生物医学功能材料省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第八章第八章 生物医学功效材料生物医学功效材料第1页Company L内内 容容生物医学材料特征与评价生物医学材料特征与评价1人工器官与生物医学材料人工器官与生物医学材料2药品载体药品载体3第2页生物医学功效材料生物医学功效材料-特征与评价特征与评价生物材料：用于生物系统疾病诊疗、治疗、修复或替换生物体组织或器官，促进或恢复其功效材料。包含与活体相联络材料、植入活体内能起某种生物体功效材料和模仿生物功效材料。生物材料是材料科学领域中正在发展各种学科相互交叉渗透领域，其研究内容包括材料科学、生命科学、化学、生物学、解剖学、病理学、临床医学、药品学等学科，同时还包括工程技术和管理学科范围。生物材料不是药品，其治疗路径是以生物机体直接结合和相互作用为基本特征。Company L第3页生物医学功效材料生物医学功效材料-特征与评价特征与评价研究目标：在分析天然生物材料微装配、生物功效及形成机制基础上，发展新型医用材料以用于人体组织器官修复与替换，发展仿生高性能工程材料。研究内容：1、生物体生理环境、组织结构、器官生理功效及其替换方法研究；2、含有特种生理功效生物医学材料合成、改性、加工成型以及特种生理功效与其结构关系研究。3、材料与生物体细胞、组织、体液、免疫、内分泌等生理系统相互作用以及降低材料毒副作用对策和方法研究；4、生物医学材料卫生学处理和管理以及医用安全性评价方法与标准研究。Company L第4页生物医学功效材料生物医学功效材料-特征与评价特征与评价v古代：利用天然物质和材料治病。v公元前50，黄金修复失牙；v公元前35，古埃及，棉花纤维、马鬃等缝合伤口；v公元前25，中国、埃及，假手、假鼻、假耳等人工假体；v隋末唐初，银膏补牙-成份是银、锡、汞，与当代牙齿填充材料汞齐合金类似。v近代：v1829年，经过各种金属系统动物试验，得出金属铂对机体组织刺激性最小；v1851年创造天然橡胶硫化方法后，开始利用天然高分子硬橡木制作人工牙托和颚骨进行临床治疗；Company L第5页生物医学功效材料生物医学功效材料-特征与评价特征与评价v1892年，用硫酸钙填充骨缺损，这是陶瓷材料植入人体最早实例。v当代：生物医学材料取得实质性进展开始于20世纪代。v不锈钢：v1926年，含18%铬和8%镍首先应与于骨科治疗，随即应与于口腔科；v1934年，研制出高铬低镍单相组织AISI302和304，在体内生理环境下耐腐蚀性显著提升；v1952年，开发出耐蚀性更加好AISI316不锈钢；v 60年代，研制出超低碳不锈钢AISI316L和317L。v钴镍合金：铸造钴镍合金首先在口腔中得到应用；v20世纪30年代末被应用于制作接骨板、骨钉等内固定器械；Company L第6页生物医学功效材料生物医学功效材料-特征与评价特征与评价50年代成功制成人工髋关节；60年代为了提升力学性能，研制出铸造钴铬钨镍合金和铸造钴铬钼合金，并应用于临床；70年代为了改进钴基合金抗疲劳性能，研制出铸造钴铬钼钨铁合金和含有多相组织MP35N钴铬钼镍合金，应用于临床。钛：金属钛，优异耐蚀性、生物相容性、密度低；40年代，制作外科植入体；50年代用纯钛制作接骨板和骨钉；70年代，Ti6A14V合金、TiSAl2.5Sn合金和钛钼锌锡等合金取得应用，使钛和钛合金成为继不锈钢和钴基合金之后又一类主要医用金属材料；Company L第7页生物医学功效材料生物医学功效材料-特征与评价特征与评价70年代以后，NiTi系为代表形状记忆合金逐步在骨科和口腔科得到应用，并成为医用金属材料主要组成部分。生物陶瓷：从60年代初开始应用于生物材料。多晶氧化铝陶瓷-低温各向同性碳-生物玻璃-羟基磷灰石(生物活性陶瓷)-生物陶瓷复合材料-引入活体细胞或生长因子生物陶瓷构架；医用高分子：开始于50年代有机硅聚物发展。有机硅聚合物-聚甲基丙烯酸甲脂(骨水泥)-医用高分子材料大发展，制作了人工心瓣膜、人工血管、人工骨、手术缝合线等；90年代以后，借助于生物技术和基因工程发展，由无生物存活性材料扩展到含有生物学功效材料领域，其基本特征是含有促进细胞分化、增殖、诱导组织再生、参加生命活动等功效。Company L第8页生物医学功效材料生物医学功效材料-特征与评价特征与评价分类：按材料属性分类，材料功效分类，材料起源分类和使用部位分类。