工器官人工器官 人工肺：又名氧合器或气

22、体交换器，是代替人体肺脏排出 CO2、摄取O2，进行气体交换的人工器官，应用于心脏手术 的体外循环，和血泵配合称为人工心肺机。 人工心肺机：由氧合器和血泵及辅助设备组成的，能进行体 外循环的机械装置。用于心脏手术的体外循环、肺移植的辅 助呼吸、急性呼吸衰竭的辅助治疗等。 人工肺分为静立垂屏式、转碟式、鼓泡式和膜肺式。 静立垂屏式：由上方储血室、氧合室和下方储血室三部分组 成。静脉血先用血泵注入上方储血室，继而流向有机玻璃制 成的氧合室。氧合室内垂挂着3-14片不锈钢片。血液自上而 下流动，在不锈钢片上与氧合室内充的氧气接触进行血气交 换。氧合的血流流入下方储血室，由另一血泵注入人体。 Comp

23、any Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-人工器官人工器官 转碟式：将引流出的静脉血流入一个圆筒形槽，槽内液面保 持一定高度。槽上有一个固定有数十个圆形不锈钢碟片的转 轴，碟片的一小半浸在血液中。当转轴转动时，它所带动的 碟片上就涂上一层血液，与槽内的氧气接触进行血气交换。 鼓泡式：氧合室为柱状，氧气通过气体分散器变成小气泡进 入氧合室，与血液混合后上升，进行血气交换。氧合室上方 有去泡室，内装金属或塑料丝网架，上涂消泡剂硅油，血内 气泡接触硅油立即破灭。去泡后的氧合血经过滤后进入一个 螺旋管状的储血室储存，再经多级过滤，变温后注入人体。 膜肺：依据仿生原理按照肺泡气体弥散生理功能设

24、计，最接 近人体肺生理功能。 Company Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-人工器官人工器官 原理：血液和氧气由薄膜隔开，一侧通静脉血，另一侧 通纯氧。静脉血的氧分压为40mmHg左右，而纯氧的压力 约700mmHg，氧气经膜弥散进入血液，使血液氧合。血 液中的二氧化碳分压为40mmHg，氧气中的PCO2为0- 5mmHg，CO2经膜由血液向气体侧弥散，最终逸出。 膜肺是随着膜材料的发展而发展的。第一个膜肺用 的是聚氯乙烯。真正实用的膜肺出现于1960年，膜材料 为硅橡胶。膜肺的大发展是在1980年以后，出现了各种 高分子聚合物材料制成的各种形式的膜肺，如聚酯、聚 乙烯、聚丙烯、

25、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、醋酸纤维素、 乙基纤维素、硅橡胶等。 Company Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-人工器官人工器官 人工膀胱：替代膀胱功能的人工装置。对膀胱肿瘤或因病变 所致膀胱挛缩等症， 患者在须行膀胱摘除术时，植人人工膀 胱储存和排除尿液，不仅可维持正常生活，而且可以克服一 般尿道改道等 手术带来的各种并发症及给患者生活带来的不 便。 人工膀胱的类型有生物材料的、非生物材料的及 全置换 体内植入型3种。 (1)生物材料的人工膀胱：自体组织移作人工膀 胱，如用肠代 膀胱、胃代膀胱术等；异体组织移作人工膀胱，如采用经化 学处理的牛心包组织 制做人工膀胱。 (2)非生物材料

26、的人工膀胱： Company Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-人工器官人工器官 体外留置型：采用各种造口术，用引流管将尿液引至体外，用 集 尿袋作人工膀胱积蓄尿液。例如，采用硅橡胶作引流管， 使用一次性的集尿袋，使组织刺激反应和感染等并发症明显减 少。 移行上皮细胞再生型人工膀胱：利用膀胱的移行上皮 细胞具 有良好再生能力的原理，在膀胱切除后，盆腔内设 置膀胱支 架，使残留的膀胱及尿道组织沿支架再生成一 个膀胱，最后 去除埋人的膀胱支架。支架可分为 一、不能吸收的膀胱支架， 例如聚乙烯或明 胶海绵等制成的支架，在用后需自体 内取出； 二、生物降解材料制膀胱支架，例如以聚a氨基酸膜做

