生物医学功能材料

关于生物医学功能材料CompanyLogo生物医学功能材料-特征与评价生物材料：用于生物系统疾病的诊断、治疗、修复或替换生物体组织或器官，增进或恢复其功能的材料。包括与活体相联系的材料、植入活体内能起某种生物体功能的材料和模仿生物功能的材料。生物材料是材料科学领域中正在发展的多种学科相互交叉渗透的领域，其研究内容涉及材料科学、生命科学、化学、生物学、解剖学、病理学、临床医学、药物学等学科，同时还涉及工程技术和管理学科的范畴。

生物材料不是药物，其治疗途径是以生物机体直接结合和相互作用为基本特征的。第2页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-特征与评价研究目的：在分析天然生物材料微装配、生物功能及形成机制的基础上，发展新型医用材料以用于人体组织器官的修复与替代，发展仿生高性能工程材料。研究内容：1、生物体的生理环境、组织结构、器官生理功能及其替代方法的研究；2、具有特种生理功能的生物医学材料的合成、改性、加工成型以及特种生理功能与其结构关系的研究。3、材料与生物体的细胞、组织、体液、免疫、内分泌等生理系统的相互作用以及减少材料毒副作用的对策和方法研究；4、生物医学材料的卫生学处理和管理以及医用安全性评价方法与标准的研究。第3页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-特征与评价古代：利用天然物质和材料治病。公元前5000年，黄金修复失牙；公元前3500年，古埃及，棉花纤维、马鬃等缝合伤口；公元前2500年，中国、埃及，假手、假鼻、假耳等人工假体；隋末唐初，银膏补牙-成分是银、锡、汞，与现代牙齿填充材料汞齐合金类似。近代：1829年，通过多种金属的系统动物实验，得出金属铂对机体组织刺激性最小；1851年发明天然橡胶的硫化方法后，开始利用天然高分子硬橡木制作人工牙托和颚骨进行临床治疗；第4页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-特征与评价1892年，用硫酸钙填充骨缺损，这是陶瓷材料植入人体的最早实例。现代：生物医学材料取得实质性进展开始于20世纪20年代。不锈钢：1926年，含18%铬和8%镍首先应与于骨科治疗，随后应与于口腔科；1934年，研制出高铬低镍单相组织的AISI302和304，在体内生理环境下的耐腐蚀性显著提高；1952年，开发出耐蚀性更好的AISI316不锈钢；

60年代，研制出超低碳不锈钢AISI316L和317L。钴镍合金：铸造钴镍合金首先在口腔中得到应用；20世纪30年代末被应用于制作接骨板、骨钉等内固定器械；第5页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-特征与评价50年代成功制成人工髋关节；60年代为了提高力学性能，研制出锻造钴铬钨镍合金和锻造钴铬钼合金，并应用于临床；70年代为了改善钴基合金抗疲劳性能，研制出锻造钴铬钼钨铁合金和具有多相组织的MP35N钴铬钼镍合金，应用于临床。钛：金属钛，优异的耐蚀性、生物相容性、密度低；40年代，制作外科植入体；50年代用纯钛制作接骨板和骨钉；70年代，Ti6A14V合金、TiSAl2.5Sn合金和钛钼锌锡等合金获得应用，使钛和钛合金成为继不锈钢和钴基合金之后的又一类重要医用金属材料；第6页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-特征与评价70年代以后，NiTi系为代表的形状记忆合金逐渐在骨科和口腔科得到应用，并成为医用金属材料的重要组成部分。生物陶瓷：从60年代初开始应用于生物材料。多晶氧化铝陶瓷-低温各向同性碳-生物玻璃-羟基磷灰石(生物活性陶瓷)-生物陶瓷复合材料-引入活体细胞或生长因子的生物陶瓷构架；医用高分子：开始于50年代有机硅聚物的发展。有机硅聚合物-聚甲基丙烯酸甲脂(骨水泥)-医用高分子材料大发展，制作了人工心瓣膜、人工血管、人工骨、手术缝合线等；90年代以后，借助于生物技术和基因工程的发展，由无生物存活性材料扩展到具有生物学功能的材料领域，其基本特征是具有促进细胞分化、增殖、诱导组织再生、参与生命活动等功能。第7页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-特征与评价分类：按材料属性分类，材料功能分类，材料来源分类和使用部位分类。按材料属性分类：A、医用金属材料：包括不锈钢、钴基合金，钛及合金等，广泛应用于人工假体、人工关节、医疗器械等。B、医用无机材料：主要是生物陶瓷。分为惰性生物陶瓷，如氧化铝生物陶瓷；表面生物活性陶瓷，如磷酸钙基生物陶瓷；可降解生物陶瓷，如β-磷酸三钙陶瓷等。C、医用高分子材料：根据来源分为天然的和合成的，天然的如多糖类、蛋白类，合成的聚氨酯、聚乙烯、聚乳酸、聚四氟乙烯等，用于人体器官、组织、关节、药物载体等。D、医用复合材料：不同种材料的混合或结合，克服单一材料的缺点，可获得性能更优的材料。第8页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-特征与评价按材料的功能分类：A、硬组织相容性材料：主要用于生物机体的关节、牙齿及其他骨组织。B、软组织相容性材料：主要用于人工皮肤、人工气管、人工食道等。C、血液相容性材料：主要用于人工血管、人工心脏、血浆分离膜、血液灌流用吸附剂、细胞培养基材等。D、生物降解材料：主要用于吸收型缝合线、药物载体、愈合材料、粘合剂以及组织缺损用修复材料。按材料来源分类：A、自体组织，如人体听骨、血管等替代组织。B、同种异体器官及组织，如不同人体之间的器官移植。C、异种器官及组织，如动物骨、肾替换人体器官。D、天然生物材料，如动物骨胶原、甲壳素、珊瑚等。E、人工合成材料，如各种人工合成的新型材料。第9页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-特征与评价按使用部位分类：A、硬组织材料，骨、牙齿用材料。B、软组织材料，软骨、脏器用材料。C、心血管材料，心血管以及导管材料。D、血液代用材料，人工红血球、血浆等。E、分离、过滤、透析膜材料，血液净化、肾透析以及人工肺气体透过材料等。生物医用材料的基本要求：(一)生物相容性：对人体无毒、无刺激、无致畸、致敏、致突变或致癌作用；生物相容性好，在体内不被排斥，无炎症，无慢性感染，种植体不致引起周围组织产生局部或全身性反应，最好能与骨形成化学结合，具有生物活性；无溶血、凝血反应等。第10页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-特征与评价(二)化学稳定性：耐体液侵蚀，不产生有害降解产物；不产生吸水膨润、软化变质；自身不变化等。(三)力学条件：足够的静态强度，如抗弯、抗压、拉伸、剪切等；具有适当的弹性模量和硬度；耐疲劳、摩擦、磨损、有润滑性能。(四)其它要求：良好的空隙度，体液及软硬组织易于长入；易加工成形，使用操作方便；热稳定好，高温消毒不变质等性能。生物相容性：材料与生物体之间相互作用后产生的各种生物、物理、化学等反应的一种概念。一般地讲，就是材料植入人体后与人体相容程度，也就是说是否会对人体组织造成毒害作用。第11页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-特征与评价生物相容性根据材料接触部位分为三类：1、血液相容性：材料用于心血管系统与血液接触，主要考察与血液的相互作用；2、组织相容性：材料与心血管外的组织和器官接触，主要考察与组织的相互作用，也称一般生物相容性；

