高分子和生物体系的相互作用

1、生物高分子及制品生物高分子及制品 内容内容 第一章第一章 绪论绪论 第二章第二章 高分子和生物体系的相互作用高分子和生物体系的相互作用 第三章第三章 生物相容性材料生物相容性材料 第四章第四章 人工器官用材料人工器官用材料 第五章第五章 医疗诊断用高分子材料医疗诊断用高分子材料 第六章第六章 药物缓释药物缓释 第七章第七章 材料的安全性评价材料的安全性评价 第八章第八章 介绍医用高分子材料的构造、形态、机能介绍医用高分子材料的构造、形态、机能 和医用材料的设计和医用材料的设计 第二章第二章 高分子和生物体的相互作用高分子和生物体的相互作用 2.1 2.1 医用高分子的基本功能医用高分子的基本功

2、能 v医用高分子材料多用于人体，直接关系医用高分子材料多用于人体，直接关系 到人的生命和健康，因此对医用高分子到人的生命和健康，因此对医用高分子 材料的性能有一些一般，但相对于通用材料的性能有一些一般，但相对于通用 高分子材料特殊的要求。高分子材料特殊的要求。 安全性、物理化学和机械性能、适应性安全性、物理化学和机械性能、适应性 、 特殊功能。特殊功能。 第二章第二章 相互作用相互作用 第二章第二章 高分子和生物体的相互作用高分子和生物体的相互作用 2.1 2.1 医用高分子的基本功能医用高分子的基本功能 v 物理功能物理功能 v 物理化学功能物理化学功能 v 生物体适应的种类生物体适应的种类

3、 第二章第二章 相互作用相互作用 生物医用材料设计和制造的目的生物医用材料设计和制造的目的: : 就是能够代替脏器的功能，或具有与脏就是能够代替脏器的功能，或具有与脏 器相对应的功能。器相对应的功能。 目前，合成医用材料的物理和化学目前，合成医用材料的物理和化学 性能一般都能够达到所必须的要求；性能一般都能够达到所必须的要求； 还必须具有更高层次的性能，如考还必须具有更高层次的性能，如考 虑与生物体成分的相互作用等。虑与生物体成分的相互作用等。 第二章第二章 相互作用相互作用 生物功能性分类生物功能性分类 物理功能物理功能 物理化学功能物理化学功能 高层次生物功能高层次生物功能 第二章第二章

4、相互作用相互作用 生物功能性分类生物功能性分类-1-1 v物理功能物理功能 内容内容 应用举例应用举例 强度支持，构造保持强度支持，构造保持 人工骨，人工牙人工骨，人工牙 齿，人工关节齿，人工关节 被覆，锁闭被覆，锁闭 损伤皮肤表面，组织损损伤皮肤表面，组织损 伤部位闭合，缝合线，伤部位闭合，缝合线， 卡钉，骨钉卡钉，骨钉 第二章第二章 相互作用相互作用 生物功能性分类生物功能性分类-1-1 v物理功能物理功能 内容内容 应用举例应用举例 管道，泵，瓣膜，管道，泵，瓣膜， 人工血管，人工食道，人工血管，人工食道， 阀阀 人工气管，分路器，人人工气管，分路器，人 工心脏，人工瓣膜工心脏，人工瓣膜

5、 电学性质电学性质 探测器探测器 光学性质光学性质 人工眼球，隐形眼镜人工眼球，隐形眼镜 第二章第二章 相互作用相互作用 生物功能性分类生物功能性分类-2-2 v化学功能化学功能 内容内容 应用举例应用举例 第二章第二章 相互作用相互作用 接合，填充，接合，填充， 物质移动，物质移动， 选择吸附选择吸附 骨水泥，医用粘合剂骨水泥，医用粘合剂， 血液净化，人工肺，隐形眼镜血液净化，人工肺，隐形眼镜 人工肝，免疫吸附人工肝，免疫吸附 生物功能性分类生物功能性分类-3-3 v高层次生物功能高层次生物功能 内容内容 应用举例应用举例 第二章第二章 相互作用相互作用 化学测量，化学测量， 化学反应，化学

