生物医用高分子材料第二章

内容第一章绪论第二章高分子和生物体系的相互作用第三章生物相容性材料第四章人工器官用材料第五章医疗诊断用高分子材料第六章药物缓释第七章材料的安全性评价第八章介绍医用高分子材料的构造、形态、机能和医用材料的设计本文档共103页；当前第1页；编辑于星期二\3点12分第二章高分子和生物体的相互作用2.1医用高分子的基本功能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。安全性、物理化学和机械性能、适应性、特殊功能。

第二章相互作用本文档共103页；当前第2页；编辑于星期二\3点12分第二章高分子和生物体的相互作用2.1医用高分子的基本功能物理功能物理化学功能生物体适应的种类第二章相互作用本文档共103页；当前第3页；编辑于星期二\3点12分

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，或具有与脏器相对应的功能。

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；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。第二章相互作用本文档共103页；当前第4页；编辑于星期二\3点12分生物功能性分类物理功能物理化学功能高层次生物功能第二章相互作用本文档共103页；当前第5页；编辑于星期二\3点12分生物功能性分类-1物理功能

内容应用举例

强度支持，构造保持 人工骨，人工牙齿，人工关节被覆，锁闭损伤皮肤表面，组织损伤部位闭合，缝合线，卡钉，骨钉第二章相互作用本文档共103页；当前第6页；编辑于星期二\3点12分生物功能性分类-1物理功能

内容应用举例

管道，泵，瓣膜， 人工血管，人工食道，

阀人工气管，分路器，人工心脏，人工瓣膜

电学性质探测器光学性质 人工眼球，隐形眼镜 第二章相互作用本文档共103页；当前第7页；编辑于星期二\3点12分生物功能性分类-2化学功能

内容应用举例第二章相互作用接合，填充，物质移动，选择吸附骨水泥，医用粘合剂，血液净化，人工肺，隐形眼镜人工肝，免疫吸附本文档共103页；当前第8页；编辑于星期二\3点12分生物功能性分类-3高层次生物功能

内容应用举例第二章相互作用化学测量，化学反应，生物功能生物传感器，生物反应器，杂化人工器官本文档共103页；当前第9页；编辑于星期二\3点12分2.1.1物理机能A力学性质

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、整形外科等用的材料，都要求具有一定的力学性能。研究生物材料力学性能的专门学科——生物力学。第二章相互作用本文档共103页；当前第10页；编辑于星期二\3点12分2.1.1物理机能A力学性质

生物力学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。其研究范围从生物整体到系统、器官(包括血液、体液、脏器、骨骼等)，从鸟飞、鱼游、鞭毛和纤毛运动到动物体液的输运等。第二章相互作用本文档共103页；当前第11页；编辑于星期二\3点12分2.1.1物理机能A力学性质

生物力学的基础是能量守恒、动量定律、质量守恒三定律并加上描写物性的本构方程。生物力学研究的重点是与生理学、医学有关的力学问题。

第二章相互作用本文档共103页；当前第12页；编辑于星期二\3点12分2.1.1物理机能A力学性质

生物力学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等。医用高分子材料所涉及的力学性质属于“生物固体力学”范围。

第二章相互作用本文档共103页；当前第13页；编辑于星期二\3点12分人工牙齿第二章相互作用本文档共103页；当前第14页；编辑于星期二\3点12分人工股骨置换第二章相互作用本文档共103页；当前第15页；编辑于星期二\3点12分骨科用的材料要求具有比较高的强度。粘弹性——高分子材料。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。应力松弛粘弹性材料应力速度依赖性。第二章相互作用本文档共103页；当前第16页；编辑于星期二\3点12分第二章相互作用表2-2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本文档共103页；当前第17页；编辑于星期二\3点12分B涂覆和修复机能皮肤表面损伤后的涂覆和损伤裂口的修复。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适。第二章相互作用本文档共103页；当前第18页；编辑于星期二\3点12分第二章相互作用本文档共103页；当前第19页；编辑于星期二\3点12分

