高分子和生物体系的相互作用

第二章 相互作用
生物功能性分类-1
物理功能
内容 应用举例 强度支持，构造保持 人工骨，人工牙 齿，人工关节 被覆，锁闭 损伤皮肤表面，组织损 伤部位闭合，缝合线， 卡钉，骨钉
第二章 相互作用
生物功能性分类-1
物理功能
内容
管道，泵，瓣膜，
阀
应用举例
人工血管，人工食道，
人工气管，分路器，人 工心脏，人工瓣膜 探测器 人工眼球，隐形眼镜
第二章 相互作用
顺应性
表2-3 各类人工血管材料顺应性
名称 针织涤纶 顺应性(%) 1. 97
凝胶涂层涤纶 机织涤纶 聚氨酯(中孔型) 标准ePTFE 薄型ePTFE 人体股动脉
0. 90 0. 80 2. 90 0. 22 0. 60 4. 10
第二章 相互作用
D
电性能
对生物体组织直接使用电刺激时，使 用金属导线，与体液等必须绝缘，因此 在金属材料表面必须有高分子材料绝缘。
Biocompatibility
testing is an integral part of biomaterials. If the part works perfectly in the lab, but causes damage once inside the body, the effects could be catastrophic. Testing ranges from the very simple blood test to more intricate testing with tissue cultures.
第二章 相互作用
2.1.1 物理机能
A
力学性质
生物力学的基础是能量守恒、动量定律、 质量守恒三定律并加上描写物性的本构方程。 生物力学研究的重点是与生理学、医学有关 的力学问题。
第二章 相互作用
2.1.1 物理机能
A
力学性质
生物力学根据研究对象的不同可分为生 物流体力学、生物固体力学和运动生物力学 等。 医用高分子材料所涉及的力学性质属于 “生物固体力学”范围。
第二章 相互作用 损伤部位的修复材料是与生物体本身 的组织进行物理结合。例如缝合线，目 前用生物可降解性材料，在伤口愈合后 自身降解，被生物体吸收。
第二章 相互作用管和气管等要求必须 具有一定的柔软性。 特别是人工血管和气 管必须与宿主材料的 力学特性一致。所使 用材料的弹性也需要 一致。
第二章 相互作用
2.1.2 物理化学机能
A
接合、填充 使用生物接合剂的领域：血管外科、 消化器外科、形成外科、脑神经外科、 整形外科、牙科等领域。
第二章 相互作用
2.1.2 物理化学机能
接合的机理： 一次结合力：共有结合，一般是化学结 合 二次结合力：主要是氢键和分子间的相 互作用力； 三次结合力：一般是指机械的镶嵌等。
材料 牙齿 皮质骨 松质骨 牙周膜 弹性模量 （GPa） 20.29 23.23 78.4 0.069 泊松比 0.3 0.3 0.3 0.45 材料 尼龙 硬橡胶 低压聚乙烯 聚砜 聚碳酸酯 弹性模量 （GPa） 2.8 2.8 0.9 2.5 2.2 泊松比 0.4 0.43
第二章 相互作用
B
第二章 相互作用
第二章 相互作用
B
物质的移动
血液中病因物质如尿素、肌肝 等清除用的血液透析膜。血液中二 氧化碳清除的人工肺等。牵涉到物 质的移动。
第二章 相互作用
扩散系数：
JA=-DAdcA/dZ=-DA(c1-c2)/ZM 这里DA为扩散系数（Diffusion coefficient），dcA/dZ为Z方向的浓 度微分，ZM膜的厚度，c1，c2分别 为膜两边的浓度。
2.2 生体反应
是指生物体与材料的相互作用。高 分子材料溶出的低分子量物质，会引起 生物体的全身反应。
2.2.1生物相容性的概念
生物体与材料之间的相互作用就是与 生物相容性相关的问题。
第二章 相互作用
生物相容性是研究生物材料时最先而又为
生物材料学专家们所观注的课题，前面生 物安全性指标中涉及的，如材料的溶血性、 过敏性、皮内刺激、包埋实验、骨髓细胞 微核试验和细胞培养实验等内容，实际上 也属于生物相容性的范畴。
电学性质 光学性质
第二章 相互作用
生物功能性分类-2
化学功能
内容
接合，填充， 物质移动， 选择吸附
应用举例
骨水泥，医用粘合剂，
血液净化，人工肺，隐形眼镜
人工肝，免疫吸附
第二章 相互作用
生物功能性分类-3
高层次生物功能
内容
化学测量，
化学反应，
应用举例
生物传感器， 生物反应器， 杂化人工器官
第二章 相互作用
第二章 相互作用
(1)
抗凝性
血液在与材料表面接触时：
