常州工程职院高分子物理教案20六种用途的医用高分子材料的分析、选择、改性

项目 20 教学中的必要准备内容项目 20《六种用途的医用高分子材料的分析、选择、改性》具体任务第一组：请为人工脂肪的生产选择合适的高分子材料；第二组：请为人工血浆的生产选择合适的高分子材料；第三组：请为人工心脏的生产选择合适的高分子材料；第四组：请为人工肝脏的生产选择合适的高分子材料；第五组：请为人工喉的生产选择合适的高分子材料；第六组：请为人工食道的生产选择合适的高分子材料。医用类塑料制品原料的选用一、医用类塑料原料的性能要求用于医学的塑料原料要求具有很高的性能，除具有优异的耐生物老化性、生理相容性、抗血栓性及卫生性等性能外，还要具有一定的机械性能和耐热性能，下面具体介绍这些性能。 (1)一定的力学性能要求材料具有适当的拉伸强度、冲击强度、耐应力开裂性、硬度及耐磨性等，适应不同用途的需要。如用于人工牙齿的材料要求具有优异的压缩强度、耐应力开裂性、硬度及耐磨性能，使之不易开裂和磨损；用于人工骨的材料要求具有优异的硬度、刚性、弯曲强度及冲击强度，使之不易变形和折断。 (2)优异的化学稳定性能永久与人体接触或植大人体内的医用塑料制品，长期与人体内的体液、血液、细菌及各种水、酸、碱、盐等介质接触，这就要求其具有优良的耐化学腐蚀性和耐生物老化性，使其可长期 (一般50a)保持原有的性能，以发挥其应有的作用。如硅橡胶的化学稳定性很好，在人体内放置 17 个月后，其强度仅下降 2%左右。 (3)优异的生理相容性能植入人体或与人体长期接触的医用塑料制品，必须不能引起人体肌肉、神经系统或器官的不良反应，如引起肌体的炎症、病变及不舒服感等，要与人体有机地结合在一起。在所有塑料材料中，具有惰性及低吸水性的品种大都具有良好的生理相容性，具体有硅橡胶、氟塑料及聚氨酯弹性体等品种。 (4)优异的抗血栓性能医用塑料制品在人体内与血液长期接触时不能引起血液的凝结，防止有最终导致血栓形成的可能。不同塑料的抗血栓性能不同，具体参见表 20­1 所示。表 20­1 不同塑料的凝血率名称 SiO2 填充硅橡胶碳黑填充硅橡胶氟塑料聚氨酯 PA6 凝血率/% 0.12 0.18 0.21 0.28 0.46 从表中可以看出，抗血栓较好的塑料品种有有机硅、氟塑料及聚氨酯等，其中以有机硅塑料薄膜的抗血栓效果最好，但也有报道说改性聚氨酯的抗血栓性能已超过有机硅。 (5)优异的卫生性能用于医用塑料制品的塑料原料绝对不能有一丝毒性，不能引起如癌变等疾病的产生。这就要求不仅树脂原料纯洁无毒，还要求各种添加剂也要纯洁无毒。 (6)可进行各种消毒处理医用塑料制品选用的原料虽然无毒，但在加工、贮存及运输过程中难免受到污染，因而在具体使用前要进行消毒处理。要求制品具有耐各种处理方法的能力，如煮沸、高温蒸汽、药物浸泡、气体熏及辐射处理等。二、常用的医用塑料制品医用塑料制品的种类很多，按与人体的接触关系可分成植入人体类、长期与人体接触类及短期与人体接触类三种。 (1)植人人体类这类医用塑料制品长期放置在人体内，可永久替代人体的器官。对这类塑料原料的要求最高，要求其具有优异的耐化学性能、耐生物老化性能、生理相容性能、卫生性能及抗血栓性能等，其使用寿命一般要达到50a以上。这类医用塑料制品的具体品种有：人工心脏、人工心脏瓣膜、人工血管、人工食道、人工胆管、人工尿道、人工肾、人工肺及人工肝等。(2)长期与人体接触类这类医用塑料制品不植入人体内，但长期与人体接触，成为人体的一部分。如用于修复人体部分缺陷的材料，最近几年发展起来的介入材料如介入扩张血管器及介入送药器等。对这类塑料的性能要求也很高，基本上与植入人体内材料的要求相同。这类医用塑料制品的具体品种有：人工皮肤、人造乳房、人工骨、人工牙、人工鼻、假肢及角膜接触眼镜等。 (3)短期与人体接触类这类医用塑料制品有时植入人体内，但不与人体长期接触，在完成其使用功能后，即离开人体。这类医用塑料制品属于医疗器械类，主要要求其卫生性能、生理适应性及可耐灭菌处理性要好，而对其耐生理老化性及抗血栓性要求不高。