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毕业论文

题目:

医用高分子材料

院（系）:

芜湖职业技术学院

专业年级:

轻化工程系2009级高材

姓名:

见小文

学号:

90309112

指导教师:

樊陈莉

2011年11月06日

1．概述

2.高分子材料的生物相容性

3.生物吸收性高分子材料

4.高分子材料在医学领域的应用

一概述

1医用高分子的概念及其发展简史

生命科学是研究生命现象、生命活动的本质、特征和发生、发展规律，以及各种生物之间和生物与环境之间相互关系的科学。

研究目的在于有效地控制生命活动，能动地改造生物界，造福人类。

生命科学是21世纪备受关注的学科。

而与人类健康休戚相关的医学在生命科学中占有相当重要的地位。

医用材料是生物医学（生物医学是综合工程学、医学和生物学的理论和方法而发展起来的交叉边缘学科,基本任务是运用工程技术手段研究和解决生命科学,特别是医学中的有关问题,主要研究利用电子信息技术结合医学临床对人体信息进行无损或微损的提取和处理。

）的分支之一，是由生物、医学、化学和材料等学科交叉形成的边缘学科。

而医用高分子材料则是生物医用材料中的重要组成部分，主要用于人工器官、外科修复、理疗康复、诊断检查、患疾治疗等医疗领域。

目前用高分子材料制成的人工器官中，比较成功的有人工血管、人工食道、人工尿道、人工心脏、人工关节、人工骨、整形材料等。

巳取得重大研究成果，但还需不断完善的有人工肾、人工心脏、人工肺、人工胰脏、人工眼球、人造血液等。

2医用高分子的分类

医用高分子是一门较年轻的学科，发展历史不长，因此医用高分子的定义至今尚不十分明确。

另外，由于医用高分子是由多学科参与的交叉学科，根据不同学科领域的习惯出现了不同的分类方式。

目前医用高分子材料随来源、应用目的等可以分为多种类型。

各种医用高分子材料的名称也很不统一。

一些常用的分类方法：

（1）按材料的来源分类②

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。

（2）按材料与活体组织的相互作用关系分类③

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。

（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。

（4）按生物医学用途分类④

1）硬组织相容性高分子材料（骨科、齿科）

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

3对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。

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。

但对医用高分子来说，在某些情况下，“老化”并不一定都是贬意的，有时甚至还有积极的意义。

如作为医用粘合剂用于组织粘合，或作为医用手术缝合线时，在发挥了相应的效用后，反倒不希望它们有太好的化学稳定性，而是希望它们尽快地被组织所分解、吸收或迅速排出体外。

在这种情况下，对材料的附加要求是：

在分解过程中，不应产生对人体有害的副产物。

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

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。

（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。

二高分子材料的生物相容性

生物相容性是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。

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，而血液相容性则是指材料与血液接触时不会引起凝血、溶血等不良反应。

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。

（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。

（2）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

2高分子材料在体内的表面钙化

观察发现，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。

用等离子体发射光谱法分析钙化沉积层的元素组成，发现钙化层中以钙、磷两种元素为主，钙磷比为1.61～1.69，平均值1.66，与羟基磷灰石中的钙磷比1.67几乎相同，此外还含有少量的锌和镁。

这表明，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。

影响高分子材料表面钙化的因素很多，包括生物因素（如物种、年龄、激素水平、血清磷酸盐水平、脂质、蛋白质吸附、局部血流动力学、凝血等）和材料因素（亲水性、疏水性、表面缺陷）等。

一般而言，材料植入时，被植个体越年青，材料表面越可能发生钙化。

多孔材料的钙化情况比无孔材料要严重。

3高分子材料的致癌性

虽然目前尚无足够的证据说明高分子材料的植入会引起人体内的癌症。

但是，许多试验动物研究表明，当高分子材料植入鼠体内时，只要植入的材料是固体材料而且面积大于1cm2，无论材料的种类（高分子、金属或陶瓷）、形状（膜、片状或板状）以及材料本身是否具有化学致癌性，均有可能导致癌症的发生。

