生物医用材料系列天然高分子生物医学材料共75页文档

• 人们对生命科学的浓厚兴趣在于人类本身就是
生命，
• 人们对生物医学高分子材料的重视与关切是因
为
–构成人体肌体的基本物质，诸如蛋白质、核
糖核酸、多糖、一些脂质都是高分子化合物； –人类肌体的皮肤，肌肉，组织和器官都是由 高分子化合物组成的。
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• 天然高分子材料是人类最早使用的医学材料之一。
• 到了五十年代中期，由于合成高分子的大量涌现，曾 使这类材料退居次要地位。 • 天然材料具有不可替代的优点： – 多功能性质 – 与生物体的相容性、 – 生物可降解性，
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• 膜的滤过速度一般以中分子量的维生素B12 （分子量1355）作为对照。 • 铜珞玢经过长期连续使用也可引起诸如神经
障碍、色素沉积等弊端，未移除的中分子量
物质在体内蓄积亦可引起病理症状和出现暂 时性白细胞减少症。
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醋酸纤维素膜：
• 是纤维素上的羟基被乙酰基部分取代所得到的产 物， • 它降低了氢键的影响，增加链时分离，使聚合物 活性降低， • 因而可以采用溶剂浇注法和熔融法进行加工。
在已知的数百种多糖中，其化学结构差异
很大，因而表现出不同的性能特点，如
• 水溶性和水不溶性、
• 酸性、碱性、中性存在体；
• 凝胶态生理信息载体， • 抗凝血活性物质等形式。
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一、纤维素
• 纤维素是由 D- 吡喃葡萄糖经由 β-1 ， 4 糖苷键连接 的高分子化合物。 • 具有不同的构型和结晶形式，是构成植物细胞壁 的主要成分。
也可使其转变为Ⅱ型结构。
• 从热力学角度考虑，Ⅱ型结构更为稳定。
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• 纤维的结晶程度在不同天然纤维也存在差异，
– 随着结晶程度的提高，其抗张程度、硬度、密度 增加， – 但弹性、韧性、膨润性、吸水性、化学反应性下 降。

化学法
利用化学反应将药物与高 分子材料结合，如接枝共 聚法、药物嵌入聚合物网 络法等。
生物法
利用生物分子和生物过程 将药物与高分子材料结合 ，如抗体偶联法、基因载 体法等。
高分子药物载体的性能评价
安全性评价
主要包括急性毒性试验、长期毒 性试验、致畸致癌性试验等，以 确保药物载体对人体的安全性。
有效性评价
生物医学高分子 材料课件
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目录
• 生物医学高分子材料概述 • 生物相容性高分子材料 • 生物降解性高分子材料 • 高分子药物载体 • 高分子组织工程支架材料 • 研究展望与挑战
01
生物医学高分子材料概述
定义与分类
生物医学高分子材料
指用于诊断、治疗、修复或替换人体组织或器官的材料。
分类
根据应用部位和功能，可分为生物惰性、生物活性、生物降 解和生物相容性高分子材料。
生物医学高分子材料的特性
生物惰性
指在体内稳定，不发生化学反应，无毒无害 。
生物降解
在体内可被分解为小分子，无害化排出体外 。
生物活性
具有诱发机体免疫反应的能力。
生物相容性
与人体组织相容，无排异反应。
生物医学高分子材料的应用
生物活性评价
检测支架材料是否具有促进 细胞生长和分化的生物活性 。
安全性评价
对支架材料进行安全性评估 ，包括急性毒性、慢性毒性 、致敏性等。
06
研究展望与挑战
新材料设计及制备技术展望
发展新的聚合反应
01
研究新的聚合反应，如活性聚合、基团转移聚合等，以实现高
分子材料的精确控制合成。
纳米技术和3D打印
骨骼系统
用于制作人工关节、骨板、骨 钉等。

