生物医用非织造材料.ppt

1生物医用纺织品生物医用纺织品2 1生物医用纺织品及其分类2生物医用纺织品的开发现状3生物医用纺织品的发展趋势4仿生结构复合小口径人造血管的研制31生物医用纺织品及其分类生物医用纺织品及其分类 生物医用纺织品是纺织学科与生物医学学科相互交叉的新学科领域。创新性最强科技含量最高市场前景最为广阔4其中约有70%为用弃产品,30%为重复使用产品。5生物医用纺织品生物医用纺织品卫生用品类医用防护类医用敷料类仿器类外科移植类尿布卫生巾成人失禁垫口罩手套手术衣 手术罩隔离单防护服纱布棉绒 衬垫创口贴绷带固定支架手术缝合线人造皮肤人造血管人造气管人造骨骼人工关节人工心脏瓣膜人工肝人工肺人工肾人工心脏6人造心脏瓣膜人造心脏人造心脏织物内部结构人造心脏织物内部结构纱布、手套等口罩、手术服等固腰带72 生物医用纺织品的开发现状2.1 纸尿裤传统棉尿布优点：透气性好，柔软，价格较低，可重复使用。缺点：需频繁更换，洗涤、晾晒麻烦，多次使用表面毛糙，易引发尿布疹。一次性纸尿裤市场空间巨大8婴幼儿纸尿裤市场预测年份2岁以下婴儿人数万人消费量亿片年平均增长率%市场渗透率%2007410077.544.617.62008412595.723.521.120094146118.523.826.120104250137.820.029.620204520297.58.060.1注：按02岁婴儿人均需用纸尿裤3片天计算9 表层 聚丙烯热轧布、纺粘非织造布等 柔软、快速渗透、保持干爽 导流层 热塑性纤维或双组分纤维的热粘合纤网 尿液快速转移 吸收芯层 绒毛浆加超吸收树脂 大量储存液体 背层 PP透气薄膜 防止尿液渗透，隔离10优点缺点干净卫生表面干爽吸收强渗透快穿着方便抗菌性差异味大长时间使用易得尿布疹一次性产品处理麻烦112.2 防护服要求：良好的过滤阻隔性抗粒子穿透性抗静水压屏蔽性抗撕裂、抗磨损拒污不起绒无毒舒适耐用型防护服还要求一定的耐消毒耐洗涤性能。12 欧美国家 以涤纶、粘胶等纤维为原料浸渍粘合法、泡沫浸渍法、热轧法或水刺法获得手感柔软，抗拉力高，透气性好，“用即 弃”型防护服，避免交叉感染国内一次性用品仅限于口罩、帽子之类，一次性手术衣等防护服使用率很低13国内市场上销售的医用防护服主要有三类:非织造类、涂层类、闪蒸法一次成型类普通非织造防护服防护效率只有40纺粘法：切片烘干切片喂入熔融挤压纺丝冷却拉伸分丝铺网纤网加固后整理产品熔喷法：切片螺杆挤压热空气牵伸冷却成网后整理产品水刺法：原料混合开松梳理成网纤网正反面水刺加固烘燥卷取成品湿法成网：纤维打浆布浆器布浆湿法成网脱水烘燥固结成卷非织造工艺：14防水性、阻隔细菌粒子性能好，可重复使用但透湿性能差干法直接涂层：基布前整理涂层烘干焙烘整理打卷转移涂层：在离型纸上涂敷树脂胶烘干涂敷黏合剂 基布前整理复合烘干剥离打卷涂层防护服涂层机涂层工艺：15 闪蒸法加工技术 目前仍属美国杜邦公司专利高聚物溶解制成纺丝液喷丝丝条固化牵伸凝聚成网热轧加固闪蒸法非织造布质轻、拒水透湿，能有效阻抗干性颗粒物质，但布面屏蔽性能不匀，对血液、体液的阻隔性差闪蒸法一次成型滤材防护服16目前，我国采用GB19082-2003GB19082-2003医用一次性防护服技术要求标准，以生物防护服通用规范作为补充，但仍然不够完善。美国的NFPA 1999NFPA 1999要求更为严格。