生物醫(yī)用高分子材料

前言

生物醫(yī)用材料是指具有特殊性能、特殊功能，用于人工器官外科修復(fù)、理療康復(fù)、診斷、檢查、治療疾患等醫(yī)療、保健領(lǐng)域,而對人體組織、血液不致產(chǎn)生不良影響的材料。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)法國會議專門定義的“生物材料”就是生物醫(yī)學(xué)材料，它是指“以醫(yī)療為目的，用于與組織接觸以形成功能的無生命的材料”。 生物醫(yī)用高分子材料是生物醫(yī)用材料的一個重要組成部分，是一類用于診斷、治療和器官修復(fù)與再生的材料，具有延長病人生命、提高病人生存質(zhì)量的作用，是材料科學(xué)、化學(xué)、生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)交叉的發(fā)展領(lǐng)域。其研究與開發(fā)既有重大的社會需求，也有重大的經(jīng)濟(jì)需求。高性能醫(yī)用高分子材料和器械是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)各種診斷和治療技術(shù)賴以存在的基礎(chǔ)，并不斷推動各種新診斷和治療手段的出現(xiàn)。 醫(yī)用高分子的研究至今已有40多年的歷史。1949年，美國首先發(fā)表了醫(yī)用高分子的展望性論文。在文章中，第一次介紹了利用聚甲基丙烯酸甲酯作為人的頭蓋骨和關(guān)節(jié)，利用聚酰胺纖維作為手術(shù)縫合線的臨床應(yīng)用情況。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至1990年，美國、日本、西歐等發(fā)表的有關(guān)醫(yī)用高分子的學(xué)術(shù)論文和專利已超過30000篇。有人預(yù)計，現(xiàn)在的21世紀(jì)，醫(yī)用高分子將進(jìn)入一個全新的時代。除了大腦之外，人體的所有部位和臟器都可用高分子材料來取代。仿生人也將比想像中更快地來到世上。 在更加關(guān)愛人類自身健康的21世紀(jì)，醫(yī)用高分子材料必將發(fā)揮日益重要的作用。生物醫(yī)用材料的研究與開發(fā)也得到了國家相關(guān)部門的高度重視，“十五”和“十一五”國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃（“973”）都設(shè)立了生物醫(yī)用材料的研究項(xiàng)目。生物醫(yī)用材料的未來發(fā)展必將是從簡單的使用到有目的地設(shè)計合成，獲得具有生命體需要的具有良好生物相容性和生物功能性的材料。在高等院校的生物醫(yī)學(xué)工程和高分子材料與工程等專業(yè)也都開設(shè)了生物醫(yī)用高分子材料的必選和選修課程。 醫(yī)用高分子材料大致可分為機(jī)體外使用與機(jī)體內(nèi)使用兩大類。機(jī)體外用的材料主要是制備醫(yī)療用品，如輸液袋、輸液管、注射器等。由于這些高分子材料成本低、使用方便，現(xiàn)已大量使用。機(jī)體內(nèi)用材料又可分為外科用和內(nèi)科用兩類。外科方面有人工器官、醫(yī)用黏合劑、整形材料等。內(nèi)科用的主要是高分子藥物。所謂高分子藥物，就是具有藥效的低分子與高分子載體相結(jié)合的藥物，它具有長效、穩(wěn)定的特點(diǎn)。 歸納起來，一個具備了以下七個方面性能的材料，可以考慮用作醫(yī)用材料: （1）在化學(xué)上是惰性的，不會因與體液接觸而發(fā)生反應(yīng)； （2）對人體組織不會引起炎癥或異物反應(yīng)； （3）不會致癌； （4）具有抗血栓性，不會在材料表面凝血； （5）長期植入體內(nèi)，不會減小機(jī)械強(qiáng)度； （6）能經(jīng)受必要的清潔消毒措施而不產(chǎn)生變性； （7）易于加工成需要的復(fù)雜形狀。 人工器官是醫(yī)用高分子材料的主要發(fā)展方向。目前用高分子材料制成的人工器官已植入人體的有人工腎、人工血管、人工心臟瓣膜、人工關(guān)節(jié)、人工骨骼、整形材料等。應(yīng)用的高分子材料主要有PVC、ABS、PP、硅橡膠、含氟聚合物等。正在研究的有人工心臟、人工肺、人工胰臟、人造血、人工眼球等。 本教材按照生物醫(yī)用高分子材料的應(yīng)用分類進(jìn)行編寫。編寫人員：趙長生（第1章部分、第2章、第4章部分、第8章）、顧忠偉（第1章部分）、張倩（第3章）、蘇白海（第4章部分）、李潔華（第5章）、李建樹（第6章）、謝興益（第7章）。 趙長生 2009年1月

