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1、生物医用高分子材料生物医用高分子材料人工器官人工器官医用粘合剂医用粘合剂 药用高分子材料药用高分子材料高分子免疫佐剂高分子免疫佐剂 医用诊断高分子医用诊断高分子生物医用高分子材料的发展概况与趋势生物医用高分子材料的发展概况与趋势 目录5.2.1 5.2.1 近程结构 1. 高分子链的组成v高分子是链状结构，高分子链是由单体通过加聚或缩聚反应连接而成的链状分子。v通常的有机高分子化合物，它是由碳-碳主链或由碳与氧、氮或硫等元素形成主链的高聚物，即均链高聚物或杂链高聚物。v高密度聚乙烯(HDPE)结构为CH2CH2n，是高分子中分子结构最为简单的一种，它的单体是乙烯，重复单元即结构单元为CH2CH
2、2 ，称为链节，n为链节数，亦为聚合度。v聚合物为链节相同，聚合度不同的混合物，这种现象叫做聚合物分子量的分散性。v对于结构完全对称的单体(如乙烯、四氟乙烯)，只有一种连接方式；对于CH2=CHX或CH2=CX2类单体，由于其结构不对称，形成高分子链时可能有三种不同键接方式：头-头连接，尾-尾连接，头-尾连接。v 2高分子链的形态v如果在缩聚过程中有三个或三个以上的官能度的单体存在，或是在加聚过程中有自由基的链转移反应发生，或是双烯类单体第二键被活化等，则单体单元的键接顺序通常有无规、交替、嵌段和接枝之分，能生成支化的或交联的高分子。支化高分子又有星型、梳型和无规支化之分。v 1) 线型分子链
3、v由许多链节组成的长链，通常是卷曲为团状，这类高聚物有较高的弹性、塑性好、硬度低，是典型的热塑性材料的结构，如图5-3中所示。IIIIII图图5-3 5-3 高分子链结构示意图高分子链结构示意图 (线型结构；线型结构；IIII支链型结构；支链型结构；IIIIII交联网状结构交联网状结构) )v2) 支链型分子链 在主链上带有支链，这类高聚物的性能和加工成型能力都接近线型分子链高聚物。 线型和支链型高分子加热可熔化，也可溶于有机溶剂，易于结晶，因此可反复加工成型，称作“热塑性树脂”。 合成纤维和大多数塑料都是线型分子。v3) 体型分子链 分子链之间有许多链节互相交联，这类高聚物的硬度高、脆性大、
4、弹性和塑性较低，这种形态也称为网状结构。 体型高分子不溶于任何溶剂，也不能熔融，所以只能以单体或预聚状态进行成型，一旦受热固化便不能再改变形状，称作“热固性树脂”。 热固性树脂虽然加工成型比较复杂，但具有较好的耐热和耐蚀性能，一般硬度也比较高。v3. 高分子链的构型v构型是指高分子链中原子或基团在空间的几何排列顺序。构型表征了分子中最近邻原子间的相对位置，这种原子排列非常稳定，只有使化学键断裂和重组才能改变构型。构型分为旋光异构和几何异构两大类。v旋光异构：有机物能构成互为镜影的两种异构体，表现出不同的旋光性。v例如饱和氢化物中的碳构成一个四面体，碳原子位于四面体中心，4个基团位于四面体的顶点
5、，当4个基团都不相同时，位于四面体中心的碳原子称为不对称原子，用C*表示，其特点是C*两端的链节不完全相同。有一个C*存在，每一个链节就有两个旋光异构体。v根据它们在高分子链中的链接方式，聚合物链的立体构成分为三种： (a)全同立构，全部由一种旋光异构单元链接；(b)间同立构，由两种旋光异构单元交替链接；(c)无规立构，两种旋光异构单元完全无规链接。v 无规立构通过使用特殊催化剂可以转换成有规立构，这种聚合方法称为定向聚合。v 旋光异构会影响高聚物材料的性能，例如，全同立构的聚苯乙烯，其结构比较规整，能结晶，软化点为240；而无规立构的聚苯乙烯结构不规整，不能结晶，软化点只有80。v 几何异构
6、：由于聚合物内双键上的基团在双键两侧排列的方式不同，分为顺式和反式构型。v 例如聚丁二烯利用不同催化系统，可得到顺式和反式构型，前者为聚丁橡胶，后者为聚丁二烯橡胶，结构不同，性能就不完全相同。5.2.2 5.2.2 远程结构1. 分子量和聚合度v 远程结构包括分子的大小与形态，链的柔顺性及分子在各种环境中的构象。v 分子量是高分子大小的量度，但高分子的分子量只有统计意义，只能用统计平均值来表示，如数均分子量Mn和重均分子量Mw。v 聚合度是表征高分子大小的参数，它是指高分子中所含的重复单元的数目，其值与分子量成正比。聚合度也具有统计平均意义。分子量和分子量分布是影响材料性能的重要因素。v 聚合
