會計學(xué)1功能高分子材料生物醫(yī)用高分子材料功能高分子材料生物醫(yī)用高分子材料第1頁/共104頁2022-4-79.1 概述概述第1頁/共104頁第2頁/共104頁2022-4-7包括自體和異體組織，經(jīng)處理改性而獲得的無活性的生包括自體和異體組織，經(jīng)處理改性而獲得的無活性的生物材料。物材料。 二、生物醫(yī)用材料二、生物醫(yī)用材料的分類的分類第2頁/共104頁第3頁/共104頁2022-4-7第3頁/共104頁第4頁/共104頁2022-4-7聚四氟乙烯聚四氟乙烯第4頁/共104頁第5頁/共104頁2022-4-7例如：例如：德國產(chǎn)品德國產(chǎn)品 UHMWPE材料材料ISO5834-2ASTM F648可用為人工關(guān)可用為人工關(guān)節(jié)、人工骨骼節(jié)、人工骨骼植入人體植入人體極低的能耗極低的能耗第5頁/共104頁第6頁/共104頁2022-4-7第6頁/共104頁第7頁/共104頁2022-4-7第7頁/共104頁第8頁/共104頁2022-4-7第8頁/共104頁第9頁/共104頁2022-4-7第9頁/共104頁第10頁/共104頁2022-4-71. 分類分類第10頁/共104頁第11頁/共104頁2022-4-7第11頁/共104頁第12頁/共104頁2022-4-7n臨床應(yīng)用臨床應(yīng)用化學(xué)家來做第一步化學(xué)家來做第一步第12頁/共104頁第13頁/共104頁2022-4-7第13頁/共104頁第14頁/共104頁2022-4-70500100015002000250030003500年20052002200032752300165020%12%單位: 億 美 元 世界醫(yī) 療 器 械市場 生物 材 料 和 制 品第14頁/共104頁第15頁/共104頁2022-4-7第15頁/共104頁第16頁/共104頁2022-4-7第16頁/共104頁第17頁/共104頁2022-4-73. History of polymeric biomaterials1943年年 賽璐珞薄膜開始用于血液透析賽璐珞薄膜開始用于血液透析1949年年 美國首先發(fā)表了醫(yī)用高分子的展望美國首先發(fā)表了醫(yī)用高分子的展望性論文。在文章性論文。在文章 中，第一次介紹了中，第一次介紹了利用利用PMMA作為作為人的頭蓋骨、關(guān)人的頭蓋骨、關(guān) 節(jié)和股骨節(jié)和股骨，利用聚酰胺纖維作為手利用聚酰胺纖維作為手術(shù)縫合線術(shù)縫合線的臨床的臨床 應(yīng)用情況。應(yīng)用情況。50年代，有機硅聚合物年代，有機硅聚合物被用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)被用于醫(yī)學(xué)領(lǐng) 域域，使人工器官的應(yīng)用范圍大大擴，使人工器官的應(yīng)用范圍大大擴大，包括器官替大，包括器官替 代和整容等許多方面。代和整容等許多方面。 Drug controlled releaseTissue engineeringGene therapy第17頁/共104頁第18頁/共104頁2022-4-7第18頁/共104頁第19頁/共104頁2022-4-7第19頁/共104頁第20頁/共104頁2022-4-7第20頁/共104頁第21頁/共104頁2022-4-7部位和臟器都可用高分子材料來取代。部位和臟器都可用高分子材料來取代。仿生人也將仿生人也將比想象中更快地來到世上。比想象中更快地來到世上。