生物醫(yī)用高分子材料第二章演示文稿

生物醫(yī)用高分子材料第二章演示文稿現在是1頁\一共有105頁\編輯于星期三（優(yōu)選）生物醫(yī)用高分子材料第二章現在是2頁\一共有105頁\編輯于星期三第二章高分子和生物體的相互作用2.1醫(yī)用高分子的基本功能醫(yī)用高分子材料多用于人體，直接關系到人的生命和健康，因此對醫(yī)用高分子材料的性能有一些一般，但相對于通用高分子材料特殊的要求。安全性、物理化學和機械性能、適應性、特殊功能。

第二章相互作用現在是3頁\一共有105頁\編輯于星期三第二章高分子和生物體的相互作用2.1醫(yī)用高分子的基本功能物理功能物理化學功能生物體適應的種類第二章相互作用現在是4頁\一共有105頁\編輯于星期三

生物醫(yī)用材料設計和制造的目的:就是能夠代替臟器的功能，或具有與臟器相對應的功能。

目前，合成醫(yī)用材料的物理和化學性能一般都能夠達到所必須的要求；還必須具有更高層次的性能，如考慮與生物體成分的相互作用等。第二章相互作用現在是5頁\一共有105頁\編輯于星期三生物功能性分類物理功能物理化學功能高層次生物功能第二章相互作用現在是6頁\一共有105頁\編輯于星期三生物功能性分類-1物理功能

內容應用舉例強度支持，構造保持 人工骨，人工牙齒，人工關節(jié)被覆，鎖閉損傷皮膚表面，組織損傷部位閉合，縫合線，卡釘，骨釘第二章相互作用現在是7頁\一共有105頁\編輯于星期三生物功能性分類-1物理功能

內容應用舉例

管道，泵，瓣膜， 人工血管，人工食道，

閥人工氣管，分路器，人工心臟，人工瓣膜

電學性質探測器

光學性質 人工眼球，隱形眼鏡 第二章相互作用現在是8頁\一共有105頁\編輯于星期三生物功能性分類-2化學功能

內容應用舉例第二章相互作用接合，填充，物質移動，選擇吸附骨水泥，醫(yī)用粘合劑，血液凈化，人工肺，隱形眼鏡人工肝，免疫吸附現在是9頁\一共有105頁\編輯于星期三生物功能性分類-3高層次生物功能

內容應用舉例第二章相互作用化學測量，化學反應，生物功能生物傳感器，生物反應器，雜化人工器官現在是10頁\一共有105頁\編輯于星期三2.1.1物理機能A力學性質

醫(yī)用材料的種類很多，如人工器官、軟組織材料、硬組織材料，牙科、骨科、整形外科等用的材料，都要求具有一定的力學性能。研究生物材料力學性能的專門學科——生物力學。第二章相互作用現在是11頁\一共有105頁\編輯于星期三2.1.1物理機能A力學性質

生物力學是應用力學原理和方法對生物體中的力學問題定量研究的生物物理學分支。其研究范圍從生物整體到系統(tǒng)、器官(包括血液、體液、臟器、骨骼等)，從鳥飛、魚游、鞭毛和纖毛運動到動物體液的輸運等。第二章相互作用現在是12頁\一共有105頁\編輯于星期三2.1.1物理機能A力學性質生物力學的基礎是能量守恒、動量定律、質量守恒三定律并加上描寫物性的本構方程。生物力學研究的重點是與生理學、醫(yī)學有關的力學問題。

第二章相互作用現在是13頁\一共有105頁\編輯于星期三2.1.1物理機能A力學性質

生物力學根據研究對象的不同可分為生物流體力學、生物固體力學和運動生物力學等。醫(yī)用高分子材料所涉及的力學性質屬于“生物固體力學”范圍。

第二章相互作用現在是14頁\一共有105頁\編輯于星期三人工牙齒第二章相互作用現在是15頁\一共有105頁\編輯于星期三人工股骨置換第二章相互作用現在是16頁\一共有105頁\編輯于星期三骨科用的材料要求具有比較高的強度。粘彈性——高分子材料。開裂變形：在一定的負荷應力作用下，材料隨著時間的變形現象。應力松弛粘彈性材料應力速度依賴性。第二章相互作用現在是17頁\一共有105頁\編輯于星期三第二章相互作用表2-2人體牙齒、牙周支持組織的彈性模量及泊松比與部分高分子材料的比較現在是18頁\一共有105頁\編輯于星期三B涂覆和修復機能

