醫(yī)用高分子材料論文.doc

1、醫(yī)用高分子材料高分子材料科學(xué)與工程， 高材1006班， 王中偉， 20100221276摘 要：隨著高分子材料在社會的各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，尤其是在航天工程、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用。功能高分子材料一般指具有傳遞、轉(zhuǎn)換或貯存物質(zhì)、能量和信息作 用的高分子及其復(fù)合材料，或具體地指在原有力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，還具有 化學(xué)反應(yīng)活性、光敏性、導(dǎo)電性、催化性、生物相容性、藥理性、選擇分 離性、能量轉(zhuǎn)換性、磁性等功能的高分子及其復(fù)合材料。 醫(yī)用高分子材料是用以制造人體內(nèi)臟、體外器官、藥物劑型及醫(yī)療器械的聚合物材料。對醫(yī)用高分子材料的目前需求作了簡要分析,介紹了醫(yī)用高分子材料的主要類別、用途及其特殊要求,并淺談了醫(yī)用高分

2、子材料的發(fā)展及展望。 關(guān)鍵詞： 醫(yī)用高分子材料 人工人體器官 對人類健康的促進 相容性前言：現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展,對材料的性能提出了復(fù)雜而嚴(yán)格的多功能要求,這是大多數(shù)金屬材料和無機材料難以滿足的;而合成高分子材料與生物體(天然高分子)有著極其相似的化學(xué)結(jié)構(gòu),化學(xué)結(jié)構(gòu)的相似性決定了它們在性能上能夠彼此接近從而可能用聚合物制作人工器官,作為人體器官的替代物。另外,除人工器官用材料之外, 醫(yī)藥用高分子材料、臨床檢查診斷和治療用高分子材料的開發(fā)研究也在積極地展開,它們被統(tǒng)稱為醫(yī)用高分子材料醫(yī)用高分子材料是一類令人矚目的功能高分子材料,是一門介于現(xiàn)代醫(yī)學(xué)和高分子科學(xué)之間的新興學(xué)科。它涉及到物理學(xué)、化學(xué)、生物化

3、學(xué)、醫(yī)學(xué)、病理學(xué)等多種邊緣學(xué)科。醫(yī)用高分子材料是生物材料的重要組成部分。醫(yī)用高分子材料是一類可對有機體組織進行修復(fù)、替代與再生,具有特殊功能作用的新型高技術(shù)合成高分子材料,是科學(xué)技術(shù)中的一個正在發(fā)展的新領(lǐng)域,不僅技術(shù)含量和經(jīng)濟價值高,而且對人類的健康生活和社會發(fā)展具有極其重大意義,它已滲入到醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)的各個部門并應(yīng)用于臨床的診斷與治療。正文：一、 醫(yī)用高分子材料的概念及簡介：醫(yī)用高分子材料是依據(jù)高分子材料的某些特性及特征，如其本身是惰性的，不參與藥的作用，能只起增稠、表面活性、崩解、粘合、賦形、潤滑和包裝 等特效，對有機體組織進行修復(fù)、替代與再生,具有特殊功能作用的新型高技術(shù) 合成高分子材

4、料，用它制造成能有醫(yī)學(xué)價值的產(chǎn)品。醫(yī)用高分子材料是一類令人 矚目的功能高分子材料,是一門介于現(xiàn)代醫(yī)學(xué)和高分子科學(xué)之間的新興學(xué)科。它 涉及到物理學(xué)、化學(xué)、生物化學(xué)、醫(yī)學(xué)、病理學(xué)等多種邊緣學(xué)科。醫(yī)用高分子材 料是生物材料的重要組成部分。是科學(xué)技術(shù)中的一個正在發(fā)展的新領(lǐng)域,不僅技 術(shù)含量和經(jīng)濟價值高,而且對人類的健康生活和社會發(fā)展具有極其重大意義,它 已滲入到醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)的各個部門并應(yīng)用于臨床的診斷與治療。然而，醫(yī)用高 分子材料是一類根據(jù)醫(yī)學(xué)的需求來研制與生物體結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的、在醫(yī)療上使用的 材料包括體外應(yīng)用的高分子材料、體內(nèi)應(yīng)用的人工臟器、口腔齒科材料、高分子藥物、高分子診斷試劑、高分子免疫制劑等