7、物的分子量或聚合度达到某一数值后，才能显示出有实用价值的机械强度，称为临界聚合度。v 分子量分布对高分子材料的加工和使用有明显影响，2. 高分子链的构象及柔顺性v高分子链的主链都是以共价键连接起来的，它有一定的键长和键角。如C-C键的键长为154pm，键角为10928。高分子在运动时C-C单键在保持键长和键角不变的情况下可绕轴任意旋转，这就是单键的内旋转。由单键内旋转引起的原子在空间占据不同位置所构成的分子链的各种形态称为高分子链的构象。高分子这种能由链上原子或基团构象变化使获得不同卷曲程度的特性称为高分子链的柔顺性。v高分子链的柔顺性与单链内旋转难易程度有关。分子结构对链的柔顺性有明显的影响
8、，其中主链结构、侧基和链的长度都起作用。C-C键上总带有其他原子或基团，这些原子和基团之间存在着一定的相互作用，阻碍了单键的内旋转；单键的内旋转是彼此受到牵制的，一个键的运动往往要牵连到邻近键的运动；通常链段越短大分子链柔顺性越大，链段越长柔顺性越小。高分子链的柔顺性是高聚物许多性能不同于低分子物质的主要原因。人工器官：人工器官：暂时或永久性地代替身体某些器官主要功能的人工装置，它是生物医学工程专业中一门新的学科，主要研究模拟人体器官的结构和功能，用人工材料和电子技术制成部分或全部替代人体自然器官功能的机械装置和电子装置研究应用比较成功的有人工血管、人工食道、人工尿道、人工心脏瓣膜、人工关节、
9、人工骨等整形材料。5.3.1 5.3.1 分类v 根据不同的分类方法人工器官可以分为如下几类：v1）按功能分：（1）支持运动功能的人工器官，如人工关节、人工脊椎、人工骨、人工肌腱、肌电控制人工假肢等。（2）血液循环功能的人工器官，如人工心脏及其辅助循环装置、人工心脏瓣膜、人工血管、人工血液等。（3）呼吸功能的人工器官，如人工肺（人工心肺机）、人工气管、人工喉等。（4）血液净化功能的人工器官，如人工肾（血液透析机）、人工肺等。（5）消化功能的人工器官，如人工食管、人工胆管、人工肠等。（6）排尿功能的人工器官，如人工膀胱、人工输尿管、人工尿道等。（7）内分泌功能的人工器官，如人工胰、人工胰岛细胞。
10、（8）生殖功能的人工器官，如人工子宫、人工输卵管、人工睾丸等。（9）神经传导功能的人工器官，如心脏起搏器、膈起搏器等。（10）感觉功能的人工器官，如人工视觉、人工听觉（人工耳蜗）、人工晶体、人工角膜、人工听骨、人工鼻等。（11）其他类，人工硬脊膜、人工皮肤等。v 2）按原理分：（1）机械式装置（如人工心脏瓣膜、人工气管、人工晶体等）（2）电子式装置（如人工耳蜗、人工胰、人工肾、心脏起搏器等）v 3）按使用方式分：（1）植入式，如人工关节、人工心脏瓣膜、心脏起搏器。（2）体外式，如人工肾、人工肺、人工胰。这些体外式人工器官实际上都是由电子控制的精密机械装置。5.3.2 5.3.2 具体介绍1.
11、人工心脏和人工心脏瓣膜v人工心脏：利用外在机械动力的作用把血液输送到全身各器官以代替原有心脏功能的装置。v人工心脏制作所选用的材料主要为高分子材料和金属材料。高分子材料用作人工心脏主体的制作；金属材料，如镍钛合金主要作为人工心脏瓣膜、心室，其坚固性、轻质、表面光滑性非常适于人工心脏。科学家们已经成功在实验室培植膀胱、尿道和气管组织并在临床实验中移植给病患开始把目光转向实验室培育更复杂组织器官的可能性，包括心脏，肾脏，肝脏，胰腺以及胸腺。这一医学进展将有助于延长人的预期寿命，因为它将极大地缩短需要器官移植的病人的等待时间。明尼苏达大学教授多丽丝泰勒(Doris Taylor)甚至已经成功地制成了
12、一个跳动的人体心脏，方法是从一位自愿捐献者的心脏上剥离死亡的细胞组织并代之以新鲜的鲜活细胞。而北卡罗来纳州维克森林大学教授肖恩索克(Shay Soker)则成功获得了“迷你版”的人类肝脏，他运用取自老鼠肝脏的蛋白质“骨架”，并用人类肝脏干细胞在此基础上培育出一个肝脏。用于人工心用于人工心脏泵脏泵体的高分子材料，除具体的高分子材料，除具备备一般高分子材料的性能一般高分子材料的性能外，外，还还特特别别要求具有要求具有柔性、柔性、弹弹性、耐疲性、耐疲劳劳强度和抗血栓性强度和抗血栓性。若以一般若以一般成年人的心成年人的心脏脏每分每分钟钟平均搏平均搏动动72次次为为例，每日搏例，每日搏动动次次数数高高达
13、达10万次以万次以上，上，当从当从事体力事体力劳动时劳动时，还会还会成倍增加，一年就要搏成倍增加，一年就要搏动动3650多万次。多万次。因此，作因此，作为为永久性人工心永久性人工心脏泵脏泵的材料要考的材料要考虑虑到足到足够够的安全系的安全系数数，必，必须须具具备优异备优异的的耐耐挠挠曲性能曲性能。心。心脏脏每跳每跳动动一次，搏出的血液量一次，搏出的血液量约约在在3070mL。因而每分。因而每分钟将钟将有有45L的血液流的血液流经经心心脏脏，多，多时时可可达达1415L，为为确保血液循确保血液循环畅环畅通无阻，用高分子材料制成的心通无阻，用高分子材料制成的心脏泵脏泵体和隔膜的体和隔膜的内内表表面
