第九章-医用高分子材料.

第九章医用高分子材料1.概述1.1生物医用材料的定义(Biomedicalmaterials)——对生物体进行诊断、治疗和置换损坏组织、器官或增进其功能的材料。（1）医用金属和合金。主要用于承力的骨、关节和牙等硬组织的修复和替换。不锈钢、钴基合金、钛及钛合金是目前医用合金的三大支柱。医用合金还有钽、铌和贵金属等。（2）医用高分子生物材料。高分子化合物是构成人体绝大部分组织和器官的物质，医用高分子生物材料包括合成（如：聚酯、硅橡胶）和天然高分子（如：胶原、甲壳素）。近来，生物降解高分子材料得到重视。第九章医用高分子材料1.2生物医用材料的分类（3）医用生物陶瓷。有惰性生物陶瓷和活性生物陶瓷（羟基磷灰石陶瓷、可吸收磷酸三钙陶瓷等）（4）医用生物复合材料。如羟基磷灰石涂复钛合金，炭纤维或生物活性玻璃纤维增强聚乳酸等高分子材料。（5）生物衍生材料。这类材料是将活性的生物体组织，包括自体和异体组织，经处理改性而获得的无活性的生物材料。第九章医用高分子材料1.3医用高分子材料的概念及其发展简史第九章医用高分子材料医用高分子材料——可以用于诊断、治疗或者替换生物体病患器官或者改善其功能的高分子材料。1.3.1基本概念高分子材料最有可能用作医用材料！第九章医用高分子材料有机高分子是生命的基础。动物体与植物体组成中最重要的物质——蛋白质、肌肉、纤维素、淀粉、生物酶和果胶等都是高分子化合物。在各种材料中，高分子材料的分子结构、化学组成和理化性质与生物体组织最为接近，因此最有可能用作医用材料。高分子材料最有可能用作医用材料？？？第九章医用高分子材料应用遇到的问题：血栓问题当材料用于人工器官植入体内时，必然要与血液接触。由于人体的自然保护性反应将产生排异现象，其中之一即为在材料与肌体接触表面产生凝血，即血栓，结果将造成手术失败，严重的还会引起生命危险。对高分子材料的抗血栓性研制是医用高分子研究中的关键问题，至今尚未完全突破。将是今后医用高分子材料研究中的首要问题。第九章医用高分子材料日本医用高分子专家樱井靖久将医用高分子分成如下的五大类：（1）与生物体组织不直接接触的材料这类材料用于制造虽在医疗卫生部门使用，但不直接与生物体组织接触的医疗器械和用品。如药剂容器、血浆袋、输血输液用具、注射器、化验室用品、手术室用品等。第九章医用高分子材料（2）与皮肤、粘膜接触的材料与人体肌肤与粘膜接触，但不与人体内部组织、血液、体液接触，因此要求无毒、无刺激，有一定的机械强度。用这类材料制造的物品如手术用手套、麻醉用品（吸氧管、口罩、气管插管等）、诊疗用品（洗眼用具、耳镜、压舌片、灌肠用具、肠、胃、食道窥镜导管和探头、腔门镜、导尿管等）、绷带、橡皮膏等。人体整容修复材料，例如假肢、假耳、假眼、假鼻等，也都可归入这一类中。第九章医用高分子材料（3）与人体组织短期接触的材料这类材料大多用来制造在手术中暂时使用或暂时替代病变器官的人工脏器，如人造血管、人工心脏、人工肺、人工肾脏渗析膜、人造皮肤等。这类材料在使用中需与肌体组织或血液接触，故一般要求有较好的生物体适应性和抗血栓性。第九章医用高分子材料（4）长期植入体内的材料用这类材料制造的人工脏器或医疗器具，一经植入人体内，将伴随人的终生，不再取出。因此要求有非常优异的生物体适应性和抗血栓性，并有较高的机械强度和稳定的化学、物理性质。用这类材料制备的人工脏器包括：脑积水症髓液引流管、人造血管、人工瓣膜、人工气管、人工尿道、人工骨骼、人工关节、手术缝合线、组织粘合剂等。第九章医用高分子材料（5）药用高分子这类高分子包括大分子化药物和药物高分子。前者是指将传统的小分子药物大分子化，如聚青霉素；后者则指本身就有药理功能的高分子，如阴离子聚合物型的干扰素诱发剂。