医用高分子材料研究及讨论

1、 常 州 轻 工 职 业 技 术 学 院毕 业 论 文课题名称： 医用高分子材料研究与讨论 系 别： 轻工工程系 专 业：_ 高分子材料加工技术 班 级： 10线缆331 学生姓名： 孙 志 鹏 指导教师： 钱 军 摘要随着时代的发展，在医学领域中越来越迫切地需要开发出能应用于医疗的各种新型材料，经多年的研究已发现有多种高分子化合物可以符合医用要求，我们也把它归属于功能性高分子材料。生物医用高分子已成为广泛研究和最具有应用前景的功能材料之一。本文重点介绍了高分子材料的诞生以及医用高分子材料发展的三个阶段，通过分析中国医用高分子现状来阐释医用高分子材料发展的重要性，文章介绍了做为医用高分子材料的

2、特殊要求，列出了目前医用高分子的种类以及应用，以及医用高分子材料未来的发展方向。关键词：医用高分子材料，发展，现状，应用ABSTRACTWith the development of the times, in the medical field more and more urgently to be developed can be applied to all kinds of new materials for medical, after years of research has found that there are a variety of polymer compound

3、can meet the medical requirements, we also think it belongs to the functional polymer materials. Biomedical polymer has become one of the most widely studied and most promising functional materials. This paper focuses on the three stages of the birth of polymer materials and polymer materials for me

4、dical development, the importance of interpretation to development of medical polymer materials through analyzing the current situation of Chinese medical polymer, the article introduces as the special requirements of medical polymer materials, lists the types of medical polymer and application, and

5、 the development direction of medical polymer materials in the futureKeywords：BIOMEDICAL POLYMER MATERIAL，DEVELO，PRESENT SITUATIONs，APPLY 目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc355980157 1 前言 PAGEREF _Toc355980157 h 1 HYPERLINK l _Toc355980158 2 医用高分子材料的发展史 PAGEREF _Toc355980158 h 2 HYPERLINK l _Toc355

6、980159 21高分子材料的诞生 PAGEREF _Toc355980159 h 2 HYPERLINK l _Toc355980160 2.2 生物医用高分子材料的发展经历了三个阶段 PAGEREF _Toc355980160 h 2 HYPERLINK l _Toc355980161 3中国医用高分子材料发展现状 PAGEREF _Toc355980161 h 3 HYPERLINK l _Toc355980162 4医用高分子材料的特殊要求 PAGEREF _Toc355980162 h 3 HYPERLINK l _Toc355980163 5医用高分子材料的种类及应用 PAGERE

7、F _Toc355980163 h 4 HYPERLINK l _Toc355980164 51与血液接触的高分子材料 PAGEREF _Toc355980164 h 4 HYPERLINK l _Toc355980165 52组织工程用高分子材料 PAGEREF _Toc355980165 h 4 HYPERLINK l _Toc355980166 53药用高分子材料 PAGEREF _Toc355980166 h 5 HYPERLINK l _Toc355980167 54医药包装用高分子材料 PAGEREF _Toc355980167 h 6 HYPERLINK l _Toc355980

8、168 55眼科用高分子材料 PAGEREF _Toc355980168 h 6 HYPERLINK l _Toc355980169 56医用粘合剂与缝合线 PAGEREF _Toc355980169 h 7 HYPERLINK l _Toc355980170 57医疗器件用高分子材料 PAGEREF _Toc355980170 h 7 HYPERLINK l _Toc355980171 6展望 PAGEREF _Toc355980171 h 8 HYPERLINK l _Toc355980172 结语 PAGEREF _Toc355980172 h 9 HYPERLINK l _Toc355

