高分子材料医用研究发展趋势论文

生物材料学作为生命科学和材料科学的前沿性交叉学科，更是优先发展的重点。生物功能材料专业正是根据社会发展的需要，特别是生物医学工程、组织工程和药物释放等交叉学科技术的迅速发展对专业人才的迫切需求而设立的 。生物医用材料的分类生物材料应用广泛，品种很多，有不同的分类方法。通常是按材料属性分为：合成高分子材料（聚氨醋、聚醋、聚乳酸、聚乙醇酸、乳酸乙醇酸共聚物及其他医用合成塑料和橡胶等）、天然高分子材料（如胶原、丝蛋白、纤维素、壳聚糖等）、金属与合金材料（如钦金属及其合金等）、无机材料（生物活性陶瓷，羟基磷灰石等）、复合材料（碳纤维/聚合物、玻璃纤维/聚合物等）。根据材料的用途，这些材料又可以分为生物惰性（bioinert）、生物活性（bioactive）或生物降解（biodegradable）材料。这些材料通过长期植入、短期植入、表面修复分别用于硬组织和软组织修复与替换。生物医用材料由于直接用于人体或与人体健康密切相关，对其使用有严格要求。首先，生物医用材料应具有良好的血液相容性和组织相容性。其次，要求耐生物老化。即对长期植入的材料，其生物稳定性要好；对于暂时植入的材料，耍求在确定时间内降解为可被人体吸收或代谢的无毒单体或片断。还要求物理和力学性质稳定、易于加工成型、价格适当。便于消毒灭茵、无毒无热源、不致癌不致畸也是必须考虑的。对于不同用途的材料，其要求各有侧重。 常用的医学生物材料 一、医用硅橡胶 医用硅橡胶(silicone rubber)是美容外科中应用较广的生物材料(组织代用品).它是高分子有机化合物聚硅酮的一种橡胶样固体形态,又称二甲基硅氧烷。 二、人工骨 随着生物医学和材料的发展,各种人工制备的生物材料植入骨内替代骨移植,临床应用效果好.这些人工合成或提取的植入材料生物相容性好,对骨形成具有明显的诱导作用,被泛称为人工骨(artificial bone)。 一般而言，临床医学对生物医学材料有以下基本的要求：无毒性，不致癌，不致畸，不引起人体细胞的突变和组织细胞的反应；与人体组织相容性好，不引起中毒、溶血凝血、发热和过敏等现象；化学性质稳定，抗体液、血液及酶的作用；具有与天然组织相适应的物理机械特性；针对不同的使用目的具有特定的功能。物质属性分类根据物质属性，生物医学材料大致可以分为以下几种： 1、生物医学金属材料（biomedical metallic materials）医用金属材料是作为生物医学材料的金属或合金，具有很高的机械强度和抗疲劳特性，是临床应用最广泛的承力植入材料，主要有钻合金（co-cr-ni）、钛合金（ti-6a1-4v）和不锈钢的人工关节和人工骨。镍钛形状记忆合金具有形状记忆的智能特性，能够用于矫形外科、心血管外科。 2、生物医学高分子材料（biomedical polymer）生物医学高分子材料有天然的和合成的两种，发展得最快的是合成高分子医用材料。通过分子设计，可以获得很多具有良好物理机械性和生物相容性的生物材料。其中软性材料常用来作为人体软组织如血管、食道和指关节等的代用品；合成的硬材料可以用来作人工硬脑膜、笼架球形的人工心脏瓣膜的球形阀等；液态的合成材料如室温硫化硅橡胶可以用来作注入式组织修补材料。 3、生物医学无机非金属材料或生物陶瓷（biomedical ceramics）生物陶瓷这类医用材料化学性质稳定，具有良好的生物相容性。生物陶瓷主要包括两类。（1）惰性生物陶瓷（如氧化铝、医用碳素材料等）。这类材料具有较高的强度，耐磨性能良好，分子中的键力较强。（2）生物活性陶瓷（如羟基磷灰石和生物活性玻璃等），这类材料具有能在生理环境中逐步降解和吸收，或与生物机体形成稳定的化学键结合的特性，因而具有极为广阔的发展前景。 4、生物医学复合材料（biomedical composites）生物医学复合材料是由两种或两种以上不同材料复合而成的生物医学材料，主要用于修复或替换人体组织、器官或增进其功能以及人工器官的制造。其中钻合金和聚乙烯组织的假体常用作关节材料；碳-钛合成材料是临床应用良好的人工股骨头；高分子材料与生物高分子（如酶、抗源、抗体和激素等）结合可以作为生物传感器。 