医用生物高分子

一：医用生物高分子的定义 生物高分子，顾名思义，是以生命现象为对象和基础的高分子科学。而医用生物高分子就是用于医疗的高分子科学。

二：医用生物高分子的范畴 用于医疗目的：塑料针筒，合成纤维，纱布和绷带。 纱布 塑料针筒 绷带

生物材料：药物释放体系，医用粘合剂，固体化酶，隐形眼镜等。

三：生物高分子的要求 医疗功能性 安全性 耐久性 材料 活体 生物相容 医疗功能 抗生物老化

作为医用高分子材料，应符合以下要求： ①化学性能稳定，对生理组织的适应性良好，无毒； ②无致癌性和生理排异性，不导致血液凝固与溶血，不产生新陈代谢的异常现象，不引起生理机能的恶化与降低； ③耐生物老化； ④不因高压煮沸、干燥灭菌、药液等发生变质。

【高分子药物】现代医药发展方向之一：合成药物长效化和低毒化，其有效途径是低分子药物高分子化。例如可将药物分子连在安全无毒的高分子链上。缓释长效阿斯匹林的结构简式如下： 阿斯匹林(Aspirin)是一个“古老”的解热镇痛药物，而缓释长效阿斯匹林又使阿斯匹林焕发了青春。近年，科学家通过乙二醇的桥梁作用把阿斯匹林连接在高聚物上，制成缓释长效阿斯匹林，用于关节炎和冠心病的辅助治疗，缓释长效阿斯匹林可分为三部分：①高分子载体（聚甲基丙烯酸）；②低分子药物（阿斯匹林）；③作为桥梁作用的乙二醇。肠胃中水解变为阿斯匹林 。

缓释长效阿斯匹林 在体内的分解过程 人造器官组织 人造器官组织 人造器官组织

【人造器官组织 】由于某些合成高分子材料（如：有机硅聚合物、有机氟聚合物、聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇、醋酸纤维素等）与生物体中的天然高分子有极其相似的化学结构，生物相容性较好，较少受到排斥，安全无毒，可用于制作医用组织和人造器官的高分子材料。 从皮肤到内脏，从血液到五官都有用医用高分子材料制成的人造器官组织，如人造血管、人造心脏、人造肾脏、人造皮肤、人造骨髓等，最早应用的医用高分子材料是代替手术缝合线的聚乳酸 。使聚乳酸作为外科手术的缝合线，因聚乳酸极易水解、缝合伤口愈合后，不需拆线，缝合线经体液水解为乳酸，由代谢循环排出体外水解反应式如下： 人造器官组织 人造器官组织 人造器官组织 人造器官组织

医用高分子材料和用途 应用范围 材料名称 人造血管 人造丝、尼龙、腈纶，硅橡胶、聚四氟乙烯 人工心脏 聚氨酯橡胶、硅橡胶、天然橡胶、聚甲基丙烯酸甲酯、尼龙、聚四氟乙烯、涤纶 人工心脏瓣膜 聚氨酯橡胶、硅橡胶、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯 心脏起搏器 硅橡胶、聚氨酯橡胶

(续上表) 人工食道 聚乙烯醇、聚乙烯、聚四氟乙烯、硅橡胶 人工气管 聚乙烯、聚四氟乙烯、硅橡胶、聚乙烯醇 聚四氟乙烯、硅橡胶、水凝胶 人工输尿管 聚四氟乙烯、硅橡胶、水凝胶 人工头盖骨 聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、碳纤维 人工喉 硅橡胶、聚乙烯 人工膀胱 硅橡胶 人工血浆 右旋糖肝、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯酮 人工眼球 泡沫硅橡胶

高分子材料应用于医疗上的很多方面：塑料注射器、血液袋、避孕器具、牙科材料、人造器官、人造关节、人造骨骼等。 作为人工器官材料，必须具备生物功能性质，具备生物相容性，由于各种器官在生物体中所处的位置和功能不同，对材料的要求也不能一概而论。 如人工心脏和人工血管，具有高度机械性能和耐疲劳性能；人工肾，具有高度选择透过功能等。

近年来开展生物杂化人工器官已受到广泛关注。 生物杂化人工器官是指由活体细胞或组织与医用高分子材料构成的器官。 制备生物杂化人工器官的技术目前称为组织工程。 由于活体细胞的介入，使得高分子材料与生物体间的排异性大大降低。

