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第八章醫(yī)用高分子材料的穩(wěn)定和分解,四川大學高分子科學工程學院“人耳”老鼠,國家“973”計劃首席科學家,上海組織工程及開發(fā)中心所長曹博林教授,對裸鼠等進行了切開后培養(yǎng)的“耳”移植縫合。“耳朵”從那一周前開始準備。首先,用高分子化學物質(zhì)聚羥基乙酸作為“人耳”的模型跳板,然后在支架上讓細胞繁殖。支架最終自行分解消失,耳(耳)與老鼠自然融為一體。什么是生物材料?生物材料在體內(nèi)分解嗎?需要生物降解嗎?在什么情況下需要生物降解?需要生物材料穩(wěn)定的情況是什么?如何控制生物材料的分解和穩(wěn)定性?生物醫(yī)學材料是用于提高人體組織、器官的診斷、治療或替換,或其功能的新型先進材料,是材料科學技術(shù)的新領(lǐng)域,它不僅具有高技術(shù)含量和經(jīng)濟價值,而且與患者的生命和健康密切相關(guān)。近10多年來,生物材料及產(chǎn)品市場保持了約20%的增長率。生物材料是醫(yī)用金屬材料、醫(yī)用陶瓷材料和醫(yī)用高分子材料四大類別1。金屬材料2。無機非金屬材料(陶瓷材料)3。有機高分子材料4。復合材料,可分為42000年醫(yī)療材料中各種材料的比例統(tǒng)計。穩(wěn)定-器官移植的物質(zhì)希望分解,短期、生物活性物質(zhì)的釋放是聚合物自身結(jié)構(gòu)、聚合單體、添加劑、分子量和分布、結(jié)晶度、表面形態(tài)等性質(zhì),包括體液、體液、有機聚合物(如蛋白質(zhì)等)、酶、自由基、細胞、生物環(huán)境生物環(huán)境可分為四個層次。也就是說,生物環(huán)境受化學和熱學條件控制。也就是說,生物條件加上適當?shù)募毎a(chǎn)物(如血清蛋白質(zhì)、酶)的生物環(huán)境:生物生理條件下有適當生命的活性細胞周圍環(huán)境:生物環(huán)境的特殊情況,即直接接近有生命的活性細胞周圍條件的條件,生物材料和生物體之間的作用1。生物環(huán)境對生物材料的影響生理環(huán)境的影響因素:機械力、體液、自由基、酶、細胞等材料的變化:磨損、分解或交聯(lián)、相變、新產(chǎn)物的生物老化發(fā)生-由于生物環(huán)境的作用,生物材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的變化機器老化-物質(zhì)和制造物的磨損和變形物理化學老化-洗脫生物材料對生物體的作用組織反應組織膠囊,膠囊增厚,鈣化或擴張,感染,組織炎癥,壞死,血液反應血栓免疫反應體液反應和細胞反應補體激活,5,引起物質(zhì)變化的主要因素如下。生理活性骨、關(guān)節(jié)、肌肉的機械活動;生物電場、磁場和電解、水解和氧化;新陳代謝過程中生化反應和酶催化反應;細胞附著和吞噬作用。,有機體對醫(yī)用高分子材料的作用,14,Degradationofanon-knitted,Non-wovenmeshremovedfromapentseenisemplat 850 x . nottheneslycompletedProteinase)脂肪酶(lipse),trishclbufferedtolutioncontainedofproteasoek,fig . 8 . sempmicrographsofenzymehydrols所有非內(nèi)皮化合成材料表面都像炎癥反應一樣在體內(nèi)產(chǎn)生了一定程度的免疫反應,因此體內(nèi)所有物質(zhì)都有可能分解。材料的炎癥反應取決于材料表面和體液中蛋白質(zhì)的相互作用,蛋白質(zhì)的吸附和變性是細胞及材料界面上生物反應的原因。