第21頁/共104頁第22頁/共104頁2022-4-7第22頁/共104頁第23頁/共104頁2022-4-7Requirements for biomedical polymersOther requirements according to specific applications加工成型性machine-shaping properties機械性能與穩(wěn)定性Mechanical properties環(huán)境敏感性Environmental sensitivity表面性能與結(jié)構(gòu)多空性Surface properties/Porosity親疏水性Hydrophilicity / hydrophobicity 第23頁/共104頁第24頁/共104頁2022-4-7 不會致癌不會致癌 根據(jù)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)理論認為，人體致癌的根據(jù)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)理論認為，人體致癌的原因是由原因是由于于正常細胞發(fā)生了變異。當(dāng)這些變異細正常細胞發(fā)生了變異。當(dāng)這些變異細胞以極其迅胞以極其迅速的速度增長并擴散時，就形成了癌速的速度增長并擴散時，就形成了癌。而引起細胞而引起細胞變異的因素是多方面的，有化學(xué)因素、變異的因素是多方面的，有化學(xué)因素、物理因素，物理因素，也有病毒引起的原因。也有病毒引起的原因。安全性安全性第24頁/共104頁第25頁/共104頁2022-4-7第25頁/共104頁第26頁/共104頁2022-4-7。第26頁/共104頁第27頁/共104頁2022-4-7起全身性反應(yīng)。起全身性反應(yīng)。第27頁/共104頁第28頁/共104頁2022-4-7能經(jīng)受必要的清潔消毒措施而不產(chǎn)生變性能經(jīng)受必要的清潔消毒措施而不產(chǎn)生變性第28頁/共104頁第29頁/共104頁2022-4-7第29頁/共104頁第30頁/共104頁2022-4-7表表9-1 高分子材料在狗體內(nèi)的機械穩(wěn)定性高分子材料在狗體內(nèi)的機械穩(wěn)定性材料名稱材料名稱植入天數(shù)植入天數(shù)機械強度損失機械強度損失 /尼龍尼龍-676174.6107380.7滌綸樹脂滌綸樹脂78011.4聚四氟乙聚四氟乙烯烯6775.3第30頁/共104頁第31頁/共104頁2022-4-7性）性）n生成偽內(nèi)膜生成偽內(nèi)膜第31頁/共104頁第32頁/共104頁2022-4-7酶對玻璃的吸附。酶對玻璃的吸附。第32頁/共104頁第33頁/共104頁2022-4-7第33頁/共104頁第34頁/共104頁2022-4-7 它們基本上是它們基本上是嵌段共聚物和接枝共嵌段共聚物和接枝共聚物聚物。其中研究得較多的是。其中研究得較多的是聚氨酯嵌段聚氨酯嵌段共聚物共聚物，即由軟段和硬段組成的多嵌段，即由軟段和硬段組成的多嵌段共聚物，其中軟段一般為聚醚、聚丁二共聚物，其中軟段一般為聚醚、聚丁二烯、聚二甲基硅氧烷等，形成連續(xù)相；烯、聚二甲基硅氧烷等，形成連續(xù)相；硬段包含脲基和氨基甲酸酯基，形成分硬段包含脲基和氨基甲酸酯基，形成分散相。散相。第34頁/共104頁第35頁/共104頁2022-4-7CON H R(N H COOR O)xCON H RyN H CON H R N HnCON H R(N H COOR O)xCON H RyN H COR nOO 美國美國EthiconEthicon公司推薦的四種公司推薦的四種醫(yī)用聚醚氨酯：醫(yī)用聚醚氨酯：BiomerBiomer，PellethanePellethane，TecoflexTecoflex和和CardiothaneCardiothane基本上都屬于這一類基本上都屬于這一類聚合物。