5、。二、 醫(yī)用高分子材料的發(fā)展歷程：醫(yī)用高分子材料的發(fā)展和應(yīng)用由于人體主要由高分子材料組成，因此醫(yī)用高分子材料的應(yīng)用有著久遠(yuǎn)的歷元前 3500 年，古埃及人就用棉花纖維、馬鬃等縫合傷 口；在公元前 2500 年的中新材料概論葬中發(fā)現(xiàn)有假牙、假鼻、假耳等。1851 年 發(fā)明天然橡膠硫化方法之后，開始采用硬膠木制作人工牙托和顎骨。進入 20 世 紀(jì)，高分子科學(xué)迅速發(fā)展，新的高分子材料不斷出現(xiàn)，為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域提供了更多的 選擇余地。1936 年人類發(fā)明了有機玻璃，將其用于制作假牙和補牙，并至今仍 在使用。1943 年，賽璐珞薄膜開始用于血液滲析，1950 年開始用有機玻璃做人 工股骨。50 年代有機硅聚合

6、物用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，使人工器官的應(yīng)用范圍擴展到了 包括器官替代和美容等許多方面。人工尿道(1950 年)、人工血管(1951 年)、人工 人工心臟瓣膜(1952 年)、 人工心肺(1953 年)、 T 關(guān)節(jié)(1954 年)、 人 食道(1951 年)、 人工肝(1958 年)等人工器官，均在 50 年代試用于臨床。進入 60 年代以后，人們 開始針對醫(yī)學(xué)應(yīng)用的客觀需要來設(shè)計合成醫(yī)用高分子材料， 如美國國立心肺研究 所開發(fā)的血液相容性高分子材料，可用于與血液接觸的人工器官(如人工心臟等) 的制造。從 70 年代開始，醫(yī)用高分子材料開始快速發(fā)展，到 80 年代在發(fā)達國家 基本形成了一個嶄新的生物材料產(chǎn)

7、業(yè)。據(jù)統(tǒng)計，目前世界范圍內(nèi)已經(jīng)應(yīng)用的醫(yī)用 高分子材料有 90 多個品種，1800 多種制品。醫(yī)用高分子材料根據(jù)來源、應(yīng)用目 的、組織與材料的相互作用情況等可分為多種類型。按來源來分，可分為天然醫(yī) 用高分子材料(如膠原、纖維素、甲殼素等)和人工合成高分子材料(如聚氨酯、硅 橡膠等)。按用途來分，有硬組織相容高分子材料、軟組織相容高分子材料、血 液相容性高分子材料、高分子藥物和藥物控制釋放高分子材料等。醫(yī)用高分子材 料的應(yīng)用范圍主要包括四個方面：一是人工器官，包括人工血管、人工皮膚、人 工軟骨、人工心臟、人造血、人工腎、人工胰臟、人工肝等，以及一些短期治療 器件如導(dǎo)管、縫合線、醫(yī)用粘合劑、注射器、

8、輸液管等；二是藥物制劑，尤其是 藥物控制釋放制劑， 這部分將在下一節(jié)中詳細(xì)論述； 三是診斷檢測， 如快速響應(yīng)、 高靈敏度、高精確度的監(jiān)測試劑與工具，包括試劑盒、生物傳感器、免疫診斷微 球等；四是生物工程領(lǐng)域，如體外組織培養(yǎng)等，包括細(xì)胞培養(yǎng)基、細(xì)胞融合添加劑、 細(xì)胞分離、 病毒盒細(xì)菌的清除等。 常見的醫(yī)用高分子材料有硅橡膠、 聚氨酯、 天然乳膠、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、 聚丙烯酰胺、聚乙烯毗咯烷酮、聚乙烯醇、聚羥基乙酸、聚乳酸、聚己內(nèi)酯、聚 酸酐、聚磷腈等。 醫(yī)用高分子材料醫(yī)用高分子材料是近 20 多年來發(fā)展十分迅速的一類功能高分子 材料， 包括體外應(yīng)用的高分