14、必面必须须具有具有优异优异的抗凝血性能。的抗凝血性能。用于人工心用于人工心脏脏的主要材料有：的主要材料有：链链段型聚段型聚醚氨酯醚氨酯、聚硅、聚硅氧烷与氧烷与聚聚氨氨酯酯的嵌的嵌断断共聚物共聚物、硅橡、硅橡胶胶、聚、聚氯氯乙乙烯烯、聚四、聚四氟氟乙乙烯烯和聚和聚烯烃烯烃等。用于等。用于心心脏脏瓣膜的材料有：瓣膜的材料有：硅橡硅橡胶胶、热热解解碳碳和生物瓣和生物瓣。心心脏脏瓣膜在心瓣膜在心脏脏中所起的作用是中所起的作用是极为极为重要的，如果重要的，如果说说心心脏脏是血是血液的液的泵泵体，瓣膜就是体，瓣膜就是单单向的向的阀门阀门，它们它们只允只允许许血液朝一血液朝一个个方向流方向流动动。当当血液需
15、要通血液需要通过时过时就就开启开启，当当需要需要组织组织血液通血液通过时过时就就闭锁闭锁，从从而保而保证证血液在身体中的正常循血液在身体中的正常循环环。人体心。人体心脏脏中有四中有四个个瓣膜：瓣膜：三尖瓣、肺三尖瓣、肺动动脉瓣、主脉瓣、主动动脉瓣和二尖瓣。脉瓣和二尖瓣。无无论哪论哪一一个个瓣膜瓣膜发发生病生病变变，如增厚、，如增厚、狭狭窄或窄或闭锁闭锁不全都不全都会会引起不良后果，引起不良后果，会会出出现现心肌心肌劳损劳损、左心或右心、左心或右心衰竭，衰竭，这这些都些都属属于心于心脏脏病病变变的重要的重要类类型，型，严严重重时时可可导导致心力衰竭死致心力衰竭死亡。亡。 人工心人工心脏脏瓣膜主要
16、有：瓣膜主要有：球形瓣、蝶形瓣和生物瓣球形瓣、蝶形瓣和生物瓣等几等几种类种类型。由型。由于心于心脏脏瓣膜植入心腔后，始瓣膜植入心腔后，始终终都全部浸都全部浸没没在血液之中，因此在血液之中，因此对对于材料于材料的要求十分苛刻。的要求十分苛刻。它它不不仅仅要具有高强度和耐疲要具有高强度和耐疲劳劳性，而且要有性，而且要有优异优异的的抗凝血性和耐磨性。抗凝血性和耐磨性。v 人工心脏瓣膜： 可植入心脏内代替原有天然心脏瓣膜（主动脉瓣、肺动脉瓣、三尖瓣、二尖瓣），能使血液单向流动，具有天然心脏瓣膜功能的人工器官。 主要分为球形瓣，蝶形瓣，人体组织瓣，动物组织瓣等。v 人体组织瓣的应用有两种： 同种异体移植
17、：将一个瓣膜从一个人移植到另一个人。 自身移植：从本人的一个部位移植到另一个部位。应用最多的自身移植是将肺动脉瓣移植到主动脉瓣，称为Ross手术。图图5-4 5-4 常见的几种人工心脏瓣膜常见的几种人工心脏瓣膜2. 人工肾v 定义：又称人工透析机，一种透析治疗设备，是用人工方法模仿人体肾小球的过滤作用，在体外循环的情况下，去除人体血液内过剩的含氮化合物、新陈代谢产物或逾量药物等，调节水和电解质平衡，以使血液净化的一种高技术医疗仪器。v 原理：应用的膜分离技术原理，需从病人动脉将血液引流出来，在人工肾经过透析后再从静脉输入病人体内。v 组成：血液净化系统（透析器）、透析液供给系统和自动控制系统三
18、部分v 透析器是人工肾的核心部分，现有用于透析器的膜材料主要有用化学方法从棉花中提取的再生纤维素和改良纤维素，以及一些高分子聚合物如聚丙烯睛、聚酰胺、乙烯乙烯醇共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯等。 肾脏肾脏具有具有清清除血液中代除血液中代谢谢的的废废物，如物，如肌肝、尿素、尿酸肌肝、尿素、尿酸和和对对人体人体有害的毒物、排除有害的毒物、排除过过多的水分、多的水分、维维持持盐盐分的分的浓浓度和酸度和酸碱碱平衡，以及重平衡，以及重新吸收新吸收补补充人体所需的部分充人体所需的部分营养营养等功能。等功能。肾肾功能衰竭功能衰竭会会使代使代谢废谢废物不物不能及能及时清时清除而在血液中除而在血液中积积蓄，使肌体的生
19、理蓄，使肌体的生理环环境失去平衡而境失去平衡而导导致尿毒致尿毒症，甚至危及生命，采用一般症，甚至危及生命，采用一般药药物已无法救治。物已无法救治。为为了挽救病人，了挽救病人，进进行行肾肾移植已移植已获获成功，而且愈后效果成功，而且愈后效果较较好。然而，由于供体好。然而，由于供体来来源受到限制源受到限制和移植后的排和移植后的排异异反反应应等受到限制，等受到限制，发发明了人工明了人工肾肾。人工人工肾肾是利用是利用高分高分子材料子材料进进行透析、行透析、过滤过滤和吸附作用和吸附作用，使代，使代谢谢物物进进入外界配置好的透析入外界配置好的透析液中，液中，经经透析、透析、过滤处过滤处理后完成理后完成肾脏