如何控制生物材料的分解和穩(wěn)定性?8.2生物高分子穩(wěn)定化,課堂提問,如何提高醫(yī)用聚氨酯的生物穩(wěn)定性,一般生物穩(wěn)定高分子材料,維生素e結(jié)構(gòu)設(shè)計生物穩(wěn)定結(jié)構(gòu)等生物抗氧化劑附加材料表面的生物相容性,生物高分子穩(wěn)定化,8.3可降解生物高分子材料,定義:在生物內(nèi)徑中經(jīng)過水解,酶解,低分子化合物最重要的問題:如何調(diào)節(jié)物質(zhì)的分解以滿足人體不同部分的需要?體內(nèi)分解特性分類,水解型:聚內(nèi)酯、聚乙醇酸、聚己內(nèi)酯、聚酐、聚原酸酯等酶解型:天然蛋白、合成多肽、多糖、核酸、聚羥基丁酸等,按天然和人工合成分類,天然材料,2 .分解,酯鍵的水解,中間產(chǎn)物末端羧基的水解對PCL的分解有催化作用。分子量持續(xù)減少,不在變形和失重狀態(tài)下的體內(nèi)酶對PCL片段的進一步分解也起作用。分子量降低到一定值后,物質(zhì)開始碎片化,進入失重狀態(tài),被體內(nèi)吸收,排泄,PCL的分解,3。特性,-己內(nèi)酯體和PCL無毒,生物相容性好的PCL分解速度慢,多種治療劑在PCL中具有良好的通透性。可降解的原料很容易得到。M.A. woodruff,d . w . hut macher/progression n npolymer scisence 35(2010)12171256,聚乳酸(PLA)和聚合(pgs)Pla的原料(淀粉和纖維素)是不增加大氣中二氧化碳的農(nóng)產(chǎn)品。Pla的最終分解產(chǎn)物是H2O和CO2,中間產(chǎn)物乳酸也是體內(nèi)正常糖分代謝產(chǎn)物。1 .PLA的合成,直接法,該方法實用性不強,因為生成的聚乳酸相對分子量小于4000,強度低。,間接使用dl-乳酸ZnO粉末作為催化劑,減壓縮合形成丙交酯,將合成丙交酯在高溫下真空聚合ZnO作為催化劑,產(chǎn)生聚乳酸。用此方法合成的PLA分子量高達7.3104,聚乳酸的降解,水解是水分子攻打酯鍵形成羧酸和酒精的反應,主要受pH值、結(jié)晶度、結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)、聚乳酸分子量和分子量分布、殘留金屬的影響、pH值、聚乳酸堿條件降解率酸性條件降解率、中性條件降解率、中性條件降解率的影響結(jié)晶度,部分結(jié)晶的PLLA,水首先滲入無定形部位,導致酯鍵破裂,大部分無定形區(qū)域分解時,從邊緣開始分解到結(jié)晶區(qū)域的中心。分子量和分子量分布,分子量越大,聚合物的結(jié)構(gòu)越緊密,內(nèi)部醋結(jié)合不易破裂;此外,分子量越大,通過分解得到的鏈段越長,不易溶于水,水和氫的陽離子越少,pH值下降得越慢,這是比低分子量聚乳酸降解率低的原因之一。對于分子量相同的平均聚合物,分子量分布越大,分解速度越快。這是因為,如果分子量低的聚合物先分解,環(huán)境pH值將從中性轉(zhuǎn)換為酸性,分解速度殘留金屬和雜質(zhì)的影響將加快,聚乳酸中殘留金屬將成為導致快速分解效果的主要原因。Sn、Zn、AI、Fe對PLLA的降解效果依次增加。結(jié)構(gòu)規(guī)律性的影響。拉塞聚乳酸(PDL la)混合旋轉(zhuǎn)聚乳酸(pdla) l-聚乳酸(PLLA)可以催化脂肪酶、蛋白酶k降解聚乳酸,聚乳酸的降解率遠高于脂肪酶k催化的降解率。2 .PLA是生物醫(yī)學應用領(lǐng)域、藥物控制釋放系統(tǒng)骨科固定和組織修復材料眼科移植材料外科縫合、聚乙二醇酯(PGA)、聚羥基乙酸(PGA)或聚羥基乙酸。可以被人體吸收的合成聚酯材料,也是第一種用作可吸收手術(shù)縫合線的聚合物。生物可吸收周期為60d。