《生物材料》課件 第05章 醫(yī)用高分子材料2

1、1第八章 醫(yī)用高分子材料1. 概述1.1 醫(yī)用高分子的概念及其發(fā)展簡史生命科學是21世紀備受關(guān)注的新型學科。與人類健康休戚相關(guān)的醫(yī)學在生命科學中占有相當重要的地位。醫(yī)用材料是生物醫(yī)學的分支之一，是由生物、醫(yī)學、化學和材料等學科交叉形成的邊緣學科。醫(yī)用高分子材料則是生物醫(yī)用材料中的重要組成部分，主要用于人工器官、外科修復、理療康復、診斷檢查、患疾治療等醫(yī)療領(lǐng)域。2 眾所周知，生物體是有機高分子存在的最基本形式，有機高分子是生命的基礎。動物體與植物體組成中最重要的物質(zhì)蛋白質(zhì)、肌肉、纖維素、淀粉、生物酶和果膠等都是高分子化合物。因此，可以說，生物界是天然高分子的巨大產(chǎn)地。高分子化合物在生物界的普遍存

2、在，決定了它們在醫(yī)學領(lǐng)域中的特殊地位。在各種材料中，高分子材料的分子結(jié)構(gòu)、化學組成和理化性質(zhì)與生物體組織最為接近，因此最有可能用作醫(yī)用材料。第八章 醫(yī)用高分子材料3 醫(yī)用高分子材料發(fā)展的動力來自醫(yī)學領(lǐng)域的客觀需求。當人體器官或組織因疾病或外傷受到損壞時，需要器官移植。然而，只有在很少的情況下，人體自身的器官（如少量皮膚）可以滿足需要。采用同種異體移植或異種移植，往往具有排異反應，嚴重時導致移植失敗。在此情況下，人們自然設想利用其他材料修復或替代受損器官或組織。 第八章 醫(yī)用高分子材料4 早在公元前3500年，埃及人就用棉花纖維、馬鬃縫合傷口。墨西哥印地安人用木片修補受傷的顱骨。公元前500年的

3、中國和埃及墓葬中發(fā)現(xiàn)假牙、假鼻、假耳。進入20世紀，高分子科學迅速發(fā)展，新的合成高分子材料不斷出現(xiàn)，為醫(yī)學領(lǐng)域提供了更多的選擇余地。1936年發(fā)明了有機玻璃后，很快就用于制作假牙和補牙，至今仍在使用。1943年，賽璐珞薄膜開始用于血液透析。 第八章 醫(yī)用高分子材料5 1949年，美國首先發(fā)表了醫(yī)用高分子的展望性論文。在文章中，第一次介紹了利用PMMA作為人的頭蓋骨、關(guān)節(jié)和股骨，利用聚酰胺纖維作為手術(shù)縫合線的臨床應用情況。50年代，有機硅聚合物被用于醫(yī)學領(lǐng)域，使人工器官的應用范圍大大擴大，包括器官替代和整容等許多方面。 第八章 醫(yī)用高分子材料6 此后，一大批人工器官在50年代試用于臨床。 如人工

4、尿道（1950年）、人工血管（1951年）、人工食道（1951年）、人工心臟瓣膜（1952年）、人工心肺（1953年）、人工關(guān)節(jié)（1954年）、人工肝（1958年）等。 進入60年代，醫(yī)用高分子材料開始進入一個嶄新的發(fā)展時期。第八章 醫(yī)用高分子材料7 60年代以前，醫(yī)用高分子材料的選用主要是根據(jù)特定需求，從已有的材料中篩選出合適的加以應用。由于這些材料不是專門為生物醫(yī)學目的設計和合成的，在應用中發(fā)現(xiàn)了許多問題，如凝血問題、炎癥反應、組織病變問題、補體激活與免疫反應問題等。人們由此意識到必須針對醫(yī)學應用的特殊需要，設計合成專用的醫(yī)用高分子材料。 第八章 醫(yī)用高分子材料8 美國國立心肺研究所在這方

5、面做了開創(chuàng)性的工作，他們發(fā)展了血液相容性高分子材料，以用于與血液接觸的人工器官制造，如人工心臟等。從70年代始，高分子科學家和醫(yī)學家積極開展合作研究，使醫(yī)用高分子材料快速發(fā)展起來。至80年代以來，發(fā)達國家的醫(yī)用高分子材料產(chǎn)業(yè)化速度加快，基本形成了一個嶄新的生物材料產(chǎn)業(yè)。第八章 醫(yī)用高分子材料9 醫(yī)用高分于作為一門邊緣學科，融和了高分子化學、高分子物理、生物化學、合成材料工藝學、病理學、藥理學、解剖學和臨床醫(yī)學等多方面的知識，還涉及許多工程學問題，如各種醫(yī)療器械的設計、制造等。上述學科的相互交融、相互滲透，促使醫(yī)用高分子材料的品種越來越豐富，性能越來越完善，功能越來越齊全。 第八章 醫(yī)用高分子材

6、料10 高分子材料雖然不是萬能的，不可能指望它解決一切醫(yī)學問題，但通過分子設計的途徑，合成出具有生物醫(yī)學功能的理想醫(yī)用高分子材料的前景是十分廣闊的。有人預計，在21世紀，醫(yī)用高分子將進入一個全新的時代。除了大腦之外，人體的所有部位和臟器都可用高分子材料來取代。仿生人也將比想象中更快地來到世上。第八章 醫(yī)用高分子材料11第八章 醫(yī)用高分子材料12 目前用高分子材料制成的人工器官中，比較成功的有人工血管、人工食道、人工尿道、人工心臟瓣膜、人工關(guān)節(jié)、人工骨、整形材料等。巳取得重大研究成果，但還需不斷完善的有人工腎、人工心臟、人工肺、人工胰臟、人工眼球、人造血液等。另有一些功能較為復雜的器官，如人工肝

