了得網研究生_生物醫用高分子材料(趙長生)(第二版)

內容簡介

生物醫用高分子材料是生物醫用材料的一個重要組成部分，是一類用於診斷、治療和器官修復與再生的材料，具有延長患者生命、提高患者生存質量的作用，是材料科學、化學、生命科學和醫學交叉的發展領域。
《生物醫用高分子材料》（第二版）從簡述生物醫用高分子材料的基礎知識開始，按照生物醫用高分子材料的使用要求進行章節編排，介紹了生物相容性和安全性評價，醫療診斷用高分子材料，藥物緩釋和控釋用高分子材料，血液淨化用高分子材料，眼科、軟組織替代和再生用高分子材料，硬組織替代和組織工程用高分子材料，醫用高分子材料的設計，共8章。
本書適於作為高分子材料專業及相關專業的教材，並可供從事生物醫學材料研究的技術人員及材料醫學專業師生參考。

作者簡介

趙長生，四川大學高分子科學與工程學院，副院長教授，趙長生，男，1970年5月生，工學博士，教授，博士生導師，中共黨員，*高分子材料與工程專業教學指導委員會，四川省學術和技術帶頭人，四川大學高分子科學與工程學院副院長。2005年*新世紀優秀人纔支持計劃，2008年獲四川省傑出青年基金，2012年獲國家傑出青年科學基金，2013年獲中組部“萬人計劃”——中青年科技創新領軍人纔。
學習簡歷
1987年9月~1991年7月，成都科技大學高分子材料專業，大學本科；
1993年9月~1995年7月，四川大學生物醫學工程專業，碩士（提前攻博）；
1995年9月~1998年6月，四川大學生物醫學工程專業，博士。
工作簡歷
1991年7月~1993年9月，山東合成纖維股份有限責任公司，技術工作；趙長生，四川大學高分子科學與工程學院，副院長教授，趙長生，男，1970年5月生，工學博士，教授，博士生導師，中共黨員，*高分子材料與工程專業教學指導委員會，四川省學術和技術帶頭人，四川大學高分子科學與工程學院副院長。2005年*新世紀優秀人纔支持計劃，2008年獲四川省傑出青年基金，2012年獲國家傑出青年科學基金，2013年獲中組部“萬人計劃”——中青年科技創新領軍人纔。
學習簡歷
1987年9月~1991年7月，成都科技大學高分子材料專業，大學本科；
1993年9月~1995年7月，四川大學生物醫學工程專業，碩士（提前攻博）；
1995年9月~1998年6月，四川大學生物醫學工程專業，博士。
工作簡歷
1991年7月~1993年9月，山東合成纖維股份有限責任公司，技術工作；
1998年7月~2001年9月，四川大學高分子材料繫講師，副教授；
2001年10月~2003年9月，日本北海道大學，博士後；
2003年9月~至今，四川大學高分子科學與工程學院，教授，博導，副院長。
教學方面，作為第二負責人承擔了國家精品課程《材料科學與工程基礎》的講授，主持並主講《生物醫用高分子材料》課程，2005年四川省優秀教學成果一等獎（排名2），2010年四川省優秀教學成果二等獎（排名2），發表教學改革論文7篇。
長期從事聚醚砜材料結構與性能調控的研究，主要從事生物醫用高分子膜材料，及功能高分子材料的研究。承擔國家自然科學基金項目7項，*博士學科點基金2項，*新世紀和回國留學基金各1項，四川省青年基金1項，以及橫向科研課題多項。授權中國發明專利12項，轉讓7項，在Progress in Polymer Science，Biomaterials，Acta Biomaterialia，Analytica Chimica Acta，Journal of Hazardous Materials，Journal of Membrane Science等國際重要期刊上發表學術論文140篇，其中SCI收錄120餘篇，SCI引用1700餘次。