27、支架， 可全部降解。 Company Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-人工器官人工器官 (3)全置换体内植入型人工膀胱：由人工输尿管、 单向止逆瓣、 集尿器、人工括约肌装置和人工尿道五个部 分组成。人工膀 胱上端左右有一段人工输尿管，与患者 原输尿管缝合联接。 下端有一小段人工尿道与患者原有 尿道缝合联接。集尿器是 人工膀胱储尿的容器，上联单向止逆瓣防止尿液返流肾脏， 下接人工括约肌以控制尿 液的排放。目前仍处在动物实验及 临床试用阶段。 人工膀胱的材料必 须具备如下条件：组织相容性；尿液 相容性；对泌尿系统其他器官不产生 刺激，不导致尿路梗 阻、炎症、致癌及诱发泌尿系本身的 疾病

28、。密封性良好， 与输尿管、尿道易于缝合及结合， 不产生漏尿；易 于手术 及消毒。 Company Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-人工器官人工器官 人工皮肤：作为皮肤创伤修复材料和损伤皮肤的替代品，可以 使皮肤大面积和深度烧伤的患者在自体皮不够的情况下 进行修 复治疗并使之恢复因皮肤创伤丧失的生理功能。 人工皮肤的研究分为三个阶段，分别是创伤敷料、人工皮 肤和活性人工皮肤。 创伤敷料：包括吸收敷料、不粘敷料、封闭和半封闭敷料、水 凝胶敷料和含药敷料。 吸收敷料：保护创面和吸收体液，以使创伤不受细菌的感染和 进一步恶化。大多为天然材料，如：甲壳素，壳聚糖，果酸， 明胶，淀粉等，可在人

29、体内降解并被人体吸收。 不粘敷料：经过石蜡、石油浸泡过的纱布不粘创面，防止创面 干燥和病原菌进入创伤， 由穿孔的不粘膜层加吸收衬垫组成。 Company Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-人工器官人工器官 封闭和半封闭敷料：半透过性材料，清洁创伤、减少体液渗出， 促进创伤修复。 水凝胶敷料：水凝胶吸水溶胀后对创面形成闭合吸收敷料，以 防菌防毒并在创伤修复后易于除去。该类材料主要为 CMC 钠 盐，聚乙烯，毗咯烷酮等，愈合率比不用的对照组提高30 % 36 % 。 含药敷料：在敷料中加入使上皮再生和消炎以及抗生素等药物 材料，其效果比不用的对照组愈合率提高16-37% 。 人工皮肤：替

30、代损伤皮肤的材料，可用于大面积烧伤的皮肤的 修复。 合成高分子材料：合成纤维织物，如尼龙、聚酯、聚丙烯等； 多孔薄膜，如聚乙烯醇、聚氨酯、硅橡胶、聚乙烯等。 Company Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-人工器官人工器官 生物高分子材料：同种异体或异种组织，如人或动物的羊膜、 腹膜和皮肤；胶原蛋白。 人工皮肤的材料基本上为天然材料和合成的高分子材料 的复合。因为天然材料的机械强度无法满足实际的要求，必 须辅以机械强度好的高分子材料做外部包扎材料。 随着人工皮肤的研究和发展，在深度和大面积烧伤的治 疗中， 由于自体皮源不足，仅仅用没有活细胞的人工皮肤己 不能满足实际的需要，希望通过

31、体外培养来扩展自体皮表面 积或重建上皮层来满足这一要求。 目前体外培养移植皮有自体角质细胞移植皮；异体角质 细胞移植皮；在同种胶原上培养的自体角质细胞移植皮；在 人工真皮上培养的角质细胞移植皮； 复合皮肤移植皮。 Company Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-人工器官人工器官 蛋白类：胶原，明胶，丝素等。为人工皮肤的重要组成，是细 胞分化、生长的营养基地，缺点是无弹性、强 度低、降解太快。 多糖类：甲壳糖，糖胺多糖，透明质酸等。有促 进细胞生长的功能，但用量增加有抑制成纤维细胞生长的作用， 同时材料的弹性低，质脆。 盐类：海藻酸钠，海藻酸钙等。为交联剂，同时起到促细胞生 长的作用