7、臟、人工胃、人工子宮等。則正處于大力研究開發(fā)之中。 第八章 醫(yī)用高分子材料13 從應用情況看，人工器官的功能開始從部分取代向完全取代發(fā)展，從短時間應用向長時期應用發(fā)展，從大型向小型化發(fā)展，從體外應用向體內(nèi)植入發(fā)展、人工器官的種類從與生命密切相關(guān)的部位向人工感覺器官、人工肢體發(fā)展。 第八章 醫(yī)用高分子材料14 醫(yī)用高分子材料研發(fā)過程中遇到的一個巨大難題是材料的抗血栓問題。當材料用于人工器官植入體內(nèi)時，必然要與血液接觸。由于人體的自然保護性反應將產(chǎn)生排異現(xiàn)象，其中之一即為在材料與肌體接觸表面產(chǎn)生凝血，即血栓，結(jié)果將造成手術(shù)失敗，嚴重的還會引起生命危險。對高分子材料的抗血栓性研制是醫(yī)用高分子研究中的

8、關(guān)鍵問題，至今尚未完全突破。將是今后醫(yī)用高分子材料研究中的首要問題。第八章 醫(yī)用高分子材料153. 生物吸收性高分子材料 許多高分子材料植入人體內(nèi)后只是起到暫時替代作用，例如高分子手術(shù)縫合線用于縫合體內(nèi)組織時，當肌體組織痊愈后，縫合線的作用即告結(jié)束，這時希望用作縫合線的高分子材料能盡快地分解并被人體吸收，以最大限度地減少高分子材料對肌體的長期影響。由于生物吸收性材料容易在生物體內(nèi)分解，參與代謝，并最終排出體外，對人體無害，因而越來越受到人們的重視。第八章 醫(yī)用高分子材料163.1 生物吸收性高分子材料的設計原理3.1.1 生物降解性和生物吸收性 生物吸收性高分子材料在體液的作用下完成兩個步驟，

9、即降解和吸收。前者往往涉及高分子主鏈的斷裂，使分子量降低。作為醫(yī)用高分子要求降解產(chǎn)物（單體、低聚體或碎片）無毒，并且對人體無副作用。 第八章 醫(yī)用高分子材料17 高分子材料在體內(nèi)最常見的降解反應為水解反應，包括酶催化水解和非酶催化水解。能夠通過酶專一性反應降解的高分子稱為酶催化降解高分子；而通過與水或體液接觸發(fā)生水解的高分子稱為非酶催化降解高分子。 從嚴格意義上講，只有酶催化降解才稱得上生物降解，但在實際應用中將這兩種降解統(tǒng)稱為生物降解。 第八章 醫(yī)用高分子材料18 吸收過程是生物體為了攝取營養(yǎng)或通過腎臟、汗腺或消化道排泄廢物所進行的正常生理過程。高分子材料一旦在體內(nèi)降解以后，即進入生物體的代

10、謝循環(huán)。這就要求生物吸收性高分子應當是正常代謝物或其衍生物通過可水解鍵連接起來的。在一般情況下，由CC鍵形成的聚烯烴材料在體內(nèi)難以降解。只有某些具有特殊結(jié)構(gòu)的高分子材料才能夠被某些酶所降解。第八章 醫(yī)用高分子材料193.1.2 生物吸收性高分子材料的分解吸收速度 用于人體組織治療的生物吸收性高分子材料，其分解和吸收速度必須與組織愈合速度同步。人體中不同組織不同器官的愈合速度是不同的，例如表皮愈合一般需要310天，膜組織的痊愈要需1530天，內(nèi)臟器官的恢復需要12個月，而硬組織如骨骼的痊愈則需要23個月等等。第八章 醫(yī)用高分子材料20 因此，對植入人體內(nèi)的生物吸收性高分子材料在組織或器官完全愈合

11、之前，必須保持適當?shù)臋C械性能和功能。而在肌體組織痊愈之后，植入的高分子材料應盡快降解并被吸收，以減少材料長期存在所產(chǎn)生的副作用。第八章 醫(yī)用高分子材料21 影響生物吸收性高分子材料吸收速度的因素有高分子主鏈和側(cè)鏈的化學結(jié)構(gòu)、分子量、凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)、疏水/親水平衡、結(jié)晶度、表面積、物理形狀等。其中主鏈結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)對降解吸收速度的影響較大。第八章 醫(yī)用高分子材料22 酶催化降解和非酶催化降解的結(jié)構(gòu)降解速度關(guān)系不同。 對非酶催化降解高分子而言，降解速度主要由主鏈結(jié)構(gòu)（鍵型）決定。主鏈上含有易水解基團如酸酐、酯基、碳酸酯的高分子，通常有較快的降解速度。對于酶催化降解高分子，如聚酰胺、聚酯、糖苷等，降解

12、速度主要與酶和待裂解鍵的親和性有關(guān)。酶與待裂解鍵的親和性越好，則降解越容易發(fā)生，而與化學鍵類型關(guān)系不大。 第八章 醫(yī)用高分子材料23 此外，由于低分子量聚合物的溶解或溶脹性能優(yōu)于高分子量聚合物，因此對于同種高分子材料，分子量越大，降解速度越慢。親水性強的高分子能夠吸收水、催化劑或酶，一般有較快的降解速度。含有羥基、羧基的生物吸收性高分子，不僅因為其較強的親水性，而且由于其本身的自催化作用，所以比較容易降解。相反，在主鏈或側(cè)鏈含有疏水長鏈烷基或芳基的高分子，降解性能往往較差。第八章 醫(yī)用高分子材料24 在固態(tài)下高分子鏈的聚集態(tài)可分為結(jié)晶態(tài)、玻璃態(tài)、橡膠態(tài)。如果高分子材料的化學結(jié)構(gòu)相同，那么不同聚