①材料表面很快吸附一层血蛋白，如能引起血 细胞粘附的白蛋白，纤维连接素，或引起止血 和形成血栓的纤维蛋白原、纤维蛋白、凝血酶、 接触因子Ⅻ、高分子量激肽酶原Von Wilkbrand因子，或引起炎症和免疫反应的球蛋 白、免疫复合因子、补体碎片C3b。这些血蛋白 在材料表面相互之间进行着动态的解吸和再吸 附的竞争。随着时间延长和其它因素的影响， 被牢固吸附的血蛋白的构象发生改变。
生物功能
第二章 相互作用
2.1.1 物理机能
A
力学性质
医用材料的种类很多，如人工器官、软 组织材料、硬组织材料，牙科、骨科、整形 外科等用的材料，都要求具有一定的力学性 能。 研究生物材料力学性能的专门学科—— 生物力学。
第二章 相互作用
2.1.1 物理机能
A
力学性质
生物力学是应用力学原理和方法对生物 体中的力学问题定量研究的生物物理学分支。 其研究范围从生物整体到系统、器官(包括血 液、体液、脏器、骨骼等)，从鸟飞、鱼游、 鞭毛和纤毛运动到动物体液的输运等。
涂覆和修复机能
皮肤表面损伤后的涂覆和损伤裂口的 修复。 材料的要求：强度要求不高，但要求 具有一定的柔软性，皮肤涂覆材料与正 常皮肤的伸缩性的要求。 材料的来源：生物由来的材料比较合 适。
第二章 相互作用
第二章 相互作用
生物软组织与合成高分子材料的最大 区别：生物体软组织材料的水分含量特 别高。
动物的适应:保护色、警戒色、拟态
第二章 相互作用
2.1.3 生物体适应的种类

适应性 表面的
种类 非刺激性 （抗血栓性） 组织接着性
方法 材料表面性质的控制 抗血栓性物质的利用 软组织接着表面的形成 硬组织接着表面的形成 柔软性、刚直性、强度 置入材料
本体的
力学整合性 设计的调和性
第二章 相互作用
第二章 相互作用
第二章 相互作用
C
选择性吸附
医用材料表面对蛋白质的吸附。 Langmuir式 v=vm*ac/(1+ac) Freundlich式 v=ac1/b Frumkin-Chomkin式 v=a*ln(bc) 这里v为吸附量，vm为平衡吸附量；a、b、c均为 系数。 高分子材料表面对蛋白质的吸附一般为 Langmuir吸附。
第二章 相互作用
生物相容性的定义
1994年在生物相容性统一观点的会议记录中，
建议生物相容性可定义为：“在特殊应用中， 材料、医用装置，或治疗系统能完成其功能， 但又不会在临床上明显地引起宿主的反应”。 与血液接触的生物材料，主要是血液相容性
第二章 相互作用
材料表面在与血液接触时，机体的①凝
生物高分子及制品
内容
第一章 绪论 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章
高分子和生物体系的相互作用
生物相容性材料 人工器官用材料 医疗诊断用高分子材料 药物缓释 材料的安全性评价 介绍医用高分子材料的构造、形态、机能 和医用材料的设计
第二章 相互作用
第二章 高分子和生物体的相互作用
第二章 相互作用
(2)
对免疫系统的影响
“首次使用综合症”就是在使用铜芬 膜后发现的，表现在引起机体产生一系 列防御反应，临床表现为轻者恶心、呕 吐、胸痛、呼吸困难、皮疹、麻疹等过 敏反应，重者则呈过敏性休克和其它病 症。 Ringoir和Vanholder在1992年的综述性 文章中，曾明确提出应当拒绝把铜芬膜 一类的血液净化膜用于临床。
第二章 相互作用
Lifespan膨 体聚氟乙烯 （ePTFE） 人工血管
第二章 相互作用
Albograft涤纶人工血管
第二章 相互作用
人工血管一般有三个基本性能
强度。 孔度：在120mmHg（1mmHg =01133kPa）压 力下，每平方厘米人工血管每分钟漏血量称为 孔度。 顺应性 ：人体动脉管腔随血压变化而出现的“ 脉动”对稳定血流起着重要作用。同样，人工 血管管壁也应具备随血流压力出现相应的收缩 和舒张能力，这种在压力变化下出现的容积变 化称为顺应性。
第二章 相互作用
(1)
抗凝性
血液在与材料表面接触时： ②血小板和白细胞粘附在构象改变蛋白吸 附层上形成血小板栓子， ③进一步将凝血系统活化并导致凝血酶产 生和形成纤维蛋白。
第二章 相互作用
第二章 相互作用
血液动力学的情况直接影响到血栓的大
小、在血液净化系统中形成的部位，血 栓的结构及其碎裂情况。 在产生湍流的部位，如连接处、分离器 内、血流管路缩小和分枝部位会形成大 块的血栓沉积物，甚至可将整个循环系 统堵塞。
第二章 相互作用
人工牙齿
第二章 相互作用
人工股骨置换
第二章 相互作用 骨科用的材料要求具有比较高的强度。 粘弹性——高分子材料。 开裂变形：在一定的负荷应力作用下， 材料随着时间的变形现象。 应力松弛 粘弹性材料应力速度依赖性。