聚合物。 第35頁/共104頁第36頁/共104頁2022-4-7第36頁/共104頁第37頁/共104頁2022-4-7HO HHOHHOHOOO HHHO HHC O O HHC H2O SO3HHN H SO3HOHO HHOHHOHOO HHHO HHC O O HHC H2O SO3HHN H SO3H第37頁/共104頁第38頁/共104頁2022-4-7第38頁/共104頁第39頁/共104頁2022-4-7人工合成的仿肝素共聚物，同樣具有較好的抗凝血功能人工合成的仿肝素共聚物，同樣具有較好的抗凝血功能第39頁/共104頁第40頁/共104頁2022-4-7NH SO2N NOHNH2SO3HSO3H第40頁/共104頁第41頁/共104頁2022-4-7到永久性的抗血栓。到永久性的抗血栓。第41頁/共104頁第42頁/共104頁2022-4-7第42頁/共104頁第43頁/共104頁2022-4-7表表9-2 用于人工臟器的部分高分子材料用于人工臟器的部分高分子材料人工臟人工臟器器高分子材料高分子材料心心 臟臟 嵌段聚醚氨酯彈性體、硅橡膠嵌段聚醚氨酯彈性體、硅橡膠腎腎 臟臟銅氨法再生纖維素，醋酸纖維素，聚甲銅氨法再生纖維素，醋酸纖維素，聚甲基丙烯酸甲酯，聚丙烯腈，聚砜，乙烯基丙烯酸甲酯，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），聚丙烯，聚碳酸酯，聚甲基丙烯酸碳酸酯，聚甲基丙烯酸- -羥乙酯羥乙酯肝肝 臟臟賽璐玢（賽璐玢（cellophane），聚甲基丙烯酸），聚甲基丙烯酸-羥乙酯羥乙酯胰胰 臟臟 共聚丙烯酸酯中空纖維共聚丙烯酸酯中空纖維肺肺硅橡膠，聚丙烯中空纖維，聚烷砜硅橡膠，聚丙烯中空纖維，聚烷砜關(guān)節(jié)、關(guān)節(jié)、骨骨超高分子量聚乙烯超高分子量聚乙烯，高密度聚乙烯，聚，高密度聚乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯，尼龍，聚酯甲基丙烯酸甲酯，尼龍，聚酯第43頁/共104頁第44頁/共104頁2022-4-7皮皮 膚膚硝基纖維素，聚硅酮硝基纖維素，聚硅酮-尼龍復(fù)合物，聚尼龍復(fù)合物，聚酯，甲殼素酯，甲殼素角角 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- -羥乙酯，硅橡膠羥乙酯，硅橡膠玻璃體玻璃體硅油，聚甲基丙烯酸硅油，聚甲基丙烯酸- -羥乙酯羥乙酯鼻、耳鼻、耳硅橡膠，聚乙烯硅橡膠，聚乙烯血血 管管聚酯纖維，聚四氟乙烯，嵌段聚醚氨聚酯纖維，聚四氟乙烯，嵌段聚醚氨酯酯人工紅人工紅血球血球全氟烴全氟烴人工血人工血漿漿羥乙基淀粉，聚乙烯基吡咯烷酮羥乙基淀粉，聚乙烯基吡咯烷酮膽膽 管管硅橡膠硅橡膠表表9-2 用于人工臟器的部分高分子材料用于人工臟器的部分高分子材料第44頁/共104頁第45頁/共104頁2022-4-7Biodegradable polymersPoly(anhydride)sPoly(lactide-co-glycolide)PLGAPolylactidePLAPolyglycolidePGAPoly(-caprolactone)PCLPoly(1,3-trimethylene carbonate) PTMCAliphatic polyestersAliphatic polycarbonatesPolyphosphates聚乳酸聚2-羥基乙酸OCOO第45頁/共104頁第46頁/共104頁2022-4-7第46頁/共104頁第47頁/共104頁2022-4-7第47頁/共104頁第48頁/共104頁2022-4-7第48頁/共104頁第49頁/共104頁2022-4-7第49頁/共104頁第50頁/共104頁2022-4-7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 