高分子專題課報(bào)告

1、 2016 年 春 季學(xué)期研究生課程考核（讀書報(bào)告、研究報(bào)告）考核科目:高分子科學(xué)前沿 學(xué)生所在院（系）:化學(xué)與化工學(xué)院學(xué)生所在學(xué)科:高分子化學(xué)與物理學(xué) 生 姓 名:何志超學(xué) 號:15S學(xué) 生 類 別:應(yīng)用型考核結(jié)果閱卷人生物醫(yī)用高分子材料1、生物醫(yī)用功能高分子材料的發(fā)展歷史生物醫(yī)用高分子材料的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段，第一階段始于1937年，其特點(diǎn)是所用高分子材料都是已有的現(xiàn)成材料，如用丙烯酸甲酯制造義齒的牙床。第二階段始于1953年，其標(biāo)志是醫(yī)用級有機(jī)硅橡膠的出現(xiàn)，隨后又發(fā)展了聚羥基乙酸酯縫合線以及四種聚(醚-氨)酯心血管材料，從此進(jìn)入了以分子工程研究為基礎(chǔ)的發(fā)展時(shí)期。該階段的特點(diǎn)是在分子水平上

2、對合成高分子的組成、配方和工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，有目的地開發(fā)所需要的高分子材料。目前的研究焦點(diǎn)已經(jīng)從尋找替代生物組織的合成材料轉(zhuǎn)向研究一類具有主動(dòng)誘導(dǎo)、激發(fā)人體組織器官再生修復(fù)的新材料，這標(biāo)志著生物醫(yī)用高分子材料的發(fā)展進(jìn)入了第三個(gè)階段。其特點(diǎn)是這種材料一般由活體組織和人工材料有機(jī)結(jié)合而成，在分子設(shè)計(jì)上以促進(jìn)周圍組織細(xì)胞生長為預(yù)想功能，其關(guān)鍵在于誘使配合基和組織細(xì)胞表面的特殊位點(diǎn)發(fā)生作用以提高組織細(xì)胞的分裂和生長速度。2、生物醫(yī)用功能高分子材料的基本性能要求生物醫(yī)用功能材料在使用的過程中由于常常與生物肌體、體液、血液等等相接觸，有些還長期在體內(nèi)放置，因此要求其性能較為出色。其要求比普通工業(yè)用材料的要

3、求要高度的多，尤其是對于植入性材料的要求更甚。對于在人體內(nèi)應(yīng)用的高分子材料一般要求如下。 2.1力學(xué)性能穩(wěn)定 在使用期限內(nèi)，針對不同的用途，材料的尺寸穩(wěn)定性、耐磨性、耐疲勞度、強(qiáng)度、模量等應(yīng)適當(dāng)。比如，用超高分子量聚乙烯材料做人工關(guān)節(jié)時(shí)，應(yīng)該用模量高、耐疲勞強(qiáng)度好、耐磨性好的材料。 2.2化學(xué)性能穩(wěn)定 作為生物材料，化學(xué)性能穩(wěn)定，對人體的血液、體液等無影響，不形成血栓等不良影響。人體是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的環(huán)境，血液在正常環(huán)境下呈現(xiàn)微堿性，胃液呈酸性，且體液與血液中含有大量的鉀、鈉、鎂離子，含有多種生物酶、蛋白質(zhì)、人體的環(huán)境易引起聚合物的降解、交聯(lián)及氧化反應(yīng)；生物酶會引起聚合物的解聚；體液會引起高分子

4、材料中的添加劑析出；血液中的脂類、類固醇以及脂肪等會引起聚合物的溶脹，使得材料的強(qiáng)度降低。例如聚氨酯中含有的酰胺基極易水解，在體內(nèi)會降解而失去強(qiáng)度，經(jīng)過嵌段改性后，化學(xué)穩(wěn)定性提高。對于硅橡膠、聚乙烯、聚四氟乙烯等分子鏈中不含可降解的基團(tuán)，化學(xué)穩(wěn)定性則更為出色。另外需在體內(nèi)降解的骨釘、骨板、手術(shù)縫合線等則要求材料在體內(nèi)在一定時(shí)間降解，盡快地被組織分解吸收，而不應(yīng)該在體內(nèi)產(chǎn)生對人體有毒、有害的副產(chǎn)物。目前常使用以下技術(shù)來控制降解速度：（1）用形狀、表面積以及不同的鏈接比例來控制合適的降解速度，以保證材料在正常的使用期限中具有良好的性能而在活體康復(fù)后盡快降解。（2）在大分子鏈上引進(jìn)功能基團(tuán)，引進(jìn)抗體