按材料属性分类：A、医用金属材料：包含不锈钢、钴基合金，钛及合金等，广泛应用于人工假体、人工关节、医疗器械等。B、医用无机材料：主要是生物陶瓷。分为惰性生物陶瓷，如氧化铝生物陶瓷；表面生物活性陶瓷，如磷酸钙基生物陶瓷；可降解生物陶瓷，如-磷酸三钙陶瓷等。C、医用高分子材料：依据起源分为天然和合成，天然如多糖类、蛋白类，合成聚氨酯、聚乙烯、聚乳酸、聚四氟乙烯等，用于人体器官、组织、关节、药品载体等。D、医用复合材料：不一样种材料混合或结合，克服单一材料缺点，可取得性能更优材料。Company L第9页生物医学功效材料生物医学功效材料-特征与评价特征与评价按材料功效分类：A、硬组织相容性材料：主要用于生物机体关节、牙齿及其它骨组织。B、软组织相容性材料：主要用于人工皮肤、人工气管、人工食道等。C、血液相容性材料：主要用于人工血管、人工心脏、血浆分离膜、血液灌流用吸附剂、细胞培养基材等。D、生物降解材料：主要用于吸收型缝合线、药品载体、愈合材料、粘合剂以及组织缺损用修复材料。按材料起源分类：A、自体组织，如人体听骨、血管等替换组织。B、同种异体器官及组织，如不一样人体之间器官移植。C、异种器官及组织，如动物骨、肾替换人体器官。D、天然生物材料，如动物骨胶原、甲壳素、珊瑚等。E、人工合成材料，如各种人工合成新型材料。Company L第10页生物医学功效材料生物医学功效材料-特征与评价特征与评价按使用部位分类：A、硬组织材料，骨、牙齿用材料。B、软组织材料，软骨、脏器用材料。C、心血管材料，心血管以及导管材料。D、血液代用材料，人工红血球、血浆等。E、分离、过滤、透析膜材料，血液净化、肾透析以及人工肺气体透过材料等。生物医用材料基本要求：(一)生物相容性：对人体无毒、无刺激、无致畸、致敏、致突变或致癌作用；生物相容性好，在体内不被排斥，无炎症，无慢性感染，种植体不致引发周围组织产生局部或全身性反应，最好能与骨形成化学结合，含有生物活性；无溶血、凝血反应等。Company L第11页生物医学功效材料生物医学功效材料-特征与评价特征与评价(二)化学稳定性：耐体液侵蚀，不产生有害降解产物；不产生吸水膨润、软化变质；本身不改变等。(三)力学条件：足够静态强度，如抗弯、抗压、拉伸、剪切等；含有适当弹性模量和硬度；耐疲劳、摩擦、磨损、有润滑性能。(四)其它要求：良好空隙度，体液及软硬组织易于长入；易加工成形，使用操作方便；热稳定好，高温消毒不变质等性能。生物相容性：材料与生物体之间相互作用后产生各种生物、物理、化学等反应一个概念。普通地讲，就是材料植入人体后与人体相容程度，也就是说是否会对人体组织造成毒害作用。Company L第12页生物医学功效材料生物医学功效材料-特征与评价特征与评价生物相容性依据材料接触部位分为三类：1、血液相容性：材料用于心血管系统与血液接触，主要考查与血液相互作用；2、组织相容性：材料与心血管外组织和器官接触，主要考查与组织相互作用，也称普通生物相容性；3、力学相容性：对于植入体内承受荷载，以及要求其弹性形变和植入部位组织弹性形变相协调生物材料力学性能。材料与机体组织发生两种反应：材料反应和宿主反应。宿主反应：生物机体对植入材料反应。材料反应：材料对生物机体作用产生反应。Company L第13页生物医学功效材料生物医学功效材料-特征与评价特征与评价生物相容性评价：体外试验和动物体内试验。体外试验：溶出物测定、溶血试验、细胞毒性试验等。动物体内试验：急性全身毒性试验、刺激试验、致突变试验、肌肉埋植试验、致敏试验、长久体内试验等。研究现实状况：多处于经验和半经验阶段，为满足应用要求。当前进入“生物医学材料分子设计学”建立积累数据和资料阶段，个别性能分子设计已被应用。较活跃生物医学材料主要有高抗凝血材料、生物活性陶瓷及玻璃、钛及钛合金、镍钛记忆合金、生物活性缓释材料及靶向药品在体材料、生物粘合剂、可生物降解与可吸收性生物材料、纳米生物材料、智能与杂化材料和血液净化材料。Company L第14页生物医学功效材料生物医学功效材料-特征与评价特征与评价研究方向：生物相容性分子设计学研究、血液相容性材料研究、生物膜材料研究、缓释材料研究、天然生物材料中再生胶原及弹性纤维蛋白稳定化和增强处理方法、甲壳素和透明质酸代替物应用研究、生物陶瓷和生物玻璃材料研究、医用钛及钛合金、镍钛合金材料表面与体液相互作用机理和生化反应及金属表面生物惰性化处理方法研究、生物材料表面修饰学研究、生物相容性表征及评价方法研究、生物活性材料、仿生材料、智能材料、生物/合成杂化材料研究。