聚碳酸酯聚碳酸酯u 聚磷酸酯聚磷酸酯u 聚酸酐聚酸酐第50頁/共104頁第51頁/共104頁2022-4-7聚乳聚乳酸酸聚聚2-羥基乙酸羥基乙酸第51頁/共104頁第52頁/共104頁2022-4-7 -羥基丙酸羥基丙酸第52頁/共104頁第53頁/共104頁2022-4-7（乳酸二聚體）（乳酸二聚體）第53頁/共104頁第54頁/共104頁2022-4-7第54頁/共104頁第55頁/共104頁2022-4-7第55頁/共104頁第56頁/共104頁2022-4-7COHOCH2OH第56頁/共104頁第57頁/共104頁2022-4-7第57頁/共104頁第58頁/共104頁2022-4-7第58頁/共104頁第59頁/共104頁2022-4-7第59頁/共104頁第60頁/共104頁2022-4-7甲殼質(zhì)甲殼質(zhì)第60頁/共104頁第61頁/共104頁2022-4-7第61頁/共104頁第62頁/共104頁2022-4-7第62頁/共104頁第63頁/共104頁2022-4-7第63頁/共104頁第64頁/共104頁2022-4-7第64頁/共104頁第65頁/共104頁2022-4-7第65頁/共104頁第66頁/共104頁2022-4-7第66頁/共104頁第67頁/共104頁2022-4-7第67頁/共104頁第68頁/共104頁2022-4-7肽，不參與三股螺旋繩狀結(jié)構(gòu)。研究肽，不參與三股螺旋繩狀結(jié)構(gòu)。研究證明，端肽是證明，端肽是免疫原性識別點，可通過酶解將其除免疫原性識別點，可通過酶解將其除去。除去端肽去。除去端肽的膠原稱為不全膠原，可用作生物醫(yī)的膠原稱為不全膠原，可用作生物醫(yī)學(xué)材料。學(xué)材料。第68頁/共104頁第69頁/共104頁2022-4-7第69頁/共104頁第70頁/共104頁2022-4-7第70頁/共104頁第71頁/共104頁2022-4-7第71頁/共104頁第72頁/共104頁2022-4-7第72頁/共104頁第73頁/共104頁2022-4-7第73頁/共104頁第74頁/共104頁2022-4-7第74頁/共104頁第75頁/共104頁2022-4-7 p331聚乙烯N-氧吡啶是一種具有藥理活性 的高分子，能溶于水中。注射其水溶液或吸入其煙霧劑，對于治療因大量吸入含游離二氧化硅粉塵所引起的急性和慢性矽肺病有較好效果并有較好的預(yù)防效果第75頁/共104頁第76頁/共104頁2022-4-7第76頁/共104頁第77頁/共104頁2022-4-7 血漿增量劑，用于治療外傷性急性出血及其他原因引起的血漿增量劑，用于治療外傷性急性出血及其他原因引起的血容量減少血容量減少第77頁/共104頁第78頁/共104頁2022-4-7高分子載體藥物高分子載體藥物第78頁/共104頁第79頁/共104頁2022-4-7第79頁/共104頁第80頁/共104頁2022-4-7高分子藥物緩釋材料高分子藥物緩釋材料第80頁/共104頁第81頁/共104頁2022-4-7時間控制體系時間控制體系部位控制體系部位控制體系反饋控制反饋控制體系體系第81頁/共104頁第82頁/共104頁2022-4-7第82頁/共104頁第83頁/共104頁2022-4-7第83頁/共104頁第84頁/共104頁2022-4-7第84頁/共104頁第85頁/共104頁2022-4-7納米樹形高分子納米樹形高分子（納米在藥物輸運中的應(yīng)用）（納米在藥物輸運中的應(yīng)用）作為藥物載體的樹狀高作為藥物載體的樹狀高分子分子 把樹形高分子設(shè)計把樹形高分子設(shè)計得只在適當(dāng)?shù)挠|發(fā)得只在適當(dāng)?shù)挠|發(fā)分子存在的情況下分子存在的情況下自動地膨脹并釋放自動地膨脹并釋放出藥物出藥物 使定制的樹形高分使定制的樹形高分子恰好在需要治療子恰好在需要治療的組織或器官內(nèi)釋的組織或器官內(nèi)釋放出其運載的藥物放出其運載的藥物。