生物材料导论3合成医用高分子材料

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1、华东理工大学East China University of Science And Technology生生 物物 材材 料料 导导 论论郎郎 美美 东东博士博士 教授教授实验一楼实验一楼 302302Tel: 6425 3916 E-mail: April 28, 2010生物材料导论 郎美东天然医用高分子材料天然医用高分子材料合成医用高分子材料合成医用高分子材料生物材料导论 郎美东合成医用高分子材料l 聚乙烯基类高分子 丙烯酸类聚合物 聚乙烯醇及其衍生物 聚乙烯基吡咯烷酮及其衍生物l 聚醚类高分子 聚乙二醇及其衍生物 聚四氢呋喃类衍生物生物材料导论 郎美东合成医用高分子材料l 有机杂原子

2、高分子 二甲基硅油 硅橡胶l 可生物降解类高分子 聚酯 合成氨基酸聚合物 其它生物材料导论 郎美东合成医用高分子材料l 聚乙烯基类高分子 丙烯酸类聚合物生物材料导论 郎美东丙烯酸类聚合物R1COORn生物材料导论 郎美东丙烯酸类聚合物CH2CHCOOHnCH2CCH3COOHnCH2CCH3COOCH2CH2OHnCH2CCH3COOCH3nCH2CHCOOHnCH2CHCOOR1CH2CCH3COOHCH2CCH3COOR2mlk聚丙烯酸聚甲基丙烯酸 聚甲基丙烯酸羟乙酯聚甲基丙烯酸甲酯聚丙烯酸类树脂生物材料导论 郎美东丙烯酸类聚合物CH2CHCOOHn聚丙烯酸聚丙烯酸溶解性溶解性毒性毒性应用

3、：作为基质、增稠剂、应用：作为基质、增稠剂、分散剂、增黏剂等在外用药剂分散剂、增黏剂等在外用药剂及药物控制释放有广泛的应用及药物控制释放有广泛的应用 。生物材料导论 郎美东生物材料导论 郎美东丙烯酸类聚合物CH2CCH3COOCH3n聚甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯有机玻璃（有机玻璃（PMMA）良好的生物相容性良好的生物相容性颅骨修补材料、人工骨、人工关节、颅骨修补材料、人工骨、人工关节、胸腔填充材料、义齿、牙托等胸腔填充材料、义齿、牙托等生物材料导论 郎美东丙烯酸类聚合物CH2CHCOOHnCH2CHCOOR1CH2CCH3COOHCH2CCH3COOR2mlk聚丙烯酸类树脂良好的生物相容性

4、良好的生物相容性包衣材料包衣材料缓释、控释制剂的辅料缓释、控释制剂的辅料生物材料导论 郎美东丙烯酸类聚合物CH2CCH3COOCH2CH2OHn聚甲基丙烯酸羟乙酯亲水性亲水性肌肤亲和性肌肤亲和性水蒸气透过性水蒸气透过性药物载体：肝素、胰岛素、抗生素药物载体：肝素、胰岛素、抗生素水凝胶水凝胶生物材料导论 郎美东聚乙烯醇及其衍生物醋酸乙烯酯醋酸乙烯酯Polyvinyl acetate, PVAc聚乙烯醇Polyvinyl alcoholmCH2CHOCOCH3C2H5OHCH2CHCH2OHCHOCOCH3nm生物材料导论 郎美东聚乙烯醇及其衍生物聚乙烯醇Polyvinyl alcoholCH2C

5、HCH2OHCHOCOCH3nm亲水性亲水性水凝胶水凝胶透皮吸收制剂辅料透皮吸收制剂辅料药物载体：肝素、胰岛素、抗生素药物载体：肝素、胰岛素、抗生素生物材料导论 郎美东可生物降解类高分子可生物降解类高分子N=PRROROHNROPoly(ortho ester)PolyanhydridesnPoly(phosphazenes)PolyesternnPseudopoly(amino acids)ORH2COOOOORCH2RnROOOn生物材料导论 郎美东OOOOOOOOOOOOROROOOOOOOnnmnnnnnnpolyglycolic acidpolylactic acidpolymali

6、c acid (R=COOH)poly-beta-hydroxybutyric acid (R=Me)and poly-beta-hydroxyvaleric acid (R=Et)poly-deta-valerolactonepoly-epsilon-caprolactonepolyethylene oxalate (n=0)polyethylene malonate (n=1)polyethylene succinate (n=2)polyethylene phthalatePolyester that have been shown to undergo hydrolytic degra