3、力学相容性：对于植入体内承受荷载，以及要求其弹性形变和植入部位的组织的弹性形变相协调的生物材料的力学性能。材料与机体组织发生两种反应：材料反应和宿主反应。宿主反应：生物机体对植入材料的反应。材料反应：材料对生物机体作用产生的反应。第12页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-特征与评价生物相容性评价：体外试验和动物体内试验。体外试验：溶出物测定、溶血试验、细胞毒性试验等。动物体内试验：急性全身毒性试验、刺激试验、致突变实验、肌肉埋植试验、致敏试验、长期体内试验等。研究现状：多处于经验和半经验阶段，为满足应用要求。目前进入“生物医学材料分子设计学”的建立积累数据和资料的阶段，个别性能的分子设计已被应用。

较活跃的生物医学材料主要有高抗凝血材料、生物活性陶瓷及玻璃、钛及钛合金、镍钛记忆合金、生物活性缓释材料及靶向药物在体材料、生物粘合剂、可生物降解与可吸收性生物材料、纳米生物材料、智能与杂化材料和血液净化材料。第13页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-特征与评价研究方向：生物相容性的分子设计学研究、血液相容性材料研究、生物膜材料研究、缓释材料研究、天然生物材料中再生胶原及弹性纤维蛋白的稳定化和增强处理方法、甲壳素和透明质酸代替物的应用研究、生物陶瓷和生物玻璃材料的研究、医用钛及钛合金、镍钛合金材料表面与体液相互作用机理和生化反应及金属表面生物惰性化处理方法的研究、生物材料表面修饰学的研究、生物相容性的表征及评价方法研究、生物活性材料、仿生材料、智能材料、生物/合成杂化材料的研究。发展趋势：筛选现有或新出现的材料；研究材料的相容性、机械性和老化性；表面修饰的研究；材料的分子设计。第14页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-人工器官人工器官：研究模拟人体器官的结构和功能，用人工材料和电子技术制成部分或全部替代人体自然器官功能的机械和电子装置。当人体器官病损而用常规方法不能医治时，有可能给病人使用一个人工制造的器官来取代或部分取代病损的自然器官，补偿或修复或辅助其功能。按功能分类：（1）支持运动功能的人工器官，如人工关节、人工脊椎、人工骨、人工肌腱、肌电控制人工假肢等。（2）血液循环功能的人工器官，如人工心脏及其辅助循环装置、人工心脏瓣膜、人工血管、人工血液等。第15页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-人工器官（3）呼吸功能的人工器官，如人工肺（人工心肺机）、人工气管、人工喉等。（4）血液净化功能的人工器官，如人工肾（血液透析机）、人工肺等。（5）消化功能的人工器官，如人工食管、人工胆管、人工肠等。（6）排尿功能的人工器官，如人工膀胱、人工输尿管、人工尿道等。（7）内分泌功能的人工器官，如人工胰、人工胰岛细胞。（8）生殖功能的人工器官，如人工子宫、人工输卵管、人工睾丸等。