医用防护服的设计要求比较17医用防护服的性能要求比较1819美国戈尔(Gore-tex)公司的外科隔离膜类Crosstech EMS织物是唯一一种严格符合防护标准、可重复使用的隔离织物 抗渗透、透气CrosstechTM隔离层 永久性层压 耐久性纺织品 兼有物理和美学品质,如强力、耐磨损、颜色、手感、重量等等，以及无与伦比的舒适性202.3 创口贴 吸收垫浸过苯扎氯铵等药物 杀菌弹性胶带加压止血21优点：压迫止血、防水、保护创面、预防感染、促进愈合，使用简单、携带方便缺点：只能暂时止血，透气性差，长期使用易导致继发感染 22氨纶皱纹弹力绷带由纯棉纱和氨纶包芯纱制织由纯棉纱和氨纶包芯纱制织肤感舒适，透气性良好，无致敏性，可消毒，可重洗涤。肤感舒适，透气性良好，无致敏性，可消毒，可重洗涤。普通纱布绷带柔软、透气，固定效果差 粘胶石膏绷带粉状煅石膏、聚乙烯醇、聚醋酸乙烯乳液制成匀浆，涂布于纱布上，烘干，切割而成 硬度高，适应性强，耐高温，高寒，无毒，无过敏 2.4 绷带232.5 固定板 高分子聚酯材料强度高、透气性好、重量轻、不怕水、可降解，且无毒、无味、对皮肤无刺激性临床上广泛地应用于骨科外固定、康复及矫形支具 242.6 手术缝合线4000多年前，古埃及人用亚麻线缝合伤口公元前1800年，肠线2520世纪50年代，尼龙、涤纶线等20世纪60、70年代，胶原纤维和甲壳素纤维80年代以来，新开发了海藻酸盐纤维、聚乳酸纤维、聚乙醇酸纤维等。26长期以来，外科用可吸收手术缝合线主要是羊肠线和聚乙醇酸缝合线。羊肠线 易产生抗体反应，强度下降过快，吸收时间、张力强度、人体组织反应等因素难以控制。聚乙醇酸缝合线对细菌抵抗能力差，在空气中易分解。27 聚乙交酯第一个用于可吸收缝合线的聚合物，临床中应用广泛。优点：强度高、生物相容性和可降解性好，可被机体自行吸收和排泄，对人体无不良反应。缺点：熔点高导致纺丝困难，纤维柔性差，手术过程中可能损伤人体组织。可采用共聚的方法，在高分子链中引入丙交酯链段，改善其柔顺性。28纯天然胶原蛋白精加工酶处理 胶原蛋白缝合线纯生物制品，组织相容性好，抗张强度好，与伤口愈合期同步吸收，吸收完全，不留疤痕，在人体内遇盐类物质不形成结石，无毒、无刺激。29人体皮肤大面积损伤时，需要进行植皮。自体皮肤移植来源有限，异体皮肤移植会发生排斥反应主要性能要求：与皮肤有良好的亲和性，不发生刺激反应与伤口有较强的结合力质地柔软，贴紧性好人造皮肤的作用：防止水分和体液从创面蒸发流失隔绝空气，防止伤口感染加快伤口愈合2.7 人造皮肤30来自包皮环切术的新生儿包皮，经分离获得角质细胞和成纤维细胞角质细胞成纤维细胞将角质细胞或成纤维细胞接种到由生物相容性材料制成的多孔状、网状、成胶状三维结构支架上在密闭反应器中培养细胞，定期更换培养基一段时间后，细胞增殖并分泌胶原物质，形成人造皮肤用于治疗皮肤烧伤或溃疡 组织工程皮肤的一般制备过程31合成膜成纤维细胞可生物吸收材料单层人造皮肤角质层角质细胞成纤维细胞胶原双层人造皮肤32制造人造皮肤最具应用前景的是壳聚糖。壳聚糖 醋酸（作溶剂）纺丝液纺黏型非织造布用作人造皮肤壳聚糖粉末水溶性壳聚糖可止血，黏着性强，透气性良好，能隔绝空气，刺激皮肤生长，加速伤口愈合，减少疼痛。33 人造皮肤播种技术将具生长能力的皮肤细胞涂覆于特殊的能保持细胞活性的基质上 再贴敷在伤口上 伤口在愈合过程中自动植皮 该技术尚不成熟342.8 人造血管人造血管的性能要求：良好的生物相容性较高的缝接强度一定的弹性和柔顺性一定的表面粗糙度性能和尺寸的稳定性切割边缘不脱散或抽丝可多次消毒具有止血性多种形状和尺寸35目前人造血管使用最多的原料是聚酯、聚四氟乙烯纤维。针织人造血管多孔结构，易与人体组织相容，易渗血 拉绒或预凝结 机织人造血管 孔隙较小，较硬挺常用于心脏周围高压区域的血管置换内径小于10mm的血管，一般采用非织造的方法生产。36人造血管的表征：1 渗透率和孔隙率 可通过致密化处理和预凝得到改善。