1、生物医学高分子材料 沈沈 新新 元元东华大学材料科学与工程学院东华大学材料科学与工程学院一一生物医学高分子材料的概念与分类的概念与分类 生物材料（biomedical materials）包括生物医学材料、生物模拟材料和仿生设计新材料。 生物医学材料是用于生命系统接触和发生相互作用的，并能对其细胞、组织和器官进行诊断治疗、替换修复或诱导再生的一类天然或人工合成的特殊功能材料。 生物医学材料包括金属生物医学材料、无机非金属生物医学材料和高分子生物医学材料。 生物医学高分子材料也称医用高分子（Biomedica1 Polymer）材料，它是一类用于临床医学的高分子及其复合材料。二、生物医学高分子材
2、料的种类 1.按来源分类（1）天天然然医医用用高高分分子子材材料料 如如胶胶原原、明明胶胶、丝丝蛋蛋白白、角角质质蛋蛋白白、纤纤维维素素、粘粘多多糖糖、甲甲壳壳素素及及其其衍衍生物等。生物等。（2）人人工工合合成成医医用用高高分分子子材材料料 如如聚聚氨氨酯酯、硅硅橡橡胶、聚酯等。胶、聚酯等。（3 3）天然生物组织与器官天然生物组织与器官 包括：包括：取自患者自体的组织取自患者自体的组织 取自其他人的同种异体组织取自其他人的同种异体组织 来自其他动物的异种同类组织。来自其他动物的异种同类组织。 合成高分子生物医学材料有四种聚合物是专门为生物医学应用而开发的：聚乙交酯（PGA）聚（丙交酯）（PL
3、A）聚乙交酯-丙交酯（PGLA）聚-对-二氧杂环已酮（PDS） 有几种已工业化生产的聚合物，虽不是专门为生物医学应用而生产，但通过用专门的技术进行加工后也可以制成供生物医学方面应用的纤维、细丝、微孔材料和管状材料。聚四氟乙烯（用做微孔织物和薄膜）聚丙烯（用做微孔薄膜和中空纤维膜)聚丙烯腈（用做中空纤维膜）聚酰胺纤维2.按材料与活体组织的相互作用关系分类生物惰性（bioinert）高分子材料 指在体内不降解、不变性、不引起长期组织反应的生物医学高分子材料 ，适合长期植入体内。 生物活性（bioaciive）高分子材料 指植入高分子材料能够与周围组织发生相互作用，一般指有益的作用。生物吸收（bio
4、absorbable）高分子材料 在体内逐渐降解，其降解产物被肌体吸收代谢。3.按生物医学用途分类硬组织相容性生物医学高分子材料软组织相容性生物医学高分子材料血液相容性生物医学高分子材料药物和药物控释生物医学高分子材料三、对医用高分子材料的基本要求三、对医用高分子材料的基本要求 l(一）一）对医用高分子材料本身性能的要求对医用高分子材料本身性能的要求l1.耐耐生生物物老老化化性性。对对于于长长期期植植入入的的医医用用高高分分子子材材料料，生生物物稳稳定定性性要要好好，但但对对于于暂暂时时植植入入的的医医用用高高分分子子材材料料，则则要要求求能能够够在在确确定定时时间间内内降降解解为为无无毒毒的
5、的单单体体或或片片断断，通过吸收、代谢过程排出体外。通过吸收、代谢过程排出体外。l2.物物理理和和力力学学稳稳定定性性。针针对对不不同同的的用用途途，在在使使用用期期内内医医用用高高分分子子材材料料的的强强度度、弹弹性性、尺尺寸寸稳稳定定性性、耐耐曲曲挠挠疲疲劳劳性性、耐耐磨磨性性应应适适当当。对对于于某某些些用用途途，还还要要求求具具有有界面稳定性。界面稳定性。l3.易于加工成型。易于加工成型。l4.材料易得，价格适当。材料易得，价格适当。l5.便于消毒灭菌。便于消毒灭菌。l（二二）对对医医用用高高分分子子材材料料的的人人体体效效应应的的要求要求-生物相容性生物相容性l 生生物物相相容容性性
6、是是描描述述生生物物医医用用材材料料与与生生物物体体相相互互作作用用情情况况的的概概念念。如如果果说说某某种种材材料料的的生生物物相相容容性性好好，是是指指这这种种材材料料能能够够与与肌肌体体相相互互适适应应，即即材材料料对对肌肌体体没没有有显显著著或或严严重重的的不不良良反反应应，肌肌体体也也不不引引起起材料性能的改变。材料性能的改变。l生生物物相相容容性性包包括括血血液液相相容容性性、组组织织相容性和生物降解吸收性。相容性和生物降解吸收性。l1 1血液相容性血液相容性 l指材料与血液接触时，不发生溶血或凝血。指材料与血液接触时，不发生溶血或凝血。l具具有有抗抗血血栓栓性性能能的的材材料料的
