大学功能高分子材料经典课件——医用高分子材料

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第八章 医用高分子材料
早在公元前3500年，埃及人就用棉花纤维、马 鬃缝合伤口。墨西哥印地安人用木片修补受伤的颅 骨。公元前500年的中国和埃及墓葬中发现假牙、 假鼻、假耳。进入20世纪，高分子科学迅速发展， 新的合成高分子材料不断出现，为医学领域提供了 更多的选择余地。1936年发明了有机玻璃后，很快 就用于制作假牙和补牙，至今仍在使用。1943年， 赛璐珞薄膜开始用于血液透析。
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1949年，美国首先发表了医用高分子的展望性 论文。在文章中，第一次介绍了利用PMMA作为人的 头盖骨、关节和股骨，利用聚酰胺纤维作为手术缝 合线的临床应用情况。50年代，有机硅聚合物被用 于医学领域，使人工器官的应用范围大大扩大，包 括器官替代和整容等许多方面。
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第八章 医用高分子材料
目前在实际应用中，更实用的是仅将医用高分 子分为两大类，一类是直接用于治疗人体某一病变 组织、替代人体某一部位或某一脏器、修补人体某 一缺陷的材料。如用作人工管道（血管、食道、肠 道、尿道等）、人造玻璃体（眼球）、人工脏器 （心脏、肾脏、肺、胰脏等）、人造皮肤、人造血 管，手术缝合用线、组织粘合剂、整容材料（假 耳、假眼、假鼻、假肢等）的材料。
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另一类则是用来制造医疗器械、用品的材料， 如注射器、手术钳、血浆袋等。这类材料用来为医 疗事业服务，但本身并不具备治疗疾病、替代人体 器官的功能，因此不属功能高分子的范畴。 国内通常将高分子药物单独列为一类功能性高 分子，故不在医用高分子范围内讨论。 本章讨论直接用于治疗人体病变组织，替代人 体病变器官、修补人体缺陷的高分子材料。
（2）与皮肤、粘膜接触的材料 用这类材料制造的医疗器械和用品，需与人体 肌肤与粘膜接触，但不与人体内部组织、血液、体 液接触，因此要求无毒、无刺激，有一定的机械强 度。用这类材料制造的物品如手术用手套、麻醉用 品（吸氧管、口罩、气管插管等）、诊疗用品（洗 眼用具、耳镜、压舌片、灌肠用具、肠、胃、食道 窥镜导管和探头、腔门镜、导尿管等）、绷带、橡 皮膏等。人体整容修复材料，例如假肢、假耳、假 眼、假鼻等，也都可归入这一类中。
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（1）化学隋性，不会因与体液接触而发生反应 人体环境对高分子材料主要有以下一些影响： 1)体液引起聚合物的降解、交联和相变化； 2)体内的自由基引起材料的氧化降解反应； 3)生物酶引起的聚合物分解反应； 4)在体液作用下材料中添加剂的溶出； 5)血液、体液中的类脂质、类固醇及脂肪等物 质渗入高分子材料，使材料增塑，强度下降。
此后，一大批人工器官在50年代试用于临床。 如人工尿道（1950年）、人工血管（1951年）、 人工食道（1951年）、人工心脏瓣膜（1952年）、 人工心肺（1953年）、人工关节（1954年）、人工 肝（1958年）等。 进入60年代，医用高分子材料开始进入一个崭 新的发展时期。
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（3）按生物医学用途分类 1）硬组织相容性高分子材料 如骨科、齿科用高分子材料； 2）软组织相容性高分子材料 3）血液相容性高分子材料 4）高分子药物和药物控释高分子材料
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（4）按与肌体组织接触的关系分类 1) 长期植入材料 如人工血管、人工关节、人工晶状体等。 2) 短期植入（接触）材料 如透析器、心肺机管路和器件等。 3) 体内体外连通使用的材料 如心脏起搏器的导线、各种插管等。 4) 与体表接触材料及一次性医疗用品材料
60年代以前，医用高分子材料的选用主要是根 据特定需求，从已有的材料中筛选出合适的加以应 用。由于这些材料不是专门为生物医学目的设计和 合成的，在应用中发现了许多问题，如凝血问题、 炎症反应、组织病变问题、补体激活与免疫反应问 题等。人们由此意识到必须针对医学应用的特殊需 要，设计合成专用的医用高分子材料。
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众所周知，生物体是有机高分子存在的最基本 形式，有机高分子是生命的基础。动物体与植物体 组成中最重要的物质——蛋白质、肌肉、纤维素、 淀粉、生物酶和果胶等都是高分子化合物。因此， 可以说，生物界是天然高分子的巨大产地。高分子 化合物在生物界的普遍存在，决定了它们在医学领 域中的特殊地位。在各种材料中，高分子材料的分 子结构、化学组成和理化性质与生物体组织最为接 近，因此最有可能用作医用材料。
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（5）药用高分子 这类高分子包括大分子化药物和药物高分子。 前者是指将传统的小分子药物大分子化，如聚青霉 素；后者则指本身就有药理功能的高分子，如阴离 子聚合物型的干扰素诱发剂。
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除此之外，还有以下一些常用的分类方法。 （1）按材料的来源分类 1）天然医用高分子材料 如胶原、明胶、丝蛋白、角质蛋白、纤维素、 多糖、甲壳素及其衍生物等。 2）人工合成医用高分子材料 如聚氨酯、硅橡胶、聚酯等。