第1章緒論1
1.1高分子科學基礎知識1
1.1.1高分子的基本概念1
1.1.2高分子的分子組成1
1.1.3高分子的分子量3
1.1.4高分子結構4
1.1.5高分子材料的制備5
1.2生物醫用高分子9
1.2.1高分子科學和技術的進步與醫用材料9
1.2.2生物醫用材料10
1.3生物醫用高分子制品的生產環境及消毒滅菌11
1.3.1生產環境11
1.3.2消毒滅菌15
1.4生物醫用高分子研究開發相關的問題17第1章緒論1
1.1高分子科學基礎知識1
1.1.1高分子的基本概念1
1.1.2高分子的分子組成1
1.1.3高分子的分子量3
1.1.4高分子結構4
1.1.5高分子材料的制備5
1.2生物醫用高分子9
1.2.1高分子科學和技術的進步與醫用材料9
1.2.2生物醫用材料10
1.3生物醫用高分子制品的生產環境及消毒滅菌11
1.3.1生產環境11
1.3.2消毒滅菌15
1.4生物醫用高分子研究開發相關的問題17
1.4.1生物醫用高分子材料及制品的研究特色17
1.4.2醫療經濟和醫療產業17
習題18
參考文獻18
第2章生物相容性和安全性評價20
2.1醫用高分子的基本功能20
2.1.1物理性能21
2.1.2物理化學性能23
2.1.3生物體適應的種類25
2.2材料與生物體的相互作用26
2.2.1材料與血液的作用27
2.2.2材料與蛋白質的相互作用30
2.2.3材料與細胞的相互作用31
2.2.4材料與組織的相互作用32
2.2.5高分子材料在生物體內的變化34
2.3醫用材料的生物相容性35
2.3.1生物相容性的分類35
2.3.2組織相容性36
2.3.3血液相容性37
2.4生物相容性的評價37
2.4.1生物學評價項目的選擇37
2.4.2生物學評價試驗方法及特點43
2.5生物材料降解的評價方法49
2.5.1降解機制50
2.5.2材料在體內的吸收和排洩51
2.5.3影響降解的因素和降解速率的調控52
2.5.4降解材料的制品化及應用53
2.6生物學評價與新材料研究53
2.6.1新材料的設計和研究53
2.6.2建立新的生物相容性的試驗方法54
2.7生物相容性研究及評價展望54
2.7.1生物相容性研究內容55
2.7.2生物相容性評價方法55
習題55
參考文獻56
第3章醫療診斷用高分子材料57
3.1診斷用微球57
3.1.1高分子微球的制備方法58
3.1.2高分子親和微球的制備方法63
3.1.3高分子微球在醫療診斷中的應用65
3.2診斷用磁性粒子68
3.2.1磁性高分子微球的制備方法69
3.2.2磁性高分子微球的表面功能化70
3.2.3磁性微球在醫療診斷中的應用71
3.3高分子材料在診斷生物傳感器中的應用72
3.3.1生物傳感器用高分子固定化載體73
3.3.2應用舉例77
習題79
參考文獻79
第4章藥物緩釋和控釋用高分子材料81
4.1緒論81
4.2緩、控釋制劑釋藥原理84
4.2.1溶出原理84
4.2.2擴散原理84
4.2.3溶蝕與擴散、溶出結合86
4.2.4滲透壓原理86
4.2.5離子交換作用86
4.3緩、控釋制劑設計的影響因素87
4.3.1理化因素87
4.3.2生物因素88
4.4緩、控釋制劑的分類88
4.4.1貯庫型（膜控制型）88
4.4.2骨架型（基質型）91
4.4.3滲透泵型控釋制劑92
4.4.4微囊和微粒型控釋制劑94
4.5口服脈衝釋放釋藥繫統和結腸定位給藥繫統96
4.5.1口服脈衝釋放釋藥繫統96
4.5.2結腸定位給藥、釋藥繫統96
4.5.3植入型控釋給藥繫統97
4.6常用高分子材料在緩、控釋領域中的應用98
4.6.1天然高分子藥用材料98
4.6.2半合成高分子藥用材料102
4.6.3全合成高分子藥用材料105
