医用高分子材料形态机能和医用材料的设计

1、第八章 医用高分子材料的设计8.1 绪言8.2 高分子设计的基本理论8.3 医用高分子的设计8.4 自然降解型高分子的设计8.5 生物高分子制品的设计所谓“分子设计”，即推断、预测新分子的构成原子、分子种类、结合和聚集态等问题，并描绘出该分子的结构、组织、形态等具体构象。进行聚合物的分子设计，目的就是如何合成和制造具有指定性能和结构的高分子材料；分子设计进一步与实际联系就是“材料设计”，材料设计已属目的学范畴，是工程学范畴的课题；分析多种材料的特性，从中选出合适的材料并有意识地进行具有特定使用价值的设计就成了“产品设计”。聚合物分子设计都是对特定性能、结构和实用价值的高分子进行设计。多数化合物

2、的制备都经历过预测新分子，寻求新物质、实验合成、研究生成物和预测物间的差异、寻找更好的合成法这一途径。然后弄清新化合物的使用价值，积累有关知识，并在此基础上再设计具有特定物性和功能的新化合物，并制备成材料。8.2 高分子设计的基本理论要设计高分子，就必须先对高分子的结构与性质、高分子的特性进行解析，从而对精细高分子的设计提供理论基础。应该说明，高分子设计的基本理论牵涉到多方面的知识，物理、化学、高分子物理、高分子化学、光学、医学等等，本节只是结合医用高分子对高分子的一些基本理论简要阐明。8.2.1高分子的结构和性质聚合物结构的划分一次结构，指的是高分子链的化学结构，空间构型、链节序列和链段的支

3、化（或交联）度及其分布。聚合物的一次结构与它的化学组成和构型的意义相当。二次结构，指的是一个高分子链由于共价键的内旋转和链段的热运动而产生的各种构象。二次结构设计到单个高分子链的布局。聚合物的分子链可以有若干不同的形式存在，如完全伸展、无规线团或周期性规则排列的链段形态等。三次结构，也称聚集态结构，按聚集态的紧密和规整程度，聚合物可分为无定形、介晶（包括液晶）和结晶三类相态。四次结构，是由于聚合物中存在着不同的聚集态或晶态，它们之间又有界面或准界面，所以呈现四次结构。四次结构在尺寸上可视为介于微观结构和宏观结构的过渡区域。蛋白质的结构聚合物性质的划分聚合物的性能可分为内在基本性能、加工性能和成

4、品性能。聚合物的内在基本性能就是其本身的特性，如粘性溶解性、光学特性等等，这些特性决定了聚合物的加工性能、与产品性能，也决定了聚合物加工过程中的化学和物理行为，如加工过程中的稳定性等。加工性能即聚合物的可加工性，大多数聚合物的加工是通过熔体或浓溶液进行的成品性能主要是外观性质、耐久性和使用性能。聚合物性质的加和性指聚合物的某一性质是组成该分子的各种原子或基团的同类性质的克分子数量的总和。聚合物的分子量、克分子体积、克分子热容、克分子折射率等均具有加和性。聚合物性质的规律性各种分子运动赋予聚合物及其材料性能多种多样，而且使聚合物的结构和性能的关系具有一定的规律性。8.2.2聚合物特性的定量理论分

5、子量和均方末端距聚合物的密度玻璃化温度内聚能和溶解度光学特性值8.2.3 聚合物分子设计的定性解析聚合物的结构和粘弹性固体聚合物的破坏聚合物的结构和热稳定性8.2.4 高分子设计的一般方法依据已知功能的小分子为设计基础，将功能小分子通过一定的方式结合到聚合物分子上，得到具有该种功能的高分子。这种方法是常用和最具有实际价值的方法。拓展已有高分子材料的功能，对已经具有一定功能的高分子，进行改进，改性，从而达到某种功能根据小分子或官能团与聚合物骨架之间的协同效应设计，使高分子具有某种功能或使其原有功能加强。借鉴其它科学领域的理论和方法进行设计。8.3 生物医用高分子的设计8.3.1 医用高分子的必备

6、条件和特殊性能要求 医用高分子化合物，必须具备良好的化学稳定性、无副作用，能抗血栓，容易加工等基本性能，在前面章节中已有过介绍，医用高分子的生物安全性和良好生物相容性是很重要的。不同的使用目的，对材料的性能也提出不同要求。对植入人体的材料，除一般的安全性要求外，必须有良好的组织相容性，耐老化性能等。与血液接触的材料，血液相容性是很重要的。人工肾等用膜材料，不仅无毒、无致热源，良好的生物相容性，而且要求膜能选择性清除致病物质，如尿素、尿酸、肌酐等，这就要求膜材料有成孔性，能得到一定大小的膜壁微孔。8.3.3 药用高分子的设计高分子药物分两大类：第一类是以高分子为载体，由低分子药物组成的高分子药物

7、；第二类是分子结构本身具有药物功能的高分子药物。 第一类高分子载体低分子药物利用低分子药物活性基团与单官能团或双官能团的高分子载体反应而成的，可以通过接枝、嵌段或其它形式。设计这类高分子药物时，首先了解低分子药物的活性基团，低分子药物的药效，然后选择合适的高分子载体，进行反应。 对氨基水杨酸酯是一种传统的抗结核菌药物，将该药物与聚乙烯醇反应，就得到抗结核菌的高分子药物。其结构式如下： CH2CH n OCO OH NH2 高分子药物的分子结构设计有四种渠道 1. 通过接枝、嵌段，形成高分子药物，或者通过溶解、扩散或降解时显现药性；2. 将一些低分子药物固着在高分子载体上，通过水合、水解、酶解和氧化的方法使其发生药效；3. 将一些具有生物活性的基团作为聚合物主链，成为均聚物、接枝共聚物或嵌段共聚物。4.利用具有生物活性的双官能团单体缩聚形成高分子药物，这种高分子本身具有药效；也可以采用具有活性的单体与反应物聚合或共聚合形成高分子药物。 高分子药物的设计与合成时应注意 1.应保证高分子药物的溶解性和无毒性；2.对一些通过分解释放出低分子物才能达到药效的高分子药物，应选择易于水解或酶解的高分子链。3. 引入某种基团使药物能有选择性地抵达需要的部位。8.5 生物高分子制品的设计脑计算机耳声音探测器眼模拟判别器鼻气味识别器肺气体交