第16页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-人工器官（9）神经传导功能的人工器官，如心脏起搏器、膈起搏器等。（10）感觉功能的人工器官，如人工视觉、人工听觉（人工耳蜗）、人工晶体、人工角膜、人工听骨、人工鼻等。（11）其他类，人工硬脊膜、人工皮肤等。按原理分类机械式装置（如人工心脏瓣膜、人工气管、人工晶体等）电子式装置（如人工耳蜗、人工胰、人工肾、心脏起搏器等）按使用方式分类植入式，如人工关节、人工心脏瓣膜、心脏起搏器。体外式，如人工肾、人工肺、人工胰。体外式人工器官实际上都是由电子控制的精密机械装置。第17页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-人工器官人工心脏：利用机械的方法把血液输送到全身各器官以代替心脏的功能的装置。1982年，JARVIK-7是世界上第一个试图永久性植入人体的完全人工心脏，最大缺点是需要由体外装置提供动力的能源。1998年，首个轻便式的心脏“辅助器”投放英美市场。2000年，给病人植入首个Jarvik-2000型人工心脏，重约90克，附在心脏的左心室上。2001年7月2日，世界上第一例全植入式人工心脏植入手术在美国获得成功。第18页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-人工器官人工心脏包括血泵、驱动装置、监控系统、能源。血泵：包括膜式血泵、囊型血泵、管型血泵及螺形血泵等四种，材料有硅橡胶、甲基硅橡胶、嵌段硅橡胶、聚氨酯、聚氯乙烯和复合材料等。驱动系统：供给人工心脏血泵工作的动能。形式多样，大致可分为机械、电动、磁力、气压、液压五种形式。监控系统：监控人工心脏工作状态。基本上从血泵机能，驱动装置各项指标及血液循环生理参数变化三个方面进行监控。能源：依靠外加能源工作以推动血液循环。既能满足功率要求，并使之微型化做到全置入体内，长期达数年使用的能源，目前尚未完全解决。第19页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-人工器官人工心脏瓣膜：可植入心脏内代替心脏瓣膜（主动脉瓣、肺动脉瓣、三尖瓣、二尖瓣），能使血液单向流动，具有天然心脏瓣膜功能的人工器官。

当心脏瓣膜病变严重而不能用瓣膜分离手术或修补手术恢复或改善瓣膜功能时，则须采用人工心脏瓣膜置换术。换瓣病例主要有风湿性心脏病、先天性心脏病、马凡氏综合症等。人工瓣膜的类型：机械瓣：球型瓣、碟型瓣、单叶碟瓣、双叶碟瓣；组织瓣（生物瓣）：人组织瓣、动物组织瓣。第20页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-人工器官机械瓣的制瓣材料一般包括三个方面：坚硬材料(支架)、弹性材料(阻塞体)、织品类材料(瓣环)。球型瓣：构造简单，开闭活动稳定、耐用，但中心血流受阻，在球瓣前后有涡流，是目前各类机械瓣的“鼻祖”。碟型瓣：瓣架低，跨瓣压差大，属周围血流型，血液动力学性能差。解决了球型瓣架过高的问题，但整个瓣常出现血栓，偶而出现浮动碟与支架碰撞现象和支撑焊口断裂。双叶碟瓣：瓣叶活动灵活，有效瓣口面积较大，跨瓣压差小，血栓栓塞率低开放时为85。，流体力学性能最佳，是目前用得最多的一种机械瓣。机械瓣膜材料血液相容性的原因，植入机械瓣膜的患者，在植入后须长期进行抗凝治疗，有引起严重出血的危险。第21页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-人工器官生物瓣膜具有良好的流体力学特性，没有阻塞体，血栓形成的可能性非常低，不会对血液有形成分产生破坏；制作瓣膜的材料有很好的血液相容性，不会产生凝血、溶血以及形成血栓等良好特性，不需要进行抗凝治疗。生物瓣膜以钙磷酸盐沉积在生物瓣材料上形成瓣膜的钙化，致使材质弹性韧性以及机械强度都发生很大变化，造成生物瓣失灵。

