第八章-医用高分子材料gn08.ppt
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1、第八章第八章 医用高分子材料医用高分子材料(cilio)(cilio)1.概述概述1.1 医用高分子的概念及其发展简史医用高分子的概念及其发展简史 生命科学是生命科学是2121世纪备受关注的新型学科。而与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。要的地位。医用材料医用材料是生物医学的分支之一,是由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生物、医学、化学和材料等学科交叉形成的边缘学科。而科。而医用高分子材料医用高分子材料则是生物医用材料中的重要则是生物医用材料中的重要组成部分,主要用
2、于组成部分,主要用于人工人工(rngng)(rngng)器官、外科修复、理器官、外科修复、理疗康疗康复、诊断检查、患疾治疗等医疗领域复、诊断检查、患疾治疗等医疗领域。1第一页,共一百六十六页。众所周知,生物体是有机高分子存在的最基本众所周知,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。形式,有机高分子是生命的基础。动物体与植物体动物体与植物体组成中最重要的物质组成中最重要的物质蛋白质、肌肉、纤维素、蛋白质、肌肉、纤维素、淀粉、生物酶和果胶淀粉、生物酶和果胶等都是高分子化合物。因此,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。高分子可以说,生物界是天然高分子的
3、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域中的特殊地位。在各种材料中,高分子材料的分。在各种材料中,高分子材料的分子结构、化学子结构、化学(huxu)(huxu)组成和理化性质与生物体组织最组成和理化性质与生物体组织最为接为接近,因此最有可能用作医用材料。近,因此最有可能用作医用材料。第八章第八章 医用高分子材料医用高分子材料(cilio)(cilio)2第二页,共一百六十六页。医用高分子材料发展的动力来自医学领域的客医用高分子材料发展的动力来自医学领域的客观需求。当人体器官或组织因疾病或外伤受到损坏观需求。当人体器
4、官或组织因疾病或外伤受到损坏时,需要器官移植。然而,时,需要器官移植。然而,只有在很少的情况下,只有在很少的情况下,人体自身的器官(如少量皮肤)可以满足需要人体自身的器官(如少量皮肤)可以满足需要。采。采用同种异体移植或异种移植,往往具有用同种异体移植或异种移植,往往具有排异反应排异反应,严重时导致移植失败。在此情况下,人们自然设想严重时导致移植失败。在此情况下,人们自然设想利用其他利用其他(qt)(qt)材料修复或替代受损器官或组织。材料修复或替代受损器官或组织。第八章第八章 医用高分子材料医用高分子材料(cilio)(cilio)3第三页,共一百六十六页。早在早在公元前公元前3500350
5、0年,埃及人就用棉花纤维、马年,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。公元前骨。公元前500500年的中国和埃及墓葬中发现假牙、年的中国和埃及墓葬中发现假牙、假鼻、假耳假鼻、假耳。进入。进入2020世纪世纪(shj)(shj),高分子科学迅速发,高分子科学迅速发展,展,新的合成高分子材料不断出现,为医学领域提供了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。更多的选择余地。19361936年发明了有机玻璃后,很快年发明了有机玻璃后,很快就用于制作假牙和补牙就用于制作假牙和补牙,至今仍在使用。,至今仍在使用
6、。19431943年,年,赛璐珞薄膜开始用于血液透析赛璐珞薄膜开始用于血液透析。第八章第八章 医用高分子材料医用高分子材料(cilio)(cilio)4第四页,共一百六十六页。19491949年,美国首先年,美国首先(shuxin)(shuxin)发表了医用高分子的发表了医用高分子的展望性展望性论文。在文章中,第一次介绍了论文。在文章中,第一次介绍了利用利用PMMAPMMA作为人的作为人的头盖骨、关节和股骨头盖骨、关节和股骨,利用聚酰胺纤维作为手术缝利用聚酰胺纤维作为手术缝合线合线的临床应用情况。的临床应用情况。5050年代,有机硅聚合物被用年代,有机硅聚合物被用于医学领域于医学领域,使人工器
7、官的应用范围大大扩大,包,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。括器官替代和整容等许多方面。第八章第八章 医用高分子材料医用高分子材料(cilio)(cilio)5第五页,共一百六十六页。此后,一大批人工器官在此后,一大批人工器官在5050年代试用于临床年代试用于临床(ln(ln chun)chun)。如如人工尿道(人工尿道(19501950年)、人工血管(年)、人工血管(19511951年)、年)、人工食道(人工食道(19511951年)、人工心脏瓣膜(年)、人工心脏瓣膜(19521952年)、年)、人工心肺(人工心肺(19531953年)、人工关节(年)、人工关节(1
8、9541954年)、人工年)、人工肝(肝(19581958年)年)等。等。进入进入6060年代,医用高分子材料开始进入一个崭年代,医用高分子材料开始进入一个崭新的发展时期。新的发展时期。第八章第八章 医用高分子材料医用高分子材料(cilio)(cilio)6第六页,共一百六十六页。60 60年代以前,医用高分子材料年代以前,医用高分子材料(cilio)(cilio)的选用主要的选用主要是根是根据特定需求,从已有的材料中筛选出合适的加以应据特定需求,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
