1、生物医生物医用高分用高分子材料子材料一、生物医用材料的定义一、生物医用材料的定义（Biomedical materials） 对生物体进行诊断、治疗和置对生物体进行诊断、治疗和置换损坏组织、器官或增进其功换损坏组织、器官或增进其功能的材料。能的材料。2022-5-23材料9.1 概述概述按材料来源分按材料来源分 （1 1） 医用金属和合金医用金属和合金。主要用于承力的骨、关节和牙等硬组织的修复和。主要用于承力的骨、关节和牙等硬组织的修复和替换。替换。不锈钢不锈钢、钴基合金钴基合金、钛及钛合金钛及钛合金是目前医用合金的三大支柱。医用是目前医用合金的三大支柱。医用合金还有钽、铌和贵金属等。合金还有
2、钽、铌和贵金属等。 （2 2） 医用高分子生物材料医用高分子生物材料。高分子化合物是构成人体绝大部分组织和器。高分子化合物是构成人体绝大部分组织和器官的物质，医用高分子生物材料包括合成（如：聚酯、硅橡胶）和天然高官的物质，医用高分子生物材料包括合成（如：聚酯、硅橡胶）和天然高分子（如：胶原、甲壳素）。近来，生物降解高分子材料得到重视。分子（如：胶原、甲壳素）。近来，生物降解高分子材料得到重视。 （3 3） 医用生物陶瓷医用生物陶瓷。有惰性生物陶瓷和活性生物陶瓷（羟基磷灰石陶瓷、。有惰性生物陶瓷和活性生物陶瓷（羟基磷灰石陶瓷、可吸收磷酸三钙陶瓷等）可吸收磷酸三钙陶瓷等） （4 4） 医用生物复合
3、材料医用生物复合材料。如羟基磷灰石涂复钛合金，炭纤维或生物活性。如羟基磷灰石涂复钛合金，炭纤维或生物活性玻璃纤维增强聚乳酸等高分子材料。玻璃纤维增强聚乳酸等高分子材料。 （5 5） 生物衍生材料生物衍生材料。这类材料是将活性的生物体组织，包括自体和异体。这类材料是将活性的生物体组织，包括自体和异体组织，经处理改性而获得的无活性的生物材料。组织，经处理改性而获得的无活性的生物材料。 2022-5-23材料 二、生物医用材料的分类二、生物医用材料的分类生物衍生材料取自患者自体的组织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例如：采用自身隐静脉作为冠状动脉搭桥术的血管替代物管替代
4、物取自其他人的同种组织取自其他人的同种组织 例如：利用他人角膜治疗患者的角膜疾病例如：利用他人角膜治疗患者的角膜疾病来自其它动物的异种组织来自其它动物的异种组织 例如：采用猪的心脏瓣膜代替人的心脏瓣膜，治例如：采用猪的心脏瓣膜代替人的心脏瓣膜，治疗心脏病等。疗心脏病等。2022-5-23材料2022-5-23材料聚四氟乙烯聚四氟乙烯人工关节人工关节2022-5-23材料例如：例如：德国产品德国产品 UHMWPE材料材料ISO5834-2ASTM F648可用为人工关节、可用为人工关节、人工骨骼植入人体人工骨骼植入人体极低的能耗极低的能耗人工心脏瓣膜人工心脏瓣膜2022-5-23材料组织工程人工
5、骨缺损修复示意图组织工程人工骨缺损修复示意图2022-5-23材料2022-5-23材料三、生物医用高分子材料三、生物医用高分子材料 分类分类 用途用途 制备制备2022-5-23材料按用途分类 手术治疗用高分子材料手术治疗用高分子材料 缝合线，黏胶剂，止血剂，各种导管，引流管，一次性缝合线，黏胶剂，止血剂，各种导管，引流管，一次性输血输液器材输血输液器材 药用及药物传递用高分子材料药用及药物传递用高分子材料 靶向性高分子载体（肝靶向性，肿瘤靶向性），高分子药靶向性高分子载体（肝靶向性，肿瘤靶向性），高分子药物（干扰素，降胆敏），高分子控制释放载体（胶囊，水物（干扰素，降胆敏），高分子控制释放
6、载体（胶囊，水凝胶，脂质体）凝胶，脂质体） 人造器官或组织人造器官或组织 人造皮肤，血管，骨，关节，肠道，心脏，肾等人造皮肤，血管，骨，关节，肠道，心脏，肾等2022-5-23材料1. 分类分类2022-5-23材料制备生物医用高分子材料？生物医用高分子材料？ 化学家合成原始材料并检测各项理化指标化学家合成原始材料并检测各项理化指标 生物学家检测材料生物毒性及生物相容性生物学家检测材料生物毒性及生物相容性 医学家做临床动物试验医学家做临床动物试验-人体试验人体试验 化学工程师制造生物医用高分子材料化学工程师制造生物医用高分子材料 临床应用临床应用2022-5-23材料化学家来做第一步化学家来做
