生物医用高分子材料

第二类：在体外使用的较为大型的人工脏器装臵、 主要作用是在手术过程中暂时替代原有器官的功能。 例如人工肾脏、人工心脏、人工肺等。这类装臵 的发展方向是小型化和内植化。最终能植入体内完 全替代原有脏器的功能。据报道，能够内植的人工 心脏已获得相当年份的考验，在不远的将来可正式 投入临床应用。 第三类：功能比较单一，只能部分替代人体脏器 的功能，例如入工肝脏等。这类人工脏器的研究方 向是多功能化，使其能完全替代人体原有的较为复 杂的脏器功能。
★ 聚离子络合物(Polyion Complex)是另一类具有抗血
栓性的高分子材料。它们是由带有相反电荷的两种水 溶性聚电解质制成的。例如美国Amicon公司研制的离
子型水凝胶Ioplix 101是由聚乙烯苄三甲基铵氯化物与
聚苯乙烯磺酸钠，通过离子键结合得到的。这种聚合
物水凝胶的含水量与正常血管相似，并可调节这两种
★医用高分子的研究至今已有40多年的历史。1949 年，美国首先发表了医用高分子的展望性论文。在 文章中，第一次介绍了利用聚甲基丙烯酸甲酯作为 人的头盖骨和关节，利用聚酰胺纤维作为手术缝合 线的临床应用情况。 据不完全统计，截至1990年， 美国、日本、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30000篇。 有人预计，到21世纪，医用高分子将进入一个全 新的时代。除了大脑之外，人体的所有部位和脏器 都可用高分子材料来取代。仿生人也将比想象中更 快地来到世上。
表
(4)具有抗血栓性，不会在材料表面凝血
高分子材料与血液接触时，也会产生血栓。因为 当异物与血液接触时，血液流动状态发生变化，情 况与表面损伤类似。因此也将在材料表面凝血即产 生血栓。
高分子材料的抗血栓问题是一个十分活跃的研究 课题，世界各国有大量科学家在潜心研究，进展也 颇为显著。但至今尚未制得一种能完全抗血栓的高 分子材料。这一问题的彻底解决，还有待于我们的 共同努力。
人们发现，大部分高分子材料的表面容易沉渍 血纤蛋白而凝血。如果有意将某些高分子的表面 制成纤维林立状态，当血液流过这种粗糙的表面 时，迅速形成稳定的凝固血栓膜，但不扩展成血 栓，嗣后诱导出血管内皮细胞。这样就相当于在 材料表面上覆盖了一层光滑的生物层——伪内膜。 这冲伪内膜与人体心脏和血管一样，具有光滑的 表面，从而达到永久性的抗血栓。
(d) 慢性全身性反应。如慢性中毒、血液破坏、脏 器功能障碍、组织畸变等。
因此，高分子材料在植入人体之前，必须通过体内 试片埋植法进行生物体试验，确保万元一失。
(3)不会致癌 当高分子材料植入人体后，高分子材料本身的性 质，如交联度、分子量、构象、高分子材料中所含 的杂质、单体、添加剂都可能与致癌因素有关。但 研究表明，高分子材料与其他材料相比，并没有更 多的致癌可能性。而是植入材料的形状对癌症的产 生影响较大。曾对不同形状的材料植入小白鼠体内 出现肿瘤的情况进行过统计(见表6—2)。 由此可见，当向人体植入高分子材料时，除考虑 材料的物理、化学性质外，还应充分考虑其形状因 素。
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人工器官是医用高分子材料的主要发展方向。
目前用高分子材料制成的人工器官己植入人体的有
人工肾、人工血管、人工心脏瓣膜、人工关节、人
工骨骼、整形材料等。应用的高分子材料主要有PVC、
ABS、PP、硅橡胶、含氟聚合物等。正在研究的有人
工心脏、人工肺、人工胰脏、人造血、人工眼球等。