6、反应， 生物功能生物功能 生物传感器，生物传感器， 生物反应器，生物反应器， 杂化人工器官杂化人工器官 2.1.1 物理机能物理机能 vA 力学性质力学性质 医用材料的种类很多，如人工器官、软医用材料的种类很多，如人工器官、软 组织材料、硬组织材料，牙科、骨科、整形组织材料、硬组织材料，牙科、骨科、整形 外科等用的材料，都要求具有一定的力学性外科等用的材料，都要求具有一定的力学性 能。能。 研究生物材料力学性能的专门学科研究生物材料力学性能的专门学科 生物力学。生物力学。 第二章第二章 相互作用相互作用 2.1.1 物理机能物理机能 vA 力学性质力学性质 生物力学生物力学是应用力学原理和方法

7、对生物是应用力学原理和方法对生物 体中的力学问题定量研究的生物物理学分支。体中的力学问题定量研究的生物物理学分支。 其研究范围从生物整体到系统、器官其研究范围从生物整体到系统、器官(包括血包括血 液、体液、脏器、骨骼等液、体液、脏器、骨骼等)，从鸟飞、鱼游、，从鸟飞、鱼游、 鞭毛和纤毛运动到动物体液的输运等。鞭毛和纤毛运动到动物体液的输运等。 第二章第二章 相互作用相互作用 2.1.1 物理机能物理机能 vA 力学性质力学性质 生物力学生物力学的基础是能量守恒、动量定律、的基础是能量守恒、动量定律、 质量守恒三定律并加上描写物性的本构方程。质量守恒三定律并加上描写物性的本构方程。 生物力学研究

8、的重点是与生理学、医学有关生物力学研究的重点是与生理学、医学有关 的力学问题。的力学问题。 第二章第二章 相互作用相互作用 2.1.1 物理机能物理机能 vA 力学性质力学性质 生物力学生物力学根据研究对象的不同可分为生根据研究对象的不同可分为生 物流体力学、生物固体力学和运动生物力学物流体力学、生物固体力学和运动生物力学 等。等。 医用高分子材料所涉及的力学性质属于医用高分子材料所涉及的力学性质属于 “生物固体力学生物固体力学”范围。范围。 第二章第二章 相互作用相互作用 人工牙齿人工牙齿 第二章第二章 相互作用相互作用 人工股骨置换人工股骨置换 第二章第二章 相互作用相互作用 骨科用的材料

9、要求具有比较高的强度。骨科用的材料要求具有比较高的强度。 粘弹性粘弹性高分子材料。高分子材料。 开裂变形：在一定的负荷应力作用下，开裂变形：在一定的负荷应力作用下， 材料随着时间的变形现象。材料随着时间的变形现象。 应力松弛应力松弛 粘弹性材料应力速度依赖性。粘弹性材料应力速度依赖性。 第二章第二章 相互作用相互作用 第二章第二章 相互作用相互作用 表表2-2 人体牙齿、牙周支持组织的弹性模量及泊松人体牙齿、牙周支持组织的弹性模量及泊松 比与部分高分子材料的比较比与部分高分子材料的比较 材料材料弹性模量弹性模量 （GPa） 泊松比泊松比材料材料弹性模量弹性模量 （GPa） 泊松比泊松比 牙齿牙

10、齿20.290.3尼龙尼龙2.80.4 皮质骨皮质骨23.230.3硬橡胶硬橡胶2.80.43 松质骨松质骨78.40.3低压聚乙烯低压聚乙烯0.9 牙周膜牙周膜0.0690.45聚砜聚砜2.5 聚碳酸酯聚碳酸酯2.2 vB 涂覆和修复机能涂覆和修复机能 皮肤表面损伤后的涂覆和损伤裂口的皮肤表面损伤后的涂覆和损伤裂口的 修复。修复。 材料的要求：强度要求不高，但要求材料的要求：强度要求不高，但要求 具有一定的柔软性，皮肤涂覆材料与正具有一定的柔软性，皮肤涂覆材料与正 常皮肤的伸缩性的要求。常皮肤的伸缩性的要求。 材料的来源：生物由来的材料比较合材料的来源：生物由来的材料比较合 适。适。 第二章