7、第一步2. 生物医用材料市生物医用材料市场发展概况场发展概况2022-5-23材料全球生物医用材料市场全球生物医用材料市场2022-5-23材料0500100015002000250030003500年20052002200032752300165020%12%单位: 亿 美 元 世 界 医 疗器 械 市 场 生 物 材 料 和 制品中国生物医用材料市场中国生物医用材料市场 我国生物医学材料的生物医学工程产业的市我国生物医学材料的生物医学工程产业的市场增长率高达场增长率高达 28(全球市场增长率全球市场增长率20%),居居全球之首。全球之首。 我国人工关节我国人工关节 替换年增长率高达替换年增
8、长率高达30，远高，远高于美国的于美国的4。 -国家科技部资料国家科技部资料2022-5-23材料 775万肢残患者和每年新增的万肢残患者和每年新增的300万骨损伤患者万骨损伤患者 -需要大量骨修复材料需要大量骨修复材料 2000万心血管病患者万心血管病患者 -每年需要每年需要24万套人工心瓣膜万套人工心瓣膜 肾衰患者肾衰患者 -每年需要每年需要12万个肾透析器万个肾透析器 2022-5-23材料2022-5-23材料3. History of polymeric biomaterials1943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1949年年 美国首先发表了医用高分子的
9、展望性论文。在文章美国首先发表了医用高分子的展望性论文。在文章 中，第一次介绍了中，第一次介绍了利用利用PMMA作为人的头盖骨、关作为人的头盖骨、关 节和股骨节和股骨，利用聚酰胺纤维作为手术缝合线利用聚酰胺纤维作为手术缝合线的临床的临床 应用情况。应用情况。50年代，有机硅聚合物被用于医学领年代，有机硅聚合物被用于医学领 域域，使人工器官的应用范围大大扩大，包括器官替，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。代和整容等许多方面。 Drug controlled releaseTissue engineeringGene therapy 此后，一大批人工器官在此后，一大批人
10、工器官在50年代试用于临床。年代试用于临床。如如人工尿道（人工尿道（1950年）年）、人工血管（人工血管（1951年）年）、人工食道（人工食道（1951年）年）、人工心脏瓣膜（人工心脏瓣膜（1952）、人工心肺（人工心肺（1953年）年）、人工关节（人工关节（1954年）年）、人人工肝（工肝（1958年）年）等。进入等。进入60年代，医用高分子材年代，医用高分子材料开始进入一个崭新的发展时期。料开始进入一个崭新的发展时期。2022-5-23材料 1960s 可生物降解聚合物，如：可生物降解聚合物，如：Polylactide(PLA) 1970-80s 隐形眼镜（隐形眼镜（Contact len
11、s），药物控制），药物控制释放释放(drug controlled release) 1990s- 聚合物在生物医用材料中的占有率超过一聚合物在生物医用材料中的占有率超过一半半2022-5-23材料2022-5-23材料 高分子材料虽然不是万能的，不可能指望它解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，但决一切医学问题，但通过分子设计的途径通过分子设计的途径，合成出，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21世纪，医用高分子将世纪，医用高分子将进入一个全新的时代。除了大脑之外，
12、人体的所有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。比想象中更快地来到世上。2022-5-23材料4. 医用高分子材料的要求（Requirements for biomedical polymers） Basic requirements 安全性Biocompatibility/Biostability / Biodegradability 灭菌性Sterilizability2022-5-23材料2022-5-23材料Requirements for biomedical pol