13、集態(tài)的降解速度有如下順序：橡膠態(tài)玻璃態(tài)結(jié)晶態(tài) 顯然，聚集態(tài)結(jié)構(gòu)越有序，分子鏈之間排列越緊密，降解速度越低。第八章 醫(yī)用高分子材料253.2 生物吸收性天然高分子材料 已經(jīng)在臨床醫(yī)學獲得應用的生物吸收性天然高分子材料包括蛋白質(zhì)和多糖兩類生物高分子。這些生物高分子主要在酶的作用下降解，生成的降解產(chǎn)物如氨基酸、糖等化合物，可參與體內(nèi)代謝，并作為營養(yǎng)物質(zhì)被肌體吸收。因此這類材料應當是最理想的生物吸收性高分子材料。 第八章 醫(yī)用高分子材料26 白蛋白、葡聚糖和羥乙基淀粉在水中是可溶的，臨床用作血容量擴充劑或人工血漿的增稠劑。膠原、殼聚糖等在生理條件下是不溶性的，因此可作為植入材料在臨床應用。下面對一些重

14、要的生物吸收性天然高分子材料作簡單介紹。第八章 醫(yī)用高分子材料273.2.1 膠原膠原蛋白(Collagen)又稱膠原，是由三條肽鏈擰成的螺旋形纖維狀蛋白質(zhì)。膠原蛋白是動物結(jié)締組織重要的蛋白質(zhì)，結(jié)締組織除了含6070%的水分外，膠原蛋白占了約2030%，因為有高含量的膠原蛋白，結(jié)締組織具有了一定的結(jié)構(gòu)與機械力學性質(zhì)，如張力強度、拉力、彈力等以達到支撐、保護的功能。脊椎動物中腱、軟骨和骨中的膠原非常豐富，幾乎占了蛋白總重的一半。第八章 醫(yī)用高分子材料283.2.1 膠原 膠原是人體組織中最基本的蛋白質(zhì)類物質(zhì)，至今已經(jīng)鑒別出13種膠原，其中 IIII、V和 XI 型膠原為成纖維膠原。I 型膠原在動

15、物體內(nèi)含量最多，已被廣泛應用于生物醫(yī)用材料和生化試劑。牛和豬的肌腱、生皮、骨骼是生產(chǎn)膠原的主要原料。 第八章 醫(yī)用高分子材料29 由各種物種和肌體組織制備的膠原差異很小。最基本的膠原結(jié)構(gòu)為由三條分子量大約為1105的肽鏈組成的三股螺旋繩狀結(jié)構(gòu)，直徑為11.5nm，長約300nm，每條肽鏈都具有左手螺旋二級結(jié)構(gòu)。 膠原分子的兩端存在兩個小的短鏈肽，稱為端肽，不參與三股螺旋繩狀結(jié)構(gòu)。研究證明，端肽是免疫原性識別點，可通過酶解將其除去。除去端肽的膠原稱為不全膠原，可用作生物醫(yī)學材料。第八章 醫(yī)用高分子材料3031 膠原可以用于制造止血海綿、創(chuàng)傷輔料、人工皮膚、手術(shù)縫合線、組織工程基質(zhì)等。膠原在應用時

16、必須交聯(lián)，以控制其物理性質(zhì)和生物可吸收性。戊二醛和環(huán)氧化合物是常用的交聯(lián)劑。殘留的戊二醛會引起生理毒性反應，因此必須注意使交聯(lián)反應完全。膠原交聯(lián)以后，酶降解速度顯著下降。第八章 醫(yī)用高分子材料323.2.2 明膠 明膠是經(jīng)高溫加熱變性的膠原，通常由動物的骨骼或皮膚經(jīng)過蒸煮、過濾、蒸發(fā)干燥后獲得。明膠在冷水中溶脹而不溶解，但可溶于熱水中形成粘稠溶液，冷卻后凍成凝膠狀態(tài)。純化的醫(yī)用級明膠比膠原成本低，在機械強度要求較低時可以替代膠原用于生物醫(yī)學領(lǐng)域。第八章 醫(yī)用高分子材料33 明膠可以制成多種醫(yī)用制品，如膜、管等。由于明膠溶于熱水，在6080水浴中可以制備濃度為520的溶液，如果要得到 2535的

17、濃溶液，則需要加熱至 90100。為了使制品具有適當?shù)臋C械性能，可加入甘油或山梨糖醇作為增塑劑。用戊二醛和環(huán)氧化合物作交聯(lián)劑可以延長降解吸收時間。第八章 醫(yī)用高分子材料343.2.3 纖維蛋白 纖維蛋白是纖維蛋白原的聚合產(chǎn)物。纖維蛋白原是一種血漿蛋白質(zhì)，存在于動物體的血液中。人和牛的纖維蛋白原分子量在330000340000之間，二者之間的氨基酸組成差別很小。纖維蛋白原由三對肽鏈構(gòu)成，每條肽鏈的分子量在4700063500之間。除了氨基酸之外，纖維蛋白原還含有糖基。纖維蛋白原在人體內(nèi)的主要功能是參與凝血過程。第八章 醫(yī)用高分子材料35 纖維蛋白具有良好的生物相容性，具有止血、促進組織愈合等功能

18、，在醫(yī)學領(lǐng)域有著重要用途。 纖維蛋白的降解包括酶降解和細胞吞噬兩種過程，降解產(chǎn)物可以被肌體完全吸收。降解速度隨產(chǎn)品不同從幾天到幾個月不等。通過交聯(lián)和改變其聚集狀態(tài)是控制其降解速度的重要手段。第八章 醫(yī)用高分子材料36 目前，人的纖維蛋白或經(jīng)熱處理后的牛纖維蛋白已用于臨床。纖維蛋白粉可用作止血粉、創(chuàng)傷輔料、骨填充劑（修補因疾病或手術(shù)造成的骨缺損）等。纖維蛋白飛沫由于比表面大，適于用作止血材料和手術(shù)填充材料。纖維蛋白膜在外科手術(shù)中用作硬腦膜置換、神經(jīng)套管等。第八章 醫(yī)用高分子材料373.2.4 甲殼素與殼聚糖 甲殼素是由（1, 4）2乙酰氨基2脫氧D葡萄糖（N乙酰D葡萄糖胺）組成的線性多糖。昆蟲殼

