醫(yī)用高分子材料-臨床醫(yī)學 (2012-3-2)

1、1,1,醫(yī)用高分子材料,王平山，博士教授，博士生導師,醫(yī)用高分子材料 （臨床醫(yī)學）,,2,2,醫(yī)用高分子材料 （臨床醫(yī)學）,,高長有，馬列 編著,趙長生 主編,3,（2）對人體組織不會引起炎癥或異物反應 有些高分子材料本身對人體有害，不能用作醫(yī)用材料。而有些高分子材料本身對人體組織并無不良影響，但在合成、加工過程中不可避免地會殘留一些單體，或使用一些添加劑。當材料植入人體以后，這些單體和添加劑會慢慢從內(nèi)部遷移到表面，

2、從而對周圍組織發(fā)生作用，引起炎癥或組織畸變，嚴重的可引起全身性反應。,醫(yī)用高分子材料 （臨床醫(yī)學）,,4,（3）不會致癌 根據(jù)現(xiàn)代醫(yī)學理論認為，人體致癌的原因是由于正常細胞發(fā)生了變異。當這些變異細胞以極其迅速的速度增長并擴散時，就形成了癌。而引起細胞變異的因素是多方面的，有化學因素、物理因素，也有病毒引起的原因。,醫(yī)用高分子材料 （臨床醫(yī)學）,,5,醫(yī)用高分子材料 （臨床醫(yī)學）,,,,Brian Cancer,Bria

3、n Cancer Cell,6,醫(yī)用高分子材料 （臨床醫(yī)學）,,,,,Cancer Cell Under Attack by the Immune System,7,醫(yī)用高分子材料 （臨床醫(yī)學）,,,,,受體酪氨酸激酶（RTK）通路利用蛋白質(zhì)Sos和Ras之間的相互作用，并會導致一些癌癥和其他疾病的分子變化。紐約大學化學系和紐約大學隆根醫(yī)學中心的科學家研發(fā)出了一種新高分子化合物，能阻止與很多癌癥有關的蛋白質(zhì)的信號傳導，這對抑制癌細胞

4、的生長至關重要。人造Sos有高分子或大分子的結構，能阻止Sos和Ras之間相互作用。,8,醫(yī)用高分子材料 （臨床醫(yī)學）,,,,,化學致癌物質(zhì)：其種類最多，分布極廣。無機化合物如：石棉．砷化物．鉻化物等．放射性元素鈷、鐳、氡等有機化合物如：聯(lián)安苯，烯環(huán)烴．有機亞硝酸，黃曲毒素等都是化學致癌因子．,9,醫(yī)用高分子材料 （臨床醫(yī)學）,,,,多環(huán)或雜環(huán)芳烴[如苯并(a)芘、苯并(a)蒽等；單環(huán)芳香胺（如鄰甲苯胺、鄰茴香胺）；雙環(huán)

5、或多環(huán)芳香胺（如2-萘胺、聯(lián)苯胺等）；喹啉（如苯并（g）喹啉等）；硝基呋喃；偶氮化合物(如二甲氨基偶氮苯等)；鏈狀或環(huán)狀亞硝胺類幾乎都致癌。,10,醫(yī)用高分子材料 （臨床醫(yī)學）,,,,具有廣譜及較強抗菌活性，對革蘭陽性及陰性菌均有抑制作用,長期大劑量服用可出現(xiàn)粒細胞減少、血小板減少,磺胺嘧啶,11,當醫(yī)用高分子材料植入人體后，高分子材料本身的性質(zhì)，如化學組成、交聯(lián)度、相對分子質(zhì)量及其分布、分子鏈構象、聚集態(tài)結構、高分子材料中所含的

6、雜質(zhì)、殘留單體、添加劑都可能與致癌因素有關。但研究表明，在排除了小分子滲出物的影響之外，與其他材料相比，高分子材料本身并沒有比其他材料更多的致癌可能性。,,醫(yī)用高分子材料 （臨床醫(yī)學）,12,（4）具有良好的血液相容性 當高分子材料用于人工臟器植入人體后，必然要長時間與體內(nèi)的血液接觸。因此，醫(yī)用高分子對血液的相容性是所有性能中最重要的。 高分子材料的血液相容性問題是一個十分活躍的研究課題，但至今尚未制得一種能

7、完全抗血栓的高分子材料。這一問題的徹底解決，還有待于各國科學家的共同努力。,,醫(yī)用高分子材料 （臨床醫(yī)學）,13,,醫(yī)用高分子材料 （臨床醫(yī)學）,LDPEPPPTFEPMMAPoly(2-hydroxyethyl methacrylate),14,（5）長期植入體內(nèi)不會減小機械強度 許多人工臟器一旦植入體內(nèi)，將長期存留，有些甚至伴隨人們的一生。因此，要求植入體內(nèi)的高分子材料在極其復雜的人體環(huán)境中，不會很快失去原