13、ymersOther requirements according to specific applications加工成型性machine-shaping properties机械性能与稳定性Mechanical properties环境敏感性Environmental sensitivity表面性能与结构多空性Surface properties/Porosity亲疏水性Hydrophilicity / hydrophobicity 2022-5-23材料 不会致癌不会致癌 根据现代医学理论认为，人体致癌的原因是由根据现代医学理论认为，人体致癌的原因是由于于正常细胞发生了变异。当这些变异细
14、胞以极其迅正常细胞发生了变异。当这些变异细胞以极其迅速的速度增长并扩散时，就形成了癌速的速度增长并扩散时，就形成了癌。而引起细胞。而引起细胞变异的因素是多方面的，有化学因素、物理因素，变异的因素是多方面的，有化学因素、物理因素，也有病毒引起的原因。也有病毒引起的原因。安全性安全性 具有良好的血液相容性具有良好的血液相容性 当高分子材料用于人工脏器植入人体后，必然要长当高分子材料用于人工脏器植入人体后，必然要长时间与体内的血液接触。因此，时间与体内的血液接触。因此，应用高分子对血液应用高分子对血液的相容性是所有性能中最重要的的相容性是所有性能中最重要的。2022-5-23材料 通常，当人体的表皮
15、受到损伤时，流出的血液会通常，当人体的表皮受到损伤时，流出的血液会自动凝固，称为自动凝固，称为血栓血栓。 血液相容性指材料在体内与血液接触后不发生凝血、溶血现象，不形成血栓。 实际上，血液在受到下列因素影响时，都可能发实际上，血液在受到下列因素影响时，都可能发生血栓：生血栓： 血管壁特性与状态发生变化；血管壁特性与状态发生变化； 血血液的性质发生变化；液的性质发生变化； 血液的流动状态发生变化血液的流动状态发生变化。2022-5-23材料 具有良好的组织相容性具有良好的组织相容性 有些高分子材料本身对人体有害，不能用作有些高分子材料本身对人体有害，不能用作医用材料。而有些高分子材料本身对人体组
16、织并医用材料。而有些高分子材料本身对人体组织并无不良的影响，但在合成、加工过程中不可避免无不良的影响，但在合成、加工过程中不可避免地会残留一些单体，或使用一些添加剂。当材料地会残留一些单体，或使用一些添加剂。当材料植入人体以后，这些单体和添加剂会慢慢从内部植入人体以后，这些单体和添加剂会慢慢从内部迁移到表面，从而对周围组织发生作用，迁移到表面，从而对周围组织发生作用，引起炎引起炎症或组织畸变症或组织畸变，严重的可引起全身性反应。，严重的可引起全身性反应。2022-5-23材料灭菌性 高分子材料在植入体内之前，都要经过严格的高分子材料在植入体内之前，都要经过严格的灭菌消毒。目前灭菌处理一般有三种
17、方法：灭菌消毒。目前灭菌处理一般有三种方法：蒸汽灭蒸汽灭菌、化学灭菌、菌、化学灭菌、射线灭菌射线灭菌。国内大多采用前两种。国内大多采用前两种方法。因此在选择材料时，要考虑能否耐受得了。方法。因此在选择材料时，要考虑能否耐受得了。2022-5-23材料能经受必要的清洁消毒措施而不产生变性能经受必要的清洁消毒措施而不产生变性机械强度2022-5-23材料2022-5-23材料表表9-1 高分子材料在狗体内的机械稳定性高分子材料在狗体内的机械稳定性材料名称材料名称植入天数植入天数机械强度损失机械强度损失 /尼龙尼龙-676174.6107380.7涤纶树脂涤纶树脂78011.4聚四氟乙烯聚四氟乙烯6
18、775.35. 材料界面性质对血液相容性的关系材料界面性质对血液相容性的关系 材料界面性质与血液界面性能的不同可能造成吸材料界面性质与血液界面性能的不同可能造成吸附改变蛋白质的形状以及排列，产生溶血、凝血附改变蛋白质的形状以及排列，产生溶血、凝血或者血栓或者血栓 改善措施改善措施 强亲水或强疏水表面强亲水或强疏水表面 亲水或疏水微相分离的聚合物亲水或疏水微相分离的聚合物 表面引入生物相容性物质（肝素、白蛋白等）表面引入生物相容性物质（肝素、白蛋白等） 引入负离子（血液中多组分呈负电性）引入负离子（血液中多组分呈负电性） 生成伪内膜生成伪内膜2022-5-23材料高分子材料表面亲高分子材料表面亲
