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1、医用功能材料及应用学 院 化工学院 指导老师 乔红斌 专业班级 高091班 学生姓名 张如心 学 号 099034030 医用功能材料及应用摘要：了解生物医用功能高分子材料近年来的应用研究及发展状况，综述国内外生物医用高分子材料的分类、特性及研究成果，展望对未来的生物医用高分子材料的发展趋势，通过介绍医用高分子材料在人工脏器、药剂及医疗器械方面的应用，以及我国近年来的研究情况和存在的问题,形成对生物医用功能高分子的认识和其重要性的认识。关键词：功能高分子材料 生物医用高分子材料。前言：现代医学的发展，对材料的性能提出了复杂而严格的多功能要求，这是大多数金属材料和无机材料难以满足的，而合成高分子
2、材料与生物体（天然高分子）有着极其相似的化学结构，化学结构的相似决定了它们在性能上能够彼此接近从而可能用聚合物制作人工器官，作为人体器官的替代物。另外，除人工器官用材料之外，医药用高分子材料、临床检查诊断和治疗用高分子材料的开发研究也在积极地展开，它们被统称为医用高分子材料。1.生物医用功能高分子生物医用功能高分子材料主要以医疗为目的，用于与组织接触以形成功能的无生命材料。其被广泛地用来取代或恢复那些受创伤或退化的组织或器官的功能，从而达到治疗的目的。主要包括医用高分子材料(以修复、替代为主)、药用高分子材料(以药理疗效为主)。生物医用高分子材料融合了高分子化学和物理、高分子材料工艺学、药理学
3、、病理学、解剖学和临床医学等方面的知识,还涉及许多工程学问题。由于其与人体的组织和器官接触，因此，医用高分子材料必须满足如下的基本要求：在化学上是惰性的，会因为与体液接触而发生反应；对人体组织不会引起炎症或异物反应；不会致癌；具有良好的血液相容性，不会在材料表面凝血；长期植入体内，不会减小机械强度；能经受必要的清洁消毒措施而不产生变形；易于加工成需要的复杂形状。2.医用高分子材料发展的4个阶段 第1阶段：时间大约是7千年前至19世纪中叶，是被动地使用天然高分子材料阶段。这一时期的高分子材料有，大漆及其制品、蚕丝及织物、麻、棉、羊皮、羊毛、纸、桐油等。第2阶段：从19世纪中页到20世纪20年代，
4、是对天然高分子材料进行化学改性，从而研制新材料阶段。在这阶段中，人类首次研制出合成高分子材料(酚醛树脂)。这一时期的高分子材料有，硫化橡胶，赛璐珞(硝基纤维素脂)、硝基纤维素酯，人造丝、纤维素粘胶丝、酚醛树脂清漆和电木等。第3阶段：20-世纪30年代至60年代，是人类大量研制新合成高分子材料阶段。在这一阶段，“高分子科学”概念已经诞生，大批高分子化学家投入到新聚合物的合成和新材料开发的研究领域。从而导致了至今天仍有重要意义的大批通用高分子材料的诞生。例如顺丁、丁苯、丁纳等合成橡胶的出现；尼龙66、聚酯(PET)、聚丙烯腈等合成纤维的出现；聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚酰亚胺、
5、有机硅、有机氟、杂环高分子等塑料和树脂的出现。第4阶段：从20世纪60年代至今，是人类对高分子材料大普及、大扩展阶段。在这个阶段，人类对上述聚合物的使用更加合理，聚合物生产的价格更为低廉，从而使高分子材料渗透到国民经济及人类生活的各个方面，使高分子材料成为了人类社会继金属材料，无机材料之后的第3大材料。3.医用高分子的现状现代医学的进步已经越来越依赖于生物材料和器械的发展,没有医用材料的医学诊断和治疗在现代医学中几乎是不可想象的。目前全球大量用于医疗器械的生物医学材料主要有20 种,其中医用高分子12 种,金属4 种,陶瓷2 种,其他2 种。利用现有的生物医学材料已开发应用的医用植入体、人工器