第85頁/共104頁第86頁/共104頁2022-4-7產(chǎn)產(chǎn) 品品 領(lǐng)領(lǐng) 域域公公 司司POLYOX WSR控制藥物釋控制藥物釋放載體放載體Dow Chem. Co, USA抗癌藥物增效系統(tǒng)抗癌藥物增效系統(tǒng)Johnson & Johnson，USA (原原Alza)吸收增效劑吸收增效劑Eastman Chem. Co, USA蛋白質(zhì)藥物釋放蛋白質(zhì)藥物釋放Altus Biologies Inc. USA靶向釋放端粒治療靶向釋放端粒治療Targesome Inc. USA注射制劑注射制劑Pharmaceutical Profiles, UK治療細胞治療細胞, 生長因子釋放生長因子釋放 Regen Tec Ltd. UK吸入藥物釋放吸入藥物釋放Acrux Ltd. Australia第86頁/共104頁第87頁/共104頁2022-4-7 壁虎膠帶壁虎膠帶仿生干型高分仿生干型高分子粘合材料子粘合材料 聚酰亞胺薄膜聚酰亞胺薄膜 利用全范德華力作用原理微利用全范德華力作用原理微制造而成制造而成 具有緊密排列的規(guī)整微突起具有緊密排列的規(guī)整微突起結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 1cm2: 3N(300g)蜘蛛人玩具蜘蛛人玩具:高高15cm15cm重重40g40g覆蓋覆蓋0.5cm0.5cm2 2壁壁虎膠帶虎膠帶Autumn K.,et al, Nature,2000,405:681-685Autumn K.,et al, Proc.Natl.Acad.Sci.,USA, 2002, 99: 12252-12256第87頁/共104頁第88頁/共104頁2022-4-7壁虎的腳上壁虎的腳上覆蓋了一層非常細小覆蓋了一層非常細小的絨毛的絨毛 壁虎及其腳趾的壁虎及其腳趾的“英姿英姿” 壁虎飛檐走壁的奧秘完全的范德華力壁虎飛檐走壁的奧秘完全的范德華力第88頁/共104頁第89頁/共104頁2022-4-7聚酰亞胺聚酰亞胺(PI)微突起的電鏡照片微突起的電鏡照片（單個微突起：直徑（單個微突起：直徑0.5m，高，高2m，間隔，間隔1.6m）單個微突起單個微突起: 200nN PI膠帶膠帶: 1cm2 3N(300g)，200cm2 600N(60Kg) 干型粘合，反復(fù)使用干型粘合，反復(fù)使用第89頁/共104頁第90頁/共104頁2022-4-7可能獲得類似于剛毛可能獲得類似于剛毛的粘合力的粘合力壁虎的剛毛結(jié)構(gòu)壁虎的剛毛結(jié)構(gòu)大量的規(guī)整微突大量的規(guī)整微突起結(jié)構(gòu)起結(jié)構(gòu)a b a. 壁虎腳單根剛毛壁虎腳單根剛毛 b. 每根剛毛末端的每根剛毛末端的細分叉細分叉第90頁/共104頁第91頁/共104頁2022-4-7蜘蛛絲蜘蛛絲人造蜘蛛絲人造蜘蛛絲生生物鋼絲物鋼絲第91頁/共104頁第92頁/共104頁2022-4-7蜘蛛絲的彈性與韌性為什么都好？蜘蛛絲的彈性與韌性為什么都好？ 