这类医用塑料制品的具体品种有:医用容器如输液瓶、输液袋、输血袋及血袋等，一次性医疗器械如注射器、输液器、输血器、手术工具及各种导管，检验器具如胃镜等。三、常用医用塑料制品用原料的选用各类医用塑料制品的具体选用原料参考表 20­2、表 20­3 表 20­2 植入人体内部的医用塑料制品人工脏器高分子材料人工心脏人工心脏瓣膜人工肾人工肝脏人工胰脏人工肺人工血管人工气管人工食道人工胆管人工喉人工腹膜人工尿道人工输尿管人工输卵管人工膀胱人工脂肪人工血浆人工血液人工红血球聚醚氨酯，硅橡胶，聚甲基丙烯酸甲酯，尼龙，聚酯，聚四氟乙烯③聚醚氨酯，硅橡胶，聚甲基丙烯酸甲酯，聚乙烯，聚乙烯醇铜氨法再生纤维素，乙酸纤维素，聚甲基丙烯酸甲酯，聚丙烯腈，聚砜，乙烯 ­乙酸乙烯共聚物，氯乙烯­偏氯乙烯共聚物，聚氨酯，聚丙烯，聚碳酸酯，聚甲基丙烯酸羟乙酯，N­酰化壳聚糖赛璐璐，聚甲基丙烯酸羟乙酯④丙烯酸酯共聚物中空纤维硅橡胶，聚丙烯中空纤维，聚烷砜，聚乙烯，聚四氟乙烯聚酯纤维，聚四氟乙烯，聚醚氨酯，聚乙烯醇，硅橡胶，聚四氟乙烯膨体聚乙烯，聚四氟乙烯，聚硅酮，聚酯纤维，聚乙烯醇聚硅酮，聚酯纤维，聚乙烯醇，聚乙烯，聚四氟乙烯⑥硅橡胶，聚四氟乙烯，聚酯聚四氟乙烯，聚硅酮，聚乙烯⑤聚硅酮，聚乙烯，聚酯纤维，聚四氟乙烯硅橡胶，聚酯纤维，聚甲基丙烯酸羟乙酯硅橡胶，聚四氟乙烯水凝胶硅橡胶硅橡胶硅橡胶①聚乙烯醇，聚乙烯吡咯酮，羟乙基淀粉，右旋糖酐②氟化碳乳酸全氟烃表 20­3 长期与人体接触的医用塑料制品应用部位高分子材料人工皮肤人工骨、关节人工指关节人工腱人工肢体人工眼球硝基纤维素，聚硅酮­尼龙或聚酯复合物，聚氨酯泡沫塑料、N­酰化壳聚糖超高分子量聚乙烯(M＞300万)，高密度聚乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯，尼龙，聚酯，聚氯乙烯，聚氨酯泡沫塑料，聚四氟乙烯，聚甲醛，骨胶原和羟基磷灰石复合体硅橡胶，尼龙，聚氯乙烯，硅橡胶涂覆聚丙烯尼龙，硅橡胶，聚氯乙烯，聚四氟乙烯，聚酯聚氨酯泡沫塑料泡沫硅橡胶人工晶状体人工角膜角膜接触眼镜人工齿及牙托人工耳小骨人工耳及耳软骨人工鼻人工乳房和人工睾丸人工硬脑膜硅凝胶，硅油胶原和聚乙烯醇复合物，聚甲基丙烯酸烃乙酯，硅橡胶硅橡胶，聚甲基丙烯酸羟甲酯，聚甲基丙烯酸羟乙酯尼龙，硅橡胶，聚甲基丙烯酸甲酯聚四氟乙烯，胶原和羟基磷灰石复合体硅橡胶，聚氨酯弹性体，天然橡胶，聚乙烯，硅橡胶和胶原复合体，硅橡胶和聚四氟乙烯复合体硅橡胶，天然橡胶，聚乙烯，聚氨酯弹性体聚硅酮，硅凝胶，聚甲基丙烯酸羟乙酯硅橡胶，聚酯，尼龙，聚四氟乙烯表 20­4 短期与人体接触的医用塑料制品容器名称高分子材料药用容器药液袋输液瓶输液袋腹膜透析液袋采血袋血浆袋浓缩红细胞保存袋浓缩血小板保存袋聚乙烯，聚丙烯，聚氯乙烯聚氯乙烯­聚氨酯复合膜，乙烯­乙酸乙烯酯共聚体聚乙烯，聚丙烯，聚氯乙烯，聚醋，乙烯­乙酸乙烯酯共聚体聚氯乙烯，乙烯­乙酸乙烯酯共聚体聚氯乙烯聚氯乙烯聚氯乙烯聚氯乙烯聚氯乙烯，聚烯烃弹性体下面介绍几种常用的医用塑料原料。 (1)聚醚氨酯聚醚氨酯是最常用的医用塑料原料之一，它具有优异的生理相容性及抗血栓性能。其组成为聚四亚甲基醚醇与二异氰酸酯反应形成预聚体，加入二元胺或二元醇为扩链剂，最后形成聚醚氨酯。据报道，日本近年开发一种改性含氟聚醚氨酯，其抗血栓性及力学性能更优异。聚醚氨酯主要用于人工心脏、人工心脏瓣膜、人工血管、人工导管、人工肾、额面修复材料、人工软骨、假肢及人工皮肤等。 (2)硅橡胶同聚醚氨酯一样，硅橡胶也是最常用的医用塑料原料之一，它具有优异的耐生物素化性及抗血栓性，但耐挠曲性能一般。硅橡胶主要用于人工心脏、人工心脏瓣膜、人工血管、心脏起搏器、人工气管、人工食道、人工胆管、输尿管、人工硬脑膜、人工喉、人工膀胱、人工关节、人工软骨及牙托等。 (3)氟塑料氟塑料具有优异的耐腐蚀性及耐生物老化性，与人体生理相容性好。在众多氟塑料品种中，以 F4 和 F4∙6 最为常用。