8、有的機械強度。 事實上，在長期的使用過程中，高分子材料受到各種因素的影響，其性能不可能永遠保持不變。我們僅希望變化盡可能少一些，或者說壽命盡可能長一些。,,醫(yī)用高分子材料 （臨床醫(yī)學）,15,一般來說，化學穩(wěn)定性好的，不含易降解基團的高分子材料，機械穩(wěn)定也比較好。如聚酰胺的酰胺基團在酸性和堿性條件下都易降解，因此，用作人體各部件時，均會在短期內(nèi)損失其機械強度，故一般不適宜選作植入材料。而聚四氟乙烯的化學穩(wěn)定性較好

9、，其在生物體內(nèi)的穩(wěn)定性也較好。表9—1是一些高分子以纖維形式植入狗的動脈后其機械強度的損失情況。,,醫(yī)用高分子材料 （臨床醫(yī)學）,16,,醫(yī)用高分子材料 （臨床醫(yī)學）,表9—1 高分子材料在狗體內(nèi)的機械穩(wěn)定性,17,（6）能經(jīng)受必要的清潔消毒措施而不產(chǎn)生變性 高分子材料在植入體內(nèi)之前，都要經(jīng)過嚴格的滅菌消毒。目前滅菌處理一般有三種方法：蒸汽滅菌、化學滅菌、γ射線滅菌。國內(nèi)大多采用前兩種方法。因此在選擇材料時，要考慮

10、能否耐受得了。,醫(yī)用高分子材料 （臨床醫(yī)學）,,18,（7）易于加工成需要的復雜形狀 人工臟器往往具有很復雜的形狀，因此，用于人工臟器的高分子材料應具有優(yōu)良的成型性能。否則，即使各項性能都滿足醫(yī)用高分子的要求，卻無法加工成所需的形狀，則仍然是無法應用的。 此外還要防止在醫(yī)用高分子材料生產(chǎn)、加工工程中引入對人體有害的物質(zhì)。應嚴格控制原料的純度。加工助劑必須符合醫(yī)用標準。生產(chǎn)環(huán)境應當具有適宜的潔凈級別，符合國家有

11、關標準。,,醫(yī)用高分子材料 （臨床醫(yī)學）,19,與其他高分子材料相比，對醫(yī)用高分子材料的要求是非常嚴格的。對于不同用途的醫(yī)用高分子材料，往往又有一些具體要求。在醫(yī)用高分子材料進入臨床應用之前，都必須對材料本身的物理化學性能、機械性能以及材料與生物體及人體的相互適應性進行全面評價，然后經(jīng)國家管理部門批準才能進入臨床使用。,,醫(yī)用高分子材料 （臨床醫(yī)學）,20,2. 高分子材料的生物相容性 生物相容性是指植入生物體內(nèi)的材

12、料與肌體之間的適應性。對生物體來說，植入的材料不管其結構、性質(zhì)如何，都是外來異物。出于本能的自我保護，一般都會出現(xiàn)排斥現(xiàn)象。這種排斥反應的嚴重程度，決定了材料的生物相容性。因此提高應用高分子材料與肌體的生物相容性，是材料和醫(yī)學科學家們必須面對的課題。,,醫(yī)用高分子材料 （臨床醫(yī)學）,21,由于不同的高分子材料在醫(yī)學中的應用目的不同，生物相容性又可分為組織相容性和血液相容性兩種。組織相容性是指材料與人體組織，如骨骼、牙齒

13、、內(nèi)部器官、肌肉、肌腱、皮膚等的相互適應性，而血液相容性則是指材料與血液接觸是不是會引起凝血、溶血等不良反應。,,醫(yī)用高分子材料 （臨床醫(yī)學）,22,2.1 高分子材料的組織相容性2.1.1 高分子材料植入對組織反應的影響 高分子材料植入人體后，對組織反應的影響因素包括材料本身的結構和性質(zhì)（如微相結構、親水性、疏水性、電荷等）、材料中可滲出的化學成分（如殘留單體、雜質(zhì)、低聚物、添加劑等）、降解或代謝產(chǎn)物等。此外，植