6、官等近300 种,主要包括:起搏器、心脏瓣膜、人工关节、骨板、骨螺钉、缝线、牙种植体,以及药物和生物活性物质控释载体等。近年来,西方国家在医学上消耗的高分子材料每年以10 %20 %的速度增长 ,而国内也以20 %左右的速度迅速增长。随着现代科学技术的发展,尤其是生物技术的重大突破,生物材料的应用将更加广泛,需求量也随之越来越大。生物医用高分子材料的发展,对于战胜危害人类的疾病,保障人民身体健康,探索人类生命奥秘具有重大意义。4.生物医用高分子材料的种类 高分子生物材料随不同来源、应用目的、活体组织对材料的影响等可以分为多种类型。 生物医用高分子材料按性质可分为非降解和可生物降解两大类；按应用
7、目的分为与血液接触的高分子材料、组织工程用高分子材料、药用高分子材料、医药包装用高分子材料、医用粘合剂与缝合线；按材料来源可分为天然和人工合成两大类，下面我们就分别对这两种材料进行详细的论述。4.1 天然生物材料天然生物材料是指从自然界现有的动、植物体中提取的天然活性高分子，如从各种甲壳类、昆虫类动物体中提取的甲壳质壳聚糖纤维，从海藻植物中提取的海藻酸盐，从桑蚕体内分泌的蚕丝经再生制得的丝素纤维与丝素膜，以及由牛屈肌腱重新组构而成的骨胶原纤维6等。自然界广泛存在的天然生物材料仍有着人工材料无可比拟的优越性能。由于天然活性高分子来自生物体内且都具有很高的生物功能和很好的生物适应性，在保护伤口、加
8、速创面愈方面具有强大的优势。例如：甲壳素又称几丁质（chitin），广泛存在于虾、蟹等甲壳动物及昆虫、藻类和细菌中，是世界上仅次于纤维素的第二大类天然高分子化合物。它是一种惰性多糖，用浓碱脱去乙酰基可转变成聚壳糖（chintosan）。甲壳素、聚壳糖及其衍生物具有良好的生物相容性和生物降解性。降解产物带有一定正电荷，能从血液中分离出血小板因子，增加血清中H-6水平，促进血小板聚集或凝血素系统，作为止血剂有促进伤口愈合，抑制伤口愈合中纤维增生，并促进组织生长的功能，对烧、烫伤有独特疗效。根据研究报道，由于天然高分子医用材料的独特临床效果，它的应用前景相当广阔。4.2 合成生物材料由于天然材料的有
9、限，人们需要大量的生物材料来维持他们的健康。合成高分子材料因与人体器官组织的天然高分子有着极其相似的化学结构和物理性能，因而可以植入人体，部分或全部取代有关器官。因此，在现代医学领域得到了最为广泛的应用，成为现代医学的重要支柱材料。与天然生物材料相比，合成高分子材料具有优异的生物相容性，不会因与体液接触而产生排斥和致癌作用，在人体环境中的老化不明显。通过选用不同成分聚合物和添加剂，改变表面活性状态等方法可进一步改善其抗血栓性和耐久性，从而获得高度可靠和适当有机物功能响应的生物合成高分子材料。目前，使用于人体植入产品的高分子合成材料包括聚酰胺、环氧树脂、聚乙烯、聚乙烯醇、聚乳酸、聚甲醛、聚甲基丙
10、烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚醋酸乙烯酯、硅橡胶和硅凝胶等。应用场合涉及组织粘合、手术缝线、眼科材料(人工玻璃体、人工角膜和人工晶状体等)、软组织植入物(人工心脏、人工肾、人工肝等)和人工管形器(人工器官、食道)等。合成医用高分子材料发展的第一阶段始于1937年，其特点是所用高分子材料都是已有的现成材料，如用丙烯酸甲酯制造义齿的牙床。第二阶段始于1953年，其标志是医用级有机硅橡胶的出现，随后又发展了聚羟基乙酸酯缝合线以及四种聚(醚一氨)酯心血管材料，从此进入了以分子工程研究为基础的发展时期。目前的研究焦点已经从寻找替代生物组织的合成材料转向研究一类具有主动诱导、激发人体组织器官再生修复的新材料，这
11、标志着生物医用高分子材料的发展进入了第三个阶段，其特点是这种材料一般由活体组织和人工材料有机结合而成，在分子设计上以促进周围组织细胞生长为预想功能，其关键在于诱使配合基和组织细胞表面的特殊位点发生作用以提高组织细胞的分裂和生长速度。4.3 目前已开发并投入使用的医用高分子材料的原材料分类列于表 5医用高分子材料的特性除了作为材料在力学强度等方面的普遍要求之外，医用高分子材料的特殊要求可以综合概括为以下个方面：1) 生物功能性:因各种生物材料的用途而异,如:作为缓释药物时,药物的缓释性能就是其生物功能性。2) 生物相容性:可概括为材料和活体之间的相互关系,主要包括血液相容性和组织相容性。组织相容