第九章医用高分子材料除此之外，还有以下一些常用的分类方法。（1）按材料的来源分类1）天然医用高分子材料如胶原、明胶、丝蛋白、角质蛋白、纤维素、多糖、甲壳素及其衍生物等。2）人工合成医用高分子材料如聚氨酯、硅橡胶、聚酯等。第九章医用高分子材料3）天然生物组织与器官①取自患者自体的组织，例如采用自身隐静脉作为冠状动脉搭桥术的血管替代物；②取自其他人的同种异体组织，例如利用他人角膜治疗患者的角膜疾病；③来自其他动物的异种同类组织，例如采用猪的心脏瓣膜代替人的心脏瓣膜，治疗心脏病等。第九章医用高分子材料（2）按材料与活体组织的相互作用关系分类1）生物惰性高分子材料在体内不降解、不变性、不会引起长期组织反应的高分子材料，适合长期植入体内。2）生物活性高分子材料指植入生物体内能与周围组织发生相互作用，促进肌体组织、细胞等生长的材料。第九章医用高分子材料3）生物吸收高分子材料这类材料又称生物降解高分子材料。这类材料在体内逐渐降解，其降解产物能被肌体吸收代谢，或通过排泄系统排出体外，对人体健康没有影响。如用聚乳酸制成的体内手术缝合线、体内粘合剂等。第九章医用高分子材料（3）按生物医学用途分类1）硬组织相容性高分子材料如骨科、齿科用高分子材料；2）软组织相容性高分子材料3）血液相容性高分子材料4）高分子药物和药物控释高分子材料5）手术治疗用高分子材料如：缝合线，黏胶剂，止血剂，各种导管，引流管，一次性输血输液器材6）人造器官或组织如：人造皮肤，血管，骨，关节，肠道，心脏，肾等第九章医用高分子材料2、医用高分子材料的基本要求医用高分子材料是一类特殊用途的材料。它们在使用过程中，常需与生物肌体、血液、体液等接触，有些还须长期植入体内。由于医用高分子与人们的健康密切相关，因此对进入临床使用阶段的医用高分子材料具有严格的要求，要求有十分优良的特性。归纳起来，一个具备了以下七个方面性能的材料，可以考虑用作医用材料。第九章医用高分子材料（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。第九章医用高分子材料（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。第九章医用高分子材料（3）不会致癌根据现代医学理论认为，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，也有病毒引起的原因。第九章医用高分子材料（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。高分子材料的血液相容性问题是一个十分活跃的研究课题，但至今尚未制得一种能完全抗血栓的高分子材料。第九章医用高分子材料（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。事实上，在长期的使用过程中，高分子材料受到各种因素的影响，其性能不可能永远保持不变。我们仅希望变化尽可能少一些，或者说寿命尽可能长一些。第九章医用高分子材料（6）能经受必要的清洁消毒措施而不产生变性高分子材料在植入体内之前，都要经过严格的灭菌消毒。目前灭菌处理一般有三种方法：蒸汽灭菌、化学灭菌、γ射线灭菌。国内大多采用前两种方法。因此在选择材料时，要考虑能否耐受得了。第九章医用高分子材料（7）易于加工成需要的复杂形状人工脏器往往具有很复杂的形状，因此，用于人工脏器的高分子材料应具有优良的成型性能。此外还要防止在医用高分子材料生产、加工工程中引入对人体有害的物质。原料的纯度、加工助剂、生产环境应当符合国家有关标准。第九章医用高分子材料3.高分子材料的生物相容性生物相容性——指植入生物体内的材料与肌体之间的适应性。对生物体来说，植入的材料不管其结构、性质如何，都是外来异物。