生物医用材料系列生物医学材料
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表1-1
人工器官临床应用简表
人工器官名称 人工骨 人工肾 人工气管 人工尿道 人工血管 人工食道 心脏起搏器 人工心瓣膜 人工心肺 人工关节 人工肝 人工心脏（短期） 人工胰 人工血液 人工心脏
首例临床应用时间与作者
1 9 4 0 年 H .R .B o h lm a n 等 1 9 4 3 年 W .J.K o lff 等 1 9 4 8 年 O .T.C la ge e t 等 1 9 5 0 年 R .R .D e n ic o la 等 1 9 5 1 年 Z .D .B a ro n o fsk y 等 1 9 5 1 年 J.H .G rin d la y 等 1 9 5 2 年 P.M .Z o ll 等 1 9 5 2 年 C .H .H u fn a g ge l 等 1 9 5 3 年 J.H .G ib b o n 等 1 9 5 4 年 B .W a lld iu s 等 1 9 5 8 年 D .C .S h e c h te r 等 1 9 6 9 年 C o o le r 等 1 9 7 4 年 A lb isse r 等 1970 年 光 野 考 雄 等 1 9 8 2 年 D e Va rie s 等
生物医用材料系列生物医学材料
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人工器官的研究进展与 近代材料科学发展
20世纪初开发的高分子新材料促成了人工器官 的系统研究的开始;
1940年人工器官开始应用于临床 (表1-1);
人工器官目前的应用 (表1-2):
(除了脑和大多数内分泌器官以外)
– 从天灵盖到脚趾骨, – 从人体的内脏到皮肤,
– 从血液到五官…...
矫治白内障
提供光线传递到视网膜的 途径 矫治泪道慢性阴塞

生物医用高分子材料的应用领域
生物医用高分子材料在医疗器械、人工器官、组织工程、药物传递系统等领域具 有广泛的应用。
医疗器械如导管、支架等，人工器官如人工心脏瓣膜、人工关节等，组织工程如 组织工程支架、细胞培养基质等，药物传递系统如药物载体、控释系统等。
02
抗凝血材料的基本概念
抗凝血材料的定义
抗凝血材料
天然高分子抗凝血材料的研究进展
01
天然高分子抗凝血材料的提取与纯化
研究者们从天然资源中提取和纯化出具有抗凝血性能的高分子材料，如
胶原、明胶、壳聚糖等。这些材料具有良好的生物相容性和止血性能，
可广泛应用于创伤止血、手术缝合线等领域。
02
天然高分子抗凝血材料的改性研究
为了提高天然高分子抗凝血材料的性能，研究者们对其进行改性研究。
02
这些材料需具备良好的生物相容 性、安全性和有效性，同时需满 足特定医疗应用的需求。
生物医用高分子材料的分类
根据材料的性质和应用，生物医用高 分子材料可分为天然和合成两大类。
合成高分子材料如聚乙烯、聚丙烯等， 具有优良的物理和化学性能，广泛应 用于医疗器械和药物传递系统。
天然高分子材料如胶原、明胶等，主 要用于制造人工器官和组织工程支架。
良好的化学稳定性
化学稳定性是指材料在生理环境中能够保持其结构和性质的稳定性。生物医用高分子抗凝血材料需要具备良好的化学稳定性 ，以避免在体内发生降解和变质。
化学稳定性的评价方法包括热重分析、差示扫描量热分析和核磁共振谱等。这些试验能够帮助评估材料的化学稳定性，确保 其安全性和有效性。
无毒、无致敏性、无致癌性
复合抗凝血材料
将天然和合成抗凝血材料 结合在一起，形成具有优 异性能的复合抗凝血材料。