氟塑料常用于人工血管、人工心脏、人工心脏瓣膜、人工食管、人工气管、胆管、尿管、人工脑膜 (单面多孔)、人工硬脑膜 (多孔)及人工健等。 (4)聚甲基丙烯酸甲酯类聚甲基丙烯酸甲酯类主要包括聚甲基丙烯酸甲酯及其衍生物，它是最早用于人造头盖骨的塑料材料。目前主要用于人工心脏、人工心脏瓣膜、人工骨、人工牙、接触眼镜及人工角膜等。 (5)聚酰胺类聚酰胺类主要用于人工血管、人工硬脑膜、人工骨、人工牙、人工键、关节及节育器等。 (6)超高分子量聚乙烯具有良好的生理相容性及生理惰性，是一种新开发的医用高分子材料。主要用于心脏瓣膜、人工关节及节育用品。二、相关知识功能生物高分子教案本次课标题：项目 20 六种用途的医用高分子材料的分析、选择、改性复合材料 0611 11 周 11月 8日第 3,4 节多 B­410 授课班级上课时间周月日第节上课地点教学目的通过对项目 20 所涉及到六种用途的医用高分子材料的分析、选择、改性的整个实施过程，使学生进一步了解并掌握完成一个完整项目的每个细节，逐步形成实施每个细节过程的能力，最终达到根据产品需要对高分子材料进行合理分析、合理选择、合理改性的总能力；进而结合学生所选择出来的材料从理论上归纳、总结与高分子物理的研究对象直接相关的结构与性能的关系；同时在完成项目过程中对课程整体方案所规定的拓展能力进行初步的锻炼。能力（技能）目标知识目标素质目标教学目标能根据不同用途医学的要求，合理的选择高分子材料；并能合理的分析所选择材料的结构、性能；如果不能直接选择到合适材料时，能提出合理的改进意见与方案。被选用的高分子材料的主要结构特征、主要性能及应用范围。其中第20个项目重点学习医用高聚物材料性能的知识。初步建立良好的学习方法；资料收集的方法；处理问题的方法；团队合作的意识；用户至上的意识；安全环保意识；表述与合理辩解能力。重点难点及解决方法重点：通过项目 20 六个任务的实施过程，培养并实现能力目标难点：对学生而言是项目 20 六个任务的完整实施过程，进一步熟悉过程的每个细节的能力。解决方案: 利用现代教学手段展示医用高分子制品的图片，以增加学生的感性认识；提前向学生提供由指导教师准备好的相关素材，并介绍可以参考的资料及资源；对重点部分内容，先由学生探索、讨论，再找出问题，帮助学生整理思路，提供可参考的处理方法、相关的格式；对难点部分内容，提供可参考的完整过程的环节(或步骤)，进一步思考每环节主要做什么？怎么做？怎么做更好？参考资料教材《高分子物理》侯文顺杨宗伟化学工业出版社 2006 年《高分子物理课程改革素材》(自编材料)侯文顺 2007 年 8 月其他的资料：《高聚物生产技术》侯文顺高等教育出版社（十一五规划教材）2007；《高分子材料分析与测试》潘文群化学工业出版社 2005；《高分子材料改性》戚亚光薛叙明化学工业出版社 2005；《橡胶材料与配方》聂垣凯化学工业出版社 2004；《高聚物结构、性能与测试》焦剑雷渭媛 2003；《塑料材料的选用》王文广化学工业出版社 2002；《高分子材料》高俊刚李源勋化学工业出版社 2002；《塑料材料与配方》桑永化学工业出版社 2001 工具与材料多媒体教学系统；专业专用计算机网络系统；常用医用高分子所用树脂原料；性能检测专业仪器设备。步骤教学内容教学方法教学手段学生活动时间分配告知（教学内容、目的）向学生介绍本此课程的教学内容、教学目标及分解后的能力目标、知识目标、素质目标口述多媒体展示自由发言引入（任务项目）建立项目教学情景：与学生班长(复合材料 0611 集团总经理)、各任务组长(各子项目执行经理)签定总项目协议书；对项目 20 的六个任务进行解释，并由班长分配各组具体承担的任务。注：上述两个教学过程，一般利用前一次课程最后的 5～10min完成。口述引导设疑答疑多媒体展示自由发言 5～10 min 操练（掌握初步或基本能力）总经理向项目委托方代表(教师)介绍任务分配情况；并说明完成情况，完成时的一个最大问题(或难点)；同时确定汇报顺序。各子项目执行经理征求