聚乙烯的分解速度不僅與聚合物的分子量、結(jié)晶度、熔點有關(guān),而且對試樣的幾何形狀和外部環(huán)境更為重要。PGA(聚酯)在傳統(tǒng)的可生物降解聚合物中快速分解聚酯,在短時間內(nèi)強度迅速衰減。滌綸沒有毒性,具有良好的生物相容性和再吸收性。但是,熔點高,熔化的輻射有一定的困難,纖維脆弱,不易燃燒,編織不方便,纖維機械強度低,難以制作螺絲等復雜形狀,可以與其他材料一起空轉(zhuǎn),提高性能。如何控制生物材料的分解和穩(wěn)定性?醫(yī)用高分子材料分解控制,分子結(jié)構(gòu)鏈節(jié)比例材料應用類型產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。即可從workspace頁面中移除物件。即可從workspace頁面中移除物件。即可從workspace頁面中移除物件。即可從workspace頁面中移除物件。mol.pharmaceutils 2012、9,23652379、bulkdegradationinvitro、bulkdegradationinvivo、fig . 8 . semicrographsofpclh 50 pulkdegradationinvivo,fig . 2 . semicrographsofpclh 50 pullmsatvariousdegradation stagesatph 7.4 akan dph 4,8.4生物降解材料在醫(yī)學中的應用,8.4.1西方藥物,Smallmoleculaspeptidsproteinsdna biomaterials 2009、30、2180、bio materials 2009、30、6358、bioconjugateechem.2009、20、1095、bio macroom,組織工程定義,應用工程和生物科學的原理和方法,了解正常和病理哺乳動物組織的結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系,開發(fā)活的生物組織替代物,修復、維持和改善人類組織的功能。支架材料分離細胞本身不能形成組織,需要生長臨時支架材料,這種三維支架經(jīng)常同時起到其自然反應體-體內(nèi)細胞外基質(zhì)、物理支架的作用,但實際細胞載體外培養(yǎng)及后來移植的粘合材料細胞在捐贈者組織的健康部分收集和分離個別細胞,然后移植到患者需要的部位。細胞生長因子是組織器官再生中的各種組織誘導因子、生長因子、血管形成刺激因子,有助于組織形成,但不能直接植入體內(nèi)。組織工程器官、肝臟liver、尿道組織urologicaltissue、皮膚skin、軟骨cartilage、骨骼bone、心血管組織cardiovasculartissues、組織工程人工皮膚示例、8.4.3外科修復和近年來,開始了利用各種生物可吸收材料(如b-酯共聚物、改性膠原蛋白、乳酸-己內(nèi)酯共聚物、脫水交聯(lián)明膠等)制造管等進行神經(jīng)修復的研究,對分裂之間約10-15毫米的神經(jīng)缺損修復產(chǎn)生了一定的效果。但是這些物質(zhì)在機械性能、分解、吸收速度等方面仍然存在這樣的問題,特別是還沒有提供受損神經(jīng)所需的營養(yǎng)素,所以還停留在動物實驗階段。目前國內(nèi)骨損傷患者每年約有300萬人,對骨修復材料的需求為200萬人,實際使用量為50萬,80%來自進口!骨科修復材料和產(chǎn)品的世界市場增長率為每年26%(1999 2005);如果工程大學組織和器官上市,預計將開拓800億美元規(guī)模的新市場。骨固定材料、生物降解性骨固定材料具有良好的組織相容性,特別適合體內(nèi)短期存在的植入物,骨固定材料在骨端愈合后開始分解吸
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