四、生物材料的应用及发展

1. 生物材料的一般性能要求 （1）生物相容性 生物相容性主要包括血液相容性、组织相容性。材料在人体内要求无不良反应，不引起凝血、溶血现象，活体组织不发生炎症、排拒、致癌等。

（2）力学性能 材料要有合适的强度、硬度、韧性、塑性等力学性能以满足耐磨、耐压、抗冲击、抗疲劳、弯曲等医用要求。

（3）耐生物老化性能 材料在活体内要有较好的化学稳定性，能够长期使用，即在发挥其医疗功能的同时要耐生物腐蚀、耐生物老化。 （4）成形加工性能 容易成形和加工，价格适中。

2. 生物材料分类 按材料功能划分： 1、血液相容性材料 如人工瓣膜、人工气管、人工心脏、血浆分离膜、血液灌流用吸附剂、细胞培养基材等； 2、软组织相容性材料 如隐形眼睛片的高分子材料，人工晶状体、聚硅氧烷、聚氨基酸等，用于人工皮肤、人工气管、人工食道、人工输尿管、软组织修补等领域； 3、硬组织相容性材料 如医用金属、聚乙烯、生物陶瓷等，关节、牙齿、其它骨骼等； 4、生物降解材料 如甲壳素、聚乳酸等，用于缝合线、药物载体、粘合剂等； 5、高分子药物 多肽、胰岛素、人工合成疫苗等，用于糖尿病、心血管、癌症以及炎症等。

按材料来源分类： 1、自体材料 2、同种异体器官及组织； 3、异体器官及组织； 4、人工合成材料； 5、天然材料

根据组成和性质分为： 1、生物医用金属材料 2、医用高分子材料 3、医用无机非金属材料

较优秀的生物医用金属材料有，医 用不锈钢、钴基合金、钛及钛合金、镍钛形状记忆合金、金银等贵重金属、银汞合金、钽、铌等金属和合金。 1. 生物医用金属材料

(1) 医用不锈钢 具有一定的耐腐蚀性和良好的综合力学性能，且加工工艺简便，是生物医用金属材料中应用最多，最广的材料。 常用钢种有US304、316、316 L、317、317L等。 医用不锈钢植入活体后，可能发生点蚀，偶尔也产生应力腐蚀和腐蚀疲劳。医用不锈钢临床前消毒、电解抛光和钝化处理，可提高耐蚀性。 医用不锈钢在骨外科和齿科中应用较多。

(2) 钴基合金 钴基合金人体内一般保持钝化状态，与不锈钢比较，钴基合金钝化膜更稳定，耐蚀性更好。在所有医用金属材料中，其耐磨性最好，适合于制造体内承载苛刻的长期植入件。 在整形外科中，用于制造人工髋关节、膝关节以及接骨板、骨钉、关节扣钉和骨针等。在心脏外科中，用于制造人工心脏瓣膜等。

(3) 医用钛和钛合金 图是镍钛形状记忆合金血管支架 不仅具有良好的力学性能，而且在生理环境下具有良好的生物相容性。由于其比重小，弹性模量较其他金属更接近天然骨，故广泛应用于制造各种能、膝、肘、肩等人造关节。此外，钛合金还用于心血管系统。钛合金耐磨性能不理想，且存在咬合现象，限制了其使用范围。 图是镍钛形状记忆合金血管支架

Ti-Ni记忆合金血管支架

功能高分子材料 在高分子链上接上带有具有某种功能的官能团使其在物理、化学、生物、医学等方面具有特殊功能的高分子材料 如导电高分子、高分子半导体。光导电高分子、压电及热电高分子、磁性高分子、光功能高分子、液晶高分子和信息高分子材料等 物理功能高分子材料 功能高分子材料 化学功能高分子材料 如反应性高分子、离子交换树脂、高分子分离膜。鳌合高分子、高分子催化剂、高分子试剂及人工脏器等。 如生物高分子模拟酶 生物功能高分子材料 医用高分子材料 高分子药物、人工骨材料

2. 生物医用高分子 按应用对象和材料物理性能分为软组织材料、硬组织材料和生物降解材料。其可满足人体组织器官的部分要求，因而在医学上受到广泛重视。目前已有数十种高分子材料适用于人体的植入材料。