19、皮、蝦蟹殼中均含有豐富的甲殼素。殼聚糖為甲殼素的脫乙酰衍生物，由甲殼素在4050濃度的氫氧化鈉水溶液中110120，下水解24h得到。 第八章 醫(yī)用高分子材料3839 甲殼素在甲磺酸、甲酸、六氟丙醇、六氟丙酮以及含有5氯化鋰的二甲基乙酰胺中是可溶的，殼聚糖能在有機酸如甲酸和乙酸的稀溶液中溶解。從溶解的甲殼素或殼聚糖，可以制備膜、纖維和凝膠等各種生物制品。第八章 醫(yī)用高分子材料40 甲殼素能為肌體組織中的溶菌酶所分解，已用于制造吸收型手術(shù)縫合線。其抗拉強度優(yōu)于其他類型的手術(shù)縫合線。在兔體內(nèi)試驗觀察，甲殼素手術(shù)縫合線4個月可以完全吸收。 甲殼素還具有促進傷口愈合的功能，可用作傷口包扎材料。當甲殼素

20、膜用于覆蓋外傷或新鮮燒傷的皮膚創(chuàng)傷面時，具有減輕疼痛和促進表皮形成的作用，因此是一種良好的人造皮膚材料。第八章 醫(yī)用高分子材料413.3 生物吸收性合成高分子材料 雖然生物吸收性天然高分子材料具有良好的生物相容性和生物活性，但畢竟來源有限，遠遠不能適應快速發(fā)展的現(xiàn)代醫(yī)療事業(yè)的需求。因此，人工合成的生物吸收性高分子材料有了快速發(fā)展的時間和空間。 生物吸收合成高分子材料多數(shù)屬于能夠在溫和生理條件下發(fā)生水解的生物吸收性高分子，降解過程一般不需要酶的參與。 第八章 醫(yī)用高分子材料423.3.1 聚羥基酸酯及其改性產(chǎn)物 聚酯主鏈上的酯鍵在酸性或者堿性條件下均容易水解，產(chǎn)物為相應的單體或短鏈段，可參與生物

21、組織的代謝。聚酯的降解速度可通過聚合單體的選擇調(diào)節(jié)。例如隨著單體中碳/氧比增加，聚酯的疏水性增大，酯鍵的水解性降低。第八章 醫(yī)用高分子材料43 脂肪族聚酯有通過混縮聚和均縮聚制備的兩類產(chǎn)品。在混縮聚聚酯中，由含46個碳原子的單體合成的聚酯在生物體系環(huán)境中可以水解。例如由己二酸和乙二醇縮聚制備的聚己二酸乙二醇酯，當其分子量小于20000時，有可能發(fā)生酶催化水解。但若分子量大于20000，則酶催化水解較困難，水解速度變得非常緩慢。此外，混縮聚聚酯的內(nèi)聚能較低，結(jié)晶性差，難以制備高強度材料。第八章 醫(yī)用高分子材料44 由25個碳原子的羥基酸聚合得到的均縮聚聚酯能夠以較快的速度水解，與人體組織的愈合速

22、度相近。同時，這些聚酯結(jié)晶性高，具有較高的強度和模量，因此，適合于加工成不同的形狀，以滿足不同的醫(yī)用目的。 單組分聚酯中最典型的代表是聚羥基酸及其衍生物。第八章 醫(yī)用高分子材料45 乙醇酸和乳酸是典型的羥基酸，其縮聚產(chǎn)物即為聚羥基酸酯，即聚乙醇酸（PGA）和聚乳酸（PLA）。乳酸中的碳是不對稱的，因此有D乳酸和L乳酸兩種光學異構(gòu)體。由單純的D乳酸或L乳酸制備的聚乳酸是光學活性的，分別稱為聚D乳酸（PDLA）和聚L乳酸（PLLA）。第八章 醫(yī)用高分子材料46 由兩種異構(gòu)體乳酸的混合物消旋乳酸制備的聚乳酸稱為聚DL乳酸（PLA），無光學活性。PDLA和PLLA的物理化學性質(zhì)基本上相同，而PLA的性

23、質(zhì)與兩種光學活性聚乳酸有很大差別。 在自然界存在的乳酸都是L乳酸，故用其制備的PLLA的生物相容性最好。第八章 醫(yī)用高分子材料47 聚羥基酸酯可通過如下兩種直接方法合成。 羥基酸在脫水劑（如氧化鋅）的存在下熱縮合； 鹵代酸脫鹵化氫而聚合。但是用這些方法合成的聚羥基酸酯的分子量往往只有幾千，很難超過20000。而通常只有分子量大于25000的聚羥基酸酯才具有較好的機械性能。因此，直接聚合得到的聚羥基酸酯一般只能用于藥物釋放體系，而不能用于制備手術(shù)縫合線、骨夾板等需要較高機械性能的產(chǎn)品。 第八章 醫(yī)用高分子材料48 為了制備高分子量的聚羥基酸酯，目前采用環(huán)狀內(nèi)酯開環(huán)反應的技術(shù)路線。根據(jù)聚合機理，環(huán)

24、狀內(nèi)酯的開環(huán)聚合有三種類型，即陰離子開環(huán)聚合、陽離子開環(huán)聚合和配位開環(huán)聚合。 目前，商品聚羥基酸酯一般采用陽離子開環(huán)聚合制備。由于醫(yī)用高分子材料對生物毒性要求十分嚴格，因此要求催化劑是非毒性的。目前最常用的催化劑是二辛酸錫，其安全性是可靠的。 第八章 醫(yī)用高分子材料49 由乙交酯或丙交酯開環(huán)聚合得到的聚酯PGA或PLA的反應式如下式所示。第八章 醫(yī)用高分子材料50 由乙交酯或丙交酯開環(huán)聚合得到的PGA或PLA也稱為聚乙交酯或聚丙交酯。由兩種交酯共聚得到的聚酯，叫聚乙丙交酯。 PGA在室溫下為結(jié)晶態(tài),PLA在室溫下為無定形體。當其組成(摩爾比)在25:7575:25之間時，共聚產(chǎn)物為無定形玻璃態(tài)

