材料在生物环境中的降解

2012 届

毕业设计（论文）

题目材料在生物环境中的降解

系部医疗器械与制药设备系

专业市场营销

班级D12市场6班

学号D1211010601

姓名倪秋红

指导教师胡彬

完成日期2013 年 6 月14 日

材料在生物环境中的降解

倪秋红

摘要：介绍材料的种类及其在生物环境中的降解因素及生理机制，同时根据材料在生物环境中的情况，为其临床合理植入，保证生物材料的可行性，提供理论依据。

关键词：聚合物；降解；腐蚀；机理

0 引言

生物环境是十分严酷的，能导致许多植入材料的迅速或逐步崩溃从表面上看，人的机体是由中性的pH值、低浓度盐、以及适宜的体温所构成的一个比较温和的环境，但是材料在生物环境中的降解过程相当复杂，包括一系列的物理、化学、生化因素。生物降解的发生过程可能十几分钟或数年，甚至是十几年。生物降解可以是在移植手术后就逐步开始自行分解，或者是由于生物环境中未知因素长时间的作用而导致的结果。生物降解是一个范围很广的概念，近年来植入材料的生物降解问题引起越来越多的关注。

1 聚合物材料在生物环境中的降解[1]

1.1影响聚合物降解的因素[2]

生物降解是通过机体对材料的物理作用和化学作用而导致材料的物理性能的变化。其中聚合物受到物理破坏和化学破坏的机理可能是单独作用的，也可能是一个聚合物在不同阶段联合起作用。

1.1.1化学结构

在影响材料降解速度的诸多因素中，起决定作用的是材料本身的化学结构，其中聚合物主链的易水解性和单体的亲水性是主要因素。

1.1.2水的摄取量

降解速度与材料对水的渗透性有极大的关。单体的亲水性对聚合物的降解有决定性的作用，聚合物摄入的水量越大越有利于反应的进行。

1.1.3结晶度与相对分子量

结晶态聚合物中分子排列有序，结构致密最大限度的限制了水分子的渗透，聚合物的结晶度对降解有直接影响。聚合物的相对分子质量的大小虽不影响降解的速度，但相对分子质量越大，达到失重极限的时间就越长，因而对于同一聚合物，相对分子质量越大，有效寿命就越长。

1.1.4加工工艺

通过影响材料的致密性来改变其降解速度。在加工过程中高温和应力作用，以及灭菌过程的高温或辐射作用等外界因素会导致分子质量的下降和降解。加工条件还可以改变聚合物的结晶度。

1.1.5pH值

许多聚合物的降解产物呈酸性会改变水解环境的pH值，而环境pH值的改变又会影响聚合物的降解速度。

1.1.6共聚物组成

共聚物可以明显地改变结晶度和玻璃化转变温度。共聚物中各单体单元的键接方式也对水解速度有影响，如A和B两种单体组成的共聚物，键连接方式有4种：A —A、B—B、A—B、B—A，这些键的水解速度不一定相同。

1.1.7生物环境因素

生理环境通过更有活性的方式使高分子材料分解，其中两个主要因素是酶和自由基。酶除了在生物体内水解作用外还具有氧化降解。

1.2 聚合物在生物环境中降解的探讨

1.2.1宿主诱导的水解机理[1]

在宿主体内，中性水能以显著的速度水解一些聚合物，如聚乙酸醇[3]。另外，体液中离子也可以催化水解。再次是酶的催化水解。

1.2.2生物氧化降解机理

聚合物的氧化有均裂和异裂两种机理。根据引发的步骤，氧化生物降解可分为宿主直接氧化装置或外部环境-介质的间接氧化。

1.2.3生物侵蚀机理[1]

物理机制：固态聚合物的植入物在体内转变成水溶性材料的现象称为“生物侵蚀”，分为整体侵蚀和表面侵蚀两种模型；

化学机制：化学反应可能会引发水溶性聚合物分子链之间交联的断裂或引发聚合物原有侧链断裂，而形成极性或带电基团，或引发聚合物股价断裂。在一些反应中这些机制可能同时存在。

2 金属材料在生物环境中的降解[4]

2.1 金属材料在生物环境中的腐蚀

2.1.1金属腐蚀的基本原理

水溶解腐蚀是金属生物材料的最常见的腐蚀方式。在电解液中，金属表面发生电化学腐蚀时发生水溶液腐蚀。此过程存在两种反应：产生金属离子的阳极反应（氧化反应）和消耗电子的阴极反应（还原反应）。

2.1.2生物环境对金属腐蚀的影响

生物大分子的存在并不会产生一个完全新的腐蚀机制，但可以以阳极或阴极反应的方式影响腐蚀的速度。下面讨论发生这种情况的四种方式：生物分子会通过消耗一个或多个阳极和阴极反应产物的方式破坏腐蚀的平衡；氧化层的稳定性取决于电势和溶液的pH值；氧化层的稳定性也会受氧含量的影响；阴极反应一般会导致氢的产生。

2.1.3在生物环境中金属的腐蚀及其控制

金属在体内具有点状腐蚀、摩擦度和腐蚀、裂缝腐蚀、晶间腐蚀、电偶腐蚀、应力腐蚀。而使用贵金属和使用钝化金属能确保在体内最小限度的腐蚀。

3陶瓷材料在生物环境中的降解

医用陶瓷材料一般可分为生物惰性陶瓷、生物活性陶瓷和生无可吸收陶瓷【5】。

陶瓷材料的腐蚀性取决于陶瓷在生物环境中的溶解性。很多陶瓷材料在空气中的是稳定的，但在水环境中会溶解。NaCl的陶瓷结构和其在水中的溶解性证明了这个论断，因此，根据化学结构，可以辨别陶瓷会不会在体内分解或降解。

一般来说，在活的有机体内的这些陶瓷的分解速度可以通过在简单的水溶液中的性质预测出来。但是在体内，一些细节上会有所不同，特别是不同的植入部位的降解速度不同，可能是自由基的释放等细胞活动造成的。

在极端稳定和降解之间只有一小部分的材料。特别是在一些基于Ca,Si，Na，P和O的玻璃和玻璃陶瓷中见到。这些材料具有在表面上的选择性分解引发Ca和P

的稳定层的作用，这些反应会终止。

的释放，但是因为在表面上富含SiO

2

4 结论展望

通过对聚合物、金属、陶瓷材料在生物环境中的降解的探讨，了解生物材料在人体中的物理、化学、生化因素的作用及其降解的情况，为临床合理植入，保证材料在体内的可行性，提供理论依据。

参考文

[1] Ratner B D,Hoffman A S, Schoen F J, Lemons J E, Biomaterials Science：An Interoduction to Materials in Medicine，Second Edition. Academic Press，2004

[2] 俞耀庭主编.生物医用材料.天津.天津大学出版社.2000,12

[3]Zaikov G E.Quantitative aspects of polymer degradation in the living body. JMS-Rev Macromol