19、/疏水性的改善疏水性的改善 强疏水：对血液成分吸附能力小，因此血液相容强疏水：对血液成分吸附能力小，因此血液相容性好，如：性好，如：聚四氟乙烯聚四氟乙烯 强亲水：吸水后与血液表面性能接近，减小对蛋强亲水：吸水后与血液表面性能接近，减小对蛋白质的吸附，如：白质的吸附，如：聚氧化乙烯（非常重要的抗凝聚氧化乙烯（非常重要的抗凝血材料）血材料） 添加聚氧化乙烯（分子量添加聚氧化乙烯（分子量6000）于凝血酶溶液）于凝血酶溶液中，可防止凝血酶对玻璃的吸附。中，可防止凝血酶对玻璃的吸附。2022-5-23材料 通过接枝改性调节高分子材料表面分子结构中通过接枝改性调节高分子材料表面分子结构中的亲水基团与疏水
20、基团的比例，的亲水基团与疏水基团的比例，使其达到一个最使其达到一个最佳值，也是改善材料血液相容性的有效方法。佳值，也是改善材料血液相容性的有效方法。2022-5-23材料制备具有微相分离结构的材料制备具有微相分离结构的材料 研究发现，具有微相分离结构的高分子材料对研究发现，具有微相分离结构的高分子材料对血液相容性有十分重要的作用。血液相容性有十分重要的作用。2022-5-23材料 它们基本上是它们基本上是嵌段共聚物和接枝共聚物嵌段共聚物和接枝共聚物。其中研。其中研究得较多的是究得较多的是聚氨酯嵌段共聚物聚氨酯嵌段共聚物，即由软段和硬段组，即由软段和硬段组成的多嵌段共聚物，其中软段一般为聚醚、聚
21、丁二烯、成的多嵌段共聚物，其中软段一般为聚醚、聚丁二烯、聚二甲基硅氧烷等，形成连续相；硬段包含脲基和氨聚二甲基硅氧烷等，形成连续相；硬段包含脲基和氨基甲酸酯基，形成分散相。基甲酸酯基，形成分散相。2022-5-23材料CONHR(NHCOORO)xCONHRyNHCONHRNHnCONHR(NHCOORO)xCONHRyNHCORnOO 美国美国EthiconEthicon公司推荐的四种医用聚醚氨公司推荐的四种医用聚醚氨酯：酯：BiomerBiomer，PellethanePellethane，TecoflexTecoflex和和CardiothaneCardiothane基本上都属于这一类聚
22、合物。基本上都属于这一类聚合物。 原因被认为是亲水和疏水的蛋白质原因被认为是亲水和疏水的蛋白质被吸附于不同的微相区间，不会激被吸附于不同的微相区间，不会激活血小板表面的糖蛋白，血小板的活血小板表面的糖蛋白，血小板的特异识别功能表现不出来。特异识别功能表现不出来。2022-5-23材料高分子材料的肝素化高分子材料的肝素化 肝素是一种硫酸多糖类物质肝素是一种硫酸多糖类物质（见下式），（见下式），含有SO3-，COO-及NHSO3-等功能基团。是最早被认是最早被认识的天然抗凝血产物之一。识的天然抗凝血产物之一。2022-5-23材料HOHHO HHOHOOOHHHOHHCOOHHCH2OSO3HHN
23、HSO3HOHOHHO HHOHOOHHHOHHCOOHHCH2OSO3HHNHSO3H 将肝素通过接枝方法固定在高分子材料表面上将肝素通过接枝方法固定在高分子材料表面上以提高其抗凝血性，是使材料的抗凝血性改变的重以提高其抗凝血性，是使材料的抗凝血性改变的重要途径。在高分子材料结构中引入肝素后，在使用要途径。在高分子材料结构中引入肝素后，在使用过程中，肝素慢慢地释放，能明显提高抗血栓性。过程中，肝素慢慢地释放，能明显提高抗血栓性。2022-5-23材料2022-5-23材料人工合成的仿肝素共聚物，同样具有较好的抗凝血功能人工合成的仿肝素共聚物，同样具有较好的抗凝血功能使材料表面带上负电荷的基团
