高分子/ 高分子/药物缓释体系
• 药物的控制释放和靶向问题已成为现代医学最关心 的问题之一。 • 高分子材料实际起到的是辅助材料的作用。用高分 子材料制备药物控制释放体系主要有两个目的： – 使药物以最小的剂量在特定部位产生治疗效应， – 优化药物释放速率以提高疗效，降低毒副作用。 有三种模式可达到上述效果： • 时间控制体系（缓释药物） 时间控制体系（缓释药物） • 部位控制体系（靶向药物） 部位控制体系（靶向药物） • 反馈控制体系（智能药物） 反馈控制体系（智能药物）
生物医用材料的历史
• 进入20世纪后，随着高分子科学的出现和发展，生 进入20世纪后，随着高分子科学的出现和发展，生 物医用材料也取得了飞速的发展。 • 1936年发明了有机玻璃后，很快就用于制作假牙和 1936年发明了有机玻璃后，很快就用于制作假牙和 补牙； • 1943年，赛璐珞薄膜开始用于血液透析； 1943年，赛璐珞薄膜开始用于血液透析； • 1950年，开始用有机玻璃做人工股骨头， 1950年，开始用有机玻璃做人工股骨头， • 50年代，有机硅聚合物开始应用于医学，对人工器 50年代，有机硅聚合物开始应用于医学，对人工器 官的研究起了促进作用。 • 这一时期的生物医用材料主要是根据需求从已有材 料中筛选，不是专门为生物医用目的设计和制备， 在应用中发现了许多问题。
• 1588年人们就用黄金板修复鄂骨。 1588年人们就用黄金板修复鄂骨。 • 1775年出现了用金属固定体内骨折的记载。 1775年出现了用金属固定体内骨折的记载。 • 1800年开始有大量有关应用金属板固定骨折的报道。 1800年开始有大量有关应用金属板固定骨折的报道。 • 1809年开始有人用黄金制成种植牙齿。 1809年开始有人用黄金制成种植牙齿。 • 1851年有人报道使用硫化天然橡胶制成的人工牙托 1851年有人报道使用硫化天然橡胶 硫化天然橡胶制成的人工牙托 和鄂骨。
药物高分子的优势
• 研究发现，高分子药物具有低毒、高效、缓释、长 效，与血液和肌体相容性好等特点。 • 高分子药物可以降低用药剂量，避免频繁用药；使 药物药理活性更加持久，更有效到达症患部位，从 而具有更高的疗效。 • 药物高分子的分类： – 药用辅助材料：指在药剂加工过程中所用的和为 药用辅助材料：指在药剂加工过程中所用的和为 改善药物使用性能而采用的高分子材料，这些材 料本身不具备药理活性。 – 高分子药物：高分子本身即具有药理活性基团或 高分子药物：高分子本身即具有药理活性基团或 药理活性作用，直接被用做药物。
传统的治疗方法
传统的治疗方法
组织工程学的方法
• 组织工程是通过将分离出的自体或异体细胞吸附 于可逐步生物降解吸收的功能高分子支架 (scaffold) 上； • 在生长因子的作用下进行培养，使细胞按支架的 三维结构进行生长，从而构建出体外的活体组织； 支架聚合物则逐步被降解吸收。 • 最后再将体外培养的组织植入体内对病变的组织 或器官进行修复或替代。 • 常用的细胞支架材料包括：聚乳酸、聚羟基乙酸、 常用的细胞支架材料包括：聚乳酸、聚羟基乙酸、 聚乙丙交酯、聚羟基脂肪酸酯，这些材料均属于 聚乙丙交酯、聚羟基脂肪酸酯，这些材料均属于 可降解脂肪族聚酯 (Biodegradable Aliphatic Polyester)。 Polyester)。
•抗粘连膜
• 骨科固定材料
•手术缝合线
药用高分子材料
• 我国是医药文明古国，在天然药用高分子的使用方 面非常悠久。
张仲景 (A.D. 142～219) 142～
药用高分子材料
• 20世纪以来，随着药学和有机合成的高速发展，有 20世纪以来，随着药学和有机合成的高速发展，有 机低分子药物由于其疗效高，使用方便，为人类的 医疗卫生起到了巨大的推动作用，在医学史上有着 不可磨灭的贡献。 • 但是，有机低分子药物同时也存在巨大的副作用， 如过敏、毒性积累等等。
组织工程的应用
• 组织工程的应用还包括很多，如：软骨、肌腱、尿 道、肠道、血管、肝脏、胰腺以及神经系统等等。 • 虽然组织工程仍处于研究阶段，而且开发费用昂贵， 但随着技术的不断进展和优化，组织工程材料终将 实现普及。 • 除脂肪族聚酯外， 胶原蛋白、聚氨 基酸、聚膦腈等 高分子也被应用 于细胞支架材料 的研究。
高分子材料在 人工器官中的应用
• 高分子材料作为人工脏器、人工血管、人工骨骼、 人工关节等医用材料，正越来越广泛地得到应用。 • 人工器官的应用从大型化向小型化，从体外使用向 内植型，从单一功能向多功能化转变。 • 人工器官包括： 1、永久性植入，完全替代原器官的功能； 2、体外使用的大型人工器官装置、主要用于手术 中暂时替代人体器官的功能； 3、暂时性植入器官，只能部分替代原器官功能； 4、整容修复材料，不具备器官功能，但能修复人 体的残缺部位。
生物医用高分子的应用领域
• 医疗器械与用品 • 组织工程材料与人工器官 • 可生物吸收外科手术材料 • 药物缓释材料与高分子药物
组织工程与人工器官
