生物医用高分子材料.ppt
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1、生物医用高分子材料第六章第六章 生物医用高分子材料生物医用高分子材料表表1 用于人工用于人工脏器的部分高分子材料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,聚甲基丙烯酸甲酯,聚丙烯腈,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,乙烯乙烯醇共聚物(聚砜,乙烯乙烯醇共聚物(EVA),聚氨酯豪,聚丙烯,聚碳),聚氨酯豪,聚丙烯,聚碳酸酯,聚甲基丙烯酸酸酯,聚甲基丙烯酸羟乙酯羟乙酯肝肝 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
2、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,聚甲基丙烯酸甲酯,尼龙,高密度聚乙烯,聚甲基丙烯酸甲酯,尼龙,聚酯聚酯2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,硅橡胶羟乙酯,硅橡胶玻璃体玻璃体硅油,聚甲基丙烯酸硅油,聚甲基丙烯酸羟乙酯羟乙酯鼻、耳鼻、耳硅橡胶,聚乙烯硅橡胶,聚乙烯乳乳 房房聚硅酮聚硅酮血血 管管聚酯纤维,聚四氟乙烯,嵌段聚
3、醚氨酯聚酯纤维,聚四氟乙烯,嵌段聚醚氨酯人工红血人工红血球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 根据人工根据人工脏器的作用及目前研究器的作用及目前研究进展,展,可将它可将它们分成五大分成五大类。第一第一类:能永久性地植入人体,完全替代原:能永久性地植入人体,完全替代原来来脏器或部位的功能,成器或部位的功能,成为人体人体组织的一部的一部分分。属于。属于这一一类的有人工血管、人工心的有人工血管、人工心脏瓣瓣膜、人工食道、人工气管等。膜、人工食道、人工气管等。3.2 3.2 人工脏器的分类人工脏器的分类 4 第二第二类:在体外使
4、用的:在体外使用的较为大型的人工大型的人工脏器器装置、主要作用是在手装置、主要作用是在手术过程中程中暂时替代原替代原有器官的功能有器官的功能。例如人工。例如人工肾脏、人工心、人工心脏、人工肺等。人工肺等。这类装置的装置的发展方向是小型化和展方向是小型化和内植化,最内植化,最终能植入体内完全替代原有能植入体内完全替代原有脏器器的功能。的功能。第三第三类:功能比:功能比较单一,只能部分替代人体一,只能部分替代人体脏器的功能,例如人工肝器的功能,例如人工肝脏等等。这类人工人工脏器的研究器的研究 方向是多功能化,使其能完全替代人体原有方向是多功能化,使其能完全替代人体原有的的较为复复杂的的脏器功能。器
5、功能。5 第四第四类:正在:正在进行探索的人工行探索的人工脏器器。这是指是指那些功能特那些功能特别复复杂的的脏器,如人工胃、人工器,如人工胃、人工子子宫等。等。这类人工人工脏器的研究成功,将使器的研究成功,将使现代医学水平有一重大代医学水平有一重大飞跃。第五第五类:整容性修复材料,如人工耳:整容性修复材料,如人工耳朵、人、人工鼻子、假肢等工鼻子、假肢等。这些部件一般不具些部件一般不具备特殊特殊的生理功能,但能修复人体的残缺部分,使的生理功能,但能修复人体的残缺部分,使患者重新患者重新获得端正的得端正的仪表。从社会学和心理表。从社会学和心理学的角度来看,也是具有重大意学的角度来看,也是具有重大意
6、义的。要制的。要制成一个完整的人工成一个完整的人工脏器,必器,必须有能源,有能源,传动装置、自装置、自动控制系控制系统及及辅助装置或多方面的助装置或多方面的配合。然而,不言而配合。然而,不言而喻,其中高分子材料乃,其中高分子材料乃是目前制造人工是目前制造人工脏器的关器的关键材料。材料。6 对于人工于人工脏器而言,血液的相容性器而言,血液的相容性显得尤得尤为重要。血液在以下两种情况下会重要。血液在以下两种情况下会发生异常:生异常:1.当血管受当血管受损伤时,血液离开血管,血液离开血管进入入组织时,会会发生自生自动凝血;凝血;2.血液与异物表面接触血液与异物表面接触时,可能,可能发生溶血或凝生溶血