9、980173 致谢 PAGEREF _Toc355980173 h 10 HYPERLINK l _Toc355980174 参考文献 PAGEREF _Toc355980174 h 11医用高分子材料研究与讨论1 前言 生物材料的狭义含义是生物医用材料。按照材料的性质，生物医用材料可分为天然生物材料(如猪心瓣膜、牛心包、羊膜等)、金属材料(如钛及其合金)、无机非金属材料(如羟基磷灰石、生物玻璃等)、高分子材料以及杂化生物医用材料。对于植入生物活体内的高分子材料，一般应具有两种基本性能，即医用功能性和生物相容性。实际上这也就包含了对材料其他性能如物理机械性能、化学稳定性、毒性、加工成型性等方面

10、的要求。医用功能是指材料在与生物体组织相结合后能达到诊断或医疗的效果。而生物相客性是指材料和活体组织之间相互容纳的程度皿。它包含两层含义：血液相容性和组织相容性1 。生物材料的重要组成部分是高分子材料，随着医学的发展这些材料在医疗领域得到广泛的应用。比如介入栓塞材料、聚砜中空纤维人工肾、介入诊疗导管、硅橡胶医用导管、膨体聚四氟乙烯人造血管等。在临床护理方面发挥着越来越重要的作用。正是因为高分子材料在医学上的独特作用所以又出现了一个新的生物材料分支医用高分子材料。生物医用高分子材料(Biomedical polymeric materials)是一类用于疾病诊断、治疗和器官再生的新型高分子材料。

11、目前广泛应用于药物控制释放、组织工程、人工器官、齿科材料等领域，不仅具有重要的科学意义和高技术含量，还与患者的康复与生活质量密切相关，同时具有巨大的经济价值誓2 。医用高分子材料的应用研究主要包括材料研究和制品研究,两者相辅相成。制品研究主要有医疗用品、药用高分子和人工器官3大类。医疗用品有医用导管、注射器、输血器、输液器、创伤敷料、医用薄膜以及各种护理和手术用品等。医用高分子的应用一是合成新药如高分子抗癌剂、抗病毒聚合物等，二是在药物赋型剂方面的应用，使药物微胶囊化、长效化；人工器官有人工肺、人工喉、人工血管、人工心脏瓣膜等3 。2 医用高分子材料的发展史21高分子材料的诞生1920年德国人

12、史道丁格(Standinger)发表了划时代的文献“论聚合”。他提出了“高分子”、“长链大分子” 的概念，史道丁格学说在1 932年法拉第学会上得到公认。他预言了一些含有某些官能团的有机物可以通过官能团间的反而聚合，比如聚苯乙烯、聚甲醛等，后来都得到了证实。为了表彰他的杰出贡献，1953年72岁的他登上了诺贝尔化学奖的领奖台。史道丁格是高分子科学的奠基人4。2.2 生物医用高分子材料的发展经历了三个阶段第一阶段始于1937年，其特点是所用高分子材料都是已有的现成材料， 如用丙烯酸甲酯制造义齿的牙床。第二阶段始于1953年， 其标志是医用已有机硅橡胶的出现， 随后又发展了聚羟基乙酸酯缝合线以及四

13、种聚(醚一氨)酯心血管材料，从此进入了以分子工程研究为基础的发展时期。该阶段的特点是在分子水平上对合成高分子的组成、配方和工艺进行优化设计， 有目的地开发所需要的高分子材料。目前的研究焦点已经从寻找替代生物组织的合成材料转向研究一类具有主动诱导、激发人体组织器官再生修复的新材料，这标志着生物医用高分子材料的发展进入了第三个阶段。其特点是这种材料一般由活体组织和人工材料有机结合而成， 在分子设计上以促进周围组织细胞生长为预想功能， 其关键在于诱使配合基和组织细胞表面的特殊位点发生作用以提高组织细胞的分裂和生长速度在国外，生物医用高分子材料研究已有50多年的历史，早在1947年美国已发表了展望性论

14、文。随后，美国、日本、欧洲等工业发达国家不断有文章报道，有些并已在临床上得到应用。我国研究历史较短，上世纪70年代开始进行人工器官的研制，并有部分器官进入临床应用。1980年成立了中国生物医疗工程学会，并于1982年又成立了中国医学工程学会人工脏器及生物材料专业委员会，使得生物医学器材获得进一步发展生物医用高分子材料作为一门边缘科学，融合了高分子化学和物理、高分子材料工艺学、药理学、病理学、解剖学和临床医学等方面的知识，还涉及许多工程学问题。生物医用高分子材料的发展，对于战胜危害人类的疾病，保障人民身体健康，探索人类生命奥秘具有重大意义5 。3中国医用高分子材料发展现状现代医学的进步已经越来越