4.7緩釋包衣膜的處方組成114
4.7.1包衣水分散體114
4.7.2包衣膜增塑劑及其選擇原則115
4.7.3包衣致孔劑116
4.7.4包衣抗黏劑116
4.8高分子載體輔助的緩、控釋藥物116
4.8.1緩、控釋藥物種類116
4.8.2靶向給藥繫統117
4.8.3基因治療與非病毒基因載體118
4.9緩、控釋給藥繫統研究現狀及發展趨勢119
習題122
參考文獻122
第5章血液淨化用高分子材料124
5.1血液淨化技術124
5.1.1血液淨化的方式124
5.1.2血液淨化用高分子材料126
5.2血液透析130
5.2.1血液透析的基本原理和設備130
5.2.2血液透析及其技術138
5.3血液濾過及血液透析濾過143
5.3.1概述143
5.3.2血液濾過的基本原理143
5.3.3血液濾過的血液動力學特點145
5.3.4血液濾過對代謝的作用145
5.3.5血液濾過的臨床應用145
5.4血液灌流147
5.4.1血液灌流發展史147
5.4.2血液灌流原理147
5.4.3血液灌流用材料147
5.4.4臨床應用154
5.5血漿分離（或血漿置換）154
5.5.1血漿分離方法155
5.5.2血漿分離治療的適應證和並發癥159
5.5.3血漿分離用膜材料159
5.6腹膜透析159
5.6.1腹膜透析簡介159
5.6.2腹膜透析原理與技術160
5.6.3腹膜透析的適應證和禁忌證164
5.7人工肺164
5.7.1肺及人工肺的功能165
5.7.2中空纖維膜人工肺165
5.8人工肝165
5.8.1人工肝原理及分類166
5.8.2非生物型人工肝166
5.8.3生物型人工肝及其材料166
5.9血液淨化用中空纖維膜168
5.9.1高分子膜的制備方法168
5.9.2中空纖維膜的制備169
5.9.3典型的血液淨化用中空纖維膜170
習題173
參考文獻173
第6章眼科、軟組織替代和再生用高分子材料177
6.1眼科材料177
6.1.1眼科對高分子材料的要求177
6.1.2隱形眼鏡178
6.1.3人工角膜179
6.1.4人工晶狀體179
6.1.5人工淚管181
6.1.6義眼、活動義眼、人工眼球181
6.1.7人工玻璃體181
6.1.8眼用長效藥膜181
6.2軟組織替代和再生用高分子材料182
6.2.1組織引導材料182
6.2.2組織誘導材料183
6.2.3組織隔離材料184
6.2.4皮膚修復和再生用高分子材料185
6.2.5人工皮膚191
6.2.6人工肌肉193
6.2.7其他軟組織及其所用高分子材料194
習題196
參考文獻196
第7章硬組織替代和組織工程用高分子材料198
7.1牙科用高分子材料198
7.1.1牙齒的結構198
7.1.2牙科用高分子材料198
7.2骨組織修復和再生用高分子材料202
7.2.1骨組織的組成與結構202
7.2.2骨組織工程支架材料應具備的條件203
7.2.3合成高分子支架材料204
7.2.4天然高分子支架材料204
7.2.5復合支架材料205
7.3組織工程支架用高分子材料208
7.3.1 組織工程的原理和方法208
7.3.2組織工程支架材料209
7.3.3組織工程支架的研究與制備方法213
習題216
參考文獻217
第8章醫用高分子材料的設計221
8.1緒言221
8.2高分子設計的基本理論221
8.2.1高分子的結構和性質221
8.2.2聚合物特性的定量理論223
8.2.3聚合物分子設計的定性解析224
8.2.4高分子設計的一般方法225
8.3醫用高分子的設計226
8.3.1醫用高分子的條件和特殊性能要求226
8.3.2生物醫用聚氨酯226
8.3.3藥用高分子的設計226
習題227
參考文獻227