9、子材料、 人工臟器材料、 口腔齒科材料、 高分子藥物、 高分子診斷試劑、高分子免疫制劑等。醫(yī)用領(lǐng)域選用的高分子材料，應(yīng)具醫(yī)學(xué)和 生物學(xué)等方面的特殊要求，它比工業(yè)用材料有更高的要求。它們都有十分嚴(yán)格的 質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，以確保產(chǎn)品的安全性。生產(chǎn)和 0 精細(xì)化學(xué)品化學(xué)研究者要完全遵照衛(wèi) 生和藥物管理部門的有關(guān)規(guī)定進行，比如生產(chǎn)環(huán)境要求清潔甚至無菌；重金屬含 量不能超過萬分之一；每批都要進行測試；對所用的原材料要進行跟蹤，每批材 料都要取樣保存待查。為了使醫(yī)用高分子材料產(chǎn)品滿足使用要求，除了要求材料 及其制品在理化性能、形態(tài)結(jié)構(gòu)等方面應(yīng)符合醫(yī)用要求外，必須進行多方面的試 驗，比如具有良好的生物相容性試驗。材

10、料與肌體接觸的部位和時間長短不同， 對其生物學(xué)性能的要求也不同。三、 對醫(yī)用高分子材料的要求：人的健康長壽依賴于醫(yī)學(xué)的發(fā)展。 現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的進步已經(jīng)越來越依賴于生物材料和 器械的發(fā)展,沒有醫(yī)用材料的醫(yī)學(xué)診斷和治療在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中幾乎是不可想象的。 目前全球大量用于醫(yī)療器械的生物醫(yī)學(xué)材料主要有 20 種,其中醫(yī)用高分子 12 種, 金屬 4 種,陶瓷 2 種,其他 2 種。 利用現(xiàn)有的生物醫(yī)學(xué)材料已開發(fā)應(yīng)用的醫(yī)用植入 體、人工器官等近 300 種,主要包括:起搏器、心臟瓣膜、人工關(guān)節(jié)、骨板、骨螺 釘、縫線、牙種植體,以及藥物和生物活性物質(zhì)控釋載體等。近年來,西方國家在 醫(yī)學(xué)上消耗的高分子材料每年以 10

11、%20%的速度增長3,而國內(nèi)也以 20%左右 的速度迅速增長。 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,尤其是生物技術(shù)的重大突破,生物材 料的應(yīng)用將更加廣泛,需求量也隨之越來越大。 生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展如此迅猛, 主要動力來自于人口老齡化、中青年創(chuàng)傷的增多、疑難疾病患者的增加和高新技 術(shù)的發(fā)展。生物材料的研究與開發(fā)被許多國家列入高技術(shù)關(guān)鍵新材料發(fā)展計劃, 并迅速成為國際高技術(shù)制高點之一。 現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展,對材料的性能提出了復(fù)雜而嚴(yán)格的多功能要求,這是大多數(shù)金 屬材料和無機材料難以滿足的;而合成高分子材料與生物體(天然高分子)有著極 其相似的化學(xué)結(jié)構(gòu),化學(xué)結(jié)構(gòu)的相似性決定了它們在性能上能夠彼此接近從而可 能用聚

12、合物制作人工器官,作為人體器官的替代物。 另外,除人工器官用材料之外, 醫(yī)藥用高分子材料、 臨床檢查診斷和治療用高分子材料的開發(fā)研究也在積極地展 開,它們被統(tǒng)稱為醫(yī)用高分子材料。醫(yī)用高分子材料多用于人體，直接關(guān)系到 人的生命和健康，一般對其性能的要求是： 安全性：必須無毒或副作用極少。這就要求聚合物純度高，生產(chǎn)環(huán)境非 常清潔，聚合助劑的殘留少，雜質(zhì)含量為 ppm 級，確保無病、無毒傳 播條件。 物理、化學(xué)和機械性能：需滿足醫(yī)用所需設(shè)計和功能的要求。如硬度、彈性、機械強度、疲勞強度、蠕變、磨耗、吸水性、溶出性、耐酶性和 體內(nèi)老化性等。以心臟瓣膜為例，最好能使用 25 萬小時，要求耐疲勞強 度特別

13、好。此外，還要求便于滅菌消毒，能耐受濕熱消毒(120140C)、 干熱消毒(160190C)、輻射消毒或化學(xué)處理消毒，而不降低材料的性 能。要求加工性能好，可加工成所需各種形狀，而不損傷其固有性能。 適應(yīng)性：包括與醫(yī)療用品中其他材料的適應(yīng)性，材料與人體各種組織的 適應(yīng)性。材料植入人體后,要求長時期對體液無影響；與血液相容性好, 對血液成分無損害，不凝血，不溶血，不形成血栓；無異物反應(yīng)，在人 體內(nèi)不損傷組織，不致癌致畸，不會導(dǎo)致炎癥壞死、組織增生等。 特殊功能：不同的應(yīng)用領(lǐng)域，要求材料分別具有一定的特殊功能。例如： 具有分離透析機能的人工腎用過濾膜、人工肺用氣體交換膜，以及人造 血液用吸脫氣體的