32、。 高聚物：不降解材料，如聚氨醋，涤纶，尼龙，硅橡胶等。为 生物惰性材料，不降解，只能用做外层敷料不能永久代替皮肤； Company Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-人工器官人工器官 生物降解材料：如聚酯，乙丙交醋等，生物性能好，可降解， 可代谢，但如果其分子量小则强度不够，分子量大难溶于水， 溶解时出现降解，影响材料的机械强度，其降解之后的产物 使其周围组织酸度提高，出现无菌性炎症。 单独使用任一种材料都不能满足实际的需求，需要把几 种材料进行杂化或交联。 人工皮肤材料研究的发展趋势：原料选择的新颗性；制备方 法的新颖性；材料性能的新颖性。 人工皮肤随着组织工程学的发展和在细胞支

33、架材料性能 上进一步完善，本着仿生的原则，人为地更接近于天然，应 用于人类，将会大大地提高人类的生命质量和生活水平。 Company Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-人工器官人工器官 人工肾：替代肾脏功能的装置，患者动脉血经硅胶管引入透析 器，使血液和透析液隔半透膜流动而进行透析，血液被净化后 再由硅胶管经静脉输回体内。 人工肾尚未能完全取代肾脏的全部生理功能，它仅能协助 清除体内大部分代谢废物，并调节水、电解质及酸碱平衡。 人工肾要完成血液在体外循环的透析过程，必须具备合乎 要求的血液管道、人工肾机(透析液供给装置)和透析器。 血液管道包括血液进出透析器的管道系统。组成管壁的材

34、料具有良好的血液相容性，以减少血液有形成分遭受破坏。管 腔内径为45mm，保证足够的血液循环量。血泵用于管道增厚 部分，增加血压。备有注射肝素、输液等分管及排气、滤过等 回血装置。 Company Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-人工器官人工器官 人工肾机：包括透析液的供给与循环系统和自动监护系统。 透析液根据是否需预先人工配制分为有半自动型和全自动型。 透析液的流程两种方式： 1、单流程式，亦称单通道式：指透析液经透析器流出后即废 弃。优点为流程简单、透析效果较好，缺点是透析液量大、费 用贵、供液装置和储水槽体积较大、不易搬动。 2、再循环式：指透析液经透析器流出后，再引入净化吸

35、附装 置处理，然后供连续循环使用。加有净化器(吸附筒)。优点为 减少透析液的用量，缩小透析液供给装置的体积。 自动监护装置包括血路监护报警(动脉压报警、静脉压报 警等)和透析液路监护报警(温度报警、透析液流量报警等)。 Company Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-人工器官人工器官 透析器：包括血液进出透析器的管道系统、各种材料的透析 膜和透析液进出透析器的管道系统。 透析器的效能应考虑血液在透析器内流动途径、阻力、 透析膜和透析液接触面积及透析膜材料等因素。 透析膜是一种以浓度差为推动力的分离膜。根据分离的 溶质的粒径，要求透析膜上有相适应的孔径均匀的微孔。膜 孔径在3m以下的

36、有机高聚物的均质膜， 是一类不带电荷的多孔膜，目前主要用于 人工肾。常用的制备材料纤维素和聚合物， 如铜氨法再生纤维素、醋酸纤维素、聚丙 烯腈、乙烯-乙烯醇共聚物以及聚甲基丙烯 酸甲酯、聚砜、聚丙烯酰胺等。 Company Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-人工器官人工器官 透析作用是血液与透析液之间通过透析膜进行弥散、渗透 和滤过的一个过程。因此，透析膜是透析器的重要组成部分， 对其基本要求是： 1、半透膜、无毒性、表面光洁，有抗凝血和良好的血液相容 性。 2、孔径应不超过3m，使中、小分子量物质可自由通过，而 对血液中血细胞、血小板、白蛋白等分子量在35,000以上物质 则不能通