11、第二章 相互作用相互作用 第二章第二章 相互作用相互作用 生物软组织与合成高分子材料的最大生物软组织与合成高分子材料的最大 区别：生物体软组织材料的水分含量特区别：生物体软组织材料的水分含量特 别高。别高。 第二章第二章 相互作用相互作用 损伤部位的修复材料是与生物体本身损伤部位的修复材料是与生物体本身 的组织进行物理结合。例如缝合线，目的组织进行物理结合。例如缝合线，目 前用生物可降解性材料，在伤口愈合后前用生物可降解性材料，在伤口愈合后 自身降解，被生物体吸收。自身降解，被生物体吸收。 第二章第二章 相互作用相互作用 vC 导管、泵类导管、泵类 人工血管，食人工血管，食 管和气管等要求必须

12、管和气管等要求必须 具有一定的柔软性。具有一定的柔软性。 特别是人工血管和气特别是人工血管和气 管必须与宿主材料的管必须与宿主材料的 力学特性一致。所使力学特性一致。所使 用材料的弹性也需要用材料的弹性也需要 一致。一致。 第二章第二章 相互作用相互作用 Lifespan膨膨 体聚氟乙烯体聚氟乙烯 （ePTFE） 人工血管人工血管 第二章第二章 相互作用相互作用 Albograft涤纶人工血管涤纶人工血管 第二章第二章 相互作用相互作用 第二章第二章 相互作用相互作用 人工血管一般有三个基本性能人工血管一般有三个基本性能 强度。强度。 孔度：孔度：在在120mmHg（1mmHg =01133k

13、Pa）压）压 力下，每平方厘米人工血管每分钟漏血量称为力下，每平方厘米人工血管每分钟漏血量称为 孔度。孔度。 顺应性顺应性 ：人体动脉管腔随血压变化而出现的人体动脉管腔随血压变化而出现的 “脉动脉动”对稳定血流起着重要作用。同样，人对稳定血流起着重要作用。同样，人 工血管管壁也应具备随血流压力出现相应的收工血管管壁也应具备随血流压力出现相应的收 缩和舒张能力，这种在压力变化下出现的容积缩和舒张能力，这种在压力变化下出现的容积 变化称为顺应性。变化称为顺应性。 第二章第二章 相互作用相互作用 顺应性顺应性 表表2-3 各类人工血管材料顺应性各类人工血管材料顺应性 名称名称顺应性顺应性(%) 针织

14、涤纶针织涤纶1. 97 凝胶涂层涤纶凝胶涂层涤纶0. 90 机织涤纶机织涤纶0. 80 聚氨酯聚氨酯(中孔型中孔型) 2. 90 标准标准ePTFE0. 22 薄型薄型ePTFE0. 60 人体股动脉人体股动脉4. 10 vD 电性能电性能 对生物体组织直接使用电刺激时，使对生物体组织直接使用电刺激时，使 用金属导线，与体液等必须绝缘，因此用金属导线，与体液等必须绝缘，因此 在金属材料表面必须有高分子材料绝缘。在金属材料表面必须有高分子材料绝缘。 第二章第二章 相互作用相互作用 vE 光学性能光学性能 眼科用的高分子材料。要求材眼科用的高分子材料。要求材 料的光学性能与眼睛某些部位的料的光学性

15、能与眼睛某些部位的 一致。包括角膜和水晶体的曲折一致。包括角膜和水晶体的曲折 率、曲率半径和厚度：率、曲率半径和厚度： 第二章第二章 相互作用相互作用 曲折率：曲折率： 水晶体水晶体1.386-1.406， 角膜角膜 1.376， 泪液泪液 =房水房水=销子体销子体=1.336。 高分子材料高分子材料PMMA的曲折率为的曲折率为1.49。 第二章第二章 相互作用相互作用 第二章第二章 相互作用相互作用 2.1.2 物理化学机能物理化学机能 vA 接合、填充接合、填充 使用生物接合剂的领域：血管外科、使用生物接合剂的领域：血管外科、 消化器外科、形成外科、脑神经外科、消化器外科、形成外科、脑神经

16、外科、 整形外科、牙科等领域。整形外科、牙科等领域。 第二章第二章 相互作用相互作用 2.1.2 物理化学机能物理化学机能 接合的机理：接合的机理： 一次结合力：共有结合，一般是化学结一次结合力：共有结合，一般是化学结 合合 二次结合力：主要是氢键和分子间的相二次结合力：主要是氢键和分子间的相 互作用力；互作用力； 三次结合力：一般是指机械的镶嵌等。三次结合力：一般是指机械的镶嵌等。 第二章第二章 相互作用相互作用 第二章第二章 相互作用相互作用 vB 物质的移动物质的移动 血液中病因物质如尿素、肌肝血液中病因物质如尿素、肌肝 等清除用的血液透析膜。血液中二等清除用的血液透析膜。血液中二 氧化