20、肾脏的功能。的功能。人工人工肾进肾进行血液行血液净净化有以下几化有以下几种种方法：血液透析法、血液方法：血液透析法、血液过滤过滤法、法、血液透析血液透析过滤过滤法、血法、血浆浆交交换换法和血液毒素吸附法。法和血液毒素吸附法。v 发展：v1913年英国的阿黛尔用硝棉胶膜作为透析膜，生理盐水作为透析液为肾病患者进行透析。这就是人工肾的前驱研究。v1935年黑斯首次将透析技术用于临床。v1943年荷兰医生科尔夫制成了第一个人工肾，首次以机器代替人体的重要器官。v1960年，美国外科医生斯克里布纳发明了一种塑料连接器，可永久装进病人前臂，连接动脉和静脉，与人工肾极容易连接，不会损伤血管，这样就能够为病
21、人长期进行血液透析治疗。1946年在伦敦，哈默.史密斯医院使用的由科尔夫发明的早期人工肾 德国贝朗全电脑控制血液透析仪v 原理：v需从病人动脉将血液引流出来，在人工肾经过透析后再从静脉输入病人体内。它的核心部分是一种用高分子材料（称为膜材料）制成的透析器。这种膜材料具有半通透特性，可代替肾小球以实现其毛细血管壁的滤过功能，达到血液净化的目的。现用的膜材料有用化学方法从棉花中提取的再生纤维素和改良纤维素，以及一些高分子聚合物如聚丙烯睛、聚酰胺、乙烯乙烯醇共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯等。当今世界上有300多种产品的人工肾，所用透析膜材料有30多种。 v人工肾是应用的膜分离技术原理。根据GibbsDon
22、nan膜平衡原理，用半透膜将引出 人体外的血液与专门配制的透析液隔开。由于血液和透析液所含溶质浓度的不同，及其所形成的渗透浓度差，使包含代谢产物的溶质（如尿素、肌肝、尿酸，以及废物硫酸盐、酚和过剩离子Na+、K+、Cl），在浓度梯度的驱动下，从浓度高的血液一侧，通过半透膜向浓度低的透析液一侧移动（称为弥散作用）；而水分则从渗透浓度低的一侧向浓度高的一侧转移（称为渗透作用），最终实现动态平衡，达到清除人体代谢废物和纠正水、电解质和酸碱平衡的治疗目的。v 组成：v 透析型人工肾由三部分组成：血液净化系统（透析器）、透析液供给系统和自动控制系统。v常用的透析器是空心纤维型结构，由内径200m，壁厚3
23、0m左右的透析膜材料制成的1万1.5万根空心纤维，组装在直径510cm、长约2025cm的圆柱状玻璃容器内。血液在空心纤维管内流动，透析液则环绕空心纤维管外四周流动，分别用泵驱动使血液和透析液循环。v当代人工肾由微机控制，可自动检测和控制渗透压（静脉回路压力和透析液压力之差）、透析液的温度及浓度，并能进行静脉口路气泡检测及报警，漏血检测及报警，以及透析液低电导检测及报警。人工人工肾肾透析回路透析回路组组成示意成示意图图 三、人工皮三、人工皮肤肤 皮皮肤肤在人体中起着在人体中起着保保护护、感、感觉觉、调节调节体体温温、分泌和排泄、吸收、分泌和排泄、吸收和免疫等作用和免疫等作用。当当皮皮肤肤受到受
24、到损伤时损伤时，受，受伤伤皮皮肤肤表面的水分表面的水分损损失失将会将会比正常比正常时时增加增加1020倍，体液中的蛋白、离子等有效成分也倍，体液中的蛋白、离子等有效成分也会随会随之之一起渗出，一起渗出，这样这样不不仅会仅会影影响响人体正常的吸收和代人体正常的吸收和代谢谢的平衡，同的平衡，同时极时极容易引起容易引起创创面感染和面感染和并发并发其他疾病。因此，及其他疾病。因此，及时并时并有效地保有效地保护创护创面，面，对创对创面面进进行抗渗、防感染及封行抗渗、防感染及封闭闭措施是皮措施是皮肤肤修修复复的的关键关键。由于通。由于通过过植皮可以同植皮可以同时达时达到防止水分和体液的蒸到防止水分和体液的
25、蒸发发和流失、和流失、预预防感染、防感染、并并使使肉芽和上皮肉芽和上皮细细胞逐胞逐渐渐成成长长以促以促进进治愈的目的，因此植皮是皮治愈的目的，因此植皮是皮肤肤修修复复中最中最为为重要的措施。重要的措施。根据根据对对皮皮肤肤在人体中作用的在人体中作用的认识没认识没，如今，如今认为认为理想的皮理想的皮肤肤修修复复材料材料应该应该是是无毒、无毒、没没有刺激性、不有刺激性、不会会引起免疫反引起免疫反应应；具有相容性；具有相容性以及以及类类似天然皮似天然皮肤肤的透的透湿湿性、柔性、柔软软性和性和润湿润湿性；性；应既应既能能与创与创面面组织组织紧贴紧贴，起到防止，起到防止创创面的水分、体液面的水分、体液损