5、、藥物活性物質(zhì)，進(jìn)行功能團(tuán)修飾及增進(jìn)材料的親水性，加快材料的水解速度。（3）通過前端工具控制緩釋藥物的釋放速度，改善藥物通過膜的透過性。2.3材料與人體的組織相容性好 材料與人體的組織相容性好，不會引起炎癥或其他排異反應(yīng)材料。所引起的宿主反應(yīng)應(yīng)該能夠控制在一定可以接受的范圍之內(nèi)，同時(shí)材料反映應(yīng)控制在不至于使得材料本身發(fā)生破壞。一些含有對人體有毒有害的基團(tuán)是不能用作生物醫(yī)用功能材料的，如有些添加劑對人體有害或有些殘留單體對人體有不良影響等，這都應(yīng)該引起極度的警惕。有些添加劑會隨時(shí)間的變化，從材料內(nèi)部逐漸遷移到表面與體液和組織發(fā)生作用，引起各種急性和慢性的反應(yīng)。主要有急性局部的炎癥、壞死、形成血栓

6、以及異物排異反應(yīng)；急性全身反應(yīng)如急性毒性感染、發(fā)熱、循環(huán)障礙等；慢性局部炎癥，組織增生或組織粘連潰瘍；慢性全身反應(yīng)如慢性中毒，臟器功能障礙等。研究評價(jià)生物相容性標(biāo)準(zhǔn)與標(biāo)準(zhǔn)方法一直是生物醫(yī)用功能材料研究的重要組成部分。臨床使用前對生物醫(yī)用功能材料進(jìn)行嚴(yán)格的測試與評價(jià)以確保臨床使用的安全性是十分必要的。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO/TC194制定了生物醫(yī)用功能材料的檢驗(yàn)測試項(xiàng)目，其標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)是可重復(fù)性試驗(yàn)，試驗(yàn)程序一般由簡到繁，從體內(nèi)到體外，先動(dòng)物后人體。2.4無致癌性，耐生物老化無致癌性，耐生物老化，長期放置體內(nèi)的材料及物理機(jī)械性能不發(fā)生明顯的變化。生物醫(yī)用藥用功能材料植入人體時(shí)，除應(yīng)該考慮材料的物理性質(zhì)

7、和化學(xué)性質(zhì)外，另外還應(yīng)該考慮其形狀因素。引起癌變的因素是多方面的，有化學(xué)因素、物理因素以及病毒等。應(yīng)用高分子材料植入人體后，其本身的性能以及它所包含的雜質(zhì)、殘余單體等都有可能引起和眾多副反應(yīng)的發(fā)生。研究表明，高分子材料對人體并不存在更多的致癌因素。當(dāng)植入材料是粉末、海綿、纖維狀時(shí)，不會產(chǎn)生腫瘤。雖然組織細(xì)胞會圍繞它們生長，但它們不會由于氧和營養(yǎng)不足而發(fā)生變異，因此致癌的危險(xiǎn)很??；但是當(dāng)植入的材料是片狀時(shí)，大體積的薄片出現(xiàn)腫瘤的可能性要比在薄膜上穿孔時(shí)高出一倍左右，其原因可能是由于植入的高分子材料影響了周圍細(xì)胞的代謝，細(xì)胞營養(yǎng)不充分，長期受到異物刺激而產(chǎn)生變形所致。有些材料需要植入人體長期存放，

8、因此這類材料應(yīng)選用化學(xué)穩(wěn)定性好，不含降解基團(tuán)，機(jī)械性能穩(wěn)定的材料。在體內(nèi)短期放置，機(jī)械性能明顯下降的材料如尼龍，一般不宜選作長期植入體內(nèi)的材料。有些材料植入體內(nèi)后，還要承受一定的負(fù)荷及動(dòng)態(tài)應(yīng)力，如人工骨關(guān)節(jié)。材料機(jī)械性能的降低不會使材料本身破壞從而喪失其實(shí)用功能。2.5易于加工成型并且來源廣泛 除上述一般要求外，根據(jù)用途的不同和植入部位的不同有著各自的特殊要求，如與血液接觸的不能產(chǎn)生凝血，眼科材料應(yīng)對角膜無刺激，注射整形材料要求注射前流動(dòng)性好，注射后固化要快等。作為體外時(shí)用的材料，要求對皮膚無害，不導(dǎo)致皮膚過敏，耐汗水等侵蝕，耐消毒而不變質(zhì)。人工器官還要求材料應(yīng)具有良好的加工性能，易于加工成所