17、碳清除的人工肺等。牵涉到物氧化碳清除的人工肺等。牵涉到物 质的移动。质的移动。 第二章第二章 相互作用相互作用 v扩散系数：扩散系数： JA=-DAdcA/dZ=-DA(c1-c2)/ZM 这里这里DA为扩散系数（为扩散系数（Diffusion coefficient），），dcA/dZ为为Z方向的浓方向的浓 度微分，度微分，ZM膜的厚度，膜的厚度，c1，c2分别分别 为膜两边的浓度。为膜两边的浓度。 第二章第二章 相互作用相互作用 第二章第二章 相互作用相互作用 vC 选择性吸附选择性吸附 医用材料表面对蛋白质的吸附。医用材料表面对蛋白质的吸附。 Langmuir式式 v=vm*ac/(1+

18、ac) Freundlich式式 v=ac1/b Frumkin-Chomkin式式 v=a*ln(bc) 这里这里v为吸附量，为吸附量，vm为平衡吸附量；为平衡吸附量；a、b、c均为均为 系数。系数。 高 分 子 材 料 表 面 对 蛋 白 质 的 吸 附 一 般 为高 分 子 材 料 表 面 对 蛋 白 质 的 吸 附 一 般 为 Langmuir吸附。吸附。 第二章第二章 相互作用相互作用 第二章第二章 相互作用相互作用 v吸附分离是利用吸附剂和被分离吸附分离是利用吸附剂和被分离 物质的分子间的相互作用达到对物质的分子间的相互作用达到对 该物质的吸附分离。该物质的吸附分离。Van der

19、Van der WaalsWaals力和静电力利用的非特异性力和静电力利用的非特异性 分离，多孔性的非特异分离。有分离，多孔性的非特异分离。有 时也存在一定的特异分离。发生时也存在一定的特异分离。发生 化学结合一般都是特异性分离。化学结合一般都是特异性分离。 第二章第二章 相互作用相互作用 2.1.3 生物体适应的种类生物体适应的种类 第二章第二章 相互作用相互作用 根据生物进化学说，发展到今天的生物都具根据生物进化学说，发展到今天的生物都具 有高度的适应性，也就是说生物体的结构与功能有高度的适应性，也就是说生物体的结构与功能 是适应的，它是适应的，它对内能协调统一对内能协调统一，对外能适应复

20、杂对外能适应复杂 多变的环境多变的环境。 DNADNA分子分子独特的双螺旋结构，适应它的两独特的双螺旋结构，适应它的两 个重要功能，即个重要功能，即自我复制自我复制遗传信息的传递，遗传信息的传递， 控制蛋白质的合成控制蛋白质的合成遗传信息的表达。遗传信息的表达。 2.1.3 生物体适应的种类生物体适应的种类 第二章第二章 相互作用相互作用 动物的适应动物的适应:保护色、警戒色、拟态保护色、警戒色、拟态 2.1.3 生物体适应的种类生物体适应的种类 v适应性适应性 种类种类 方法方法 表面的表面的 非刺激性非刺激性 材料表面性质的控制材料表面性质的控制 （抗血栓性）（抗血栓性） 抗血栓性物质的利

21、用抗血栓性物质的利用 组织接着性组织接着性 软组织接着表面的形成软组织接着表面的形成 硬组织接着表面的形成硬组织接着表面的形成 本体的本体的 力学整合性力学整合性 柔软性、刚直性、强度柔软性、刚直性、强度 设计的调和性设计的调和性 置入材料置入材料 第二章第二章 相互作用相互作用 2.2 生体反应生体反应 是指生物体与材料的相互作用。高是指生物体与材料的相互作用。高 分子材料溶出的低分子量物质，会引起分子材料溶出的低分子量物质，会引起 生物体的全身反应。生物体的全身反应。 v2.2.1生物相容性的概念生物相容性的概念 生物体与材料之间的相互作用就是与生物体与材料之间的相互作用就是与 生物相容性