25、高分子，性能接近于PLA，玻璃轉(zhuǎn)化溫度在5060。組成為90:10的聚乙丙交酯的性質(zhì)接近于PGA，但柔順性改善，可作為生物吸收材料在臨床上應用。第八章 醫(yī)用高分子材料51 表94為PGA、PLA及其共聚物的物理性質(zhì)。由表中可見，這些聚合物的熔點（Tm）和熱分解(Tde)都非常相近，因此必須嚴格控制加工溫度。 PGA和PLLA結(jié)晶性很高，其纖維的強度和模量幾乎可以和芳香族聚酰胺液晶纖維（如Kevlar）及超高分子量聚乙烯纖維（如Dynema）媲美。 第八章 醫(yī)用高分子材料52 PLA 基本上不結(jié)晶，低聚合度時在室溫下是粘稠液體，基本上沒有應用價值。但目前已經(jīng)能夠合成出平均分子量接近100萬的PL

26、A，為PLA用于制備高強度植入體（例如骨夾板、體內(nèi)手術(shù)縫合線等）奠定了基礎。第八章 醫(yī)用高分子材料53第八章 醫(yī)用高分子材料表94 PGA、PLA及其共聚物的物理性質(zhì)名稱結(jié)晶度Tm /Tg /Tde /拉伸強度 /MPa模量 /GPa伸長率/%PGA高230362608908.430PLA不結(jié)晶57PLLA高170562409008.525P-910*高200402508508.624* 乙交酯與丙交酯90:10（摩爾比）的共聚產(chǎn)物54 通過改變其結(jié)晶度和親水性可改變或控制聚羥基酸酯的降解性和生物吸收性。例如將丙交酯與己內(nèi)酯共聚，得到的共聚物比PLLA具有更好的柔順性。將乙交酯與1,4二氧環(huán)庚

27、酮2共聚，產(chǎn)物的抗輻射能力增強，容易進行輻射消毒。如果將乙交酯與1,3二氧環(huán)己酮2共聚，則可得到柔順性較好的聚（乙交酯碳酸酯），用于制造單纖維手術(shù)縫合線。第八章 醫(yī)用高分子材料553.3.2 聚酯醚及其相似聚合物 PGA和 PLLA為高結(jié)晶性高分子，質(zhì)地較脆而柔順性不夠。因此人們設計開發(fā)了一類具有較好柔順性生物吸收性高分子聚醚酯，以彌補PGA和PLLA的不足。 聚醚酯可通過含醚鍵的內(nèi)酯為單體通過開環(huán)聚合得到。如由二氧六環(huán)開環(huán)聚合制備的聚二氧六環(huán)可用作單纖維手術(shù)縫合線。第八章 醫(yī)用高分子材料56 將乙交酯或丙交酯與聚醚二醇共聚，可得到聚醚聚酯嵌段共聚物。例如由乙交酯或丙交酯與聚乙二醇或聚丙二醇共

28、聚，可得到聚乙醇酸聚醚嵌段共聚物和聚乳酸聚醚嵌段共聚物。在這些共聚物中，硬段和軟段是相分離的，結(jié)果其機械性能和親水性均得以改善。據(jù)報道，由PGA和聚乙二醇組成的低聚物可用作骨形成基體。第八章 醫(yī)用高分子材料573.3.4 其他生物吸收性合成高分子 除了上述羥基酸酯類的高分子材料外，對其他類型的生物吸收高分子材料也進行了研究。 將嗎啉2,5二酮衍生物進行開環(huán)聚合，可得到聚酰胺酯。由于酰胺鍵的存在，這些聚合物具有一定的免疫原性。而且它們能夠通過酶和非酶催化降解，有可能在醫(yī)學領(lǐng)域得到應用。第八章 醫(yī)用高分子材料58 聚酸酐、聚磷酸酯和脂肪族聚碳酸酯等高分子也有大量的研究報道，主要嘗試用于藥物釋放體系

29、的載體。由于這些聚合物目前尚難以得到高分子量的產(chǎn)物，機械性能較差，故還不適于在醫(yī)學領(lǐng)域作為植入體使用。 聚氰基丙烯酸酯也是一種生物可降解的高分子。該聚合物已作為醫(yī)用粘合劑用于外科手術(shù)中。后文將詳細介紹，此處從略。第八章 醫(yī)用高分子材料594. 高分子材料在醫(yī)學領(lǐng)域的應用4.1 高分子人工臟器及部件的應用現(xiàn)狀 高分子材料作為人工臟器、人工血管、人工骨骼、人工關(guān)節(jié)等的醫(yī)用材料，正在越來越廣泛地得到運用。人工臟器的應用正從大型向小型化發(fā)展，從體外使用向內(nèi)植型發(fā)展，從單一功能向綜合功能型發(fā)展。 第八章 醫(yī)用高分子材料60 為了滿足材料的醫(yī)用功能性、生物相容性和血液相容性的嚴峻要求，醫(yī)用高分子材料也由通

30、用型逐步向?qū)Ｓ眯桶l(fā)展，并研究出許多有生物活性的高分子材料，例如將生物酶和生物細胞等固定在高分子材料分子中，以克服高分子材料與生物肌體相容性差的缺點。開發(fā)混合型人工臟器的工作也正在取得可喜的成績。表95列舉了在制作人工臟器所涉及到的高分子材料。第八章 醫(yī)用高分子材料61 根據(jù)人工臟器和部件的作用及目前研究進展，可將它們分成五大類。 第一類：能永久性地植入人體，完全替代原來臟器或部位的功能，成為人體組織的一部分。屬于這一類的有人工血管、人工心臟瓣膜、人工食道、人工氣管、人工膽道、人工尿道、人工骨骼、人工關(guān)節(jié)等。第八章 醫(yī)用高分子材料62表95 用于人工臟器的部分高分子材料人工臟器高分子材料心 臟嵌

