2022年医学专题—四医用材料辐射工艺技术(1).ppt

,医用水凝胶,人工关节,鲜花(xinhu)种在“果冻”状高分子吸水材料上,第一页，共六十七页。,水凝胶与伤口(shngku)被覆凝胶 生物功能性聚合物与药物缓释体系 医用有机硅及聚氨酯 医用吸水性材料,辐照(f zho)技术,本章(bn zhn)内容,第二页，共六十七页。,生物医学材料：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。学科定位：属于“生命”和“材料”的交叉学科 医用材料的辐射工艺：使用辐照技术合成或改性，形成新的符合(fh)临床要求的生物医学材料。,第一节 生物医学材料(cilio)概述,第三页，共六十七页。,生物医学材料发展(fzhn)简况,生物医学材料是生物医学科(xuk)学中的最新分支交叉学科(xuk)，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、生理学、药物学、基础与临床医学等很多学科(xuk)。ISO定义，生物材料（Biomaterials）即生物医学材料（Biomedical Materials），它是指“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：具有天然器官组织的功能或天然器官部分功能的材料。,第四页，共六十七页。,生物材料的开发和利用可追溯到3500年前，那时的古埃及人就开始利用棉纤维、马鬃作缝合线缝合伤口；印第安人(Ynd nrn)则使用木片修补受伤的颅骨。2500年前，中国和埃及的墓葬中就发现有假牙、假鼻和假耳。人类很早就用黄金来修复缺损的牙齿，并沿用至今。1588年人们用黄金板修复颚骨。1775年就有用金属固定体内骨折的记载。1851年发明了天然橡胶的硫化方法后，有人采用硬胶木制作了人工牙托的颚骨。,第五页，共六十七页。,目前，器官移植取得巨大进展(jnzhn)，但有难题：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官的要求日益增加。期待：合成新材料+体外培育组织工程,第六页，共六十七页。,牛软骨(rung)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。,第七页，共六十七页。,当前被详细研究过的生物(shngw)材料已超过1000种，被广泛应用的有90多种，1800多种制品。西方国家每年耗用生物材料量以1015%的速度增长，1980年全球医用生物材料及制品的销售额为200亿美元，1990年达500亿美元，1995年近1000亿美元。我国生物材料的研究起步较晚（五十年代），但发展很快。,第八页，共六十七页。,生物医学材料分类：有多种分类方法化学分类：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：药物控制释放材料、纳米生物医学材料、生物活性材料、组织(zzh)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：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,第九页，共六十七页。,常用的两种分类方法 抗凝血材料（心血管材料）、齿科材料、骨科材料、眼科材料、吸附(xf)解毒材料（血液灌流用）、假体材料、缓释材料、生物粘合材料、透析及超滤用膜材料、一次性医用材料，等等。,按应用性质(xngzh)来分类,第十页，共六十七页。,按材料生物(shngw)属性分类,天然生物材料再生纤维、胶原、透明质酸、甲壳素等。合成材料硅橡胶、聚氨脂及其嵌段共聚物、涤纶、尼龙、聚丙烯腈、聚烯烃医用金属材料不锈钢、钛及钛合金、钛镍记忆合金等无机材料碳素材料、生物活性陶瓷、玻璃(b l)材料杂化生物材料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复合生物材料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,第十一页，共六十七页。,生物材料是研制人工(rngng)器官及一些重要医疗技术的物质基础，综观人工(rngng)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(rngng)器官及医疗技术的飞跃。生物惰性医用硅橡胶人工耳、人工鼻、人工颌骨等血液相容性较好的各向同性碳被复材料碟片式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聚物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人工血管向实用化飞跃。,第十二页，共六十七页。,本章重点(zhngdin)：医用高分子材料辐射改性,高分子：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。天然高分子材料：如松香 合成高分子材料：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，如聚氯乙烯、聚乙烯。塑料主要(zhyo)成分就是合成树脂。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、解剖学、临床医学、工程学等学科，及医疗器械的设计、制造等。,第十三页，共六十七页。,生物(shngw)相容性包括,宿主反应：材料对活体系统的作用(zuyng)。包括局部和全身反应，如炎症、细胞毒性、溶血、刺激性、致敏、致癌、致诱变、致畸和免疫等。,材料反应：活体系统对材料的腐蚀和降解，使材料发生退化或破坏，难以达到长期应用的目的(md)。（血液相容性+组织相容性）,高分子材料,第十四页，共六十七页。,一些(yxi)高分子与低分子材料分子量,第十五页，共六十七页。,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合物的单体名称，前面冠以“聚”字而成。如聚乙烯、聚丙烯。