前言

前言
生物醫用高分子材料是生物醫學材料中發展早、應用廣泛、用量大的材料之一，也是一類正在迅速發展的材料。它既可以來源於天然產物，又可以人工合成。目前，國內外對生物醫用高分子材料的研究非常熱門，但用作繫統講授生物醫用高分子材料專業課程的教材並不多。
由四川大學主編的《生物醫用高分子材料》於2006年被列入普通高等教育“十一五”規劃教材，於2009年3月正式出版發行，之後重印，並在多個學校獲得使用。2011年該教材被列入四川省“十二五”普通高等教育本科規劃教材。該教材在使用過程中得到了大家的認可，但也存在許多需要改進的地方。
在廣泛征求授課教師和使用單位的意見和建議後，四川大學對《生物醫用高分子材料》教材進行修訂。與2009年版教材相比，主要修訂如下。
（1）將原教材的章節進行了梳理和重排。按照對生物醫用高分子材料的使用要求進行章節的編排，首先是緒論，第2章是生物相容性相關內容，之後是按照診斷用高分子材料、藥用高分子材料、治療用高分子材料（包括血液淨化用、軟組織用和硬組織用高分子材料）的順序進行編排，章節的排序更具有邏輯性。
（2）在第1章緒論中增加了高分子科學基礎知識的內容，便於非高分子專業學生在學習生物醫用高分子材料之前先了解一些高分子基礎知識。前言
生物醫用高分子材料是生物醫學材料中發展早、應用廣泛、用量大的材料之一，也是一類正在迅速發展的材料。它既可以來源於天然產物，又可以人工合成。目前，國內外對生物醫用高分子材料的研究非常熱門，但用作繫統講授生物醫用高分子材料專業課程的教材並不多。
由四川大學主編的《生物醫用高分子材料》於2006年被列入普通高等教育“十一五”規劃教材，於2009年3月正式出版發行，之後重印，並在多個學校獲得使用。2011年該教材被列入四川省“十二五”普通高等教育本科規劃教材。該教材在使用過程中得到了大家的認可，但也存在許多需要改進的地方。
在廣泛征求授課教師和使用單位的意見和建議後，四川大學對《生物醫用高分子材料》教材進行修訂。與2009年版教材相比，主要修訂如下。
（1）將原教材的章節進行了梳理和重排。按照對生物醫用高分子材料的使用要求進行章節的編排，首先是緒論，第2章是生物相容性相關內容，之後是按照診斷用高分子材料、藥用高分子材料、治療用高分子材料（包括血液淨化用、軟組織用和硬組織用高分子材料）的順序進行編排，章節的排序更具有邏輯性。
（2）在第1章緒論中增加了高分子科學基礎知識的內容，便於非高分子專業學生在學習生物醫用高分子材料之前先了解一些高分子基礎知識。
（3）原教材中的第2章和第3章合並為一章，內容做了適當刪減，全部講述生物相容性相關知識。
（4）原教材第4章中，血液透析內容過多，進行了適當刪減。
（5）原教材第4章眼科材料與軟組織用高分子材料合並為一章。
（6）原教材第4章牙科材料與硬組織材料合並為一章。
（7）在第7章支架材料制備中，增加了一些新的制備方法，如自組裝、3D打印技術等。
本次修訂由趙長生提出修訂提綱，統稿由趙長生、孫樹東共同完成。參加教材修訂的人員：趙長生（第1章、第5章）、盧婷利（第1章，第7章）、蘇白海（第5章）、孫樹東（第2章、第3章，第6章）、李建樹（第4章）、李潔華（第3章）、趙偉鋒（第8章）。
由於編者時間、知識和能力所限，本次修訂仍存在一些不盡之處，今後還需進一步修改和完善，如增加生物醫用高分子材料表面處理和改性等內容。