生物无机与有机高分子复合材料
❖ 几乎所有的生物体组织都是由两种或两种 以上的材料构成的
例如人体中的骨骼和牙齿可看作由胶原蛋白、 多糖基质等高分子构成的连续相和弥散于中 的羟基磷灰石晶粒复合而成。
❖ 利用高弹性模量的无机材料增强高分子材 料的刚性，并赋予其生物活性
❖ 利用高分子材料的可塑性增进生物无机材 料的韧性。
共聚调控降解时间
聚羟基丁酸酯PHB及其共聚物 可生物降解，用于药物释放载体和组织工程 多糖和蛋白质是自然界中重要的天然高分子，具有很好的生
物相容性、可降解性和低毒性，
聚原酸酯(Polyorthoesters,POE）
POE是通过多元酸或多元原酸酯与多元醇类 经无水条件下缩合形成原酸酯键而制成。
料的机械性能，导致断裂，还产生腐蚀产物， 对人体有刺激性和毒性。
常用的医用金属材料
❖ 1)齿科：镶牙、齿科矫形、牙根种植及辅助器件 ❖ 2)人工关节和骨折内固定器械：人工肩关节、肘关节、全髋
关节、半髋关节、膝关节、踝关节、腕关节及指关节。各种 规格的皮质骨和松质骨加压螺钉、脊椎钉、骨牵引钢丝、人 工椎体和颅骨板等， ❖ 3)心血管系统：各种传感器、植入电极的外壳和合金导线， 可制作不锈钢的人工心脏瓣膜、血管内扩张支架等 ❖ 4)其它：如用于各种眼科缝线、人工眼导线、眼眶填充、固 定环等。
要方法)a.热喷涂b.脉冲激光融覆c.离子溅射d.喷 砂法e.电结晶法f.电化学法g.离子注入
医用金属材料研究进展
医用镁及镁合金材料的研究 镁合金具备作为可降解骨植入材料的多方面优点：
(1) 镁是人体内含量最多的阳离子之一，几乎参 与人体内所有的新陈代谢过程。
(2) 镁及镁合金的弹性模量约为45GPa，更接近 人骨的弹性模量，能有效降低应力遮挡效应； 镁与镁合金的密度约为1.7g/cm3，与人骨密度 (1.75g/cm3)接近，符合理想接骨板的要求。

研究意义：
医用生物材料的基本要求是安全、 有效，研究甲壳素、壳聚糖及其 衍生物的使用安全性对该产品在 临床的推广和应用具有重要意义。
1、治疗外伤、创伤
甲壳素、壳聚糖等产品生物相容性好，且 具有止血、止痛、抑菌、促进肉芽组织和 上皮组织的形成等作用，是外伤、创伤治 疗的理想产品。
参考实验： 刘延敏[10]等－大鼠创伤愈合实验 胡丹[13]等－甲壳胺人工皮肤膜治疗指端
急性损伤
甲壳质缝线
2、治疗烧伤、烫伤
壳聚糖的线型分子链结构使其具有优良的成纤 性，其纤维可作为可吸收医用手术缝合线、人 造皮肤、止血材料、手术包扎材料等。壳聚糖 与胶原、明胶、抗菌药物等复合，改善物理性 能和功能特性，可应用于烧伤、烫伤病人的治 疗。
参考实验：
李瑞欣[15]－壳聚糖外、中、内三层急救烧伤敷料 姜广建[19]－壳聚糖、明胶、甘油复合透明型连续性
还有一些功能较为复杂的器官，如人工肝脏、 人工胃、人工子宫等，则正处于大力研究开 发之中。
人工关节
如： 德国UHMWPE材料
●ISO5834-2 ●ASTM F648 ●可用为人工关节、 人工骨骼植入人体 ●能耗极低
人工骨
小结
几丁质因为不溶于酸碱也不溶于水而 不能被身体利用。脱乙酰基后可增加 其溶解性因此可被身体吸收。几丁质 脱乙酰基纯度越高其品质越好。
制备来源：
自然界中,甲壳质存在于低等植物菌类、 藻类的细胞,甲壳动物虾、蟹、昆虫的 外壳，高等植物的细胞壁等，其量不 低于丰富的纤维素，是除纤维素以外 的又一大类重要多糖。据估计自然界 中，甲壳质每年生物合成的量多达 1000亿吨。
不可生物降解材料（生物惰性材料）-一种生物材 料在特殊应用中和宿主反应起作用的能力，要求 植入材料和机体间的相互作用能够永久地被协调。 在生物环境下自身不发生有害的物理（渗透、溶 解或吸附）或者化学反应（对酸碱酶稳定）。

