医用高分子材料专家讲座

一、生物医用材料定义

（Biomedicalmaterials）

对生物体进行诊疗、治疗和置换损坏组织、器官或促进其功效材料。2023/4/24材料9.1概述医用高分子材料专家讲座第1页按材料起源分（1）医用金属和合金。主要用于承力骨、关节和牙等硬组织修复和替换。不锈钢、钴基合金、钛及钛合金是当前医用合金三大支柱。医用合金还有钽、铌和贵金属等。（2）医用高分子生物材料。高分子化合物是组成人体绝大部分组织和器官物质，医用高分子生物材料包含合成（如：聚酯、硅橡胶）和天然高分子（如：胶原、甲壳素）。最近，生物降解高分子材料得到重视。（3）医用生物陶瓷。有惰性生物陶瓷和活性生物陶瓷（羟基磷灰石陶瓷、可吸收磷酸三钙陶瓷等）（4）医用生物复合材料。如羟基磷灰石涂复钛合金，炭纤维或生物活性玻璃纤维增强聚乳酸等高分子材料。（5）生物衍生材料。这类材料是将活性生物体组织，包含自体和异体组织，经处理改性而取得无活性生物材料。

2023/4/24材料

二、生物医用材料分类医用高分子材料专家讲座第2页生物衍生材料①取自患者自体组织

比如：采取本身隐静脉作为冠状动脉搭桥术血管替换物②取自其它人同种组织比如：利用他人角膜治疗患者角膜疾病③来自其它动物异种组织比如：采取猪心脏瓣膜代替人心脏瓣膜，治疗心脏病等。2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第3页2023/4/24材料聚四氟乙烯医用高分子材料专家讲座第4页人工关节2023/4/24材料比如：德国产品UHMWPE材料ISO5834-2ASTMF648可用为人工关节、人工骨骼植入人体极低能耗……医用高分子材料专家讲座第5页人工心脏瓣膜2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第6页组织工程人工骨缺损修复示意图2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第7页2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第8页三、生物医用高分子材料分类用途制备2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第9页按用途分类手术治疗用高分子材料缝合线，黏胶剂，止血剂，各种导管，引流管，一次性输血输液器材药用及药品传递用高分子材料靶向性高分子载体（肝靶向性，肿瘤靶向性），高分子药品（干扰素，降胆敏），高分子控制释放载体（胶囊，水凝胶，脂质体）人造器官或组织人造皮肤，血管，骨，关节，肠道，心脏，肾等2023/4/24材料1.分类医用高分子材料专家讲座第10页2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第11页制备生物医用高分子材料？化学家合成原始材料并检测各项理化指标生物学家检测材料生物毒性及生物相容性医学家做临床动物试验-人体试验化学工程师制造生物医用高分子材料临床应用2023/4/24材料化学家来做第一步医用高分子材料专家讲座第12页2.生物医用材料市场发展概况2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第13页全球生物医用材料市场2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第14页中国生物医用材料市场我国生物医学材料生物医学工程产业市场增加率高达28％(全球市场增加率20%),居全球之首。我国人工关节替换年增加率高达30％，远高于美国4％。

----------------国家科技部资料2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第15页775万肢残患者和每年新增300万骨损伤患者 --------需要大量骨修复材料万心血管病患者 --------每年需要24万套人工心瓣膜肾衰患者 --------每年需要12万个肾透析器……2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第16页2023/4/24材料3.Historyofpolymericbiomaterials1943年赛璐珞薄膜开始用于血液透析1949年

美国首先发表了医用高分子展望性论文。在文章中，第一次介绍了利用PMMA作为人头盖骨、关节和股骨，利用聚酰胺纤维作为手术缝合线临床应用情况。50年代，有机硅聚合物被用于医学领域，使人工器官应用范围大大扩大，包含器官替代和整容等许多方面。