7、dation in vitro or in vivo生物材料导论 郎美东合成医用高分子材料l 液状物质l 软质材料l 弹性材料l 硬质材料l 纤维制品生物材料导论 郎美东液状物质人造血液人工血浆人工血浆人工红细胞人工红细胞人工血小板人工血小板生物材料导论 郎美东l 具有血浆蛋白渗透压的物质1) 1) 明胶或阿拉伯树胶明胶或阿拉伯树胶 2)2) 聚乙烯吡咯烷酮（聚乙烯吡咯烷酮（PVPPVP） 3)3) 葡聚糖（右旋糖酐）或羟乙基淀葡聚糖（右旋糖酐）或羟乙基淀粉粉 l 营养液 人工血浆生物材料导论 郎美东Elman营养液和蓑岛的人工血液 组成组成 Elman营养液营养液 蓑岛人工血液蓑岛人工血液

8、水水水水水水盐类盐类氯化钠氯化钠氯化钠、氯化钾、氯化钙氯化钠、氯化钾、氯化钙等等 蛋白质蛋白质多种氨基酸多种氨基酸综合氨基酸综合氨基酸 糖糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖脂类脂类各种脂肪酸及酯各种脂肪酸及酯脂肪乳剂脂肪乳剂 维生素维生素B1、B2A、B1、B2、D 血细胞代用血细胞代用品品人工血红蛋白及胶体铁、人工血红蛋白及胶体铁、白细胞代用物质、抗凝剂白细胞代用物质、抗凝剂生物材料导论 郎美东CH2CHNOn聚乙烯吡咯烷酮聚乙烯吡咯烷酮Polyvinylpyrrolidone PVP溶解性溶解性吸湿性吸湿性成膜性成膜性粘结性粘结性增溶性增溶性络合性络合性生物相容性生物相容性低毒性低毒性生理惰性生理

9、惰性 胶体保护作用胶体保护作用生物材料导论 郎美东聚乙烯吡咯烷酮聚乙烯吡咯烷酮Polyvinylpyrrolidone PVP血浆增容剂血浆增容剂PVP纤维素类衍生物纤维素类衍生物丙烯酸类化合物丙烯酸类化合物合成药物辅料合成药物辅料粘结剂粘结剂助溶剂助溶剂稳定剂稳定剂分散剂分散剂包衣成膜剂包衣成膜剂共沉淀剂共沉淀剂延效剂延效剂润滑剂润滑剂 生物材料导论 郎美东羟乙基淀粉 OHOHOHOOOHOHOOOHHOOHOOHOHOHnNaOH/ONaOH/ClCH2CH2OHOHOHOHOOOHOHOOOHHOOHOOCH2CH2OHOCH2CH2OHOCH2CH2OHn生物材料导论 郎美东羟乙基淀粉

10、 人造红血球：抗冷凝剂和血浆增稠剂人造红血球：抗冷凝剂和血浆增稠剂 非离子淀粉醚非离子淀粉醚 溶解性溶解性糊化性糊化性成膜性成膜性 生物材料导论 郎美东人工红细胞主要成分：血红蛋白功能：氧和二氧化碳的交换 红细胞红细胞人工红细胞的最主要目标：人工红细胞的最主要目标：开发具有高度气体交换功能的材料开发具有高度气体交换功能的材料生物材料导论 郎美东人工红细胞-全氟化合物全氟三丙胺全氟三丙胺全氟萘烷全氟萘烷全氟甲基萘烷全氟甲基萘烷全氟三丁胺全氟三丁胺全氟丁基四氢呋喃全氟丁基四氢呋喃气体交换功能气体交换功能生物稳定性生物稳定性安全性安全性 乳化剂乳化剂生物材料导论 郎美东人工红细胞-“杂化”型人工血红

11、蛋白 溶液型血红蛋白溶液型血红蛋白 微胶囊化血红蛋白微胶囊化血红蛋白 复合型血红蛋白复合型血红蛋白 生物材料导论 郎美东血小板 l 白血病l 由辐射、异物等引起的骨髓障碍l 再生障碍性贫血 l 慢性再生障碍性贫血l 骨髓纤维症l 癌症的骨髓转移l 血栓形成性血小板减少紫癜l 弥漫性血管内凝血l 心脏旁路手术供应供应感染感染排异排异组织相容性组织相容性 生物材料导论 郎美东人工血小板人工血小板 低成本低成本可较长时间保存及使用可较长时间保存及使用有持续功效有持续功效不发生不适应状态不发生不适应状态没有变态反应没有变态反应在血流中不形成血栓在血流中不形成血栓形成的血栓可经生理去除形成的血栓可经生理