• 组织工程学是应用生物学和细胞工程学的原理和 组织工程学是应用生物学和细胞工程学的原理和 方法来发展具有生物活性的人工替代物 方法来发展具有生物活性的人工替代物，用以维 具有生物活性的人工替代物，用以维 恢复替代或提高人体组织的功能。 持、恢复替代或提高人体组织的功能。 • 组织工程与植入材料的目的是应用于临床治疗因 组织损失或器官衰竭所产生的疾病。 • 传统的方法包括：外科再造、机械装置、组织移 植等。但是这些方法均存在严重和难以克服的问 题，不仅价格昂贵，也难以达到治疗效果。 • 而经过优化设计的功能高分子工程组织不仅能取 得有效的治疗效果，还能降低医疗的费用。
生物医用材料的历史
• 公元前约3500年古埃及人就利用棉花纤维、马鬃作 公元前约3500年古埃及人就利用棉花纤维 马鬃作 棉花纤维、 缝合线缝合伤口。
生物医用材料的历史
• 墨西哥的印第安人(阿兹台克人)使用木片修补受伤 墨西哥的印第安人(阿兹台克人)使用木片 木片修补受伤 的颅骨
生物医用材料的历史
生物医用材料的发展
• 克隆技术是生物医用材料最好的解决方案，但目前 还无法实现临床应用。
生物医用材料的要求
• 生物医用材料的特殊和基本要求如下： – 材料无毒、不致癌、不致畸，不引起人体细胞的 突变和不良组织反应。 – 与人体相容性好，不引起中毒、溶血、凝血、发 热和过敏等现象。 – 具有与天然组织相适应的力学性能。 – 针对不同的使用目的而具有特定的功能。 • 生物医用材料直接与生物系统相作用，除了各种理 化性质外，还必须具有良好的生物或组织 (血液) 相 血液) 容性。
人工肾与人工肺
• 高分子选择性透过分离膜已被 应用于人工肾和人工肺中
人工骨
• 人工骨是高分子材料在人工 器官中最早的应用。 • 传统的人工骨是以金属材料 做骨骼，高分子材料为臼。 • 骨水泥是近年来受到重视的人工骨材料，是由单 体，聚合物微粒、阻聚剂、促进剂等组成。
人工角膜
• 基于高透明性高分子（如聚甲基丙烯酸甲酯等）的 网络状两亲性聚合物由于其特殊的亲和性和透过性 被应用于人工角膜和隐形眼镜。
生物医用材料的分类
• 按与活体组织相互作用方式分类 按与活体组织相互作用方式 相互作用方式分类 – 生物惰性材料 (Bioinert)：在生物体内能保持稳定， Bioinert) 几乎不发生化学反应的材料。 – 生物活性材料 (Bioactive)：指能在材料－组织界 (Bioactive)：指能在材料－组织界 面上诱导出特殊生物或化学反应的材料，这种反 应导致材料和组织间形成化学键合。 • 按生物医用高分子的性质分类 按生物医用高分子的性质 性质分类 – 可生物降解高分子材料 – 非生物降解高分子材料
人工心脏
假体类人工心脏的发展历史
AbioCor人造心脏 AbioCor人造心脏
施行手术极其精密； 施行手术极其精密； 携带体外部分（电源）； 携带体外部分（电源）； 使用时间较短、多发并发症。 使用时间较短、多发并发症。
人工心脏
• 人工心脏需要具有良好的血液相容性和优良的抗血 栓性，目前常用的是具有微相分离特性的聚醚型聚 氨酯。
可生物吸收外科手术材料
• 在外科手术中，通常会植入一些修复用的材料，这 些材料只是起到暂时替代作用，当肌体愈合后其作 用即告结束。 • 如果这些材料是非降解材料，会对患者肌体产生持 续影响。如果另外进行手术取出会对患者带来二次 痛苦。 • 可生物吸收（降解）高分子材料可以有效解决这个 问题。随着材料的使用功能结束，这些材料会逐渐 降解为对人体无害的小分子化合物，并被人体吸收 或代谢排出。因而越来越受到研究者的重视。
高分子与现代社会发展
生物医用功能高分子 生命科学中的高分子
生物医用材料的概念
• 生物医学材料 (Biomedical Material)：是和生物系统 Material)：是和生物系统 相作用，用以诊断 治疗、修复或替换肌体中的组 相作用，用以诊断、治疗、修复或替换肌体中的组 诊断、 织、器官或增进其功能的材料。 • 近三十年来，生物医学材料的研究与开发取得了令 人瞩目的成就，使得数以百万计的患者获得康复， 大大提高了人类的生命质量。 • 人口老龄化进程的加速和人类对健康与长寿的追求， 进一步激发了对生物医学材料的需求。 • 生物医学材料的研究与开发对国民经济和社会的发 展具有十分重要的意义。
组织工程学原理
• 组织工程已率先在皮 肤、骨骼等器官取得 了临床应用，在内脏 方面也取得了重大的 进展和突破。
组织工程的应用——人造皮肤 组织工程的应用——人造皮肤
• 人造皮肤的基础是人二倍体成纤维细胞的培养 • 人造皮肤是最先实现商品化的组织工程产品。
组织工程的应用——人工骨 组织工程的应用——人工骨
可生物吸收高分子材料的种类
• 胶原蛋白：构成动物体最基本的蛋白质类物质 • 明胶：经高温加热变性后的蛋白质 • 淀粉、葡聚糖 • 甲壳素与壳聚糖：来源于昆虫、虾、蟹等的壳、皮 • 纤维素：来源于植物 • 合成高分子： – 脂肪族聚酯、脂肪族聚碳酸酯 – 聚酸酐、聚磷酸酯、聚原酸酯