发展趋势：筛选现有或新出现材料；研究材料相容性、机械性和老化性；表面修饰研究；材料分子设计。Company L第15页生物医学功效材料生物医学功效材料-人工器官人工器官人工器官：研究模拟人体器官结构和功效，用人工材料和电子技术制成部分或全部替换人体自然器官功效机械和电子装置。当人体器官病损而用常规方法不能医治时，有可能给病人使用一个人工制造器官来取代或部分取代病损自然器官，赔偿或修复或辅助其功效。按功效分类：（1）支持运动功效人工器官，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）血液循环功效人工器官，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。Company L第16页生物医学功效材料生物医学功效材料-人工器官人工器官（3）呼吸功效人工器官，如人工肺（人工心肺机）、人工气管、人工喉等。（4）血液净化功效人工器官，如人工肾（血液透析机）、人工肺等。（5）消化功效人工器官，如人工食管、人工胆管、人工肠等。（6）排尿功效人工器官，如人工膀胱、人工输尿管、人工尿道等。（7）内分泌功效人工器官，如人工胰、人工胰岛细胞。（8）生殖功效人工器官，如人工子宫、人工输卵管、人工睾丸等。Company L第17页生物医学功效材料生物医学功效材料-人工器官人工器官（9）神经传导功效人工器官，如心脏起搏器、膈起搏器等。（10）感觉功效人工器官，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）其它类，人工硬脊膜、人工皮肤等。按原理分类机械式装置（如人工心脏瓣膜、人工气管、人工晶体等）电子式装置（如人工耳蜗、人工胰、人工肾、心脏起搏器等）按使用方式分类植入式，如人工关节、人工心脏瓣膜、心脏起搏器。体外式，如人工肾、人工肺、人工胰。体外式人工器官实际上都是由电子控制精密机械装置。Company L第18页生物医学功效材料生物医学功效材料-人工器官人工器官v人工心脏：利用机械方法把血液输送到全身各器官以代替心脏功效装置。v1982年，JARVIK-7是世界上第一个试图永久性植入人体完全人工心脏，最大缺点是需要由体外装置提供动力能源。v1998年，首个轻便式心脏“辅助器”投放v英美市场。20，给病人植入首个Jarvikv-2000型人工心脏，重约90克，附在心脏v左心室上。v年7月2日，世界上第一v例全植入式人工心脏植入手v术在美国取得成功。Company L第19页生物医学功效材料生物医学功效材料-人工器官人工器官人工心脏包含血泵、驱动装置、监控系统、能源。血泵：包含膜式血泵、囊型血泵、管型血泵及螺形血泵等四种，材料有硅橡胶、甲基硅橡胶、嵌段硅橡胶、聚氨酯、聚氯乙烯和复合材料等。驱动系统：供给人工心脏血泵工作动能。形式多样，大致可分为机械、电动、磁力、气压、液压五种形式。监控系统：监控人工心脏工作状态。基本上从血泵机能，驱动装置各项指标及血液循环生理参数改变三个方面进行监控。能源：依靠外加能源工作以推进血液循环。既能满足功率要求，并使之微型化做到全置入体内，长久达多年使用能源，当前还未完全处理。Company L第20页生物医学功效材料生物医学功效材料-人工器官人工器官人工心脏瓣膜：可植入心脏内代替心脏瓣膜（主动脉瓣、肺动脉瓣、三尖瓣、二尖瓣），能使血液单向流动，含有天然心脏瓣膜功效人工器官。当心脏瓣膜病变严重而不能用瓣膜分离手术或修补手术恢复或改进瓣膜功效时，则须采取人工心脏瓣膜置换术。换瓣病例主要有风湿性心脏病、先天性心脏病、马凡氏综合症等。人工瓣膜类型：机械瓣：球型瓣、碟型瓣、单叶碟瓣、双叶碟瓣；组织瓣（生物瓣）：人组织瓣、动物组织瓣。Company L第21页生物医学功效材料生物医学功效材料-人工器官人工器官 机械瓣制瓣材料普通包含三个方面：坚硬材料(支架)、弹性材料(阻塞体)、织品类材料(瓣环)。球型瓣：结构简单，开闭活动稳定、耐用，但中心血流受阻，在球瓣前后有涡流，是当前各类机械瓣“鼻祖”。碟型瓣：瓣架低，跨瓣压差大，属周围血流型，血液动力学性能差。处理了球型瓣架过高问题，但整个瓣常出现血栓，偶而出现浮动碟与支架碰撞现象和支撑焊口断裂。双叶碟瓣：瓣叶活动灵活，有效瓣口面积较大，跨瓣压差小，血栓栓塞率低开放时为85。，流体力学性能最正确，是当前用得最多一个机械瓣。机械瓣膜材料血液相容性原因，植入机械瓣膜患者，在植入后须长久进行抗凝治疗，有引发严重出血危险。