生物瓣的优点：(1)不需要长期抗凝；(2)置换后接近正常的血液动力学；(3)能维持长期组织学上与功能的完整性。

作瓣膜材料的生物组织有下列几种：同种同体组织有阔筋膜、肺动脉；同种异体组织有主动脉瓣、硬脑膜、阔筋膜；异种异体组织有猪主动脉瓣、牛心包、牛主动脉瓣。第22页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-人工器官人工肺：又名氧合器或气体交换器，是代替人体肺脏排出CO2、摄取O2，进行气体交换的人工器官，应用于心脏手术的体外循环，和血泵配合称为人工心肺机。人工心肺机：由氧合器和血泵及辅助设备组成的，能进行体外循环的机械装置。用于心脏手术的体外循环、肺移植的辅助呼吸、急性呼吸衰竭的辅助治疗等。人工肺分为静立垂屏式、转碟式、鼓泡式和膜肺式。静立垂屏式：由上方储血室、氧合室和下方储血室三部分组成。静脉血先用血泵注入上方储血室，继而流向有机玻璃制成的氧合室。氧合室内垂挂着3-14片不锈钢片。血液自上而下流动，在不锈钢片上与氧合室内充的氧气接触进行血气交换。氧合的血流流入下方储血室，由另一血泵注入人体。第23页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-人工器官转碟式：将引流出的静脉血流入一个圆筒形槽，槽内液面保持一定高度。槽上有一个固定有数十个圆形不锈钢碟片的转轴，碟片的一小半浸在血液中。当转轴转动时，它所带动的碟片上就涂上一层血液，与槽内的氧气接触进行血气交换。鼓泡式：氧合室为柱状，氧气通过气体分散器变成小气泡进入氧合室，与血液混合后上升，进行血气交换。氧合室上方有去泡室，内装金属或塑料丝网架，上涂消泡剂硅油，血内气泡接触硅油立即破灭。去泡后的氧合血经过滤后进入一个螺旋管状的储血室储存，再经多级过滤，变温后注入人体。膜肺：依据仿生原理按照肺泡气体弥散生理功能设计，最接近人体肺生理功能。第24页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-人工器官原理：血液和氧气由薄膜隔开，一侧通静脉血，另一侧通纯氧。静脉血的氧分压为40mmHg左右，而纯氧的压力约700mmHg，氧气经膜弥散进入血液，使血液氧合。血液中的二氧化碳分压为40mmHg，氧气中的PCO2为0-5mmHg，CO2经膜由血液向气体侧弥散，最终逸出。膜肺是随着膜材料的发展而发展的。第一个膜肺用的是聚氯乙烯。真正实用的膜肺出现于1960年，膜材料为硅橡胶。膜肺的大发展是在1980年以后，出现了各种高分子聚合物材料制成的各种形式的膜肺，如聚酯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、醋酸纤维素、乙基纤维素、硅橡胶等。第25页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-人工器官人工膀胱：替代膀胱功能的人工装置。对膀胱肿瘤或因病变所致膀胱挛缩等症，患者在须行膀胱摘除术时，植人人工膀胱储存和排除尿液，不仅可维持正常生活，而且可以克服一般尿道改道等手术带来的各种并发症及给患者生活带来的不便。人工膀胱的类型有生物材料的、非生物材料的及全置换体内植入型3种。(1)生物材料的人工膀胱：自体组织移作人工膀胱，如用肠代膀胱、胃代膀胱术等；异体组织移作人工膀胱，如采用经化学处理的牛心包组织制做人工膀胱。

(2)非生物材料的人工膀胱：

第26页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-人工器官体外留置型：采用各种造口术，用引流管将尿液引至体外，用集尿袋作人工膀胱积蓄尿液。例如，采用硅橡胶作引流管，使用一次性的集尿袋，使组织刺激反应和感染等并发症明显减少。移行上皮细胞再生型人工膀胱：利用膀胱的移行上皮细胞具有良好再生能力的原理，在膀胱切除后，盆腔内设置膀胱支架，使残留的膀胱及尿道组织沿支架再生成一个膀胱，最后去除埋人的膀胱支架。支架可分为一、不能吸收的膀胱支架，例如聚乙烯或明胶海绵等制成的支架，在用后需自体内取出；二、生物降解材料制膀胱支架，例如以聚a氨基酸膜做支架，可全部降解。第27页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-人工器官(3)全置换体内植入型人工膀胱：由人工输尿管、单向止逆瓣、集尿器、人工括约肌装置和人工尿道五个部分组成。人工膀胱上端左右有一段人工输尿管，与患者原输尿管缝合联接。下端有一小段人工尿道与患者原有尿道缝合联接。集尿器是人工膀胱储尿的容器，上联单向止逆瓣防止尿液返流肾脏，下接人工括约肌以控制尿液的排放。目前仍处在动物实验及临床试用阶段。人工膀胱的材料必须具备如下条件：①组织相容性；②尿液相容性；③对泌尿系统其他器官不产生刺激，不导致尿路梗阻、炎症、致癌及诱发泌尿系本身的疾病。④密封性良好，与输尿管、尿道易于缝合及结合，不产生漏尿；⑤易于手术及消毒。第28页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-人工器官人工皮肤：作为皮肤创伤修复材料和损伤皮肤的替代品，可以使皮肤大面积和深度烧伤的患者在自体皮不够的情况下

进行修复治疗并使之恢复因皮肤创伤丧失的生理功能。人工皮肤的研究分为三个阶段，分别是创伤敷料、人工皮肤和活性人工皮肤。创伤敷料：包括吸收敷料、不粘敷料、封闭和半封闭敷料、水凝胶敷料和含药敷料。吸收敷料：保护创面和吸收体液，以使创伤不受细菌的感染和进一步恶化。大多为天然材料，如：甲壳素，壳聚糖，果酸，明胶，淀粉等，可在人体内降解并被人体吸收。不粘敷料：经过石蜡、石油浸泡过的纱布不粘创面，防止创面干燥和病原菌进入创伤，