37、过。 3、透析膜厚度较薄(1020m)，能耐受 一定压力(500mmHg以上)以增加透析效 果和防止透析过程中破膜引起溶血和失 血。 Company Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-人工器官人工器官 人工骨：用人工材料制造的人骨的替代品或者骨折固定的材料。 高分子合成材料：聚甲基丙烯酸甲酯、高密度聚乙烯、聚砜、聚左 旋乳酸、乙醇酸共聚物、液晶自增强聚乳酸、自增强聚乙醇酸等； 无机材料：羟基磷灰石、氧化铝生物陶瓷等，可以替代人体头盖骨、 肩、臂、指、肥肉关节等。 理想的人工骨复合材料应该具有良好的生物相容性和生物可降 解性，并能够促进新骨细胞的生成。 磷酸三钙人工骨材料是目前研究和应

38、用较多的骨替代材料之一， 其理化性质与骨组织相似，生物相容性良好，具有一定的传导成骨 能力，并能在体内进行生物降解。但是磷酸三钙一般呈颗粒状，在 缺损骨组织部位很难成型，其应用有一定的局限性。 Company Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-人工器官人工器官 人工器官的主要研究方向： 生物相容性表面技术：主要是梯度修饰，通过组装、修饰材料 的表面，提高人工组织与人工器官表面与整体的生物相容性。 精密加工技术：是人工器官在体内长期安全有效发挥功能的重 要保证。如体内植入支架、接入导管球囊与管体的连接，眼内 人工晶体的成型等。 组织工程中的转基因技术：降低宿主免疫排斥反应. 组织工程网

39、络构架的生物活性组装与表面修饰：调控细胞生长 速度与构造，组装与修饰分子层的厚度和生长因子表面与微环 境的浓度，通过界面技术和生物降解等缓释技术加以调控。 组织工程网络构架在低重力效应下细胞和组织三维培养技术和 装置的研究。 Company Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-药物载体药物载体 药用功能材料：即医药用仿生材料，又称为生物医药材料， 用于与生物系统接触并发生相互作用，能够对细胞、组织和 器官进行诊断治疗、替换修复或诱导再生的天然或人工合成 的特殊功能材料。 按其应用可分为不直接与人体接触的、与人体组织接触 的和进入人体内的三大类。根据材料的属性可分为医用金属 材料、医用无

40、机非金属材料或称为医用陶瓷、医用复合材料 和医用高分子材料。 绝大多数属功能高分子范畴，有的具有人体组织或器官 的某些功能；有的利用其物理化学性能阻止或疏通某些功能 障碍，使之恢复其正常功能；有的只作为医疗器械使用。 Company Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-药物载体药物载体 按照功能分类，医用高分子材料主要应用于人造器官 和治疗用材料。第一类是具有药埋活性的高分子，药物处 于高分子链时才具有活性。第二类指高分子载体药物，多 为低分子药物，以化学方式连接在高分子长链上。第三类 是微胶囊化的低分子药物，以高分子材料为可控释放膜， 将具有药埋活性的低分子药物包裹在高分子中，以提高

41、药 物的治疗效果。 Company Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-药物载体药物载体 药用功能材料的基本性能要求 （1）化学性能稳定，对人体的血液、体液等无影响，不形 成血栓等不良反应。例如聚氨酯中所含的酰胺基团技艺水解， 在体内会降解而失去强度，经嵌段改性后，化学稳定性提高。 （2）材料与人体的组织相容性良好，不会引起炎症或其他 排异反应。 （3）无致癌性，耐生物老化，长期放置体内的材料其物理 机械性能不发生明显变化。 （4）不因高压蒸煮、干燥灭菌、药液等消毒措施而发生质 变。例如蒸汽灭菌的温度一般在120140，不能选用软化 点低于此温度的材料。 Company Logo 生物