24、使材料表面带上负电荷的基团例如：将芝加哥酸（例如：将芝加哥酸（1-氨基氨基-8-萘酚萘酚-2, 4-二磺酸萘）二磺酸萘）（见下式）引入聚合物表面后，可减少血小板在（见下式）引入聚合物表面后，可减少血小板在聚合物表面上的粘附量，抗疑血性提高。聚合物表面上的粘附量，抗疑血性提高。NHSO2NNOH NH2SO3HSO3H2022-5-23材料材料表面伪内膜化材料表面伪内膜化 人们发现，大部分高分子材料的表面容易沉渍人们发现，大部分高分子材料的表面容易沉渍血纤蛋白而凝血。如果有意将某些高分子的表面制血纤蛋白而凝血。如果有意将某些高分子的表面制成纤维林立状态，当血液流过这种粗糙的表面时，成纤维林立状态
25、，当血液流过这种粗糙的表面时，迅速形成稳定的凝固血栓膜，但不扩展成血栓，然迅速形成稳定的凝固血栓膜，但不扩展成血栓，然后诱导出血管内皮细胞。这样就相当于在材料表面后诱导出血管内皮细胞。这样就相当于在材料表面上覆盖了一层光滑的生物层上覆盖了一层光滑的生物层伪内膜伪内膜。这种伪内膜。这种伪内膜与人体心脏和血管一样，具有光滑的表面，从而达与人体心脏和血管一样，具有光滑的表面，从而达到永久性的抗血栓。到永久性的抗血栓。2022-5-23材料9.2 生物惰性医用高分子材料生物惰性医用高分子材料 聚氯乙烯聚氯乙烯 有机硅类有机硅类涤纶涤纶 聚四氟乙烯聚四氟乙烯 聚丙烯聚丙烯 高密度聚乙烯高密度聚乙烯 聚丙
26、烯酸酯类聚丙烯酸酯类 聚氨酯聚氨酯 室温固化环氧树酯室温固化环氧树酯 精制天然橡胶精制天然橡胶 无机高分子聚磷腈无机高分子聚磷腈2022-5-23材料2022-5-23材料表表9-2 用于人工脏器的部分高分子材料用于人工脏器的部分高分子材料人工脏器人工脏器高分子材料高分子材料心心 脏脏嵌段聚醚氨酯弹性体、硅橡胶嵌段聚醚氨酯弹性体、硅橡胶肾肾 脏脏铜氨法再生纤维素，醋酸纤维素，聚甲基丙烯酸甲铜氨法再生纤维素，醋酸纤维素，聚甲基丙烯酸甲酯，聚丙烯腈，聚砜，乙烯酯，聚丙烯腈，聚砜，乙烯-乙烯醇共聚物（乙烯醇共聚物（EVA），），聚丙烯，聚碳酸酯，聚甲基丙烯酸聚丙烯，聚碳酸酯，聚甲基丙烯酸- -羟乙酯
27、羟乙酯肝肝 脏脏赛璐玢（赛璐玢（cellophane），聚甲基丙烯酸），聚甲基丙烯酸-羟乙酯羟乙酯胰胰 脏脏共聚丙烯酸酯中空纤维共聚丙烯酸酯中空纤维肺肺硅橡胶，聚丙烯中空纤维，聚烷砜硅橡胶，聚丙烯中空纤维，聚烷砜关节、骨关节、骨超高分子量聚乙烯超高分子量聚乙烯，高密度聚乙烯，聚甲基丙烯酸，高密度聚乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯，尼龙，聚酯甲酯，尼龙，聚酯皮皮 肤肤硝基纤维素，聚硅酮硝基纤维素，聚硅酮-尼龙复合物，聚酯，甲壳素尼龙复合物，聚酯，甲壳素角角 膜膜聚甲基丙烯酸甲酯，聚甲基丙烯酸聚甲基丙烯酸甲酯，聚甲基丙烯酸- -羟乙酯，硅橡羟乙酯，硅橡胶胶玻璃体玻璃体硅油，聚甲基丙烯酸硅油，聚甲基丙烯酸-
28、-羟乙酯羟乙酯鼻、耳鼻、耳硅橡胶，聚乙烯硅橡胶，聚乙烯血血 管管聚酯纤维，聚四氟乙烯，嵌段聚醚氨酯聚酯纤维，聚四氟乙烯，嵌段聚醚氨酯人工红血球人工红血球全氟烃全氟烃人工血浆人工血浆羟乙基淀粉，聚乙烯基吡咯烷酮羟乙基淀粉，聚乙烯基吡咯烷酮胆胆 管管硅橡胶硅橡胶2022-5-23材料表表9-2 用于人工脏器的部分高分子材料用于人工脏器的部分高分子材料2022-5-23材料Biodegradable polymersPoly(anhydride)sPoly(lactide-co-glycolide)PLGAPolylactidePLAPolyglycolidePGAPoly(-caprolacton
29、e)PCLPoly(1,3-trimethylene carbonate) PTMCAliphatic polyestersAliphatic polycarbonatesPolyphosphates聚乳酸聚2-羟基乙酸OCOO9.3 可降解生物高分子材料可降解生物高分子材料（biodegradable polymers） 结构与性能结构与性能 合成合成 应用应用2022-5-23材料2022-5-23材料2022-5-23材料2022-5-23材料2022-5-23材料合成可降解高分子材料合成可降解高分子材料（synthetic biodegradable polymers）u 聚酯聚酯u