Company L第22页生物医学功效材料生物医学功效材料-人工器官人工器官 生物瓣膜含有良好流体力学特征，没有阻塞体，血栓形成可能性非常低，不会对血液有形成份产生破坏；制作瓣膜材料有很好血液相容性，不会产生凝血、溶血以及形成血栓等良好特征，不需要进行抗凝治疗。生物瓣膜以钙磷酸盐沉积在生物瓣材料上形成瓣膜钙化，致使材质弹性韧性以及机械强度都发生很大改变，造成生物瓣失灵。生物瓣优点：(1)不需要长久抗凝；(2)置换后靠近正常血液动力学；(3)能维持长久组织学上与功效完整性。作瓣膜材料生物组织有以下几个：同种同体组织有阔筋膜、肺动脉；同种异体组织有主动脉瓣、硬脑膜、阔筋膜；异种异体组织有猪主动脉瓣、牛心包、牛主动脉瓣。Company L第23页生物医学功效材料生物医学功效材料-人工器官人工器官人工肺：又名氧合器或气体交换器，是代替人体肺脏排出CO2、摄取O2，进行气体交换人工器官，应用于心脏手术体外循环，和血泵配合称为人工心肺机。人工心肺机：由氧合器和血泵及辅助设备组成，能进行体外循环机械装置。用于心脏手术体外循环、肺移植辅助呼吸、急性呼吸衰竭辅助治疗等。人工肺分为静立垂屏式、转碟式、鼓泡式和膜肺式。静立垂屏式：由上方储血室、氧合室和下方储血室三部分组成。静脉血先用血泵注入上方储血室，继而流向有机玻璃制成氧合室。氧合室内垂挂着3-14片不锈钢片。血液自上而下流动，在不锈钢片上与氧合室内充氧气接触进行血气交换。氧合血流流入下方储血室，由另一血泵注入人体。Company L第24页生物医学功效材料生物医学功效材料-人工器官人工器官转碟式：将引流出静脉血流入一个圆筒形槽，槽内液面保持一定高度。槽上有一个固定有数十个圆形不锈钢碟片转轴，碟片一小半浸在血液中。当转轴转动时，它所带动碟片上就涂上一层血液，与槽内氧气接触进行血气交换。鼓泡式：氧合室为柱状，氧气经过气体分散器变成小气泡进入氧合室，与血液混合后上升，进行血气交换。氧合室上方有去泡室，内装金属或塑料丝网架，上涂消泡剂硅油，血内气泡接触硅油马上破灭。去泡后氧合血经过滤后进入一个螺旋管状储血室储存，再经多级过滤，变温后注入人体。膜肺：依据仿生原理按照肺泡气体弥散生理功效设计，最靠近人体肺生理功效。Company L第25页生物医学功效材料生物医学功效材料-人工器官人工器官原理：血液和氧气由薄膜隔开，一侧通静脉血，另一侧通纯氧。静脉血氧分压为40mmHg左右，而纯氧压力约700mmHg，氧气经膜弥散进入血液，使血液氧合。血液中二氧化碳分压为40mmHg，氧气中PCO2为0-5mmHg，CO2经膜由血液向气体侧弥散，最终逸出。膜肺是伴随膜材料发展而发展。第一个膜肺用是聚氯乙烯。真正实用膜肺出现于1960年，膜材料为硅橡胶。膜肺大发展是在1980年以后，出现了各种高分子聚合物材料制成各种形式膜肺，如聚酯、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。Company L第26页生物医学功效材料生物医学功效材料-人工器官人工器官人工膀胱：替换膀胱功效人工装置。对膀胱肿瘤或因病变所致膀胱挛缩等症，患者在须行膀胱摘除术时，植人人工膀胱储存和排除尿液，不但可维持正常生活，而且能够克服普通尿道改道等 手术带来各种并发症及给患者生活带来不便。人工膀胱类型有生物材料、非生物材料及 全置换体内植入型3种。(1)生物材料人工膀胱：自体组织移作人工膀 胱，如用肠代膀胱、胃代膀胱术等；异体组织移作人工膀胱，如采取经化学处理牛心包组织 制做人工膀胱。(2)非生物材料人工膀胱：Company L第27页生物医学功效材料生物医学功效材料-人工器官人工器官体外留置型：采取各种造口术，用引流管将尿液引至体外，用集 尿袋作人工膀胱积蓄尿液。比如，采取硅橡胶作引流管，使用一次性集尿袋，使组织刺激反应和感染等并发症显著降低。移行上皮细胞再生型人工膀胱：利用膀胱移行上皮 细胞含有良好再生能力原理，在膀胱切除后，盆腔内设 置膀胱支架，使残留膀胱及尿道组织沿支架再生成一 个膀胱，最终去除埋人膀胱支架。支架可分为 一、不能吸收膀胱支架，比如聚乙烯或明 胶海绵等制成支架，在用后需自体 内取出；二、生物降解材料制膀胱支架，比如以聚a氨基酸膜做支架，可全部降解。Company L第28页生物医学功效材料生物医学功效材料-人工器官人工器官(3)全置换体内植入型人工膀胱：由人工输尿管、单向止逆瓣、集尿器、人工括约肌装置和人工尿道五个部 分组成。人工膀胱上端左右有一段人工输尿管，与患者 原输尿管缝合联接。