生物吸收功能高分子瞻望

学号：xx xxxx 课程名称： 　　　　精细高分子 题　　目： 生物吸收功能高分子瞻望 学 院： xx 专 业： xx 班 级： xx 姓 名： xx　　　 指导教师： xx　　　　 完成日期： 2011 年 5月10日 生物吸收功能高分子瞻望 摘要：本文论述了生物医用吸收功能高分子的发展概况以及对未来应用的展望，重点介绍天然高分子胶原及明胶在生物医用高分子的特性及其共混物在医疗器械中的应用。 关键词：高分子材料；明胶；生物医疗科学 Abstract:This thesis illustrates the function and the development of the absorbed biomedical polymer and the application prospect in the future , specialy introducing the material characteristic of biomedical polymer of collagen and gelatin and the application of the blendings to the collagen and gelatin in medical devices. Key Words:High pllymer meterial, Gelatin, Biomendical sciences 1 引言 1.1历史背景 生物材料（Biological materials）又称生物工艺学或生物技术。应用生物学和工程学的原理，对生物材料、生物所特有的功能，定向地组建成具有特定性状的生物新品种的综合性的科学技术。生物工程学是70年代初，在分子生物学、细胞生物学等的基础上发展起来的，包括基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程等，他们互相联系，其中以基因工程为基础。只有通过基因工程对生物进行改造，才有可能按人类的愿望生产出更多更好的生物产品。而基因工程的成果也只有通过发酵等工程才有可能转化为产品。 目前世界各国对生物工程十分重视，我国也把生物工程列为重点发展的科研项目之一。生物工程学的研究将对人类的生产方式和生活方式产生巨大的影响。生物材料的发展已经有非常民的历史，自人类认识了解材料起，就有了生物材料端倪。早在公元前3500年，古埃及人就利用棉花纤维、马鬃做缝合线；16世纪开始用黄金板修复颚骨，陶材做齿根；用金属固定内骨板以及用金属种植才齿等。随着医学以及材料学的发展，尤其是新型材料的研究开发成功，如20世纪40年代高分子材料的人力发展，为生物材料的研究与应用提供了极大的发展机会。目前可以说从人体天灵盖到脚趾骨、从内脏到皮肤从血液到五官，除了脑以及人多数内分泌器官外，都可用人工器官来代替。医学水平的提高以及人类生活质量的改善，也促进了生物材料的发展。 1.2研究现状 在人类认识到了环境问题的严重，越来越意识到绿色化学的重要行，因此，人工合成的功能高分子，正在被生物功能高分子所替代。人口激增，资源锐减，工业化的要求使环境进一步恶化，而人口老龄化，也决定了医学的提高。按照美国《绿色化学》(GreenChemistry)杂志的定义,绿色化学是指:在制造和应用化学产品时应有效利用(最好可再生)原料,消除废物和避免使用有毒的和危险的试剂和溶剂。而今天的绿色化学是指能够保护环境的化学技术.它可通过使用自然能源,避免给环境造成负担、避免排放有害物质.利用太阳能为目的的光触媒和氢能源的制造和储藏技术的开发,并考虑节能、节省资源、减少废弃物排放量。 功能高分子材料在医药、环境保护等领域有着广泛的应用。随着功能高分子材料在生物相容性和环境友好性等方面的不断发展，对功能高分子材料的合成原料和方法提出了更高的要求。[1]生物材料的定义很多，归纳起来可理解为生物材料是一类用于人工器官、修复、理疗康复、诊断、检查、治疗疾病等医疗保健领域，对人体组织、血液不致产生不良影响的功能材料。在如今，功能高分子材料迅速发展的时代，为生物高分子的研究与应用提供了极大的发展机会。生物医用高分子材料是生物材料的重要组成部分，它发展最早、应用最广用量最大、品种繁多。目前可以说从人体天灵盖到脚趾骨、从内脏到皮肤，从血液到五官，除了脑以及大多数内分泌器官外，都可用人工器官来代替 。 能被应用到医疗器械领域的高分子材料对其性能要求十分苛刻，主要要求为：（1）生物相容性。