31、段聚醚氨酯彈性體、硅橡膠腎 臟銅氨法再生纖維素，醋酸纖維素，聚甲基丙烯酸甲酯，聚丙烯腈，聚砜，乙烯乙烯醇共聚物（EVA），聚氨酯豪，聚丙烯，聚碳酸酯，聚甲基丙烯酸羥乙酯肝 臟賽璐玢（cellophane），聚甲基丙烯酸羥乙酯胰 臟共聚丙烯酸酯中空纖維肺硅橡膠，聚丙烯中空纖維，聚烷砜關(guān)節(jié)、骨超高分子量聚乙烯，高密度聚乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯，尼龍，聚酯第八章 醫(yī)用高分子材料63皮 膚硝基纖維素，聚硅酮尼龍復合物，聚酯，甲殼素角 膜聚甲基丙烯酸甲酯，聚甲基丙烯酸羥乙酯，硅橡膠玻璃體硅油，聚甲基丙烯酸羥乙酯鼻、耳硅橡膠，聚乙烯乳 房聚硅酮血 管聚酯纖維，聚四氟乙烯，嵌段聚醚氨酯人工紅血球全氟烴人工血漿

32、羥乙基淀粉，聚乙烯基吡咯烷酮膽 管硅橡膠第八章 醫(yī)用高分子材料64鼓 膜硅橡膠食 道聚硅酮喉 頭聚四氟乙烯，聚硅酮，聚乙烯氣 管聚乙烯，聚四氟乙烯，聚硅酮，聚酯纖維腹 膜聚硅酮，聚乙烯，聚酯纖維尿 道硅橡膠，聚酯纖維第八章 醫(yī)用高分子材料65 第二類：在體外使用的較為大型的人工臟器裝置、主要作用是在手術(shù)過程中暫時替代原有器官的功能。例如人工腎臟、人工心臟、人工肺等。這類裝置的發(fā)展方向是小型化和內(nèi)植化，最終能植入體內(nèi)完全替代原有臟器的功能。據(jù)報道，能夠內(nèi)植的人工心臟已獲得相當年份的考驗，在不遠的將來可正式投入臨床應用。第八章 醫(yī)用高分子材料66 第三類：功能比較單一，只能部分替代人體臟器的功能，

33、例如人工肝臟等。這類人工臟器的研究方向是多功能化，使其能完全替代人體原有的較為復雜的臟器功能。 第四類：正在進行探索的人工臟器。這是指那些功能特別復雜的臟器，如人工胃、人工子宮等。這類人工臟器的研究成功，將使現(xiàn)代醫(yī)學水平有一重大飛躍。第八章 醫(yī)用高分子材料67 第五類：整容性修復材料，如人工耳朵、人工鼻子、人工乳房、假肢等。這些部件一般不具備特殊的生理功能，但能修復人體的殘缺部分，使患者重新獲得端正的儀表。從社會學和心理學的角度來看，也是具有重大意義的。 要制成一個完整的人工臟器，必須有能源，傳動裝置、自動控制系統(tǒng)及輔助裝置或多方面的配合。然而，不言而喻，其中高分子材料乃是目前制造人工臟器的關(guān)

34、鍵材料。第八章 醫(yī)用高分子材料684.2 醫(yī)用高分子材料的應用4.2.1 血液相容性材料與人工心臟 許多醫(yī)用高分子在應用中需長期與肌體接觸，必須有良好的生物相容性，其中血液相容性是最重要的性能。人工心臟、人工腎臟、人工肝臟、人工血管等臟器和部件長期與血液接觸，因此要求材料必須具有優(yōu)良的抗血栓性能。第八章 醫(yī)用高分子材料6970 近年來，在對高分子材料抗血栓性研究中，發(fā)現(xiàn)具有微相分離結(jié)構(gòu)的聚合物往往具有優(yōu)良的血液相容性，因而引起人們極大的興趣。例如在聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯的結(jié)構(gòu)中接枝上親水性的甲基丙烯酸羥乙酯，當接枝共聚物的微區(qū)尺寸在2030 nm范圍內(nèi)時，就有優(yōu)良的抗血栓性。第八章 醫(yī)用高

35、分子材料71 在微相分離高分子材料中，國內(nèi)外研究得最活躍的是聚醚型聚氨酯，或稱聚醚氨酯。聚醚氨酯是一類線型多嵌段共聚物，宏觀上表現(xiàn)為熱塑性彈性體，具有優(yōu)良的生物相容性和力學性能，因而引起人們廣泛的重視。作為醫(yī)用高分子材料的嵌段聚醚氨酯（Segmented Polyether urethane，SPEU）的一般結(jié)構(gòu)式如下：第八章 醫(yī)用高分子材料72第八章 醫(yī)用高分子材料 美國Ethicon公司推薦的四種醫(yī)用聚醚氨酯：Biomer，Pellethane，Tecoflex和Cardiothane基本上都屬于這一類聚合物。 73 這類聚合物的共同特點是分子結(jié)構(gòu)都是由軟鏈段和硬鏈段兩部分組成的，分子間有