9、题,如合成的,在应用中发现了许多问题,如凝血问题、凝血问题、炎症反应、组织病变问题、补体激活与免疫反应问炎症反应、组织病变问题、补体激活与免疫反应问题题等。人们由此意识到必须针对医学应用的特殊需等。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。要,设计合成专用的医用高分子材料。第八章第八章 医用高分子材料医用高分子材料(cilio)(cilio)7第七页,共一百六十六页。美国国立心肺研究所在这方面做了开创性的工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,如血液接
10、触的人工器官制造,如人工心脏人工心脏等。从等。从7070年年代始,高分子科学家和医学家积极开展合作研究,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。至使医用高分子材料快速发展起来。至8080年代以来年代以来(yli)(yli),发达国家的医用高分子材料产业化速度加快,基本发达国家的医用高分子材料产业化速度加快,基本形成了一个形成了一个崭新的生物材料产业崭新的生物材料产业。第八章第八章 医用高分子材料医用高分子材料(cilio)(cilio)8第八页,共一百六十六页。医用高分于作为一门边缘学科,融和了医用高分于作为一门边缘学科,融和了高分子高分子化学、高分子物理、生
11、物化学、合成材料工艺学、化学、高分子物理、生物化学、合成材料工艺学、病理学、药理学、解剖学和临床医学病理学、药理学、解剖学和临床医学等多方面的知等多方面的知识,还涉及许多识,还涉及许多工程学工程学问题,如各种医疗器械的设问题,如各种医疗器械的设计、制造等。上述学科计、制造等。上述学科(xuk)(xuk)的相互交融、相互渗透,的相互交融、相互渗透,促促使医用高分子材料的品种越来越丰富,性能越来越使医用高分子材料的品种越来越丰富,性能越来越完善,功能越来越齐全。完善,功能越来越齐全。第八章第八章 医用高分子材料医用高分子材料(cilio)(cilio)9第九页,共一百六十六页。高分子材料虽然不是万
12、能高分子材料虽然不是万能,不可能指望它解,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,在十分广阔的。有人预计,在2121世纪,医用高分子将世纪,医用高分子将进入一个全新进入一个全新(qun xn)(qun xn)的时代。的时代。除了大脑之外,人体的除了大脑之外,人体的所有所有部位和脏器都可用高分子材料来取代部位和脏器都可用高分子材料来取代。仿生人也将。仿生人也将比想象中更快地来到世上。比想象中更快地来到世上。第八章第八章 医用高
13、分子材料医用高分子材料(cilio)(cilio)10第十页,共一百六十六页。目前用高分子材料制成的人工器官中,比较成目前用高分子材料制成的人工器官中,比较成功的有功的有人工血管、人工食道、人工尿道、人工心脏人工血管、人工食道、人工尿道、人工心脏瓣膜、人工关节、人工骨、整形瓣膜、人工关节、人工骨、整形(zhng xng)(zhng xng)材料材料等。巳等。巳取得重取得重大研究成果,但还需不断完善的有大研究成果,但还需不断完善的有人工肾、人工心人工肾、人工心脏、人工肺、人工胰脏、人工眼球、人造血液脏、人工肺、人工胰脏、人工眼球、人造血液等。等。另有一些功能较为复杂的器官,如另有一些功能较为复杂
14、的器官,如人工肝脏、人工人工肝脏、人工胃、人工子宫胃、人工子宫等。则正处于大力研究开发之中。等。则正处于大力研究开发之中。第八章第八章 医用高分子材料医用高分子材料(cilio)(cilio)11第十一页,共一百六十六页。从应用情况看,人工器官的功能开始从部分取从应用情况看,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发展、人工器官的种类从与生命密切相关的部位(bwi)(bwi)向向人工感觉器官、
15、人工肢体发展。人工感觉器官、人工肢体发展。第八章第八章 医用高分子材料医用高分子材料(cilio)(cilio)12第十二页,共一百六十六页。医用高分子材料研发过程中遇到的一个巨大难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题是材料的抗血栓问题抗血栓问题。当材料用于人工器官植入。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性反应将产生排异现象排异现象,其中之一即为在材料与肌,其中之一即为在材料与肌体接触表面产生凝血,即体接触表面产生凝血,即血栓血栓,结果将造成手术失,结果将造成手术失败,严重的还会引起败,严重
16、的还会引起(ynq)(ynq)生命危险。生命危险。对高分子材料对高分子材料的抗的抗血栓性研制是医用高分子研究中的关键问题血栓性研制是医用高分子研究中的关键问题,至今,至今尚未完全突破。将是今后医用高分子材料研究中的尚未完全突破。将是今后医用高分子材料研究中的首要问题首要问题。第八章第八章 医用高分子材料医用高分子材料(cilio)(cilio)13第十三页,共一百六十六页。1.2 医用高分子的分类医用高分子的分类 医用高分子是一门较年轻的学科,发展历史不医用高分子是一门较年轻的学科,发展历史不长,因此长,因此医用高分子的定义至今尚不十分明确医用高分子的定义至今尚不十分明确。另。另外,由于医用高
17、分子是由多学科参与的交叉学科,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。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、应用目前医用高分子材料随来源、应用(yngyng)(yngyng)目的目的等可以等可以分为多种类型。各种医用高分子材料的名称也很不分为多种类型。各种医用高分子材料的名称也很不统一。统一。第八章第八章 医用高分子材料医用高分子材料(cilio)(cilio)14第十四页,共一百六十六页。日本医用高分子专家樱井靖久将医用高分子分日本医用高分子专家樱井靖久将医用高分子分成如下成如下(rxi)(rxi)的五大类:的五