皮膚表面損傷后的涂覆和損傷裂口的修復。材料的要求：強度要求不高，但要求具有一定的柔軟性，皮膚涂覆材料與正常皮膚的伸縮性的要求。材料的來源：生物由來的材料比較合適。第二章相互作用現在是19頁\一共有105頁\編輯于星期三第二章相互作用現在是20頁\一共有105頁\編輯于星期三

生物軟組織與合成高分子材料的最大區(qū)別：生物體軟組織材料的水分含量特別高。第二章相互作用現在是21頁\一共有105頁\編輯于星期三

損傷部位的修復材料是與生物體本身的組織進行物理結合。例如縫合線，目前用生物可降解性材料，在傷口愈合后自身降解，被生物體吸收。第二章相互作用現在是22頁\一共有105頁\編輯于星期三C導管、泵類

人工血管，食管和氣管等要求必須具有一定的柔軟性。特別是人工血管和氣管必須與宿主材料的力學特性一致。所使用材料的彈性也需要一致。第二章相互作用現在是23頁\一共有105頁\編輯于星期三Lifespan膨體聚氟乙烯（ePTFE）人工血管

第二章相互作用現在是24頁\一共有105頁\編輯于星期三Albograft滌綸人工血管

第二章相互作用現在是25頁\一共有105頁\編輯于星期三第二章相互作用人工血管一般有三個基本性能強度?？锥龋涸?20mmHg（1mmHg=01133kPa）壓力下，每平方厘米人工血管每分鐘漏血量稱為孔度。

順應性：人體動脈管腔隨血壓變化而出現的“脈動”對穩(wěn)定血流起著重要作用。同樣，人工血管管壁也應具備隨血流壓力出現相應的收縮和舒張能力，這種在壓力變化下出現的容積變化稱為順應性。

現在是26頁\一共有105頁\編輯于星期三第二章相互作用順應性表2-3各類人工血管材料順應性現在是27頁\一共有105頁\編輯于星期三D電性能

對生物體組織直接使用電刺激時，使用金屬導線，與體液等必須絕緣，因此在金屬材料表面必須有高分子材料絕緣。第二章相互作用現在是28頁\一共有105頁\編輯于星期三E光學性能

眼科用的高分子材料。要求材料的光學性能與眼睛某些部位的一致。包括角膜和水晶體的曲折率、曲率半徑和厚度：第二章相互作用現在是29頁\一共有105頁\編輯于星期三曲折率：水晶體，角膜1.376，淚液=房水=銷子體=1.336。高分子材料PMMA的曲折率為1.49。第二章相互作用現在是30頁\一共有105頁\編輯于星期三第二章相互作用現在是31頁\一共有105頁\編輯于星期三2.1.2物理化學機能A接合、填充使用生物接合劑的領域：血管外科、消化器外科、形成外科、腦神經外科、整形外科、牙科等領域。第二章相互作用現在是32頁\一共有105頁\編輯于星期三2.1.2物理化學機能接合的機理：一次結合力：共有結合，一般是化學結合二次結合力：主要是氫鍵和分子間的相互作用力；三次結合力：一般是指機械的鑲嵌等。第二章相互作用現在是33頁\一共有105頁\編輯于星期三第二章相互作用現在是34頁\一共有105頁\編輯于星期三B物質的移動血液中病因物質如尿素、肌肝等清除用的血液透析膜。血液中二氧化碳清除的人工肺等。牽涉到物質的移動。第二章相互作用現在是35頁\一共有105頁\編輯于星期三擴散系數：