14、入材料的幾何形狀也可能引起組織反應。,,醫(yī)用高分子材料 （臨床醫(yī)學）,23,（1）材料中滲出的化學成分對生物反應的影響 材料中逐漸滲出的各種化學成分（如添加劑、雜質(zhì)、單體、低聚物以及降解產(chǎn)物等）會導致不同類型的組織反應，例如炎癥反應。組織反應的嚴重程度與滲出物的毒性、濃度、總量、滲出速率和持續(xù)期限等密切相關。一般而言，滲出物毒性越大、滲出量越多，則引起的炎癥反應越強。,醫(yī)用高分子材料 （臨床醫(yī)學）,,24,例如，聚氨

15、酯和聚氯乙烯中可能存在的殘余單體有較強的毒性，滲出后會引起人體嚴重的炎癥反應。而硅橡膠、聚丙烯、聚四氟乙烯等高分子的毒性滲出物通常較少，植入人體后表現(xiàn)的炎癥反應較輕。 如果滲出物的持續(xù)滲出時間較長，則可能發(fā)展成慢性炎癥反應。如某些被人體分解吸收較慢的生物吸收性高分子材料容易引起慢性無菌性炎癥。,醫(yī)用高分子材料 （臨床醫(yī)學）,,25,（2）高分子材料的生物降解對生物反應的影響 高分子材料生物降解對人體組織反應的

16、影響取決于降解速度、產(chǎn)物的毒性、降解的持續(xù)期限等因素。降解速度慢而降解產(chǎn)物毒性小，一般不會引起明顯的組織反應。但若降解速度快而降解產(chǎn)物毒性大，可能導致嚴重的急性或慢性炎癥反應。如有報道采用聚酯材料作為人工喉管修補材料出現(xiàn)慢性炎癥的情況。,醫(yī)用高分子材料 （臨床醫(yī)學）,,26,（3）材料物理形態(tài)等因素對組織反應的影響 高分子材料的物理形態(tài)如大小、形狀、孔度、表面平滑度等因素也會影響組織反應。另外，試驗動物的種屬差異

17、、材料植入生物體的位置等生物學因素以及植入技術等人為因素也是不容忽視的。 一般來說，植入體內(nèi)材料的體積越大、表面越平滑，造成的組織反應越嚴重。植入材料與生物組織之間的相對運動，也會引發(fā)較嚴重的組織反應。,醫(yī)用高分子材料 （臨床醫(yī)學）,,27,曾對不同形狀的材料植入小白鼠體內(nèi)出現(xiàn)腫瘤的情況進行過統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)當植入材料為大體積薄片時，出現(xiàn)腫瘤的可能性比在薄片上穿大孔時高出一倍左右。而海綿狀、纖維狀和粉末狀材料幾乎不會引起

18、腫瘤（見表9—2）。,醫(yī)用高分子材料 （臨床醫(yī)學）,,28,醫(yī)用高分子材料 （臨床醫(yī)學）,,表9—2 不同形狀的材料對產(chǎn)生腫瘤的影響* （%）,* 試驗周期為兩年,,29,原因可能是由于材料的植入使周圍的細胞代謝受到障礙，營養(yǎng)和氧的供應不充分以及長期受到異物刺激而使細胞異常分化、產(chǎn)生變異所致。而當植入材料為海綿狀、纖維狀和粉末狀時，組織細胞可圍繞材料生長，因此不會由于營養(yǎng)和氧的不足而變異，因此致癌危險性較小。,醫(yī)用高分子

19、材料 （臨床醫(yī)學）,,30,2.1.2 高分子材料在體內(nèi)的表面鈣化 觀察發(fā)現(xiàn)，高分子材料在植入人體內(nèi)后，再經(jīng)過一段時間的試用后，會出現(xiàn)鈣化合物在材料表面沉積的現(xiàn)象，即鈣化現(xiàn)象。鈣化現(xiàn)象往往是導致高分子材料在人體內(nèi)應用失效的原因之一。試驗結果證明，鈣化現(xiàn)象不僅是膠原生物材料的特征，一些高分子水溶膠，如聚甲基丙烯酸羥乙酯在大鼠、倉鼠、荷蘭豬的皮下也發(fā)現(xiàn)有鈣化現(xiàn)象。,醫(yī)用高分子材料 （臨床醫(yī)學）,,31,用等離子體發(fā)射光譜

20、法分析鈣化沉積層的元素組成，發(fā)現(xiàn)鈣化層中以鈣、磷兩種元素為主，鈣磷比為1.61～1.69，平均值1.66，與羥基磷灰石中的鈣磷比1.67幾乎相同，此外還含有少量的鋅和鎂。這表明，鈣化現(xiàn)象是高分子材料植入動物體內(nèi)后，對肌體組織造成刺激，促使肌體的新陳代謝加速的結果。,醫(yī)用高分子材料 （臨床醫(yī)學）,,32,影響高分子材料表面鈣化的因素很多，包括生物因素（如物種、年齡、激素水平、血清磷酸鹽水平、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)吸附、局部血流動力學