18、大类:(1 1)与生物体组织不直接接触的材料)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不直接与生物体组织接触的医疗器械和用品。如药。如药剂容器、血浆袋、输血输液用具、注射器、化验室剂容器、血浆袋、输血输液用具、注射器、化验室用品、手术室用品等。用品、手术室用品等。第八章第八章 医用高分子材料医用高分子材料(cilio)(cilio)15第十五页,共一百六十六页。(2 2)与皮肤、粘膜接触的材料)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,需与人体用这类材料制造的医疗器械和用品
19、,需与人体肌肤与粘膜接触,但不与人体内部组织、血液、体肌肤与粘膜接触,但不与人体内部组织、血液、体液接触液接触,因此要求无毒、无刺激,有一定的机械强,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、食道眼用具、耳镜、压舌片、灌肠用具、肠、胃、食道窥镜导管窥镜导管(dogun)(dogun)和探头、腔门镜、导尿管等)、绷带、和探头、腔门镜、导尿管等)、绷带、橡橡皮膏等。人体整容修复材料,例如假肢
20、、假耳、假皮膏等。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。眼、假鼻等,也都可归入这一类中。第八章第八章 医用高分子材料医用高分子材料(cilio)(cilio)16第十六页,共一百六十六页。(3 3)与人体组织短期接触的材料)与人体组织短期接触的材料 这类材料大多这类材料大多(ddu)(ddu)用来制造在手术中暂时使用用来制造在手术中暂时使用或暂或暂时替代病变器官的人工脏器时替代病变器官的人工脏器,如人造血管、人工心,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
21、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。求有较好的生物体适应性和抗血栓性。第八章第八章 医用高分子材料医用高分子材料(cilio)(cilio)17第十七页,共一百六十六页。(4 4)长期植入体内的材料)长期植入体内的材料(cilio)(cilio)用这类材料制造的人工脏器或医疗器具,一经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,不再取出植入人体内,将伴随人的终生,不再取出。因此要。因此要求有非常优异的生物体适应性和抗血栓性,并有较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。用这类材高的机械强度
22、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。骼、人工关节、手术缝合线、组织粘合剂等。第八章第八章 医用高分子材料医用高分子材料(cilio)(cilio)18第十八页,共一百六十六页。(5 5)药用高分子)药用高分子 这类高分子包括这类高分子包括大分子化药物大分子化药物(yow)(yow)和药物和药物(yow)(yow)高高分子分子。前者是指将传统的小分子药物大分子化,如聚青霉前者是指将传统的
23、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。子聚合物型的干扰素诱发剂。第八章第八章 医用高分子材料医用高分子材料(cilio)(cilio)19第十九页,共一百六十六页。除此之外,还有以下一些常用的分类方法。除此之外,还有以下一些常用的分类方法。(1 1)按材料的来源分类)按材料的来源分类 1 1)天然医用高分子材料)天然医用高分子材料 如胶原、明胶如胶原、明胶(mn jio)(mn jio)、丝蛋白、角质蛋白、纤、丝蛋白、角质蛋白、纤维素、维素、多糖、甲壳素及其衍生物等。多糖、甲壳素及其衍生物等
24、。2 2)人工合成医用高分子材料)人工合成医用高分子材料 如聚氨酯、硅橡胶、聚酯等。如聚氨酯、硅橡胶、聚酯等。第八章第八章 医用高分子材料医用高分子材料(cilio)(cilio)20第二十页,共一百六十六页。3 3)天然生物)天然生物(shngw)(shngw)组织与器官组织与器官 取自患者自体的组织,例如采用自身隐静取自患者自体的组织,例如采用自身隐静脉作为冠状动脉搭桥术的血管替代物;脉作为冠状动脉搭桥术的血管替代物;取自其他人的同种异体组织,例如利用他取自其他人的同种异体组织,例如利用他人角膜治疗患者的角膜疾病;人角膜治疗患者的角膜疾病;来自其他动物的异种同类组织,例如采用来自其他动物的
25、异种同类组织,例如采用猪的心脏瓣膜代替人的心脏瓣膜,治疗心脏病等。猪的心脏瓣膜代替人的心脏瓣膜,治疗心脏病等。第八章第八章 医用高分子材料医用高分子材料(cilio)(cilio)21第二十一页,共一百六十六页。(2 2)按材料与活体组织)按材料与活体组织(zzh)(zzh)的相互作用关系分类的相互作用关系分类 1 1)生物惰性高分子材料)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。应的高分子材料,适合长期植入体内。2 2)生物活性高分子材料)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,指
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