软组织材料：故主要用作为软组织材料，特别 是人工脏器的膜和管材。聚乙烯膜、聚四氟乙烯膜、硅橡胶膜和管，可用于制造人工肺、肾、心脏、喉头、气管、胆管、角膜。聚酯纤维可用于制造血管、腹膜等。 硬组织材料：丙烯酸高分子(即骨水泥)、聚碳酸醋、超高分子量聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）、尼龙、硅橡胶等可用于制造人工骨和人工关节。 降解材料：脂肪族聚醋具有生物降解特性，已用于可接收性手术缝线。

3. 生物医用无机非金属材料 生物无机材料主要包括生物陶瓷、生物玻璃和医用碳素材料。 按植入生物活体内引起的组织与材料反应，生物陶瓷分为: 3. 生物医用无机非金属材料 生物无机材料主要包括生物陶瓷、生物玻璃和医用碳素材料。 按植入生物活体内引起的组织与材料反应，生物陶瓷分为: (1)近于惰性的生物陶瓷，如氧化铝生物陶瓷、氧化锆生物陶瓷、硼硅酸玻璃； (2)表面活性生物陶瓷，如磷酸钙基生物陶瓷、生物活性玻璃陶瓷； (3)可吸收性生物陶瓷，如偏磷酸三钙生物陶瓷、硫酸钙生物陶瓷。

生物活性玻璃陶瓷植入活体后，能够与体液发生化学反应，并在组织表面生成羚基磷灰石层，故可用于人工种植牙根、牙冠、骨充填料和涂层材料。 与自然骨比较，生物活性玻璃陶瓷虽然具有较高的强度，但韧性较差，弹性模量过高，易脆断，在生理环境中抗疲劳性能较差，目前还不能直接用于承力较大的人工骨。

医用碳素材料：具有接近于自然骨的弹性模量。 医用碳素材料疲劳性能最优，强度不随循环载荷作用而下降。无序堆垛的碳材料耐磨性理想。 医用碳素材料在生理环境中较稳定，近于惰性，具有较好的生物相容性，不会引起凝血和溶血反应，特别适合于在生理环境中使用。 医用碳材料已大量用于心血管系统的修复，如人工心脏瓣膜、人工血管。还可作为金属和聚合物的涂层材料。

Fig. Schematic diagram of the screw-shaped artificial tooth. 4. 生物医用复合材料 生物医用复合材料是由二种或二种以上不同材料复合而成的。 按基材分为：高分子基、陶瓷基、金属基等生物医用复合材料。 按增强体形态和性质分为纤维增强、颗粒增强、生物活性物质充填生物医用复合材料。 按材料植入体内后引起的组织与材料反应分为：生物惰性、生物活性和可吸收性生物医用复合材料。 右为具有活性涂层的钛合计人工齿示意图 Fig. Schematic diagram of the screw-shaped artificial tooth.

生物高分子的最新进展 —人造心脏的研制成功 生物高分子的最新进展 —人造心脏的研制成功 INCOR 德国科学家发明的新型人造心脏“Incor”已获准在欧洲范围内正式投入临床使用。这种新型人造心脏以一种特殊结构的泵为血液循环提供动力，其叶片在磁场作用下旋转。这种设计，可避免系统内部出现摩擦、磨损及发热等问题，同时也降低了血液凝结给人造心脏带来的危险。

生物高分子的最新进展 —骨胶原纤维 骨胶是一种蛋白质,它在皮肤、骨骼、腱、血管、肠、眼角膜和牙齿中担负着个体保护以及保持形态的作用。骨胶分子由三根多肽链形成螺旋结构。 骨胶原纤维是通过重新组构牛屈肌腱的骨胶原悬浮液制成的。 骨胶原作为医用材料的特点在于:生物适应性优良、无抗原性、生物体吸收性良好等,因此国内外正将其开发和应用于伤口保护。

以一条成人的 骨来说，有70%是由矿物质组成，而另外的30%是由有机物质组成，主要是蛋白质骨胶原。

生物材料 人工肾 人造心脏 人造关节

五，我国高分子发展现状 成就： 心脏起搏器聚氨酯 心脏起搏器 工作示意图

THANK YOU！