第七章 生物医用高分子材料

概述 生物医用高分子材料的生物相容性 主要内容 血液净化高分子材料 生物惰性高分子材料 生物活性高分子材料 药用高分子材料

7.1 概述 1. 概念及发展简史 医用材料是生物医学的分支之一，是由 生物、医学、化学和材料等学科交叉形成的边缘学科。 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。

公元前3500年，埃及人就用棉花纤维、马鬃缝合伤口。墨西哥印地安人用木片修补受伤的颅骨。 公元前500年的中国和埃及墓葬中发现假牙、假鼻、假耳。 人类很早就用黄金来修复缺损的牙齿，并沿用至今。 20世纪，高分子科学迅速发展，新的合成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年发明了有机玻璃后，很快就用于制作假牙和补牙，至今仍在使用。 1943年，赛璐珞薄膜开始用于血液透析。 1950年，开始用PMMA作为人的头盖骨、关节和股骨，利用聚酰胺纤维作为手术缝合线。 50年代，有机硅聚合物被用于医学领域，使人工器官的应用范围大大扩大，包括器官替代和整容等许多方面。

50年代，一大批人工器官在试用于临床。 如人工尿道（1950年）、人工血管（1951年）、人工食道（1951年）、人工心脏瓣膜（1952年）、人工心肺（1953年）、人工关节（1954年）、人工肝（1958年）。 60年代，医用高分子材料进入崭新的发展时期。美国国立心肺研究所发展了血液相容性高分子材料，以用于与血液接触的人工器官制造，如人工心脏等。 80年代以来，发达国家的医用高分子材料产业化速度加快，基本形成了一个崭新的生物材料产业

目前被详细研究过的生物材料已超过1000种，被广泛应用的有90多种，1800多种制品。 1980年 销售额（美元） 200亿 1990年 500亿 1995年 1000亿 年份 应用较多的有医用金属材料和医用高分子材料。 医用金属材料：应用最早，是临床应用最广泛的承力植入材料，不锈钢、钴、镍、锆合金 、贵金属，价格高

器械包

人造髋关节

牙齿校正材料

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 人工器官中，比较成功的有：人工血管、人工食道、人工尿道、人工心脏瓣膜、人工关节、人工骨、整形材料等。 已取得重大研究成果，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。 一些功能较为复杂的器官正处于大力研究开发之中：如人工肝脏、人工胃、人工子宫等。

研究内容： 设计合成和加工适合不同医用目的的高分材料与制品 最大限度的克服材料对人体的伤害和副作用 关键问题：抗血栓问题（凝血） 人工器官，与血液接触，人体的自然保护反应产生排异现象，在材料与肌体接触的表面产生凝血，即血栓。造成手术失败，严重的会有生命危险。

2. 医用高分子材料的分类 日本医用高分子专家樱井靖久将医用高分子分成五大类： （1）与生物体组织不直接接触的材料 医疗器械。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。

（2）与皮肤、粘膜接触的材料 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。如手术用手套、麻醉用品、吸氧管、口罩、导管、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。人体整容修复材料如假肢、假耳、假眼、假鼻

（3）与人体组织短期接触的材料 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。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。

（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。

（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。

按材料来源分类 天然医用高分子材料： 如胶原、明胶、角质蛋白、纤维素、多糖、甲壳素及其衍生物等。 合成医用高分子材料： 如PU、硅橡胶、聚酯等。 天然生物组织与器官： 取自患者自体的组织或其他人的同种异体组织或来自其他动物的异种同类组织

按材料与活体组织的相互作用关系分类 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。 生物活性高分子材料： 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。 生物吸收高分子材料： 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。

按生物医学用途分类 硬组织相容性高分子材料 软组织相容性高分子材料 血液相容性高分子材料 高分子药物和药物控释高分子材料 按与肌体组织接触的关系分类 长期植入材料 短期植入（接触）材料 体内体外连通使用的材料 与体表接触材料及一次性医疗用品材料

3. 对医用高分子材料的基本要求 （1）化学隋性，不会因与体液接触而发生反应 体液引起聚合物的降解、交联和相变化； 体内的自由基引起材料的氧化降解反应； 生物酶引起的聚合物分解反应； 在体液作用下材料中添加剂的溶出； 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。

（2）对人体组织不会引起炎症或异物反应 单体，添加剂慢慢从内部迁移到表面，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 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。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 医用高分子对血液的相容性是所有性能中最重要的。 （5）长期植入体内不会减小机械强度 聚酰胺易降解，聚四氟乙烯稳定性好 （6）能经受必要的清洁消毒措施而不变性 蒸汽灭菌、化学灭菌、γ射线灭菌 （7）易于加工成需要的复杂形状