12、性主要指无毒性,无致癌性,无热原反应,无免疫排斥反应,不破坏邻近组织等。血液相容性一般指不引起凝血,不破坏红细胞,不破坏血小板,不改变血中蛋白,不扰乱电解质平衡。3) 化学稳定性: 耐生物老化性或可生物降解性。对于长期植入的医用高分子材料,生物稳定性要好;对于暂时植入的医用高分子材料,则要求在确定时间内降解为无毒的单体或片段,通过吸收、代谢过程排出体外。4) 生产加工性:首先,严格控制用于合成医用高分子材料的原料纯度,不能带入有害物质,重金属含量不能超标;其次,材料加工助剂必须符合医用标准;第三,对于体内应用的高分子材料,生产环境应当具有符合标准的洁净级别; 第四,便于消毒灭菌(紫外灭菌、高压
13、煮沸、环氧乙烷气体消毒和酒精消毒等) 。6医用高分子材料的主要应用6.1 硬组织相容性高分子材料硬组织相容性高分子材料(如各种人工骨、人工关节、牙根等) 是医学临床上应用量很大的一类产品,涉及医学临床的骨科、颌面外科、口腔科、颅脑外科和整形外科等多个专科,往往要求具有与替代组织类似的机械性能,同时能够与周围组织结合在一起。6.2 软组织相容性高分子材料软组织相容性高分子材料主要用于软组织的替代与修复,如隆鼻丰胸材料、人工肌肉(硅橡胶和涤纶织物) 与韧带材料等。这类材料往往要求具有适当的强度和弹性以及软组织相容性,在发挥其功能的同时,不对邻近软组织(如肌肉、肌腱、皮肤、皮下等) 产生不良影响,不
14、引起严重的组织病变。6.3 血液相容性高分子材料血液相容性高分子材料在医用高分子材料的应用方面,有相当多的器件必须与血液接触,例如:各种体外循环系统、介入治疗系统、人工血管(聚对苯二甲酸乙二酯) 和人工心瓣等人工脏器。血液相容性高分子材料必须不引起凝血、溶血等生理反应,与活性组织有良好的互相适应性。6.4 高分子药物和药物控释高分子材料高分子药物指带有高分子链的药物和具有药效的高分子,如:抗癌高分子药物(非靶向、靶向) 、用于心血管疾病的高分子药物(治疗动脉硬化、抗血栓、凝血) 、抗菌和抗病毒高分子药物(抗菌、抗病毒) 、抗辐射高分子药物和高分子止血剂等。高分子材料制备药物控制释放制剂主要有两
15、个目的:1) 为了使药物以最小的剂量在特定部位产生治疗药效;2) 优化药物释放速率以提高疗效,降低毒副作用。高分子控制释放体系包括时间控制缓释体系(如康泰克等,理想情形为零级释放) 、部位控制缓释体系(靶向药物) 和脉冲释放方式(智能药物) 。7 .医用高分子材料的发展及展望 我国生物医学高分子研究起步较晚。自20世纪70年代末起，北京大学和南开大学从事这一领域的研究。“九五”期间由何炳林与卓仁禧主持的国家自然科学基金重大项目组织大批科研力量进行研究，在此领域取得了显著成绩。1998年“生物医学高分子”项目获教育部科技进步一等奖。我国现有医用高分子材料60多种，制品达400余种。早在1999年
16、6月，科技部生物领域专家组就在南京和上海召开了“生物芯片技术”和“组织工程技术”研讨会，会议决定启动这2个研究项目，并作为该领域的重点课题。东南大学、清华大学、华中农业大学、上海第二医科大学、第一军医大学和华东理工大学等单位承担了这些课题，其某些研究成果已见报道。此外，中科院化学所等多所高校以及军事医学科学院等单位也分别在组织工程、药物控释等方面展开了研究工作，使我国对医用高分子材料的研究起到了重要进展。 近年来，美国、欧洲和日本对生物医用高分子材料的研究与开发突飞猛进，从人工器官到高效缓释高分子药物都取得了很多成果和巨大效益。现在美国商业化的生物技术是以医药品为主的。加拿大的生物技术的优势领