22、相关的问题。生物相容性相关的问题。 第二章第二章 相互作用相互作用 v生物相容性是研究生物材料时最先而又为生物相容性是研究生物材料时最先而又为 生物材料学专家们所观注的课题，前面生生物材料学专家们所观注的课题，前面生 物安全性指标中涉及的，如材料的溶血性、物安全性指标中涉及的，如材料的溶血性、 过敏性、皮内刺激、包埋实验、骨髓细胞过敏性、皮内刺激、包埋实验、骨髓细胞 微核试验和细胞培养实验等内容，实际上微核试验和细胞培养实验等内容，实际上 也属于生物相容性的范畴。也属于生物相容性的范畴。 第二章第二章 相互作用相互作用 v生物相容性的具体内容最初仅指材料表面生物相容性的具体内容最初仅指材料表面

23、 的抗凝性，但随着人工肾和血液净化治疗的抗凝性，但随着人工肾和血液净化治疗 的发展，由于血液透析过程中出现的发展，由于血液透析过程中出现“首次首次 使用综合症，使用综合症，FUS”，因而对生物材料，特，因而对生物材料，特 别是分离膜的生物相容性便逐渐扩大到对别是分离膜的生物相容性便逐渐扩大到对 机体免疫系统的影响及其临床后果等范围。机体免疫系统的影响及其临床后果等范围。 第二章第二章 相互作用相互作用 Biocompatibility testing vBiocompatibility testing is an integral part of biomaterials. If the pa

24、rt works perfectly in the lab, but causes damage once inside the body, the effects could be catastrophic. Testing ranges from the very simple blood test to more intricate testing with tissue cultures. 第二章第二章 相互作用相互作用 生物相容性的定义生物相容性的定义 v1994年在生物相容性统一观点的会议记录中，年在生物相容性统一观点的会议记录中， 建议生物相容性可定义为：建议生物相容性可定义为：

25、“在特殊应用中，在特殊应用中， 材料、医用装置，或治疗系统能完成其功能，材料、医用装置，或治疗系统能完成其功能， 但又不会在临床上明显地引起宿主的反应但又不会在临床上明显地引起宿主的反应”。 v与血液接触的生物材料，主要是血液相容性与血液接触的生物材料，主要是血液相容性 第二章第二章 相互作用相互作用 v材料表面在与血液接触时，机体的材料表面在与血液接触时，机体的凝凝 血系统，血系统，溶纤系统，溶纤系统，激肽系统和激肽系统和 补体系统将产生一系列的防御反应，各补体系统将产生一系列的防御反应，各 系统之间又有相关联的反应，其中补体系统之间又有相关联的反应，其中补体 在血液净化过程中因活化而产生的

26、在血液净化过程中因活化而产生的C3b, iC3b, C5a, 和和C5a des arg等降解产物会等降解产物会 进一步引起一系列的临床过敏反应和后进一步引起一系列的临床过敏反应和后 果。果。 第二章第二章 相互作用相互作用 第二章第二章 相互作用相互作用 第二章第二章 相互作用相互作用 第二章第二章 相互作用相互作用 v血液血液生物材料相互作用的测定表明生物材料相互作用的测定表明 有关的特征是蛋白吸附、血小板反应、有关的特征是蛋白吸附、血小板反应、 内源性凝血、纤溶活化、红细胞、白细内源性凝血、纤溶活化、红细胞、白细 胞和补体激活。影响临床应用的是生物胞和补体激活。影响临床应用的是生物 材料

27、血液反应的因素是生物材料的结构、材料血液反应的因素是生物材料的结构、 抗血栓物质，疾病和药物治疗所决定的抗血栓物质，疾病和药物治疗所决定的 病人状态。生物材料的评价方法采用临病人状态。生物材料的评价方法采用临 床、体内、半体内和体外方法，材料的床、体内、半体内和体外方法，材料的 开发用半体内和体外方法。开发用半体内和体外方法。 第二章第二章 相互作用相互作用 第二章第二章 相互作用相互作用 v(1) 抗凝性抗凝性 血液在与材料表面接触时：血液在与材料表面接触时： 材料表面很快吸附一层血蛋白，如能引起血材料表面很快吸附一层血蛋白，如能引起血 细胞粘附的白蛋白，纤维连接素，或引起止血细胞粘附的白蛋