下端有一小段人工尿道与患者原有 尿道缝合联接。集尿器是人工膀胱储尿容器，上联单向止逆瓣预防尿液返流肾脏，下接人工括约肌以控制尿 液排放。当前仍处于动物试验及临床试用阶段。人工膀胱材料必 须具备以下条件：组织相容性；尿液相容性；对泌尿系统其它器官不产生 刺激，不造成尿路梗阻、炎症、致癌及诱发泌尿系本身 疾病。密封性良好，与输尿管、尿道易于缝合及结合，不产生漏尿；易 于手术及消毒。Company L第29页生物医学功效材料生物医学功效材料-人工器官人工器官人工皮肤：作为皮肤创伤修复材料和损伤皮肤替换品，能够使皮肤大面积和深度烧伤患者在自体皮不够情况下 进行修复治疗并使之恢复因皮肤创伤丧失生理功效。人工皮肤研究分为三个阶段，分别是创伤敷料、人工皮肤和活性人工皮肤。创伤敷料：包含吸收敷料、不粘敷料、封闭和半封闭敷料、水凝胶敷料和含药敷料。吸收敷料：保护创面和吸收体液，以使创伤不受细菌感染和深入恶化。大多为天然材料，如：甲壳素，壳聚糖，果酸，明胶，淀粉等，可在人体内降解并被人体吸收。不粘敷料：经过石蜡、石油浸泡过纱布不粘创面，预防创面干燥和病原菌进入创伤，由穿孔不粘膜层加吸收衬垫组成。Company L第30页生物医学功效材料生物医学功效材料-人工器官人工器官封闭和半封闭敷料：半透过性材料，清洁创伤、降低体液渗出，促进创伤修复。水凝胶敷料：水凝胶吸水溶胀后对创面形成闭合吸收敷料，以防菌防毒并在创伤修复后易于除去。该类材料主要为 CMC 钠盐，聚乙烯，毗咯烷酮等，愈合率比不用对照组提升30%36%。含药敷料：在敷料中加入使上皮再生和消炎以及抗生素等药品材料，其效果比不用对照组愈合率提升16-37%。人工皮肤：替换损伤皮肤材料，可用于大面积烧伤皮肤修复。合成高分子材料：合成纤维织物，如尼龙、聚酯、聚丙烯等；多孔薄膜，如聚乙烯醇、聚氨酯、硅橡胶、聚乙烯等。Company L第31页生物医学功效材料生物医学功效材料-人工器官人工器官生物高分子材料：同种异体或异种组织，如人或动物羊膜、腹膜和皮肤；胶原蛋白。人工皮肤材料基本上为天然材料和合成高分子材料复合。因为天然材料机械强度无法满足实际要求，必须辅以机械强度好高分子材料做外部包扎材料。伴随人工皮肤研究和发展，在深度和大面积烧伤治疗中，因为自体皮源不足，仅仅用没有活细胞人工皮肤己不能满足实际需要，希望经过体外培养来扩展自体皮表面积或重建上皮层来满足这一要求。当前体外培养移植皮有自体角质细胞移植皮；异体角质细胞移植皮；在同种胶原上培养自体角质细胞移植皮；在人工真皮上培养角质细胞移植皮；复合皮肤移植皮。Company L第32页生物医学功效材料生物医学功效材料-人工器官人工器官蛋白类：胶原，明胶，丝素等。为人工皮肤主要组成，是细胞分化、生长营养基地，缺点是无弹性、强度低、降解太快。多糖类：甲壳糖，糖胺多糖，透明质酸等。有促进细胞生长功效，但用量增加有抑制成纤维细胞生长作用，同时材料弹性低，质脆。盐类：海藻酸钠，海藻酸钙等。为交联剂，同时起到促细胞生长作用。高聚物：不降解材料，如聚氨醋，涤纶，尼龙，硅橡胶等。为生物惰性材料，不降解，只能用做外层敷料不能永久代替皮肤；Company L第33页生物医学功效材料生物医学功效材料-人工器官人工器官生物降解材料：如聚酯，乙丙交醋等，生物性能好，可降解，可代谢，但假如其分子量小则强度不够，分子量大难溶于水，溶解时出现降解，影响材料机械强度，其降解之后产物使其周围组织酸度提升，出现无菌性炎症。单独使用任一个材料都不能满足实际需求，需要把几个材料进行杂化或交联。人工皮肤材料研究发展趋势：原料选择新颗性；制备方法新奇性；材料性能新奇性。人工皮肤伴随组织工程学发展和在细胞支架材料性能上深入完善，本着仿生标准，人为地更靠近于天然，应用于人类，将会大大地提升人类生命质量和生活水平。Company L第34页生物医学功效材料生物医学功效材料-人工器官人工器官人工肾：替换肾脏功效装置，患者动脉血经硅胶管引入透析器，使血液和透析液隔半透膜流动而进行透析，血液被净化后再由硅胶管经静脉输回体内。人工肾还未能完全取代肾脏全部生理功效，它仅能帮助去除体内大部分代谢废物，并调整水、电解质及酸碱平衡。人工肾要完成血液在体外循环透析过程，必须具备合乎要求血液管道、人工肾机(透析液供给装置)和透析器。血液管道包含血液进出透析器管道系统。组成管壁材料含有良好血液相容性，以降低血液有形成份遭受破坏。管腔内径为45mm，确保足够血液循环量。血泵用于管道增厚部分，增加血压。