15、依赖于生物材料器械的发展，医用高分子材料的应用更加广泛，需求量也随之越来越大。中固医用高分子材料技术处于什么水平，主要体现在以下几个方面：一是用于人造器官，如心脏瓣膜、人工肾、人造皮肤、扣气朴片等。中国在此领域起步较晚，但在初级的组织工程支架材料方面投入较大，浙江大学、清华大学、中科院成都有机所等均有课题小组进行相关研究，他们通过多层复合、共聚等手段将聚乳酸、聚乙内酯、海藻酸钠等生物相容性材料制备成支架材料。二是用于医疗器械，如手术缝线、导尿管、检查器械、植入器械等。目前的手术缝线多数来自于丝素蛋白，其纤维不但具有优良的生物相客性，也具有直好的力学强度；而可吸收缝线则主要采用聚乳酸，中国目前已

16、经可以完全自主生产这几种缝线，同时在国内拥有较大的市场份额。三是用于药物助剂，如药物控释载体、靶向材料等。中国在这方面的研发位于世界前列，中科院长春应化所研究人员利用静电纺丝技术制备的聚乳酸超细纤维可以包埋油溶、水溶药物，同时实现控制释放6 。4医用高分子材料的特殊要求生物功能性：因各种医用高分子材料的用途而异，如：作为缓释药物时，药物的缓释性能就是其生物功能性。生物相容性：医用高分子材料的生物相容性包括二方面：一是材料反应，主要包括材料在生物环境中被腐蚀、吸收、降解、磨损和失效等；二是宿主反应，包括局部和全身反应，如炎症、细胞毒性、凝血、过敏、致畸和免疫反应等。对于非降解型医用高分子材料，稳

17、定性和相容性是重要的，这些问题包括与细胞组织（包括血液）的相容、水解的稳定性，与药物和药物处理的反应，钙化作用，长期的功能，诱变的或致癌的作用以及无菌性。对于生物降解型医用高分子材料，关键问题是可吸收性和它的测量及定义界限以及对细胞组织部位的效果，酶和其他活性物质对于高分子材料吸收性的作用，退化产品的吸收作用，消毒对于功能度和退化性能不稳定的释放媒介物渗到高分子材料行为的作用，以及材料对于伤口愈合的效果7。可加工性：能够成型、消毒（紫外灭菌、高压煮沸、环氧乙烷气体消毒、酒精消毒等）。力学性能稳定：在使用期限内针对不同的用途，材料的尺寸稳定性、耐磨性、耐疲劳度、强度、模量等应适当。比如，用超高分

18、子量聚乙烯材料做人工关节时，应该用模量高、耐疲劳强度好、耐磨性好的材料。正因为对于医用高分子材料的要求严格，相关的研发周期一般较长，需要经过物理性能、化学性能实验、型式检验、动物实验、临床实验等不同阶段的试验，材料市场化需要经国家和地方食品药品。5医用高分子材料的种类及应用51与血液接触的高分子材料 与血液接触的高分子材料是指用来制造人工血管、人工心脏血囊、人工心瓣膜、人工肺等的生物医用材料，要求这种材料要有良好的抗凝血性、抗细菌粘附性，即在材料表面不产生血栓、不引起血小板变形，不发生以生物材料为中心的感染。此外，还要求它具有与人体血管相似的弹性和延展性以及良好的耐疲劳性等。人工血管用材料有尼