9、需的各種復(fù)雜形狀?？偠灾煌挠猛居兄S多特殊的要求。3、生物醫(yī)用功能高分子材料的分類醫(yī)用高分子材料主要應(yīng)用于人造器官和治療用材料。第一類是指能長期植入體內(nèi)，完全或部分替代組織或臟器功能的材料，如人工食道、人工關(guān)節(jié)、人工血管等。第二類是整形修復(fù)材料。這些材料不具備特殊的生理功能，但能修復(fù)人體的殘缺部分，如假肢等。第三類是功能比較單一，部分替代人體功能的人工臟器，如人造肝臟，這些材料的功能尚有待進(jìn)一步多樣化。第四類是體外使用的較大型的人工臟器，可以在手術(shù)過程中部分替代人體臟器的功能。另外還有一些性能極為復(fù)雜的臟器的研究，這些研究一旦成功將引起現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的重大飛躍。3.1高分子人造器官高分子人造

10、器官主要包括人造心臟、人造肺、人造腎臟等內(nèi)臟器官；人造血管、人造骨骼等體外器官；人造假肢等。由于這些人造器官需要長時(shí)間與人體細(xì)胞、體液和血液接觸，因此此類材料除了需要具備特殊的功能外，還要求材料安全無毒，穩(wěn)定性好，具備良好的生物相容性。大多數(shù)的高分子本身對生物體并無毒副作用，不產(chǎn)生不良影響，毒副作用往往來自于高分子生產(chǎn)時(shí)加入的添加劑，如抗氧劑、增塑劑、催化劑以及聚合不完全產(chǎn)生的低分子聚合物。因此對材料的添加劑需要仔細(xì)選擇，對高分子人造器官應(yīng)進(jìn)行生物體測定。人造器官在使用前的滅菌也是重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。另外，人造器官要求在使用條件下材料不能發(fā)生水解、降解和氧化反應(yīng)等。3.2高分子治療材料用于治療用的

11、功能高分子材料主要包括牙科材料、眼科材料、美容材料和外用治療用材料。對這種材料的基本要求首先也是穩(wěn)定性和相容性好，無毒副作用；其次才是機(jī)械性能和使用性能。（1） 眼科材料：經(jīng)常用于眼科材料的功能高分子主要有人工角膜、人工晶狀體、人工玻璃體、人工眼球、人工視網(wǎng)膜、人工淚道以及接觸式隱形眼鏡。這類材料的基本要求是：具有優(yōu)良的光學(xué)性質(zhì)，折光率與角膜相接近；良好的潤濕性和透氧性；生物惰性，即耐降解且不與接觸面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；有一定的力學(xué)強(qiáng)度，易于精加工及抗污漬沉淀等。制作人工角膜和接觸眼鏡主要以高分子材料為主，因?yàn)檠劬Φ臈l件比較特殊，對于制造人工角膜、接觸眼鏡的材料要求非常嚴(yán)格。人的角膜上沒有血管組織，

12、需要通過淚液從空氣中吸入氧氣進(jìn)行新陳代謝，因而需要人工角膜和接觸眼鏡具有良好的透氣性。聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸硅氧烷和乙酸丁酸纖維素是制作硬式鏡片的主要材料，聚甲基丙烯酸-羥乙酯、聚甲基硅氧烷和聚乙烯吡啶是制備軟式鏡片的主要材料。（2） 牙齒的粘合和修補(bǔ)：用于牙科材料的功能性高分子有假牙與人工牙根、填補(bǔ)用樹脂、人工齒冠材料和牙托軟襯墊。牙齒的粘合和修補(bǔ)需要使用多種功能高分子材料，其中-氰基丙烯酸丁酯是常用的醫(yī)用粘合劑，除應(yīng)用于牙科之外，還用于骨折的粘合和人工關(guān)節(jié)的固定；聚甲基丙烯酸甲酯與其相應(yīng)單體混合也可以作為生物粘合劑。齒科黏合劑在口腔中應(yīng)用所需要環(huán)境比較苛刻。口腔中的唾液使得粘結(jié)時(shí)難

13、以使牙齒表面完全干燥，即使有微量水分的存在，也會使得粘接界面夾有水膜，粘結(jié)后粘結(jié)劑始終處于100%浸潤狀態(tài)；牙齒表面常常被齒垢等有機(jī)膜所覆蓋，呈現(xiàn)疏水性，不易獲得良好的粘結(jié)效果；此外口腔溫度的變化以及機(jī)械應(yīng)力的變化，都容易使得粘結(jié)表面發(fā)生破壞。因此牙科的粘合和修補(bǔ)存在許多困難。（3） 人工關(guān)節(jié)、人工骨：當(dāng)植入物表面附有絲絨或毛氈就可以構(gòu)成凹凸不平或帶有微孔的結(jié)構(gòu)，能使人體組織向內(nèi)生長，人工關(guān)節(jié)就是采用這種結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)一方面可以使關(guān)節(jié)假體比較穩(wěn)定，另一方面可以分散機(jī)械負(fù)荷，減少局部壓力過大。用于人工關(guān)節(jié)的多孔材料是由碳纖維和聚四氟乙烯組成的各向同性碳。把人工關(guān)節(jié)端頭涂上一層這樣的材料，就可以使