2 人造血管强度 包括径向和纵向拉伸强度、顶破强度、手术线固位强度、重复针刺强度等。3 人造血管几何特征 通常为圆柱形，由管道的壁厚和松弛内径来描述。4 对管道内部应力的形变响应性 模拟体内血管承压，测试人造血管在一定压力下的承压内径、纵向和径向顺应性以及弯折直径、半径。37人造血管的新进展1 几种特殊类型的人造血管 a 腔面内衬内皮细胞 b 自体组织片移植 c 复合壁 d 表面抗血栓2 提高小口径人造血管通畅率 a 改进生物材料表面与血液的相容性 b 材料表面引入生物活性物质 c 人造血管材料的表面伪饰 表面改性的血管支架抗凝剂肝素382.9 人造骨骼依靠人体体液某些离子形成新骨，在骨骼接合界面发生分解、吸收、析出等反应，实现骨骼牢固结合。最好的人造骨材料 钛无毒，强度和韧性好，良好的生物相容性，但耐磨性差，缺乏生物活性。钛骨钉39 陶瓷人造骨X射线确定骨骼形状及大小，计算机系统专门定做 精细度达0.1mm，术前23小时即可制作完成 细胞组织能继续生长 能否长期保持坚固性还需检验 海草人造骨形成的钙化骨骼，表面布满直径510微米的小孔，与天然骨骼相似，尤其适于假牙40 磷酸钙和骨胶原人造骨强度与弹性接近真正的骨骼，可被吸收。动物身上实验，三个月可再生出新的骨骼生物玻璃纳米纤维 生物玻璃人造骨含磷和钙，接触体液形成磷酸钙层，与原骨牢固结合。机械强度高，无疲劳现象，无毒无排异反应，具生物活性，加工成型容易。41人造骨新工艺1 快速成型制造工艺断层扫描 三维数据 激光熔粉 逐层铸造 节约原材料，精度高，速度快，可制造各种复杂形状的骨骼。2 等离子体喷涂技术利用高温等离子火焰在金属复合材料表面喷涂一层几十微米厚的羟基磷灰石。糅合两种材料的优势，是生物材料研究领域的一大步。等离子体喷涂设备激光熔覆422.10 人工肾即血液净化装置，代替肾脏功能以脱除代谢废物。选择性透过适宜的超滤渗水性足够的湿态强度良好的血液相容性安全无毒性能稳定日本尼普勒透析机国产透析机43目前，空心纤维型人工肾得到广泛使用。44中空纤维横截面及表面微细结构一台中空纤维型血液透析器约由七千多根直径为210-5m的中空纤维组成。半透膜性质分离有害物质净化血液超滤透析45聚丙烯腈纤维再生纤维素纤维醋酯纤维聚乙烯醇纤维用于制备血液净化用高分子膜的材质：463 生物医用纺织品的发展趋势生物医用纺织品的发展趋势 随着社会经济的不断进步和生活水平的日益提高，健康已成为人类社会最为关注的热点问题之一。生物医用纺织材料作为与人类生活密切相关的基本物质，在维护人类健康、解除疾患、提高生活质量的医疗保障体系中，占据举足轻重的地位。一方面作为防护材料，为人类的生活创造出安全健康的微环境，保护人类不受病毒、细菌以及其他有害物质的侵扰；另一方面作为一种多孔的柔性材料，与生物组织有着天然的相容性，已经成为治疗人类疾患必不可少的材料。473.1 国外生物医用纺织品的研究进展 全球医用纺织品市场 每年以10的速度递增 2010年销量达240万t，总价值达82亿美元 医用纺织品最发达的5个市场依次为:美国、欧洲(以欧盟国家为主)、加拿大、日本、澳大利亚 5大市场医用纺织品的销量约占世界医用纺织品市场总销量的90%483.2 国内生物医用纺织品的研究进展 新型医用防护品以及人体功能性纺织品 总量约占产业用纺织品总量的10%，2010年消耗量达50万t 限于手术鞋帽、手术衣、防护服等大宗医用纺织品 仿器类植入型生物医用纺织品亟待突破 我国人造血管的年需求量为85万例，实际用量却只有30万例 而且90%以上的临床手术所采用的是进口人造血管49 多集中在低端产品，且为一次性产品；在内植入医用纺织品领域尚为零，如：人工心脏、人工瓣膜、人工肾脏、人造皮肤等；高端领域无自主话语权，无自主品牌 国内市场前景非常乐观，仅医用口罩的缺口高达60%；已有大企业投产，并具有自主研发高技术含量产品的能力，但总体上，医用纺织品企业规模小，较为分散。