26、损失和吸收失和吸收创创面渗出液的作用，面渗出液的作用，又易于在皮又易于在皮肤肤愈合后自愈合后自动脱动脱落，落，并并且易于消毒的材料。且易于消毒的材料。 目前在目前在临临床中得到床中得到应应用的皮用的皮肤肤修修复复材料可分材料可分为两为两大大类类：一：一类类是是天然的皮天然的皮肤肤（包括自体皮、（包括自体皮、异异体皮和体皮和异种异种皮）或皮）或动动物物组织组织（羊膜、羊膜、胎胎盘盘、腹膜、腹膜等）；另一等）；另一类类是人工皮是人工皮肤肤，原料取自于天然高分子（，原料取自于天然高分子（胶胶原、甲原、甲壳壳素等）或合成高分子（尼素等）或合成高分子（尼龙龙、涤纶涤纶、硅橡、硅橡胶胶等）。等）。 国内国
27、内外外对对于人工皮于人工皮肤肤已有已有许许多多研研究，公究，公认较认较好的是呈好的是呈复复合合结构结构的的人人工皮工皮肤肤（图图5-1）。其）。其表表层层是其控制水分蒸是其控制水分蒸发发、防止蛋白、防止蛋白质质和和电电解解质损质损失，可以防止失，可以防止细细菌侵入的菌侵入的合成高分子膜；中合成高分子膜；中间层间层是由合成高分子是由合成高分子纤维纤维制制成成，用于人工皮，用于人工皮肤缝肤缝合固定在被植体上的合固定在被植体上的柔柔软织软织物；底物；底层层是由生物相容是由生物相容性好，能促性好，能促进进表皮表皮细细胞胞贴贴壁和增壁和增值值的生物降解高分子的生物降解高分子制成的，可防止皮制成的，可防止
28、皮下下积积液的海液的海绵状绵状物物质质，组组成人工皮成人工皮肤肤的材料如表的材料如表5-2所示。所示。表表5-2 组组成人工皮成人工皮肤肤的材料的材料组组 成成材材 料料举举 例例功功 能能表层表层合成高分子膜合成高分子膜聚乙烯聚乙烯聚氨酯聚氨酯硅酮高分子硅酮高分子控制水分蒸发控制水分蒸发防止蛋白质和电解质损失防止蛋白质和电解质损失防止细菌侵入防止细菌侵入中间层中间层合成高分子纤维合成高分子纤维尼龙筛网尼龙筛网方便人工皮肤缝合固定于方便人工皮肤缝合固定于被植体被植体底层底层海绵状生物降解海绵状生物降解性高分子性高分子胶原海绵体胶原海绵体壳聚糖壳聚糖共聚（丙交共聚（丙交酯酯-乙交酯）乙交酯）促进
29、表皮细胞贴壁和增殖促进表皮细胞贴壁和增殖防止皮下积液防止皮下积液图图5-10 5-10 用于创伤覆盖的人工皮肤用于创伤覆盖的人工皮肤4、人工胰腺一种由微机控制的机械装置，其原理是用人工方法取代正常胰腺的内分泌，用以补充胰岛素的分泌不足。分类：体外型人工胰、半生物型人工胰岛、植入型人工胰。5. 人工肝v又称人工肝支持系统，就是借助人工干预暂时替代原有完整肝脏的功能，为患者自身细胞再生及功能恢复创造较好的内环境及宝贵的时间。v人工肝根据其组成和性质主要可分三类：非生物型、生物型和混合型。6. 人工耳蜗v又称电子耳蜗，或人工电子耳，是模拟人体耳蜗生理功能的电子装置。v由体内和体外两部分组成。它能将通
30、过外耳传入的声能转换成电能，通过植人鼓阶、圆窗或耳囊内的电极，直接刺激耳蜗内残余的听神经纤维，使聋人产生听觉。图图5-9 5-9 一种常见的人工耳蜗一种常见的人工耳蜗7. 人工肺v定义：又称氧合器，是指用来取代人体肺功能，用于血气交换，调节血内氧气和二氧化碳含量的装置。v分类：静立垂屏式人工肺、转碟式人工肺、鼓泡式人工肺、膜肺。v膜肺的设计原理不同于前三者，其主要依据仿生原理按照肺泡气体弥散生理功能设计的；前三种人工肺中血液与氧气直接接触，而膜肺中血液和氧气由薄膜隔开，一侧通静脉血，另一侧通纯氧。v发展：第一个膜肺出现于1955年，膜材料用的是聚氯乙烯。真正实用的膜肺出现于1960年，膜材料为
31、硅橡胶。膜肺的大发展是在1980年以后，出现了各种高分子聚合物材料制成的各种形式的膜肺。20世纪80年代，我国的鼓泡式氧合器和聚丙烯中空纤维管型膜肺均研制成功。v聚合物材料：聚酯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、醋酸纤维素、乙基纤维素、硅橡胶等v膜肺的结构形式：平板型、中空纤维管型、液膜型（用氟碳化合物）和透析型8. 心脏起搏器v定义：一类在心肌收缩发生障碍时，可以通过外部电脉冲刺激心脏使其正常工作的电子器械。v分类：体外式和体内埋植式两种体外式：使用方法简单，在紧急情况下使用，对患者进行抢救非常方便。还可根据患者的状况变换心搏数。但是如果长期使用，在放置电极的部位容易发生感染。体内埋植