11.2 医用高分子材料的基本特性
Biomer是一种 线型芳香聚醚 氨脂。
★ Pellethane也是一种线型芳香聚醚氨酯。与Biomer
不同的是它以1．4—丁二醇为扩链剂，因此分子链中 无脲基，柔顺性较Biomer更好。 Tecoflex是一种浅型脂环族聚醚氨酯，也用1，4— 丁二醇扩链。性能接近于Pellethane。 Cardiothane是一种网状结构的芳香聚醚氨脂。用 乙酰氧基硅氧烷作交联剂、耐热性、耐水解性和尺寸 稳定性郁比较好。
11.3 高分子材料在医学领域的应用
1）高分子人工脏器及部件的应用现状
高分子材料作为人工脏器、人工血管、人工骨骼、 人工关节等的医用材料，正在越来越广径地得到运用。 根据人工脏器和部件的作用及目前研究进展，可将 它们分成五大类。 第一类：能永久性地植入人体，完全替代原来脏器 或部位的功能，成为人体组织的一部分。属于这一类 的有人工血管、人工心脏瓣膜、人工食道、人工气管、 人工胆道、人工尿道、人工骨骼、人工关节等。
2）医用高分子的血液相容性
(1) 血栓的形成 当人体的表皮受到损伤时，流出的血液会自动凝固， 称为血栓。实际上，血液在受到下列因素影响时，都 可能发生血栓：①血管壁特性与状态发生变化；②血 液的性质发生变化；③血液的流动状态发生变化。 高分子材料植入体内与血液接触时，血液的流动状 态和血管壁状态都将发生变化，因此也会发生血栓。 血栓的形成机理是十分复杂的。一般认为，异物与血 液接触时，首先将吸附血浆内蛋白质，然后粘附血小 板，继而血小板崩坏，放出血小板因子，在异物表面 凝血，产生血般。此外，红血球粘附引起溶血；凝血 致活酶的活化，都是形成血栓的原因。(见图6—1)
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2）医用高分子材料的应用
(1) 血液相客性材料与人工心脏 许多医用高分子在应用中需长期与肌体接触，必须 有良好的生物相容性，其中血液相容性是最重要的。 人工心脏、人工肾脏、人工肝脏、人工血管等脏器和 部件长期与血液接触，因此要求材料必须具有优良的 抗血栓性能。 近年来，在对高分子材料抗血栓性研究中，发现具 有微相分离结构的聚合物往往有优良的血掖相容性。 例如在聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯结构中接枝上亲 水性的甲基丙烯酸—β —羟乙酯，当接枝共聚物的微 区尺寸在20 —30nm范围内时，有优良的抗血特性。
(c) 调节材料表面分子结构中的亲水基团与疏水 基团的比例，使其达到一个最佳值。
(d) 在材料表面引入动物的肝素。肝素是一种硫酸 多糖类物质，具有优良的抗凝血性。
在高分子材料结构中引入肝素后，在使用过程中， 肝素慢慢地释放，能明显提高抗血栓性。
(e) 材料表面伪内膜化，这是抗血栓性研究的新动 向。
(c)
γ射线灭菌
γ射线灭菌的特点是穿透力强，灭菌效果好，并 可自续化操作，可靠生好。但由于辐射能量大，对 聚合物材料有较大影响，通常使机械强度下降。 （7）易于加工成需要的复杂形状
人工脏器往往具有很复杂的形状，因此，用于人 工脏器的高分子材料应具有优良的成型性能。否则， 即使各项性能都满足医用高分子的要求，却无法加 工成所需的形状，则仍然是无法应用的。
1）对医用高分子材料的基本要求
归纳起来，一个具备了以下七个方面性能的材料， 可以考虑用作医用材料。
（1）在化学上是隋性的，不会因与体液接触而发生 反应； 人体环境对高分子材料的作用．主要有以下一些 形式： (a) 体液引起聚合物的降解、交联和相变化。 (b) 体内的自由基引起高分子材料的氧化降解反应。