DrugcontrolledreleaseTissueengineeringGenetherapy医用高分子材料专家讲座第17页

今后，一大批人工器官在50年代试用于临床。如人工尿道（1950年）、人工血管（1951年）、人工食道（1951年）、人工心脏瓣膜（1952）、人工心肺（1953年）、人工关节（1954年）、人工肝（1958年）等。进入60年代，医用高分子材料开始进入一个崭新发展时期。2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第18页1960s可生物降解聚合物，如：Polylactide(PLA)1970-80s隐形眼镜（Contactlens），药品控制释放(drugcontrolledrelease)1990s-聚合物在生物医用材料中拥有率超出二分之一2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第19页2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第20页

高分子材料即使不是万能，不可能指望它解决一切医学问题，但经过分子设计路径，合成出含有生物医学功效理想医用高分子材料前景是十分辽阔。有些人预计，在21世纪，医用高分子将进入一个全新时代。除了大脑之外，人体全部部位和脏器都可用高分子材料来取代。仿生人也将比想象中更加快地来到世上。2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第21页4.医用高分子材料要求（Requirementsforbiomedicalpolymers）Basicrequirements安全性Biocompatibility/Biostability/Biodegradability灭菌性Sterilizability2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第22页2023/4/24材料RequirementsforbiomedicalpolymersOtherrequirementsaccordingtospecificapplications加工成型性machine-shapingproperties机械性能与稳定性Mechanicalproperties环境敏感性Environmentalsensitivity表面性能与结构多空性Surfaceproperties/Porosity亲疏水性Hydrophilicity/hydrophobicity……医用高分子材料专家讲座第23页2023/4/24材料①不会致癌

依据当代医学理论认为，人体致癌原因是由于正常细胞发生了变异。当这些变异细胞以极其迅速速度增加并扩散时，就形成了癌。而引发细胞变异原因是多方面，有化学原因、物理原因，也有病毒引发原因。安全性医用高分子材料专家讲座第24页②含有良好血液相容性

当高分子材料用于人工脏器植入人体后，必定要长时间与体内血液接触。所以，应用高分子对血液相容性是全部性能中最主要。2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第25页通常，当人体表皮受到损伤时，流出血液会自动凝固，称为血栓。血液相容性指材料在体内与血液接触后不发生凝血、溶血现象，不形成血栓。实际上，血液在受到以下原因影响时，都可能发生血栓：①血管壁特征与状态发生改变；②血液性质发生改变；③血液流动状态发生改变。2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第26页③含有良好组织相容性有些高分子材料本身对人体有害，不能用作医用材料。而有些高分子材料本身对人体组织并无不良影响，但在合成、加工过程中不可防止地会残留一些单体，或使用一些添加剂。当材料植入人体以后，这些单体和添加剂会慢慢从内部迁移到表面，从而对周围组织发生作用，引发炎症或组织畸变，严重可引发全身性反应。2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第27页灭菌性

高分子材料在植入体内之前，都要经过严格灭菌消毒。当前灭菌处理普通有三种方法：蒸汽灭菌、化学灭菌、γ射线灭菌。国内大多采取前两种方法。所以在选择材料时，要考虑能否耐受得了。2023/4/24材料能经受必要清洁消毒办法而不产生变性医用高分子材料专家讲座第28页机械强度2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第29页2023/4/24材料表9-1高分子材料在狗体内机械稳定性材料名称植入天数机械强度损失/％尼龙-676174.6107380.7涤纶树脂78011.4聚四氟乙烯6775.3医用高分子材料专家讲座第30页5.材料界面性质对血液相容性关系材料界面性质与血液界面性能不一样可能造成吸附改变蛋白质形状以及排列，产生溶血、凝血或者血栓改进办法强亲水或强疏水表面亲水或疏水微相分离聚合物表面引入生物相容性物质（肝素、白蛋白等）引入负离子（血液中多组分呈负电性）生成伪内膜2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第31页①高分子材料表面亲/疏水性改进强疏水：对血液成份吸附能力小，所以血液相容性好，如：聚四氟乙烯强亲水：吸水后与血液表面性能靠近，减小对蛋白质吸附，如：聚氧化乙烯（非常主要抗凝血材料）

