1、第六張生物醫(yī)用材料上課第六章 生物醫(yī)用高分子材料表1 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2皮 膚硝基纖維素，聚硅酮尼龍復(fù)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

2、，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羥乙基淀粉，聚乙烯基吡咯烷酮膽 管硅橡膠 根據(jù)人工臟器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、人工氣管等。3.2 人工臟器的分類 4 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。 第三類：功能比較單一，只能部分替代人體臟器的功能

3、，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(fù)雜的臟器功能。5 第四類：正在進行探索的人工臟器。這是指那些功能特別復(fù)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(xué)水平有一重大飛躍。 第五類：整容性修復(fù)材料，如人工耳朵、人工鼻子、假肢等。這些部件一般不具備特殊的生理功能，但能修復(fù)人體的殘缺部分，使患者重新獲得端正的儀表。從社會學(xué)和心理學(xué)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)鍵材料。6 對于人工臟器而言，血

4、液的相容性顯得尤為重要。血液在以下兩種情況下會發(fā)生異常：1.當血管受損傷時，血液離開血管進入組織時，會發(fā)生自動凝血；2.血液與異物表面接觸時，可能發(fā)生溶血或凝血，從而形成血栓。顯然，不解決上述問題，高分子材料就不能在人體中應(yīng)用高分子材料的血液相容性7（1）血栓的形成 通常，當人體的表皮受到損傷時，流出的血液會自動凝固，稱為血栓。實際上，血液在受到下列因素影響時，都可能發(fā)生血栓： 血管壁特性與狀態(tài)發(fā)生變化； 血液的性質(zhì)發(fā)生變化； 血液的流動狀態(tài)發(fā)生變化。3.3.1 高分子材料的凝血作用8 根據(jù)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的觀點，對血液的循環(huán)，人體內(nèi)存在兩個對立系統(tǒng)，即促使血小板生成和血液凝固的凝血系統(tǒng)和由肝素、抗凝

5、血酶以及促使纖維蛋白凝膠降解的溶纖酶等組成的抗凝血系統(tǒng)。當材料植入體內(nèi)與血液接觸時，血液的流動狀態(tài)和血管壁狀態(tài)都將發(fā)生變化，凝血系統(tǒng)開始發(fā)揮作用，從而發(fā)生血栓。血栓的形成9 血栓的形成機理是十分復(fù)雜的。一般認為，異物與血液接觸時，首先將吸附血漿內(nèi)蛋白質(zhì)，然后粘附血小板，繼而血小板崩壞，放出血小板因子，在異物表面凝血，產(chǎn)生血栓。此外，紅血球粘附引起溶血；凝血致活酶的活化，也都是形成血栓的原因。（見圖2) 血栓的形成機理10圖2 血栓形成過程示意圖 血栓的形成機理111) 血小板的粘附與材料表面能有關(guān) 實驗發(fā)現(xiàn)，血小板難粘附于表面能較低的有機硅聚合物，而易粘附于尼龍、玻璃等高能表面上。此外，在聚甲

6、基丙烯酸羥乙酯、接枝聚乙烯醇、主鏈和側(cè)鏈中含有聚乙二醇結(jié)構(gòu)的親水性材料表面上，血小板的粘附量都比較少。這可能是由于容易被水介質(zhì)潤濕而具有較小的表面能。因此，有理由認為，低表面能材料具有較好的抗血栓性。（2）影響血小板在材料表面粘附的因素12 人體中正常血管的內(nèi)壁是帶負電荷的，而血小板、血球等的表面也是帶負電荷的，由于同性相斥的原因，血液在血管中不會凝固。 因此，對帶適當負電荷的材料表面，血小板難于粘附，有利于材料的抗血栓性。但也有實驗事實表明，血小板中的凝血因子在負電荷表面容易活化。因此，若電荷密度太大，容易損傷血小板，反而造成血栓。2) 血小板的粘附與材料表面的電荷性質(zhì)有關(guān)13 有些高分子材