42、医学功能材料生物医学功能材料-药物载体药物载体 高分子药物控制释放体系的特点：药物释放到环境中的浓 度比较稳定；能十分有效地利用药物；能够让药物的释放 部位尽可能接近病源，提高了药效，避免发生全身性的副 作用；可以减少用药次数。 缓控释制剂主要由骨架型和贮库型两种。 药物以分子或微晶、微粒的形式均匀分散在各种载体 材料中，则形成骨架型缓、控释制剂； 药物被包裹在高分子聚合物膜内，则形成贮库型缓、 控释制剂。 两种类型的缓、控释制剂所涉及的释药原理主要有溶 出、扩散、溶蚀、渗透压或离子交换作用。 Company Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-药物载体药物载体 扩散原理：以扩散为主的

43、缓、控释制剂，药物首先溶解 成溶液后再从制剂中扩散出来进入体液，其释药受扩散 速率的控制。 药物的释放以扩散为主的结构有以下几种：水不溶 性包衣膜，如乙基纤维素包衣的微囊或小丸制剂；含水 性孔道的包衣膜，如乙基纤维素与甲基纤维素混合组成 的膜材；骨架型的药物扩散，通过骨架中许多弯弯曲曲 的孔道扩散进行的。 利用扩散原理达到缓、控释作用的方法：包衣、制成 微囊、制成不溶性骨架片剂、增加粘度以减少扩散速度、 制成植入剂、制成乳剂。 Company Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-药物载体药物载体 溶出原理：溶出速度慢的药物显示出缓释的性质。根据溶 出速度公式，通过减少药物的溶解度，增大

44、药物的粒径， 以降低药物的溶出速度，达到长效作用。具体方法有制成 溶解度小的盐或酯；与高分子化合物生成难溶性盐；控制 粒子大小。 溶蚀与扩散、溶出结合：释药系统决大多数取决于溶出或 扩散过程，但某些骨架型制剂，骨架本身也处于溶蚀的过 程，结果使药物扩散的路径长度改变，形成移动界面扩散 系统。此类系统的优点在于材料的生物溶蚀性能不会最后 形成空骨架，缺点则是由于影响因素多，其释药动力学较 难控制。 Company Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-药物载体药物载体 渗透压原理：利用渗透压原理制成的控释制剂，能均匀恒速 地释放药物，比骨架型缓释制剂更为优越。只要膜内药物维 持饱和溶液状态

45、，释药速率恒定。 此类系统的优点在于其可传递体积较大，理论上，药物 的释放与药物的性质无关，缺点是造价贵，另外对溶液状态 不稳定的药物不适用。 离子交换作用：由水不溶性交联聚合物组成的树酯，其聚合 物链的重复单元上含有成盐基 团，药物结合于树脂上。当带 有适当电荷的离子与离子交换 基团接触时，通过交换将药物 游离释放出来。 Company Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-药物载体药物载体 高分子微胶囊药物释放体系可分为贮存式和基体式两 种结构。 贮存式结构的药物集中在内层，其外层为由高分子材 料制成的膜，用于该控释系统的高分子材料一般为疏水性 线形生物降解高分子，包埋药物后制成埋植

46、剂、微球制剂。 基体式结构的药物则是均匀地分散于微胶囊内，其药 物可以呈单分散，也可以呈一定聚集态结构分散于高分子 基体中，药物通过扩散作用并协同高分子的降解作用释放。 可以选择疏水性生物降解性高分子或水凝胶作为基 质，特别是水凝胶由于其良好的生物相容性和释放行为的 可控性而成为药控研制的热点。 Company Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-药物载体药物载体 理想的药物释放体系，通常应当满足将药物传送到作 用部位；在达到要求疗效的前提下，药物投放量最小， 药物的毒副作用最小； 安全； 服用方便，易被患者 接受； 在通常的环境下具有一定的物理和化学稳定性。 目前常用的五类药物的给药