由穿孔的不粘膜层加吸收衬垫组成。第29页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-人工器官封闭和半封闭敷料：半透过性材料，清洁创伤、减少体液渗出，促进创伤修复。水凝胶敷料：水凝胶吸水溶胀后对创面形成闭合吸收敷料，以防菌防毒并在创伤修复后易于除去。该类材料主要为CMC钠盐，聚乙烯，毗咯烷酮等，愈合率比不用的对照组提高30%~36%。含药敷料：在敷料中加入使上皮再生和消炎以及抗生素等药物材料，其效果比不用的对照组愈合率提高16-37%。人工皮肤：替代损伤皮肤的材料，可用于大面积烧伤的皮肤的修复。合成高分子材料：合成纤维织物，如尼龙、聚酯、聚丙烯等；多孔薄膜，如聚乙烯醇、聚氨酯、硅橡胶、聚乙烯等。第30页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-人工器官生物高分子材料：同种异体或异种组织，如人或动物的羊膜、腹膜和皮肤；胶原蛋白。

人工皮肤的材料基本上为天然材料和合成的高分子材料的复合。因为天然材料的机械强度无法满足实际的要求，必须辅以机械强度好的高分子材料做外部包扎材料。

随着人工皮肤的研究和发展，在深度和大面积烧伤的治疗中，

由于自体皮源不足，仅仅用没有活细胞的人工皮肤己不能满足实际的需要，希望通过体外培养来扩展自体皮表面积或重建上皮层来满足这一要求。

目前体外培养移植皮有自体角质细胞移植皮；异体角质细胞移植皮；在同种胶原上培养的自体角质细胞移植皮；在人工真皮上培养的角质细胞移植皮；

复合皮肤移植皮。第31页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-人工器官蛋白类：胶原，明胶，丝素等。为人工皮肤的重要组成，是细胞分化、生长的营养基地，缺点是无弹性、强度低、降解太快。多糖类：甲壳糖，糖胺多糖，透明质酸等。有促进细胞生长的功能，但用量增加有抑制成纤维细胞生长的作用，同时材料的弹性低，质脆。盐类：海藻酸钠，海藻酸钙等。为交联剂，同时起到促细胞生长的作用。高聚物：不降解材料，如聚氨醋，涤纶，尼龙，硅橡胶等。为生物惰性材料，不降解，只能用做外层敷料不能永久代替皮肤；第32页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-人工器官生物降解材料：如聚酯，乙丙交醋等，生物性能好，可降解，可代谢，但如果其分子量小则强度不够，分子量大难溶于水，溶解时出现降解，影响材料的机械强度，其降解之后的产物使其周围组织酸度提高，出现无菌性炎症。

单独使用任一种材料都不能满足实际的需求，需要把几种材料进行杂化或交联。人工皮肤材料研究的发展趋势：原料选择的新颗性；制备方法的新颖性；材料性能的新颖性。

人工皮肤随着组织工程学的发展和在细胞支架材料性能上进一步完善，本着仿生的原则，人为地更接近于天然，应用于人类，将会大大地提高人类的生命质量和生活水平。第33页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-人工器官人工肾：替代肾脏功能的装置，患者动脉血经硅胶管引入透析器，使血液和透析液隔半透膜流动而进行透析，血液被净化后再由硅胶管经静脉输回体内。人工肾尚未能完全取代肾脏的全部生理功能，它仅能协助清除体内大部分代谢废物，并调节水、电解质及酸碱平衡。

人工肾要完成血液在体外循环的透析过程，必须具备合乎要求的血液管道、人工肾机(透析液供给装置)和透析器。血液管道包括血液进出透析器的管道系统。组成管壁的材料具有良好的血液相容性，以减少血液有形成分遭受破坏。管腔内径为4~5mm，保证足够的血液循环量。血泵用于管道增厚部分，增加血压。备有注射肝素、输液等分管及排气、滤过等回血装置。第34页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-人工器官人工肾机：包括透析液的供给与循环系统和自动监护系统。透析液根据是否需预先人工配制分为有半自动型和全自动型。透析液的流程两种方式：1、单流程式，亦称单通道式：指透析液经透析器流出后即废弃。优点为流程简单、透析效果较好，缺点是透析液量大、费用贵、供液装置和储水槽体积较大、不易搬动。2、再循环式：指透析液经透析器流出后，再引入净化吸附装置处理，然后供连续循环使用。加有净化器(吸附筒)。优点为减少透析液的用量，缩小透析液供给装置的体积。自动监护装置包括血路监护报警(动脉压报警、静脉压报警等)和透析液路监护报警(温度报警、透析液流量报警等)。第35页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-人工器官透析器：包括血液进出透析器的管道系统、各种材料的透析膜和透析液进出透析器的管道系统。透析器的效能应考虑血液在透析器内流动途径、阻力、透析膜和透析液接触面积及透析膜材料等因素。透析膜是一种以浓度差为推动力的分离膜。根据分离的溶质的粒径，要求透析膜上有相适应的孔径均匀的微孔。膜孔径在3μm以下的有机高聚物的均质膜，是一类不带电荷的多孔膜，目前主要用于人工肾。常用的制备材料纤维素和聚合物，如铜氨法再生纤维素、醋酸纤维素、聚丙烯腈、乙烯-乙烯醇共聚物以及聚甲基丙烯酸甲酯、聚砜、聚丙烯酰胺等。第36页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-人工器官