（C）一般报道的整体HAP的断裂韧性在 0.7MPa · 1/2左右，人体骨的断裂韧性在2-10 m （2）羟基磷灰石的成型与 1/2之间。 MPa · m
（1）HAP的粉体制备工艺 烧结工艺
（3）HAP系复合材料目前 已达到的性能 （4）HAP系复合材料的应 用
HAP基复合材料主要应用在颌面骨、牙槽脊、 听小骨等非承重材料以及一些骨缺损的修复等方 面，而在承重材料方面尚没有应用。

发展
公元前2500年在中国及埃及人的墓穴中已
发现有假手、假耳等人工假体，我国隋唐 时代就有了补牙用的银膏。 金银铂 不锈钢 纯钛的骨钉、骨板 Ti-Ni形状记忆合金

目前国外有数以百万计的人靠人工器官维持着生 命。仅在美国，每年约有100万人接受人工器官的 植入手术。其中，人工心脏瓣膜3.5万人，人工血 管18万人；人工髋骨12.5万人；人工膝盖605万人； 人工肾5万人。 每年以20%—30%的速度递增。1980年世界销售 额达200亿美元，1990年增加到500亿美元。
金属纤维+生物活性玻璃 HA+PE
注：G—生物活性玻璃 HA—羟基磷灰石 P—金云母 W—硅灰石 PE—聚乙烯 A—磷灰石
生物材料的国内外研究现状
主要是指利用骨的压电效应能刺激骨 惰性生物陶瓷是指一类在生物环 随着生物陶瓷材料研究的深入 活性生物陶瓷是一类在生理环境中可 折愈合的特点，人们试图利用压电陶瓷与 境中能保持稳定，不发生或仅发生微 和越来越多医学问题的出现，对生 通过其表面发生的生物化学反应与生 生物活性陶瓷复合，在进行骨置换的同时， 弱化学反应的生物医学材料。主要包 物陶瓷材料提出了更高的要求。原 体组织形成化学键性结合的材料。其 利用生物体自身运动对置换体产生的压电 括氧化铝、氧化锆等陶瓷以及医用碳 先的生物陶瓷材料无论是生物惰性 发展始于1969年Hench等人首次发现 该类材料是将天然有机物 效应来刺激骨损伤部位的早期硬组织生长。 素材料。这类材料的发展期在上世纪 的还是生物活性的，强调的是材料 Na2 （如骨胶原、纤维蛋白以及骨 70年代以前。它们结构都比较稳定， 另外，将铁氧体与生物活性陶瓷复合，填 -CaO-SiO2-P2O5系统中的玻璃45S5 在生物体内的组织力学环境和生化 具有生物活性。目前主要包括羟基磷 形成因子等）和无机生物材料 充在因骨肿瘤而产生的骨缺损部位，利用 分子中的键力较强，而且都具有较高 环境的适应性，而现在组织电学适 灰石、磷酸三钙、石膏等可降解吸收 复合，以改善材料的力学性能 外加交变磁场，充填物因磁滞损耗而产生 的强度、耐磨性及化学稳定性。现在 应性和能参与生物体物质、能量交 陶瓷。它们在生理环境中可被逐渐的 和手术的可操作性，并能发挥 局部发热，杀死癌细胞，又不影响周围正 换的功能已成为生物材料应具备的 它们在临床上得到了广泛的应用[5-7]。 降解吸收，并随之为新生组织替代， 天然有机物的促进人体硬组织 常组织，也是研究方向之一。现在，功能 条件。因此，又提出了功能活性生 活性生物陶瓷的研究还处于探索阶段，临 物材料的概念[2]。 1.2.1生长的特性。 从而达到修复或替换被损坏组织的目 惰性生物陶瓷 的。 （1）模拟人体 床应用鲜有报道，但其发展应用前景是很 硬组织成分和 光明的。 结构的生物陶 生物陶瓷 1.2.2 活性生物陶瓷 瓷材料