出于本能的自我保护，一般都会出现排斥现象。这种排斥反应的严重程度，决定了材料的生物相容性。因此提高应用高分子材料与肌体的生物相容性，是材料和医学科学家们必须面对的课题。第九章医用高分子材料由于不同的高分子材料在医学中的应用目的不同，生物相容性又可分为组织相容性和血液相容性两种。组织相容性是指材料与人体组织，如骨骼、牙齿、内部器官、肌肉、肌腱、皮肤等的相互适应性，血液相容性则是指材料与血液接触是不是会引起凝血、溶血等不良反应。红细胞破裂，血红蛋白流出第九章医用高分子材料3.1高分子材料的组织相容性3.1.1高分子材料植入对组织反应的影响高分子材料植入人体后，对组织反应的影响因素包括材料本身的结构和性质（如微相结构、亲水性、疏水性、电荷等）、材料中可渗出的化学成分（如残留单体、杂质、低聚物、添加剂等）、降解或代谢产物等。此外，植入材料的几何形状也可能引起组织反应。第九章医用高分子材料（1）材料中渗出的化学成分对生物反应的影响材料中逐渐渗出的各种化学成分（如添加剂、杂质、单体、低聚物以及降解产物等）会导致不同类型的组织反应，例如炎症反应。组织反应的严重程度与渗出物的毒性、浓度、总量、渗出速率和持续期限等密切相关。一般而言，渗出物毒性越大、渗出量越多，则引起的炎症反应越强。第九章医用高分子材料例如，聚氨酯和聚氯乙烯中可能存在的残余单体有较强的毒性，渗出后会引起人体严重的炎症反应。而硅橡胶、聚丙烯、聚四氟乙烯等高分子的毒性渗出物通常较少，植入人体后表现的炎症反应较轻。如果渗出物的持续渗出时间较长，则可能发展成慢性炎症反应。如某些被人体分解吸收较慢的生物吸收性高分子材料容易引起慢性无菌性炎症。第九章医用高分子材料（2）高分子材料生物降解对生物反应的影响高分子材料生物降解对人体组织反应的影响取决于降解速度、产物的毒性、降解的持续期限等因素。降解速度慢而降解产物毒性小，不引起明显的组织反应。但若降解速度快而降解产物毒性大，导致严重的急性或慢性炎症反应。如有报道采用聚酯材料作为人工喉管修补材料出现慢性炎症的情况。第九章医用高分子材料（3）材料物理形态等因素对组织反应的影响高分子材料的物理形态如大小、形状、孔度、表面平滑度等因素也会影响组织反应。另外，试验动物的种属差异、材料植入生物体的位置等生物学因素以及植入技术等人为因素也是不容忽视的。一般来说，植入体内材料的体积越大、表面越平滑，造成的组织反应越严重。植入材料与生物组织之间的相对运动，也会引发较严重的组织反应。第九章医用高分子材料曾对不同形状的材料植入小白鼠体内出现肿瘤的情况进行过统计，发现当植入材料为大体积薄片时，出现肿瘤的可能性比在薄片上穿大孔时高出一倍左右。而海绵状、纤维状和粉末状材料几乎不会引起肿瘤。第九章医用高分子材料3.1.2高分子材料在体内的表面钙化高分子材料在植入人体内后，再经过一段时间的试用后，会出现钙化合物在材料表面沉积的现象，即钙化现象。钙化现象往往是导致高分子材料在人体内应用失效的原因之一。试验结果证明，钙化现象不仅是胶原生物材料的特征，一些高分子水溶胶，如聚甲基丙烯酸羟乙酯在大鼠、仓鼠、荷兰猪的皮下也发现有钙化现象。第九章医用高分子材料钙化现象是高分子材料植入动物体内后，对肌体组织造成刺激，促使肌体的新陈代谢加速的结果。多孔材料的钙化情况比无孔材料要严重。第九章医用高分子材料3.1.3高分子材料的致癌性第九章医用高分子材料根据癌症的发生率和潜伏期，高分子材料对大鼠的致癌性可分为三类。①能释放出小分子致癌物的高分子材料，具有高发生率，潜伏期短的特征。②本身具有癌症原性的高分子材料，发生率较高，潜伏期不定；③只是作为简单异物的高分子材料，发生率较低，潜伏期长。显然只有第三类高分子材料才有可能进行临床应用。第九章医用