19、龙、聚酯、聚四氟乙烯、聚丙烯及聚氨酯等。人工心脏材料多用聚醚氨酯和硅橡胶等。人工肺则多用聚四氟乙烯、硅橡胶、超薄聚砜(涂在多孔PP膜上)、超薄乙基纤维(涂在PE无纺布或多孔PP膜上)等材料。人工肾用材料除要求具备良好的血液相容性外，还要求材料具有足够的湿态强度、有适宜的超滤渗透性等，可充当这一使命的材料有乙酸纤维素、铜氨再生纤维素、尼龙、聚砜及聚醚砜等。为提高人造器官的血液相容性，现阶段的研究重点是对现有生物材料的表面进行改性和修饰，方法有：接枝亲水性长侧链；引人生物活性物质抑制血液与外源材料的相互作用；使材料具有微相分离结构以及在聚合物表面种植内皮细胞等。52组织工程用高分子材料组织工程学是

20、近十年来新兴的一门交叉学科，它是应用工程学和生命科学的原理和方法来了解正常和病理的哺乳类组织的结构一功能关系，以及研制生物代用品以恢复、维持或改善其功能的一门科学。细胞大规模培养技术的日臻成熟和生物相容性材料的开发与研究，使得创造由活细胞和生物相容性材料组成的人造生物组织或器官成为可能。生物相容性材料的开发是组织工程核心技术之一。组织工程中的生物材料主要发挥下列作用：(1)提供组织再生的支架或三维结构；(2)调节细胞生理功能；(3)免疫保护。当完成自己的使命后，作为组织生长骨架的生物高分子材料则降解为无毒的小分子被机体吸收。作为这种材料使用的聚合物主要有聚乳酸(PLA)、聚羟基乙酸(PGA)及

21、其共聚物(PIA)等。例如，中科院化学所石桂欣等应用溶液浇铸致孔剂浸出技术制备了一系列聚乳酸及不同组成的聚乳酸一羟基乙酸多孔细胞支架，组织培养试验表明，软骨细胞在支架上繁殖情况良好，3周后已开始分泌细胞外基质。53药用高分子材料与低分子药物相比，药用高分子具有低毒、高效、缓释、长效、可定点释放等优点。作为药用高分子必须具备下列条件：1)本身及其分解产物应无毒，不会引起炎症和组织变异反应，无致癌性；2)进入血液系统的药物不会引起血栓；3)具有水溶性，能在体内水解为具有药理活性的基团；4)能有效到达病灶处，并积累一定浓度；5)口服药剂的高分子残基能通过排泄系统排出体外；对于导人方式进入循环系统的药

22、物，聚合物主链必须易降解，使之有可能排出体外或被人体吸收。根据药用高分子结构与制剂的形式，药用高分子可分为三类：(1)具有药理活性的高分子药物。它们本身具有药理作用，断链后即失去药性，是真正意义上的高分子药物。天然药理活性高分子有激素、肝素、葡萄糖、酶制剂等。合成药理活性高分子如聚乙烯吡咯烷酮和聚4一乙烯吡啶一N一氧撑是较早研究的代用血浆。有些阳离子或阴离子聚合物也具有良好的药理活性。例如主链型聚阳离子季铵盐具有遮断副交感神经、松驰骨骼筋作用，是治疗痉挛性疾病的有效药物；阴离子聚合物二乙烯基醚与顺丁烯二酐的吡喃共聚物是一种干扰素诱发剂，具有广泛的生物活性，不仅能抑制各种病毒的繁殖，具有持久的抗

23、肿瘤活性，而且还有良好的抗凝血性。(2)低分子药物的高分子化。低分子药物在体内新陈代谢速度快，半衰期短，体内浓度降低快，从而影响疗效，故需大剂量频繁进药，而过高的药剂浓度又会加重副作用，此外，低分子药物也缺乏进入人体部位的选择性。将低分子药物与高分子结合的方法有吸附、共聚、嵌段和接枝等。第一个实现高分子化的药物是青霉素(1962年)，所用载体为聚乙烯胺，以后又有许多的抗生素、心血管药和酶抑制剂等实现了高分子化。(3)药用高分子微胶囊。将细微的药粒用高分子膜包覆起来形成微小的胶囊是近年来生物医药工程的一场革命。药物经微胶囊化处理后可以达到下列目的：延缓、控制释放药物，提高疗效；掩蔽药物的毒性、刺