备有注射肝素、输液等分管及排气、滤过等回血装置。Company L第35页生物医学功效材料生物医学功效材料-人工器官人工器官人工肾机：包含透析液供给与循环系统和自动监护系统。透析液依据是否需预先人工配制分为有半自动型和全自动型。透析液流程两种方式：1、单流程式，亦称单通道式：指透析液经透析器流出后即废弃。优点为流程简单、透析效果很好，缺点是透析液量大、费用贵、供液装置和储水槽体积较大、不易搬动。2、再循环式：指透析液经透析器流出后，再引入净化吸附装置处理，然后供连续循环使用。加有净化器(吸附筒)。优点为降低透析液用量，缩小透析液供给装置体积。自动监护装置包含血路监护报警(动脉压报警、静脉压报警等)和透析液路监护报警(温度报警、透析液流量报警等)。Company L第36页生物医学功效材料生物医学功效材料-人工器官人工器官透析器：包含血液进出透析器管道系统、各种材料透析膜和透析液进出透析器管道系统。透析器效能应考虑血液在透析器内流动路径、阻力、透析膜和透析液接触面积及透析膜材料等原因。透析膜是一个以浓度差为推进力分离膜。依据分离溶质粒径，要求透析膜上有相适应孔径均匀微孔。膜孔径在3m以下有机高聚物均质膜，是一类不带电荷多孔膜，当前主要用于人工肾。惯用制备材料纤维素和聚合物，如铜氨法再生纤维素、醋酸纤维素、聚丙烯腈、乙烯-乙烯醇共聚物以及聚甲基丙烯酸甲酯、聚砜、聚丙烯酰胺等。Company L第37页生物医学功效材料生物医学功效材料-人工器官人工器官 透析作用是血液与透析液之间经过透析膜进行弥散、渗透和滤过一个过程。所以，透析膜是透析器主要组成部分，对其基本要求是：1、半透膜、无毒性、表面光洁，有抗凝血和良好血液相容性。2、孔径应不超出3m，使中、小分子量物质可自由经过，而对血液中血细胞、血小板、白蛋白等分子量在35,000以上物质则不能经过。3、透析膜厚度较薄(1020m)，能耐受一定压力(500mmHg以上)以增加透析效果和预防透析过程中破膜引发溶血和失血。Company L第38页生物医学功效材料生物医学功效材料-人工器官人工器官人工骨：用人工材料制造人骨替换品或者骨折固定材料。高分子合成材料：聚甲基丙烯酸甲酯、高密度聚乙烯、聚砜、聚左旋乳酸、乙醇酸共聚物、液晶自增强聚乳酸、自增强聚乙醇酸等；无机材料：羟基磷灰石、氧化铝生物陶瓷等，能够替换人体头盖骨、肩、臂、指、肥肉关节等。理想人工骨复合材料应该含有良好生物相容性和生物可降解性，并能够促进新骨细胞生成。磷酸三钙人工骨材料是当前研究和应用较多骨替换材料之一，其理化性质与骨组织相同，生物相容性良好，含有一定传导成骨能力，并能在体内进行生物降解。不过磷酸三钙普通呈颗粒状，在缺损骨组织部位极难成型，其应用有一定不足。Company L第39页生物医学功效材料生物医学功效材料-人工器官人工器官人工器官主要研究方向：生物相容性表面技术：主要是梯度修饰，经过组装、修饰材料表面，提升人工组织与人工器官表面与整体生物相容性。精密加工技术：是人工器官在体内长久安全有效发挥功效主要确保。如体内植入支架、接入导管球囊与管体连接，眼内人工晶体成型等。组织工程中转基因技术：降低宿主免疫排斥反应.组织工程网络构架生物活性组装与表面修饰：调控细胞生长速度与结构，组装与修饰分子层厚度和生长因子表面与微环境浓度，经过界面技术和生物降解等缓释技术加以调控。组织工程网络构架在低重力效应下细胞和组织三维培养技术和装置研究。Company L第40页生物医学功效材料生物医学功效材料-药品载体药品载体药用功效材料：即医药用仿生材料，又称为生物医药材料，用于与生物系统接触并发生相互作用，能够对细胞、组织和器官进行诊疗治疗、替换修复或诱导再生天然或人工合成特殊功效材料。按其应用可分为不直接与人体接触、与人体组织接触和进入人体内三大类。依据材料属性可分为医用金属材料、医用无机非金属材料或称为医用陶瓷、医用复合材料和医用高分子材料。绝大多数属功效高分子范围，有含有些人体组织或器官一些功效；有利用其物理化学性能阻止或疏通一些功效障碍，使之恢复其正常功效；有只作为医疗器械使用。Company L第41页生物医学功效材料生物医学功效材料-药品载体药品载体 按照功效分类，医用高分子材料主要应用于人造器官和治疗用材料。第一类是含有药埋活性高分子，药品处于高分子链时才含有活性。第二类指高分子载体药品，多为低分子药品，以化学方式连接在高分子长链上。第三类是微胶囊化低分子药品，以高分子材料为可控释放膜，将含有药埋活性低分子药品包裹在高分子中，以提升药品治疗效果。