添加聚氧化乙烯（分子量6000）于凝血酶溶液中，可预防凝血酶对玻璃吸附。2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第32页

经过接枝改性调整高分子材料表面分子结构中亲水基团与疏水基团百分比，使其到达一个最正确值，也是改进材料血液相容性有效方法。2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第33页②制备含有微相分离结构材料

研究发觉，含有微相分离结构高分子材料对血液相容性有十分主要作用。2023/4/24材料

它们基本上是嵌段共聚物和接枝共聚物。其中研究得较多是聚氨酯嵌段共聚物，即由软段和硬段组成多嵌段共聚物，其中软段普通为聚醚、聚丁二烯、聚二甲基硅氧烷等，形成连续相；硬段包含脲基和氨基甲酸酯基，形成份散相。医用高分子材料专家讲座第34页2023/4/24材料

美国Ethicon企业推荐四种医用聚醚氨酯：Biomer，Pellethane，Tecoflex和Cardiothane基本上都属于这一类聚合物。

医用高分子材料专家讲座第35页原因被认为是亲水和疏水蛋白质被吸附于不一样微相区间，不会激活血小板表面糖蛋白，血小板特异识别功效表现不出来。2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第36页③高分子材料肝素化

肝素是一个硫酸多糖类物质（见下式），含有—SO3-，—COO-及—NHSO3-等功效基团。是最早被认识天然抗凝血产物之一。2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第37页

将肝素经过接枝方法固定在高分子材料表面上以提升其抗凝血性，是使材料抗凝血性改变主要路径。在高分子材料结构中引入肝素后，在使用过程中，肝素慢慢地释放，能显著提升抗血栓性。2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第38页2023/4/24材料人工合成仿肝素共聚物，一样含有很好抗凝血功效医用高分子材料专家讲座第39页④使材料表面带上负电荷基团比如：将芝加哥酸（1-氨基-8-萘酚-2,4-二磺酸萘）（见下式）引入聚合物表面后，可降低血小板在聚合物表面上粘附量，抗疑血性提升。2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第40页⑤材料表面伪内膜化

人们发觉，大部分高分子材料表面轻易沉渍血纤蛋白而凝血。假如有意将一些高分子表面制成纤维林立状态，当血液流过这种粗糙表面时，快速形成稳定凝固血栓膜，但不扩展成血栓，然后诱导出血管内皮细胞。这么就相当于在材料表面上覆盖了一层光滑生物层—伪内膜。这种伪内膜与人体心脏和血管一样，含有光滑表面，从而达到永久性抗血栓。2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第41页9.2生物惰性医用高分子材料聚氯乙烯有机硅类涤纶聚四氟乙烯聚丙烯高密度聚乙烯聚丙烯酸酯类聚氨酯室温固化环氧树酯精制天然橡胶无机高分子聚磷腈2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第42页2023/4/24材料表9-2用于人工脏器部分高分子材料人工脏器高分子材料心脏嵌段聚醚氨酯弹性体、硅橡胶肾脏铜氨法再生纤维素，醋酸纤维素，聚甲基丙烯酸甲酯，聚丙烯腈，聚砜，乙烯-乙烯醇共聚物（EVA），聚丙烯，聚碳酸酯，聚甲基丙烯酸-β-羟乙酯肝脏赛璐玢（cellophane），聚甲基丙烯酸-β-羟乙酯胰脏共聚丙烯酸酯中空纤维肺硅橡胶，聚丙烯中空纤维，聚烷砜关节、骨超高分子量聚乙烯，高密度聚乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯，尼龙，聚酯医用高分子材料专家讲座第43页皮肤硝基纤维素，聚硅酮-尼龙复合物，聚酯，甲壳素角膜聚甲基丙烯酸甲酯，聚甲基丙烯酸-β-羟乙酯，硅橡胶玻璃体硅油，聚甲基丙烯酸-β-羟乙酯鼻、耳硅橡胶，聚乙烯血管聚酯纤维，聚四氟乙烯，嵌段聚醚氨酯人工红血球全氟烃人工血浆羟乙基淀粉，聚乙烯基吡咯烷酮胆管硅橡胶2023/4/24材料表9-2用于人工脏器部分高分子材料医用高分子材料专家讲座第44页2023/4/24材料BiodegradablepolymersPoly(anhydride)sPoly(lactide-co-glycolide)PLGAPolylactidePLAPolyglycolidePGAPoly(ε-caprolactone)PCLPoly(1,3-trimethylenecarbonate)PTMCAliphaticpolyestersAliphaticpolycarbonatesPolyphosphates聚乳酸聚2-羟基乙酸医用高分子材料专家讲座第45页9.3可降解生物高分子材料

