功能材料作业 侯星宇

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1、功能材料在生物医学方面的应用学 院 材料科学与工程 专业班级 金属材料1001 学生姓名 侯星宇 学 号 100202104 生物医用高分子材料提要：随着人民生活水平的提高和现代医学的发展，生物医用高分子材料日益重要，在医疗费用中的比重也十分突出。近几年来,由于生物医学工程、材料科学和生物技术的发展,生物医用高分子材料及其制品正以其特有的生物相容性、无毒性等优异性能而获得越来越多的医学临床应用。关键词： 生物医用高分子材料；基础研究；合成；医疗器械 Biomedical Polymeric MaterialsAbstract: Biomedical polymeric materials ha

2、ve been of the increasing importance for human health ，and much progress has been made during the latest decade.。In recent years，biomedical polymer materials and products have increasingly found clinical application owing to their excellent performances such as unique biological histocompatibility,，

3、and non-toxicity with the development of biomedical engineering, materials science and biotechnology。Key words: Polymeric Biomedical Materials; Basic Research; Synthesis; Medical device 引言医用高分子是一类令人瞩目的功能高分子材料,是一门介于现代医学和高分子科学之间的新兴学科。医用高分子材料是一类可对有机体组织进行修复、替代与再生,具有特殊功能作用的新型高技术合成高分子材料,是科学技术中的一个正在发展的新领域,

4、不仅技术含量和经济价值高,而且对人类的健康生活和社会发展具有极其重大意义,它已渗入到医学和生命科学的各个部门并应用于临床的诊断与治疗。1.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，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：

5、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、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

6、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。2.医用高分子的现状2.1医用高分子材料的目前需求人的健康长寿依赖于医学的发展。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

7、%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。生物医用材料产业发展如此迅猛,主要动力来自于人口老龄化、中青年创伤的增多、疑难疾病患者的增加和高新技术的发展。生物材料的研究与开发被许多国家列入高技术关键新材料发展计划,并迅速成为国际高技术制高点之一。作为世界人口最多的国家,生物材料的市场潜力十分巨大。据民政部门报告:我国现有的肢体不自由患者已超过1 500 万,其中肢残患者约800 万;由类风湿引发的大骨节病患者有数百万;冠心病患者已超过1 000 万;白内障盲人约500 万;牙缺损

8、和牙缺失患者高达3 亿 4 亿人; 肝炎病毒携带者1. 2 亿;心血管病患者2 000 万;需计划生育的育龄妇女2 000 万;伴随人口老龄化(60 岁以上的老年人口已达1. 39 亿人,约占全国人口的10. 69 %) 的骨质疏松患者7 000 万;每年由于疾病、交通事故和运动创伤等造成的骨缺损和缺失患者人数近1 000 万人;需要进行颅颌面和胸部美容整形的人数有数千万人。这还不包括数目庞大的各类软组织、血液和器官疾病患者人数4。我国医用高分子材料研制和生产迅速发展,初具规模,已经成为一个新兴产业,总产值的增长率远高于国民经济平均发展速度。可见,生物材料是一个巨大的产业,生物材料的不可缺少性

9、,尤其是进口材料动辄上万元的价格决定了我国必须加强具有自主知识产权的生物材料的研究开发。2.2生物医用功能高分子材料分类由于高分子生物材料由多学科参与研究工作，出现了不同的分类方式。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。目前，这些分类方法和各种高分子生物材料的名称还处于混合实用状态，尚无统一的标准。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。2.21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

10、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。这些纤维由于他们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、加速创面愈方面具有强大的优势，已引起国内外医务界广泛的关注。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。例如：迄今为止再高明的材料学家也做不出具有高强度和高韧性的动物牙釉质，海洋生物能长出色彩斑斓、坚阊义不被海水腐蚀的贝壳等等。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（chintos

11、an）。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。比如家蚕丝脱胶后可得到纯丝素蛋白成分，丝素蛋白是一种优质的生物医学材料，具有无毒、无刺激性、良好的血液相容性和组织相容性。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。2.22合成生物材料由于天然材料的有限，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

12、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

13、、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

14、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。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

15、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、高压煮沸、环氧乙烷气体消毒和酒精消毒等) 。正因为对于医用高分子材料的要求严格,相关的研发周期一般较长,需要经过体外实验、动物实验、临床实验等不同阶段的试验,材料市场化需要经国家药品和医疗器械检验