24、激性和苦味等不良性质，减小对人体的刺激；使药物与空气隔离，防止药物在存放过程中的氧化、吸潮等不良反应，增加贮存的稳定性。所用高分子材料有天然高分子，如骨胶、明胶、海藻酸钠、琼脂等；半合成的高分子有纤维素衍生物等；合成高分子有聚葡萄糖酸、聚乳酸及乳酸与氨基酸的共聚物等。包覆方法有原位聚合法、界面聚合法、相分离法和溶液干燥法等。国内有许多单位在研究，如浙江大学的朱康杰等研究了聚电解质、聚膦腈在药物控释中的应用，天津大学的常津等研究了聚原酸酯载药毫微囊的合成及体外释放机理等。54医药包装用高分子材料用于药物包装的高分子材料正逐年增加。包装药物的高分子材料大体上可分为软、硬两种类型。硬型材料如聚酯、聚

25、苯乙烯、聚碳酸酯等，由于其强度高、透明性好、尺寸稳定、气密性好，常用来代替玻璃容器和金属容器，制造饮片和胶囊等固体制剂的包装。新型聚酯聚萘二甲酸乙二醇酯除具有优异的力学性能及阻隔性能外，还有较强的耐紫外线性，可用于口服液、糖浆等的热封装。软型材料如聚乙烯、聚丙烯、聚偏氯乙烯及乙烯一醋酸乙烯共聚物等，常加工成复合薄膜，主要用来包装固体冲剂、片剂等药物。而半硬质聚氯乙烯片材则被用作片剂、胶囊的铝塑泡罩包装的泡罩材料。至于药膏、洗剂、酊剂等外用药液的包装，则用耐腐蚀性极强且综合性能优良的聚四氟乙烯来担任。55眼科用高分子材料隐形眼镜是最常见的眼科用高分子材料制品。对这类材料的基本要求是：具有优良的光

26、学性质，折光率与角膜相接近；良好的润湿性和透氧性；生物惰性，即耐降解且不与接触面发生化学反应；有一定的力学强度，易于精加工及抗污渍沉淀等。常用的隐形眼镜材料有聚甲基丙烯酸一羟乙酯，聚甲基丙烯酸一羟乙酯一N一乙烯吡咯烷酮，聚甲基丙烯酸G一羟乙酯一甲基丙烯酸戊酯，聚甲基丙烯酸甘油酯一N一乙烯吡咯烷酮等。浙江工业大学的邬润德等研究的聚钛硅氧烷化合物，由于在聚合体系中加入了钛烷氧化物交联剂，使材料的致密性增加，减少了固化收缩，制备了一种优良的隐形眼镜材料。此外，发生病变的角膜和晶状体也可用人工角膜和人工晶状体替代。人工角膜可用硅橡胶、聚甲基丙烯酸酯类或聚酯等薄膜制备。人工晶状体的主体材料可用聚甲基丙烯

27、酸酯类，其起固定作用的附加爪状细枝可用甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸丁酯的共聚物或甲基丙烯酸环己酯和甲基丙烯酸丁酯的共聚物等。56医用粘合剂与缝合线生物医用粘合剂是指将组织粘合起来的组织粘合剂，它们除了应具备一般软组织植入物所应有的条件外，还应满足下列要求：在活体能承受的条件下固化，使组织粘合；能迅速聚合而没有过量的热和毒副产物产生；在创伤愈合时粘合剂可被吸收而不干扰正常的愈合过程。医用粘合剂可粘合各种组织，例如可进行牙齿粘合眩，血管、组织、肌肉粘合，脑动脉瘤表面补强、防止破裂粘合，及骨粘合等。常用的粘合剂有旺一氰基丙烯酸烷基酯类，甲基丙烯酸甲酯一苯乙烯共聚物及亚甲基丙二酸甲基烯丙基酯等。手术用缝

