高分子专题课报告

2016年春季学期研究生课程考核（读书报告、研究报告）考核科目:高分子科学前沿学生所在院（系）:化学与化工学院学生所在学科:高分子化学与物理学生姓名:何志超学号:15S125084学生类别:应用型考核结果阅卷人生物医用高分子材料1、生物医用功能高分子材料的发展历史生物医用高分子材料的发展经历了三个阶段，第一阶段始于1937年，其特点是所用高分子材料都是已有的现成材料，如用丙烯酸甲酯制造义齿的牙床。第二阶段始于1953年，其标志是医用级有机硅橡胶的出现，随后又发展了聚羟基乙酸酯缝合线以及四种聚(醚-氨)酯心血管材料，从此进入了以分子工程研究为基础的发展时期。该阶段的特点是在分子水平上对合成高分子的组成、配方和工艺进行优化设计，有目的地开发所需要的高分子材料。目前的研究焦点已经从寻找替代生物组织的合成材料转向研究一类具有主动诱导、激发人体组织器官再生修复的新材料，这标志着生物医用高分子材料的发展进入了第三个阶段。其特点是这种材料一般由活体组织和人工材料有机结合而成，在分子设计上以促进周围组织细胞生长为预想功能，其关键在于诱使配合基和组织细胞表面的特殊位点发生作用以提高组织细胞的分裂和生长速度。2、生物医用功能高分子材料的基本性能要求生物医用功能材料在使用的过程中由于常常与生物肌体、体液、血液等等相接触，有些还长期在体内放置，因此要求其性能较为出色。其要求比普通工业用材料的要求要高度的多，尤其是对于植入性材料的要求更甚。对于在人体内应用的高分子材料一般要求如下。2.1力学性能稳定在使用期限内，针对不同的用途，材料的尺寸稳定性、耐磨性、耐疲劳度、强度、模量等应适当。比如，用超高分子量聚乙烯材料做人工关节时，应该用模量高、耐疲劳强度好、耐磨性好的材料。2.2化学性能稳定作为生物材料，化学性能稳定，对人体的血液、体液等无影响，不形成血栓等不良影响。人体是一个相当复杂的环境，血液在正常环境下呈现微碱性，胃液呈酸性，且体液与血液中含有大量的钾、钠、镁离子，含有多种生物酶、蛋白质、人体的环境易引起聚合物的降解、交联及氧化反应；生物酶会引起聚合物的解聚；体液会引起高分子材料中的添加剂析出；血液中的脂类、类固醇以及脂肪等会引起聚合物的溶胀，使得材料的强度降低。例如聚氨酯中含有的酰胺基极易水解，在体内会降解而失去强度，经过嵌段改性后，化学稳定性提高。对于硅橡胶、聚乙烯、聚四氟乙烯等分子链中不含可降解的基团，化学稳定性则更为出色。另外需在体内降解的骨钉、骨板、手术缝合线等则要求材料在体内在一定时间降解，尽快地被组织分解吸收，而不应该在体内产生对人体有毒、有害的副产物。目前常使用以下技术来控制降解速度：（1）用形状、表面积以及不同的链接比例来控制合适的降解速度，以保证材料在正常的使用期限中具有良好的性能而在活体康复后尽快降解。（2）在大分子链上引进功能基团，引进抗体、药物活性物质，进行功能团修饰及增进材料的亲水性，加快材料的水解速度。（3）通过前端工具控制缓释药物的释放速度，改善药物通过膜的透过性。2.3材料与人体的组织相容性好材料与人体的组织相容性好，不会引起炎症或其他排异反应材料。所引起的宿主反应应该能够控制在一定可以接受的范围之内，同时材料反映应控制在不至于使得材料本身发生破坏。一些含有对人体有毒有害的基团是不能用作生物医用功能材料的，如有些添加剂对人体有害或有些残留单体对人体有不良影响等，这都应该引起极度的警惕。有些添加剂会随时间的变化，从材料内部逐渐迁移到表面与体液和组织发生作用，引起各种急性和慢性的反应。主要有急性局部的炎症、坏死、形成血栓以及异物排异反应；急性全身反应如急性毒性感染、发热、循环障碍等；慢性局部炎症，组织增生或组织粘连溃疡；慢性全身反应如慢性中毒，脏器功能障碍等。研究评价生物相容性标准与标准方法一直是生物医用功能材料研究的重要组成部分。临床使用前对生物医用功能材料进行严格的测试与评价以确保临床使用的安全性是十分必要的。国际标准化组织ISO/TC194制定了生物医用功能材料的检验测试项目，其标准实验是可重复性试验，试验程序一般由简到繁，从体内到体外，先动物后人体。