32、式：将起博器植入病人腹部或腋窝皮下，对长期使用者非常方便，但起搏器心搏数固定也会带来各种问题。近年来已经研制出可以变动心搏数的诱导型起搏器。电极和接收器植于体内，用发送器在体外控制，这样便可以根据情况变更心搏数。图图5-11 5-11 常见的心脏起搏器示意图常见的心脏起搏器示意图5.4 5.4 医用粘合剂作用：v在外科手术中，医用胶粘剂用于某些器官和组织的局部粘合和修补；v手术后缝合处微血管渗血的制止v骨科手术中骨骼、关节的结合与定位；v齿科手术中用于牙齿的修补等。v在计划生育领域中,医用胶粘剂更有其它方法无可比拟的优越性：用胶粘剂粘堵输精管或输卵管，既简便、无痛苦，无副作用，必要时还可以很方
33、便地重新疏通。v1）理想的医用粘合剂应该具备以下条件：v（1）在有水的组织液的条件下也能进行胶接；v（2）常温常压下能与组织快速胶接； v(3）在固化的同时，能与组织产生较大胶接强度； v(4）不显示毒性，不致突变，不致畸，不致癌； v(5）不妨碍生物体组织的自身愈合； v(6）本身无菌且能抑菌； v(7）固化后胶体具弹性或韧性； v(8）呈单组分液态或糊状，不含非水溶剂v(9）在组织内可逐渐降解吸收、排泄； v(10）常温下易于储存，用前不需要调配。 2) 医用粘合剂的分类v 从医用胶粘剂的使用对象和性能要求：齿科用胶粘剂和外科用(或体内用)胶粘剂v 按照用途：软组织用胶粘剂,牙科用胶粘剂,
34、骨水泥和皮肤用胶粘剂等(1) 软组织用胶粘剂v -氰基丙烯酸酯粘合剂 v 由于-碳原子上CN、COOR等极性基团的诱导效应，-位的碳原子有很强的吸电性，在微量阴离子存在下就能产生瞬间聚合反应，同时使聚合体形成多极性中心，为与粘接对象产生界面粘接力提供条件。v 特点：在生物体组织上聚合速度最快，单组分、液态、无溶剂、室温固化、固化速度快、粘接强度高等特点。v 目前，国外该胶粘剂品种有Adhere、Cyanobond、Eastman910、等。国内比较有名的有504止血胶(主胶为-氰基丙烯酸正丁酯)、508医用胶粘剂(主胶为-氰基丙烯酸正辛酯)等v 血纤维蛋白粘合剂 v 主要成分：浓缩的血纤维蛋白
35、原、凝备酶、血液凝固第VIII因子、抑肽酶等。v 特点：利用二次止血原理的生理功能性粘合剂，粘合不受血小板减少等血液凝固障碍的影响，不需加热加压，固化比较迅速。粘合不受水分的影响，同组织的亲和性好，并可适度吸收。主要用于软组织手术创伤部位的止血，神经、胰血管的粘合等。v 发展：早在1909年就有人研究尝试从血液中提取凝血物质用于止血。1972年奥地利开发成功粘合剂“FS”用于神经修复，英国Kumanote大学医院为了提高胰管和空肠的吻合效果，在手述中使用了该粘合剂。 (2) 硬组织用粘合剂v 牙科粘合剂 v 牙科治疗和修复应用的粘接材料：粘固剂、合成粘合剂和复合树脂。 v 作用：固定修复，或正
36、畸矫治器及附件等的粘固，窝洞的基衬和暂时充填。 v 发展：传统的粘固剂属于无机类材料，俗称水门汀，例如磷酸锌等。近代发展了含有机化物的改性材料，如丁香油、聚羧酸、玻璃离子体等。20世纪30年代德国曾推出以甲基丙烯酸甲酯（MMA）为主体的粘接材料，用作正畸治疗和松动牙固定。50年代美国开发-氰基丙烯酸酯类快速粘合剂，用于牙龈切除、拔牙等手术伤口的止血和粘接，以代替缝合，作牙周敷料治疗口腔溃疡以及正畸领间牵引松动牙固定等方面。 70年代以后，开发了能与牙齿形成某种化学性联结的粘合剂，其中4-META和phenyl-p，已被广泛用作配制粘合剂。v 骨组织用粘合剂 v 通常人工骨和人工关节与骨组织的接
37、合，采用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）骨水泥，由于其单体易引起细胞毒性反应，骨水泥与骨组织界面有纤维组织生长，形成厚的结合组织膜，同时伴有血压下降、聚合物的热效应对骨水泥四周产生损伤，以及结合力不充分等问题。v 近年来磷酸钙系骨水泥越来越引起重视。作用是使埋入骨内的材料表面活化，使在材料表面上形成的骨组织与骨直接结合。v 在生物体内，材料表面刚一溶出就从四周组织吸收钙、磷构成磷灰石层，同时，接近材料表面的骨组织有产生新生骨的功能，该新生骨与材料新生的磷灰石层直接结合，称之为结合性形成骨。v 羟基磷灰石或定向性玻璃陶瓷等，反应层薄、界面结合力或机械强度好，有利于临床应用。v 皮肤用压敏胶 v 医用