21、、凝血等）和材料因素（親水性、疏水性、表面缺陷）等。一般而言，材料植入時，被植個體越年青，材料表面越可能發(fā)生鈣化。多孔材料的鈣化情況比無孔材料要嚴重。,醫(yī)用高分子材料 （臨床醫(yī)學）,,33,2.1.3 高分子材料的致癌性 雖然目前尚無足夠的證據(jù)說明高分子材料的植入會引起人體內(nèi)的癌癥。但是，許多試驗動物研究表明，當高分子材料植入鼠體內(nèi)時，只要植入的材料是固體材料而且面積大于1cm2，無論材料的種類（高分子、金屬或陶

22、瓷）、形狀（膜、片狀或板狀）以及材料本身是否具有化學致癌性，均有可能導致癌癥的發(fā)生。這種現(xiàn)象稱為固體致癌性或異物致癌性。,醫(yī)用高分子材料 （臨床醫(yī)學）,,34,根據(jù)癌癥的發(fā)生率和潛伏期，高分子材料對大鼠的致癌性可分為三類。 ①能釋放出小分子致癌物的高分子材料，具有高發(fā)生率，潛伏期短的特征。 ②本身具有癌癥原性的高分子材料，發(fā)生率較高，潛伏期不定； ③只是作為簡單異物的高分子材料，發(fā)生率較低，潛伏期長

23、。顯然只有第三類高分子材料才有可能進行臨床應用。,醫(yī)用高分子材料 （臨床醫(yī)學）,,35,研究發(fā)現(xiàn)，異物致癌性與慢性炎癥反應、纖維化特別是纖維包膜厚度密切相關。例如當在大鼠體內(nèi)植入高分子材料后，如果前3～12 個月內(nèi)形成的纖維包膜厚度大于0.2 mm，經(jīng)過一定的潛伏期后通常會出現(xiàn)癌癥。而低于此值，癌癥很少發(fā)生。因此0.2 mm可能是誘發(fā)鼠體癌癥的臨界纖維包膜厚度。,,醫(yī)用高分子材料 （臨床醫(yī)學）,36,2.2 高分子材料的血液

24、相容性2.2.1 高分子材料的凝血作用（1）血栓的形成 通常，當人體的表皮受到損傷時，流出的血液會自動凝固，稱為血栓。實際上，血液在受到下列因素影響時，都可能發(fā)生血栓：① 血管壁特性與狀態(tài)發(fā)生變化；② 血液的性質(zhì)發(fā)生變化；③ 血液的流動狀態(tài)發(fā)生變化。,,醫(yī)用高分子材料 （臨床醫(yī)學）,37,根據(jù)現(xiàn)代醫(yī)學的觀點，對血液的循環(huán)，人體內(nèi)存在兩個對立系統(tǒng)，即促使血小板生成和血液凝固的凝血系統(tǒng)和由肝素、抗凝血酶以及促使纖維蛋

25、白凝膠降解的溶纖酶等組成的抗凝血系統(tǒng)。當材料植入體內(nèi)與血液接觸時，血液的流動狀態(tài)和血管壁狀態(tài)都將發(fā)生變化，凝血系統(tǒng)開始發(fā)揮作用，從而發(fā)生血栓。,,醫(yī)用高分子材料 （臨床醫(yī)學）,38,血栓的形成機理是十分復雜的。一般認為，異物與血液接觸時，首先將吸附血漿內(nèi)蛋白質(zhì)，然后粘附血小板，繼而血小板崩壞，放出血小板因子，在異物表面凝血，產(chǎn)生血栓。此外，紅血球粘附引起溶血；凝血致活酶的活化，也都是形成血栓的原因。（見圖9—1),,醫(yī)

26、用高分子材料 （臨床醫(yī)學）,39,圖9—1 血栓形成過程示意圖,,醫(yī)用高分子材料 （臨床醫(yī)學）,,40,（2）影響血小板在材料表面粘附的因素 1) 血小板的粘附與材料表面能有關 實驗發(fā)現(xiàn)，血小板難粘附于表面能較低的有機硅聚合物，而易粘附于尼龍、玻璃等高能表面上。此外，在聚甲基丙烯酸－β－羥乙酯、接枝聚乙烯醇、主鏈和側鏈中含有聚乙二醇結構的親水性材料表面上，血小板的粘附量都比較少。這可能是由于容易被水介質(zhì)潤濕而具有