透析作用是血液与透析液之间通过透析膜进行弥散、渗透和滤过的一个过程。因此，透析膜是透析器的重要组成部分，对其基本要求是：1、半透膜、无毒性、表面光洁，有抗凝血和良好的血液相容性。2、孔径应不超过3μm，使中、小分子量物质可自由通过，而对血液中血细胞、血小板、白蛋白等分子量在35,000以上物质则不能通过。3、透析膜厚度较薄(10~20μm)，能耐受一定压力(500mmHg以上)以增加透析效果和防止透析过程中破膜引起溶血和失血。第37页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-人工器官人工骨：用人工材料制造的人骨的替代品或者骨折固定的材料。高分子合成材料：聚甲基丙烯酸甲酯、高密度聚乙烯、聚砜、聚左旋乳酸、乙醇酸共聚物、液晶自增强聚乳酸、自增强聚乙醇酸等；无机材料：羟基磷灰石、氧化铝生物陶瓷等，可以替代人体头盖骨、肩、臂、指、肥肉关节等。

理想的人工骨复合材料应该具有良好的生物相容性和生物可降解性，并能够促进新骨细胞的生成。

磷酸三钙人工骨材料是目前研究和应用较多的骨替代材料之一，其理化性质与骨组织相似，生物相容性良好，具有一定的传导成骨能力，并能在体内进行生物降解。但是磷酸三钙一般呈颗粒状，在缺损骨组织部位很难成型，其应用有一定的局限性。第38页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-人工器官人工器官的主要研究方向：生物相容性表面技术：主要是梯度修饰，通过组装、修饰材料的表面，提高人工组织与人工器官表面与整体的生物相容性。精密加工技术：是人工器官在体内长期安全有效发挥功能的重要保证。如体内植入支架、接入导管球囊与管体的连接，眼内人工晶体的成型等。组织工程中的转基因技术：降低宿主免疫排斥反应.组织工程网络构架的生物活性组装与表面修饰：调控细胞生长速度与构造，组装与修饰分子层的厚度和生长因子表面与微环境的浓度，通过界面技术和生物降解等缓释技术加以调控。组织工程网络构架在低重力效应下细胞和组织三维培养技术和装置的研究。第39页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-药物载体药用功能材料：即医药用仿生材料，又称为生物医药材料，用于与生物系统接触并发生相互作用，能够对细胞、组织和器官进行诊断治疗、替换修复或诱导再生的天然或人工合成的特殊功能材料。

按其应用可分为不直接与人体接触的、与人体组织接触的和进入人体内的三大类。根据材料的属性可分为医用金属材料、医用无机非金属材料或称为医用陶瓷、医用复合材料和医用高分子材料。

绝大多数属功能高分子范畴，有的具有人体组织或器官的某些功能；有的利用其物理化学性能阻止或疏通某些功能障碍，使之恢复其正常功能；有的只作为医疗器械使用。第40页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-药物载体按照功能分类，医用高分子材料主要应用于人造器官和治疗用材料。第一类是具有药埋活性的高分子，药物处于高分子链时才具有活性。第二类指高分子载体药物，多为低分子药物，以化学方式连接在高分子长链上。第三类是微胶囊化的低分子药物，以高分子材料为可控释放膜，将具有药埋活性的低分子药物包裹在高分子中，以提高药物的治疗效果。第41页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-药物载体药用功能材料的基本性能要求（1）化学性能稳定，对人体的血液、体液等无影响，不形成血栓等不良反应。例如聚氨酯中所含的酰胺基团技艺水解，在体内会降解而失去强度，经嵌段改性后，化学稳定性提高。（2）材料与人体的组织相容性良好，不会引起炎症或其他排异反应。（3）无致癌性，耐生物老化，长期放置体内的材料其物理机械性能不发生明显变化。（4）不因高压蒸煮、干燥灭菌、药液等消毒措施而发生质变。例如蒸汽灭菌的温度一般在120~140℃，不能选用软化点低于此温度的材料。第42页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-药物载体高分子药物控制释放体系的特点：药物释放到环境中的浓度比较稳定；能十分有效地利用药物；能够让药物的释放部位尽可能接近病源，提高了药效，避免发生全身性的副作用；可以减少用药次数。

缓控释制剂主要由骨架型和贮库型两种。药物以分子或微晶、微粒的形式均匀分散在各种载体材料中，则形成骨架型缓、控释制剂；

药物被包裹在高分子聚合物膜内，则形成贮库型缓、控释制剂。

两种类型的缓、控释制剂所涉及的释药原理主要有溶出、扩散、溶蚀、渗透压或离子交换作用。第43页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-药物载体扩散原理：以扩散为主的缓、控释制剂，药物首先溶解成溶液后再从制剂中扩散出来进入体液，其释药受扩散速率的控制。

药物的释放以扩散为主的结构有以下几种：水不溶性包衣膜，如乙基纤维素包衣的微囊或小丸制剂；含水性孔道的包衣膜，如乙基纤维素与甲基纤维素混合组成的膜材；骨架型的药物扩散，通过骨架中许多弯弯曲曲的孔道扩散进行的。