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别高。第二章相互作用本文档共103页；当前第20页；编辑于星期二\3点12分

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。第二章相互作用本文档共103页；当前第21页；编辑于星期二\3点12分C导管、泵类

人工血管，食管和气管等要求必须具有一定的柔软性。特别是人工血管和气管必须与宿主材料的力学特性一致。所使用材料的弹性也需要一致。第二章相互作用本文档共103页；当前第22页；编辑于星期二\3点12分Lifespan膨体聚氟乙烯（ePTFE）人工血管

第二章相互作用本文档共103页；当前第23页；编辑于星期二\3点12分Albograft涤纶人工血管

第二章相互作用本文档共103页；当前第24页；编辑于星期二\3点12分第二章相互作用人工血管一般有三个基本性能强度。孔度：在120mmHg（1mmHg=01133kPa）压力下，每平方厘米人工血管每分钟漏血量称为孔度。

顺应性：人体动脉管腔随血压变化而出现的“脉动”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。本文档共103页；当前第25页；编辑于星期二\3点12分第二章相互作用顺应性表2-3各类人工血管材料顺应性本文档共103页；当前第26页；编辑于星期二\3点12分D电性能

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，因此在金属材料表面必须有高分子材料绝缘。第二章相互作用本文档共103页；当前第27页；编辑于星期二\3点12分E光学性能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一致。包括角膜和水晶体的曲折率、曲率半径和厚度：第二章相互作用本文档共103页；当前第28页；编辑于星期二\3点12分曲折率：水晶体，角膜1.376，泪液=房水=销子体=1.336。高分子材料PMMA的曲折率为1.49。第二章相互作用本文档共103页；当前第29页；编辑于星期二\3点12分第二章相互作用本文档共103页；当前第30页；编辑于星期二\3点12分2.1.2物理化学机能A接合、填充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、整形外科、牙科等领域。第二章相互作用本文档共103页；当前第31页；编辑于星期二\3点12分2.1.2物理化学机能接合的机理：一次结合力：共有结合，一般是化学结合二次结合力：主要是氢键和分子间的相互作用力；三次结合力：一般是指机械的镶嵌等。第二章相互作用本文档共103页；当前第32页；编辑于星期二\3点12分第二章相互作用本文档共103页；当前第33页；编辑于星期二\3点12分B物质的移动血液中病因物质如尿素、肌肝等清除用的血液透析膜。血液中二氧化碳清除的人工肺等。牵涉到物质的移动。第二章相互作用本文档共103页；当前第34页；编辑于星期二\3点12分扩散系数：

JA=-DAdcA/dZ=-DA(c1-c2)/ZM

这里DA为扩散系数（Diffusioncoefficient），dcA/dZ为Z方向的浓度微分，ZM膜的厚度，c1，c2分别为膜两边的浓度。第二章相互作用本文档共103页；当前第35页；编辑于星期二\3点12分第二章相互作用本文档共103页；当前第36页；编辑于星期二\3点12分C选择性吸附医用材料表面对蛋白质的吸附。Langmuir式v=vm*ac/(1+ac)Freundlich式v=ac1/bFrumkin-Chomkin式v=a*ln(bc)这里v为吸附量，vm为平衡吸附量；a、b、c均为系数。高分子材料表面对蛋白质的吸附一般为Langmuir吸附。第二章相互作用本文档共103页；当前第37页；编辑于星期二\3点12分第二章相互作用本文档共103页；当前第38页；编辑于星期二\3点12分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该物质的吸附分离。VanderWaals力和静电力利用的非特异性分离，多孔性的非特异分离。有时也存在一定的特异分离。发生化学结合一般都是特异性分离。第二章相互作用本文档共103页；当前第39页；编辑于星期二\3点12分2.1.3生物体适应的种类第二章相互作用