14、得骨關(guān)節(jié)固定好。制作人工骨材料有發(fā)泡氧化鋁陶瓷浸在環(huán)氧樹脂中制成的增強(qiáng)復(fù)合材料，磷酸鈣和聚砜復(fù)合制成的材料等等。超高分子量聚乙烯是很好的人工關(guān)節(jié)材料，其耐磨性、抗沖擊性、人體適應(yīng)性良好，但是成形性差；作為人工關(guān)節(jié)材料的還有聚甲醛、PMMA、聚四氟乙烯、碳纖維復(fù)合材料；用作骨釘、骨板、永久性植入人體的人工肢體材料有聚砜、碳纖維復(fù)合材料、聚乳酸和聚乙烯醇復(fù)合材料，尼龍和聚酯絲也可以永久性植入人體。 （4） 人工皮膚：人工皮膚是治療過程中一種暫時(shí)性的創(chuàng)面覆蓋保護(hù)材料，其作用是防止體液的損耗和鹽分的丟失，從而達(dá)到保護(hù)創(chuàng)面的目的。人工皮膚不僅要求透過水蒸汽、蛋白質(zhì)和電解質(zhì)，而且還要求有彈性、耐久性、抗菌

15、性以及良好的生物相容性。聚乙烯醇微孔薄膜和硅橡膠多孔海綿是制作人工皮膚的兩種重要材料。這兩種材料由于使用時(shí)手術(shù)簡便，抗排異性好，移植成活率高已應(yīng)用于臨床。另外聚氨基酸、骨膠原蛋白衍生物等天然改性聚合物都被用于制造人工皮膚。在高分子材料上粘附、增殖人體的表皮細(xì)胞以制備具有生物活性的人工皮膚目前以取得相當(dāng)?shù)某删?，這種技術(shù)已經(jīng)能順利地再造皮膚。將骨膠原和葡萄胺聚糖組成多孔層與有機(jī)硅復(fù)合，隨后取少量的患者皮膚的表皮細(xì)胞置于多孔層中，使其鋪蓋在創(chuàng)面上，待表皮細(xì)胞在多孔層中增殖形成皮膚后將有機(jī)硅膜剝下，多孔層分解后被人體吸收。（5） 整容材料：整容材料包括外裝飾修補(bǔ)材料和體內(nèi)填補(bǔ)材料，它主要用于外傷、疾病

16、以及發(fā)育不全引起的組織缺損或修整。用于人工乳房的填充材料主要是硅橡膠以及填充物硅凝膠，人工鼻可選用聚甲基丙烯酸甲酯、硅橡膠、聚乙烯等。硅橡膠具有良好的生物惰性，可以制成各種形狀，因此廣為應(yīng)用。4、生物醫(yī)用功能高分子材料的發(fā)展方向醫(yī)用高分子的發(fā)展已經(jīng)滲透到醫(yī)學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域，但離隨心所欲地應(yīng)用高分子醫(yī)用材料的目標(biāo)尚有許多差距。傳統(tǒng)的醫(yī)用高分子材料多采用聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯作為硬組織材料，但它們的性能還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。醫(yī)用高分子材料在許多方面尚有待進(jìn)一步發(fā)展。目前使用的人工臟器大多需要與有功能缺陷的生物體共同協(xié)作以保持體內(nèi)的平衡，而對于永久性地植入人體內(nèi)，完全取代病變的臟器，就要求材料本身具有生物功能。人工臟器的功能化、小型化、體植入化已成為發(fā)展的方面。迄今為止，許多人工臟器還不能解決凝血問題，異體材料的抗凝血性已成為醫(yī)用高分子材料發(fā)展的一個(gè)重要的問題，制備生物相容性好、具有抗血栓性能的材料已成為目前的一個(gè)重要的課題。研究開發(fā)混合型人工臟器，將生物酶和生物細(xì)胞固定在高分子材料上，制備具有生物活性的人工臟器已取得很大的成就。為了滿足填充復(fù)雜形狀的需要，許多醫(yī)用高分子材料要求進(jìn)行活體內(nèi)的現(xiàn)場固化，現(xiàn)場固化多采用光引發(fā)劑