27、較小的表面能。因此，有理由認為，低表面能材料具有較好的抗血栓性。,醫(yī)用高分子材料 （臨床醫(yī)學）,,41,也有觀點認為，血小板的粘附與兩相界面自由能有更為直接的關系。界面自由能越小，材料表面越不活潑，則與血液接觸時，與血液中各成分的相互作用力也越小，故造成血栓的可能性就較小。大量實驗事實表明，除聚四氟乙烯外，臨界表面張力小的材料，血小板都不易粘附（見表9—3）。,醫(yī)用高分子材料 （臨床醫(yī)學）,,42,醫(yī)用高分子材料 （臨床醫(yī)學

28、）,,表9—3 材料表面張力與血小板粘附量的關系,* ① 人血浸漬3分鐘； ② 狗血循環(huán)1分鐘。,43,2) 血小板的粘附與材料的含水率有關 有些高分子材料與水接觸后能形成高含水狀態(tài)（20％～90％以上）的水凝膠。在水凝膠中，由于含水量增加而使高分子的實質(zhì)部分減少，因此，植入人體后，與血液的接觸機會也減少，相應的血小板粘附數(shù)減少。實驗表明，丙烯酰胺、甲基丙烯酸－β－羥乙酯和帶有聚乙二醇側基的甲基丙烯酸酯與其他單體共

29、聚或接枝共聚的水凝膠，都具有較好的抗血栓性。,醫(yī)用高分子材料 （臨床醫(yī)學）,,44,一般認為，水凝膠與血液的相容性，與其交聯(lián)密度、親水性基團數(shù)量等因素有關。含親水基團太多的聚合物，往往抗血栓性反而不好。因為水凝膠表面不僅對血小板粘附能力小，而且對蛋白質(zhì)和其他細胞的吸附能力均較弱。在流動的血液中，聚合物的親水基團會不斷地由于被吸附的成分被“沖走”而重新暴露出來，形成永不惰化的活性表面，使血液中血小板不斷受到損壞。研究認為，

30、抗血栓性較好的水凝膠，其含水率應維持在65％～75％。,醫(yī)用高分子材料 （臨床醫(yī)學）,,45,3) 血小板的粘附與材料表面疏水－親水平衡有關 綜合上述討淪不難看出，無論是疏水性聚合物還是親水性聚合物，都可在一定程度上具有抗血栓性。進一步的研究表明，材料的抗血栓性，并不簡單決定于其是疏水性的還是親水性的，而是決定于它們的平衡值。一個親水－疏水性調(diào)節(jié)得較合適的聚合物，往往有足夠的吸附力吸附蛋白質(zhì)，形成一層隋性層，從而減

31、少血小板在其上層的粘附。,醫(yī)用高分子材料 （臨床醫(yī)學）,,46,例如，甲基丙烯酸－β－羥乙酯/甲基丙烯酸乙酯共聚物比單純的聚甲基丙烯酸－β－羥乙酯對血液的破壞性要??；甲基丙烯酸乙酯/甲基丙烯酸共聚物也比單純的聚甲基丙烯酸對血液的破壞性要小。 用作人工心臟材料的聚醚型聚氨酯，具有微相分離的結構，也是為達到這一目的而設計的。,醫(yī)用高分子材料 （臨床醫(yī)學）,,47,4) 血小板的粘附與材料表面的電荷性質(zhì)有關 人體中正常

32、血管的內(nèi)壁是帶負電荷的，而血小板、血球等的表面也是帶負電荷的，由于同性相斥的原因，血液在血管中不會凝固。因此，對帶適當負電荷的材料表面，血小板難于粘附，有利于材料的抗血栓性。但也有實驗事實表明，血小板中的凝血因子在負電荷表面容易活化。因此，若電荷密度太大，容易損傷血小板，反而造成血栓。,醫(yī)用高分子材料 （臨床醫(yī)學）,,48,5) 血小板的粘附與材料表面的光滑程度有關 由于凝血效應與血液的流動狀態(tài)有關，血液流經(jīng)的表面

33、上有任何障礙都會改變其流動狀態(tài)，因此材料表面的平整度將嚴重影響材料的抗血栓性。據(jù)研究知，材料表面若有3μm以上凹凸不變的區(qū)域，就會在該區(qū)域形成血栓。由此可見，將材料表面盡可能處理得光滑，以減少血小板、細胞成分在表面上的粘附和聚集，是減少血栓形成可能性的有效措施之一。,醫(yī)用高分子材料 （臨床醫(yī)學）,,49,2.2.2 血液相容性高分于材料的制?。?）使材料表面帶上負電荷的基團 例如將芝加哥酸（1－氨基－8－萘酚－2,