四医用材料辐射工艺技术.ppt

医用水凝胶医用水凝胶 人工关节人工关节 鲜花种在“果冻”鲜花种在“果冻”状高分子吸水材状高分子吸水材料上料上 水凝胶与伤口被覆凝胶水凝胶与伤口被覆凝胶 生物功能性聚合物与药物缓释体系生物功能性聚合物与药物缓释体系 医用有机硅及聚氨酯医用有机硅及聚氨酯 医用吸水性材料医用吸水性材料 辐照技术 本章内容本章内容 生物医学材料：生物医学材料：一类具有特殊性能和功能，以一类具有特殊性能和功能，以诊断和治疗为目的并用于替换人体组织、器官诊断和治疗为目的并用于替换人体组织、器官或者增进其功能、外科修复、理疗康复等对人或者增进其功能、外科修复、理疗康复等对人体组织不会产生不良影响的材料。体组织不会产生不良影响的材料。学科定位：学科定位：属于“生命”和“材料”的交叉学属于“生命”和“材料”的交叉学科科 医用材料的辐射工艺：医用材料的辐射工艺：使用辐照技术合成或改使用辐照技术合成或改性，形成新的符合临床要求的生物医学材料。性，形成新的符合临床要求的生物医学材料。第一节第一节 生物医学材料概述生物医学材料概述 生物医学材料发展简况生物医学材料发展简况 生物医学材料是生物医学科学中的最新分支生物医学材料是生物医学科学中的最新分支交叉学科，涉及到化学、物理学、高分子化交叉学科，涉及到化学、物理学、高分子化学、高分子物理学、生物物理学、生物化学、学、高分子物理学、生物物理学、生物化学、生理学、药物学、基础与临床医学等很多学生理学、药物学、基础与临床医学等很多学科科。ISO定义，生物材料（定义，生物材料（Biomaterials）即生物）即生物医学材料（医学材料（Biomedical Materials），它是指），它是指“以医疗为目的，用于与组织接触以形成功“以医疗为目的，用于与组织接触以形成功能的无生命的材料”。另有定义是：具有天能的无生命的材料”。另有定义是：具有天然器官组织的功能或天然器官部分功能的材然器官组织的功能或天然器官部分功能的材料。料。生物材料的开发和利用可追溯到生物材料的开发和利用可追溯到35003500年年前前，那时的古埃及人就开始利用那时的古埃及人就开始利用棉纤维棉纤维、马马鬃鬃作缝合线缝合伤口；印第安人则使用作缝合线缝合伤口；印第安人则使用木片木片修补受伤的颅骨修补受伤的颅骨。25002500年前年前，中国和埃及的墓葬中就发现有中国和埃及的墓葬中就发现有假牙假牙、假鼻和假耳假鼻和假耳。人类很早就用人类很早就用黄金黄金来修来修复缺损的牙齿复缺损的牙齿，并沿用至今并沿用至今。15881588年人们用年人们用黄金板黄金板修复颚骨修复颚骨。17751775年就有用年就有用金属金属固定体固定体内骨折的记载内骨折的记载。18511851年发明了天然橡胶的硫年发明了天然橡胶的硫化方法后化方法后，有人采用有人采用硬胶木硬胶木制作了人工牙托制作了人工牙托的颚骨的颚骨。目前，器官移植取得巨大进展，但有目前，器官移植取得巨大进展，但有难题：排异、器官来源、法律、伦理等。难题：排异、器官来源、法律、伦理等。因此医学界对生物医学材料和人工器因此医学界对生物医学材料和人工器官的要求日益增加。官的要求日益增加。期待：期待：合成新材料合成新材料 +体外培育组织工程体外培育组织工程 牛软骨细胞在实验室内生长，作为种子种植在用合成材料预制的耳支架上，埋植于大鼠背部皮下，目前尚处于实验室阶段。当前被详细研究过的生物材料已超过当前被详细研究过的生物材料已超过1000种，被种，被广泛应用的有广泛应用的有90多种，多种，1800多种制品。西方国家每年多种制品。西方国家每年耗用生物材料量以耗用生物材料量以1015%的速度增长，的速度增长，1980年全球年全球医用生物材料及制品的销售额为医用生物材料及制品的销售额为200亿美元，亿美元，1990年年达达500亿美元，亿美元，1995年近年近1000亿美元。亿美元。我国生物材料的研究起步较晚（五十年代），但我国生物材料的研究起步较晚（五十年代），但发展很快。发展很快。