《医用高分子new》PPT课件.ppt

1、第七章 医用高分子,一. 前言 二. 高分子药物 三. 高分子医疗器械 四. 高分子人工器官,思考题： 1.举例说明医用高分子的应用情况。 2.药用高分子的类型及其作用。 3.药用高分子的性能要求。 4.说明人工脏器用高分子材料的性能要求。,1.医用高分子的历史,早在公元前3500年，埃及人就用棉花纤维、马鬃缝合伤口。 公元前500年的中国和埃及墓葬中发现假牙、假鼻、假耳。 1936年发明了有机玻璃后，很快就用于制作假牙和补牙，至今仍在使用。 1943年，赛璐珞薄膜开始用于血液透析。 1949年，美国用PMMA作为人的头盖骨、关节。此后，一大批人工器官试用于临床。 人工血管（1951年）、人工

2、食道（1951年）、 人工心脏瓣膜（1952年）、人工心肺（1953年）、 人工关节（1954年）、人工肝（1958年）等。,一、前言,1980年代以来，发达国家的医用高分子材料产业化速度加快，形成了一个崭新的生物材料产业。 目前比较成功的：人工血管、人工食道、人工尿道、人工心脏瓣膜、人工关节、人工骨、整形材料等。 巳取得重大研究进展的：人工肾、人工心脏、人工肺、人工胰脏、人工眼球、人造血液等。 正处于大力研究开发之中：人工肝脏、人工胃、人工子宫等。,医用高分子可分三类： （一）高分子药物 （二）医疗器械、用具：输液输血袋、缝合线、医用胶粘剂、高吸水树脂、塑料注射器等，用量最大。 （三）人工脏

3、器：心、肺、肾、肝、胰、气管、眼、耳、喉等。 人工组织：人工骨、关节、血管、心脏瓣膜、皮肤、血液、神经、肌腱、晶状体等。,二、医用高分子药物 1.分类及其作用 两类： 一类：具有药理作用，可以治病。 如：（1）天然高分子：明胶，山东的“阿胶”，胰岛素等。 （2）合成高分子：,可治硅肺,聚乙烯吡咯烷酮可增补血液,具有较好的抗凝血性,第二类：把小分子药物结合到高分子载体上 1 把小分子药物以化学键形式接到高分子链上。 2 把小分子药物包封于高分子基质中，微胶束化。,把小分子药物接到高分子上的目的： （1）缓释：使药物有控制地释放，减少毒性和副作用。,载带青霉素的高分子药物,（2）靶向：在高分子载体

4、上接上一定的基团，这些特殊基团对病变部位有特殊亲合作用，高分子载体可载着小分子药物，准确地运送到发病部位，集中杀伤，被称为“导弹药物” 。 磁性微球,2药用高分子的要求： （1）本身有药理作用的：有药效，副作用小。 （2）高分子载体： a. 无毒，不致癌。 b.完成药物输送后能发生降解，及时排出体外。 c. 达到医用标准，避免单体、引发剂等有毒残留物。,3.常用作药物载体的高分子有： 水凝胶、聚乙烯醇、聚乙烯吡啶、聚乙二醇 如：羟乙酸和乳酸的聚合物及其共聚物是生物降解高分子，用作伤口缝合线可随着伤口的愈合而被吸收，不必拆线，该材料也可用作高分子载体。,三、医用器械和普通医用品 用量大 如：各种

5、胶管、瓶子、注射器、采血瓶等，应注意材料的无毒性。,四、人工脏器 1.重要性： 由于高分子科学和医学的发展，人类已达到能修补人体缺损。这一实践虽不普及，但已有较大的规模和较高的水平，有着深远的意义。 实施这一活动有三个环节：（1）合成特殊功能材料；（2）做成人工脏器；（3）通过高超的手术技术将人工脏器至于人体。缺一不可。,部分人工脏器的临床应用历史,人工骨： 1940年H.R.Bohlman 人工肾： 1943年W.J.Kolff 人工气管； 1948年O.Tclaqett 人工血管： 1951年J.H.Grinndlay 人工食管： 1951年Z.D.Baronofaky 心脏起搏器：195

6、2年P.M.Iou 人工关节： 1954年B.Walldius 人工瓣膜： 1957年J.H.Stuckey 人工肺： 1958年D.C.Shechter 全人工心肺：1982年W.C.Derries,生物体对生物材料的响应宿主反应,A: 血液反应 1、血小板血栓； 2、凝血系统激活； 3、纤溶系统激活； 4、溶血反应； 5、白细胞反应； 6、细胞因子反应； 7、蛋白粘附；,B: 免疫反应 1、补体激活； 2、体液免疫反应（抗原抗体反应）； 3、细胞免疫反应。,C: 组织反应 1、炎症反应； 2、细胞粘附 3、细胞增殖（异常分化） 4、形成蘘膜 5、细胞质的转变,（1）生物学反应,（2）生物体