JA=-DAdcA/dZ=-DA(c1-c2)/ZM

這里DA為擴散系數（Diffusioncoefficient），dcA/dZ為Z方向的濃度微分，ZM膜的厚度，c1，c2分別為膜兩邊的濃度。第二章相互作用現在是36頁\一共有105頁\編輯于星期三第二章相互作用現在是37頁\一共有105頁\編輯于星期三C選擇性吸附醫(yī)用材料表面對蛋白質的吸附。Langmuir式v=vm*ac/(1+ac)Freundlich式v=ac1/bFrumkin-Chomkin式v=a*ln(bc)這里v為吸附量，vm為平衡吸附量；a、b、c均為系數。高分子材料表面對蛋白質的吸附一般為Langmuir吸附。第二章相互作用現在是38頁\一共有105頁\編輯于星期三第二章相互作用現在是39頁\一共有105頁\編輯于星期三吸附分離是利用吸附劑和被分離物質的分子間的相互作用達到對該物質的吸附分離。VanderWaals力和靜電力利用的非特異性分離，多孔性的非特異分離。有時也存在一定的特異分離。發(fā)生化學結合一般都是特異性分離。第二章相互作用現在是40頁\一共有105頁\編輯于星期三2.1.3生物體適應的種類第二章相互作用

根據生物進化學說，發(fā)展到今天的生物都具有高度的適應性，也就是說生物體的結構與功能是適應的，它對內能協(xié)調統(tǒng)一，對外能適應復雜多變的環(huán)境。

DNA分子——獨特的雙螺旋結構，適應它的兩個重要功能，即自我復制——遺傳信息的傳遞，控制蛋白質的合成——遺傳信息的表達。現在是41頁\一共有105頁\編輯于星期三2.1.3生物體適應的種類第二章相互作用

動物的適應:保護色、警戒色、擬態(tài)

現在是42頁\一共有105頁\編輯于星期三2.1.3生物體適應的種類適應性 種類 方法表面的 非刺激性材料表面性質的控制（抗血栓性）抗血栓性物質的利用組織接著性軟組織接著表面的形成硬組織接著表面的形成本體的力學整合性柔軟性、剛直性、強度設計的調和性置入材料 第二章相互作用現在是43頁\一共有105頁\編輯于星期三2.2生體反應是指生物體與材料的相互作用。高分子材料溶出的低分子量物質，會引起生物體的全身反應。生物相容性的概念生物體與材料之間的相互作用就是與生物相容性相關的問題。第二章相互作用現在是44頁\一共有105頁\編輯于星期三生物相容性是研究生物材料時最先而又為生物材料學專家們所觀注的課題，前面生物安全性指標中涉及的，如材料的溶血性、過敏性、皮內刺激、包埋實驗、骨髓細胞微核試驗和細胞培養(yǎng)實驗等內容，實際上也屬于生物相容性的范疇。第二章相互作用現在是45頁\一共有105頁\編輯于星期三生物相容性的具體內容最初僅指材料表面的抗凝性，但隨著人工腎和血液凈化治療的發(fā)展，由于血液透析過程中出現“首次使用綜合癥，FUS”，因而對生物材料，特別是分離膜的生物相容性便逐漸擴大到對機體免疫系統(tǒng)的影響及其臨床后果等范圍。第二章相互作用現在是46頁\一共有105頁\編輯于星期三BiocompatibilitytestingBiocompatibilitytestingisanintegralpartofbiomaterials.

Ifthepartworksperfectlyinthelab,butcausesdamageonceinsidethebody,theeffectscouldbecatastrophic.

Testingrangesfromtheverysimplebloodtesttomoreintricatetestingwithtissuecultures.第二章相互作用現在是47頁\一共有105頁\編輯于星期三生物相容性的定義1994年在生物相容性統(tǒng)一觀點的會議記錄中，建議生物相容性可定義為：“在特殊應用中，材料、醫(yī)用裝置，或治療系統(tǒng)能完成其功能，但又不會在臨床上明顯地引起宿主的反應”。與血液接觸的生物材料，主要是血液相容性第二章相互作用現在是48頁\一共有105頁\編輯于星期三材料表面在與血液接觸時，機體的①凝血系統(tǒng)，②溶纖系統(tǒng)，③激肽系統(tǒng)和④補體系統(tǒng)將產生一系列的防御反應，各系統(tǒng)之間又有相關聯的反應，其中補體在血液凈化過程中因活化而產生的C3b,iC3b,C5a,和C5adesarg等降解產物會進一步引起一系列的臨床過敏反應和后果。第二章相互作用現在是49頁\一共有105頁\編輯于星期三第二章相互作用現在是50頁\一共有105頁\編輯于星期三第二章相互作用現在是51頁\一共有105頁\編輯于星期三第二章相互作用現在是52頁\一共有105頁\編輯于星期三血液——生物材料相互作用的測定表明有關的特征是蛋白吸附、血小板反應、內源性凝血、纖溶活化、紅細胞、白細胞和補體激活。影響臨床應用的是生物材料血液反應的因素是生物材料的結構、抗血栓物質，疾病和藥物治療所決定的病人狀態(tài)。生物材料的評價方法采用臨床、體內、半體內和體外方法，材料的開發(fā)用半體內和體外方法。第二章相互作用現在是53頁\一共有105頁\編輯于星期三第二章相互作用現在是54頁\一共有105頁\編輯于星期三(1)抗凝性