12、去除不抑制正常血小板的产生不抑制正常血小板的产生不妨碍正常血小板的功能不妨碍正常血小板的功能止血，补充和增加止血，补充和增加生物材料导论 郎美东Craniofacial tissues needed in reconstruction. Reproduced with permission from, Springer Sciencet Business Media: European Archives of Otorhinolaryngology, Tissue Engineering in head and neck reconstructive surgery: what type of

13、 tissue do we need?生物材料导论 郎美东人工角膜和接触镜人工角膜和接触镜v隐形眼镜隐形眼镜vOK镜等镜等人工软骨人工软骨血液接触膜材料血液接触膜材料 软质材料软质材料 生物材料导论 郎美东人工角膜和接触镜聚甲基丙烯酸甲酯（聚甲基丙烯酸甲酯（PMMAPMMA）醋丁纤维素（醋丁纤维素（CABCAB）聚甲基丙烯酸硅氧烷酯（聚甲基丙烯酸硅氧烷酯（PSiMAPSiMA）聚甲基丙烯酸羟乙酯（聚甲基丙烯酸羟乙酯（PHEMAPHEMA）聚甲基硅氧烷（硅橡胶）聚甲基硅氧烷（硅橡胶）聚乙烯吡啶（聚乙烯吡啶（PVPyPVPy） 生物材料导论 郎美东2006年：美国斯坦福大学近日成功研制了一款人工角

14、膜。 构成该人工角膜的材料为Duoptix,是一种由水凝胶交织形成的双层网状结构物质。其中一层由聚乙二醇分子组成,有抗表面蛋白积聚和抗炎作用,另外一层则为聚丙烯酸分子组成的超吸收物质层。该人工角膜外形为碟形,中央透明,周围密布微孔,置入眼内后,上皮细胞会渗入微孔并分泌胶原,从而使人工角膜与相邻的天然组织相连,然后人工角膜上可生长一层上皮细胞。 研究者目前正通过动物实验验证人工角膜的生物相容性。长达8周的实验显示,动物对其耐受良好,角膜透明度仍能完好保持。 生物材料导论 郎美东人工软骨 l耳朵耳朵l软骨软骨l肋骨肋骨l骨头关节骨头关节 自体移植自体移植异体移植异体移植组织工程组织工程R Lang

15、erJ P VacantiR. Langer, J. P. Vacanti, Science 260, 920 (1993).生物材料导论 郎美东血液净化膜血液净化膜 血液净化疗法就是通过体外循环技术，血液净化疗法就是通过体外循环技术，矫正血液成分质量和数量的异常矫正血液成分质量和数量的异常 肾衰竭肾衰竭自免疫疾病自免疫疾病代谢病等代谢病等纤维素膜纤维素膜丙烯腈聚合物丙烯腈聚合物PMMA聚乙烯乙烯醇聚乙烯乙烯醇聚砜聚砜聚酰胺聚酰胺 FilmMembrane生物材料导论 郎美东弹性材料弹性材料 硅橡胶硅橡胶聚硅烷聚硅烷聚硅氧烷聚硅氧烷HOSiOSiOSiOHRRRRRRnR为为-CH3, -C2

16、H5或或-CH=CH2等等R5SiSiR6R1R2R2R4nm生物材料导论 郎美东弹性材料弹性材料 硅橡胶硅橡胶硅油硅油: :不同聚合度的链状结构聚硅氧烷不同聚合度的链状结构聚硅氧烷硅橡胶硅橡胶: :高分子量聚有机硅氧烷的交联体高分子量聚有机硅氧烷的交联体生物惰性生物惰性 19641964，医用级有机硅胶粘剂，医用级有机硅胶粘剂 生物材料导论 郎美东通过直接聚合得到的有机硅高聚物称为有机硅生胶，通过直接聚合得到的有机硅高聚物称为有机硅生胶，其弹性低、机械强度高，不能直接应用，必须经过高其弹性低、机械强度高，不能直接应用，必须经过高温硫化处理。其方法如下：在有机硅生胶中加入二氧温硫化处理。其方法