36、較強的氫鍵和范得華力。聚醚軟段聚集形成連續(xù)相，而由聚氨酯和聚脲組成的硬鏈段聚集而成的分散相微區(qū)則分散在連續(xù)相中，因此具有足夠的強度和理想的彈性。同時分子鏈中的聚醚鏈段和聚氨酯、聚脲鏈段分別提供了材料的水、疏水平衡。第八章 醫(yī)用高分子材料74 研究表明，嵌段聚醚氨酯與血小板、細胞的相互作用，與聚醚軟段的分子量、微相分離的程度、微區(qū)的大小、表面化學組成、表面結(jié)構(gòu)等因素密切相關(guān)。從圖92可看出，聚醚氨酯的血液相容性與聚醚鏈段的親水性有很大關(guān)系，由親水性較好的聚乙二醇鏈段制備的聚醚氨酯，抗血栓性較好。第八章 醫(yī)用高分子材料75圖92 分子量、聚醚親水性與抗血栓性的關(guān)系1. 聚丙二醇軟段 2. 聚四亞甲

37、基醚軟段 3. 聚乙二醇軟段第八章 醫(yī)用高分子材料76 聚離子絡合物（Polyion Complex）是另一類具有抗血栓性的高分子材料。它們是由帶有相反電荷的兩種水溶性聚電解質(zhì)制成的。例如美國Amicon公司研制的離子型水凝膠Ioplex l01是由聚乙烯基芐基三甲基銨氯化物與聚苯乙烯磺酸鈉通過離子鍵結(jié)合得到的。 第八章 醫(yī)用高分子材料77 這種聚合物水凝膠的含水量與正常血管相似，并可調(diào)節(jié)這兩種聚電解質(zhì)的比例，制得中性的、陽離子型的或陰離子型的產(chǎn)品。其中負離子型的材料可以排斥帶負電荷的血小板，更有利于抗凝血。類似的產(chǎn)品還有聚對乙基苯乙烯三乙基銨溴化物與聚苯乙烯硝酸鈉制得的產(chǎn)物，也是一種優(yōu)良的人

38、工心臟、人工血管的制作材料。第八章 醫(yī)用高分子材料784.2.2 人造皮膚材料 治療大面積皮膚創(chuàng)傷的病人，需要將病人的正常皮膚移植在創(chuàng)傷部位上。但在移植之前，創(chuàng)傷面需要清洗，被移植皮膚需要養(yǎng)護，因此需要一定時間。在這段時間內(nèi)，許多病人由于體液的大量損耗以及蛋白質(zhì)與鹽分的丟失而喪失生命。因此，人們用高親水性的高分子材料作為人造皮膚，暫時覆蓋在深度創(chuàng)傷的創(chuàng)面上，以減少體液的損耗和鹽分的丟失，從而達到保護創(chuàng)面的目的。 第八章 醫(yī)用高分子材料79 聚乙烯醇微孔薄膜和硅橡膠多孔海綿是制作人造皮膚的兩種重要材料。這兩種人造皮膚使用時手術(shù)簡便，抗排異性好，移植成活率高，已應用于臨床。高吸水性樹脂用于制作人造

39、皮膚方面的研究，亦已取得很多成果。此外，聚氨基酸、骨膠原、角蛋白衍生物等天然改性聚合物也都是人造皮膚的良好材料。第八章 醫(yī)用高分子材料80 據(jù)報道，日本市場上近年出現(xiàn)一種高效人造皮膚，對嚴重燒傷的患者十分有效。這種人造皮膚的原料是甲殼質(zhì)材料，從螃蟹殼、蝦殼等物質(zhì)中萃取出來，經(jīng)過抽制成絲，再進行編織。這種人造皮膚具有生理活性，可代替正常皮膚進行移植，因此可減少患者再次取皮的痛苦。臨床試驗表明，這種皮膚的移植成活率達90以上。第八章 醫(yī)用高分子材料81 將人體的表皮細胞在高分子材料上粘附、增殖，從而制備有生理活性的人工皮膚，是近年來的又一研究動向，并已取得相當?shù)某删汀＠鐚⒂晒悄z原和葡糖胺聚糖組成

40、的多孔層與有機硅材料復合形成雙層膜。將少量取自患者皮膚的表面細胞置于多孔層中，覆在創(chuàng)傷面上。不久表皮細胞即在多孔層中增殖而形成皮膚。然后將有機硅膜剝下，多孔層則分解，被人體所吸收。 第八章 醫(yī)用高分子材料824.2.3 醫(yī)用粘合劑 粘合劑作為高分子材料中的一大類別，近年來已擴展到醫(yī)療衛(wèi)生部門，并且其適用范圍正隨著粘合劑性能的提高、使用趨于簡便而不斷擴大。醫(yī)用粘合劑在醫(yī)學臨床中有十分重要的作用。在外科手術(shù)中，醫(yī)用粘合劑用于某些器官和組織的局部粘合和修補；手術(shù)后縫合處微血管滲血的制止；骨科手術(shù)中骨骼、關(guān)節(jié)的結(jié)合與定位；齒科手術(shù)中用于牙齒的修補等。 第八章 醫(yī)用高分子材料83 從醫(yī)用粘合劑的使用對象

41、和性能要求來區(qū)分，可分成兩大類，一類是齒科用粘合劑，另一類則是外科用（或體內(nèi)用）粘合劑。由于口腔環(huán)境與體內(nèi)環(huán)境完全不同，對粘合劑的要求也不相同。此外，齒科粘合劑用于修補牙齒后，通常需要長期保留，因此，要求具有優(yōu)良的耐久性能。而外科用粘合劑在用于粘合手術(shù)創(chuàng)傷后，一旦組織愈合，其作用亦告結(jié)束，此時要求其能迅速分解，并排出體外或被人體所吸收。第八章 醫(yī)用高分子材料84（1）齒科用粘合劑 齒科用粘合劑的歷史可追溯到半個世紀以前。1940年，首次用于齒科修補手術(shù)的高分子材料是聚甲基丙烯酸甲酯。它是將甲基丙烯酸甲酯乳液與甲基丙烯酸甲酯單體混合，然后在修補過程中聚合固化。這種粘合劑的硬度與粘結(jié)力均不夠高，所