5、生物医学衍生材料（biomedical derived materials）生物衍生材料是经过特殊处理的天然生物组织形成的生物医学材料，经过处理的生物衍生材料是无生物活力的材料，但是由于具有类似天然组织的构型和功能，在人体组织的修复和替换中具有重要作用，主要用作皮肤掩膜、血液透析膜、人工心脏瓣膜等。编辑本段应用广泛，增长迅速生物医学材料应用广泛，仅高分子材料，全世界在医学上应用的就有90多个品种、1800余种制品，西方国家在医学上消耗的高分子材料每年以10%～20%的速度增长。随着现代科学技术的发展尤其是生物技术的重大突破，生物材料的应用将更加广泛。表1列举了生物医用材料的一些典型应用，其应用之广泛可见一斑。编辑本段生物医学材料发展的主要动力生物医学材料得以迅猛发展的主要动力来自人口老龄化、中青年创伤的增多、疑难疾病患者的增加和高新技术的发展。人口老龄化进程的加速和人类对健康与长寿的追求，激发了对生物材料的需求。作为世界人口最多的国家，中国已进入老龄化国家行列，生物材料的市场潜力将更加巨大。 生活节奏的加快、活动空间的扩展和饮食结构的变化等因素，使创伤成为一个严重的社会问题。我国创伤住院年增长率达7.2%，高居住院人数第2位。美国1998年用于骨骼-肌肉系统损伤患者的治疗费高达1280亿美元，仅骨缺损患者就达123万，其中80%需用生物医学材料治疗。在全球，心脑血管疾病、各种癌症、艾滋病、糖尿病、老年痴呆症等发病率逐年增加，急需用于诊断、治疗和修复的生物材料。 随着生物技术的发展，不同学科的科学家进行了广泛合作，从而使制造具有完全生物功能的人工器官展示出美好的前景。人体组织和器宫的修复，将从简单的利用器械机械固定发展到再生和重建有生命的人体组织和器宫；从短寿命的组织和器官的修复发展至永久性的修复和替换。这一医学革命（特别是外科学），对生命利学和材料等相关学科的发展提出了诸多需求，对生物医学材料的发展产生了重要的促进作用。发展我国生物医学材料的建议生物医用材料学生物医用材料是材料科学与工程的重要分支，其最大特点是学科交叉广泛、应用潜力巨大、挑战性强。随着新材料、新技术、新应用的不断涌现，吸引了许多科学家投人这一领域的研究，成为当今材料学研究最活跃的领域之一。在我国，生物医学材料的研究虽然取得一些令人瞩目的成果，但整体水平不高，跟踪研究多，源头创新少。在产业化方面，生物医学材料及其制品占世界市场的份额不足2%，主要依靠进口，产品技术结构和水平基本上处于初级阶段。结合我国国情和学科发展趋势，按照"有所为，有所不为，重点突破"的原则，我们建议，应在五个方面开展重点研究。 一是生物结构和生物功能的设计和构建原理研究。着重研究具有诱导组织再生的骨、软骨及肌腱等基底材料和框架结构的设计及其仿生装配； 二是表面/界面过程-材料与机体之间的相互作用机制研究。从细胞和分子水平深入研究材料与特定细胞、组织之间的表面/界面作用，揭示影响生物相容性的因素及本质。 三是生物导向性及生物活性物质的控释机理研究。研究可自控或靶向释放蛋白、基因等特异性生物活性物质的材料的设计以及生物导向性原理；用于组织细胞和基因治疗的半渗透聚合物膜的设计、自装配及特异性细胞密封技术； 四是生物降解/吸收的调控机制研究。研究生物降解/吸收材料的分子结构和生物环境对其降解的影响、降解/吸收速度的调控、降解/吸收及代谢机制，以及降解产物对机体的影响。其目标是为组织工程化人工器官生物材料及药物控释材料的自成、改性方法提供理论基础，实现材料参与生命过程和构建生命组织的目的。 五是材料的制备方法学和质量控制体系研究。主要研究生物医用材料及修复体的计算机辅助设计； 通过上述研究的开展，将使我国生物材料的研究水平有较大提高，为我国生物医用材料科学及其产业的发展奠定坚实的基础。编辑本段意义生物医用材料为挽救生命和提高人民健康水平做出了重大贡献，当前正面临重大突破。我国加入 WTO后，生物医用材料产业将面临更大的挑战和更多的机遇，生物材料科学工作者任重而道远。我们相信，在国家的大力支持下，跨部门、跨学科通力合作，通过走自力更生与技术引进相结合的发展之路，在生物材料组织工程化、分子设计、仿生模拟、智能化药物控释等方面重点投人，生物医用材料必将为全面提高人们的生活水乎，造福人类做出更大的贡献。