7、对生物反应的变化,1.急性全身反应 过敏、毒性、溶血、发热、神经麻痹等 2. 慢性全身反应 毒性、致畸、免疫、功能障碍等 3. 急性局部反应 炎症、血栓、坏死、排异等 4. 慢性局部反应 致癌、钙化、炎症、溃疡等,2、人工脏器用的高分子材料的性能要求,组织相容性-无排异、过敏、致畸、致癌 血液相容性-无凝血反应 耐生物老化或可生物降解,（1）化学隋性，不会因与体液接触而发生反应 人体环境对高分子材料主要有以下一些影响： 1)体液引起聚合物的降解、交联和相变化； 2)体内的自由基引起材料的氧化降解反应； 3)生物酶引起的聚合物分解反应； 4)在体液作用下材料中添加剂的溶出； 5)血液、体液中的类

8、脂质、类固醇及脂肪等物 质渗入高分子材料，使材料增塑，强度下降。,（2）对人体组织不会引起炎症或异物反应 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、加工过程中不可避免地会残留 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，引起炎症或组织畸变， 严重的可引起全身性反应。,（3）不会致癌 医学理论认为，人体致癌的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的速度增长并扩散时，就形成了癌。而引起细胞变异的因素是多方面的，有化学因素、物理因素，也有病毒引起的

9、原因。,（4）具有良好的血液相容性 当高分子材料用于人工脏器植入人体后，必然 要长时间与体内的血液接触。因此，医用高分子对 血液的相容性是所有性能中最重要的。,（5）长期植入体内不会减小机械强度 许多人工脏器一旦植入体内，将长期存留，有些甚至伴随人们的一生。因此，要求植入体内的高分子材料在极其复杂的人体环境中，不会很快失去原有的机械强度。,（6）能经受必要的消毒措施而不产生变性 （7）易于加工成需要的复杂形状,3 高分子材料的血液相容性 （1）血栓的形成 当人体的表皮受到损伤时，流出的血液会自动凝固，称为血栓。 血液在受到下列因素影响时，都可能发生血栓： 血管壁特性与状态发生变化； 血液的性质

10、发生变化； 血液的流动状态发生变化。,血栓的形成机理十分复杂。一般认为，异 物与血液接触时，首先将吸附血浆内蛋白质，然后 粘附血小板，继而血小板崩坏，放出血小板因子， 在异物表面凝血，产生血栓。,（2）影响血小板在材料表面粘附的因素 1) 血小板的粘附与材料表面能有关 实验发现，血小板难粘附于表面能较低的有机 硅聚合物，而易粘附于尼龙、玻璃等高能表面上。 因此，低表面能材料具有较好的抗血栓性。,材料表面张力与血小板粘附量的关系,* 人血浸渍3分钟； 狗血循环1分钟。,2) 血小板的粘附与材料的含水率有关 丙烯酰胺、甲基丙烯酸羟乙酯和带有聚乙二醇侧基的甲基丙烯酸酯与其他单体共聚或接枝共聚的水凝胶

11、，都具有较好的抗血栓性。,因为水凝胶表面不仅对血小板粘附能力小，而且对蛋白质和其他细胞的吸附能力均较弱。在流动的血液中，聚合物的亲水基团会不断地由于被吸附的成分被“冲走”而重新暴露出来，形成永不惰化的活性表面，使血液中血小板不断受到损坏。 研究认为，抗血栓性较好的水凝胶，其含水率应维持在6575。,3) 血小板的粘附与材料表面疏水亲水平衡有关 亲水疏水性调节得较合适的聚合物，往往有足够的吸附力吸附蛋白质，形成一层隋性层，从而减少血小板在其上层的粘附。,例如，甲基丙烯酸羟乙酯/甲基丙烯酸乙 酯共聚物比单纯的聚甲基丙烯酸羟乙酯对血 液的破坏性要小；甲基丙烯酸乙酯/甲基丙烯酸共聚 物也比单纯的聚甲基

12、丙烯酸对血液的破坏性要小。 用作人工心脏材料的聚醚型聚氨酯，具有微相 分离的结构，也是为达到这一目的而设计的。,4) 血小板的粘附与材料表面的电荷性质有关 人体中正常血管的内壁是带负电荷的，而血小 板、血球等的表面也是带负电荷的，由于同性相斥 的原因，血液在血管中不会凝固。因此，对带适当 负电荷的材料表面，血小板难于粘附，有利于材料 的抗血栓性。 但电荷密度太大，容易损伤血小板，反而造成血栓。,5) 血小板的粘附与材料表面的光滑程度有关 材料表面若有3m以上凹凸不变的区域，就会在该区域形成血栓。由此可见，将材料表面尽可能处理得光滑，以减少血小板、细胞成分在表面上的粘附和聚集，是减少血栓形成可能