血液在與材料表面接觸時：①材料表面很快吸附一層血蛋白，如能引起血細胞粘附的白蛋白，纖維連接素，或引起止血和形成血栓的纖維蛋白原、纖維蛋白、凝血酶、接觸因子Ⅻ、高分子量激肽酶原VonWilkbrand因子，或引起炎癥和免疫反應的球蛋白、免疫復合因子、補體碎片C3b。這些血蛋白在材料表面相互之間進行著動態(tài)的解吸和再吸附的競爭。隨著時間延長和其它因素的影響，被牢固吸附的血蛋白的構象發(fā)生改變。第二章相互作用現在是55頁\一共有105頁\編輯于星期三(1)抗凝性

血液在與材料表面接觸時：②血小板和白細胞粘附在構象改變蛋白吸附層上形成血小板栓子，③進一步將凝血系統(tǒng)活化并導致凝血酶產生和形成纖維蛋白。第二章相互作用現在是56頁\一共有105頁\編輯于星期三第二章相互作用現在是57頁\一共有105頁\編輯于星期三血液動力學的情況直接影響到血栓的大小、在血液凈化系統(tǒng)中形成的部位，血栓的結構及其碎裂情況。在產生湍流的部位，如連接處、分離器內、血流管路縮小和分枝部位會形成大塊的血栓沉積物，甚至可將整個循環(huán)系統(tǒng)堵塞。第二章相互作用現在是58頁\一共有105頁\編輯于星期三(2)對免疫系統(tǒng)的影響

“首次使用綜合癥”就是在使用銅芬膜后發(fā)現的，表現在引起機體產生一系列防御反應，臨床表現為輕者惡心、嘔吐、胸痛、呼吸困難、皮疹、麻疹等過敏反應，重者則呈過敏性休克和其它病癥。

Ringoir和Vanholder在1992年的綜述性文章中，曾明確提出應當拒絕把銅芬膜一類的血液凈化膜用于臨床。第二章相互作用現在是59頁\一共有105頁\編輯于星期三第二章相互作用現在是60頁\一共有105頁\編輯于星期三第二章相互作用現在是61頁\一共有105頁\編輯于星期三BiomaterialThedefinitionofabiomaterialcoversabroadarea.

Infact,anynaturalorsyntheticmaterialthatinterfaceswithlivingtissueand/orbiologicalfluidsmaybeclassifiedasabiomaterial.

Evencommonmaterialssuchaspolyesterhaveshownusefulnessin

somebiomedicalapplications第二章相互作用現在是62頁\一共有105頁\編輯于星期三BiocompatibilityInordertodefinebiocompatibility,itmaybeeasiertodefinewhatitisnot,ratherthanwhatitis.

A

biocompatiblematerialdisruptsnormalbodyfunctionsaslittleaspossible.

Therefore,thematerialcausesnothrombogenic,toxic,orallergicinflammatoryresponsewhenthematerialisplacedinvivo.

Thematerialmustnotstimulatechangesinplasmaproteinsandenzymesorcauseanimmunologicreaction,norcanitinstigatecarcinogenic,mutagenic,orteratogenic(grosstissuechange)effects.第二章相互作用現在是63頁\一共有105頁\編輯于星期三PolymersPolymersconsistofsmallrepeatingunits,orisomers,strungtogetherinlongchains.