47、途径为： 通过胃肠消 化道给药； 体内给药(包括眼内、口、舌下、鼻腔、直 肠以及阴道、子宫内给药)； 透皮给药；动脉注射及 静脉点滴； 皮下及肌肉注射。 通过合适的给药途径，可使药物释放达到较为理想 的效果。 Company Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-药物载体药物载体 高分子药物胶囊可大大减少服药次数，屏蔽药物的刺 激性气味、延长药物的活性、控制药物释放剂量、提高药 物疗效，因此具有比一般药物制剂明显的优越性 微胶囊化的具体制备方法一般有以下几种： 化学方法：包括界面聚合法、原位聚合法、聚合物快速 溶解法、气相表面聚合法等。 物理化学方法：包括水溶液中相分离法、有机溶剂中相

48、分离法、溶液中干燥法、溶液蒸发法、粉末床法等。 物理方法：空气悬浮涂层法、喷雾干燥法、真空喷涂法、 静电气溶胶法、多孔离心法等。 物理方法需要较复杂的设备，投资较大，而化学方法 和物理化学方法一般通过反应釜即可进行，应用较多。 Company Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-药物载体药物载体 界面聚合法：将两种带不同活性基团的单体分别溶于两种 互不相容的溶剂中，当一种溶液分散到另一种溶液中时， 在两种溶液的界面上形成了一层聚合物膜。 如果被包裹物是亲油性的，应将被包裹物和油溶性单 体先溶于有机溶剂，然后将此溶液在水中分散成很细的液 滴。再在不断搅拌下往永相中加入含有水溶性单体的水溶

49、 液，于是在液滴表面上很快生成一层很薄的聚合物膜。经 沉淀、过滤和干燥后，便得到包有液滴的微胶囊 如果被包 裹的是水溶性物，则整个过程正好与上述方法相反。 常用的活性单体有多元醇、多元胺、多元酚和多元酰 氯、多异氰酸酯等。界面聚合法所得微胶囊的壁很薄，为 0.00l0.011微米，被包裹物渗透性较好。 Company Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-药物载体药物载体 水(油)中相分离法：将聚合物溶于适当介质(水或有机溶剂)， 并将被包裹物分散于该介质中，然后向介质中逐步加入聚 合物的非溶剂，使聚合物从介质中凝聚出来，沉积在被包 裹物颗粒表面而形成微胶囊。 溶液干燥法：使被包裹物溶液

50、与聚合物溶液形成乳液，再 将这种乳液分散于水或挥发性溶剂，形成复合乳液。然后 通过加热、减压、萃取、冷冻等方法除去溶解聚合物的溶 剂，则聚合物沉积于被包裹物表面，形成微胶囊。 气相表面聚合法：把气化的自由基(活性单体)沉积在固体颗 粒表面上使之聚合。如对苯二撑气化后，导人放有Mg粉的 小室，冷却后，对苯二撑自由基就沉积在Mg粉的表面上聚 合形成包裹层(微胶囊)。Mg经包覆后，在空气下不吸湿。 Company Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-药物载体药物载体 喷雾干燥法：分为水溶液系统、有机溶液系统和胶囊浆系统。 水溶液系统：被包裹的物质(芯材)是不溶于水的固体颗粒或液体， 包埋芯材

51、的材料(壁材)是水溶性材料，芯材分散或乳化于壁材的水 溶液中，构成起始溶液。该溶液在喷雾干燥器内雾化形成小液滴， 芯材被水相包裹起来，水分由于高温而挥，壁材在芯材表面成膜 将芯材包埋，形成微胶囊。 有机溶液系统：壁材是不溶于水的材料，芯材既可以是不溶于水 的材料，也可以是溶于水的或与水反应的材料，壁材的载体溶剂 是某种有机溶剂。 胶囊浆系统：通过相分离法微胶囊化得到的微胶囊的分散液，将 其喷雾干燥，可得到微胶囊粉末。此方法得到很小粒径的微胶囊， 包埋效率很高，但包埋成本也较高，适台于对失重产品或高附加 值的产品进行包埋。 Company Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-药物载体药物

