医用高分子材料论文

医用高分子材料高分子材料科学与工程，高材1006班，王中伟，20100221276摘要：随着高分子材料在社会的各个领域的广泛应用，尤其是在航天工程、医学等领域的应用。功能高分子材料一般指具有传递、转换或贮存物质、能量和信息作用的高分子及其复合材料，或具体地指在原有力学性能的基础上，还具有化学反应活性、光敏性、导电性、催化性、生物相容性、药理性、选择分离性、能量转换性、磁性等功能的高分子及其复合材料。医用高分子材料是用以制造人体内脏、体外器官、药物剂型及医疗器械的聚合物材料。对医用高分子材料的目前需求作了简要分析,介绍了医用高分子材料的主要类别、用途及其特殊要求,并浅谈了医用高分子材料的发展及展望。关键词：医用高分子材料人工人体器官对人类健康的促进相容性前言：现代医学的发展,对材料的性能提出了复杂而严格的多功能要求,这是大多数金属材料和无机材料难以满足的;而合成高分子材料与生物体(天然高分子)有着极其相似的化学结构,化学结构的相似性决定了它们在性能上能够彼此接近从而可能用聚合物制作人工器官,作为人体器官的替代物。另外,除人工器官用材料之外,医药用高分子材料、临床检查诊断和治疗用高分子材料的开发研究也在积极地展开,它们被统称为医用高分子材料．医用高分子材料是一类令人瞩目的功能高分子材料,是一门介于现代医学和高分子科学之间的新兴学科。它涉及到物理学、化学、生物化学、医学、病理学等多种边缘学科。医用高分子材料是生物材料的重要组成部分。医用高分子材料是一类可对有机体组织进行修复、替代与再生,具有特殊功能作用的新型高技术合成高分子材料,是科学技术中的一个正在发展的新领域,不仅技术含量和经济价值高,而且对人类的健康生活和社会发展具有极其重大意义,它已渗入到医学和生命科学的各个部门并应用于临床的诊断与治疗。正文：一、医用高分子材料的概念及简介：医用高分子材料是依据高分子材料的某些特性及特征，如其本身是惰性的，不参与药的作用，能只起增稠、表面活性、崩解、粘合、赋形、润滑和包装等特效，对有机体组织进行修复、替代与再生,具有特殊功能作用的新型高技术合成高分子材料，用它制造成能有医学价值的产品。医用高分子材料是一类令人瞩目的功能高分子材料,是一门介于现代医学和高分子科学之间的新兴学科。它涉及到物理学、化学、生物化学、医学、病理学等多种边缘学科。医用高分子材料是生物材料的重要组成部分。是科学技术中的一个正在发展的新领域,不仅技术含量和经济价值高,而且对人类的健康生活和社会发展具有极其重大意义,它已渗入到医学和生命科学的各个部门并应用于临床的诊断与治疗。然而，医用高分子材料是一类根据医学的需求来研制与生物体结构相适应的、在医疗上使用的材料．包括体外应用的高分子材料、体内应用的人工脏器、口腔齿科材料、高分子药物、高分子诊断试剂、高分子免疫制剂等。二、医用高分子材料的发展历程：医用高分子材料的发展和应用由于人体主要由高分子材料组成，因此医用高分子材料的应用有着久远的历元前3500年，古埃及人就用棉花纤维、马鬃等缝合伤口；在公元前2500年的中新材料概论葬中发现有假牙、假鼻、假耳等。1851年发明天然橡胶硫化方法之后，开始采用硬胶木制作人工牙托和颚骨。进入20世纪，高分子科学迅速发展，新的高分子材料不断出现，为医学领域提供了更多的选择余地。1936年人类发明了有机玻璃，将其用于制作假牙和补牙，并至今仍在使用。1943年，赛璐珞薄膜开始用于血液渗析，1950年开始用有机玻璃做人工股骨。50年代有机硅聚合物用于医学领域，使人工器官的应用范围扩展到了包括器官替代和美容等许多方面。人工尿道(1950年)、人工血管(1951年)、人工人工心脏瓣膜(1952年)、人工心肺(1953年)、T关节(1954年)、人食道(1951年)、人工肝(1958年)等人工器官，均在50年代试用于临床。进入60年代以后，人们开始针对医学应用的客观需要来设计合成医用高分子材料，如美国国立心肺研究所开发的血液相容性高分子材料，可用于与血液接触的人工器官(如人工心脏等)的制造。