利用扩散原理达到缓、控释作用的方法：包衣、制成微囊、制成不溶性骨架片剂、增加粘度以减少扩散速度、制成植入剂、制成乳剂。第44页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-药物载体溶出原理：溶出速度慢的药物显示出缓释的性质。根据溶出速度公式，通过减少药物的溶解度，增大药物的粒径，以降低药物的溶出速度，达到长效作用。具体方法有制成溶解度小的盐或酯；与高分子化合物生成难溶性盐；控制粒子大小。溶蚀与扩散、溶出结合：释药系统决大多数取决于溶出或扩散过程，但某些骨架型制剂，骨架本身也处于溶蚀的过程，结果使药物扩散的路径长度改变，形成移动界面扩散系统。此类系统的优点在于材料的生物溶蚀性能不会最后形成空骨架，缺点则是由于影响因素多，其释药动力学较难控制。第45页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-药物载体渗透压原理：利用渗透压原理制成的控释制剂，能均匀恒速地释放药物，比骨架型缓释制剂更为优越。只要膜内药物维持饱和溶液状态，释药速率恒定。

此类系统的优点在于其可传递体积较大，理论上，药物的释放与药物的性质无关，缺点是造价贵，另外对溶液状态不稳定的药物不适用。离子交换作用：由水不溶性交联聚合物组成的树酯，其聚合物链的重复单元上含有成盐基团，药物结合于树脂上。当带有适当电荷的离子与离子交换基团接触时，通过交换将药物游离释放出来。第46页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-药物载体高分子微胶囊药物释放体系可分为贮存式和基体式两种结构。

贮存式结构的药物集中在内层，其外层为由高分子材料制成的膜，用于该控释系统的高分子材料一般为疏水性线形生物降解高分子，包埋药物后制成埋植剂、微球制剂。

基体式结构的药物则是均匀地分散于微胶囊内，其药物可以呈单分散，也可以呈一定聚集态结构分散于高分子基体中，药物通过扩散作用并协同高分子的降解作用释放。可以选择疏水性生物降解性高分子或水凝胶作为基质，特别是水凝胶由于其良好的生物相容性和释放行为的可控性而成为药控研制的热点。第47页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-药物载体理想的药物释放体系，通常应当满足①将药物传送到作用部位；②在达到要求疗效的前提下，药物投放量最小，药物的毒副作用最小；③安全；④服用方便，易被患者接受；⑤在通常的环境下具有一定的物理和化学稳定性。目前常用的五类药物的给药途径为：①通过胃肠消化道给药；②体内给药(包括眼内、口、舌下、鼻腔、直肠以及阴道、子宫内给药)；③透皮给药；④动脉注射及静脉点滴；⑤皮下及肌肉注射。

通过合适的给药途径，可使药物释放达到较为理想的效果。第48页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-药物载体高分子药物胶囊可大大减少服药次数，屏蔽药物的刺激性气味、延长药物的活性、控制药物释放剂量、提高药物疗效，因此具有比一般药物制剂明显的优越性

微胶囊化的具体制备方法一般有以下几种：①化学方法：包括界面聚合法、原位聚合法、聚合物快速溶解法、气相表面聚合法等。②物理化学方法：包括水溶液中相分离法、有机溶剂中相分离法、溶液中干燥法、溶液蒸发法、粉末床法等。③物理方法：空气悬浮涂层法、喷雾干燥法、真空喷涂法、静电气溶胶法、多孔离心法等。物理方法需要较复杂的设备，投资较大，而化学方法和物理化学方法一般通过反应釜即可进行，应用较多。第49页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-药物载体界面聚合法：将两种带不同活性基团的单体分别溶于两种互不相容的溶剂中，当一种溶液分散到另一种溶液中时，在两种溶液的界面上形成了一层聚合物膜。

如果被包裹物是亲油性的，应将被包裹物和油溶性单体先溶于有机溶剂，然后将此溶液在水中分散成很细的液滴。再在不断搅拌下往永相中加入含有水溶性单体的水溶液，于是在液滴表面上很快生成一层很薄的聚合物膜。经沉淀、过滤和干燥后，便得到包有液滴的微胶囊如果被包裹的是水溶性物，则整个过程正好与上述方法相反。