17、如下：在有机硅生胶中加入二氧化硅（化硅（SiOSiO2 2，俗称白碳黑）、二氧化钛等作补强剂，俗称白碳黑）、二氧化钛等作补强剂，用有机过氧化物如过氧化二苯甲酰（用有机过氧化物如过氧化二苯甲酰（BPOBPO）作硫化剂，）作硫化剂，并加入其它辅料和助剂进行混炼、成型、热处理熟化并加入其它辅料和助剂进行混炼、成型、热处理熟化得到得到高温硫化高温硫化硅橡胶。硅橡胶。弹性材料弹性材料 硅橡胶硅橡胶高温硫化硅橡胶高温硫化硅橡胶生物材料导论 郎美东弹性材料弹性材料 硅橡胶硅橡胶人工器官和组织代用品 短期植入材料 药物控制释放载体 体外循环用品 整容外科修补材料 生物材料导论 郎美东弹性材料弹性材料 聚氨酯橡

18、胶聚氨酯橡胶NHCOO氨酯键氨酯键NNCOCOH3CHOROHH3CNCOOHRONHn软组织相容性软组织相容性血液相容性血液相容性 生物材料导论 郎美东弹性材料弹性材料 聚氨酯橡胶聚氨酯橡胶人工心脏搏动膜人工心脏搏动膜主动脉内气囊反搏囊膜主动脉内气囊反搏囊膜体外血液循环管路体外血液循环管路人工软骨人工软骨小口径软骨血管、血袋或血液容器小口径软骨血管、血袋或血液容器医用粘合剂医用粘合剂乙基药物释放体系乙基药物释放体系 生物材料导论 郎美东硬质材料硬质材料人工骨和人工关节人工骨和人工关节 聚甲基丙烯酸甲酯：有机玻璃，聚甲基丙烯酸甲酯：有机玻璃，PMMA聚碳酸酯聚碳酸酯复合的硅橡胶复合的硅橡胶 高

19、分子复合材料：聚砜高分子复合材料：聚砜/ /磷酸钙磷酸钙可生物降解的高分子可生物降解的高分子 v人工头盖骨人工头盖骨v人工股骨人工股骨v骨水泥骨水泥v人工腕关节人工腕关节v人工髋关节人工髋关节v人工指关节人工指关节v人工膝关节人工膝关节v人工肩关节人工肩关节v人工肘关节人工肘关节生物材料导论 郎美东2006年：俄罗斯研制出一种新型“人造骨”。以聚丙烯酸酯、聚交酯等材料，按预先设计好的样子将其制成“人造骨”的外壳，之后用化学方法将羟基磷灰石均匀地填入外壳，并使两者结合成一个整体。在进一步加工这个假体时，专家使用了超临界二氧化碳溶剂。此外，加工过程中使用的一些添加剂还能促使“人造骨”与骨组织更好地

20、相容。在对老鼠和兔子进行试验时，“人造骨”与动物的骨组织破损处顺利地长在一起，且未出现副作用，这些特点优于目前修复手术中常用的金属及复合材料。 生物材料导论 郎美东硬质材料硬质材料高分子口腔材料高分子口腔材料 金属：金牙、银牙金属：金牙、银牙合金：钴铬合金、银汞合金合金：钴铬合金、银汞合金无机材料：烤瓷牙、生物玻璃牙无机材料：烤瓷牙、生物玻璃牙高分子材料：有机玻璃、聚砜高分子材料：有机玻璃、聚砜复合材料：双酚复合材料：双酚A甲基丙烯酸缩水甘油酯甲基丙烯酸缩水甘油酯 生物材料导论 郎美东纤维材料纤维材料合成高分子材料可加工性及可纺性合成高分子材料可加工性及可纺性 聚酯纤维：聚酯纤维：PETPET聚氨酯纤维：氨纶聚氨酯纤维：氨纶聚酰胺纤维：尼龙聚酰胺纤维：尼龙聚乙烯醇纤维聚乙烯醇纤维 生物材料导论 郎美东纤维材料纤维材料用途形状实例 结合材料缝线聚羟基酸 止血材料毛胶原、纤维蛋白 人工韧带纤维编制带 聚（L乳酸）人工血管纤维聚乙丙交酯 创伤覆盖材料 纤维聚（L亮氨酸） 人工皮肤纤维胶原及其复合物 药物释放系统 中空纤维可降解高分子材料 生物材料导论 郎美东什么是高温硫化硅橡胶？医用硅橡胶有哪些用途？