7、料與水接觸后能形成高含水狀態(tài)（2090以上）的水凝膠。在水凝膠中，由于含水量增加而使高分子的實質(zhì)部分減少，因此，植入人體后，與血液的接觸機會也減少，相應(yīng)的血小板粘附數(shù)減少。實驗表明，丙烯酰胺、甲基丙烯酸羥乙酯和帶有聚乙二醇側(cè)基的甲基丙烯酸酯與其他單體共聚或接枝共聚的水凝膠，都具有較好的抗血栓性。3) 血小板的粘附與材料的含水率有關(guān)14 綜合上述討淪不難看出，無論是疏水性聚合物還是親水性聚合物，都可在一定程度上具有抗血栓性。進一步的研究表明，材料的抗血栓性，并不簡單決定于其是疏水性的還是親水性的，而是決定于它們的平衡值。一個親水疏水性調(diào)節(jié)得較合適的聚合物，往往有足夠的吸附力吸附蛋白質(zhì)，形成一層隋

8、性層，從而減少血小板在其上層的粘附。4) 血小板的粘附與材料表面疏水親水平衡有關(guān)15 由于凝血效應(yīng)與血液的流動狀態(tài)有關(guān)，血液流經(jīng)的表面上有任何障礙都會改變其流動狀態(tài)，因此材料表面的平整度將嚴重影響材料的抗血栓性。據(jù)研究知，材料表面若有3m以上凹凸不變的區(qū)域，就會在該區(qū)域形成血栓。 由此可見，將材料表面盡可能處理得光滑，以減少血小板、細胞成分在表面上的粘附和聚集，是減少血栓形成可能性的有效措施之一。5) 血小板的粘附與材料表面的光滑程度有關(guān)163.4 高分子在人工臟器的應(yīng)用現(xiàn)狀 高分子材料作為人工心臟、人工心臟瓣膜、人工血管、人工腎等的醫(yī)用材料，正在越來越廣泛地得到運用。 人工臟器的應(yīng)用正從大型

9、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。 第六章 生物醫(yī)用高分子材料17人工心臟 人工心臟是利用外在機械動力作用把血液輸送到全身各器官以代替原有心臟功能的裝置。所用材料主要為高分子和金屬。高分子如聚酯用作人工心臟主體的制作，金屬材料如Ti合金主要作為心臟瓣膜、心室，其堅固性、輕質(zhì)、表面光滑性非常適于人工心臟。血液相容性（血栓和溶血）及組織相容性（感染）等是人工心臟失效的常見問題，對瓣膜等材料進行改性以提高其生物相容性 。二3.4.1 人工心臟和人工心臟瓣膜可植入心臟內(nèi)代替原有天然心臟瓣膜（主動脈瓣、肺動脈瓣、三尖瓣、二尖瓣），能使血液單向流動，具有天然心臟瓣膜功能的人

10、工器官。主要分為機械瓣，人體組織瓣，動物組織瓣等。人體組織瓣的應(yīng)用有兩種：同種異體移植：將一個瓣膜從一個人移植到另一個人。自身移植：從本人的一個部位移植到另一個部位。應(yīng)用最多的自身移植是將肺動脈瓣移植到主動脈瓣，稱為Ross手術(shù)。圖5-7 生物組織瓣膜實物圖3.4.2 人工心臟瓣膜定義：又稱人工透析機，一種透析治療設(shè)備，是用人工方法模仿人體腎小球的過濾作用，在體外循環(huán)的情況下，去除人體血液內(nèi)過剩的含氮化合物、新陳代謝產(chǎn)物或逾量藥物等，調(diào)節(jié)水和電解質(zhì)平衡，以使血液凈化的一種高技術(shù)醫(yī)療儀器。原理：應(yīng)用的膜分離技術(shù)原理，需從病人動脈將血液引流出來，在人工腎經(jīng)過透析后再從靜脈輸入病人體內(nèi)。組成：血液凈

11、化系統(tǒng)（透析器）、透析液供給系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)三部分透析器是人工腎的核心部分，現(xiàn)有用于透析器的膜材料主要有用化學(xué)方法從棉花中提取的再生纖維素和改良纖維素，以及一些高分子聚合物如聚丙烯睛、聚酰胺、乙烯乙烯醇共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯等。人工腎（人工透析機） 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。 人工皮膚

12、3.4.4 人造皮膚材料21 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(yīng)用于臨床。高吸水性樹脂用于制作人造皮膚方面的研究，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。22 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。23 將人

13、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的多孔層與有機硅材料復(fù)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。 24第六章 醫(yī)用高分子材料4.1 整形與修復(fù)材料高分子材料在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中首先得以應(yīng)用的就是整形與修復(fù)材料，如義眼、假牙，整容材料，人工骨、人工關(guān)節(jié)等。主要內(nèi)容：眼科材料齒科材料人工骨和關(guān)節(jié)人工肌腱與皮膚第六章 醫(yī)用高分子材料4.1 整形與修復(fù)材料眼科材料 眼科材料包括接觸眼鏡、