常用的活性单体有多元醇、多元胺、多元酚和多元酰氯、多异氰酸酯等。界面聚合法所得微胶囊的壁很薄，为0.00l～0.011微米，被包裹物渗透性较好。第50页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-药物载体水(油)中相分离法：将聚合物溶于适当介质(水或有机溶剂)，并将被包裹物分散于该介质中，然后向介质中逐步加入聚合物的非溶剂，使聚合物从介质中凝聚出来，沉积在被包裹物颗粒表面而形成微胶囊。溶液干燥法：使被包裹物溶液与聚合物溶液形成乳液，再将这种乳液分散于水或挥发性溶剂，形成复合乳液。然后通过加热、减压、萃取、冷冻等方法除去溶解聚合物的溶剂，则聚合物沉积于被包裹物表面，形成微胶囊。气相表面聚合法：把气化的自由基(活性单体)沉积在固体颗粒表面上使之聚合。如对苯二撑气化后，导人放有Mg粉的小室，冷却后，对苯二撑自由基就沉积在Mg粉的表面上聚合形成包裹层(微胶囊)。Mg经包覆后，在空气下不吸湿。第51页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-药物载体喷雾干燥法：分为水溶液系统、有机溶液系统和胶囊浆系统。水溶液系统：被包裹的物质(芯材)是不溶于水的固体颗粒或液体，包埋芯材的材料(壁材)是水溶性材料，芯材分散或乳化于壁材的水溶液中，构成起始溶液。该溶液在喷雾干燥器内雾化形成小液滴，芯材被水相包裹起来，水分由于高温而挥，壁材在芯材表面成膜将芯材包埋，形成微胶囊。有机溶液系统：壁材是不溶于水的材料，芯材既可以是不溶于水的材料，也可以是溶于水的或与水反应的材料，壁材的载体溶剂是某种有机溶剂。胶囊浆系统：通过相分离法微胶囊化得到的微胶囊的分散液，将其喷雾干燥，可得到微胶囊粉末。此方法得到很小粒径的微胶囊，包埋效率很高，但包埋成本也较高，适台于对失重产品或高附加值的产品进行包埋。第52页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-药物载体原位聚合法：单体、引发剂或催化剂以原位处于同一介质中，然后向介质中加入单体的非溶剂，使单体沉积在原位颗粒表面上，井引发聚合，形成微胶囊。也可将上述溶液分散在另一不溶性介质中，并使其聚合。在聚合过程中，生成的聚合物不溶于溶液，从原位液滴内部向液滴表面沉积成膜，形成微胶囊。

原位聚合法要求被包裹物可溶于介质中，而聚合物则不溶解。其适用面相当广泛，任何气态、液态，水溶性和油溶性的单体均可适用．甚至可用低分子量聚合物、预缩聚物代替单体。

为了使被包裹物分散均匀，在介质中还常加入表面活性剂或聚乙烯醇、二氧化硅胶体等作为保护胶体。第53页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-药物载体高分子微胶囊的药物释放机制分为程序式药物脉冲释放体系和智能式药物脉冲释放系统。

程序式药物脉冲释放系统设计的关键在于能控制药物释放的滞后时间及药物释放的持续时间。药物释放滞后时间的控制方法有①以油膏状生物降解聚合物如聚原酸酯作为大分子药物的载体材料阻止内部药物的扩散释放，直到聚合物降解到一定分子量；②利用不载药的膜层或聚合物层阻止内层药物的扩散释放，直到膜破裂或聚合物层融蚀掉。

药物释放持续时间的控制方法有利用聚合物融蚀速度控制和利用药物在水凝胶中的扩散释放速度控制。第54页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-药物载体例如：利用聚原酸酯作为蛋白质的载体材料制成了一种蛋白质药物脉冲释放系统。当聚原酸酯降解到一定分子量时，药物在聚原酸酯中的扩散系数增大，开始从系统中释放，并随聚原酸酯的进一步降解而逐步释放。改变聚原酸酯的结构或分子量可改变药物释放的滞后时间及药物释放的持续时间。

智能式药物脉冲释放系统根据信号的来源可分为外部调节的药物脉冲释放系统和体内自身调节的药物脉冲释放系统。ERIPS控释系统信号有光、电、磁、超声波等。如一种由两种水溶性的聚合物-聚甲基丙烯酸及聚乙基嚼唑啉组成的电融蚀高分子在pH低于5.0时会通过氢键作用形成不溶于水的第55页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-药物载体复合物，当pH增大到5.4后，复合物离解成水溶性聚合物。用这种复合物做成药物载体在交变电场作用下，由于阳极附近pH升高，复合物逐渐溶解而使药物释放出来。SRIPRS控制系统根据药物释放速度受信号影响程度可分为调节型及触发型。调节型是在体内信号的刺激下系统释放出一部分药物，随着信号减弱乃至消失，逐渐减少乃至停止释放药物；触发型为当系统受到体内信号的刺激时，释放出内部所有药物。如一种最内层为低pH下不溶解而高pH下可溶解的生物融蚀性聚合物，第二层为一种酶降解的酸性水凝胶，水解酶包埋于其中的材料可以作为戒毒药品。最外层为酶不能透过而小分子可以自由透过的膜。酶在体内毒品浓度较低时活力丧失，而当毒品达到一定浓度时酶活力恢复将水凝胶降解。第56页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-药物载体在药物制剂方面，传统的给药方式如使用片剂、胶囊及注射剂等，存在一些缺点，比如给药后血药浓度起伏较大，药物作用缺乏靶向特异性等，这些会严重影响治疗效果。药物控制释放载体是智能材料发展的一个重要方向。智能药物控制释放体系：能够按照局部病变的特殊环境，如温度、pH值、光、磁场或生物分子等的的区别而作出反应，实现对药物释放的信号控制，达到定时定位地释放药物的效果。

1、pH敏感型药物释放体系

人体生理环境下不同部位的pH值有所差别，如胃液中胃酸的pH值约为1.0-1.5，小肠中的pH值约为6.0-6.8，而结肠中的pH值约为6.5-7.5。

第57页,共65页，2024年2月25日，星期天CompanyLogo生物医学功能材料-药物载体肿瘤组织则因为肿瘤细胞比正常细胞生长代谢更快，生成了更多的乳酸等酸性代谢产物而导致肿瘤