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是适应的，它对内能协调统一，对外能适应复杂多变的环境。

DNA分子——独特的双螺旋结构，适应它的两个重要功能，即自我复制——遗传信息的传递，控制蛋白质的合成——遗传信息的表达。本文档共103页；当前第40页；编辑于星期二\3点12分2.1.3生物体适应的种类第二章相互作用

动物的适应:保护色、警戒色、拟态

本文档共103页；当前第41页；编辑于星期二\3点12分2.1.3生物体适应的种类适应性 种类 方法表面的 非刺激性材料表面性质的控制（抗血栓性）抗血栓性物质的利用组织接着性软组织接着表面的形成硬组织接着表面的形成本体的力学整合性柔软性、刚直性、强度设计的调和性置入材料 第二章相互作用本文档共103页；当前第42页；编辑于星期二\3点12分2.2生体反应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，会引起生物体的全身反应。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相容性相关的问题。第二章相互作用本文档共103页；当前第43页；编辑于星期二\3点12分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。第二章相互作用本文档共103页；当前第44页；编辑于星期二\3点12分生物相容性的具体内容最初仅指材料表面的抗凝性，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“首次使用综合症，FUS”，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机体免疫系统的影响及其临床后果等范围。第二章相互作用本文档共103页；当前第45页；编辑于星期二\3点12分BiocompatibilitytestingBiocompatibilitytestingisanintegralpartofbiomaterials.

Ifthepartworksperfectlyinthelab,butcausesdamageonceinsidethebody,theeffectscouldbecatastrophic.

Testingrangesfromtheverysimplebloodtesttomoreintricatetestingwithtissuecultures.第二章相互作用本文档共103页；当前第46页；编辑于星期二\3点12分生物相容性的定义1994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：“在特殊应用中，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”。与血液接触的生物材料，主要是血液相容性第二章相互作用本文档共103页；当前第47页；编辑于星期二\3点12分材料表面在与血液接触时，机体的①凝血系统，②溶纤系统，③激肽系统和④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，其中补体在血液净化过程中因活化而产生的C3b,iC3b,C5a,和C5adesarg等降解产物会进一步引起一系列的临床过敏反应和后果。第二章相互作用本文档共103页；当前第48页；编辑于星期二\3点12分第二章相互作用本文档共103页；当前第49页；编辑于星期二\3点12分第二章相互作用本文档共103页；当前第50页；编辑于星期二\3点12分第二章相互作用本文档共103页；当前第51页；编辑于星期二\3点12分血液——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、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，材料的开发用半体内和体外方法。第二章相互作用本文档共103页；当前第52页；编辑于星期二\3点12分第二章相互作用本文档共103页；当前第53页；编辑于星期二\3点12分(1)抗凝性

血液在与材料表面接触时：①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，或引起止血和形成血栓的纤维蛋白原、纤维蛋白、凝血酶、接触因子Ⅻ、高分子量激肽酶原VonWilkbrand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C3b。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。第二章相互作用本文档共103页；当前第54页；编辑于星期二\3点12分(1)抗凝性

血液在与材料表面接触时：②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，③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。第二章相互作用本文档共103页；当前第55页；编辑于星期二\3点12分第二章相互作用本文档共103页；当前第56页；编辑于星期二\3点12分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，血栓的结构及其碎裂情况。在产生湍流的部位，如连接处、分离器内、血流管路缩小和分枝部位会形成大块的血栓沉积物，甚至可将整个循环系统堵塞。第二章相互作用本文档共103页；当前第57页；编辑于星期二\3点12分(2)对免疫系统的影响

“首次使用综合症”就是在使用铜芬膜后发现的，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症。

Ringoir和Vanholder在1992年的综述性文章中，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。第二章相互作用本文档共103页；当前第58页；编辑于星期二\3点12分第二章相互作用本文档共103页；当前第59页；编辑于星期二\3点12分第二章相互作用本文档共103页；当前第60页；编辑于星期二\3点12分BiomaterialThedefinitionofabiomaterialcoversabroadarea.

Infact,anynaturalorsyntheticmaterialthatinterfaceswithlivingtissueand/orbiologicalfluidsmaybeclassifiedasabiomaterial.