生物医学材料分类：有多种分类方法生物医学材料分类：有多种分类方法 化学分类：化学分类：生物医学材料可以分为无机材料和有机材料两个大类 按功能分类：按功能分类：药物控制释放材料、纳米生物医学材料、生物活性材料、组织工程材料、介入诊断和治疗材料、可降解和吸收生物材料、整形美容外科生物材料等。生产要求：生产要求：满足材料的人体功能、生物相容性和人体安全性，及特殊要求如材料的静载强度、弹性模量、耐体液腐蚀性和加工成型等 常用的两种分类方法常用的两种分类方法 抗凝血材料抗凝血材料（心血管材料心血管材料）、齿科材料齿科材料、骨科材料骨科材料、眼科材料眼科材料、吸附解毒材料吸附解毒材料（血液血液灌流用灌流用）、假体材料假体材料、缓释材料缓释材料、生物粘合生物粘合材料材料、透析及超滤用膜材料透析及超滤用膜材料、一次性医用材一次性医用材料料，等等等等。按应用性质来分类按应用性质来分类 按材料生物属性分类按材料生物属性分类 天然生物材料天然生物材料再生纤维、胶原、透明质酸、甲再生纤维、胶原、透明质酸、甲壳素等。壳素等。合成材料合成材料硅橡胶、聚氨脂及其嵌段共聚物、涤硅橡胶、聚氨脂及其嵌段共聚物、涤纶、尼龙、聚丙烯腈、聚烯烃纶、尼龙、聚丙烯腈、聚烯烃 医用金属材料医用金属材料不锈钢、钛及钛合金、钛镍记忆不锈钢、钛及钛合金、钛镍记忆合金等合金等 无机材料无机材料碳素材料、生物活性陶瓷、玻璃材料碳素材料、生物活性陶瓷、玻璃材料 杂化生物材料杂化生物材料指来自活体的天然材料与合成材指来自活体的天然材料与合成材料的杂化，如胶原与聚乙烯醇的交联杂化等料的杂化，如胶原与聚乙烯醇的交联杂化等 复合生物材料复合生物材料用碳纤维增强的塑料，用碳纤维用碳纤维增强的塑料，用碳纤维或玻璃纤维增强的生物陶瓷、玻璃等或玻璃纤维增强的生物陶瓷、玻璃等 生物材料是研制人工器官及一些重要医疗技术生物材料是研制人工器官及一些重要医疗技术的物质基础的物质基础，综观人工器官及医疗装置的发展史综观人工器官及医疗装置的发展史，每一种新型生物材料的发现都引起了人工器官及医每一种新型生物材料的发现都引起了人工器官及医疗技术的飞跃疗技术的飞跃。生物惰性医用硅橡胶生物惰性医用硅橡胶人工耳人工耳、人工鼻人工鼻、人工颌人工颌骨等骨等 血液相容性较好的各向同性碳被复材料血液相容性较好的各向同性碳被复材料碟片式碟片式机械心脏瓣膜机械心脏瓣膜 血液亲和性及物理机械性能较好的聚氨酯嵌段共血液亲和性及物理机械性能较好的聚氨酯嵌段共聚物聚物促使人工心脏向临床应用跨越一大步促使人工心脏向临床应用跨越一大步 可形成假生物内膜的编织涤纶管可形成假生物内膜的编织涤纶管人工血管向实人工血管向实用化飞跃用化飞跃。本章重点：医用高分子材料辐射改性本章重点：医用高分子材料辐射改性 高分子高分子：分子量在几万至几百万，如蛋白质、棉、分子量在几万至几百万，如蛋白质、棉、毛、木材、松香、橡胶、塑料、合成纤维。毛、木材、松香、橡胶、塑料、合成纤维。天然天然高分子材料高分子材料：如松香：如松香 合成合成高分子材料高分子材料：由低分子量的化合物经过各种：由低分子量的化合物经过各种化学反应而制得的高分子量的树脂状物质，如聚氯乙化学反应而制得的高分子量的树脂状物质，如聚氯乙烯、聚乙烯。塑料主要成分就是合成树脂。烯、聚乙烯。塑料主要成分就是合成树脂。属于边缘学科，涉及高分子化学、物理学、属于边缘学科，涉及高分子化学、物理学、生物化学、合成材料工艺学、病理学、药理学、生物化学、合成材料工艺学、病理学、药理学、解剖学、临床医学、工程学等学科，及医疗器解剖学、临床医学、工程学等学科，及医疗器械的设计、制造等。械的设计、制造等。生生物物相相容容性性包包括括 宿主反应：材料对活体系统的宿主反应：材料对活体系统的作用。包括局部和全身反应，作用。包括局部和全身反应，如炎症、细胞毒性、溶血、刺如炎症、细胞毒性、溶血、刺激性、致敏、致癌、致诱变、激性、致敏、致癌、致诱变、致畸和免疫等。致畸和免疫等。