28、白，纤维连接素，或引起止血 和形成血栓的纤维蛋白原、纤维蛋白、凝血酶、和形成血栓的纤维蛋白原、纤维蛋白、凝血酶、 接触因子接触因子、高分子量激肽酶原、高分子量激肽酶原Von Wilkbrand因子，或引起炎症和免疫反应的球蛋因子，或引起炎症和免疫反应的球蛋 白、免疫复合因子、补体碎片白、免疫复合因子、补体碎片C3b。这些血蛋白。这些血蛋白 在材料表面相互之间进行着动态的解吸和再吸在材料表面相互之间进行着动态的解吸和再吸 附的竞争。随着时间延长和其它因素的影响，附的竞争。随着时间延长和其它因素的影响， 被牢固吸附的血蛋白的构象发生改变。被牢固吸附的血蛋白的构象发生改变。 第二章第二章 相互作用相

29、互作用 v(1) 抗凝性抗凝性 血液在与材料表面接触时：血液在与材料表面接触时： 血小板和白细胞粘附在构象改变蛋白吸血小板和白细胞粘附在构象改变蛋白吸 附层上形成血小板栓子，附层上形成血小板栓子， 进一步将凝血系统活化并导致凝血酶产进一步将凝血系统活化并导致凝血酶产 生和形成纤维蛋白。生和形成纤维蛋白。 第二章第二章 相互作用相互作用 第二章第二章 相互作用相互作用 v血液动力学的情况直接影响到血栓的大血液动力学的情况直接影响到血栓的大 小、在血液净化系统中形成的部位，血小、在血液净化系统中形成的部位，血 栓的结构及其碎裂情况。栓的结构及其碎裂情况。 v在产生湍流的部位，如连接处、分离器在产生

30、湍流的部位，如连接处、分离器 内、血流管路缩小和分枝部位会形成大内、血流管路缩小和分枝部位会形成大 块的血栓沉积物，甚至可将整个循环系块的血栓沉积物，甚至可将整个循环系 统堵塞。统堵塞。 第二章第二章 相互作用相互作用 v(2) 对免疫系统的影响对免疫系统的影响 “首次使用综合症首次使用综合症”就是在使用铜芬就是在使用铜芬 膜后发现的，表现在引起机体产生一系膜后发现的，表现在引起机体产生一系 列防御反应，临床表现为轻者恶心、呕列防御反应，临床表现为轻者恶心、呕 吐、胸痛、呼吸困难、皮疹、麻疹等过吐、胸痛、呼吸困难、皮疹、麻疹等过 敏反应，重者则呈过敏性休克和其它病敏反应，重者则呈过敏性休克和其

31、它病 症。症。 Ringoir和和Vanholder在在1992年的综述性年的综述性 文章中，曾明确提出应当拒绝把铜芬膜文章中，曾明确提出应当拒绝把铜芬膜 一类的血液净化膜用于临床。一类的血液净化膜用于临床。 第二章第二章 相互作用相互作用 第二章第二章 相互作用相互作用 第二章第二章 相互作用相互作用 Biomaterial vThe definition of a biomaterial covers a broad area. In fact, any natural or synthetic material that interfaces with living tissue and

32、/or biological fluids may be classified as a biomaterial. Even common materials such as polyester have shown usefulness in some biomedical applications 第二章第二章 相互作用相互作用 Biocompatibility vIn order to define biocompatibility, it may be easier to define what it is not, rather than what it is. A biocompa

33、tible material disrupts normal body functions as little as possible. Therefore, the material causes no thrombogenic, toxic, or allergic inflammatory response when the material is placed in vivo. The material must not stimulate changes in plasma proteins and enzymes or cause an immunologic reaction,

34、nor can it instigate carcinogenic, mutagenic, or teratogenic (gross tissue change) effects. 第二章第二章 相互作用相互作用 Polymers vPolymers consist of small repeating units, or isomers, strung together in long chains. The flexible structure of polymers has enabled this group of materials to be useful in applicat

35、ions from plastic garbage bags to rubber tires. Even DNA has found this structure useful, storing genetic information in thousands upon thousands of repeating sequences of polymers. In many materials, processing conditions can induce the polymer chains to link with each other along the length of the

36、 chain to produce a wide variety of mechanical properties. This is known as cross-linking. Cross-linking can increase the density of materials to improve their strength and hardness; however, cross- linked materials often lose their flexibility and become more brittle. These parameters are easily va