7、的表表面面结结构构有有以以下下特征。特征。 l (1) (1)带负电荷表面带负电荷表面 l （2 2）具亲水性或疏水性均衡的表面）具亲水性或疏水性均衡的表面 l （3 3）具微相分离结构表面）具微相分离结构表面 l （4 4）具具接接枝枝或或涂涂覆覆抗抗凝凝血血物物质质表表面面天天然然的的抗抗凝凝血血物物质质有有尿尿激激酶酶、肝肝素素、前前列列腺腺素素等。等。l (5) (5)伪内膜形成表面伪内膜形成表面 l2.2.组织相容性组织相容性 l指指材材料料与与血血液液以以外外的的生生物物组组织织接接触触时时，材材料料本本身身的的性性能能满满足足使使用用要要求求而而对对生生物物体体无无刺刺激激性性、
8、不不使使组组织织和和细细胞胞发发生生炎炎症症、坏坏死死和和功功能能下下降降，并并能能按按照照需需要要进进行行增增殖和代谢。殖和代谢。l具具体体来来说说，要要求求材材料料置置于于一一般般组组织织表表面面、器器官官空空间间组组织织内内等等处处后后，活活体体组组织织不不发发生生排排斥斥反反应应，材材料料自自身身也也不不因因与与活活体体组组织织、体体液液中中多多成成分分长长期期接接触触发发生生性性质质劣劣化，功能下降。化，功能下降。l3 3生物降解吸收性生物降解吸收性 l 指指材材料料在在活活体体环环境境中中可可发发生生速速度度能能控控制制的的降降解解，并并能能被被活活体体在在一一定定时时间间内内自自
9、行吸收代谢或排泄。行吸收代谢或排泄。l 按按照照在在生生物物体体内内降降解解方方式式可可分分为为水水解型和酶解型两种。解型和酶解型两种。l（三）具备效果显示功能（三）具备效果显示功能l 具具有有显显示示其其医医用用效效果果的的功功能能，即即生生物物功功能能性。性。l 1. 1.可检查、诊断疾病可检查、诊断疾病l 2 2可可辅辅助助治治疗疗疾疾病病如如注注射射器器、缝缝合合线线和和手手套等手术用品材料套等手术用品材料l 3.3.可可分分别别满满足足各各脏脏器器对对维维持持或或延延长长生生命命功功能的性能要求能的性能要求l 4.4.具具备备支支持持活活体体、保保护护软软组组织织、脑脑和和内内脏脏的
10、功能等。的功能等。l 5.5.具具备备可可改改变变药药物物吸吸收收途途径径，控控制制药药物物释释放速度、部位，并满足疾病治疗要求的功能。放速度、部位，并满足疾病治疗要求的功能。l（四）对医用高分子材料生产与加工的要求（四）对医用高分子材料生产与加工的要求l要要防防止止在在医医用用高高分分子子材材料料生生产产、加加工工工工程程中中引入对人体有害的物质。引入对人体有害的物质。l1.严严格格控控制制用用于于合合成成医医用用高高分分子子材材料料的的原原料料的的纯纯度度，不不能能代代入入有有害害杂杂质质，重重金金属属含含量量不不能超标。能超标。l2.医医用用高高分分子子材材料料的的加加工工助助剂剂必必须
11、须是是符符合合医医用标准。用标准。l3.对对于于体体内内应应用用的的医医用用高高分分子子材材料料，生生产产环环境应当具有适宜的洁净级别。境应当具有适宜的洁净级别。三主要生物可降解纤维材料 l（一）甲壳素类纤维l1甲壳素的存在l甲壳质（chitin）又名几丁质、甲壳素、壳多糖，广泛存在于节足动物（蜘蛛类、甲壳类）的翅膀或外壳及真菌和藻类的细胞壁中。在自然界中，甲壳质的年生物合成量约100亿吨，是地球上除纤维素以外的第二大有机资源，是人类可充分利用的巨大自然资源宝库。2.甲壳素的研究开发现状l甲壳质及其衍生物工业正在崛起，研究开发正方兴未艾。l从20世纪80年代以来，美国和日本等国都已经投入了大量