17、域在医疗器材和制药业。德国1997年投入生物技术研究与开发的总经费大约为33亿马克。生物技术是日本21世纪创新产业的主要技术领域之一。在“生物技术立国”的口号下，日本政府5年内投资2万亿日元，其中生物降解材料和药物生产商业化是其重点支持的领域。韩国制定了韩国生物技术2000纲要，在实施纲要的14年期间，政府和企业将投资巨款用于该项建设。医用高分子材料要应用于生物体必须同时要满足生物功能性、生物相容性、化学稳定性和可加工性等严格的要求。生物医用材料的研究和发展方向主要包括以下几方面:7.1 组织工程材料组织工程是应用生命科学与工程的原理和方法构建一个生物装置,来维护、增进人体细胞和组织的生长,以
18、恢复受损组织或器官的功能。其方法是: 将特定组织细胞“种植”于一种生物相容性良好、可被人体逐步降解吸收的生物材料上,形成细胞- 生物材料复合物;生物材料为细胞的增长繁殖提供三维空间和营养代谢环境;随着材料的降解和细胞的繁殖,形成新的与自身功能和形态相适应的组织或器官。7.2 生物医用纳米材料药物控释材料及基因治疗载体材料高分子药物控制释放体系不仅能提高药效,简化给药方式,大大降低药物的毒副作用,而且纳米靶向控制释放体系使药物在预定的部位,按设计的剂量,在需要的时间范围内,以一定的速度在体内缓慢释放,从而达到治疗某种疾病或调节生育的目的。目前,高分子纳米材料和脂质体是基因治疗的理想载体,它具有承
19、载容量大、安全性能高的特点。7.3 复合生物材料作为硬组织修复材料的主体,复合生物材料受到广泛重视,它具有强度高、韧性好的特点,目前已广泛用于临床。通过具有不同性能材料的复合,可以达到“取长补短”的效果,可以效地解决材料的强度、韧性及生物相容性问题,是生物材料新品种开发的有效手段。根据使用方式不同,研究较多的是合金、碳纤维/ 高分子材料、无机材料(生物陶瓷、生物活性玻璃) 、高分子材料的复合研究。7.4 生物材料表面改性是永久性课题材料表面改性是生物材料研究的永久性课题。如:在选用合成高分子材料制造人造器官时,可以用共聚的方法,把两种以上的高分子合成在一起,使材料分子中的亲水基团稀稀落落分布于
20、各处,呈微观体均匀结构状态,这样可以大大提高抗血栓功能。展望未来,高新技术的注入将极大地增强医用高分子材料产业的活力。常规医学材料的应用中所面临的人工关节失效的磨损碎屑问题,心血管器件的抗凝血问题,材料的降解机制问题,评价材料和植入体长期安全性、可靠性的可靠方法和模型等问题有望得到改善。但同发达国家相比,我国的医用高分子相关产业的规模以及研究开发的水平都还有较大的差距。我国加入WTO 后医用材料产业将面临重大挑战和机遇,所以应在国家的大力支持下,跨部门、跨学科通力合作,通过走自力更生与技术引进相结合之路,在生物材料、分子设计、仿生模拟、智能化药物控施等方面重点投入。医用高分子材料必将为造福人类
21、作出更大贡献。参考文献：1何创龙，夏烈文，罗彦凤，“生物医学工程学杂志，2004；21(5)：871_8752丁建东.医用高分子材料的发展与现代医学和人的健康/.,2004 09 13.3刘传贵,孙昌,孙康宁. 生物材料的研究现状与发展J .甘肃科学学报,2004 ,16 (1) :5762.4中国组织工程研究与临床康复杂志社学术部.医用高分子材料的临床应用:现状和发展趋势J.中国组织工程研究与临床康复,2010,14(8)5 谭英杰,梁玉蓉.生物医用高分子材料J.山西化工,2005,25(4)6杨立群,张黎明.天然生物医用高分子材料的研究进展J.中国医疗器械信息,2009,15(5)9苏花平.医用高分子材料-硅橡胶J.化学世界,2005,46(3)10沈健.生物医用高分子材料的研究进展A.第二届全国生物复合材料学术研讨会论文集C.2005.11新型生物医用高分子材料J.应用科技,2009,36(5)12章俊,胡兴斌,李雄.生物医用高分子材料在医疗中的应用J.中国医院建筑与装备,2008,9(1)