我国生产了全球近20%的医用纺织品，由于标准的缺失造成产品先低价出口，检验合格后再高价进口；甚至高技术产品受标准限值而无法进入市场。市场大市场大规模小规模小产品产品低端低端标准的标准的建立建立503.3 生物医用纺织品的研究重点3.3.1 原材料领域1 新型医用生物降解纤维材料的研发 甲壳素及其衍生物纤维、胶原纤维、海藻酸纤维、聚乙交酯纤维、聚乳酸(聚丙酯)纤维、聚乙交酯-丙交酯纤维、聚已内酯纤维等。海藻酸纤维胶原蛋白纤维512 纤维材料化学改性技术 在高聚物大分子上或纤维材料表面接枝生物制剂和治疗药物。药物释放体系：纳米粒或微粒类水凝胶类微囊类纤维支架类523.3.2 加工技术领域 研究解决当前国内生物医用器件产业化过程中的技术瓶颈问题，重点就可降解医用缝合线、人造血管和功能补片的专用设备开发、工艺参数优化和质量保障体系建立开展研究。1 人造血管及其支架的生产 较为常见的是机织或经编涤纶人造血管以及膨体聚四氟乙烯血管。532 人造血管的评价与评估体内测试体内测试体内测试体内测试体外测试体外测试体外测试体外测试新型人造血管54纺织品基本特性纺织品基本特性生物力学性能生物力学性能化学性能化学性能密度、厚度等可用传统方法测试影响渗血和体内愈合的空隙度指标，值得进一步探讨。血液渗透、顶破和胀破、拉伸、顺应和弹力、缝合损伤以及摩擦和磨损等行为，模拟体内环境，开发检测应用性能的技术和装置电子光谱法、红外线光谱法、差动扫描热量测定法、萃取法等体外测试55体内测试 样品及对照样 植入动物体内 定期血管造影或取出假器 形态学分析和组织学分析研究生物相容性、愈合性能、材料的体内稳定性、内膜生长情况、通畅度等56产品产品市场市场技术技术3.4 生物医用纺织品的市场前景提高竞争力、建立自主品牌、主导市场政府、行业协会主导企业自主创新校企合作管理、营销标准57医疗卫生纺织品的重要发展方向：人工肾 人造血管 可吸收缝合线 医用防护服 医疗防护用品 高端技术领域的人造器官机遇机遇纺织行业“十一五”科技攻关项目：人工肾的开发 防蚊纺织品的产业化584仿生结构复合小口径仿生结构复合小口径人造血管研制人造血管研制59血管血管人体内重要器官之一人体内重要器官之一动脉动脉静脉静脉毛细血管毛细血管60血管治疗血管治疗血管移植或搭桥血管移植或搭桥61涤纶人造血管涤纶人造血管PTFEPTFE人造血管人造血管临床上使用的人造血管临床上使用的人造血管62移植后两年的通畅率69%。移植后五年的通畅率39%。造成小口径人造血管失败的主要原因是血栓的形成和吻合口处的组织增生导致血管堵塞。ePTFE小口径人造血管通畅率小口径人造血管通畅率63聚氨酯聚氨酯研究热点高分子之一研究热点高分子之一聚氨酯聚氨酯材料材料顺应性顺应性耐磨性耐磨性生物相容生物相容性性一定的抗凝血性一定的抗凝血性Polyurethane良良好好64存在的难点存在的难点存在的难点存在的难点 可缝合性差可缝合性差自支撑力差自支撑力差形成血栓形成血栓形成血栓形成血栓小口径聚氨酯人造血管的难点小口径聚氨酯人造血管的难点65人造血人造血管材料管材料管壁特点管壁特点顺应性顺应性抗凝血性抗凝血性组织相组织相容性容性可缝可缝合性合性抗血液抗血液渗透性渗透性涤纶涤纶多孔织物多孔织物一般一般差差差差较好较好差差ePTFEePTFE膨化微孔膜膨化微孔膜差差较好较好差差一般一般好好蚕丝蚕丝多孔织物多孔织物一般一般一般一般较好较好较好较好差差聚氨酯聚氨酯多孔弹性膜多孔弹性膜较好较好较好较好一般一般差差较好较好不同材料人造血管的性能不同材