38、压敏胶是由弹性体和增粘树脂组成。v 所用原料：天然橡胶、SIS、SBS、丙烯酸共聚物、有机硅共聚物、聚氨酯等v 发展： 早期在该领域中使用最多的是橡胶型压敏胶带。由于天然橡胶易老化,往往需要添加多种辅助剂。 以SIS、SBS等弹性体为主的热熔型压敏胶粘带,具有无色透明、无毒无味、粘接性好、耐老化等优点,广泛应用于妇女卫生制品及婴幼儿尿不湿等方面。 最近,国内外报道了采用辐射交联和金属阳离子交联研制的丙烯酸酯热熔压敏胶,该胶具有众多优点。它与可见光引发剂共混而获得光敏性，遇光后通过乙烯基交联而降低剥离强度（最大降幅达90%）。5.5 5.5 药用高分子材料v 5.5.1 概述v 定义：一类人工合
39、成的用于一定治疗目的的功能高分子。v 根据药用高分子材料的结构特点及用途分为：v 有药理活性的高分子药物、药物载体用高分子材料、高分子薄膜包衣及控释膜材料、常规医药包装用高分子材料等。其中前三种材料均参与构成药剂，即形成高分子药物制剂，由此在充分合理地发挥药效的同时，尽可能避免或减低副作用。5.5.2 5.5.2 药用高分子材料v 与低分子药物制剂相比，高分子药物制剂一般具有低毒、高效、缓释、长效、可定点释放等优点。v 通常具备如下条件：v 1) 高分子药物制剂本身及其分解产物应当无毒，不会引起炎症和组织变异反应，无致癌性；v 2) 在进入血液循环系统时不会引起血栓；v 3) 具有一定的水溶性
40、，能够在体内水解出具有药理活性的基团；v 4) 能够有效到达病灶处，并积累一定浓度；v 5) 口服药剂的高分子残基能通过排泄系统排出体外；通过导入方式进入循环系统的药物，则要求聚合物主链易于降解，使之有可能排出体外或被人体吸收。1. 有药理活性的高分子药物v有药理活性的高分子药物本身具有药理作用，通常在断链后即失去药性，是真正意义上的高分子药物。2. 药物载体用高分子材料v之所以有药物载体用高分子材料是因为低分子药物在体内的新陈代谢一般速度很快，半衰期很短，在体内的浓度降低快，很难维持治疗所需要的浓度水平，大大影响了疗效，故需大剂量频繁进药，而暂时性过高的药剂浓度又会加重副作用，此外低分子药物
41、也缺乏进人人体部位的选择性。3. 高分子薄膜包衣及控释膜材料v在药物制剂中主要以纤维素、动物蛋白、水溶性高分子等用作高分子薄膜包衣及控释膜材料，如用作胶囊材料、微球、脂质体载体。v高分子薄膜包衣及控释膜材料又可以分为：(1)片剂的薄膜衣材料；(2)胶囊剂的空胶囊材料；(3)膜控释材料。4. 常规医药包装用高分子材料v常规医药包装用高分子材料大体可按照软、硬进行分类，也可按照适用药剂类型分类。5.6 5.6 高分子免疫佐剂v 5.6.1 免疫1. 免疫定义 ：v 机体免疫系统识别自身与异己物质，并通过免疫应答排除抗原性异物，以维持机体生理平衡的功能。v 免疫是人体的一种生理功能，人体依靠这种功能
42、识别“自己”和“非己”成分，从而破坏和排斥进入人体的抗原物质，或人体本身所产生的损伤细胞和肿瘤细胞等，以维持人体的健康。2.佐剂(adjuvant)v 定义：非特异性免疫增强剂，当与抗原一起注射或预先注入机体时，可增强机体对抗原的免疫应答或改变免疫应答类型。v 种类:氢氧化铝佐剂、短小棒状杆菌、脂多糖、细胞因子、明矾等v 佐剂增强免疫应答的机制： 通过改变抗原的物理形状，延长抗原在机体内保留时间； 刺激单核吞噬细胞对抗原的提成能力； 刺激淋巴细胞分化，增加扩大免疫应答能力。v 由于佐剂能增强抗原表面面积，并能延长抗原在体内保留时间，使抗原与淋巴系统细胞有充分接触时间，所以它有多种作用：v (1
43、)把无抗原性的物质转变为有效的抗原；v (2)增强循环抗体的水平或产生更有效的保护性免疫；v (3)改变所产生的循环抗体的类型；v (4)增强细胞介导的超敏反应的能力；v (5)产生实验性自身免疫或其他类型的变态性疾病；v (6)保护抗原(特别是DNA，RNA)不受体内酶的分解。5.6.2 5.6.2 免疫佐剂v又称非特异性免疫增生剂。本身不具抗原性，但同抗原一起或预先注射到机体内能增强免疫原性（见抗原）或改变免疫反应类型。v常用的佐剂可分为4类：无机佐剂，如氢氧化铝，明矾等；有机佐剂，微生物及其产物如分枝杆菌、短小杆菌、百日咳杆菌、内毒素、细菌提取物等；合成佐剂，如人工合成的双链多聚核苷酸、
44、左旋咪唑、异丙肌苷等；油剂，如费氏佐剂、花生油乳化佐剂、矿物油、植物油等。p弗氏佐剂目前在实验动物中最常用，又可分为弗氏不完全佐剂和完全佐剂两种。不完全佐剂：油剂与乳化剂相混合而成，当其再与抗原混合，即成油包水乳剂，可用于免疫注射。弗氏完全佐剂：在不完全佐剂中加入死的分枝杆菌。完全佐剂的免疫强度大于不完全佐剂。该佐剂主要用于动物实验，不适宜于人类使用。而且动物多次注射后也常会发生佐剂病。1. 免疫佐剂的生物作用包括v （1）抗原物质混合佐剂注入机体后，改变了抗原的物理性状，可使抗原物质缓慢地释放，延长了抗原的作用时间；v （2）佐剂吸附了抗原后，增加了抗原的表面积，使抗原易于被巨噬细胞吞噬；v