13、性的有效措施之一。,4 血液相容性高分于材料的制备 （1）使材料表面带上负电荷的基团 例如将芝加哥酸（1氨基8萘酚2, 4 二磺酸萘）（见下式）引入聚合物表面后，可减少 血小板在聚合物表面上的粘附量，抗疑血性提高。,（2）高分子材料的表面接枝改性 采用化学法（如偶联法、臭氧化法等）和物理 法（等离子体法、高能辐射法、紫外光法等）将具 有抗凝血性的天然和化学合成的化合物，如肝素、 聚氧化乙烯接枝到高分子材料表面上。研究表明， 血小板不能粘附于用聚氧化乙烯处理过的玻璃上。,添加聚氧化乙烯（分子量为6000）于凝血酶溶 液中，可防止凝血酶对玻璃的吸附。因此，在血液 相容性高分子材料的研究中，聚氧化乙

14、烯是十分重 要的抗凝血材料。 通过接枝改性调节高分子材料表面分子结构中 的亲水基团与疏水基团的比例，使其达到一个最佳 值，也是改善材料血液相容性的有效方法。,（3）制备具有微相分离结构的材料 研究得较多的是聚氨酯嵌段共聚物，即由软段和硬段组成的多嵌段共聚物，其中软段一般为聚醚、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，形成分散相。,（4）高分子材料的肝素化 肝素是一种硫酸多糖类物质是最早被认识的天然抗凝血产物之一。,肝素的作用机理是催化和增强抗凝血酶与凝血 酶的结合而防止凝血。将肝素通过接枝方法固定在 高分子材料表面上以提高其抗凝血性，是使材料的 抗凝血性改变的重要途

15、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，能明 显提高抗血栓性。,（5）材料表面伪内膜化 将某些高分子的表面制成纤维林立状态，当血液流过这种粗糙的表面时，迅速形成稳定的凝固血栓膜，但不扩展成血栓，然后诱导出血管内皮细胞。这样就相当于在材料表面上覆盖了一层光滑的生物层伪内膜。 这种伪内膜与人体心脏和血管一样，具有光滑的表面，从而达到永久性的抗血栓。,高分子材料表面化学改性提高生物相容性 1.表面化学结构对细胞依附和生长的影响 2.表面亲水性 3.表面粗糙结构 4.表面电荷分布细胞表面带负电荷,用于人工脏器的部分高分子材料,实例： 肝素化聚乙烯醇性能研究 1. 缩醛化聚乙烯

16、醇膜的合成 在500 mL 三口瓶中，加入6 g 聚乙烯醇和180mL水，加热至90使其溶解。再加入3g甘油，继续加热0.5 h，降温至30左右，加入4g甲醛和12g戊二醛，搅拌均匀，将混合液铺成薄层，放于烘箱60处理2 h，70处理2h，冷却后取出，即为缩醛化聚乙烯醇膜。 2. 肝素化聚乙烯醇膜的合成 将缩醛化聚乙烯醇膜浸泡在w (肝素钠)=1%的水溶液中得到肝素化聚乙烯醇复合膜。 3. 结论 实验发现，肝素化聚乙烯醇具有较理想的机械性能和生物相容性，是一种极具潜力的生物医用材料。,等离子体引发聚乙烯表面肝素化及其生物相容性,利用等离子体引发在LDPE 膜表面接枝聚乙二醇(PEG) 和肝素，

17、用体外凝血时间及细胞生长试验考察改性LDPE 表面的生物相容性。结果表明PEG和肝素接枝到等离子体引发的LDPE 表面，肝素化LDPE 表面水接触角降低，亲水性增强，表面自由能增大，PEG和肝素接枝的LDPE 表面可以延长凝血时间，对血管壁平滑肌细胞的粘附与生长具有促进作用。 LDPE薄膜置于下电极中央，抽真空至2Pa，通入Ar气，气压稳定后启动电源，进行等离子体处理。处理后，采用液相法(真空条件)，使薄膜与50 0.01mol/L的PEG 水溶液进行接枝反应，反应结束后，再用Ar气等离子体引发与肝素钠水溶液进行接枝反应，反应温度为37，反应结束后，用蒸馏水反复冲洗薄膜，洗去未反应物及附着物，

18、于干燥器中烘干至恒重。,高分子材料的人工脏器,1. 人工心脏 聚氨酯橡胶隔膜 美国开发了“左心室同轴对称辅助泵” 此设备是气动的，压缩空气使聚氨酯橡胶球式泵腔张合，帮助输送血液。2 条压缩空气管从腹部引出到体外与心脏驱动装置相连，全套设备均由电子计算机控制，整个系统如同2 个联立的双缸内燃机，交替往复运动不止。 1982年上述双心室人工心脏为一位61岁患者进行了移植。手术后患者很正常，但仅活了112天。,2 .人工肾 是一种血液净化装置，是用高分子材料制成的具有透析过滤作用的膜，完成过滤和排泄功能。 透析膜是透析型人工肾的关键。必须有相当的强度和对血液的稳定性。能制成极薄片或极细的丝，以增加与血液接触，能随制造工艺不同，控制膜孔大小以满足血液透析或过滤的需要。 用做透析膜的高分子材料主要有再生纤维素、醋酸纤维素、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、EVA、聚砜、聚碳酸酯等。,3.人工肝脏 肝脏是人体代谢功能最强的一个脏器，是人体内的一个加工厂和仓库。其结构