52、载体 原位聚合法：单体、引发剂或催化剂以原位处于同一介质 中，然后向介质中加入单体的非溶剂，使单体沉积在原位 颗粒表面上，井引发聚合，形成微胶囊。也可将上述溶液 分散在另一不溶性介质中，并使其聚合。在聚合过程中， 生成的聚合物不溶于溶液，从原位液滴内部向液滴表面沉 积成膜，形成微胶囊。 原位聚合法要求被包裹物可溶于介质中，而聚合物则 不溶解。其适用面相当广泛，任何气态、液态，水溶性和 油溶性的单体均可适用甚至可用低分子量聚合物、预缩 聚物代替单体。 为了使被包裹物分散均匀，在介质中还常加入表面活 性剂或聚乙烯醇、二氧化硅胶体等作为保护胶体。 Company Logo 生物医学功能材料生物医学功

53、能材料-药物载体药物载体 高分子微胶囊的药物释放机制分为程序式药物脉冲 释放体系和智能式药物脉冲释放系统。 程序式药物脉冲释放系统设计的关键在于能控制药 物释放的滞后时间及药物释放的持续时间。药物释放滞 后时间的控制方法有以油膏状生物降解聚合物如聚原 酸酯作为大分子药物的载体材料阻止内部药物的扩散释 放，直到聚合物降解到一定分子量； 利用不载药的膜 层或聚合物层阻止内层药物的扩散释放，直到膜破裂或 聚合物层融蚀掉。 药物释放持续时间的控制方法有利用聚合物融蚀速 度控制和利用药物在水凝胶中的扩散释放速度控制。 Company Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-药物载体药物载体 例如：利

54、用聚原酸酯作为蛋白质的载体材料制成了一种 蛋白质药物脉冲释放系统。当聚原酸酯降解到一定分子量时， 药物在聚原酸酯中的扩散系数增大，开始从系统中释放，并 随聚原酸酯的进一步降解而逐步释放。改变聚原酸酯的结构 或分子量可改变药物释放的滞后时间及药物释放的持续时间。 智能式药物脉冲释放系统根据信号的来源可分为外部调 节的药物脉冲释放系统和体内自身调节的药物脉冲释放系统。 ERIPS控释系统信号有光、电、磁、超声波等。如一种由 两种水溶性的聚合物-聚甲基丙烯酸及聚乙基嚼唑啉组成的电 融蚀高分子在pH低于5.0时会通过氢键作用形成不溶于水的 Company Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-药

55、物载体药物载体 复合物，当pH增大到5.4后，复合物离解成水溶性聚合物。用这 种复合物做成药物载体在交变电场作用下，由于阳极附近pH升高， 复合物逐渐溶解而使药物释放出来。 SRIPRS控制系统根据药物释放速度受信号影响程度可分为 调节型及触发型。调节型是在体内信号的刺激下系统释放出一部 分药物，随着信号减弱乃至消失，逐渐减少乃至停止释放药物； 触发型为当系统受到体内信号的刺激时，释放出内部所有药物。 如一种最内层为低pH下不溶解而高pH下可溶解的生物融蚀 性聚合物，第二层为一种酶降解的酸性水凝胶，水解酶包埋于其 中的材料可以作为戒毒药品。最外层为酶不能透过而小分子可以 自由透过的膜。酶在体内

56、毒品浓度较低时活力丧失，而当毒品达 到一定浓度时酶活力恢复将水凝胶降解。 Company Logo 生物医学功能材料生物医学功能材料-药物载体药物载体 在药物制剂方面，传统的给药方式如使用片剂、胶囊及 注射剂等，存在一些缺点，比如给药后血药浓度起伏较大， 药物作用缺乏靶向特异性等，这些会严重影响治疗效果。药 物控制释放载体是智能材料发展的一个重要方向。 智能药物控制释放体系：能够按照局部病变的特殊环境，如 温度、pH值、光、磁场或生物分子等的的区别而作出反应， 实现对药物释放的信号控制，达到定时定位地释放药物的效 果。 1、pH敏感型药物释放体系 人体生理环境下不同部位的pH值有所差别，如胃液中胃 酸的pH值约为1.0-1.5，小肠中的pH值约为6.0-6.8，而结肠