Company L第42页生物医学功效材料生物医学功效材料-药品载体药品载体药用功效材料基本性能要求（1）化学性能稳定，对人体血液、体液等无影响，不形成血栓等不良反应。比如聚氨酯中所含酰胺基团技艺水解，在体内会降解而失去强度，经嵌段改性后，化学稳定性提升。（2）材料与人体组织相容性良好，不会引发炎症或其它排异反应。（3）无致癌性，耐生物老化，长久放置体内材料其物理机械性能不发生显著改变。（4）不因高压蒸煮、干燥灭菌、药液等消毒办法而发生质变。比如蒸汽灭菌温度普通在120140，不能选取软化点低于此温度材料。Company L第43页生物医学功效材料生物医学功效材料-药品载体药品载体高分子药品控制释放体系特点：药品释放到环境中浓度比较稳定；能十分有效地利用药品；能够让药品释放部位尽可能靠近病源，提升了药效，防止发生全身性副作用；能够降低用药次数。缓控释制剂主要由骨架型和贮库型两种。药品以分子或微晶、微粒形式均匀分散在各种载体材料中，则形成骨架型缓、控释制剂；药品被包裹在高分子聚合物膜内，则形成贮库型缓、控释制剂。两种类型缓、控释制剂所包括释药原理主要有溶出、扩散、溶蚀、渗透压或离子交换作用。Company L第44页生物医学功效材料生物医学功效材料-药品载体药品载体扩散原理：以扩散为主缓、控释制剂，药品首先溶解成溶液后再从制剂中扩散出来进入体液，其释药受扩散速率控制。药品释放以扩散为主结构有以下几个：水不溶性包衣膜，如乙基纤维素包衣微囊或小丸制剂；含水性孔道包衣膜，如乙基纤维素与甲基纤维素混合组成膜材；骨架型药品扩散，经过骨架中许多弯弯曲曲孔道扩散进行。利用扩散原理到达缓、控释作用方法：包衣、制成微囊、制成不溶性骨架片剂、增加粘度以降低扩散速度、制成植入剂、制成乳剂。Company L第45页生物医学功效材料生物医学功效材料-药品载体药品载体溶出原理：溶出速度慢药品显示出缓释性质。依据溶出速度公式，经过降低药品溶解度，增大药品粒径，以降低药品溶出速度，到达长期有效作用。详细方法有制成溶解度小盐或酯；与高分子化合物生成难溶性盐；控制粒子大小。溶蚀与扩散、溶出结合：释药系统决大多数取决于溶出或扩散过程，但一些骨架型制剂，骨架本身也处于溶蚀过程，结果使药品扩散路径长度改变，形成移动界面扩散系统。这类系统优点在于材料生物溶蚀性能不会最终形成空骨架，缺点则是因为影响原因多，其释药动力学较难控制。Company L第46页生物医学功效材料生物医学功效材料-药品载体药品载体渗透压原理：利用渗透压原理制成控释制剂，能均匀恒速地释放药品，比骨架型缓释制剂更为优越。只要膜内药品维持饱和溶液状态，释药速率恒定。这类系统优点在于其可传递体积较大，理论上，药品释放与药品性质无关，缺点是造价贵，另外对溶液状态不稳定药品不适用。离子交换作用：由水不溶性交联聚合物组成树酯，其聚合物链重复单元上含有成盐基团，药品结合于树脂上。当带有适当电荷离子与离子交换基团接触时，经过交换将药品游离释放出来。Company L第47页生物医学功效材料生物医学功效材料-药品载体药品载体 高分子微胶囊药品释放体系可分为贮存式和基体式两种结构。贮存式结构药品集中在内层，其外层为由高分子材料制成膜，用于该控释系统高分子材料普通为疏水性线形生物降解高分子，包埋药品后制成埋植剂、微球制剂。基体式结构药品则是均匀地分散于微胶囊内，其药品能够呈单分散，也能够呈一定聚集态结构分散于高分子基体中，药品经过扩散作用并协同高分子降解作用释放。能够选择疏水性生物降解性高分子或水凝胶作为基质，尤其是水凝胶因为其良好生物相容性和释放行为可控性而成为药控研制热点。Company L第48页生物医学功效材料生物医学功效材料-药品载体药品载体理想药品释放体系，通常应该满足将药品传送到作用部位；在到达要求疗效前提下，药品投放量最小，药品毒副作用最小；安全；服用方便，易被患者接收；在通常环境下含有一定物理和化学稳定性。当前惯用五类药品给药路径为：经过胃肠消化道给药；体内给药(包含眼内、口、舌下、鼻腔、直肠以及阴道、子宫内给药)；透皮给药；动脉注射及静脉点滴；皮下及肌肉注射。经过适当给药路径，可使药品释放到达较为理想效果。Company L第49页生物医学功效材料生物医学功效材料-药品载体药品载体 高分子药品胶囊可大大降低服药次数，屏蔽药品刺激性气味、延长药品活性、控制药品释放剂量、提升药品疗效，所以含有比普通药品制剂显著优越性 微胶囊化详细制备方法普通有以下几个：化学方法：包含界面聚正当、原位聚正当、聚合物快速溶解法、气相表面聚正当等。