42、以很快被淘汰。1965年出現(xiàn)了以多官能度甲基丙烯酸酯為基料，無機粉末為填料的復合粘合劑，性能大大提高，至今仍在齒科修復中廣泛應用。第八章 醫(yī)用高分子材料85 牙科中使用的粘合劑，按照其被粘物的不同，可分為軟組織用粘合劑和硬組織用粘合劑兩大類。1) 軟組織用粘合劑 這是一類用于齒齦或口腔粘膜等軟組織的粘合劑。以前軟組織的縫合是通過縫合線手術(shù)完成的。粘合劑用于口腔內(nèi)軟組織的粘合，不僅快速，無痛苦，而且能促進肌體組織的自愈能力，因此這方面的應用越來越受到歡迎。第八章 醫(yī)用高分子材料86 軟組織的粘合目的是促進組織本身的自然愈合，所以通常只要保持一星期到10天左右的粘結(jié)力就可以了。但是它必須能迅速粘結(jié)

43、，能與水分，脂肪等共存，無毒，不會產(chǎn)生血栓，而且不妨礙創(chuàng)傷的愈合過程，分解產(chǎn)物對肌體無影響。遺憾的是至今尚無能全面符合這些條件的理想粘合劑。因此，目前在進行口腔軟組織手術(shù)時，都是粘合與縫合并用的。第八章 醫(yī)用高分子材料87 最早用于齒科軟組織粘合的粘合劑是氰基丙烯酸烷基酯。但這種粘合劑在有大量水分存在的口腔中粘結(jié)比較團難，所以現(xiàn)在已不再使用。取而代之的是稱為EDH的組織粘合劑。EDH組織粘合劑的組成是氰基丙烯酸甲酯、丁腈橡膠和聚異氰酸酯按100:100:1020（重量比）的比例配制而成，再制成67的硝基甲烷溶液。 第八章 醫(yī)用高分子材料88 這種粘合劑具有較好的撓屈性和活體組織粘結(jié)性，最早是用

44、作預防腦動脈瘤破裂的涂層的，后來發(fā)現(xiàn)對齒科軟組織的粘合也有很好的效果。如用作齒槽膿漏癥手術(shù)創(chuàng)面的粘合、牙根切除手術(shù)中牙根斷端部分的包覆等。第八章 醫(yī)用高分子材料892) 牙齒硬組織用粘合劑 牙齒的主要組成物為牙釉質(zhì)、牙骨質(zhì)、牙本質(zhì)和齒髓。牙釉質(zhì)和牙骨質(zhì)構(gòu)成齒冠的外層，最硬，莫氏硬度為67，主要成分為羥基磷灰石。牙本質(zhì)稍軟，莫氏硬度為45，含較多的有機質(zhì)和水分。牙齒中心部位的齒髓則含有豐富的血管和神經(jīng)活組織。牙釉質(zhì)、牙本質(zhì)和齒髓的材性差別很大，故粘結(jié)比較困難。雖經(jīng)人們經(jīng)過長期的努力，但至今尚無十分理想的粘合劑。 第八章 醫(yī)用高分子材料90 目前常用的齒科粘合劑主要有以下品種： 磷酸鋅粘固劑 羧基

45、化粘固劑 玻璃離子鍵聚合物粘固劑 聚甲基丙烯酸酯粘合劑第八章 醫(yī)用高分子材料91 目前最重要的齒科粘合劑是雙酚A雙(3甲基丙烯酰氧基2羥丙基)醚,簡稱BisGMA。它的分子中同時具有親水基和疏水基，因此，粘結(jié)性能優(yōu)良，可用作補牙用復合充填樹脂。它是一種雙官能團單體，聚合時放熱少，體積收縮小，聚合后成體型結(jié)構(gòu)，耐磨，膨脹系數(shù)小。用紫外光照射或用過氧化苯甲酰N,N雙（羥乙基）對甲苯胺引發(fā)體系引發(fā)，可在室溫下快速聚合。第八章 醫(yī)用高分子材料92 BisGMA的化學結(jié)構(gòu)式如下：第八章 醫(yī)用高分子材料93(2) 外科用粘合劑 外科用粘合劑的應用范圍很廣，如胃、腸道、膽囊等消化器官的吻合；血管、氣管、食道

46、、尿道的修補和連接；皮膚、腹膜的粘合；神經(jīng)的粘合；肝、腎、胰臟切除手術(shù)后的粘合；肝、腎、胰、肺等器官的止血；缺損組織的修復；骨骼的粘合等。其中大部分是對軟組織的粘合。（見表915）第八章 醫(yī)用高分子材料94表915 外用粘合劑的使用目的與部位使用目的應 用 部 位吻 合食道、胃、腸道、膽管、血管（動脈、靜脈）、氣管、支氣管等的吻合封 閉胃、腸、氣管、支氣管、角膜穿孔的封閉；瘺管的封閉；創(chuàng)口開裂的封閉等移 植代用血管、皮膚、神經(jīng)的移植粘結(jié)連接皮膚，腹膜、筋膜、尿道、輸尿管、膀骯等的粘結(jié)；肺氣腫患者肺的粘結(jié)；肝、腎、胰等切開部分的粘結(jié)；神經(jīng)的連接等防止出血、漏液防止腎、肝、脾、腸、腦等的出血；防止腹膜、骨盤、消化器官的出血；防止腦脊髓液、淋巴液的滲出其 他痔瘡手術(shù)，腎位移固定；中耳再造等第八章 醫(yī)用高分子材料95 外科用粘合劑經(jīng)過50多年的發(fā)展，至今已有幾十種品種。但根據(jù)使用要求，仍以較早開發(fā)的氰基丙烯酸酯最為合適。 -氰基丙烯酸酯是一類瞬時粘合劑，單組分無溶劑，粘結(jié)時無需加壓，可常溫固化，粘結(jié)后無需特殊處理。由于其粘度低，鋪展性好，固化后無色透明，有一定的耐熱性和耐溶劑性。第八章 醫(yī)用高分子材料96 尤其可貴的是-氰基丙烯酸酯能與比較潮濕的人體