医用高分子材料是生物医用材料中的重要组成部分，指用于对生物体进行诊断、治疗和置换损坏组织、器官或增进其功能的材料。
目前用高分子材料制成的人工器官中，比较成功的有人工血管、人工食道、人工尿道、人工心脏瓣膜、人工关节、人工骨、整形材料等。
已取得重大研究成果，但还需不断完善的有人工肾、人工心脏、人工肺、人工胰脏、人工眼球、人造血液等。
另有一些功能较为复杂的器官，如人工肝脏、人工胃、人工子宫等。则正处于大力研究开发之中。
从应用情况看，人工器官的功能开始从部分取代向完全取代发展，从短时间应用向长时期应用发展，从大型向小型化发展，从体外应用向体内植入发展、人工器官的种类从与生命密切相关的部位向人工感觉器官、人工肢体发展。
医用高分子的分类
医用高分子是一门较年轻的学科，发展历史不长，因此医用高分子的定义至今尚不十分明确。另外，由于医用高分子是由多学科参与的交叉学科，根据不同学科领域的习惯出现了不同的分类方式。
目前医用高分子材料随来源、应用目的等可以分为多种类型。
一、按材料的来源分类
1.天然医用高分子材料
如胶原、明胶、丝蛋白、角质蛋白、纤维素、多糖、甲壳素及其衍生物等。
2.人工合成医用高分子材料
如聚氨酯、硅橡胶、聚酯等。
3.天然生物组织与器官
① 取自患者自体的组织，例如采用自身隐静脉作为冠状动脉搭桥术的血管替代物；
② 取自其他人的同种异体组织，例如利用他人角膜治疗患者的角膜疾病；
③ 来自其他动物的异种同类组织，例如采用猪的心脏瓣膜代替人的心脏瓣膜，治疗心脏病等。
二、按材料与活体组织的相互作用关系分类
1.生物惰性高分子材料
在体内不降解、不变性、不会引起长期组织反应的高分子材料，适合长期植入体内。
2.生物活性高分子材料
指植入生物体内能与周围组织发生相互作用，促进肌体组织、细胞等生长的材料。
3.生物吸收高分子材料
这类材料又称生物降解高分子材料。这类材料在体内逐渐降解，其降解产物能被肌体吸收代谢，获通过排泄系统排出体外，对人体健康没有影响。如用聚乳酸制成的体内手术缝合线、体内粘合剂等。
三、按生物医学用途分类
1.硬组织相容性高分子材料
如骨科、齿科用高分子材料；
2.软组织相容性高分子材料；
3.血液相容性高分子材料；
4.高分子药物和药物控释高分子材料。
四、按与肌体组织接触的关系分类
1.长期植入材料
如人工血管、人工关节、人工晶状体等。
2.短期植入（接触）材料
如透析器、心肺机管路和器件等。
3.体内体外连通使用的材料
如心脏起搏器的导线、各种插管等。
4.与体表接触材料及一次性医疗用品材料
目前在实际应用中，更实用的是仅将医用高分子分为两大类，一类是直接用于治疗人体某一病变组织、替代人体某一部位或某一脏器、修补人体某一缺陷的材料。如用作人工管道（血管、食道、肠道、尿道等）、人造玻璃体（眼球）、人工脏器（心脏、肾脏、肺、胰脏等）、人造皮肤、人造血管，手术缝合用线、组织粘合剂、整容材料（假耳、假眼、假鼻、假肢等）的材料。
另一类则是用来制造医疗器械、用品的材料，如注射器、手术钳、血浆袋等。这类材料用来为医疗事业服务，但本身并不具备治疗疾病、替代人体器官的功能，因此不属功能高分子的范畴。国内通常将高分子药物单独列为一类功能性高分子。
对医用高分子材料的基本要求
医用高分子材料是一类特殊用途的材料。它们在使用过程中，常需与生物肌体、血液、体液等接触，有些还须长期植入体内。由于医用高分子与人们的健康密切相关，因此对进入临床使用阶段的医用高分子材料具有严格的要求，要求有十分优良的特性。归纳起来，一个具备了以下七个方面性能的材料，可以考虑用作医用材料。
一、化学隋性，不会因与体液接触而发生反应
人体环境对高分子材料主要有以下一些影响：
1.体液引起聚合物的降解、交联和相变化；
2.体内的自由基引起材料的氧化降解反应；
3.生物酶引起的聚合物分解反应；
4.在体液作用下材料中添加剂的溶出；
5.血液、体液中的类脂质、类固醇及脂肪等物质渗入高分子材料，使材料增塑，强度下降。
但对医用高分子来说，某些情况下，“老化” 并不一定都是贬意的，有时甚至还有积极意义。如作为医用粘合剂用于组织粘合，或作为医用手术缝合线时，在发挥了相应的效用后，反倒不希望它们有太好的化学稳定性，而是希望能尽快被组织分解、吸收或迅速排出体外。在这种情况下，对材料的附加要求是：分解过程中，不应产生对人体有害的副产物。
二、对人体组织不会引起炎症或异物反应