37、ried in order to suit current biomedical applications. 第二章第二章 相互作用相互作用 polyethylene (PE) vThe wide use of polyethylene (PE) in medicine illustrates the versatility typical of a polymer. Depending on the processing of the material, PE can be elastic and flexible, or hard and smooth. Low-density polye

38、thylene serves as tubing in catheters, while ultra-high-molecular- weight (UHMW) polyethylene is one of the major articulating surfaces used in total hip or knee replacements. The smooth surface of UHMW creates extremely low friction with other materials and increases the durability of the artificia

39、l joint exponentially. 第二章第二章 相互作用相互作用 Hydrogels vHydrogels comprise another subdivision of this unique group of materials. These polymer structures form a hydrophilic cross-linked network that swells in water until an equilibrium is reached between the retractive force of the network and the thermo

40、dynamic swelling force. They can exist as homopolymers, copolymers, or multipolymers that are ionically neutral, anionic, cationic or ampholytic. In general, hydrogels exhibit good biocompatibility, low degradation, and processing ease. Hydrogels can be produced with a wide range of swelling charact

41、eristics, which play a major role in determining solute diffusion rates, surface properties, refractive indexes, and mechanical characteristics. Cellulose derivatives such as poly(vinyl alcohol) (PVA), poly(ethylene glycol) (PEG), and poly(N-vinyl 2-pyrrolidone) (PNVP) swell to a higher degree than

42、poly(hydroxyethyl methacrylate) (PHEMA) and its derivatives. 第二章第二章 相互作用相互作用 Biodegradable Polymers vNatural and synthetic biodegradable polymers have emerged in the field as reliable and effective materials for purposes that require only temporary stability in order to support tissue in growth. Bio

43、degradable polymers degrade when placed in the body while allowing functional tissue to grow in its place. The mechanism of degradation for these types of polymers includes hydrolytic instability, hydration, molecular backbone cleavage, loss of molecular weight, and solubilization. 第二章第二章 相互作用相互作用 生

44、物相容性及安全性生物相容性及安全性 v医用高分子首先应考虑的是该材料的生物安医用高分子首先应考虑的是该材料的生物安 全性和材料的生物相容性。全性和材料的生物相容性。 v用途不同，对医用高分子材料生物相容性的用途不同，对医用高分子材料生物相容性的 要求也有区别，如血液接触材料，血液相容要求也有区别，如血液接触材料，血液相容 性就变得特别重要，如血小板粘附。性就变得特别重要，如血小板粘附。 第二章第二章 相互作用相互作用 v随着对医用材料安全性和有效性的要求愈来随着对医用材料安全性和有效性的要求愈来 愈严格，和现代技术的不断发展，对医用高愈严格，和现代技术的不断发展，对医用高 分子材料生物安全性的

45、评价指标也在不断扩分子材料生物安全性的评价指标也在不断扩 大，生物相容性设计的内容也在扩大。大，生物相容性设计的内容也在扩大。 第二章第二章 相互作用相互作用 安全性生物学评价内容安全性生物学评价内容 细胞毒性细胞毒性 致敏致敏 刺激刺激 全身急性毒性全身急性毒性 溶血溶血 热原热原 遗传毒性、致癌性及生殖毒性遗传毒性、致癌性及生殖毒性 植入植入 血液相容性血液相容性 第二章第二章 相互作用相互作用 急急 性性 全全 身身 毒毒 性性 第二章第二章 相互作用相互作用 第二章第二章 相互作用相互作用 溶血溶血 第二章第二章 相互作用相互作用 第二章第二章 相互作用相互作用 第二章第二章 相互作用

46、相互作用 蛋白吸蛋白吸 附附 生生 物物 材材 料料 体内凝聚体内凝聚 白细胞白细胞 血小板反应血小板反应 红细胞红细胞 纤维蛋白溶解纤维蛋白溶解 活性活性 补体系统反应补体系统反应 过敏过敏 第二章第二章 相互作用相互作用 第二章第二章 相互作用相互作用 第二章第二章 相互作用相互作用 第二章第二章 高分子和生物体系的相互作用高分子和生物体系的相互作用 2.1 医用高分子的基本机能医用高分子的基本机能 2.2 生体反应生体反应 2.2.1 生物相容性的概念生物相容性的概念 2.2.2 材料与蛋白质的相互作用材料与蛋白质的相互作用 2.2.3 材料与细胞的相互作用材料与细胞的相互作用 2.2.