5.3.1 分类
❖ 根据不同的分类方法人工器官可以分为如下几类：
❖ 1）按功能分：
（1）支持运动功能的人工器官，如人工关节、人工脊椎、人工骨、人工肌腱、肌电控制 人工假肢等。
（2）血液循环功能的人工器官，如人工心脏及其辅助循环装置、人工心脏瓣膜、人工血 管、人工血液等。
（3）呼吸功能的人工器官，如人工肺（人工心肺机）、人工气管、人工喉等。 （4）血液净化功能的人工器官，如人工肾（血液透析机）、人工肺等。 （5）消化功能的人工器官，如人工食管、人工胆管、人工肠等。 （6）排尿功能的人工器官，如人工膀胱、人工输尿管、人工尿道等。 （7）内分泌功能的人工器官，如人工胰、人工胰岛细胞。 （8）生殖功能的人工器官，如人工子宫、人工输卵管、人工睾丸等。 （9）神经传导功能的人工器官，如心脏起搏器、膈起搏器等。 （10）感觉功能的人工器官，如人工视觉、人工听觉（人工耳蜗）、人工晶体、人工角
5.2 高分子材料的特性
❖ 高分子材料：一类相对分子质量比一般有机化合物高得多的化 合物。
❖ 一般有机化合物的相对分子质量只有几十到几百，高分子化合 物是通过小分子单体聚合而成的相对分子质量高达上万甚至上 百万的聚合物。
❖ 通常高分子材料可以压延成膜；可以纺制成纤维；可以挤铸或 模压成各种形状的构件；可以产生强大的粘结能力；可以产生 巨大的弹性形变；并具有质轻、绝缘、高强、耐热、耐腐蚀、 自润滑等许多独特的性能。
❖ 旋光异构：有机物能构成互为镜影的两种异构体，表现出不同的旋光性。
❖ 例如饱和氢化物中的碳构成一个四面体，碳原子位于四面体中心，4个基团位 于四面体的顶点，当4个基团都不相同时，位于四面体中心的碳原子称为不对 称原子，用C*表示，其特点是C*两端的链节不完全相同。有一个C*存在，每一 个链节就有两个旋光异构体。

1、铜氨法：将纤维素溶于铜氨溶液中形成可溶 性络合物，然后与酸反应再生。
2、粘胶法：纤维素与碱和二硫化碳反应，生成 黄原酸，然后与酸反应再生。
3、热塑性醋酸纤维素与碱反应水解再生。
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硝酸纤维素：
是人们最早使用的血液透析膜材料，系用浓硝 酸和浓硫酸混合酸处理而得， 酯化后的纤维素仍 保持其纤维结构，反应式如下：
甲壳素缝线的伸长率也很理想。 在干燥状态下 为10%~12%， 在润湿状态下为17%~20%， 与天然组织相当，并适于打结。
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在手术伤口愈合过程中，甲壳素缝线与体内的抗张 强度逐渐下降。动物实验表明，
埋植于家兔背部肌肉内14天，其强度下降到原来的 45%，25天后下降至7%，但在体内完全溶解的期 限却比PGA缝线长，大致需要6个月。
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甲壳素一般来源于甲壳类动物，因而经过碱处理 后仍然有大约0.5%的氨基酸存在。但经过严格脱 乙酰的处理后，由于氨基酸的可溶性， 一般在壳 聚糖中就不再含有氨基酸，即使有也极其微量。
壳聚糖的金属离子含量正在引起人们的重视， 过 高的金属含量对于制作医用品（例如血液透析膜） 是不适宜的。
在商品壳聚糖中 ，经900℃处理， 其灰分约为 0.5% 。显然不符合医用要求，
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由于它们的结构和组成的差异，表现出不同的性 质，应用的领域也不完全一样。
相似之处在于它们在体内很容易降解，降解产物 对人体无毒且可为人体所吸收，参与人体的代谢 循环，因此具有广泛的潜在用途。
目前天然生物高分子材料主要有 天然多糖类材料和 天然蛋白质材料二大类。
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第一节
天然多糖类材料
多糖是由于许多单糖分子经失水缩聚，通过糖苷 键结合而成的天然高分子化合物；
缔合常数 Ka X 射线衍射数据 类胡萝卜素 氨基酸