从70年代开始，医用高分子材料开始快速发展，到80年代在发达国家基本形成了一个崭新的生物材料产业。据统计，目前世界范围内已经应用的医用高分子材料有90多个品种，1800多种制品。医用高分子材料根据来源、应用目的、组织与材料的相互作用情况等可分为多种类型。按来源来分，可分为天然医用高分子材料(如胶原、纤维素、甲壳素等)和人工合成高分子材料(如聚氨酯、硅橡胶等)。按用途来分，有硬组织相容高分子材料、软组织相容高分子材料、血液相容性高分子材料、高分子药物和药物控制释放高分子材料等。医用高分子材料的应用范围主要包括四个方面：一是人工器官，包括人工血管、人工皮肤、人工软骨、人工心脏、人造血、人工肾、人工胰脏、人工肝等，以及一些短期治疗器件如导管、缝合线、医用粘合剂、注射器、输液管等；二是药物制剂，尤其是药物控制释放制剂，这部分将在下一节中详细论述；三是诊断检测，如快速响应、高灵敏度、高精确度的监测试剂与工具，包括试剂盒、生物传感器、免疫诊断微球等；四是生物工程领域，如体外组织培养等，包括细胞培养基、细胞融合添加剂、细胞分离、病毒盒细菌的清除等。常见的医用高分子材料有硅橡胶、聚氨酯、天然乳胶、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯酰胺、聚乙烯毗咯烷酮、聚乙烯醇、聚羟基乙酸、聚乳酸、聚己内酯、聚酸酐、聚磷腈等。医用高分子材料医用高分子材料是近20多年来发展十分迅速的一类功能高分子材料，包括体外应用的高分子材料、人工脏器材料、口腔齿科材料、高分子药物、高分子诊断试剂、高分子免疫制剂等。医用领域选用的高分子材料，应具医学和生物学等方面的特殊要求，它比工业用材料有更高的要求。它们都有十分严格的质量标准，以确保产品的安全性。生产和0精细化学品化学研究者要完全遵照卫生和药物管理部门的有关规定进行，比如生产环境要求清洁甚至无菌；重金属含量不能超过万分之一；每批都要进行测试；对所用的原材料要进行跟踪，每批材料都要取样保存待查。为了使医用高分子材料产品满足使用要求，除了要求材料及其制品在理化性能、形态结构等方面应符合医用要求外，必须进行多方面的试验，比如具有良好的生物相容性试验。材料与肌体接触的部位和时间长短不同，对其生物学性能的要求也不同。三、对医用高分子材料的要求：人的健康长寿依赖于医学的发展。现代医学的进步已经越来越依赖于生物材料和器械的发展,没有医用材料的医学诊断和治疗在现代医学中几乎是不可想象的。目前全球大量用于医疗器械的生物医学材料主要有20种,其中医用高分子12种,金属4种,陶瓷2种,其他2种。利用现有的生物医学材料已开发应用的医用植入体、人工器官等近300种,主要包括:起搏器、心脏瓣膜、人工关节、骨板、骨螺钉、缝线、牙种植体,以及药物和生物活性物质控释载体等。近年来,西方国家在医学上消耗的高分子材料每年以10%～20%的速度增长[3],而国内也以20%左右的速度迅速增长。随着现代科学技术的发展,尤其是生物技术的重大突破,生物材料的应用将更加广泛,需求量也随之越来越大。生物医用材料产业发展如此迅猛,主要动力来自于人口老龄化、中青年创伤的增多、疑难疾病患者的增加和高新技术的发展。生物材料的研究与开发被许多国家列入高技术关键新材料发展计划,并迅速成为国际高技术制高点之一。现代医学的发展,对材料的性能提出了复杂而严格的多功能要求,这是大多数金属材料和无机材料难以满足的;而合成高分子材料与生物体(天然高分子)有着极其相似的化学结构,化学结构的相似性决定了它们在性能上能够彼此接近从而可能用聚合物制作人工器官,作为人体器官的替代物。另外,除人工器官用材料之外,医药用高分子材料、临床检查诊断和治疗用高分子材料的开发研究也在积极地展开,它们被统称为医用高分子材料。医用高分子材料多用于人体，直接关系到人的生命和健康，一般对其性能的要求是：①安全性：必须无毒或副作用极少。这就要求聚合物纯度高，生产环境非常清洁，聚合助剂的残留少，杂质含量为ppm级，确保无病、无毒传播条件。