30、聚碳酸酯聚碳酸酯u 聚磷酸酯聚磷酸酯u 聚酸酐聚酸酐2022-5-23材料聚乳酸聚乳酸聚聚2-羟基乙酸羟基乙酸2022-5-23材料 -羟基丙酸羟基丙酸2022-5-23材料（乳酸二聚体）（乳酸二聚体）2022-5-23材料用途 手术缝合线手术缝合线 骨固定材料骨固定材料 组织修补材料组织修补材料 药物控制释放材料药物控制释放材料2022-5-23材料聚2-羟基乙酸（聚乙交酯） 商品名：商品名：Dexon，体内降解速度快，用于手，体内降解速度快，用于手术缝合线，适合术缝合线，适合2-4周愈合的伤口周愈合的伤口COHOCH2OH2022-5-23材料聚（丙交酯-乙交酯）2022-5-23材料20
31、22-5-23材料天然可降解高分子材料 胶原蛋白，纤维蛋白胶原蛋白，纤维蛋白 甲壳素、壳聚糖、淀粉、纤维素海藻酸钠衍生物甲壳素、壳聚糖、淀粉、纤维素海藻酸钠衍生物可吸收缝线可吸收缝线药物控释载体药物控释载体人工皮肤人工皮肤2022-5-23材料2022-5-23材料甲壳质甲壳质甲壳素与壳聚糖甲壳素与壳聚糖 甲壳素是一种的线性多糖。昆虫壳皮、虾蟹甲壳素是一种的线性多糖。昆虫壳皮、虾蟹壳中均含有丰富的甲壳素。壳聚糖为甲壳素的脱乙壳中均含有丰富的甲壳素。壳聚糖为甲壳素的脱乙酰衍生物，由甲壳素在酰衍生物，由甲壳素在4050浓度的氢氧化浓度的氢氧化钠水溶液中钠水溶液中110120下水解下水解24h得到。
32、得到。 2022-5-23材料 甲壳素能为肌体组织中的溶菌酶所分解，已用于制甲壳素能为肌体组织中的溶菌酶所分解，已用于制造造吸收型手术缝合线吸收型手术缝合线。其抗拉强度优于其他类型的手术。其抗拉强度优于其他类型的手术缝合线。在兔体内试验观察，甲壳素手术缝合线缝合线。在兔体内试验观察，甲壳素手术缝合线4个月个月可以完全吸收。可以完全吸收。 甲壳素还具有促进伤口愈合的功能，可用作甲壳素还具有促进伤口愈合的功能，可用作伤口包伤口包扎材料扎材料。 甲壳素膜用于覆盖外伤或新鲜烧伤的皮肤创伤面时，甲壳素膜用于覆盖外伤或新鲜烧伤的皮肤创伤面时，具有减轻疼痛和促进表皮形成的作用，因此是一种良好具有减轻疼痛和促
33、进表皮形成的作用，因此是一种良好的的人造皮肤材料人造皮肤材料。2022-5-23材料2022-5-23材料2022-5-23材料2022-5-23材料胶原胶原 胶原是人体组织中最基本的蛋白质类物质，至胶原是人体组织中最基本的蛋白质类物质，至今已经鉴别出今已经鉴别出13种胶原，其中种胶原，其中 IIII、V和和 XI 型胶型胶原为成纤维胶原。原为成纤维胶原。I 型胶原在动物体内含量最多，型胶原在动物体内含量最多，已被广泛应用于生物医用材料和生化试剂。已被广泛应用于生物医用材料和生化试剂。牛和猪牛和猪的肌腱、生皮、骨骼是生产胶原的主要原料。的肌腱、生皮、骨骼是生产胶原的主要原料。 2022-5-2
34、3材料2022-5-23材料 由各种物种和肌体组织制备的胶原差异很小。由各种物种和肌体组织制备的胶原差异很小。最基本的胶原结构为由三条分子量大约为最基本的胶原结构为由三条分子量大约为1105的的肽链组成的三股螺旋绳状结构，直径为肽链组成的三股螺旋绳状结构，直径为11.5nm，长约长约300nm，每条肽链都具有左手螺旋二级结构。，每条肽链都具有左手螺旋二级结构。胶原分子的两端存在两个小的短链肽，称为端胶原分子的两端存在两个小的短链肽，称为端肽，不参与三股螺旋绳状结构。研究证明，端肽是肽，不参与三股螺旋绳状结构。研究证明，端肽是免疫原性识别点，可通过酶解将其除去。除去端肽免疫原性识别点，可通过酶解
35、将其除去。除去端肽的胶原称为不全胶原，可用作生物医学材料。的胶原称为不全胶原，可用作生物医学材料。2022-5-23材料 胶原可以用于制造胶原可以用于制造止血海绵、创伤辅料、止血海绵、创伤辅料、人工皮肤、手术缝合线、组织工程基质人工皮肤、手术缝合线、组织工程基质等。胶等。胶原在应用时必须交联，以控制其物理性质和生原在应用时必须交联，以控制其物理性质和生物可吸收性。物可吸收性。2022-5-23材料 纤维蛋白纤维蛋白 纤维蛋白是纤维蛋白原的聚合产物纤维蛋白是纤维蛋白原的聚合产物。纤维蛋白原。纤维蛋白原是一种血浆蛋白质，存在于动物体的血液中。是一种血浆蛋白质，存在于动物体的血液中。纤维纤维蛋白原在