14、人工角膜、人工玻璃體和人工晶狀體等。（一）接觸眼鏡 接觸眼鏡是為了矯正視力而在角膜外貼附的一層透明鏡片，熟稱“隱形眼鏡”。通常作為軟接觸的聚合物是聚甲基丙烯酸羥乙酯、聚N-乙烯基吡咯烷酮或兩者的交聯(lián)聚合體。第六章 醫(yī)用高分子材料4.1 整形與修復(fù)材料（二）人工玻璃體 接觸眼鏡是為了矯正視力而在角膜外貼附的一層透明鏡片，熟稱“隱形眼鏡”。通常作為軟接觸的聚合物是聚甲基丙烯酸羥乙酯、聚N-乙烯基吡咯烷酮或兩者的交聯(lián)聚合體。 在角膜外，可附上一層透明的鏡片，代替通常的眼鏡以矯正視力；當角膜因病變或外傷而造成損壞時，則可以用人工角膜來代用，使盲人重見光明；（三） 人工角膜 由于疾病或意外傷害引起的角膜

15、渾濁，如將瞳孔遮住，就要造成失明。除進行人體角膜移植外，用透明的高分子材料制成人工角膜，現(xiàn)已取得良好的效果。如用硅橡膠或聚甲基丙烯酸酯類、聚酯等材料的薄片，并帶有能與人體角膜粘合的固定結(jié)構(gòu)件，植入己除去混濁角膜的眼球上，便能達到頂期的目的。 28（四） 人工晶狀體 人眼中的晶狀體，猶如照相機中高折射率的鏡頭。如在眼疾手術(shù)（白內(nèi)障手術(shù)）后，晶狀體也被摘除，則需佩戴高倍折射率的眼鏡，十分不便。而如能將一種透明而具有高折射率的人工晶狀體植于眼內(nèi)，便可使病人恢復(fù)視力。這種人工晶狀體一般用聚甲基丙烯酸酯類的透明高分子材料制成。 為了使人工晶狀體插入，還必須附帶必要的固定件。固定件一般采用改性材料制成，如

16、用甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸丁酯共聚以增加其韌性，也可采用甲基丙烯酸環(huán)己酯和甲基丙烯酸丁酯共聚，以提高其折光性和韌性。29 齒科材料 齒科所用的材料包括高分子材料、合金、陶瓷等。其中高分子材料的研究、發(fā)展和應(yīng)用最為活躍。 將從齲齒填補、假牙鑲補及在顎骨內(nèi)埋植等三個方面闡述高分子材料的研究和應(yīng)用情況。齲齒填補用樹脂 齲齒填補用樹脂是充填于齲齒空洞部分所采用的高分子材料的通稱。這種材料必須在填補以后，常溫下幾分鐘之內(nèi)硬化，補好空洞，抑制齲蛀，保護牙組織的正常生理功能。因此這種樹脂必須具備以下條件： 具有與人體組織的適應(yīng)性，對齒組織及口腔粘膜等沒有危害作用； 30 具有化學(xué)穩(wěn)定性，在口腔內(nèi)長期留置，

17、不受唾液、食物、細菌、酶等的分解，不易老化，不會溶解滲出其他物質(zhì)； 色澤穩(wěn)定，從美容的觀點出發(fā)，應(yīng)具與人齒及牙根相似的色澤，不易變色，不被污染，受紫外線照射也不變色和退色； 形狀、尺寸穩(wěn)定，聚合固化時收縮小，咬合受壓時變形小，熱膨脹系數(shù)小； 有適當?shù)臋C械性能，如具有一定的硬度、抗拉強度、壓縮強度、彈性率、耐磨擦性、耐疲勞性等；31 樹脂充填材料，其主要成分為丙烯酸類樹脂、無機填料、引發(fā)劑等。 樹脂基質(zhì)可選用聚甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯丙烯酸甲酯共聚物、丙烯酸環(huán)氧樹脂、羥甲基環(huán)氧樹脂、芳香族雙甲基丙烯酸酯類聚合物等材料。 樹脂填充材料的組成32人工種植牙 人工種植牙是利用人工生物材料制造的仿