12、人力、物力进行这方面的开发与研究。l我国的甲壳质资源极其丰富，而且曾是研究开发甲壳质制品较早的国家之一。早在1958年，就对甲壳质的性能及生产进行过研究，并用于纺织染整上作上浆剂。进入20世纪80年代后期，甲壳质资源的开发利用引起了一些科研院所的重视，并开始了在医疗和保健等领域的研究与开发。l3.甲壳质及壳聚糖的生物活性 l1)抗菌、杀菌作用l脱乙酰度为30和70的甲壳质能提高宿主抗Sendai病毒及大肠杆菌感染能力。壳聚糖可抑制细菌、霉菌生长。l2)抗肿瘤作用l甲壳质可选择性地凝聚白血病的L1210细胞，Ehrlich腹水癌C，对正常的红血球骨髓细胞无影响。l3)促进组织修复及止血作用l甲壳
13、质及其降解产物都带有正电荷，可以从血清中分离出血小板因子-4，增加血清中H6水平，或促进血小板聚集或凝血素系统。作为止血剂有促进伤口愈合、抑制伤口愈合纤维增生、并促进组织生长的功能，对烧、烫伤有独特疗效。l4)增强免疫力l壳聚糖能增强巨噬细胞的吞噬作用和水解酶的活性，刺激巨噬细胞产生淋巴因子，启动免疫系统，且不增加抗体的产生。l此外，壳聚糖为天然抗酸剂，具中和胃酸、抗溃疡作用，还可降低肾病患者血清胆固醇、尿素及肌酸水平。在医药、农药制剂开发中作缓释剂载体辅料，合成人工器官（人工皮肤、粘膜、腿、牙、骨）及骨固定棒材。l4.甲壳质及壳聚糖的制备l以虾蟹壳为原料，通过以下步骤制备：l原料预处理l将虾
14、蟹壳的肉质、污物尽可能剔除，后用水洗净，注意虾蟹壳一定要新鲜的，腐败的应去掉。l浸酸l取洗净的新鲜虾蟹壳，加HCI溶液浸泡，除去其中CaCO3、Ca3（PO4）2等矿物质成分。l碱煮l将浸酸后的软壳浸泡于NaOH溶液中煮沸1h左右，目的是使蛋白质被碱液溶解，油脂皂化溶于碱水中，同时色素也遭到破坏。l氧化脱色l将碱煮后的虾蟹壳浸于清水中，滴入KMnO4酸性溶液，以氧化原料中的色素和一些未被碱除去的杂质。l还原l将氧化后的原料浸泡清水中，并滴入草酸溶液，直至蟹虾壳的褐色完全褪尽，色泽呈纯白为止。滤干后干燥，得到甲壳质。l脱乙酰基l将甲壳质浸泡于NaOH溶液中可达到脱乙酰目的。脱乙酰基后滤干后干燥，
15、即得壳聚糖。ll5甲壳质、壳聚糖及其衍生物的应用l（1）医药及医疗领域l-生产药物的原料l壳聚糖及其水解的壳聚寡糖、氨基葡萄糖等已用作生产药物的中间体、载体或辅料。l-药用辅料l甲壳质及其衍生物作为新型的药用辅料已收载于药剂辅料大全及药用辅料应用技术，它们可用作制剂的填充剂、分散剂、粘结剂、崩解剂、包衣剂、制粒剂、稳定剂、植入剂的载体、控释制剂的赋形剂和控释膜材料、微囊和微球的囊材、抗癌药物的复合物、片剂的稀释剂等。l-人工皮肤（医用敷料）l用甲壳质和壳聚糖制作的外用撒粉、药膏及填充物已广泛用于外科敷料的生产。l用甲壳质、壳聚糖等原料制成的人工皮肤（医用敷料）用于整形内科、皮肤科，作为被覆保护
16、材料。ll-手术缝合线l用甲壳质材料制成的外科手术缝合线，具有柔软、易打结、易吸收无炎症反应等特点，加速愈合。-抗凝剂l外科手术中已采用壳聚糖作止血材料，它比常规止血剂的止血效果好，且操作简便，不易感染。l-人工器官l用甲壳质及衍生物的中空纤维膜制成的人工肾可以经受高温消毒，而且有较大的机械强度。在对血液透析时，克服了长期使用醋酸纤维和铜氨纤维膜制成的人工肾对中、低分子有毒物质透过率低的缺点。l-骨修复材料l甲壳质可制成骨缺损支架材料，骨细胞可在其支架上爬行替代，生长良好。由壳聚糖配以适当的无机盐制造的“骨钉”，在骨外科手术中用于取代钢板以固定骨骼。l-接触眼镜材料l甲壳质类物质是制备硬性或软性接触眼镜的理想材料。所得产品透气性能优异且具促进眼内伤口或创面愈合作用。若加入染色剂还可制作新颖的彩色接触镜。lll(2)化妆品领域l甲壳质、壳聚糖具有良好的增稠、保湿、重金属络合、防静电性能，广泛用于各类膏霜及护发用品等化妆品中，起到吸湿、保湿、护发、润肤等功效ll（3）农业领域ll-作植物种子处理剂l以壳聚糖处理的植物种子，发芽率有提高，增加了抗土壤真菌的能力。ll-杀菌剂l、壳聚糖能阻止植