蜘蛛絲雖細，但承受的張力可達蜘蛛絲雖細，但承受的張力可達3克重克重 即使拉伸即使拉伸10倍以上也不會斷掉倍以上也不會斷掉 它的強度是同樣粗細的鋼絲的它的強度是同樣粗細的鋼絲的5倍倍 是強度最大的天然高分子化合物是強度最大的天然高分子化合物 主要成份是氨基酸組成的蛋白質(zhì)類高分主要成份是氨基酸組成的蛋白質(zhì)類高分子化合物子化合物 由于它呈酸性而且含有殺菌物質(zhì)，故不由于它呈酸性而且含有殺菌物質(zhì)，故不易發(fā)霉易發(fā)霉 蜘蛛絲含有吸濕的吡咯烷酮，盡管在自蜘蛛絲含有吸濕的吡咯烷酮，盡管在自然界免不了遭受風(fēng)吹、雨打和日曬，卻仍然界免不了遭受風(fēng)吹、雨打和日曬，卻仍然保持一定的粘著力然保持一定的粘著力 蜘蛛網(wǎng)還具有優(yōu)美的對稱性，怎么看都蜘蛛網(wǎng)還具有優(yōu)美的對稱性，怎么看都是生物建筑學(xué)上的重要成果是生物建筑學(xué)上的重要成果第92頁/共104頁第93頁/共104頁2022-4-7 在納米尺度上蜘蛛絲結(jié)構(gòu)形同一根在納米尺度上蜘蛛絲結(jié)構(gòu)形同一根極細的螺旋線極細的螺旋線 看上去像長長的浸泡過某種液體的看上去像長長的浸泡過某種液體的“彈簧彈簧” 當(dāng)它被拉伸時，像當(dāng)它被拉伸時，像“彈簧彈簧”一樣會一樣會竭力返回原來的長度竭力返回原來的長度 而當(dāng)它縮短時，本身又會吸收振動而當(dāng)它縮短時，本身又會吸收振動能量并轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苣芰坎⑥D(zhuǎn)變?yōu)闊崮軍W妙被揭開奧妙被揭開：第93頁/共104頁第94頁/共104頁2022-4-7 蜘蛛和蠶不同，很難進行大蜘蛛和蠶不同，很難進行大規(guī)模的人工飼養(yǎng)規(guī)模的人工飼養(yǎng) 要在化工廠中造出有蛛絲特要在化工廠中造出有蛛絲特性的人造纖維，人類目前的技性的人造纖維，人類目前的技術(shù)與工藝均無可能術(shù)與工藝均無可能 采用基因工程的辦法，將蜘采用基因工程的辦法，將蜘蛛的基因植進入山羊細胞的蛛的基因植進入山羊細胞的DNA中，培育出了能在乳汁中，培育出了能在乳汁中分泌蜘蛛絲蛋白的新品種山中分泌蜘蛛絲蛋白的新品種山羊羊 使使“生物鋼材生物鋼材”的大規(guī)模生的大規(guī)模生產(chǎn)成為可能產(chǎn)成為可能 用其組合成牢固的復(fù)合材料用其組合成牢固的復(fù)合材料用于宇航和汽車工業(yè)用于宇航和汽車工業(yè) 制造外科手術(shù)縫合線和防彈制造外科手術(shù)縫合線和防彈背心的理想材料背心的理想材料 基因工程讓我們基因工程讓我們“種豆得瓜種豆得瓜”了了種豆得瓜種豆得瓜能在乳汁中分泌絲蛋白的能在乳汁中分泌絲蛋白的新品種山羊新品種山羊第94頁/共104頁第95頁/共104頁2022-4-7第95頁/共104頁第96頁/共104頁2022-4-7第96頁/共104頁第97頁/共104頁2022-4-70500100015002000250030003500年20052002200032752300165020%12%單位: 億 美 元 世界醫(yī) 療 器 械市場 生物 材 料 和 制 品第97頁/共104頁第98頁/共104頁2022-4-7第98頁/共104頁第99頁/共104頁2022-4-7第99頁/共104頁第100頁/共104頁2022-4-7第100頁/共104頁第101頁/共104頁2022-4-7第101頁/共104頁第102頁/共104頁2022-4-7 p331聚乙烯N-氧吡啶是一種具有藥理活性 的高分子，能溶于水中。注射其水溶液或吸入其煙霧劑，對于治療因大量吸入含游離二氧化硅粉塵所引起的急性和慢性矽肺病有較好效果并有較好的預(yù)防效果第102頁/共104頁第103頁/共104頁2022-4-7 p331聚乙烯N-氧吡啶是一種具有藥理活性 的高分子，能溶于水中。注射其水溶液或吸入其煙霧劑，對于治療因大量吸入含游離二氧化硅粉塵所引起的急性和慢性矽肺病有較好效果并有較好的預(yù)防效果第103頁/共104頁第104頁/共104頁