生物相容性是描述生物医用材料与生物体相互作用情况的。是作为医用材料必不可少的条件，包括血液相容性、组织相容性、生物降解吸收性。（2）生物功能性。生物功能性是指生物材料具有在其植入位置上行使功能所需要的物理和化学性质，具体有：可检查、诊断疾病，可辅助治疗疾病，可满足脏器对维持或延长生命功能的性能要求，可改变药物吸收途径，控制药物释放速度、部位、满足疾病治疗要求的功能等。（3）无毒行。无毒性即化学惰性。此外，还应具备耐生物化，物理和力学稳定性，易加工成型，材料易得、价格适当，便于消毒灭菌，以及还要防止在医用高分子材料生产、加工过程中对人体有害的物质。[2] 由于生物相容性是生物材料研究中始终贯穿的主题，因此，天然高分子在医学中的应用就显得十分重要了。天然大分子材料，如胶原、明胶、透明质酸、壳聚糖和海藻酸钠及其衍生物， 其优点在于可以作为组织填充物而长期存在，有较好的组织相容性和亲和性，完整的天然大分子材料内可能存在着某些复合生长因子，可诱导调节细胞的生长、繁殖、分化等。[3]但是，自然界中植物或动物提供的生物大分子，并不能够满足医学的需要，因此，对天然高分子的构型研究及实验室合成，乃至最后工业化的生产就显得极为重要。 本文就对这种天然高分子材料的结构、物理化学性质、生物学功能及其应用进行简单的介绍。 2 胶原及明胶 2.1 胶原——重要的绿色生物医用高分子 胶原(collagen)是由动物细胞合成的生物大分子，是生物体内一种纤维状蛋白质，也是一族具有很高抗张强度的硬蛋白质，广泛存在于动物骨、腱、软骨和皮肤及其它组织结构中，是哺乳动物体内含量最多的蛋白质，约占人体蛋白质或其他动物体总蛋白含量的25％~33％。胶原是自然界中主要可再生资源之一，如何将其充分利用越来越被化学家所广泛关注。1983年牛津大词典给collagen的定义是“结缔组织的组成成分，煮沸时产生胶质”。胶原分子具有独特的三股螺旋结构，分子链由氨基酸组成，常为甘氨酸。胶原一般为白色、透明、无分支的原纤维，具有四级结构。[4-5] 现在普遍认为:胶原大分子即原胶原，是一个长约280nm，直径1.4-1.8nm分子量约300,000的细长的棒状结构，由三条等长的多肤链组成。这三条链向一个共同的轴盘绕成一个细长的右旋超螺旋体。胶原大分子含18种α-氨基酸。胶原的氨基酸组成很稳定，其中，甘氨酸占1/3，脯氨酸和轻基脯氨酸约占1/5。谷氨酸占1/9。在大分子链中大部分是每3个氨基酸中有一个甘氨酸，即可以表示为“甘-X-Y”（GIy-X-Y），而在分子链的中性区域中最常见的排列次序是“甘-脯-”(Gly-Pro-X)。根据原胶原分子组成的肤链结构不同，胶原分为若干类型，如成纤维细胞的细胞外基质中胶原类型为I型，而关节软骨细胞的细胞外基质中则富含n型胶原。胶原在体内是白色不透明无支链的纤维，嵌没在粘多糖及其他蛋白质的骨架之中，其数量决定于组织的种类和动物的年龄。利用组织学的染色技术，它们的溶胀倾向和受热到60℃时激烈的收缩等特性，很容易将胶原纤维确认出来。[5-7] 胶原在体外不能如体内那样具有很强的拉伸强度，因此需要交联或者与其他物质形成共混物，来提高其力学强度。也因此，化学家们找到了胶原的部分变性衍生物——明胶，从而产生了新的结构，形成了新的性质，对有效地利用胶原有了更好的方式。 2.1明胶 2.1.1明胶的结构 明胶是胶原部分水解而得到的一类蛋白质，明胶与胶原具有同源性。明胶不溶于冷水，但可缓慢吸水膨胀软化，可溶于热水，其作为一种生物体中的硬蛋白质胶原，能赋予其连接组织一些长久行的特征，日机械强度、促进血液凝结等。 明胶的氨基酸组成与胶原相似。但因预处理的差异，组成成分也可能不同。不同规格的明胶分子录一般为15000~250000Da。当胶原蛋自的分子水解时，三股螺旋互相拆开，其肽链有不同程度的分离和断裂。原性降低。实验证明明胶生物相容性良好，它在体内酶、盐等的作用下可自行降解，降解的低分子氨基酸可被人体吸收，或者通过排泄系统排出体外，不会给机体带来毒性。胶原及明胶可以加工成膜状、海绵状及凝胶等形态，与经基磷灰石、壳聚糖、GAGS等复合，形成类似天然细胞外基质的材料，应用于皮肤、软骨、骨、神经等组织的修复。然而单一的胶原蛋白构建三维多孔网状结构的能力较差，降解速率过快。因此常常加入第二组分以增强支架的机械性能、耐降解性能以及生物相容性。[8-9] 2.1.2 明胶的性质和性能 明胶的理化性质：（1）凝胶化：当明胶凝胶受到环境刺激时会随之响应，即当溶液的组成、pH值、离子强度发生变化和温度、光强度、电场等刺激信号发生变化时，或受到特异的化学物质刺激时，凝胶就会发生突变，呈现出相转变行为叫作凝胶化。