Evencommonmaterialssuchaspolyesterhaveshownusefulnessin

somebiomedicalapplications第二章相互作用本文档共103页；当前第61页；编辑于星期二\3点12分BiocompatibilityInordertodefinebiocompatibility,itmaybeeasiertodefinewhatitisnot,ratherthanwhatitis.

A

biocompatiblematerialdisruptsnormalbodyfunctionsaslittleaspossible.

Therefore,thematerialcausesnothrombogenic,toxic,orallergicinflammatoryresponsewhenthematerialisplacedinvivo.

Thematerialmustnotstimulatechangesinplasmaproteinsandenzymesorcauseanimmunologicreaction,norcanitinstigatecarcinogenic,mutagenic,orteratogenic(grosstissuechange)effects.第二章相互作用本文档共103页；当前第62页；编辑于星期二\3点12分PolymersPolymersconsistofsmallrepeatingunits,orisomers,strungtogetherinlongchains.

Theflexiblestructureofpolymershasenabledthisgroupofmaterialstobeusefulinapplicationsfromplasticgarbagebagstorubbertires.

EvenDNAhasfoundthisstructureuseful,storinggeneticinformationinthousandsuponthousandsofrepeatingsequencesofpolymers.

Inmanymaterials,processingconditionscaninducethepolymerchainstolinkwitheachotheralongthelengthofthechaintoproduceawidevarietyofmechanicalproperties.

Thisisknownascross-linking.

Cross-linkingcanincreasethedensityofmaterialstoimprovetheirstrengthandhardness;however,cross-linkedmaterialsoftenlosetheirflexibilityandbecomemorebrittle.

Theseparametersareeasilyvariedinordertosuitcurrentbiomedicalapplications.

第二章相互作用本文档共103页；当前第63页；编辑于星期二\3点12分polyethylene(PE)Thewideuseofpolyethylene(PE)inmedicineillustratestheversatilitytypicalofapolymer.

Dependingontheprocessingofthematerial,PEcanbeelasticandflexible,orhardandsmooth.

Low-densitypolyethyleneservesastubingincatheters,whileultra-high-molecular-weight(UHMW)polyethyleneisoneofthemajorarticulatingsurfacesusedintotalhiporkneereplacements.

ThesmoothsurfaceofUHMWcreatesextremelylowfrictionwithothermaterialsandincreasesthedurabilityoftheartificialjointexponentially.第二章相互作用本文档共103页；当前第64页；编辑于星期二\3点12分HydrogelsHydrogelscompriseanothersubdivisionofthisuniquegroupofmaterials.

Thesepolymerstructuresformahydrophiliccross-linkednetworkthatswellsinwateruntilanequilibriumisreachedbetweentheretractiveforceofthenetworkandthethermodynamicswellingforce.

Theycanexistashomopolymers,copolymers,ormultipolymersthatareionicallyneutral,anionic,cationicorampholytic.

Ingeneral,hydrogelsexhibitgoodbiocompatibility,lowdegradation,andprocessingease.

Hydrogelscanbeproducedwithawiderangeofswellingcharacteristics,whichplayamajorroleindeterminingsolutediffusionrates,surfaceproperties,refractiveindexes,andmechanicalcharacteristics.

Cellulosederivativessuchaspoly(vinylalcohol)(PVA),poly(ethyleneglycol)(PEG),andpoly(N-vinyl2-pyrrolidone)(PNVP)swelltoahigherdegreethanpoly(hydroxyethylmethacrylate)(PHEMA)anditsderivatives.第二章相互作用本文档共103页；当前第65页；编辑于星期二\3点12分BiodegradablePolymersNaturalandsyntheticbiodegradablepolymershaveemergedinthefieldasreliableandeffectivematerialsforpurposesthatrequireonlytemporarystabilityinordertosupporttissueingrowth.

Biodegradablepolymersdegradewhenplacedinthebodywhileallowingfunctionaltissuetogrowinitsplace.