45、 （3）佐剂能刺激吞噬细胞对抗原的处理；v （4）佐剂可促进淋巴细胞之间的接触，增强辅助T细胞的作用；v （5）可刺激致敏淋巴细胞的分裂和浆细胞产生抗体。故免疫佐剂的作用可使无免疫原性物质变成有效的免疫原；v （6）可提高机体初次和再次免疫应答的抗体滴变；v （7）改变抗体的产生类型以及产生迟发型变态反应，并使其增强。2具备条件v佐剂的条件作为一种良好的佐剂，必须具备下列条件：v （1）增加抗原的表面积，并改变抗原的活性基团构型，从而增强抗原的免疫原性；v （2）佐剂与抗原混合能延长抗原在局部组织的存留时间，减低抗原的分解速度，使抗原缓慢释放至淋巴系统中，持续刺激机体产生高滴度的抗体；v （3
46、）佐剂可以直接或间接激活免疫活性细胞并使之增生，从而增强了体液免疫、细胞免疫和非特异性免疫功能；v （4）良好的佐剂应具有无毒性或副作用低的特点。 3.常用佐剂的种类和制备v 佐剂主要可分为两种：p 一种本身具有免疫原性，如百日咳杆菌、抗酸杆菌（结核分枝杆菌）以及革兰阴性杆菌等；p 另一种本身无免疫原性，如氢氧化铝、磷酸钙、矿物油乳剂、表面活性剂等。目前应用最多的是弗氏佐剂(Freund adjuvant)。 v 1） 弗氏佐剂 v 弗氏佐剂是目前动物实验中最常用的佐剂，分为不完全弗氏佐剂和完全弗氏佐剂。p 不完全弗氏佐剂：液体石蜡与羊毛脂混合而成，组分比为15：1，可根据需要而定，通常为2：
47、1。p 完全弗氏佐剂：不完全佐剂中加卡介苗(最终浓度为220mg/ml)或死的结核分枝杆菌。 一般首次注射时用12体积FCA加上12体积的抗原进行乳化，第二次或第三次注射时用不完全佐剂或不用佐剂。如不加佐剂，则抗原量增大10-20倍。v 配制方法：v 按比例将羊毛脂与石蜡油置容器内，用超声波使之混匀，高压灭菌，置4下保存备用。v 在免疫动物前，先将弗氏佐剂与抗原按一定比例混合，佐剂和抗原体积比一般为1：1，制备成 油包水乳状液。v 抗原用量视抗原分子量不同及免疫原性及免疫动物不同而有一定差异，无统一标准和固定模式。一般是每兔（约2kg重）或每羊（约20kg重）第1次注射抗原1mg，以后逐次增加
48、抗原量，最多每次不超过3mg。v 佐剂与抗原乳化可按如下方法进行： p （1） 研磨法p （2） 注射器混合法p （3） 超声v 2） 氢氧化铝佐剂 v取5%硫酸铝溶液250ml，在强烈搅拌下加入5%氢氧化钠溶液100ml，用生理盐水离心洗涤沉淀2次，在悬浊液中滴入生理盐水中使体积达到250ml。免疫接种时，取适量氢氧化铝佐剂加等体积抗原即可免疫。 v 3） 明矾佐剂 v钾铝矾(硫酸铝钾)在一定pH条件下产生氢氧化铝胶体吸附抗原而产生佐剂效应。制备方法是用生理盐水溶解蛋白质抗原，在搅拌下缓慢滴入一定量10%硫酸铝钾溶液，用NaOH调pH到65，此时溶液变成乳状悬液，离心后去掉上清液，沉淀用生理
49、盐水洗涤二次，加入硫柳汞防腐，4保存备用。明矾佐剂一般用于肌肉注射，皮下注射容易引起肉芽肿和脓肿。 v 4） 脂质体 v 脂质体包封抗原后，可使抗原延缓释放，并且脂质体颗粒有刺激机体免疫反应的作用。因此，用脂质体包封的抗原免疫动物可提高免疫效果。4. 高分子免疫佐剂v50年代开始，尤其是80年代以来，人们发现许多高分子化合物用于增强机体对抗原的免疫应答十分有效，我们称之为高分子免疫佐剂(polymer immunoadjuvant)。v 按不同的作用机理可以分为3类:v (1)高分子本身能刺激、活化免疫细胞。v (2)利用高分子物质改变抗原的物理状态和递呈方式 v (3)利用高分子对抗原控制释
50、放。v利用高分子控制释放系统，设计具有向免疫器官(如脾脏、淋巴结等)和免疫细胞(如巨噬细胞等)靶向输送性能的高分子佐剂也将是十分有意义的研究课题。高分子免疫佐剂的优点还在于：这种长效佐剂可望将初免和加强免疫合并为一次接种，大大简化接种程序，降低疫苗成本。5.7 5.7 医用诊断高分子高分子材料含有的成分高分子材料含有的成分形态形态用途用途用于生物传感器活性功能特性用于生物传感器活性功能特性纤维素纤维素实验纸实验纸简易检查试药简易检查试药亲水、空隙多、包埋保存酶较容易、利用微胶囊可同时含浸其他试药亲水、空隙多、包埋保存酶较容易、利用微胶囊可同时含浸其他试药醋酸纤维素聚碳酸酯醋酸纤维素聚碳酸酯膜膜