16、部门的批准,且报批程序复杂,费用高。这也是生物材料的市场价格居高不下的一个重要原因。3.医用高分子材料的主要类别和应用医用高分子材料涉及到多个学科,根据不同的角度医用高分子材料有不同的分类方法,尚无统一标准。为了便于比较不同结构的生物材料对于各种治疗目的的适用性,按生物医学用途分类如下:3. 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。如牙科材料(蛀牙填补用树脂、假牙和人工牙根、人工齿冠

17、材料和硅橡胶牙托软衬垫等) ;人造骨、关节材料聚甲基丙烯酸甲酯等。随着生命科学、材料科学、医学临床的发展和人们生活水平的不断提高,此类材料具有越来越广阔的临床应用前景和巨大的经济效益。3.2 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,不引起严重的组织病变。3.3 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

18、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。3.4 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

19、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) 。4 .医用高分子材料的发展及展望近年来 ,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。据美国健康工业制造者协会资料报告 ,1995 年世界市场达1 200 亿美元 ,美国为510 亿美元 ,预计在21 世纪将成为国民经济的支柱产业。目前 ,除人脑外的大部分人体器官都可用高分子材料来制作 ,有保健作用的功能高分子也在开发之中。目前植入的人工器官市场已达30亿美元/ a ,人工心脏导管市场的年增长率为 10 % ,1999

20、 年达到 6 亿美元。预计药物释放系统的营业额将从1993 年的 50 亿美元增长到 2000 年的 70 亿美元。目前 ,生物材料制品的总产值已达 40 亿美元 ,其中生物高分子及制品的产值为 25 亿美元。据统计:截至 1990 年 ,美国、 日本和西欧等国发表的有关医用高分子的学术论文和专利已超过 3 万篇。我国医用高分子材料的研究起步较晚，但这几年的发展较快。目前约有50 多个单位从事这方面的研究,现有医用高分子材料60 多种,制品达400 余种,用于医疗的聚甲基丙烯酸甲酯每年达300 t 。然而,我国医用高分子材料的研究目前仍然处于经验和半经验阶段 ,还没有能够建立在分子设计的基础上

21、。因此,应该以材料的结构与性能关系,材料的化学组成、表面性质和生命体组织的相容性之间的关系为依据来研究开发新材料。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:4.1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,以恢复受损组织或器官的功能。它的主要任务是实现受损组织和器官的修复或再建,延长寿命和提高健康水平。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

22、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。这种具有生命力的活体组织或器官能对病损组织或器官进行结构、形态和功能的重建,并达到永久替代。4.2 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。一次性注射或口服的高分子疫苗制剂的开发,将克服普通疫苗需多次注射方能奏效的缺点,而深受人们的重视。高分子避孕疫苗的研制又将

23、为人类的生育调节提供一个简便、无毒副作用、十分安全的新方法,并有可能成为未来控制人口增长的重要措施。基因治疗是导入正常基因于特定的细胞(癌细胞) 中,对缺损或致病的基因进行修复,或者导入能够表达出具有治疗癌症功能的蛋白质基因,或导入能阻止体内致病基因合成蛋白质的基因片段来组织致病基因发生作用,从而达到治疗的目的。基因疗法的关键是导入基因的载体,只有借助载体,正常基因才能进入细胞核内。目前,高分子纳米材料和脂质体是基因治疗的理想载体,它具有承载容量大、安全性能高的特点。近来新合成的树枝状高分子材料作为基因导入的载体值得关注。4.3 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,

24、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。提高复合材料界面之间的相容性是复合材料研究的主要课题。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。4.4 生物材料表面改性是永久性课题除了设计、制备性能优异的新材料外,还可通过对传统材料进行表面化学处理、表面物理改性和生物改性提高材料性能。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

25、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

26、、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上海医疗器械简讯，2005(1)：163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聂颖,徐海平.我国医疗器械产业现状及发展谋略J. 中国食品药品监管,2008,(9):24.6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)7乔丽华, 王恕立. 中国医疗器械产业发展现状分析J. 当代经济, 2009,(1):62-63.8卜绮成.振兴有望我国医疗器械产业30 年回顾J. 中国医疗设备,2009,24(9):92-98.9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)11