7、或凝血,从而形成血栓。血,从而形成血栓。显然,不解决上述然,不解决上述问题,高分子材料就不能在,高分子材料就不能在人体中人体中应用用3.33.3高分子材料的血液相容性高分子材料的血液相容性7(1)血栓的形成)血栓的形成 通常,当人体的表皮受到通常,当人体的表皮受到损伤时,流出的血液,流出的血液会自会自动凝固,称凝固,称为血栓血栓。实际上,血液在受到下上,血液在受到下列列因素影响因素影响时,都可能,都可能发生血栓:生血栓:血管壁特性与血管壁特性与状状态发生生变化;化;血液的性血液的性质发生生变化;化;血血液液的流的流动状状态发生生变化化。3.3.3.1 3.1 高分子材料的凝血作用高分子材料的凝
8、血作用8 根据根据现代医学的代医学的观点,点,对血液的循血液的循环,人体内人体内存在两个存在两个对立系立系统,即促使血小板生成和,即促使血小板生成和血液凝固血液凝固的的凝血系凝血系统和由肝素、抗凝血和由肝素、抗凝血酶以及促使以及促使纤维蛋白蛋白凝胶降解的溶凝胶降解的溶纤酶等等组成的成的抗凝血系抗凝血系统。当材料植当材料植入体内与血液接触入体内与血液接触时,血液的流,血液的流动状状态和和血管壁状血管壁状态都将都将发生生变化,凝血系化,凝血系统开始开始发挥作用,作用,从而从而发生血栓。生血栓。血栓的形成血栓的形成9 血栓的形成机理是十分复血栓的形成机理是十分复杂的。一般的。一般认为,异异物与血液接
9、触物与血液接触时,首先将吸附血,首先将吸附血浆内蛋白内蛋白质,然后然后粘附血小板,粘附血小板,继而血小板崩坏,放出血小板因而血小板崩坏,放出血小板因子,子,在异物表面凝血,在异物表面凝血,产生血栓。此外,生血栓。此外,红血球粘血球粘附引附引起溶血;凝血致活起溶血;凝血致活酶的活化,也都是形成血栓的活化,也都是形成血栓的原的原因。(因。(见图2)血栓的形成机理血栓的形成机理10图2 血栓形成血栓形成过程示意程示意图 血栓的形成机理血栓的形成机理111)血小板的粘附与材料表面能有关血小板的粘附与材料表面能有关 实验发现,血小板,血小板难粘附于表面能粘附于表面能较低的低的有有机机硅聚合物硅聚合物,而
10、易粘附于,而易粘附于尼尼龙、玻璃、玻璃等高能表面等高能表面上。上。此外,在此外,在聚甲基丙聚甲基丙烯酸酸羟乙乙酯、接枝聚乙、接枝聚乙烯醇、主醇、主链和和侧链中含有聚乙二醇中含有聚乙二醇结构的构的亲水性水性材料材料表面上,血小板的粘附量都比表面上,血小板的粘附量都比较少。少。这可能是可能是由于由于容易被水介容易被水介质润湿而具有湿而具有较小的表面能。小的表面能。因此,有理由因此,有理由认为,低表面能材料具有低表面能材料具有较好的好的抗血栓性抗血栓性。(2 2)影响血小板在材料表面粘附的因素)影响血小板在材料表面粘附的因素12 人体中正常血管的内壁是人体中正常血管的内壁是带负电荷的,荷的,而血小板
11、、血球等的表面也是而血小板、血球等的表面也是带负电荷的,荷的,由于同性相斥的原因,血液在血管中不会由于同性相斥的原因,血液在血管中不会凝固。凝固。因此,因此,对带适当适当负电荷的材料表面,荷的材料表面,血小板血小板难于粘附,有利于材料的抗血栓性。于粘附,有利于材料的抗血栓性。但也有但也有实验事事实表明,血小板中的凝血因表明,血小板中的凝血因子在子在负电荷表面容易活化。因此,若荷表面容易活化。因此,若电荷荷密度太大,容易密度太大,容易损伤血小板,反而造成血血小板,反而造成血栓栓。2)2)血小板的粘附与材料表面的电荷性质有关血小板的粘附与材料表面的电荷性质有关13 有些高分子材料与水接触后能形成高
12、有些高分子材料与水接触后能形成高含水状含水状态(2090以上)的水凝胶。在以上)的水凝胶。在水凝胶中,由于含水量增加而使高分子的水凝胶中,由于含水量增加而使高分子的实质部分减少,因此,植入人体后,与血液的部分减少,因此,植入人体后,与血液的接触机会也减少,相接触机会也减少,相应的血小板粘附数减少。的血小板粘附数减少。实验表明,表明,丙丙烯酰胺、甲基丙胺、甲基丙烯酸酸羟乙乙酯和和带有聚乙二醇有聚乙二醇侧基的甲基丙基的甲基丙烯酸酸酯与其与其他他单体共聚或接枝共聚的水凝胶体共聚或接枝共聚的水凝胶,都具有,都具有较好的抗血栓性。好的抗血栓性。3)3)血小板的粘附与材料的含水率有关血小板的粘附与材料的含
13、水率有关14 综合上述合上述讨沦不不难看出,无看出,无论是疏水性聚合是疏水性聚合物物还是是亲水性聚合物,都可在一定程度上具有抗水性聚合物,都可在一定程度上具有抗血栓血栓性。性。进一步的研究表明,材料的抗血栓性,并一步的研究表明,材料的抗血栓性,并不不简单决定于其是疏水性的决定于其是疏水性的还是是亲水性的,而是决水性的,而是决定于定于它它们的平衡的平衡值。一个一个亲水疏水性水疏水性调节得得较合合适的适的聚合物,往往有足聚合物,往往有足够的吸附力吸附蛋白的吸附力吸附蛋白质,形,形成一成一层隋性隋性层,从而减少血小板在其上,从而减少血小板在其上层的粘附的粘附。4)4)血小板的粘附与材料表面疏水亲水平
