张弢-高分子材料学课件 28 functional polymers 生物医用高分子.ppt
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1、功能高分子材料 II,生物医用高分子材料,什么是生物医用材料?,以医疗为目的,用于与组织接触以形成功能的无生命的材料。(ISO) 基本要求 材料与组织接触无急性毒性、无致敏、致炎、致癌作用和其它不良反应; 具备一定的耐腐蚀性; 相应的生物力学性能; 良好的加工性能。 金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料 短期使用的一次性高分子材料如塑料针筒、合成纤维纱布、绷带、导管等 长期与人体接触的材料,什么是生物相容性 ?,生物医用高分子材料除了应该具有一般的物理机械性能外,还必须具有生物功能性和生物相容性。 生物功能性(Biofunctionality)是指能够行使机体被代替器官或组织的相关功能,如
2、人工皮肤能覆盖肌肉组织,人工血管能传输血液,人工肾脏能净化血液、清除代谢物,人工心肺能使血液氧合并脱出二氧化碳等; 生物相容性(Biocompatibility)是指合成材料与机体组织和血液之间的适应性。材料的相容性欠佳,生物体将显示出排斥异体的本能从而导致发炎、过敏或血液凝固等。,有什么生物相容性?,抗血小板血栓形成 抗凝血性 抗溶血性 抗白细胞减少性 抗补体系统亢进性 抗血浆蛋白吸附性 抗细胞因子吸附性,细胞粘附性 无抑制细胞生长性 细胞激活性 抗细胞原生质转化性 抗炎症性 无抗原性 无诱变性 无致癌性 无致畸性,血液相容性,组织相容性,生物相容性,组织相容性,组织相容性要求材料植入人体后
3、与组织、细胞接触无任何不良反应。,血液相容性,凝血:指血液在某种非正常状态时出现的凝固、栓塞现象。(生物体本能的保护反应),除了传统的机械性能、可加工性能之外,抗凝血材料的主要工作是在材料表面的合成设计上 。,材料的生物学评价,1982:ASTM(美国材料试验协会)F748-82 1986:美、英、加拿大三国的标准 1992:ISO10993.1-1992 ISO10993.12-1992 我国:1997,GB/T16886系列标准 接触部位:表面、体外与体内、体内植入 接触时间:一时接触(24hr)、短中期接触(1-29天)、长期接触(30天) 试验项目:细胞毒性、致敏、刺激、急性毒性、遗传
4、毒性、溶血等9项基本评价和慢性毒性、致癌性等5项补充评价项目,抗凝血材料 I,具有不同亲水疏水性质表面性质的材料 亲水性材料往往含有较大量的水,与细胞和蛋白质的相互作用较小,因而与血液接触时的表面能变化较小,具有相对较好的抗凝血性能。如聚甲基丙烯酸-b-羟乙酯、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酰胺、聚乙烯基吡咯烷酮等。 聚四氟乙烯和有机硅材料由于表面自由能低,表面张力小(疏水性大),具有生理惰性,也是较好的血液相容性材料。 两亲性高分子材料,在亲疏比例达到一定的平衡值时,也会呈现出良好的抗凝血性能。,抗凝血材料 II,具有带电表面的材料 聚离子复合物、聚电解质等材料表面带有负电荷对于抗凝血性能的改善有较大
5、贡献,负电荷有效地降低了血小板的粘着和凝聚。 具有微相分离结构的材料 聚氨酯嵌段共聚物,微相分离结构的接枝共聚物如HEMA-St-HEMA(甲基丙烯酸-b-羟乙酯 )两亲性三嵌段共聚物等。血液中蛋白质在两相上的吸附选择性造成材料表面的蛋白质吸附层形成非均匀性的覆盖,造成血小板的黏附、固定困难,因而表现出抗凝血性。,微相分离的表面结构,HEMA-PS-HEMA三嵌段聚合物,St:HEMA=0.608,层状微相分离结构(30nm):没有血小板粘附,抗凝血,微相分离的两相分别吸附不同的蛋白质,使血小板不识别为异物,PEO表面接枝,水溶、分子间作用力小、足够长而能在血液中漂动 维持血浆蛋白的正常构象、
6、阻止蛋白吸附和构象变化 n=100(M4000),PEO链接近自由 可进一步在PEO末端结合特定物质,提高性能,PEO:Polyethylene Oxide,PE膜的肝素化改性,表面磷脂化,磷脂Phospholipid:含磷的单脂衍生物,细胞膜的重要成分 类磷酯结构的聚合物表面强烈吸附血液中的磷脂分子形成覆盖层:仿细胞膜表面 2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酰胆碱(MPC)接枝纤维素表面,摩尔分率0.3时,全血中也几乎不粘附血细胞,2-Methacryloyloxyethyl PhosphorylCholine, MPC,人工心脏,除了肠胃和脑神经以外,几乎所有的器官都有相应的人工器官代替。 泵体的高
7、分子材料通常有聚氨酯、硅橡胶、聚氨酯与硅橡胶的共聚物、聚四氟乙烯及聚烯烃等,极好的弹性、柔软性和耐屈挠性,其中聚氨酯和硅橡胶也是良好的血液相容性材料。当然,在这些材料表面往往还要进行生物化或肝素化处理以确保其血液相容性。 瓣膜:硅橡胶、热解碳等材料制成的人工瓣膜,要求极高的机械性能和血液相容性,人工血管,性能上要求具有良好的弹性和柔软性,同时,对其抗凝血性的要求是最为主要的一个要求。 聚烯烃、聚丙烯腈、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚氨酯、纤维素衍生物等。(用于直径大于6mm的血管) 聚氨酯泡沫塑料(毛细血管) 血管支架(形状记忆金属材料),人工肾,透析型:血液与透析液从透析膜两侧对流通过,靠
8、血液和透析液中物质的浓度差进行相互渗透,小分子电解质及化学毒物渗透到透析液中,血细胞和蛋白质等大分子仍然留在血液中; 过滤型:采用多孔膜,膜的孔径根据需要进行调节,利用液体的压力差使水和废物通过膜而被滤除。该方法除了小分子外,也可对中分子量的物质进行清除,脱水性能较好;,吸附型 :在进行血液灌流时,血液中的代谢物质直接被活性炭等吸附。但其吸附剂活性炭等必须用高分子膜进行包裹,包膜材料应该具有良好的渗透性和抗凝血性 。 材料:材料主要包括:铜氨纤维素、醋酸纤维素、聚丙烯腈、聚乙烯基吡咯烷酮、乙烯醋酸乙烯共聚物、聚砜、甲基丙烯酸甲酯立体规整型聚合物、聚碳酸酯、乙烯乙烯醇共聚物、聚硫橡胶、芳香聚酰胺
9、、骨胶原等,生物降解吸收性高分子,指可以在生物体内逐渐被破坏最后完全消失的高分子材料。 1970年美国Davis & Geck公司,Dexon聚羟基乙酸(PGA)医用缝合线。 应用范围涉及到几乎所有非永久性植入装置:药物控制释放载体、手术缝合线、骨折固定装置、器官修复材料、人工皮肤、手术防粘连膜及组织和细胞工程等。,降解机制及调控,降解和吸收是受生物环境作用的复杂过程; 物理因素:外应力; 化学因素:水解、氧化和酸碱作用; 生化因素:酶和微生物的作用。 可能机制主要有水解机制和酶解机制两种。 多种因素共同作用的结果;材料本身的化学结构起决定作用,聚合物主链的易水解性和单体的亲水性是最主要的因素
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