这种现象称为固体致癌性或异物致癌性。

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。

3高分子材料的凝血作用

（1）血栓的形成

通常，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。

实际上，血液在受到下列因素影响时，都可能发生血栓：

①血管壁特性与状态发生变化；②血液的性质发生变化；③血液的流动状态发生变化。

（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。

此外，在聚甲基丙烯酸－β－羟乙酯、接枝聚乙烯醇、主链和侧链中含有聚乙二醇结构的亲水性材料表面上，血小板的粘附量都比较少。

这可能是由于容易被水介质润湿而具有较小的表面能。

因此，有理由认为，低表面能材料具有较好的抗血栓性。

2）血小板的粘附与材料的含水率有关

有些高分子材料与水接触后能形成高含水状态（20％～90％以上）的水凝胶。

在水凝胶中，由于含水量增加而使高分子的实质部分减少，因此，植入人体后，与血液的接触机会也减少，相应的血小板粘附数减少。

实验表明，丙烯酰胺、甲基丙烯酸－β－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，都具有较好的抗血栓性。

3）血小板的粘附与材料表面疏水－亲水平衡有关

综合上述讨沦不难看出，无论是疏水性聚合物还是亲水性聚合物，都可在一定程度上具有抗血栓性。

进一步的研究表明，材料的抗血栓性，并不简单决定于其是疏水性的还是亲水性的，而是决定于它们的平衡值。

一个亲水－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

三．生物吸收性高分子材料

许多高分子材料植入人体内后只是起到暂时替代作用，例如高分子手术缝合线用于缝合体内组织时，当肌体组织痊愈后，缝合线的作用即告结束，这时希望用作缝合线的高分子材料能尽快地分解并被人体吸收，以最大限度地减少高分子材料对肌体