Theflexiblestructureofpolymershasenabledthisgroupofmaterialstobeusefulinapplicationsfromplasticgarbagebagstorubbertires.

EvenDNAhasfoundthisstructureuseful,storinggeneticinformationinthousandsuponthousandsofrepeatingsequencesofpolymers.

Inmanymaterials,processingconditionscaninducethepolymerchainstolinkwitheachotheralongthelengthofthechaintoproduceawidevarietyofmechanicalproperties.

Thisisknownascross-linking.

Cross-linkingcanincreasethedensityofmaterialstoimprovetheirstrengthandhardness;however,cross-linkedmaterialsoftenlosetheirflexibilityandbecomemorebrittle.

Theseparametersareeasilyvariedinordertosuitcurrentbiomedicalapplications.

第二章相互作用現在是64頁\一共有105頁\編輯于星期三polyethylene(PE)Thewideuseofpolyethylene(PE)inmedicineillustratestheversatilitytypicalofapolymer.

Dependingontheprocessingofthematerial,PEcanbeelasticandflexible,orhardandsmooth.

Low-densitypolyethyleneservesastubingincatheters,whileultra-high-molecular-weight(UHMW)polyethyleneisoneofthemajorarticulatingsurfacesusedintotalhiporkneereplacements.

ThesmoothsurfaceofUHMWcreatesextremelylowfrictionwithothermaterialsandincreasesthedurabilityoftheartificialjointexponentially.第二章相互作用現在是65頁\一共有105頁\編輯于星期三HydrogelsHydrogelscompriseanothersubdivisionofthisuniquegroupofmaterials.

Thesepolymerstructuresformahydrophiliccross-linkednetworkthatswellsinwateruntilanequilibriumisreachedbetweentheretractiveforceofthenetworkandthethermodynamicswellingforce.

Theycanexistashomopolymers,copolymers,ormultipolymersthatareionicallyneutral,anionic,cationicorampholytic.

Ingeneral,hydrogelsexhibitgoodbiocompatibility,lowdegradation,andprocessingease.

Hydrogelscanbeproducedwithawiderangeofswellingcharacteristics,whichplayamajorroleindeterminingsolutediffusionrates,surfaceproperties,refractiveindexes,andmechanicalcharacteristics.

Cellulosederivativessuchaspoly(vinylalcohol)(PVA),poly(ethyleneglycol)(PEG),andpoly(N-vinyl2-pyrrolidone)(PNVP)swelltoahigherdegreethanpoly(hydroxyethylmethacrylate)(PHEMA)anditsderivatives.第二章相互作用現在是66頁\一共有105頁\編輯于星期三BiodegradablePolymersNaturalandsyntheticbiodegradablepolymershaveemergedinthefieldasreliableandeffectivematerialsforpurposesthatrequireonlytemporarystabilityinordertosupporttissueingrowth.

Biodegradablepolymersdegradewhenplacedinthebodywhileallowingfunctionaltissuetogrowinitsplace.

Themechanismofdegradationforthesetypesofpolymersincludeshydrolyticinstability,hydration,molecularbackbonecleavage,lossofmolecularweight,andsolubilization.第二章相互作用現在是67頁\一共有105頁\編輯于星期三生物相容性及安全性醫(yī)用高分子首先應考慮的是該材料的生物安全性和材料的生物相容性。用途不同，對醫(yī)用高分子材料生物相容性的要求也有區(qū)別，如血液接觸材料，血液相容性就變得特別重要，如血小板粘附。第二章相互作用現在是68頁\一共有105頁\編輯于星期三隨著對醫(yī)用材料安全性和有效性的要求愈來愈嚴格，和現代技術的不斷發(fā)展，對醫(yī)用高分子材料生物安全性的評價指標也在不斷擴大，生物相容性設計的內容也在擴大。第二章相互作用現在是69頁\一共有105頁\編輯于星期三安全性生物學評價內容細胞毒性致敏刺激全身急性毒性溶血熱原遺傳毒性、致癌性及生殖毒性植入血液相容性第二章相互作用現在是70頁\一共有105頁\編輯于星期三急性全身毒性第二章相互作用現在是71頁\一共有105頁\編輯于星期三第二章相互作用現在是72頁\一共有105頁\編輯于星期三溶血第二章相互作用現在是73頁\一共有105頁\編輯于星期三第二章相互作用現在是74頁\一共有105頁\編輯于星期三第二章相互作用現在是75頁\一共有105頁\編輯于星期三蛋白吸附生物材料體內凝聚白細胞血小板反應紅細胞纖維蛋白溶解活性補體系統(tǒng)反應現在是76頁\一共有105頁\編輯于星期三過敏第二章相互作用現在是77頁\一共有105頁\編輯于星期三第二章相互作用現在是78頁\一共有105頁\編輯于星期三第二章相互作用現在是79頁\一共有105頁\編輯于星期三第二章高分子和生物體系的相互作用2.1醫(yī)用高分子的基本機能2.2生體反應

