生物材料导论4-合成医用高分子材料可降解1.ppt

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1、生 物 材 料 导 论,郎 美 东博士 教授实验一楼 302Tel:6425 3916 E-mail:April 28,2010,可降解和吸收材料,生物降解性高分子材料(Biodegradable Polymeric Materials)：在一定条件下、一定时间内能被细菌、霉菌、藻类等微生物或其它生物体所降解和吸收的高分子材料,可降解和吸收材料,优点：,界面问题彻底解决,组织工程的基础,可降解和吸收材料,用途：,组织工程材料药物控释材料,可降解和吸收材料,结构特点：,主链中包含有杂原子,结构影响,脂肪族酯键肽键氨基甲酸酯脂肪族醚键亚甲基,结构影响,化学结构分子量共聚退火、结晶条件分子链取向共混

2、,材料降解,生物降解微生物酶解化学降解臭氧降解水解降解氧化降解物理化学降解：热降解、光降解、放射线降解、超声波降解、机械降解环境降解,材料降解-生物学环境,生物学环境：处于生物系统中的生物医用材料周围的情况或条件，包括与其接触的体液、有机大分子、酶、自由基、细胞等多种因素,体液,材料组织界面：物质交换,生物陶瓷材料植入体内后，受体液的侵蚀、溶解等作用，首先材料表面的Ca、P等离子从表面溶解下来，与体液中的Ca、P等离子发生交换并达到平衡。随着体液与材料物质交换的进行，材料的内部离子也参与了反应，同时由于陶瓷材料组成晶体物理性质的差异和材料内部晶界之间存在着内应力，在一定的外界条件下，材料就可能

3、会沿其晶界崩解而产生碎片，从而加速了降解过程。,体液,材料组织界面：物质交换,多孔生物陶瓷人工骨材料颗粒间的连接为颈部连接，在体液的作用下，易发生溶解，以致于降解。材料内部有很多的孔隙，有利于体液的渗入和骨组织的生长，使得与体液接触的晶粒不仅存在于材料组织界面处，也存在于材料深层，加上随着溶解使界面处材料微孔扩大，微血管长入，使材料溶解广泛发生。,生理腐蚀,金属表面会发生氧化反应和还原反应。阳极氧化过程直接导致金属的损失，这就造成了腐蚀的发生。生理腐蚀通常是有害的，金属离子、金属盐和磨损产物进入周围的组织环境中，会导致巨细胞的产生以及细胞和组织的死亡。巨细胞的形成和组织的死亡，可能导致病痛和植

4、入材料自身退变，从而导致植入失效。,生物材料与有机分子的反应,生物材料植入体内后，最先发生的是有机分子在材料表面的吸附，生成吸附层，之后再在有机分子吸附层上诱发进一步的生理反应。,组成吸附量,生物医用高分子材料性能要求,医用高分子材料本身性能的要求生物稳定性物理和力学稳定性易于加工成型材料价廉易得便于灭菌消毒,对医用高分子材料的人体效应的要求无毒-即化学惰性无热原反应不致癌、不致畸不引起过敏反应或干扰肌体的免疫机理不破坏邻近组织，也不发生材料表面钙化沉积良好的血液相容性,生物降解材料基本条件,高分子及其降解产物无毒性，无免疫原性高分子材料的降解和吸收速度必须与生物组织或器官的愈合速度同步具有良

5、好的加工性能以及与替代组织类似的机械性能,基本条件,易消毒和保存原料来源广泛、丰富商品化前景,动力学模型,酯类水解的一级动力学,lnMnlnMn0k1t,分子量变化的对数值与时间成直线关系通过体外水解动力学研究可以预期含酯键材料在体内的降解时间,影响可降解生物材料降解的因素,环境因素水温度pH值氧气,聚合物分子结构聚合物结构官能团支化和交联材料聚集态材料表面特征,生物降解性能的评价方法,土埋试验环境微生物试管试验培养特定的微生物试验酶解试验,生物降解性能的评价依据,质量依据力学性能依据结构变化分解产物检测,制品化中需注意解决的问题,加工稳定性保存稳定性灭菌消毒,聚乙交酯Poly(glycoli

6、c acid),聚丙交酯Polylactide,聚己内酯Poly(-caprolactone),聚戊内酯Poly(valerolactone),聚-癸内酯Poly(-decalactone),聚1,3二氧杂环己-2-酮Poly(1,3-dioxanone),聚1,4二氧杂环己-2-酮Poly(1,4-dioxanone),聚3-羟基丁酸酯Poly(3-hydroxybutyrate),聚3-羟基戊酸酯Poly(3-hydroxyvalerate),聚-苹果酸Poly(-malic acid),聚草酸乙二醇酯Poly(1,4-dioxane-2,3-dione),脂肪族聚酯,骨折内固定材料外科手