（2）胶体和乳化性质：明胶是一种有效地保护胶体，可以阻止晶体或离子的聚集，用以稳定非均相悬浮液，在水包油的分散体药剂中作为乳化剂。（3）两性电解质：明胶分子与其他蛋白质一样，在不同pH溶液中，可形成正离子、负离子或两性离子。加入与明胶分子所带电荷相反的聚合物能使明胶从溶液中析出。明胶的生物学性能：（1）生物相容性：明胶是一种天然的高分子材料，其结构与生物体组织结构相似，因此具有良好的生物相容性。（2）生物可降解性：明胶作为一种天然的水溶性的生物可降解高分子材料，其优点就是降解产物易被吸收而不产生炎症反应。在应用明胶的可降解性时，经常对其进行化学修饰，调控其降解速度以适应不同的需要。[10] 2.1.3 明胶的用途 明胶用途极为广泛，目前国外及国内均已有几十个行业用明胶作配套材料，如医药、感光材料、食品、化工、纺织品、化妆品等部门，用量直线上升。（1）医药原料：在医药上，明胶血浆代用品有氧化聚合明胶、变性液化明胶、尿素多联明胶等用于抗休克药物。因此，在平时和战时广泛用于各种外科止血。（2）制剂中的作用：药物制剂中，常用作延效剂、药物基质和生化药物冻于剂的支持剂。作为药物胶囊剂是以食用明胶为主要原料，辅料有甘油、琼脂、食用色素、防腐剂等，模压成空胶囊，胶囊剂不仅外表整洁美观，容易吞服，而且可掩饰药物不适的臭味、苦味、异味；并且在胃内崩解快，一般服后几分钟即能崩解释放药物，疗效比片剂更快。因此明胶在药物制剂中的应用极有发展前途。（3）组织工程中的应用：组织生长是复杂的调控过程，生长因子在细胞增殖与分化的不同阶段会对组织再生发挥作用。通过改变交联度来改变明胶的降解，以调节生长因子的释放。[11] 2.1.4 明胶相关产品的临床应用 明胶在医药行业有关广泛的用途，最主要有硬胶囊、软胶囊、代血浆和包衣等。此外，明胶还用作敷料，如锌明胶和温拿氏糊剂等。治万口腔溃疡的贴膜采用明胶和按甲基纤维素钠及甘油作膜材，粘着性较好。明胶还可制成止血海绵等。其相关产品的临床应用见表1。[12] 表1 3 发展前景 科技进步日新月异，二战以来，现代科学技术取得了许多重大进展。其速度之快、规模之大、作用之广、影响之深为历史上所没有的。尤其进入90年代后，科学技术的迅猛发展连科学家们都为之震惊。现代科学技术不只是在个别的科学理论上、个别的生产技术上发展，而是各门科学和技术相互交叉融合，从而出现了许多新飞跃。 医药和材料是人类健康和工业技术的物质基础。新医药和新材料的发明和应用往往是人类社会文明发展进程的里程碑。随着老龄化人口的增加，心脏起搏器、人工晶体、人工髋关节、人工膝关节等生物材料和植入体的需求将会不断增加，再加上由于现代工业、交通、体育事业的发展，创伤治万也需要大量的生物材料器械。目前生物材料相关产品的研究已从植入材料与生物组织的界面相容性、植入材料的力学相容性转移到组织工程材料相关产品的研究。通过建立适当的组织再生环境，调动生物组织的主动修复能力诱导组织再生，组织工程材料的研究为利用细胞培养制造生物材料和人造器官开辟了可普及临床应用的前景。 4 结束语 由于环境恶化、资源匮乏和能源危机的挑战，人类已逐渐认识到保护环境和有效利用资源对实现社会和经济可持续发展的重要性和迫切性。近年来，来源于天然高分子材料的生物复合材料以其环境友好、性能优异、成本低廉等特点越来越多地受到人们的高度重视。胶原和明胶来源广泛，是优良的可再生自然资源之一胶原或明胶与其它天然高分子复合材料的研究与开发尤其符合可持续发展战略。根据这些天然资源各自的结构与性质，深入探寻复合机理和方法，根据应用领域的要求开发新的纯天然生物高分子复合材料品种，开拓其更加广阔的应用领域具有十分重要的意义。 参考文献 [1]赵伟亮.功能高分子材料的制备及性能研究[D].中国科学技术大学,硕士学位论文, 2009,(5):6 [2]章俊,胡兴斌,李雄.生物医用高分子材料在医疗中的应用[J].中国医院建筑与设备,2008.(1):2 [3]葛泉波.生物材料仿生构思[D].天津大学,硕士学位论文, 2005.(1):7 [4]穆畅道.胶原蛋白的提取及其生物膜材料研究[D].四川大学,博士后学位论文.2003.(5):5-6 [5]裴莹,郑学晶,汤克勇.胶原及明胶基天然高分子复合材料研究进展[D].郑州大学材料科学与工程学院. 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