14、物質(zhì)等，都要求有各自特殊的分離透過機能。在大多 數(shù)情況下，現(xiàn)有高分子材料的表面化學(xué)組成與結(jié)構(gòu)很難滿足上述要求， 通常要采用表面改性處理，如接枝共聚，以改進其抗凝血性等性能。四、 醫(yī)用高分子材料的特殊要求：醫(yī)用高分子材料是要用在人身上的,必須對人體組織無害,所以對其要求十分嚴(yán) 格,總體上可以概括為以下四個方面:1)生物功能性:因各種生物材料的用途而異, 如:作為緩釋藥物時,藥物的緩釋性能就是其生物功能性。2)生物相容性:可概括 為材料和活體之間的相互關(guān)系,主要包括血液相容性和組織相容性。組織相容性 主要指無毒性,無致癌性,無熱原反應(yīng),無免疫排斥反應(yīng),不破壞鄰近組織等。 血液 相容性一般指不引起凝

15、血,不破壞紅細(xì)胞,不破壞血小板,不改變血中蛋白,不擾 亂電解質(zhì)平衡。3)化學(xué)穩(wěn)定性:耐生物老化性或可生物降解性。對于長期植入的 醫(yī)用高分子材料,生物穩(wěn)定性要好;對于暫時植入的醫(yī)用高分子材料,則要求在確 定時間內(nèi)降解為無毒的單體或片段,通過吸收、代謝過程排出體外。4)生產(chǎn)加工 性:首先,嚴(yán)格控制用于合成醫(yī)用高分子材料的原料純度,不能帶入有害物質(zhì),重 金屬含量不能超標(biāo);其次,材料加工助劑必須符合醫(yī)用標(biāo)準(zhǔn);第三,對于體內(nèi)應(yīng)用 的高分子材料,生產(chǎn)環(huán)境應(yīng)當(dāng)具有符合標(biāo)準(zhǔn)的潔凈級別;第四,便于消毒滅菌(紫 外滅菌、高壓煮沸、環(huán)氧乙烷氣體消毒和酒精消毒等)。五、 醫(yī)用高分子材料的制品種類：1.硬組織相容性高分

16、子材料 硬組織相容性高分子材料(如各種人工骨、人工關(guān)節(jié)、牙根等)是醫(yī)學(xué)臨床上應(yīng)用 量很大的一類產(chǎn)品,涉及醫(yī)學(xué)臨床的骨科、頜面外科、口腔科、顱腦外科和整形 外科等多個?？?往往要求具有與替代組織類似的機械性能,同時能夠與周圍組 織結(jié)合在一起。如牙科材料(蛀牙填補用樹脂、假牙和人工牙根、人工齒冠材料和硅橡膠牙托軟襯墊等);人造骨、 關(guān)節(jié)材料聚甲基丙烯酸甲酯等。 隨著生命科學(xué)、 材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)臨床的發(fā)展和人們生活水平的不斷提高,此類材料具有越來越廣 闊的臨床應(yīng)用前景和巨大的經(jīng)濟效益。 2.軟組織相容性高分子材料 軟組織相容性高分子材料主要用于軟組織的替代與修復(fù),如隆鼻豐胸材料、人工 肌肉(硅橡膠和滌

17、綸織物)與韌帶材料等。 這類材料往往要求具有適當(dāng)?shù)膹姸群蛷?性以及軟組織相容性,在發(fā)揮其功能的同時,不對鄰近軟組織(如肌肉、肌腱、皮 膚、皮下等)產(chǎn)生不良影響,不引起嚴(yán)重的組織病變。3.血液相容性高分子材料 在醫(yī)用高分子材料的應(yīng)用方面,有相當(dāng)多的器件必須與血液接觸,例如:各種體外 循環(huán)系統(tǒng)、介入治療系統(tǒng)、人工血管(聚對苯二甲酸乙二酯)和人工心瓣等人工臟 器。血液相容性高分子材料必須不引起凝血溶血等生理反應(yīng),與活性組織有良好 的互相適應(yīng)性。4.高分子藥物和藥物控釋高分子材料 高分子藥物指帶有高分子鏈的藥物和具有藥效的高分子,如:抗癌高分子藥物(非 靶向、靶向)、用于心血管疾病的高分子藥物(治療動