在世界范围内, 高分子材料的制品属於最年轻的材料.它不仅遍及各个工业领域, 而且已进入所有的家庭, 其产量已有超过金属材料的趋势, 将是 21 世纪最活跃的材料支柱. 高分子材料是有机化合物, 有机化合物是碳元素的化合物.除碳原子外, 其他元素主要是氢、氧在世界范围内, 高分子材料的制品属於最年轻的材料.它不仅遍及各个工业领域, 而且已进入所有的家庭, 其产量已有超过金属材料的趋势, 将是 21 世纪最活跃的材料支柱.高分子材料是有机化合物, 有机化合物是碳元素的化合物.除碳原子外, 其他元素主要是氢、氧、氮等.碳原子与碳原子之间, 碳原子与其他元素的原子之间, 能形成稳定的结构.碳原子是四价, 每个一价的价键可以和一个氢原子键连接, 所以可形成为数众多的、具有不同结构的有机化合物.有机化合物的总数已接近千万种, 远远超过其他元素的化合物的总和, 而且新的有机化合物还不断地被合成出来.这样, 由於不同的特殊结构的形成, 使有机化合物具有很独特的功能.高分子中可以把某些有机物结构(又称为功能团)替换, 以改变高分子的特性.高分子具有巨大的分子量, 达到至少1 万以上, 或几百万至千万以上, 所以, 人们将其称为高分子、大分子或高聚物.高分子材料包括三大合成材料, 即塑料、合成纤维和合成橡胶(未加工之前称为树脂).面向21 世纪的高科技迅猛发展, 带动了社会经济和其他产业的飞跃, 高分子已明确地承担起历史的重任, 向高性能化、多功能化、生物化三个方向发展.21 世纪的材料将是一个光辉灿烂的高分子王国.现有的高分子材料已具有很高的强度和韧性, 足以和金属材料相媲美, 我们日用的家用器械、家具、洗衣机、冰箱、电视机、交通工具、住宅等, 大部分的金属构造已被高分子材料所代替.工业、农业、交通以及高科技的发展, 要求高分子材料具有更高的强度、硬度、韧性、耐温、耐磨、耐油、耐折等特性, 这些都是高分子材料要解决的重大问题.从理论上推算, 高分子材料的强度还有很大的潜力.在提高高分子的性能方面, 最重要的还是制成复合材料第一代复合材料是玻璃钢, 是以玻璃纤维和合成树脂为粘合剂制成.它具有重量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀、导热系数低、易於加工等优良性能, 用於火箭、导弹、船只和汽车躯体及电视天线之中.其后, 人们把玻璃纤维换成碳纤维, 其重量更轻, 强度比钢要高3~5 倍, 这就是第二代的复合材料.如果改用芳纶纤维, 其强度更高, 为钢丝的5 倍.高性能的高分子材料的开拓和创新尚有极大的潜力.科学家预测, 21 世纪初, 每年必须比目前多生产1500~2000 万吨纤维材料才能满足需要, 所以必须生产大量的合成纤维材料, 而且要具有更轻型、耐火、阻燃、防臭、吸水、杀菌等特性.有许多新型纤维, 如轻型空腔纤维、泡沫纤维、各种截面形状的纤维、多组份纤维材料等纷纷被研制出来, 人们可指望会有耐静电、耐脏、耐油, 甚至不会沾灰的纤维材料问世.这些纤维材料将用於宇航天线、宇航反射器、心脏瓣膜和人体大动脉.高分子功能材料, 在高分子王国里是一片百花争艳的盛景.由於高分子的功能团能够替代, 所以只要采用极为简便的方法, 就可以制造各种各样的高分子功能材料.常用的吸水性材料, 如棉花、海绵, 其吸水能力只有本身重量的20 倍, 在挤压时, 已吸收的大部分水将被挤出来.而用淀粉和丙烯腈制成的高分子吸水材料, 它不仅能吸收自身重量数百倍到上千倍的水, 而且受到挤压也不会挤出水来.人们可以期望, 将高吸水性的高分子材料制成能将化学能转变成机械能的装置, 以及具有类似於肌肉的功能或制造测量仪器.在微电子工业的光刻集成块工艺, 常用的光刻胶(又称光致抗蚀材料), 就是能使高分子相连接一种功能团, 光照射时会起化学反应, 使其溶解度降低或提高.应用这种光刻胶制备集成块, 可以使集成块的线宽达到0.1 到0.01 微米(1p毫米), 只有用其他工艺制成的集成块的线宽的1/10 到1/100, 是适合於21 世纪的电子计算机的主要元件mm微细元件的开关.光刻胶并能用於各种精细加工, 如半导体元件, EP 刷线路板, 金属板膜或表面的精细加工、玻璃、陶瓷的精细刻蚀、精密机械零件加工等.