医用高分子制品，包括人工器官、医疗用品（输血(sh xu)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）和药用高分子（作为赋形剂、合成新型药物）三大类。,第十六页，共六十七页。,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(ky)引起高分子材料分子结构和功能的改变，在生物高分子材料改性和寻找材料新功能方面有重要应用前景。,第十七页，共六十七页。,第十八页，共六十七页。,电离辐射在生物材料中的特点1.受照射生成自由基或离子，引发生物材料自身发生辐射聚合、辐射接枝与辐射交联或降解反应方法简单。2.在辐射合成、加工过程中无需引入任何引发剂或添加剂，所得产物纯净，是生物医用高分子材料的临床应用重要(zhngyo)特征。3.一些热敏性生物材料不能在高温下处理，而辐照加工或改性的材料可在室温、甚至低温下进行。4.电离辐射不仅起到加工的作用，同时还具有杀灭细菌和病毒的作用，方便快“洁”。,第十九页，共六十七页。,第二节 水凝胶与伤口(shngku)被覆凝胶,第二十页，共六十七页。,一、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形成的空间网络聚合物，它随外部环境(hunjng)的不同可引起自身体积的变化，某些微小环境(hunjng)如温度、pH、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。应用：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pH敏感性原理还建立了药物控制释放体系。,第二十一页，共六十七页。,水凝胶 分为(fn wi)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N-乙烯基吡咯烷酮，聚N-异丙基丙烯酰胺、聚环氧乙烷等。水凝胶是亲水性交联聚合物，是不流动的高分子溶液。化学凝胶 以化学键交联的方式相连来实现的凝胶称为化学凝胶。物理凝胶线性分子间的物理缠绕、静电引力或氢键维持的称为物理凝胶，物理凝胶是可逆的，在一定的环境下可被破坏。医用水凝胶有以下特征：,第二十二页，共六十七页。,1.结构的多孔性可使它在使用前就把残留的引发剂及其分解产物、杂质从水凝胶网状结构中排出掉。2.可溶胀大于它自身几倍、几十倍的水量，用于皮肤抗干燥、医用调湿增稠、药物载体、医学美容、食品保鲜等等。3.使用时呈溶胀状态，柔软具有弹性，可减少对周围细胞和组织的机械冲撞(chngzhung)和刺激。4.凝胶表面与周围水溶液之间有很低的表面张力，可减少对体液中蛋白质的吸附作用从而减少血栓、炎症等有害物质的生成。5.可设计为多孔海绵状、无孔凝胶、光学透明膜、管材、纤维状物、粉末、微球或纳米粒子等，也可以将水凝胶接枝在力学性能较好的基材上。,第二十三页，共六十七页。,水凝胶的存在形式 水凝胶由高分子三维交联网络及其所包含的水共同组成(z chn)的一种多元体系，既像液体，又像固体，是继金属材料、无机陶瓷材料、有机高分子材料、复合材料之后的一种新型功能材料。（一）共聚凝胶（二）共混物凝胶（三）环境敏感性水凝胶,第二十四页，共六十七页。,共聚凝胶 由两种或两种以上(yshng)单体通过化学反应共聚生成的凝胶叫共聚凝胶。共聚凝胶在结构上可以是无规则共聚和交替共聚，也可以制成接枝和嵌段共聚物。,交链聚合(jh)物结构图,第二十五页，共六十七页。,使用冻融辐射接枝技术，制备的新型可缓释药物的共聚水凝胶伤口敷料，具有良好的理化和生物学性能，生物相容性良好，可明显促进伤口的愈合，凝胶膜含抗生素及主要细胞生长因子缓释功能，对伤口感染和愈合具有良好的疗效；在凝胶膜中掺入硝酸甘油贴于胸前可迅速释放药物并维持有效药物浓度长达57天，对冠心病心绞痛发作的预防和治疗具有重要(zhngyo)临床应用价值，而且这种水凝胶膜的辐射合成与灭菌同时完成，减少了消毒工序，具有较强的机械强度和抗菌作用。,应用(yngyng),第二十六页，共六十七页。,共混物凝胶两种或两种以上聚合物凝胶混合在一起(yq)叫做聚合物的共混物或共混物凝胶。,互相(h xing)交联聚合物网络,IPN：互穿网络(wnglu)聚合物凝胶,第二十七页，共六十七页。,应用辐射法制备互穿网络(wnglu)聚合物方法,反应特点：DMAEMA在15kGy完成聚合与交联 反应，而PEO要50 kGy以上条件，所以PEO仍以线性分子分散(fnsn)于DMAEMA网络结构之中。DMAEMA：甲基丙烯酸-N、N-二甲胺基乙酯：PEO线性聚氧乙烯,DMAEMA+PEO+H2O交联剂甲叉（双丙稀酰胺）,驱氧后，在室温下辐照(f zho)15 kGy剂量,形成半互穿网络凝胶体,半互穿网络（Semi-IPNs）凝胶,第二十八页，共六十七页。,该方法制备的Semi-IPNs凝胶：胶溶胀度可达300倍左右，还具有温度(wnd)敏感性（LCST为约40）、pH敏感性（pH=3）和电场响应性。LCST：指低临界溶液溫度,第二十九页，共六十七页。,环境敏感性水凝胶定义：指某一临界环境条件下，如温度、pH、电场、光、溶剂组成条件的变化等，水凝胶随环境条件的微小变化会发生突跃性相转变的现象。常见的有：温度敏感性、光敏感性、pH敏感性、压力敏感性、生化响应敏感性、电场敏感性、磁场敏感性等水凝胶。温度敏感性水凝胶 能随环境温度而改变体积，当温度升高时，疏水相相互作用增强，使凝胶收缩，降低温度，凝胶溶胀。因为(yn wi)温度的变化可影响疏水和亲水基团，从而使凝胶结构改变，发生体积变化。,第三十页，共六十七页。,光敏感性水凝胶 光敏感性水凝胶是由热敏性材料中引入对光敏感的基团制成的。有三种类型：（1）在热敏性材料中加入(jir)感光分子，将光能转化为热能，使材料局部温度升高产生凝胶响应（2）光敏分子遇光分解产生的离子化作用来实现凝胶响应（3）水凝胶材料中引入了发色基团，由光照后发色基团理化性质发生变化，导致聚合物性能也发生改变实现凝胶响应。,第三十一页，共六十七页。,pH值敏感性水凝胶 凝胶中含有弱酸和碱性基团，这些(zhxi)基团在不同的pH值及离子强度的溶液中凝胶体积随之变化。压力敏