材料反应材料反应：活体系统对材料的活体系统对材料的腐蚀和降解，使材料发生退化腐蚀和降解，使材料发生退化或破坏，难以达到长期应用的或破坏，难以达到长期应用的目的。目的。（血液相容性血液相容性+组织相组织相容性容性）高高分分子子材材料料 一些高分子与低分子材料分子量一些高分子与低分子材料分子量 高分子化合物命名：高分子化合物命名：习惯名称或商品名称来命名：如有机玻璃（聚甲基丙习惯名称或商品名称来命名：如有机玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯）、涤纶（聚对苯二甲酸乙二醇酯）等。烯酸甲酯）、涤纶（聚对苯二甲酸乙二醇酯）等。通俗命名法，最简单的命名法，是根据制作高分子化通俗命名法，最简单的命名法，是根据制作高分子化合物的单体名称，前面冠以“聚”字而成。如聚乙烯、合物的单体名称，前面冠以“聚”字而成。如聚乙烯、聚丙烯。聚丙烯。医用高分子制品医用高分子制品，包括，包括人工器官、医疗用人工器官、医疗用品（品（输血输液用具、注射器、心导管、主动脉气输血输液用具、注射器、心导管、主动脉气囊反搏器、角膜接触镜、中心静脉插管、膀胱造囊反搏器、角膜接触镜、中心静脉插管、膀胱造瘘管、医用粘合剂以及各种医用导管、医用膜、瘘管、医用粘合剂以及各种医用导管、医用膜、创伤包扎材料和各种手术、护理用品等创伤包扎材料和各种手术、护理用品等 ）和和药药用高分子用高分子（作为赋形剂（作为赋形剂 、合成新型药物、合成新型药物 ）三大）三大类。类。医用高分子材料要求：医用高分子材料要求：化学稳定性高、无毒副作用、耐老化、耐疲劳，以及具有生物相容性等。它是生物医学材料中发展最早、应用最它是生物医学材料中发展最早、应用最广、用量最大的材料，也是正在迅速发展的广、用量最大的材料，也是正在迅速发展的一个重要领域，电离辐射可以引起高分子材一个重要领域，电离辐射可以引起高分子材料分子结构和功能的改变，在生物高分子材料分子结构和功能的改变，在生物高分子材料改性和寻找材料新功能方面有重要应用前料改性和寻找材料新功能方面有重要应用前景。景。电离辐射在生物材料中的特点电离辐射在生物材料中的特点 1 1.受照射生成自由基或离子受照射生成自由基或离子，引发生物材料自身发生引发生物材料自身发生辐射聚合辐射聚合、辐射接枝与辐射交联或降解反应方法简单辐射接枝与辐射交联或降解反应方法简单。2 2.在辐射合成在辐射合成、加工过程中无需引入任何引发剂或添加工过程中无需引入任何引发剂或添加剂加剂，所得产物纯净所得产物纯净，是生物医用高分子材料的临床是生物医用高分子材料的临床应用重要特征应用重要特征。3 3.一些热敏性生物材料不能在高温下处理一些热敏性生物材料不能在高温下处理，而辐照加而辐照加工或改性的材料可在室温工或改性的材料可在室温、甚至低温下进行甚至低温下进行。4.电离辐射不仅起到加工的作用，同时还具有杀灭细电离辐射不仅起到加工的作用，同时还具有杀灭细菌和病毒的作用，方便快菌和病毒的作用，方便快“洁洁”。第二节第二节 水凝胶与伤口被覆凝胶水凝胶与伤口被覆凝胶 一一、医用水凝胶的基本概念医用水凝胶的基本概念 水凝胶（Hydrogels）指水溶性聚合经过轻度交联指水溶性聚合经过轻度交联形成的空间网络聚合物，它随外部环境的不同可形成的空间网络聚合物，它随外部环境的不同可引起自身体积的变化，某些微小环境如温度、引起自身体积的变化，某些微小环境如温度、pH、溶剂组成、离子强度、电场和光等都有可、溶剂组成、离子强度、电场和光等都有可能导致水凝胶体积的明显变化。能导致水凝胶体积的明显变化。应用：抗菌性人造皮肤、人工渗析膜材料，人造抗菌性人造皮肤、人工渗析膜材料，人造骨及其它功能高分子材料等，应用水凝胶对骨及其它功能高分子材料等，应用水凝胶对pHpH敏敏感性原理还建立了药物控制释放体系。感性原理还建立了药物控制释放体系。水凝胶水凝胶 分为天然和合成两类，天然的有琼脂糖、分为天然和合成两类，天然的有琼脂糖、明胶等，合成的凝胶很多，如聚甲基丙烯酸酯、聚明胶等，合成的凝胶很多，如聚甲基丙烯酸酯、聚N-乙乙烯