2.2.1生物相容性的概念

2.2.2材料與蛋白質的相互作用

2.2.3材料與細胞的相互作用

2.2.4材料與組織的相互作用

2.2.5高分子材料在生物體內的變化第二章相互作用現在是80頁\一共有105頁\編輯于星期三2.2.2材料與蛋白質的相互作用高分子材料與血液或體液接觸時，首先是與蛋白質的反應，之后是與細胞的反應，以及引起其它體內的活化反應。吸附的蛋白質，會與沒有吸附的蛋白質發(fā)生置換反應，材料表面存在的蛋白質，之后會引起血液凝固，血小板吸附，血栓形成等不良影響。第二章相互作用現在是81頁\一共有105頁\編輯于星期三蛋白質人體中蛋白質占16.3%。血漿中存在大量的蛋白質，水分90-92%。白蛋白：38～48g/L；球蛋白：15～30g/L；A/G：正常值1.5~2.5。

血液中主要的蛋白質有白蛋白，纖維蛋白，免疫球蛋白等（鹽析法）。第二章相互作用現在是82頁\一共有105頁\編輯于星期三血漿蛋白第二章相互作用現在是83頁\一共有105頁\編輯于星期三血漿蛋白質的功能維持血漿膠體滲透壓；組成血液緩沖體系，參與維持血液酸堿平衡；運輸營養(yǎng)和代謝物質；營養(yǎng)功能，血漿蛋白分解產生的氨基酸，可用于合成組織蛋白質或氧化分解供應能量；參與凝血和免疫作用。第二章相互作用現在是84頁\一共有105頁\編輯于星期三蛋白吸附蛋白質的吸附與高分子材料的種類有關，一般而言，親水性高分子材料表面吸附蛋白質少，而疏水性高分子材料表面吸附蛋白質多。同一材料對不同蛋白質的吸附也不同。第二章相互作用現在是85頁\一共有105頁\編輯于星期三

蛋白質的活性化。蛋白質與材料表面的相互作用引起蛋白質構造的變化，可以稱為活性化，從而引起系列的生體反應。主要是血液凝固和補體激活。吸附蛋白質多并不一定相容性差，而蛋白質構象的變化也是引起血液相容性差的重要原因。第二章相互作用現在是86頁\一共有105頁\編輯于星期三材料表面和血漿蛋白吸附的關系主要包括材料表面的化學組成、臨界表面張力、表面能、表面親水/疏水性、表面電荷、微相結構和血漿中蛋白濃度對表面蛋白吸附影響的解析?，F在是87頁\一共有105頁\編輯于星期三

血小板反應血纖維蛋白溶解活性

白細胞紅細胞

體內凝聚補體激活

圖2-1血液和生物材料反應的性能蛋白吸附生物材料第二章相互作用現在是88頁\一共有105頁\編輯于星期三2.2.3材料與細胞的相互作用材料與血液細胞的反應。血細胞主要指紅細胞、白細胞和血小板。紅細胞最多，但材料與血小板和白細胞的相互作用更為重要。第二章相互作用現在是89頁\一共有105頁\編輯于星期三血細胞的種類和形態(tài)現在是90頁\一共有105頁\編輯于星期三第二章相互作用現在是91頁\一共有105頁\編輯于星期三現在是92頁\一共有105頁\編輯于星期三現在是93頁\一共有105頁\編輯于星期三第二章相互作用現在是94頁\一共有105頁\編輯于星期三纖維芽細胞，上皮