Themechanismofdegradationforthesetypesofpolymersincludeshydrolyticinstability,hydration,molecularbackbonecleavage,lossofmolecularweight,andsolubilization.第二章相互作用本文档共103页；当前第66页；编辑于星期二\3点12分生物相容性及安全性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。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，血液相容性就变得特别重要，如血小板粘附。第二章相互作用本文档共103页；当前第67页；编辑于星期二\3点12分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。第二章相互作用本文档共103页；当前第68页；编辑于星期二\3点12分安全性生物学评价内容细胞毒性致敏刺激全身急性毒性溶血热原遗传毒性、致癌性及生殖毒性植入血液相容性第二章相互作用本文档共103页；当前第69页；编辑于星期二\3点12分急性全身毒性第二章相互作用本文档共103页；当前第70页；编辑于星期二\3点12分第二章相互作用本文档共103页；当前第71页；编辑于星期二\3点12分溶血第二章相互作用本文档共103页；当前第72页；编辑于星期二\3点12分第二章相互作用本文档共103页；当前第73页；编辑于星期二\3点12分第二章相互作用本文档共103页；当前第74页；编辑于星期二\3点12分蛋白吸附生物材料体内凝聚白细胞血小板反应红细胞纤维蛋白溶解活性补体系统反应本文档共103页；当前第75页；编辑于星期二\3点12分过敏第二章相互作用本文档共103页；当前第76页；编辑于星期二\3点12分第二章相互作用本文档共103页；当前第77页；编辑于星期二\3点12分第二章相互作用本文档共103页；当前第78页；编辑于星期二\3点12分第二章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2.2生体反应

2.2.1生物相容性的概念

2.2.2材料与蛋白质的相互作用

2.2.3材料与细胞的相互作用

2.2.4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第二章相互作用本文档共103页；当前第79页；编辑于星期二\3点12分2.2.2材料与蛋白质的相互作用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，材料表面存在的蛋白质，之后会引起血液凝固，血小板吸附，血栓形成等不良影响。第二章相互作用本文档共103页；当前第80页；编辑于星期二\3点12分蛋白质人体中蛋白质占16.3%。血浆中存在大量的蛋白质，水分90-92%。白蛋白：38～48g/L；球蛋白：15～30g/L；A/G：正常值1.5~2.5。

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）。第二章相互作用本文档共103页；当前第81页；编辑于星期二\3点12分血浆蛋白第二章相互作用本文档共103页；当前第82页；编辑于星期二\3点12分血浆蛋白质的功能维持血浆胶体渗透压；组成血液缓冲体系，参与维持血液酸碱平衡；运输营养和代谢物质；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；参与凝血和免疫作用。第二章相互作用本文档共103页；当前第83页；编辑于星期二\3点12分蛋白吸附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少，而疏水性高分子材料表面吸附蛋白质多。同一材料对不同蛋白质的吸附也不同。第二章相互作用本文档共103页；当前第84页；编辑于星期二\3点12分

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。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的重要原因。第二章相互作用本文档共103页；当前第85页；编辑于星期二\3点12分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、表面亲水/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。本文档共103页；当前第86页；编辑于星期二\3点12分

血小板反应血纤维蛋白溶解活性

白细胞红细胞

体内凝聚补体激活

图2-1血液和生物材料反应的性能蛋白吸附生物材料第二章相互作用本文档共103页；当前第87页；编辑于星期二\3点12分2.2.3材料与细胞的相互作用材料与血液细胞的反应。血细胞主要指红细胞、白细胞和血小板。红细胞最多，但材料与血小板和白细胞的相互作用更为重要。第二章相互作用本文档共103页；当前第88页；编辑于星期二\3点12分血细胞的种类和形态本文档共103页；当前第89页；编辑于星期二\3点12分第二章相互作用本文档共103页；当前第90页；编辑于星期二\3点12分本文档共103页；当前第91页；编辑于星期二\3点12分本文档共103页；当前第92页；编辑于星期二\3点1