（biodegradablepolymers）结构与性能合成应用2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第46页2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第47页2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第48页2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第49页2023/4/24材料合成可降解高分子材料（syntheticbiodegradablepolymers）

聚酯聚碳酸酯聚磷酸酯聚酸酐医用高分子材料专家讲座第50页2023/4/24材料聚乳酸聚2-羟基乙酸医用高分子材料专家讲座第51页2023/4/24材料-羟基丙酸医用高分子材料专家讲座第52页2023/4/24材料（乳酸二聚体）医用高分子材料专家讲座第53页2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第54页用途手术缝合线骨固定材料组织修补材料药品控制释放材料2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第55页聚2-羟基乙酸（聚乙交酯）商品名：Dexon，体内降解速度快，用于手术缝合线，适合2-4周愈合伤口2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第56页聚（丙交酯-乙交酯）2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第57页2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第58页天然可降解高分子材料胶原蛋白，纤维蛋白甲壳素、壳聚糖、淀粉、纤维素海藻酸钠衍生物可吸收缝线药品控释载体人工皮肤2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第59页2023/4/24材料甲壳质医用高分子材料专家讲座第60页甲壳素与壳聚糖甲壳素是一个线性多糖。昆虫壳皮、虾蟹壳中均含有丰富甲壳素。壳聚糖为甲壳素脱乙酰衍生物，由甲壳素在40％～50％浓度氢氧化钠水溶液中110～120℃下水解2～4h得到。2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第61页

甲壳素能为肌体组织中溶菌酶所分解，已用于制造吸收型手术缝合线。其抗拉强度优于其它类型手术缝合线。在兔体内试验观察，甲壳素手术缝合线4个月能够完全吸收。甲壳素还含有促进伤口愈合功效，可用作伤口包扎材料。甲壳素膜用于覆盖外伤或新鲜烧伤皮肤创伤面时，含有减轻疼痛和促进表皮形成作用，所以是一个良好人造皮肤材料。2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第62页2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第63页2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第64页2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第65页胶原

胶原是人体组织中最基本蛋白质类物质，至今已经判别出13种胶原，其中I～III、V和XI型胶原为成纤维胶原。I型胶原在动物体内含量最多，已被广泛应用于生物医用材料和生化试剂。牛和猪肌腱、生皮、骨骼是生产胶原主要原料。

2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第66页2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第67页

由各种物种和肌体组织制备胶原差异很小。最基本胶原结构为由三条分子量大约为1×105肽链组成三股螺旋绳状结构，直径为1～1.5nm，长约300nm，每条肽链都含有左手螺旋二级结构。胶原分子两端存在两个小短链肽，称为端肽，不参加三股螺旋绳状结构。研究证实，端肽是免疫原性识别点，可经过酶解将其除去。除去端肽胶原称为不全胶原，可用作生物医学材料。2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第68页