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但对医用高分子来说，在某些情况下，“老化” 并不一定都是贬意的，有时甚至还有积极的意义。 如作为医用粘合剂用于组织粘合，或作为医用手术 缝合线时，在发挥了相应的效用后，反倒不希望它 们有太好的化学稳定性，而是希望它们尽快地被组 织所分解、吸收或迅速排出体外。在这种情况下， 对材料的附加要求是：在分解过程中，不应产生对 人体有害的副产物。
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8.1.2 医用高分子的分类 医用高分子是一门较年轻的学科，发展历史不 长，因此医用高分子的定义至今尚不十分明确。另 外，由于医用高分子是由多学科参与的交叉学科， 根据不同学科领域的习惯出现了不同的分类方式。 目前医用高分子材料随来源、应用目的等可以 分为多种类型。各种医用高分子材料的名称也很不 统一。
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从应用情况看，人工器官的功能开始从部分取 代向完全取代发展，从短时间应用向长时期应用发 展，从大型向小型化发展，从体外应用向体内植入 发展、人工器官的种类从与生命密切相关的部位向 人工感觉器官、人工肢体发展。
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医用高分子材料研发过程中遇到的一个巨大难 题是材料的抗血栓问题。当材料用于人工器官植入 体内时，必然要与血液接触。由于人体的自然保护 性反应将产生排异现象，其中之一即为在材料与肌 体接触表面产生凝血，即血栓，结果将造成手术失 败，严重的还会引起生命危险。对高分子材料的抗 血栓性研制是医用高分子研究中的关键问题，至今 尚未完全突破。将是今后医用高分子材料研究中的 首要问题。
（2）按材料与活体组织的相互作用关系分类 1）生物惰性高分子材料 在体内不降解、不变性、不会引起长期组织反 应的高分子材料，适合长期植入体内。 2）生物活性高分子材料 指植入生物体内能与周围组织发生相互作用， 促进肌体组织、细胞等生长的材料。
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3）生物吸收高分子材料 这类材料又称生物降解高分子材料。这类材 料在体内逐渐降解，其降解产物能被肌体吸收代 谢，获通过排泄系统排出体外，对人体健康没有 影响。如用聚乳酸制成的体内手术缝合线、体内 粘合剂等。
（4）长期植入体内的材料 用这类材料制造的人工脏器或医疗器具，一经 植入人体内，将伴随人的终生，不再取出。因此要 求有非常优异的生物体适应性和抗血栓性，并有较 高的机械强度和稳定的化学、物理性质。用这类材 料制备的人工脏器包括：脑积水症髓液引流管、人 造血管、人工瓣膜、人工气管、人工尿道、人工骨 骼、人工关节、手术缝合线、组织粘合剂等。
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日本医用高分子专家樱井靖久将医用高分子分 成如下的五大类： （1）与生物体组织不直接接触的材料 这类材料用于制造虽在医疗卫生部门使用，但 不直接与生物体组织接触的医疗器械和用品。如药 剂容器、血浆袋、输血输液用具、注射器、化验室 用品、手术室用品等。
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第八章 医用高分子材料
8.1. 概述
8.1.1 医用高分子的概念及其发展简史 生命科学是21世纪备受关注的新型学科。而与 人类健康休戚相关的医学在生命科学中占有相当重 要的地位。医用材料是生物医学的分支之一，是由 生物、医学、化学和材料等学科交叉形成的边缘学 科。而医用高分子材料则是生物医用材料中的重要 组成部分，主要用于人工器官、外科修复、理疗康 复、诊断检查、患疾治疗等医疗领域。
9第Biblioteka 章 医用高分子材料高分子材料虽然不是万能的，不可能指望它解 决一切医学问题，但通过分子设计的途径，合成出 具有生物医学功能的理想医用高分子材料的前景是 十分广阔的。有人预计，在21世纪，医用高分子将 进入一个全新的时代。除了大脑之外，人体的所有 部位和脏器都可用高分子材料来取代。仿生人也将 比想象中更快地来到世上。
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美国国立心肺研究所在这方面做了开创性的工 作，他们发展了血液相容性高分子材料，以用于与 血液接触的人工器官制造，如人工心脏等。从70年 代始，高分子科学家和医学家积极开展合作研究， 使医用高分子材料快速发展起来。至80年代以来， 发达国家的医用高分子材料产业化速度加快，基本 形成了一个崭新的生物材料产业。
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8.1.3 对医用高分子材料的基本要求 医用高分子材料是一类特殊用途的材料。它们 在使用过程中，常需与生物肌体、血液、体液等接 触，有些还须长期植入体内。由于医用高分子与人 们的健康密切相关，因此对进入临床使用阶段的医 用高分子材料具有严格的要求，要求有十分优良的 特性。归纳起来，一个具备了以下七个方面性能的 材料，可以考虑用作医用材料。
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（3）与人体组织短期接触的材料 这类材料大多用来制造在手术中暂时使用或暂 时替代病变器官的人工脏器，如人造血管、人工心 脏、人工肺、人工肾脏渗析膜、人造皮肤等。这类 材料在使用中需与肌体组织或血液接触，故一般要 求有较好的生物体适应性和抗血栓性。