36、人体内的主要功能是参与凝血过程蛋白原在人体内的主要功能是参与凝血过程。2022-5-23材料2022-5-23材料 纤维蛋白具有良好的生物相容性，具有纤维蛋白具有良好的生物相容性，具有止血、止血、促进组织愈合促进组织愈合等功能，在医学领域有着重要用途。等功能，在医学领域有着重要用途。 纤维蛋白的降解包括酶降解和细胞吞噬两种过纤维蛋白的降解包括酶降解和细胞吞噬两种过程，程，降解产物可以被肌体完全吸收降解产物可以被肌体完全吸收。降解速度随产。降解速度随产品不同从几天到几个月不等。通过交联和改变其聚品不同从几天到几个月不等。通过交联和改变其聚集状态是控制其降解速度的重要手段。集状态是控制其降解速度的
37、重要手段。2022-5-23材料天然可降解高分子材料的优点 原料来源丰富，便宜易得原料来源丰富，便宜易得 可用常规方法加工成型可用常规方法加工成型 具有良好的生物相容性具有良好的生物相容性 不引起异体反应不引起异体反应2022-5-23材料药用高分子 高分子药物高分子药物 高分子药物载体高分子药物载体 靶向药物高分子导向材料靶向药物高分子导向材料2022-5-23材料高分子药物 1. 高分子骨架本身具有药理活性2022-5-23材料 p331聚乙烯N-氧吡啶是一种具有药理活性 的高分子，能溶于水中。注射其水溶液或吸入其烟雾剂，对于治疗因大量吸入含游离二氧化硅粉尘所引起的急性和慢性矽肺病有较好效
38、果并有较好的预防效果2022-5-23材料 聚乙烯磺酸钠是一种具有抗凝血作用的聚合物 聚乙烯磺酸钠的聚合单体是乙烯基磺酸钠。由于磺酸钠基团的强烈电斥作用，单体不易靠拢，因此，通过自由基聚合很难得到聚合物。有效的方法是采用等离子引发聚合。 2022-5-23材料 血浆增量剂，用于治疗外伤性急性出血及其他原因引起的血浆增量剂，用于治疗外伤性急性出血及其他原因引起的血容量减少血容量减少2022-5-23材料 将青霉素与乙烯醇-乙烯胺共聚物以酰胺键相结合，得到水溶性的药物高分子。这种高分子青霉素在人体内停留时间比低分子青霉素长30-40倍。高分子载体药物高分子载体药物2022-5-23材料 药物控制释
39、放目的：药物控制释放目的： 使药物以最小的剂量在特定部位产生疗效；使药物以最小的剂量在特定部位产生疗效； 优化药物释放速率以提高疗效，降低毒副作用；优化药物释放速率以提高疗效，降低毒副作用；2022-5-23材料高分子药物缓释材料高分子药物缓释材料控释药物的剂型与技术控释药物的剂型与技术2022-5-23材料时间控时间控制体系制体系部位控部位控制体系制体系反馈控制体系反馈控制体系缓释机理缓释机理 扩散控制扩散控制 化学反应控制化学反应控制 溶剂活化控制体系溶剂活化控制体系 磁控制体系磁控制体系2022-5-23材料 口服缓释制剂：新康泰克2022-5-23材料2022-5-23材料2022-5
40、-23材料纳米树形高分子纳米树形高分子（纳米在药物输运中的应用）（纳米在药物输运中的应用）作为药物载体的树状高分子作为药物载体的树状高分子 把树形高分子设计得只在把树形高分子设计得只在适当的触发分子存在的情适当的触发分子存在的情况下自动地膨胀并释放出况下自动地膨胀并释放出药物药物 使定制的树形高分子恰好使定制的树形高分子恰好在需要治疗的组织或器官在需要治疗的组织或器官内释放出其运载的药物内释放出其运载的药物。代表性药物控释系统及公司代表性药物控释系统及公司2022-5-23材料产产 品品 领领 域域公公 司司POLYOX WSR控制药物释放载体控制药物释放载体Dow Chem. Co, USA
41、抗癌药物增效系统抗癌药物增效系统Johnson & Johnson，USA (原原Alza)吸收增效剂吸收增效剂Eastman Chem. Co, USA蛋白质药物释放蛋白质药物释放Altus Biologies Inc. USA靶向释放端粒治疗靶向释放端粒治疗Targesome Inc. USA注射制剂注射制剂Pharmaceutical Profiles, UK治疗细胞治疗细胞, 生长因子释放生长因子释放Regen Tec Ltd. UK吸入药物释放吸入药物释放Acrux Ltd. Australia基因转染的新脂质体释放系统基因转染的新脂质体释放系统Novosom AG, German2