7.2 医用高分子的生物相容性 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。

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 组织相容性 材料用于心血管系统，与血液接触是不是会引起凝血、溶血等不良反应 血液相容性

1. 组织相容性 （1）高分子材料植入对组织反应的影响 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、添加剂等），炎症，PU、PVC中残余单体有较强的毒性，渗出后会引起严重的炎症反应。而硅橡胶、PP、PTFE等毒性渗出物少 降解或代谢产物 植入材料的几何形状：材料的体积越大、表面越平滑，造成的组织反应越严重

（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

（3） 高分子材料的致癌性 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，许多动物试验研究表明，当材料植入鼠体内时，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。

2. 血液相容性 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。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。 当材料植入体内与血液接触时，血液的流动状态和血管壁状态都将发生变化，凝血系统开始发挥作用，从而发生血栓。

血栓形成机理示意图

材料的抗血栓性与材料的表面结构有关，具有抗血栓性能的材料，其表面结构有以下特征： 表面带有负电荷 具亲水性或疏水性的表面 具有微相分离结构的表面 光滑程度高的表面 生物化的表面

7.3 血液净化高分子材料 水90% 血浆 蛋白质7-8% 50-60% 有机分子2% 血液 无机盐1% 红细胞 细胞 40-50% 白细胞 血小板

血液净化疗法：通过体外循环技术，矫正血液成分质量和数量的异常 半透膜 吸附剂

纤维素及其衍生物 PAN PMMA EVA 聚砜

7.5 生物惰性高分子材料 需要在体内长期存在的材料，希望具有生物惰性 材料对生物肌体产生惰性 无刺激性和不良反应 生物惰性 材料自身在生物环境中表现出惰性 有足够的稳定性，长期使用不老化，不降解，不干裂，不溶解

应用领域 体内植入材料：人工骨骼、人工关节、器官修复材料 人工组织、人工器官 材料 有机硅、 聚氨酯、 聚烯烃、 聚氟乙烯、 聚砜、 聚乙烯醇、聚环氧乙烷

1. 医用有机硅高分子 1964年，美国道康宁公司问世，应用最广泛 侧基不同，性能不同，引入季铵结构有抗菌防腐性能，非常适合临床使用 硅油、硅橡胶、硅树脂 有较好的O2和CO2透过性，抗血栓性好

应用 人工器官和组织的代用品：脑积水引流装置、人工瓣膜、心脏起搏器、人工脑膜、人工喉、人工皮肤、人工指关节。整容修复材料：硅橡胶海绵、鼻尖鼻梁、耳朵 短期植入材料：各种插管 药物控制释放载体：计划生育 体外循环用品：导管 安全性受到怀疑

2. 聚氨酯 品种多样，性能各异 机械性能优异 具有微相分离结构，良好的组织和血液相容性 人工心脏的壳体和搏动膜、人工软骨、医用粘合剂、假肢

1982年美国双心室人工心脏为一位61岁患者进行了移植。活了112天。 2008年美国14岁少女靠胸腔外人工心脏存活118天

3. 聚丙烯酸及其衍生物 PMMA：光学性能好，接触镜（隐形眼镜）和眼内镜（人工玻璃体）；骨水泥粘合剂，修复骨组织和关节置换；牙齿修复，假牙 聚甲基丙烯酸-β-羟乙酯：亲水疏水基团，血液相容性好，透析膜 2-腈基丙烯酸烷基酯：无溶剂常温固化粘合剂，与人体组织牢固结合，唯一用于临床手术的粘合剂

4. PTFE 性质稳定，无臭、无味、无毒，耐酸耐碱耐溶剂，静摩擦系数最低，自润滑 生物惰性，耐受严格消毒，使用寿命长； 表面能低，血液相容性好 血管修复材料、人工肺气体交换膜等

7.7 高分子材料在药学中的应用 高分子药物 高分子药物载体 广义药用高分子材料 靶向药物高分子导向材料 高分子药用制剂材料 高分子药物包装材料

1. 高分子药物 高分子本身具有药物疗效，可作为药物直接使用，在治疗过程中起主要作用 高分子骨架型高分子药物 高分子结构本身起治疗作用 接入型高分子药物 小分子药物的高分子化 高分子配合物药物 具有配位基团的高分子与特定金属离子反应

（1）高分子骨架型高分子药物 葡聚糖类 血容量扩充剂，毒副作用小 右旋糖酐： 多糖类，以蔗糖为原料生产，人造代血浆 分子量适中，过大，粘度大，与水不易混合，凝结红细胞；太小容易经肾脏排泄 大量失血后补充血液容量，提高血浆渗透压