料人造血管的性能不同材料人造血管的对比不同材料人造血管的对比66仿生结构小口径人造血管设想仿生结构小口径人造血管设想67管状织物为支架功能型小口径管状织物为支架功能型小口径人造血管的制备人造血管的制备68超细丝素蛋白粉体的制备超细丝素蛋白粉体的制备69粉体粒径分布粉体粒径分布70携药丝素粉体的制备携药丝素粉体的制备实心丝素粉体实心丝素粉体载药中的粉体载药中的粉体携药丝素粉体携药丝素粉体71小口径管状织物的制备小口径管状织物的制备72人造血管的制备人造血管的制备73人造血管与人体股动脉血管进行比较人造血管与人体股动脉血管进行比较制备的小口径人造血管与人体股动脉血管在管径和壁厚上均十分接近制备的小口径人造血管与人体股动脉血管在管径和壁厚上均十分接近74人造血管最大径向强度人造血管最大径向强度7576人造血管径向顺应性人造血管径向顺应性Cd=100%Cd人造血管径向顺应性；人造血管径向顺应性；D血管直径随着压力增加（血管直径随着压力增加（P）时的变化；）时的变化；D在没有压力条件下血管直径。在没有压力条件下血管直径。77人造血管径向顺应性测试人造血管径向顺应性测试血管径向顺应性测试示意图血管径向顺应性测试示意图1 1：容器；：容器；2 2：离心泵；：离心泵；3 3：流量控制阀；：流量控制阀；4 4：人造血管；：人造血管；5 5：激光測径仪；：激光測径仪；6 6：血管固定架；：血管固定架；7 7：生理压力转化仪；：生理压力转化仪；8 8：流量剂；：流量剂；9 9：硅胶管。：硅胶管。78丝素粉体对人造血管顺应性的影响丝素粉体对人造血管顺应性的影响79PU/NSFPPU/NSFP血管壁的生物相容性血管壁的生物相容性80细胞种植在PU/NSFP复合膜表面PU/NSFP复合膜平铺在培养板中复合膜平铺在培养板中将一定数量的脐静脉内皮细胞种植在复合膜的表面将一定数量的脐静脉内皮细胞种植在复合膜的表面培养培养72h后进行观察后进行观察12381细胞在细胞在PU/NSFP膜表面的增殖膜表面的增殖NSFP0%NSFP10%NSFP30%随着丝素粉体含量的增加，随着丝素粉体含量的增加，PU/NSFP表面细胞的数量增加。表面细胞的数量增加。82PU/NSFP复合膜生物相容性表征复合膜生物相容性表征PU/NSFP复合膜包埋在大鼠肌肉层复合膜包埋在大鼠肌肉层83体内衡量体内衡量PU/NSFP复合膜的生物相容性复合膜的生物相容性84(1(1肌纤维肌纤维:;2:;2:炎性细胞炎性细胞;3:;3:纤维组织纤维组织;S:;S:丝素蛋白粉体丝素蛋白粉体.).)参比样参比样(b)PU/NSFP10/0(c)PU/NSFP5/5(d)PU/NSFP3/785PU/NSFP膜在大鼠体内的膜在大鼠体内的HE染色生物切片染色生物切片PTFEPU/NSFP50/50C:PTFE;D:伪膜伪膜;E:正常的肌肉组织正常的肌肉组织;F:PU/NSFP;G:炎症细胞炎症细胞.CDEFG86PTFEPU/SFP50/50C:PTFE;D:炎性细胞炎性细胞;E:平滑肌细胞平滑肌细胞DEDCPU/NSFP 与周围组织的透射电镜图片87A:PTFE;B:PU/SFP 50/50.ABCDCEFGC:PTFE;D:伪膜伪膜;E:PU/NSFPF:炎性细胞炎性细胞;G:巨噬细胞巨噬细胞PU/NSFP 与周围组织的SEM图像88血管在狗体内的长时间通畅率血管在狗体内的长时间通畅率该实验在武汉协和医院动物房内完成，手术全过程由武汉血管外科主治医师欧阳晨曦教授操作。89血管移植血管移植6 6个月后进行核磁共振检查个月后进行核磁共振检查图中图中B B段为移植的人造血管段为移植的人造血管狗颈动脉核磁共振图像狗颈动脉核磁共振图像90谢谢大家！谢谢大家！