高分子功能材料应用在信息工程方面, 已经生产了光电导摄影材料、光信息记录材料、光mm能转换材料, 并都已进入实用阶段.像"当代摩西神树"的离子交换树脂的高分子功能材料也发展很快, 许多高分子离子交换膜、高分子反渗透膜、高分子气体分离膜、高分子透过蒸气膜等都在化学工艺的筛分、沉淀、过滤、蒸馏、结晶、萃取、吸附等过程中获得应 用, 而且分离结果优於其他方法, 可节约大量能量.日本的制盐工业早已用离子交换膜去代替盐田和电解食盐工艺.利用反渗透膜对有机化工、酿造工业的三废进行处理, 可回收胺、酯、醇、醚、酮、酚等重要有机化合物.气体分离膜对不同气体的透过率和选择性不同, 可以利用这一性质从混合气体中选择分离某种气体, 如从空气中富集氧, 从合成氨中回收氢, 从天然气中收集氦, 还可以制备一种水下呼吸器(人工鳃), 它是直接从海水中提取氧的潜水装置, 人类可望能长期生活在海水中, 进入海龙王的宫殿, 分享海龙王海底宁静的幸福生活的梦想可变成现实.还有各种信息转换膜、反应控制膜、能量输送膜等正在研制阶段.一种富有吸引力的生物膜也正在研究之中.生 物膜具有奇特的性能, 不仅能主动起能量、信息、物质的传递作用, 还能参加光合作用及有机物质的生命合成等生命活动.这就是21 世纪的高科技的一颗明珠, 摘取这颗明珠需要有极大的勇气和百折不挠的精神.高分子功能材料的另一极为重要的发展就是用於催促化学反应, 这类高分子功能材料被称为高分子催化剂.早在本世纪40 年代, 人们已经使用一种叫交联磺化聚苯乙烯的离子交换树脂作催化剂, 用於化学反应的各个过程, 如水解、缩合、聚合等.尔后, 这类高分子功能材料发展很快, 高分子金属络合物催化剂接着问世, 它能够在化学反应中加速捕捉金属离子, 实现金属化合物的迅速分离, 在工业生产和工业分析上是一种十分重要的方法.还有高分子金属催化剂, 是促进化合物中金属离子迅速完成化学反应的材料, 它已获得了成功的应用.自然界存在一种最有效的催化剂, 称为酶.这一类高分子材料像酶一样有很强的催化作用, 称为人工合成酶.酶是由氨基酸组成的蛋白质高分子化合物, 它是生物体内各种生物化学反应的高效催化剂, 是性能最优异的天然的高分子功能材料.现在, 各种人工合成酶已经研制成功并逐步投入应用, 其种类越来越多, 科学家根据酶的作用原理试图模仿应用於化学工业的催化剂, 在化学工业上进行一场革命.它可以制作进行化工生产, 可以充分利用再生的生物资源, 以摆脱传统的以石油系列为主要原料的合成工艺, 而且还可用酶的催化原理, 避开传统的合成工艺中的高温, 高压的条件, 在各种物质混合的状态下, 有选择地使特定物质发生化学反应, 使反应物能够不加分离地连续反应至生产出最终产物.这样, 生物反应器将会改变化工企业高塔林立的传统面貌, 不仅能节约能源, 改善工作环境, 同进还可以广开化工资源, 消灭废水、废气和废料(又称三废), 使建立无污染的理想化学工业成为可能.例如天门冬酰胺酶制成的中性树脂的前景就非常光明.高分子材料在医学和生命科学上的应用已有很长的历史, 但是依靠着高科技的进步, 近期来这个领域的发展令人惊讶, 人工心脏瓣膜、人工肺、人工肾、人工血管、人造血液、人工皮肤、人工骨骼、人工关节, 从研制迅速成功到不断完善, 并且已付诸使用.高分子材料制作的手术器械、医护用品已不计其数.高分子材料生物化的最大特色就是控制人的健康和生命, 利用不带药剂性的高分子与其他药剂合成的高分子药剂, 可大大改善治疗效果, 这一类药剂人体易於吸收, 毒性和副作用小.如引起恶心、全身不适等不良反应的抗癌药, 把它们高分子化, 其效果就大大改善, 像抗癌药芳庚酚酮和甲基丙烯酸结合为高分子, 其效果更佳.另一类高分子药物, 本身就有很高的药效, 如合成的聚乙烯吡咯烷酮, 就可以作为血浆的代用品.商品化的聚醚与聚氨酯合成的高分子药物与血浆蛋白质中的白蛋白的亲和力特别高, 相处很融洽, 是一种解决人体血凝的医用高分子材料.纵观上述, 高分子已经成为21 世纪材料科学中强有力的支柱, 高分子材料的发展在21 世纪将会取得更大的成就

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