47、4 材料与组织的相互作用材料与组织的相互作用 2.2.5 高分子材料在生物体内的变化高分子材料在生物体内的变化 第二章第二章 相互作用相互作用 2.2.2 材料与蛋白质的相互作用材料与蛋白质的相互作用 v高分子材料与血液或体液接触时，首先是与高分子材料与血液或体液接触时，首先是与 蛋白质的反应，之后是与细胞的反应，以及蛋白质的反应，之后是与细胞的反应，以及 引起其它体内的活化反应。吸附的蛋白质，引起其它体内的活化反应。吸附的蛋白质， 会与没有吸附的蛋白质发生置换反应，材料会与没有吸附的蛋白质发生置换反应，材料 表面存在的蛋白质，之后会引起血液凝固，表面存在的蛋白质，之后会引起血液凝固， 血小板

48、吸附，血栓形成等不良影响。血小板吸附，血栓形成等不良影响。 第二章第二章 相互作用相互作用 蛋白质蛋白质 v人体中蛋白质占人体中蛋白质占16.3%。 v血浆中存在大量的蛋白质，水分血浆中存在大量的蛋白质，水分90-92%。 v白蛋白：白蛋白：3848g/L；球蛋白：；球蛋白：1530g/L； A/G：正常值：正常值1.52.5。 v血液中主要的蛋白质有白蛋白，纤维蛋白，血液中主要的蛋白质有白蛋白，纤维蛋白， 免疫球蛋白等（盐析法）。免疫球蛋白等（盐析法）。 第二章第二章 相互作用相互作用 血浆蛋白血浆蛋白 第二章第二章 相互作用相互作用 血浆蛋白质的功能血浆蛋白质的功能 v维持血浆维持血浆胶体

49、渗透压胶体渗透压； v组成血液缓冲体系，参与维持血液酸碱平衡；组成血液缓冲体系，参与维持血液酸碱平衡； v运输营养和代谢物质；运输营养和代谢物质； v营养功能，血浆蛋白分解产生的氨基酸，可营养功能，血浆蛋白分解产生的氨基酸，可 用于合成组织蛋白质或氧化分解供应能量；用于合成组织蛋白质或氧化分解供应能量； v参与凝血和免疫作用。参与凝血和免疫作用。 第二章第二章 相互作用相互作用 蛋白吸附蛋白吸附 v蛋白质的吸附与高分子材料的种类有关，一蛋白质的吸附与高分子材料的种类有关，一 般而言，亲水性高分子材料表面吸附蛋白质般而言，亲水性高分子材料表面吸附蛋白质 少，而疏水性高分子材料表面吸附蛋白质多。少

50、，而疏水性高分子材料表面吸附蛋白质多。 v同一材料对不同蛋白质的吸附也不同。同一材料对不同蛋白质的吸附也不同。 第二章第二章 相互作用相互作用 v 蛋白质的活性化。蛋白质与材料表面的蛋白质的活性化。蛋白质与材料表面的 相互作用引起蛋白质构造的变化，可以相互作用引起蛋白质构造的变化，可以 称为活性化，从而引起系列的生体反应。称为活性化，从而引起系列的生体反应。 主要是血液凝固和补体激活。主要是血液凝固和补体激活。 v 吸附蛋白质多并不一定相容性差，而蛋吸附蛋白质多并不一定相容性差，而蛋 白质构象的变化也是引起血液相容性差白质构象的变化也是引起血液相容性差 的重要原因。的重要原因。 第二章第二章 相互作用相互作用 v材料表面和血浆蛋白吸附的关系主要包括材材料表面和血浆蛋白吸附的关系主要包括材 料表面的化学组成、临界表面张力、表面能、料表面的化学组成、临界表面张力、表面能、 表面亲水表面亲水/疏水性、表面电荷、微相结构和血疏水性、表面电荷、微相结构和血 浆中蛋白浓度对表面蛋白吸附影响的解析。浆中蛋白浓度对表面蛋白吸附影响的解析。 血小板反应血小板反应 血纤维蛋白溶解活性血纤维蛋白溶解活性 白细胞白细胞 红细胞红细胞 体内凝聚体内凝聚 补体激活补体激活 图图2-1 2-1 血液和生物材料反应的性能血液和生物材料反应的性能 蛋白吸附蛋白吸附 生生 物物 材材 料