18、生牙，醫(yī)生將其植入患者的頜骨內(nèi)以修復(fù)失牙，重建咀嚼功能。人工種植牙這種仿生器官被植入牙床后，不僅形態(tài)逼真、美觀患者感覺像真牙一樣，而且沒有傳統(tǒng)假牙的塑料基托、金屬卡環(huán)等的外觀和異物感，并可像真牙一樣咀嚼食物。被稱為人類的“第三副牙齒”。33 人工種植牙更確切的稱謂應(yīng)是人工種植牙根。因為種植到頜骨內(nèi)的僅僅是相當于牙根的部分，待這部分種植體與頜骨愈合之后，再在種植體上鑲牙。 真正的骨內(nèi)種植開始于十九世紀。這個時期，種植治療已屢有報告，種植材料大大增加，如金、銀、瓷、象牙、貝殼等。據(jù)報告，種植成功的時間有長達八年之久。 現(xiàn)代種植牙的發(fā)展始于1978年。這一年，美國國家醫(yī)學(xué)研究所在哈佛召開了一次研討會

19、，嚴格地討論了種植牙的優(yōu)點和危險性，第一次從專業(yè)角度，正面肯定了種植牙。341、以鈦合金為主的金屬合金材料，其優(yōu)點是強度高，但對組織和骨的適應(yīng)性均較差。2、陶瓷材料，具有機械強度高、耐腐蝕、無刺激和毒性、與組織相容性好。3、高分子材料，某些高分子材料與人體結(jié)構(gòu)的天然高分子有較相近的化學(xué)結(jié)構(gòu)，但易被生物體降解并刺激生物體。4、復(fù)合材料。人體牙齒往往是包含著有機物和無機物的 復(fù)雜復(fù)合體。上述單一材料由于受到單一結(jié)構(gòu)的限制，往往不能滿足生物體的要求。因此復(fù)合材料的應(yīng)用日趨廣泛。種植牙材料35 骨骼是人體的支架。它具有保護體內(nèi)的腦、心、肝、脾、肺及盆腔內(nèi)諸器官、支持體形、承受體重的作用，并作為肌肉收縮

20、和活動時的杠桿，通過關(guān)節(jié)而產(chǎn)生各種運動。 、 人工骨和人工關(guān)節(jié)第六章 醫(yī)用高分子材料 高分子材料在骨科的應(yīng)用和研究有很長的歷史。 1850年已有人用硫化橡膠作為下顎骨和頭蓋骨； 1894年有人用賽璐珞制成頭蓋骨，但組織刺激性強， 而且有人提出了在它的埋植體周圍發(fā)生惡性腫瘤的報告。 1 、發(fā)展歷史人體骨骼示意圖36 1949年曾經(jīng)出現(xiàn)過用尼龍制的人工骨在肩、臂、指關(guān)節(jié)、股關(guān)節(jié)等處應(yīng)用。但因尼龍對人體組織的刺激性很大，現(xiàn)已不采用。 1963年英國研究出用高密度聚乙烯作為人工股關(guān)節(jié)的窩部，而用金屬制成在窩部轉(zhuǎn)動的關(guān)節(jié)頭，但由于金屬對聚乙烯的磨損比較厲害，后來在金屬關(guān)節(jié)頭的表面附上一層陶瓷。作為人工關(guān)

21、節(jié)的窩部材料，也曾試用過聚四氟乙烯等。 上世紀70年代，有人用聚氯乙烯、聚四氟乙烯等表面發(fā)泡材料作為人工骨應(yīng)用于臨床，發(fā)現(xiàn)它與人體組織適應(yīng)性較好。 還有人將一種發(fā)泡的氧化鋁陶瓷浸在環(huán)氧樹脂中制成增強的復(fù)合材料，作為人工骨應(yīng)用于臨床。第六章 生物醫(yī)用高分子材料37(一)人工肌腱 1976年美國巴特爾哥倫布研究 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

22、的損耗和鹽分的丟失，從而達到保護創(chuàng)面的目的。 人工肌腱與皮膚38 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(yīng)用于臨床。高吸水性樹脂用于制作人造皮膚方面的研究，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。39 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。40 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的多孔層與有機硅材料復(fù)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。 41 整容材料 由于外傷、疾病或發(fā)育不全而引起的組織缺損，以及純粹是出于化妝要求而需要的容貌修整，很早以前就采用橡膠、石蠟等材料進行修補，以恢復(fù)部分功能或達到美容要求。高分子材料在