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(2) 血液相容性高分子材料的制取
普通的高分子材料一般不具备抗血栓性，但可通过 多种途径来改善。目前常用的有以下一些手段。 (a)将材料表面处理得尽可能光滑。 (b)使材料表面带上负电荷的基团。例如将芝加哥酸 (1—氨基— 8—萘酚—2，4—二磺酸萘)引入聚合物表 面后，血小板粘附量减少，抗凝血性提高。
第四类：正在进行探索的人工脏器。这是指那些 功能特别复杂的脏器，如人工胃、人工子宫等。这 类人工脏器的研究成功，将使现代医学水平有一重 大飞跃。 第五类：整容性修复材料，如人工耳朵、人工鼻 子、人工乳房、假肢等。这些部件一般不具备特殊 的生理功能，但能修复人体的残缺部分，使患者重 新获得端正的仪表。从社会学和心理学的角度看， 也是具有重大意义的。
★ 在微相分离高分子材料中，国内外研究得最活跃的
是聚醚型聚氨酯。或称聚醚氨脂。聚醚氨脂是一类线 型多嵌段共聚物，宏为医用高分子材料 的嵌段聚醚氨酯(Segmented Polyether Urethane， SPEU)的一般结构式如下：
★ 美国Ethicon公司推荐的四种医用聚醚氨酪Biomer，
Pellethane，Tecoflex以和cardiothane基本上都属于这 一类聚合物。它们的共同特点是分子结构都是由软链 段和硬链段两部分组成的，在分子间有较强的氢链和 范德华力。聚醚软段聚集形成连续相，而由聚氨酯、 聚脲组成的硬链段聚集而成的分散相微区则分散在连 续相中，因此具有足够的强度和理想的弹性。
(5)
长期植入体内，不会减小机械强度
表6.3是一些高分子以纤维形式植入狗的动脉 后其机械强度的损失情况。
(6)能经受必要的清洁消毒措施而不产生变性
高分子材料在植入体内之前，都要经过严格的灭 菌消毒。目前灭菌处理一般有三种方法；蒸汽灭菌； 化学灭菌，γ射线灭菌。国内大多采用前两种方法。 因此在选择材料时，要考虑能否耐受得了。
(2) 对人体组织不会引起炎症或异物反应 由于外物植入体内引起的组织反应大致有四种情况： (a) 急性局部反应，如局部炎症、坏死、异物排斥 反应形成血栓等。 (b) 慢性局部反应，如局部炎症、肉芽增生、组织 增生、钙沉积、组织粘连、溃疡、致癌、形成血栓等。 (c) 急性全身性反应，如急性毒性感染、发热、神 经麻痹、循环障碍、血液破坏等。
聚电解质的比例，制得中性的、正离子型的或负离子 型的产品。其中负离子型的材料可以排斥带负电荷的 血小板，更有利于抗凝血。类似的产品还有用聚对乙 基苯乙烯三乙基铵溴化物与聚苯乙烯磺酸钠制得的产
(a)蒸汽灭菌
蒸汽灭菌一般是在压力灭菌器小进行的，温度可达 120-140°C。因此软化点较低的聚合物在此温度下 将发生变形，故不能选用。
* (b)化学灭菌
化学灭菌采用灭菌剂灭菌，常用的灭菌剂有环氧 乙烷、烷基(芳基)季胺盐(如新洁尔灭)、碘化合物(如 碘伏)、甲醛、戊二醛等。它们的优点是可以低温消 毒，材料在消毒过程中不存在变形问题。但新产生 的问题是容易与高分子材料发生副反应。除了化学 反应外，还有些高分子材料表面易吸附灭菌剂。被 吸附的灭菌剂在人体内的释放是相当危险的，可引 起溶血、细胞中毒和组织炎症，严重时可引起全身 性反应。例如，实验观察到，聚合物表面吸附上 30ppm环氧乙烷，可造成狗的溶血速度增加—倍。因 此，院床应用时．必须除去一切灭菌剂后才能植入 体内。