14、衡有关血小板的粘附与材料表面疏水亲水平衡有关15 由于凝血效由于凝血效应与血液的流与血液的流动状状态有关,血有关,血液流液流经的表面上有任何障碍都会改的表面上有任何障碍都会改变其流其流动状状态,因此材料表面的平整度将,因此材料表面的平整度将严重影响材料的重影响材料的抗血栓性。据研究知,抗血栓性。据研究知,材料表面若有材料表面若有3m以上以上凹凸不凹凸不变的区域,就会在的区域,就会在该区域形成血栓区域形成血栓。由此可由此可见,将材料表面尽可能,将材料表面尽可能处理得光滑,理得光滑,以减少血小板、以减少血小板、细胞成分在表面上的粘附和聚胞成分在表面上的粘附和聚集,是减少血栓形成可能性的有效措施之一
15、。集,是减少血栓形成可能性的有效措施之一。5)5)血小板的粘附与材料表面的光滑程度有关血小板的粘附与材料表面的光滑程度有关163.4 高分子在人工脏器的应用现状高分子在人工脏器的应用现状 高分子材料作高分子材料作为人工心人工心脏、人工心、人工心脏瓣膜、瓣膜、人工血管、人工人工血管、人工肾等的医用材料,正在越来等的医用材料,正在越来越广泛地得到运用。越广泛地得到运用。人工人工脏器的器的应用正从大型向小型化用正从大型向小型化发展,从展,从体外使用向内植型体外使用向内植型发展,从展,从单一功能向一功能向综合合功能型功能型发展。展。第六章第六章 生物医用高分子材料生物医用高分子材料17u人工心脏人工心
16、脏 人工心脏是利用外在机械动力作用把血液输人工心脏是利用外在机械动力作用把血液输送到全身各器官以代替原有心脏功能的装置。所送到全身各器官以代替原有心脏功能的装置。所用材料主要为高分子和金属。用材料主要为高分子和金属。高分子如聚酯高分子如聚酯用作用作人工心脏主体的制作,人工心脏主体的制作,金属材料如金属材料如TiTi合金主要作合金主要作为心脏瓣膜、心室,其坚固性、轻质、表面光滑为心脏瓣膜、心室,其坚固性、轻质、表面光滑性非常适于人工心脏。血液相容性(性非常适于人工心脏。血液相容性(血栓和溶血)血栓和溶血)及组织相容性(感染)等是人工心脏失效的常见及组织相容性(感染)等是人工心脏失效的常见问题,对
17、瓣膜等材料进行改性以提高其生物相容问题,对瓣膜等材料进行改性以提高其生物相容性性。二二3.4.1 3.4.1 人工心脏和人工心脏瓣膜人工心脏和人工心脏瓣膜可植入心脏内代替原有天然心可植入心脏内代替原有天然心脏瓣膜(主动脉瓣、肺动脉瓣、脏瓣膜(主动脉瓣、肺动脉瓣、三尖瓣、二尖瓣),能使血液单三尖瓣、二尖瓣),能使血液单向流动,具有天然心脏瓣膜功能向流动,具有天然心脏瓣膜功能的人工器官。的人工器官。主要分为机械瓣,人体组织瓣,主要分为机械瓣,人体组织瓣,动物组织瓣等。动物组织瓣等。人体组织瓣的应用有两种人体组织瓣的应用有两种:同种异体移植同种异体移植:将一个瓣膜从将一个瓣膜从一个人移植到另一个人。
18、一个人移植到另一个人。自身移植自身移植:从本人的一个部位从本人的一个部位移植到另一个部位。应用最多的移植到另一个部位。应用最多的自身移植是将肺动脉瓣移植到主自身移植是将肺动脉瓣移植到主动脉瓣,称为动脉瓣,称为RossRoss手术手术。图图5-7 5-7 生物组织瓣膜实物图生物组织瓣膜实物图3.4.2 3.4.2 人工心脏瓣膜人工心脏瓣膜定义:又称人工透析机,一种透析治疗设备,是用人工方法模仿人体肾小球的过滤作用,在体外循环的情况下,去除人体血液内过剩的含氮化合物、新陈代谢产物或逾量药物等,调节水和电解质平衡,以使血液净化的一种高技术医疗仪器。原理:应用的膜分离技术原理,需从病人动脉将血液引流出
19、来,在人工肾经过透析后再从静脉输入病人体内。组成:血液净化系统(透析器)、透析液供给系统和自动控制系统三部分透析器是人工肾的核心部分,现有用于透析器的膜材料主要有用化学方法从棉花中提取的再生纤维素和改良纤维素,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。3.4.33.4.3人工肾(人工透析机)人工肾(人工透析机)治治疗大面大面积皮肤皮肤创伤的病人,的病人,需要将病人的正常皮肤移植在需要将病人的正常皮肤移植在创伤部位上。但在移植之前,部位上。但在移植之前,创伤面需要清洗,被移植皮肤需要养面需要清洗,被移植皮肤需要养护,因此需要一定,因此需要一定时间。在。在这段段
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