的长期影响。

由于生物吸收性材料容易在生物体内分解，参与代谢，并最终排出体外，对人体无害，因而越来越受到人们的重视。

1生物吸收性高分子材料的设计原理

（1）生物降解性和生物吸收性

生物吸收性高分子材料在体液的作用下完成两个步骤，即降解和吸收。

前者往往涉及高分子主链的断裂，使分子量降低。

作为医用高分子要求降解产物（单体、低聚体或碎片）无毒，并且对人体无副作用。

（2）生物吸收性高分子材料的分解吸收速度

用于人体组织治疗的生物吸收性高分子材料，其分解和吸收速度必须与组织愈合速度同步。

人体中不同组织不同器官的愈合速度是不同的。

因此，对植入人体内的生物吸收性高分子材料在组织或器官完全愈合之前，必须保持适当的机械性能和功能。

而在肌体组织痊愈之后，植入的高分子材料应尽快降解并被吸收，以减少材料长期存在所产生的副作用。

2生物吸收性天然高分子材料

已经在临床医学获得应用的生物吸收性天然高分子材料包括蛋白质和多糖两类生物高分子。

这些生物高分子主要在酶的作用下降解，生成的降解产物如氨基酸、糖等化合物，可参与体内代谢，并作为营养物质被肌体吸收。

因此这类材料应当是最理想的生物吸收性高分子材料。

白蛋白、葡聚糖和羟乙基淀粉在水中是可溶的，临床用作血容量扩充剂或人工血浆的增稠剂。

胶原、壳聚糖等在生理条件下是不溶性的，因此可作为植入材料在临床应用。

下面对一些重要的生物吸收性天然高分子材料作简单介绍。

（1）胶原

胶原是人体组织中最基本的蛋白质类物质，至今已经鉴别出13种胶原，其中I～III、V和XI型胶原为成纤维胶原。

I型胶原在动物体内含量最多，已被广泛应用于生物医用材料和生化试剂。

牛和猪的肌腱、生皮、骨骼是生产胶原的主要原料。

（2）明胶

明胶是经高温加热变性的胶原，通常由动物的骨骼或皮肤经过蒸煮、过滤、蒸发干燥后获得。

明胶在冷水中溶胀而不溶解，但可溶于热水中形成粘稠溶液，冷却后成凝胶状态。

纯化的医用级明胶比胶原成本低，在机械强度要求较低时可以替代胶原用于生物医学领域。

（3）纤维蛋白

纤维蛋白是纤维蛋白原的聚合产物。

纤维蛋白原是一种血浆蛋白质，存在于动物体的血液中。

人和牛的纤维蛋白原分子量在33万～34万之间，二者之间的氨基酸组成差别很小。

纤维蛋白原由三对肽链构成。

除了氨基酸之外，纤维蛋白原还含有糖基。

纤维蛋白原在人体内的主要功能是参与凝血过程。

（4）甲壳素（chitin）与壳聚糖

甲壳素是由（N－乙酰－D－葡萄糖胺）组成的线性多糖。

昆虫壳皮、虾蟹壳中均富含。

壳聚糖为甲壳素的脱乙酰衍生物，甲壳素在40％～50％的NaOH水溶液中110～120℃水解2～4h。

甲壳素溶于甲磺酸、甲酸、六氟丙醇、六氟丙酮以及含有5％氯化锂的DMAC中。

四．高分子材料在医学领域的应用

1人工脏器及部件的高分子材料及分类

⑴应用现状：

作为人工脏器、人工血管、人工骨骼、人工关节等的医用高分子材料，正在越来越广泛地得到运用。

⑵人工脏器及应用的发展方向：

从通用型逐步向专用型发展，向生物活性型发展，从大型向小型化发展，从体外使用向内植型发展，从单一功能向综合功能型发展。

（3）人工脏器和部件的分类

第一类：

能永久性地植入人体，完全替代原来

脏器或部位的功能，成为人体组织的一部分

第二类：

在体外使用的较为大型的人工脏器装

置、主要作用是在手术过程中暂时替代原有器官的

功能

第三类：

功能比较单一，只能部分替代人体脏

器的功能

第四类：

正在进行探索的人工脏器

第五类：

整容性修复材料

2血液相容性材料与人工心脏

许多医用高分子在应用中需长期与肌体接触，必须有良好的生物相容性，其中血液相容性是最重要的性能。

人工心脏、人工肾脏、人工肝脏、人工血管等脏器和部件长期与血液接触，因此要求材料必须具有优良的抗血栓性能。

（1）微相分离结构聚合物

近年来，在对高分子材料抗血栓性研究中，发现具有微相分离结构的聚合物往往具有优良的血液相容性，因而引起人们极大的兴趣。

例如在聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯的结构中接枝上亲水性的甲基丙烯酸-β-羟乙酯，当接枝共聚物的微区尺寸在20～30nm范围内时，就有优良的抗血栓性。

（2）聚离子络合物（PolyionComplex）是另一类具有抗血栓性的高分子材料。

它们是由带有相反电荷的两种水溶性聚电解质制成的。

3人造皮肤材料

治疗大面积皮肤创伤的病人，需要将病人的正常皮肤移植在创伤部位上。

但在移植之前，创伤面需要清洗，被移植皮肤需要养护，因此需要一定时间。

在这段时间内，许多病人由于体液的大量损耗以及蛋白质与盐分的丢失而丧失生命。

4医用粘合剂

粘合剂作为高分子材料中的一大类别，近年来已扩展到医疗卫生部门，并且其适用范围正随着粘合剂性能的提高、使用趋于简便而不断扩大。

医用粘合剂在医学临床中有十分重要的作用。

在外科手术中：

用于某些器官和组织的局部粘合和修补，手术后缝合处微血管渗血的制止，骨科手术中骨骼、关节的结合与定位，齿科手术中用于牙齿的修补等。

（1）齿科用粘合剂

1940年，首次用于齿科修补手术的高分子材料是PMMA。

它是将PMMA乳液与MMA单体混合，然后在修补过程中聚合固化。

这种粘合剂的硬度与粘结力均不够高，所以很快被淘汰。

1965年出现了以多官能度MMA为基料，无机粉末为填料的复合粘合剂，性能大大提高，至今仍在齿科修复中广泛应用。

（2）外科用粘合剂

外科用粘合剂的应用范围很广，如胃、肠道、胆囊等消化器官的吻合；血管、气管、食道、尿道的修补和连接；皮肤、腹膜的粘合；神经的粘合；肝、肾、胰脏切除手术后的粘合；肝、肾、胰、肺等器官的止血；缺损组织的修复；骨骼的粘合等。

其中大部分是对软组织的粘合。