②物理、化学和机械性能：需满足医用所需设计和功能的要求。如硬度、弹性、机械强度、疲劳强度、蠕变、磨耗、吸水性、溶出性、耐酶性和体内老化性等。以心脏瓣膜为例，最好能使用25万小时，要求耐疲劳强度特别好。此外，还要求便于灭菌消毒，能耐受湿热消毒(120～140°C)、干热消毒(160～190°C)、辐射消毒或化学处理消毒，而不降低材料的性能。要求加工性能好，可加工成所需各种形状，而不损伤其固有性能。③适应性：包括与医疗用品中其他材料的适应性，材料与人体各种组织的适应性。材料植入人体后,要求长时期对体液无影响；与血液相容性好,对血液成分无损害，不凝血，不溶血，不形成血栓；无异物反应，在人体内不损伤组织，不致癌致畸，不会导致炎症坏死、组织增生等。④特殊功能：不同的应用领域，要求材料分别具有一定的特殊功能。例如：具有分离透析机能的人工肾用过滤膜、人工肺用气体交换膜，以及人造血液用吸脱气体的物质等，都要求有各自特殊的分离透过机能。在大多数情况下，现有高分子材料的表面化学组成与结构很难满足上述要求，通常要采用表面改性处理，如接枝共聚，以改进其抗凝血性等性能。四、医用高分子材料的特殊要求：医用高分子材料是要用在人身上的,必须对人体组织无害,所以对其要求十分严格,总体上可以概括为以下四个方面:1)生物功能性:因各种生物材料的用途而异,如:作为缓释药物时,药物的缓释性能就是其生物功能性。2)生物相容性:可概括为材料和活体之间的相互关系,主要包括血液相容性和组织相容性。组织相容性主要指无毒性,无致癌性,无热原反应,无免疫排斥反应,不破坏邻近组织等。血液相容性一般指不引起凝血,不破坏红细胞,不破坏血小板,不改变血中蛋白,不扰乱电解质平衡。3)化学稳定性:耐生物老化性或可生物降解性。对于长期植入的医用高分子材料,生物稳定性要好;对于暂时植入的医用高分子材料,则要求在确定时间内降解为无毒的单体或片段,通过吸收、代谢过程排出体外。4)生产加工性:首先,严格控制用于合成医用高分子材料的原料纯度,不能带入有害物质,重金属含量不能超标;其次,材料加工助剂必须符合医用标准;第三,对于体内应用的高分子材料,生产环境应当具有符合标准的洁净级别;第四,便于消毒灭菌(紫外灭菌、高压煮沸、环氧乙烷气体消毒和酒精消毒等)。五、医用高分子材料的制品种类：1.硬组织相容性高分子材料硬组织相容性高分子材料(如各种人工骨、人工关节、牙根等)是医学临床上应用量很大的一类产品,涉及医学临床的骨科、颌面外科、口腔科、颅脑外科和整形外科等多个专科,往往要求具有与替代组织类似的机械性能,同时能够与周围组织结合在一起。如牙科材料(蛀牙填补用树脂、假牙和人工牙根、人工齿冠材料和硅橡胶牙托软衬垫等);人造骨、关节材料聚甲基丙烯酸甲酯等。随着生命科学、材料科学、医学临床的发展和人们生活水平的不断提高,此类材料具有越来越广阔的临床应用前景和巨大的经济效益。2.软组织相容性高分子材料软组织相容性高分子材料主要用于软组织的替代与修复,如隆鼻丰胸材料、人工肌肉(硅橡胶和涤纶织物)与韧带材料等。这类材料往往要求具有适当的强度和弹性以及软组织相容性,在发挥其功能的同时,不对邻近软组织(如肌肉、肌腱、皮肤、皮下等)产生不良影响,不引起严重的组织病变。3.血液相容性高分子材料在医用高分子材料的应用方面,有相当多的器件必须与血液接触,例如:各种体外循环系统、介入治疗系统、人工血管(聚对苯二甲酸乙二酯)和人工心瓣等人工脏器。血液相容性高分子材料必须不引起凝血溶血等生理反应,与活性组织有良好的互相适应性。4.高分子药物和药物控释高分子材料高分子药物指带有高分子链的药物和具有药效的高分子,如:抗癌高分子药物(非靶向、靶向)、用于心血管疾病的高分子药物(治疗动脉硬化、抗血栓、凝血)、抗菌和抗病毒高分子药物(抗菌、抗病毒)、抗辐射高分子药物和高分子止血剂等。高分子材料制备药物控制释放制剂主要有两个目的:1)为了使药物以最小的剂量在特定部位产生治疗药