內(nèi)容概要

醫(yī)用高分子材料是生物醫(yī)用材料的一個重要組成部分，是一類用于診斷、治療和器官再生的材料，具有延長病人生命、提高病人生存質(zhì)量的作用。    本書簡要介紹了高分子材料和生物體的相互作用以及生物醫(yī)用高分子材料的生物相容性和安全性評價，并分別介紹了人工器官用高分子材料、醫(yī)療診斷用高分子材料、藥物緩控釋用高分子材料、軟硬組織替代和組織工程用高分子材料、醫(yī)用高分子材料的設(shè)計。    本書適于作高分子材料專業(yè)的教材，并可供從事生物醫(yī)學(xué)材料研究的技術(shù)人員及材料醫(yī)學(xué)專業(yè)師生參考。

書籍目錄

第1章  緒論  1.1　生物醫(yī)療用高分子    1.1.1　高分子科學(xué)和技術(shù)的進(jìn)步    1.1.2　生物醫(yī)用材料  1.2  生物醫(yī)用高分子材料制品生產(chǎn)環(huán)境及消毒　  1.2.1　生產(chǎn)環(huán)境  　1.2.2　消毒　1.3　評價的標(biāo)準(zhǔn)化　1.4　生物高分子材料研究開發(fā)相關(guān)的問題  　1.4.1　生物高分子材料及制品的研究特色　  1.4.2　醫(yī)療經(jīng)濟(jì)和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)　習(xí)題　參考文獻(xiàn)第2章  高分子材料和生物體的相互作用  2.1　醫(yī)用高分子的基本機(jī)能　  2.1.1　物理機(jī)能  　2.1.2　物理化學(xué)機(jī)能　  2.1.3　生物體適應(yīng)的種類　  2.2　生體反應(yīng)    2.2.1　材料與生物體的作用    2.2.2　材料與蛋白質(zhì)的相互作用    2.2.3　材料與細(xì)胞的相互作用    2.2.4　材料與組織的相互作用  　2.2.5　高分子材料在生物體內(nèi)的變化　2.3  醫(yī)用高分子材料與生物體相互作用的評價  　2.3.1　與血液的相互作用　  2.3.2　與細(xì)胞的相互作用　  2.3.3　與組織的相互作用　  2.3.4　醫(yī)用高分子材料溶出物實(shí)驗(yàn)　習(xí)題　參考文獻(xiàn)第3章  生物醫(yī)用高分子材料的生物相容性和安全性評價　3.1　生物相容性概念和原理　  3.1.1  材料與生物體的相互作用與影響  　3.1.2　生物相容性的分類　3.2　生物醫(yī)用材料的生物相容性評價　  3.2.1　生物學(xué)評價項(xiàng)目的選擇  　3.2.2　生物學(xué)評價試驗(yàn)方法及特點(diǎn)　3.3　生物學(xué)評價與新材料研究　  3.3.1　新材料的設(shè)計和研究　  3.3.2　建立新的生物相容性的試驗(yàn)方法3.4　生物材料降解的評價方法　  3.4.1　降解機(jī)制　  3.4.2　材料在體內(nèi)的吸收和排泄　  3.4.3　影響降解的因素和降解速率的調(diào)控　  3.4.4　降解材料的制品化及應(yīng)用　3.5　生物相容性研究及評價展望　  3.5.1　生物相容性研究內(nèi)容　  3.5.2　生物相容性評價方法　習(xí)題　參考文獻(xiàn)第4章  人工器官用高分子材料　4.1　血液凈化型人工器官  　4.1.1　血液凈化技術(shù)　  4.1.2　血液透析　  4.1.3　血液濾過及血液透析濾過　  4.1.4　血液灌流　  4.1.5　血漿分離（或血漿置換）　  4.1.6　腹膜透析　  4.1.7　人工肺　  4.1.8　人工肝　  4.1.9　血液凈化用中空纖維膜　4.2　牙科材料　  4.2.1　牙齒的結(jié)構(gòu)  　4.2.2　牙科用高分子材料　4.3　眼科材料  　4.3.1  眼科對高分子材料的要求　  4.3.2　隱形眼鏡　……第5章　醫(yī)療診斷用高分子材料第6章　藥物緩控釋用高分子材料第7章　軟硬組織替代和組織工程用高分子材料第8章　醫(yī)用高分子材料的設(shè)計