磺酸右旋糖酐钠盐： 右旋糖酐经氯磺酸和吡啶处理 抗凝血作用 小分子的葡聚糖（10000） 增加血液循环，提高血压 治疗失血性休克 右旋糖酐的硫酸酯： 抗动脉硬化 抗凝血作用

聚离子树脂型药物 许多已获得临床应用 抗肿瘤药物：肿瘤细胞表面带有比正常细胞多的负电荷，聚阳离子树脂可导致肿瘤细胞表面电荷中和及细胞凝集，起到抑制及灭杀肿瘤细胞的作用。 还可活化免疫系统，激活巨噬细胞 聚亚乙基胺、聚-L-赖氨酸，聚马来酸酐、聚丙烯酸

降胆敏 吸附肠内胆酸，降低血胆固醇 降血脂药 分子中含季铵基 杀菌、抗病毒、抑制癌细胞生长 主链含季铵阳离子的聚合物有强抗痉挛作用

其他骨架型高分子药物 聚2-乙烯吡啶氧化物，商品名克矽平 治疗矽肺病

（2）接入型高分子药物 用化学方法通过共价键将小分子药物引入大分子骨架 吸收排泄较慢，延长药物作用时间，降解时间 大分子很难透过生物膜，可实现局部、定向给药 接入型高分子药物使用的高分子骨架有特殊要求

高分子骨架的可代谢性和代谢产物的无毒性： 口服：聚合物不吸收，排泄渠道 静脉、肌肉给药：关键。血液中的非降解大分子无法通过正常排泄器官（肾脏）排出体外 不降解，累积对健康不利 降解产物不能有毒

药物活性基团与聚合物骨架连接键在体内条件下分解 药效的发挥与高分子骨架无直接关系：连接键的分解与否不重要 药效的发挥仅依靠解力的小分子活性成分：要求活性部分可以从聚合物骨架上分解下来，连接键发可分解性很重要

聚合物骨架的亲水性和生物相容性 与病变部位作用或通过水解释放有效成分，要求骨架有亲水性 亲水性的骨架 引入非活性、无毒性亲水基团 生物相容性

最显著的优点：药效延长 聚合物型青霉素 比小分子药效延长30-40倍 阿司匹林：消炎镇痛，抗凝血，预防心血管疾病，刺激胃 将其接入PVA上，延长药效，减少给药次数，降低对胃的刺激

（3）高分子配合物型药物 很多金属配合物有很强的生物活性，已经作为临床药物使用，如顺铂 高分子金属配合物也有药物活性 保持药物生理活性，降低小分子配合物或金属离子的毒性 生物相容性，可降解性，天然高分子 壳聚糖、蛋白质、磷脂 含氧大环配合物，优良的抗肿瘤药物

2. 高分子缓释制剂 药物在体内的浓度和作用时间，疗效 长效药物、高分子药物缓释材料热门课题 药物缓释的目标：通过对药物释放剂量的有效控制，达到在一个较长时间内维持有效药物浓度，降低药物毒副作用，减少抗药性，提高有效利用率的目的。 主要途径：采用高分子缓释剂

分类 形态：球型、微胶囊型、植入片型、包衣型、水凝胶型、薄膜型 来源：天然高分子、合成高分子缓释材料 高分子与药物的结合形态：包裹型、混合型、共价键连接型 控释机理： 扩散控制体系 化学反应控制体系 溶剂活化体系 磁控制体系

材料 非生物降解高分子药物缓释材料：口服 乙烯-乙酸乙烯酯共聚物 硅橡胶 水溶性高分子：PAM、PAA 可生物降解高分子药物缓释材料 胶原、甲壳素衍生物、淀粉衍生物、明胶 热塑性聚酯、PC、聚酰亚胺

3. 高分子靶向制剂 多数情况，药物在体内的分布无区分性 病变部位吸收才能发挥作用 不分部位的药物吸收浪费、对非病变组织造成不利影响，有毒副作用的药物 主要途径：靶向药物，实现定向给药，只在病变部位吸收，降低全身性毒副作用 高分子靶向药物是通过特定的载体对首要部位的特定选择性实现

分类 药物传输目标： 器官靶向药物： 组织靶向药物 利用不同器官的代谢差异，造成在某些器官内相对富集 细胞靶向药物 根据人体正常组织和病变组织之间的某些差异 根据高分子在体与细胞表面的特异性受体相互作用，在特定细胞内富集药物

药物靶向机理： 被动靶向： 主动靶向： 物理靶向： 因为高分子药物自身的一些特点被药物受体机械滞留 药物本身具有自动寻找目标的功能 利用肿瘤部位与正常组织在温度、pH的差异，或利用磁场作用使制剂定向移动。制剂到达肿瘤部位释放药物