物理化学方法：包含水溶液中相分离法、有机溶剂中相分离法、溶液中干燥法、溶液蒸发法、粉末床法等。物理方法：空气悬浮涂层法、喷雾干燥法、真空喷涂法、静电气溶胶法、多孔离心法等。物理方法需要较复杂设备，投资较大，而化学方法和物理化学方法普通经过反应釜即可进行，应用较多。Company L第50页生物医学功效材料生物医学功效材料-药品载体药品载体界面聚正当：将两种带不一样活性基团单体分别溶于两种互不相容溶剂中，当一个溶液分散到另一个溶液中时，在两种溶液界面上形成了一层聚合物膜。假如被包裹物是亲油性，应将被包裹物和油溶性单体先溶于有机溶剂，然后将此溶液在水中分散成很细液滴。再在不停搅拌下往永相中加入含有水溶性单体水溶液，于是在液滴表面上很快生成一层很薄聚合物膜。经沉淀、过滤和干燥后，便得到包有液滴微胶囊 假如被包裹是水溶性物，则整个过程恰好与上述方法相反。惯用活性单体有多元醇、多元胺、多元酚和多元酰氯、多异氰酸酯等。界面聚正当所得微胶囊壁很薄，为0.00l0.011微米，被包裹物渗透性很好。Company L第51页生物医学功效材料生物医学功效材料-药品载体药品载体水(油)中相分离法：将聚合物溶于适当介质(水或有机溶剂)，并将被包裹物分散于该介质中，然后向介质中逐步加入聚合物非溶剂，使聚合物从介质中凝聚出来，沉积在被包裹物颗粒表面而形成微胶囊。溶液干燥法：使被包裹物溶液与聚合物溶液形成乳液，再将这种乳液分散于水或挥发性溶剂，形成复合乳液。然后经过加热、减压、萃取、冷冻等方法除去溶解聚合物溶剂，则聚合物沉积于被包裹物表面，形成微胶囊。气相表面聚正当：把气化自由基(活性单体)沉积在固体颗粒表面上使之聚合。如对苯二撑气化后，导人放有Mg粉小室，冷却后，对苯二撑自由基就沉积在Mg粉表面上聚合形成包裹层(微胶囊)。Mg经包覆后，在空气下不吸湿。Company L第52页生物医学功效材料生物医学功效材料-药品载体药品载体喷雾干燥法：分为水溶液系统、有机溶液系统和胶囊浆系统。水溶液系统：被包裹物质(芯材)是不溶于水固体颗粒或液体，包埋芯材材料(壁材)是水溶性材料，芯材分散或乳化于壁材水溶液中，组成起始溶液。该溶液在喷雾干燥器内雾化形成小液滴，芯材被水相包裹起来，水分因为高温而挥，壁材在芯材表面成膜将芯材包埋，形成微胶囊。有机溶液系统：壁材是不溶于水材料，芯材既能够是不溶于水材料，也能够是溶于水或与水反应材料，壁材载体溶剂是某种有机溶剂。胶囊浆系统：经过相分离法微胶囊化得到微胶囊分散液，将其喷雾干燥，可得到微胶囊粉末。此方法得到很小粒径微胶囊，包埋效率很高，但包埋成本也较高，适台于对失重产品或高附加值产品进行包埋。Company L第53页生物医学功效材料生物医学功效材料-药品载体药品载体原位聚正当：单体、引发剂或催化剂以原位处于同一介质中，然后向介质中加入单体非溶剂，使单体沉积在原位颗粒表面上，井引发聚合，形成微胶囊。也可将上述溶液分散在另一不溶性介质中，并使其聚合。在聚合过程中，生成聚合物不溶于溶液，从原位液滴内部向液滴表面沉积成膜，形成微胶囊。原位聚正当要求被包裹物可溶于介质中，而聚合物则不溶解。其适用面相当广泛，任何气态、液态，水溶性和油溶性单体均可适用甚至可用低分子量聚合物、预缩聚物代替单体。为了使被包裹物分散均匀，在介质中还常加入表面活性剂或聚乙烯醇、二氧化硅胶体等作为保护胶体。Company L第54页生物医学功效材料生物医学功效材料-药品载体药品载体 高分子微胶囊药品释放机制分为程序式药品脉冲释放体系和智能式药品脉冲释放系统。程序式药品脉冲释放系统设计关键在于能控制药品释放滞后时间及药品释放连续时间。药品释放滞后时间控制方法有以油膏状生物降解聚合物如聚原酸酯作为大分子药品载体材料阻止内部药品扩散释放，直到聚合物降解到一定分子量；利用不载药膜层或聚合物层阻止内层药品扩散释放，直到膜破裂或聚合物层融蚀掉。药品释放连续时间控制方法有利用聚合物融蚀速度控制和利用药品在水凝胶中扩散释放速度控制。Company L第55页生物医学功效材料生物医学功效材料-药品载体药品载体 比如：利用聚原酸酯作为蛋白质载体材料制成了一个蛋白质药品脉冲释放系统。当聚原酸酯降解到一定分子量时，药品在聚原酸酯中扩散系数增大，开始从系统中释放，并随聚原酸酯深入降解而逐步释放。改变聚原酸酯结构或分子量可改变药品释放滞后时间及药品释放连续时间。智能式药品脉冲释放系统依据信号起源可分为外部调整药品脉冲释放