18、脈硬化、抗血栓、凝血)、 抗菌和抗病毒高分子藥物(抗菌、 抗病毒)、 抗輻射高分子藥物和高分子止血劑等。 高分子材料制備藥物控制釋放制劑主要有兩個目的:1)為了使藥物以最小的劑量 在特定部位產(chǎn)生治療藥效;2)優(yōu)化藥物釋放速率以提高療效,降低毒副作用。 高分 子控制釋放體系包括時間控制緩釋體系(如康泰克等,理想情形為零級釋放)、部 位控制緩釋體系(靶向藥物)和脈沖釋放方式(智能藥物)。 高分子材料制作的部分人工組織： 用途 人工皮膚 人工血管 人工骨和人工關(guān)節(jié) 人工軟骨 人工血細(xì)胞 材料 聚乙烯醇縮甲醇、膠原纖維、聚丙烯織物、聚氨酯尼龍等。 聚四氯乙烯、聚乙烯醇縮甲醛海綿、硅橡膠、尼龍等。 聚甲

19、基丙烯酸甲酯、 聚四氯乙烯、 超高相對分子質(zhì)量聚乙烯。 軟骨膜細(xì)胞+海綿狀骨 氟碳化合物乳劑、人或動物的血紅蛋白+聚乙二醇。六、 醫(yī)用高分子材料在我國的市場需求：作為世界人口最多的國家,生物材料的市場潛力十分巨大。 據(jù)民政部門報告:我國 現(xiàn)有的肢體不自由患者已超過 1500 萬,其中肢殘患者約 800 萬;由類風(fēng)濕引發(fā)的 大骨節(jié)病患者有數(shù)百萬;冠心病患者已超過 1000 萬;白內(nèi)障盲人約 500 萬;牙缺損 和牙缺失患者高達 3 億4 億人;肝炎病毒攜帶者 1.2 億;心血管病患者 2000 萬; 需計劃生育的育齡婦女 2000 萬;伴隨人口老齡化(60 歲以上的老年人口已達 1.39 億人,

20、約占全國人口的 10.69%)的骨質(zhì)疏松患者 7000 萬;每年由于疾病、交通事 故和運動創(chuàng)傷等造成的骨缺損和缺失患者人數(shù)近 1000 萬人;需要進行顱頜面和 胸部美容整形的人數(shù)有數(shù)千萬人。這還不包括數(shù)目龐大的各類軟組織、血液和器 官疾病患者人數(shù)。 我國醫(yī)用高分子材料研制和生產(chǎn)迅速發(fā)展,初具規(guī)模,已經(jīng)成為一個新興產(chǎn)業(yè),總 產(chǎn)值的增長率遠(yuǎn)高于國民經(jīng)濟平均發(fā)展速度。 可見,生物材料是一個巨大的產(chǎn)業(yè), 生物材料的不可缺少性,尤其是進口材料動輒上萬元的價格決定了我國必須加強 具有自主知識產(chǎn)權(quán)的生物材料的研究開發(fā)。七、 醫(yī)用高分子材料的發(fā)展及展望：我國醫(yī)用高分子材料的研究起步較早、發(fā)展較快。目前約有 50 多個單位從事這 方面的研究,現(xiàn)有醫(yī)用高分子材料 60 多種,制品達 400 余種,用于醫(yī)療的聚甲基丙 烯酸甲酯每年達 300。然而,我國醫(yī)用高分子材料的研究目前仍然處于經(jīng)驗和 半經(jīng)驗階段5,還沒有能夠建立在分子設(shè)計的基礎(chǔ)上。因此,應(yīng)該以材料的結(jié)構(gòu) 與性能關(guān)系,材料的化學(xué)組成、表面性質(zhì)和生命體組織的相容性之間的關(guān)系為依 據(jù)來研究開發(fā)新材料。 醫(yī)用高分子材料要應(yīng)用于生物體必須同時要滿足生物功能 性、生物相容性、化學(xué)穩(wěn)定性和可加工性等嚴(yán)格的要求。八、 醫(yī)用材料的研究和發(fā)展方向：生物醫(yī)用材料的研究和發(fā)展方向主要