章節(jié)摘錄

插圖：3.4 生物材料降解的評價方法植入人體的可降解吸收材料，人們首先關(guān)心的是它的歸宿和降解產(chǎn)物是否有毒，以及如何人為地控制降解速度，因此，首先要了解引起降解的原因。由于材料的多樣性和降解過程的復(fù)雜性，至今仍不完全清楚材料在體內(nèi)的降解機(jī)制。本節(jié)將介紹幾種提出的可能機(jī)制，同時討論影響降解的因素及降解速度的調(diào)控途徑。固體聚合物的降解首先表現(xiàn)為物理變化，包括外形、外觀、力學(xué)性能、失重乃至最后失去功能，這些變化可用于體外方法評價，一般是在37℃中性水介質(zhì)中進(jìn)行降解試驗(yàn)，進(jìn)行材料的初步篩選，主要是從分子量下降、質(zhì)量和力學(xué)性能的變化三個方面比較不同材料的降解速度。體內(nèi)降解試驗(yàn)一般是針對某一特定應(yīng)用目的而設(shè)計的，將材料試樣或制品植入動物體內(nèi)的特定部分，以取得更接近臨床的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，由于目前對體內(nèi)降解的評價還缺乏國際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，因此對于同一種材料，不同研究者用不同技術(shù)和動物品種并從不同角度研究材料的降解，得到的體內(nèi)壽命和最后歸宿會有差別，最常用的體內(nèi)降解評價方法列于表3－5。3.4.1 降解機(jī)制材料在體內(nèi)的降解和吸收是受生物環(huán)境作用的復(fù)雜過程，包括物理、化學(xué)和生化因素。物理因素主要是外應(yīng)力，化學(xué)因素主要是水解、氧化及酸堿作用，生化因素主要是酶和微生物。由于植入體內(nèi)的材料主要接觸組織和體液，因此水解（包括酸堿作用和自催化作用）和酶解是最主要的降解機(jī)制。3.4.1.1 水解機(jī)制天然聚合物在生物體中降解，首先被水解或氧化降解為小分子，然后再被吸收和排泄，大量研究表明，可降解合成高分子材料的降解主要是水解。水解降解過程可以被酸、堿或酶催化。高分子量固態(tài)聚合物裝置從植人體內(nèi)到消失，是由不溶于水的固體變成水溶性物質(zhì)，這個過程稱為溶蝕，植入裝置溶蝕，宏觀上是裝置整體結(jié)構(gòu)被破壞，體積變小，逐漸成為碎片，最后完全溶解并在植入部位消失；微觀上是大分子鏈發(fā)生化學(xué)分解，如分子量變小，交聯(lián)度降低，分子鏈斷裂和側(cè)鏈斷裂等，變?yōu)樗苄缘男》肿佣M(jìn)人體液,上述過程是降解的第一階段，第二階段是吸收階段，即進(jìn)人體液的降解產(chǎn)物被細(xì)胞吞噬并被轉(zhuǎn)化和代謝。以聚酯類為例，在降解的第一階段，大分子主鏈中的酯鍵被水解斷開，表現(xiàn)為分子量的迅速下降，失去原有的力學(xué)強(qiáng)度。當(dāng)分子量小到可溶于水的極限時（數(shù)均分子量M真－5000道爾頓左右），整體結(jié)構(gòu)即發(fā)生變形和失重，逐步變?yōu)槲⑿〉乃槠M(jìn)人體液。這個階段的長短具有重要的應(yīng)用價值，是選擇材料的重要依據(jù)。

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《生物醫(yī)用高分子材料》適于作高分子材料專業(yè)的教材，并可供從事生物醫(yī)學(xué)材料研究的技術(shù)人員及材料醫(yī)學(xué)專業(yè)師生參考。

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