2.4无致癌性，耐生物老化无致癌性，耐生物老化，长期放置体内的材料及物理机械性能不发生明显的变化。生物医用药用功能材料植入人体时，除应该考虑材料的物理性质和化学性质外，另外还应该考虑其形状因素。引起癌变的因素是多方面的，有化学因素、物理因素以及病毒等。应用高分子材料植入人体后，其本身的性能以及它所包含的杂质、残余单体等都有可能引起和众多副反应的发生。研究表明，高分子材料对人体并不存在更多的致癌因素。当植入材料是粉末、海绵、纤维状时，不会产生肿瘤。虽然组织细胞会围绕它们生长，但它们不会由于氧和营养不足而发生变异，因此致癌的危险很小；但是当植入的材料是片状时，大体积的薄片出现肿瘤的可能性要比在薄膜上穿孔时高出一倍左右，其原因可能是由于植入的高分子材料影响了周围细胞的代谢，细胞营养不充分，长期受到异物刺激而产生变形所致。有些材料需要植入人体长期存放，因此这类材料应选用化学稳定性好，不含降解基团，机械性能稳定的材料。在体内短期放置，机械性能明显下降的材料如尼龙，一般不宜选作长期植入体内的材料。有些材料植入体内后，还要承受一定的负荷及动态应力，如人工骨关节。材料机械性能的降低不会使材料本身破坏从而丧失其实用功能。2.5易于加工成型并且来源广泛除上述一般要求外，根据用途的不同和植入部位的不同有着各自的特殊要求，如与血液接触的不能产生凝血，眼科材料应对角膜无刺激，注射整形材料要求注射前流动性好，注射后固化要快等。作为体外时用的材料，要求对皮肤无害，不导致皮肤过敏，耐汗水等侵蚀，耐消毒而不变质。人工器官还要求材料应具有良好的加工性能，易于加工成所需的各种复杂形状。总而言之，不同的用途有着许多特殊的要求。3、生物医用功能高分子材料的分类医用高分子材料主要应用于人造器官和治疗用材料。第一类是指能长期植入体内，完全或部分替代组织或脏器功能的材料，如人工食道、人工关节、人工血管等。第二类是整形修复材料。这些材料不具备特殊的生理功能，但能修复人体的残缺部分，如假肢等。第三类是功能比较单一，部分替代人体功能的人工脏器，如人造肝脏，这些材料的功能尚有待进一步多样化。第四类是体外使用的较大型的人工脏器，可以在手术过程中部分替代人体脏器的功能。另外还有一些性能极为复杂的脏器的研究，这些研究一旦成功将引起现代医学的重大飞跃。3.1高分子人造器官高分子人造器官主要包括人造心脏、人造肺、人造肾脏等内脏器官；人造血管、人造骨骼等体外器官；人造假肢等。由于这些人造器官需要长时间与人体细胞、体液和血液接触，因此此类材料除了需要具备特殊的功能外，还要求材料安全无毒，稳定性好，具备良好的生物相容性。大多数的高分子本身对生物体并无毒副作用，不产生不良影响，毒副作用往往来自于高分子生产时加入的添加剂，如抗氧剂、增塑剂、催化剂以及聚合不完全产生的低分子聚合物。因此对材料的添加剂需要仔细选择，对高分子人造器官应进行生物体测定。人造器官在使用前的灭菌也是重要的一个环节。另外，人造器官要求在使用条件下材料不能发生水解、降解和氧化反应等。3.2高分子治疗材料用于治疗用的功能高分子材料主要包括牙科材料、眼科材料、美容材料和外用治疗用材料。对这种材料的基本要求首先也是稳定性和相容性好，无毒副作用；其次才是机械性能和使用性能。（1）眼科材料：经常用于眼科材料的功能高分子主要有人工角膜、人工晶状体、人工玻璃体、人工眼球、人工视网膜、人工泪道以及接触式隐形眼镜。这类材料的基本要求是：具有优良的光学性质，折光率与角膜相接近；良好的润湿性和透氧性；生物惰性，即耐降解且不与接触面发生化学反应；有一定的力学强度，易于精加工及抗污渍沉淀等。制作人工角膜和接触眼镜主要以高分子材料为主，因为眼睛的条件比较特殊，对于制造人工角膜、接触眼镜的材料要求非常严格。人的角膜上没有血管组织，需要通过泪液从空气中吸入氧气进行新陈代谢，因而需要人工角膜和接触眼镜具有良好的透气性。聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸硅氧烷和乙酸丁酸纤维素是制作硬式镜片的主要材料，聚甲基丙烯酸-β-羟乙酯、聚甲基硅氧烷和聚乙烯吡啶是制备软式镜片的主要材料。（2）牙齿的粘合和修补：用于牙科材料的功能性高分子有假牙与人工牙根、填补用树脂、人工齿冠材料和牙托软衬垫。牙齿的粘合和修补需要使用多种功能高分子材料，其中α-氰基丙烯酸丁酯是常用的医用粘合剂，除应用于牙科之外，还用于骨折的粘合和人工关节的固定；聚甲基丙烯酸甲酯与其相应单体混合也可以作为生物粘合剂。齿科黏合剂在口腔中应用所需要环境比较苛刻。口腔中的唾液使得粘结时难以使牙齿表面完全干燥，即使有微量水分的存在，也会使得粘接界面夹有水膜，粘结后粘结剂始终处于100%浸润状态；牙齿表面常常被齿垢等有机膜所覆盖，呈现疏水性，不易获得良好的粘结效果；此外口腔温度的变化以及机械应力的变化，都容易使得粘结表面发生破坏。因此牙科的粘合和修补存在许多困难。（3）人工关节、人工骨：当植入物表面附有丝绒或毛毡就可以构成凹凸不平或带有微孔的结构，能使人体组织向内生长，人工关节就是采用这种结构。这种结构一方面可以使关节假体比较稳定，另一方面可以分散机械负荷，减少局部压力过大。用于人工关节的多孔材料是由碳纤维和聚四氟乙烯组成的各向同性碳。把人工关节端头涂上一层这样的材料，就可以使得骨关节固定好。制作人工骨材料有发泡氧化铝陶瓷浸在环氧树脂中制成的增强复合材料，磷酸钙和聚砜复合制成的材料等等。超高分子量聚乙烯是很好的人工关节材料，其耐磨性、抗冲击性、人体适应性良好，但是成形性差；作为人工关节材料的还有聚甲醛、PMMA、聚四氟乙烯、碳纤维复合材料；用作骨钉、骨板、永久性植入人体的人工肢体材料有聚砜、碳纤维复合材料、聚乳酸和聚乙烯醇复合材料，尼龙和聚酯丝也可以永久性植入人体。（4）人工皮肤：人工皮肤是治疗过程中一种暂时性的创面覆盖保护材料，其作用是防止体液的损耗和盐分的丢失，从而达到保护创面的目的。人工皮肤不仅要求透过水蒸汽、蛋白质和电解质，而且还要求有弹性、耐久性、抗菌性以及良好的生物相容性。聚乙烯醇微孔薄膜和硅橡胶多孔海绵是制作人工皮肤的两种重要材料。这两种材料由于使用时手术简便，抗排异性好，移植成活率高已应用于临床。另外聚氨基酸、骨胶原蛋白衍生物等天然改性聚合物都被用于制造人工皮肤。在高分子材料上粘附、增殖人体的表皮细胞以制备具有生物活性的人工皮肤目前以取得相当的成就，这种技术已经能顺利地再造皮肤。将骨胶原和葡萄胺聚糖组成多孔层与有机硅复合，随后取少量的患者皮肤的表皮细胞置于多孔层中，使其铺盖在创面上，待表皮细胞在多孔层中增殖形成皮肤后将有机硅膜剥下，多孔层分解后被人体吸收。（5）整容材料：整容材料包括外装饰修补材料和体内填补材料，它主要用于外伤、疾病以及发育不全引起的组织缺损或修整。用于人工乳房的填充材料主要是硅橡胶以及填充物硅凝胶，人工鼻可选用聚甲基丙烯酸甲酯、硅橡胶、聚乙烯等。硅橡胶具有良好的生物惰性，可以制成各种形状，因此广为应用。4、生物医用功能高分子材料的发展方向医用高分子的发展已经渗透到医学的各个领域，但离随心所欲地应用高分子医用材料的目标尚有许多差距。传统的医用高分子材料多采用聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯作为硬组织材料，但它们的性能还远远不够。医用高分子材料在许多方面尚有待进一步发展。目前使用的人工脏器大多需要与有功能缺陷的生物体共同协作以保持体内的平衡，而对于永久性地植入人体内，完全取代病变的脏器，就要求材料本身具有生物功能。人工脏器的功能化、小型化、体植入化已成为发展的方面。迄今为止，许多人工脏器还不能解决凝血问题，异体材料的抗凝血性已成为医用高分子材料发展的一个重要的问题，制备生物相容性好、具有抗血栓性能的材料已成为目前的一个重要的课题。研究开发混合型人工脏器，将生物酶和生物细胞固定在高分子材料上，制备具有生物活性的人工脏器已取得很大的成就。为了满足填充复杂形状的需要，许多医用高分子材料要求进行活体内的现场固化，现场固化多采用光引发剂或可在低