生物材料导论5-合成医用高分子材料可降解

华东理工大学East China University of Science And Technology生生 物物 材材 料料 导导 论论郎郎 美美 东东博士博士 教授教授实验一楼实验一楼 302Tel:6425 3916 E-mail:May 5,2010生物材料导论 郎美东聚-羟基脂肪酸酯聚聚-羟基丁酸酯羟基丁酸酯PHB or 3HBpoly(hydroxybutyic acid),polyhydroxybutyrate聚聚-羟基戊酸酯羟基戊酸酯PHV or 3HVpoly(hydroxyvalerianic acid),polyhydroxyvalerate生物材料导论 郎美东聚-羟基脂肪酸酯生物材料导论 郎美东聚-羟基脂肪酸酯聚聚-羟基丁酸酯羟基丁酸酯PHB微生物干重：微生物干重：96%细胞质、细胞膜细胞质、细胞膜其它：其它：40%水水2%脂肪脂肪0.5%蛋白质蛋白质纯化：纯化：物理方法物理方法化学方法化学方法生物化学方法生物化学方法生物材料导论 郎美东聚-羟基脂肪酸酯3HB硬而脆的热塑性聚合物硬而脆的热塑性聚合物高结晶度：高结晶度：80%P(3HB-co-3HV)结晶度降低、柔软性高、易加工结晶度降低、柔软性高、易加工生物材料导论 郎美东Poly(-caprolactone)(PCL)结晶性强结晶性强熔点熔点:60 C玻璃化转变温度玻璃化转变温度:-60 C结构特点结构特点生物材料导论 郎美东Poly(-caprolactone)(PCL)lVery slow biodegradation ratelThe biodegradability can be enhanced greatly by copolymerizationlHigh permeability to many therapeutic drugslA lack of toxicitylExceptional ability to form compatible blend with other polymers生物材料导论 郎美东Characteristics of Poly(ethylene glycol)(PEG)lFDA approval as a food stabilizerlHydrophilicitylBiocompatibilitylSurfactant properties of PEG/polylactone copolymer生物材料导论 郎美东聚酸酐易加工性易加工性生物相容性生物相容性表面溶蚀降解性表面溶蚀降解性降解速度可调性降解速度可调性药物释放速度接近零级药物释放速度接近零级生物材料导论 郎美东聚酸酐结构脂肪族聚酸酐脂肪族聚酸酐芳香族聚酸酐芳香族聚酸酐芳香脂肪族聚酸酐芳香脂肪族聚酸酐生物材料导论 郎美东聚酸酐结构聚酰胺酸酐poly(imide-anhydride)生物材料导论 郎美东聚酸酐制备u熔融缩聚熔融缩聚 melt condensationu溶液缩聚溶液缩聚 solution condensation脱氯化氢脱氯化氢脱水脱水u开环聚合开环聚合 ring opening polymerization生物材料导论 郎美东聚酸酐应用降解：表面溶蚀和体积溶蚀降解：表面溶蚀和体积溶蚀化疗剂：聚酸酐颅内控制片治疗脑胶质瘤化疗剂：聚酸酐颅内控制片治疗脑胶质瘤庆大霉素：聚酸酐局部控释制剂治疗骨髓炎庆大霉素：聚酸酐局部控释制剂治疗骨髓炎胰岛素依赖型糖尿病胰岛素依赖型糖尿病生物材料导论 郎美东聚原酸酯生物材料导论 郎美东聚原酸酯I聚原酸酯聚原酸酯I生物材料导论 郎美东聚原酸酯II聚原酸酯聚原酸酯II生物材料导论 郎美东聚原酸酯II自调式给药系统：胰岛素自调式给药系统：胰岛素pH敏感系统敏感系统短期给药短期给药长期给药长期给药生物材料导论 郎美东聚原酸酯III生物材料导论 郎美东聚原酸酯IV生物材料导论 郎美东碳酸酯与骨组织整合与骨组织整合生物材料导论 郎美东磷酸酯促进神经轴突再生，炎症反应小促进神经轴突再生，炎症反应小生物材料导论 郎美东聚磷腈二氯环三磷腈聚二氯磷腈生物材料导论 