胶原能够用于制造止血海绵、创伤辅料、人工皮肤、手术缝合线、组织工程基质等。胶原在应用时必须交联，以控制其物理性质和生物可吸收性。2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第69页

纤维蛋白

纤维蛋白是纤维蛋白原聚合产物。纤维蛋白原是一个血浆蛋白质，存在于动物体血液中。纤维蛋白原在人体内主要功效是参加凝血过程。2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第70页2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第71页

纤维蛋白含有良好生物相容性，含有止血、促进组织愈合等功效，在医学领域有着主要用途。纤维蛋白降解包含酶降解和细胞吞噬两种过程，降解产物能够被肌体完全吸收。降解速度随产品不一样从几天到几个月不等。经过交联和改变其聚集状态是控制其降解速度主要伎俩。2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第72页天然可降解高分子材料优点

原料起源丰富，廉价易得可用常规方法加工成型

含有良好生物相容性

不引发异体反应2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第73页药用高分子高分子药品高分子药品载体靶向药品高分子导向材料2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第74页高分子药品1.高分子骨架本身含有药理活性2023/4/24材料p331聚乙烯N-氧吡啶是一个含有药理活性高分子，能溶于水中。注射其水溶液或吸入其烟雾剂，对于治疗因大量吸入含游离二氧化硅粉尘所引发急性和慢性矽肺病有很好效果．并有很好预防效果医用高分子材料专家讲座第75页2023/4/24材料聚乙烯磺酸钠是一个含有抗凝血作用聚合物．聚乙烯磺酸钠聚合单体是乙烯基磺酸钠。因为磺酸钠基团强烈电斥作用，单体不易靠拢，所以，经过自由基聚合极难得到聚合物。有效方法是采取等离子引发聚合。医用高分子材料专家讲座第76页2023/4/24材料

血浆增量剂，用于治疗外伤性急性出血及其它原因引发血容量降低医用高分子材料专家讲座第77页2023/4/24材料

将青霉素与乙烯醇-乙烯胺共聚物以酰胺键相结合，得到水溶性药品高分子。这种高分子青霉素在人体内停留时间比低分子青霉素长30-40倍。高分子载体药品医用高分子材料专家讲座第78页2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第79页药品控制释放目标：使药品以最小剂量在特定部位产生疗效；优化药品释放速率以提升疗效，降低毒副作用；2023/4/24材料高分子药品缓释材料医用高分子材料专家讲座第80页控释药品剂型与技术口服注射制剂植入制剂喷雾剂经皮给药粘膜贴剂……2023/4/24材料缓释技术时间控制体系靶向技术部位控制体系智能控制释放反馈控制体系……医用高分子材料专家讲座第81页缓释机理扩散控制化学反应控制溶剂活化控制体系磁控制体系2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第82页口服缓释制剂：新康泰克2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第83页2023/4/24材料医用高分子材料专家讲座第84页2023/4/24材料纳米树形高分子（纳米在药品输运中应用）作为药品载体树状高分子把树形高分子设计得只在适当触发分子存在情况下自动地膨胀并释放出药品使定制树形高分子恰好在需要治疗组织或器官内释放出其运载药品。医用高分子材料专家讲座第85页代表性药品控释系统及企业2023/4/24材料产品领域公司POLYOXWSR控制药品释放载体DowChem.Co,USA抗癌药品增效系统Johnson&Johnson，USA(原Alza)吸收增效剂EastmanChem.Co,USA蛋白质药品释放AltusBiologiesInc.USA靶向释放端粒治疗TargesomeInc.USA注射制剂PharmaceuticalProfiles,UK治疗细胞,生长因子释放RegenTecLtd.UK吸入药品释放AcruxLtd.Australia基因转染新脂质体释放系统NovosomAG,German医用高分子材料专家讲座第86页2023/4/24材料

壁虎胶带——仿生干型高分子粘合材料聚酰亚胺薄膜利用全范德华力作用原理微制造而成含有紧密排列规整微突起结构

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