28、合线可分为非吸收型和可吸收型两大类。非吸收类包括天然纤维(如蚕丝、木棉、麻及马毛等)和合成纤维(如PET、PA、PP、PE单丝、PTFE及Pu等)。可吸收类包括天然高分子材料(如羊肠线、骨胶原、纤维蛋白等)和合成高分子材料(如聚乙烯醇、聚羟乙基丁酸酯、聚乳酸、聚氨基酸及聚羟基乙酸等)。其中，由聚乳酸和聚羟基乙酸或两者的共聚物制成的缝合线因性能优越而倍受关注。这种缝合线强度可靠，对创口缝合能力强，又可生物降解而被肌体吸收，是一种理想的医用缝合线。57医疗器件用高分子材料高分子材料制的医疗器件有一次性医疗用品(注射器、输液器、检查器具、护理用具、麻醉及手术室用具等)、血袋、尿袋及矫形材料等。一次性

29、医疗用品多采用常见高分子材料如聚丙烯和聚4一甲基一1一戊烯制造。血袋一般由软PVC或LDPE制成。由PU制的绷带固化速度快，质轻层薄，不易使皮肤发炎，可取代传统的固定材料石膏用于骨折固定。硅橡胶、聚酯、聚四氟乙烯、聚酸酐及聚乙烯醇等都是性能良好的矫形材料，已广泛用于假肢制造及整形外科等领域5。6展望 生物医学高分子的研究获得了长足进展，这是高分子科学，材料科学、生物医学与工程技术，药物学、药理学等学科交叉渗透的综合成果9 。随着高分子科学和生物医学的融合与发展，生物医用高分予已经成为生物材料发展的前沿和热点。生物医用高分子与药学、纳米技术、材料改性技术等科学技术的结合，极大地拓展了生物医用高分

30、子的研究和应用领域。癌症和心血管等重大疾病的发病率居高不下，已成为人类健康面临的重大威胁，利用生物医用高分子构建的新型药物传递系统，为此类疾病的早期诊断和治疗提供了新的方式，已成为解决癌症和心血管等疾病的重要研究和发展方向；组织工程支架材料为细胞提供生长环境，能主动识别细胞并且其各种性能与细胞和组织生长相匹配的生物医用高分子是解决日前支架材料所面临问题的唯一途径，也是组织工程取得突破的重要条件；运用新的材料改性技术，设计精确可控的微纳米表面结构，不仅能够提高生物医用高分子的血液相容性，还能够对细胞在其上的行为进行调控，这也是生物医用高分子的一个重要的应用领域。药物传递系统 具有主动和被动等双重

31、靶向，同时具备MRl分子诊断和药物基因控释治疗功能的新型药物传递系统，不仅增强了磁共振成像的特异性细胞识别和灵敏度，而且还能杀伤癌细胞起到治疗作用。在同一药物载体上构建具有多功能的药物传递系统是富有挑战性的难题。肽类树枝状大分子是一类经有序组装构建的具有特定尺寸和形状、规整性、高度支化、三维结构的单分散性的新型纳米生物医用高分子，肽类树枝状大分子的优异性能使其成为一类当之无愧的新型多功能药物传输载体材料组织工程材料 水凝胶是一类性能极其优越的组织工程材料，具有细胞自动识另和调节功能的生物降解水凝胶是组织工程材料未来的发展方向。通过多种弱相互作用如主客体作用、手性空间结晶复合物以及小螺旋和折叠等分予自组装方式构建具有纳米交联结构和分子自动识别功能的智能型水凝胶与细胞有良好相容性的同时，还能够主动识别细胞并调控其行为和活动。智能型水凝胶将成为一类重要的组织工程材料。表而结构设计 医用高分子的表面结构具有重要的意义，蛋白的吸附、细胞的黏附都是从生物医用高分子的表面结构和性能息息相关。生物医用高分子表面可控的微纳米结构设计以及各种功能分子的选择性吸附和固定，不仅对于提高生物医用高分子的血液相容性具有重要的意义，同