7、术缝线药物缓释体系组织工程支架材料,生物降解性医用缝线,1970,Davis and Geck/Dexon,Ethicon/Vicryl,1985,Davis and Geck/Maxon,PDS/聚二氧杂环己烷酮,淀粉(C6H30O5)n,乳酸C3H6O3,丙交酯C6H8O4,二氧化碳和水,聚乳酸(C6H8O4)n,乳酸C3H6O3,绿色材料,阳离子聚合,阳离子聚合,催化剂：,质子酸：HCl,RSO3H路易斯酸：AlCl3,SnCl2烷基化试剂：CF3SO3CH3,阴离子聚合,催化剂：仲、叔丁基锂，碱金属烷氧化物,配位聚合,催化剂,烷基、芳基金属：ZnEt,格氏试剂烷氧基金属:Al(OC3H

8、7)3羧酸盐：硬脂酸锌过渡金属氧化物：ZnO,MgOBF3-OEt2,配位聚合,Stannous octoate异辛酸亚锡,High conversionLow reaction temperatureHigh molecular weightNot easy to racemizeFDA approval as a food stabilizer,Sn(Oct)2,酶催化开环聚合,脂肪酶,80100C催化丙交酯可得高分子量的聚合物,优点：聚合物中无残存的金属离子,聚乙醇酸 Poly(glycolic acid),PGA,聚乙交酯 polyglycolide聚羟基乙酸 poly(hydroxy

9、acetic acid),-羟基酸,坚硬不易磨损不易溶解结晶性强熔点高降解速度快,聚乙醇酸的性质,聚乙醇酸的共聚物,PLA/PGAPCL/PGAPLA/PCL/PGA聚酯酰胺(PEA):羟基乙酸/氨基乙酸,聚磷酸酯/乙交酯,聚乳酸 Poly(lactic acid),PLA,聚丙交酯 polylactide聚-羟基丙酸 poly(hydroxypropionic acid),Stereochemistry-Glyceraldehyde,Fisher projection formulas,(R)-(+)-glyceraldehydeD-(+)-glyceraldehyde,Stereochem

10、istry-Glyceraldehyde,D-(+)-glyceraldehyde,(R)-(+)-glyceraldehyde,(S)-(-)-glyceraldehyde,L-(-)-glyceraldehyde,Cahn-Ingold-Prelog rules:R:Rectus(Latin),Right-handedS:Sinister(Latin),Left-handed,Before 1950sRosanoff:D or L configuration,聚乳酸结构,(S)-(+)-lactic acid,(R)-(-)-lactic acid,(D)-(-)-lactic acid,

11、(L)-(+)-lactic acid,聚乳酸结构,(S,S)-(+)-lactide,(R,R)-(-)-lactide,(R,S)-lactide,内消旋体,1:1外消旋体,聚乳酸结构,(S)-(+)-polylactide,(R)-(-)-polylactide,mirror,聚乳酸结构,(R)-(-)-polylactide,D-(-)-polylactide,乳酸的合成,自然界：L-(-)-乳酸化学合成：D,L-乳酸发酵：葡萄糖乳酸菌发酵，D-or L-乳酸,聚乳酸 的合成,缩聚,开环,Polylactide(PLA),Nontoxic degradation product(app

12、roval in commercial suture application)BiocompatibilityPredictability of biodegradation kineticsEase of fabricationEasy obtained from inexpensive materials,聚乳酸力学性能与分子量之间的关系,拉伸强度/MPa,摩尔质量/103 gmol-1,聚乳酸的物理、力学和降解性能,熔点与配比的关系,L-丙交酯-乙交酯共聚物 结晶 l 无定形 l 结晶,0 25 75 100%乙交酯,D,L-丙交酯-乙交酯共聚物无定形 l 结晶,0 75 100%乙交酯

13、,聚合物降解时间,应用,外科手术移植材料手术缝线药物可控释放基材,尼龙纤维、羊肠线、聚酯类（乳酸）纤维作为外科手术缝合线的优缺点,尼龙纤维强度大、弹性恰当、组织反应小结扣困难，容易松脱、二次手术羊肠线生物可降解吸收、初期弹性小、平滑性优良、结节部位稳定性好分解过快、强度损失快、处理不方便、易引起组织发炎,聚酯类纤维PGA,PGA/PLA共聚物，PGA/三次甲基碳酸酯共聚物生物可降解吸收降解速度可调生物相容性好强度适中,聚羟基脂肪酸酯-微生物合成的天然聚合物,Polyhydroxyalkanoic acid/Polyhydroxyalkanoates PHA,Alcaligenes eutrophus 真养产碱杆菌Pseudomonas oleovorans 食油假单胞菌,什么是高温硫化硅橡胶？医用硅橡胶有哪些用途？,