42、022-5-23材料 壁虎胶带壁虎胶带仿生干型高分子粘合材料仿生干型高分子粘合材料 聚酰亚胺薄膜聚酰亚胺薄膜 利用全范德华力作用原理微制造而成利用全范德华力作用原理微制造而成 具有紧密排列的规整微突起结构具有紧密排列的规整微突起结构 1cm2: 3N(300g)蜘蛛人玩具蜘蛛人玩具:高高15cm15cm重重40g40g覆盖覆盖0.5cm0.5cm2 2壁虎胶带壁虎胶带Autumn K.,et al, Nature,2000,405:681-685Autumn K.,et al, Proc.Natl.Acad.Sci.,USA, 2002, 99: 12252-122562022-5-23材料壁
43、虎的脚上壁虎的脚上覆盖了一层非常细小的绒毛覆盖了一层非常细小的绒毛 壁虎及其脚趾的壁虎及其脚趾的“英姿英姿” 壁虎飞檐走壁的奥秘完全的范德华力壁虎飞檐走壁的奥秘完全的范德华力2022-5-23材料聚酰亚胺聚酰亚胺(PI)微突起的电镜照片微突起的电镜照片（单个微突起：直径（单个微突起：直径0.5m，高，高2m，间隔，间隔1.6m）单个微突起单个微突起: 200nN PI胶带胶带: 1cm2 3N(300g)，200cm2 600N(60Kg) 干型粘合，反复使用干型粘合，反复使用干型高分子粘合剂的干型高分子粘合剂的仿生探索设计：仿生探索设计： 2022-5-23材料可能获得类似于刚毛的粘合力可能
44、获得类似于刚毛的粘合力壁虎的刚毛结构壁虎的刚毛结构大量的规整微突起结构大量的规整微突起结构a b a. 壁虎脚单根刚毛壁虎脚单根刚毛 b. 每根刚毛末端的细分叉每根刚毛末端的细分叉2022-5-23材料蜘蛛丝蜘蛛丝人造蜘蛛丝人造蜘蛛丝生物钢丝生物钢丝2022-5-23材料蜘蛛丝的弹性与韧性为什么都好？蜘蛛丝的弹性与韧性为什么都好？ 蜘蛛丝虽细，但承受的张力可达蜘蛛丝虽细，但承受的张力可达3克重克重 即使拉伸即使拉伸10倍以上也不会断掉倍以上也不会断掉 它的强度是同样粗细的钢丝的它的强度是同样粗细的钢丝的5倍倍 是强度最大的天然高分子化合物是强度最大的天然高分子化合物 主要成份是氨基酸组成的蛋白
45、质类高分子化合物主要成份是氨基酸组成的蛋白质类高分子化合物 由于它呈酸性而且含有杀菌物质，故不易发霉由于它呈酸性而且含有杀菌物质，故不易发霉 蜘蛛丝含有吸湿的吡咯烷酮，尽管在自然界免不了遭蜘蛛丝含有吸湿的吡咯烷酮，尽管在自然界免不了遭受风吹、雨打和日晒，却仍然保持一定的粘着力受风吹、雨打和日晒，却仍然保持一定的粘着力 蜘蛛网还具有优美的对称性，怎么看都是生物建筑学蜘蛛网还具有优美的对称性，怎么看都是生物建筑学上的重要成果上的重要成果2022-5-23材料 在纳米尺度上蜘蛛丝结构形同一根极细的螺旋在纳米尺度上蜘蛛丝结构形同一根极细的螺旋线线 看上去像长长的浸泡过某种液体的看上去像长长的浸泡过某种
46、液体的“弹簧弹簧” 当它被拉伸时，像当它被拉伸时，像“弹簧弹簧”一样会竭力返回原一样会竭力返回原来的长度来的长度 而当它缩短时，本身又会吸收振动能量并转变而当它缩短时，本身又会吸收振动能量并转变为热能为热能奥妙被揭开：奥妙被揭开：2022-5-23材料 蜘蛛和蚕不同，很难进行大规模的人蜘蛛和蚕不同，很难进行大规模的人工饲养工饲养 要在化工厂中造出有蛛丝特性的人造要在化工厂中造出有蛛丝特性的人造纤维，人类目前的技术与工艺均无可能纤维，人类目前的技术与工艺均无可能 采用基因工程的办法，将蜘蛛的基因采用基因工程的办法，将蜘蛛的基因植进入山羊细胞的植进入山羊细胞的DNA中，培育出了能中，培育出了能在乳汁中分泌蜘蛛丝蛋白的新品种山羊在乳汁中分泌蜘蛛丝蛋白的新品种山羊 使使“生物钢材生物钢材”的大规模生产成为可的大规模生产成为可能能 用其组合成牢固的复合材料用于宇航用其组合成牢固的复合材料用于宇航和汽车工业和汽车工业 制造外科手术缝合线和防弹背心的理制造外科手术缝合线和防弹背心的理想材料想材料 基因工程让我们基因工程让我们“种豆得瓜种豆得瓜”了了种豆得瓜种豆得瓜能在乳汁中分泌丝蛋白的新品种山羊能在乳汁中分泌丝蛋白的新品种山羊思考、查资料 自然界中有哪些物体具有超疏水的表面？2022-5-23材料