趙長生
2016年2月

版前言
生物醫用材料是指具有特殊性能、特殊功能，用於人工器官外科修復、理療康復、診斷、檢查、治療疾患等醫療、保健領域,而對人體組織、血液不致產生不良影響的材料。國際標準化組織(ISO)法國會議專門定義的“生物材料”就是生物醫學材料，它是指“以醫療為目的，用於與組織接觸以形成功能的無生命的材料”。
生物醫用高分子材料是生物醫用材料的一個重要組成部分，是一類用於診斷、治療和器官修復與再生的材料，具有延長病人生命、提高病人生存質量的作用，是材料科學、化學、生命科學和醫學交叉的發展領域。其研究與開發既有重大的社會需求，也有重大的經濟需求。高性能醫用高分子材料和器械是現代醫學各種診斷和治療技術賴以存在的基礎，並不斷推動各種新診斷和治療手段的出現。
醫用高分子的研究至今已有40多年的歷史。1949年，美國首先發表了醫用高分子的展望性論文。在文章中，次介紹了利用聚甲基丙烯酸甲酯作為人的頭蓋骨和關節，利用聚酰胺纖維作為手術縫合線的臨床應用情況。據不完全統計，截至1990年，美國、日本、西歐等發表的有關醫用高分子的學術論文和專利已過30000篇。有人預計，現在的21世紀，醫用高分子將進入一個全新的時代。除了大腦之外，人體的所有部位和髒器都可用高分子材料來取代。仿生人也將比想像中更快地來到世上。
在更加關愛人類自身健康的21世紀，醫用高分子材料必將發揮日益重要的作用。生物醫用材料的研究與開發也得到了國家相關部門的高度重視，“十五”和“十一五”國家重點基礎研究發展規劃（“973”）都設立了生物醫用材料的研究項目。生物醫用材料的未來發展必將是從簡單的使用到有目的地設計合成，獲得具有生命體需要的具有良好生物相容性和生物功能性的材料。在高等院校的生物醫學工程和高分子材料與工程等專業也都開設了生物醫用高分子材料的必選和選修課程。
醫用高分子材料大致可分為機體外使用與機體內使用兩大類。機體外用的材料主要是制備醫療用品，如輸液袋、輸液管、注射器等。由於這些高分子材料成本低、使用方便，現已大量使用。機體內用材料又可分為外科用和內科用兩類。外科方面有人工器官、醫用黏合劑、整形材料等。內科用的主要是高分子藥物。所謂高分子藥物，就是具有藥效的低分子與高分子載體相結合的藥物，它具有長效、穩定的特點。
歸納起來，一個具備了以下七個方面性能的材料，可以考慮用作醫用材料:
（1）在化學上是惰性的，不會因與體液接觸而發生反應；
（2）對人體組織不會引起炎癥或異物反應；
（3）不會致癌；
（4）具有抗血栓性，不會在材料表面凝血；
（5）長期植入體內，不會減小機械強度；
（6）能經受必要的清潔消毒措施而不產生變性；
（7）易於加工成需要的復雜形狀。
人工器官是醫用高分子材料的主要發展方向。目前用高分子材料制成的人工器官已植入人體的有人工腎、人工血管、人工心髒瓣膜、人工關節、人工骨骼、整形材料等。應用的高分子材料主要有PVC、ABS、PP、硅橡膠、含氟聚合物等。正在研究的有人工心髒、人工肺、人工胰髒、人造血、人工眼球等。
本教材按照生物醫用高分子材料的應用分類進行編寫。編寫人員：趙長生（第1章部分、第2章、第4章部分、第8章）、顧忠偉（第1章部分）、張倩（第3章）、蘇白海（第4章部分）、李潔華（第5章）、李建樹（第6章）、謝興益（第7章）。

趙長生
2009年1月

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