郎美东聚磷腈结构特性没有形成长程共轭：聚磷腈高分子主链具有良好的柔性兼有无机和有机聚合物性能Tg低低热稳定性高、阻燃、热稳定性高、阻燃、耐水、耐油、耐溶剂和化学品、耐辐射、耐低温耐水、耐油、耐溶剂和化学品、耐辐射、耐低温生物材料导论 郎美东生物降解聚磷腈氨基酸酯聚磷睛烷氧基聚磷睛二咪唑基聚磷睛生物材料导论 郎美东氨基酸类聚合物氨基酸氨基酸/非氨基酸共聚物非氨基酸共聚物聚氨基酸聚氨基酸假性聚氨基酸假性聚氨基酸生物材料导论 郎美东氨基酸类聚合物特点降解产物：无毒降解产物：无毒侧基官能团侧基官能团细胞亲和性细胞亲和性降解速度降解速度生物材料导论 郎美东组织工程是应用细胞生物学和工程组织工程是应用细胞生物学和工程学的原理，在正确认识哺乳动物正学的原理，在正确认识哺乳动物正常及病理两种状态下的组织结构与常及病理两种状态下的组织结构与功能关系的基础上，研究和开发关功能关系的基础上，研究和开发关于修复、维护和促进人体各种组织于修复、维护和促进人体各种组织器官功能和形态的一门新学科。器官功能和形态的一门新学科。如何理解组织工程相关材料如何理解组织工程相关材料 生物材料导论 郎美东细胞外基质细胞外基质(Extracellular Matrix,ECM)细胞外基质是在机体发育过程中细胞外基质是在机体发育过程中由细胞分泌到细胞外空间的各种由细胞分泌到细胞外空间的各种大分子经进一步发生物理和化学大分子经进一步发生物理和化学变化而成为组成间质和上皮变化而成为组成间质和上皮-血管血管中基质的不溶性结构成份，中基质的不溶性结构成份，生物材料导论 郎美东组织工程的一个关键的问题是组织工程的一个关键的问题是如何制造出理想的细胞外基质如何制造出理想的细胞外基质 生物材料导论 郎美东三维支架作为组织工程研究的人工细三维支架作为组织工程研究的人工细胞外基质胞外基质ECM，为细胞的黏附、生为细胞的黏附、生长、繁殖、新陈代谢、形成新的组织长、繁殖、新陈代谢、形成新的组织和器官提供各式支持。理想的组织工和器官提供各式支持。理想的组织工程细胞外基质材料除了应符合生物安程细胞外基质材料除了应符合生物安全性的要求，即对人体无毒性、无致全性的要求，即对人体无毒性、无致敏性、无刺激性、无遗传毒性和无致敏性、无刺激性、无遗传毒性和无致癌性外，还必须具有如下特征：癌性外，还必须具有如下特征：生物材料导论 郎美东良好的生物相容性；良好的生物相容性；良好的生物降解性及降解速度可调性；良好的生物降解性及降解速度可调性；具有三维多孔结构，孔隙率最好达具有三维多孔结构，孔隙率最好达90%以上；以上；良好的可塑性和良好的机械强度；良好的可塑性和良好的机械强度；良好的细胞界面：具有良好的表面活性，良好的细胞界面：具有良好的表面活性，利于细胞粘附、生长、增殖和分泌基质提利于细胞粘附、生长、增殖和分泌基质提供良好的微环境；供良好的微环境；不引发机体的免疫排斥反应不引发机体的免疫排斥反应 生物材料导论 郎美东（1 1）可降解高分子材料：主要有聚羟基乙酸、聚）可降解高分子材料：主要有聚羟基乙酸、聚乳酸、聚羟基乙酸与聚乳酸的共聚物等。乳酸、聚羟基乙酸与聚乳酸的共聚物等。（2 2）陶瓷类材料：研究较多较成熟的主要有多孔）陶瓷类材料：研究较多较成熟的主要有多孔羟基磷灰石、磷酸三钙等。羟基磷灰石、磷酸三钙等。（3 3）复合材料：将有机高分子材料如聚羟基乙酸、）复合材料：将有机高分子材料如聚羟基乙酸、聚乳酸等与无机材料如羟基磷灰石复合，或将羟聚乳酸等与无机材料如羟基磷灰石复合，或将羟基磷灰石与胶原、生长因子如骨形态发生蛋白复基磷灰石与胶原、生长因子如骨形态发生蛋白复合形成复合材料，可克服单纯材料的缺点，并能合形成复合材料，可克服单纯材料的缺点，并能综合其优点。综合其优点。（4 4）生物衍生材料：生物组织经过处理后获得的）生物衍生材料：生物组织经过处理后获得的材料称为生物衍生材料。材料称为生物衍生材料。生物材料导论 郎美东生物医用高分子材料生物医用高分子材料按材料与活性组织的相互作用按材料与活性组织的相互作用关系分类可以分为关系分类可以分为 生物材料导论 郎美东（1）生物惰性（）生物惰性（Bioinert）高分子材料高分子材料 生物惰性是指材料在体内能保持稳定，生物惰性是指材料在体内能保持稳定，几乎不发生化学反应。该类高分子材料几乎不发生化学反应。该类高分子材料植入生物体内后，基本上不发生化学反植入生物体内后，基本上不发生化学反应和降解反应，不变性，它所引起的组应和降解反应，不变性，它所引起的组织反应是围绕植入体的表面形成一层纤织反应是围绕植入体的表面形成一层纤维包膜，与组织间的结合主要是靠组织维包膜，与组织间的结合主要是靠组织长入其粗糙表面或孔中，从而形成一种长入其粗糙表面或孔中，从而形成一种物理嵌合。物理嵌合。生物材料导论 郎美东（2）生物活性（）生物活性（Bioactive）高分子材料高分子材料 生物活性概念原意是指植入材料能够与周生物活性概念原意是指植入材料能够与周围组织发生相互作用，在材料围组织发生相互作用，在材料-组织界面上组织界面上诱导出特殊的生物或化学反应，这种反应诱导出特殊的生物或化学反应，这种反应导致材料和组织之间形成化学键合。目前导致材料和组织之间形成化学键合。目前一种广义的解释为生物活性是增进细胞活一种广义的解释为生物活性是增进细胞活性或促进新组织再生的性质。因此生物活性或促进新组织再生的性质。因此生物活性材料，除了生物活性植入体之外，还包性材料，除了生物活性植入体之外，还包括高分子药物、诊断试剂、高分子修饰的括高分子药物、诊断试剂、高分子修饰的生物大分子治疗剂等。生物大分子治疗剂等。生物材料导论 郎美东1)生物稳定性；生物稳定性；2)物理和力学稳定性；物理和力学稳定性；3)易于加工成型；易于加工成型；4)材料价廉易得；材料价廉易得；5)便于灭菌消毒；便于灭菌消毒；医用高分子材料本身性能的要求医用高分子材料本身性能的要求 生物材料导论 郎美东对医用高分子材料的人体效应的要求对医用高分子材料的人体效应的要求 1)1)无毒无毒-即化学惰性；即化学惰性；2)2)无热原反应；无热原反应；3)3)不致癌、不致畸；不致癌、不致畸；4)4)不引起过敏反应或干扰肌体的免疫不引起过敏反应或干扰肌体的免疫机理；机理；5)5)不破坏邻近组织，也不发生材料表不破坏邻近组织，也不发生材料表面钙化沉积；面钙化沉积；6)6)良好的血液相容性。良好的血液相容性。生物材料导论 郎美东降解生物材料降解的因素降解生物材料降解的因素 环境因素：包括水、温度、环境因素：包括水、温度、pH值、氧值、氧气等；气等；聚合物分子结构：包括聚合物结构；聚合物分子结构：包括聚合物结构；官能团；支化和交联；材料聚集态；材官能团；支化和交联；材料聚集态；材料表面特征等。料表面特征等。生物材料导论 郎美东材料降解方式材料降解方式 生物降解：主要指在材料在微生物和生物降解：主要指在材料在微生物和酶的作用下的水解；酶的作用下的水解；化学降解：包括氧化降解，臭氧降解化学降解：包括氧化降解，臭氧降解和水解降解等；和水解降解等；物理化学降解：包括热降解、光降解、物理化学降解：包括热降解、光降解、放射线降解、超声波降解、机械降解等；放射线降解、超声波降解、机械降解等；环境降解：是生物降解、化学降解和环境降解：是生物降解、化学降解和物理化学降解的综合。物理化学降解的综合。生物材料导论 郎美东可降解生物医用材料的应用可降解生物医用材料的应用 可降解生物医用材料可望彻底解决生物材可降解生物医用材料可望彻底解决生物材料在生物体内应用时面临的界面问题。主料在生物体内应用时面临的界面问题。主要用途有组织工程、药物控释、介入治疗、要用途有组织工程、药物控释、介入治疗、骨折内固定材料、外科手术缝线等。骨折内固定材料、外科手术缝线等。生物材料导论 郎美东图图1 1生物医用材料三个不同的发展阶段及其特点生物医用材料三个不同的发展阶段及其特点第一代（第一代（1950s）特点：生物惰性特点：生物惰性第二代（第二代（1980s）特点：生物活性或特点：生物活性或生物可吸收性生物可吸收性第三代（第三代（2000）特点：特点：生物活性和生物活性和生物可吸收性生物可吸收性生物材料导论 郎美东作作 业业试比较尼龙纤维、羊肠线、聚乳酸试比较尼龙纤维、羊肠线、聚乳酸纤维（纤维（PLAPLA）作为外科手术缝合线作为外科手术缝合线的优缺点。的优缺点。