有些高分子材料本身对人体有害，不能用作医用材料。而有些高分子材料本身对人体组织并无不良影响，但在合成、加工过程中不可避免地会残留一些单体，或使用一些添加剂。
当材料植入人体以后，这些单体和添加剂会慢慢从内部迁移到表面，从而对周围组织发生作用，引起炎症或组织畸变，严重的可引起全身性反应。
三、不会致癌
根据现代医学理论认为，人体致癌的原因是由于正常细胞发生了变异。当这些变异细胞以极其迅速的速度增长并扩散时，就形成了癌。而引起细胞变异的因素是多方面的，有化学因素、物理因素，也有病毒引起的原因。
当医用高分子材料植入人体后，高分子材料本身的性质，如化学组成、交联度、相对分子质量及其分布、分子链构象、聚集态结构、高分子材料中所含的杂质、残留单体、添加剂都可能与致癌因素有关。但研究表明，在排除了小分子渗出物的影响之外，与其他材料相比，高分子材料本身并没有比其他材料更多的致癌可能性。
四、具有良好的血液相容性
当高分子材料用于人工脏器植入人体后，必然要长时间与体内的血液接触。因此，医用高分子对血液的相容性是所有性能中最重要的。
高分子材料的血液相容性问题是一个十分活跃的研究课题，但至今尚未制得一种能完全抗血栓的高分子材料。这一问题的彻底解决，还有待于各国科学家的共同努力。
五、长期植入体内不会减小机械强度
许多人工脏器一旦植入体内，将长期存留，有些甚至伴随人们的一生。因此，要求植入体内的高分子材料在极其复杂的人体环境中，不会很快失去原有的机械强度。
事实上，在长期的使用过程中，高分子材料受到各种因素的影响，其性能不可能永远保持不变。仅希望变化尽可能少一些，或者说寿命尽可能长一些。
一般来说，化学稳定性好的，不含易降解基团的高分子材料，机械稳定也比较好。如聚酰胺的酰胺基团在酸性和碱性条件下都易降解，因此，用作人体各部件时，均会在短期内损失其机械强度，故一般不适宜选作植入材料。而聚四氟乙烯的化学稳定性较好，其在生物体内的稳定性也较好。
六、能经受必要的清洁消毒措施而不产生变性
高分子材料在植入体内之前，都要经过严格的灭菌消毒。目前灭菌处理一般有三种方法：蒸汽灭菌、化学灭菌、γ射线灭菌。国内大多采用前两种方法。因此在选择材料时，要考虑能否耐受得了。
七、易于加工成需要的复杂形状
人工脏器往往具有很复杂的形状，因此，用于人工脏器的高分子材料应具有优良的成型性能。否则，即使各项性能都满足医用高分子的要求，却无法加工成所需的形状，则仍然是无法应用的。
此外还要防止在医用高分子材料生产、加工工程中引入对人体有害的物质。应严格控制原料的纯度。加工助剂必须符合医用标准。生产环境应当具有适宜的洁净级别，符合国家有关标准。
与其他高分子材料相比，对医用高分子材料的要求是非常严格的。对于不同用途的医用高分子材料，往往又有一些具体要求。在医用高分子材料进入临床应用之前，都必须对材料本身的物理化学性能、机械性能以及材料与生物体及人体的相互适应性进行全面评价，然后经国家管理部门批准才能进入临床使用。
高分子材料的生物相容性
生物相容性是指植入生物体内的材料与肌体之间的适应性。对生物体来说，植入的材料不管其结构、性质如何，都是外来异物。出于本能的自我保护，一般都会出现排斥现象。这种排斥反应的严重程度，决定了材料的生物相容性。因此提高应用高分子材料与肌体的生物相容性，是材料和医学科学家们必须面对的课题。
由于不同的高分子材料在医学中的应用目的不同，生物相容性又可分为组织相容性和血液相容性两种。组织相容性是指材料与人体组织，如骨骼、牙齿、内部器官、肌肉、肌腱、皮肤等的相互适应性，而血液相容性则是指材料与血液接触是不是会引起凝血、溶血等不良反应。
一、高分子材料的组织相容性
1. 高分子材料植入对组织反应的影响
高分子材料植入人体后，对组织反应的影响因素包括材料本身的结构和性质（如微相结构、亲水性、疏水性、电荷等）、材料中可渗出的化学成分（如残留单体、杂质、低聚物、添加剂等）、降解或代谢产物等。此外，植入材料的几何形状也可能引起组织反应。
2. 高分子材料在体内的表面钙化
观察发现，高分子材料在植入人体内后，再经过一段时间的试用后，会出现钙化合物在材料表面沉积的现象，即钙化现象。钙化现象往往是导致高分子材料在人体内应用失效的原因之一。试验结果证明，钙化现象不仅是胶原生物材料的特征，一些高分子水溶胶，如聚甲基丙烯酸羟乙酯在大鼠、仓鼠、荷兰猪的皮下也有钙化现象。
钙化现象是高分子材料植入动物体内后，对肌体组织造成刺激，促使肌体的新陈代谢加速的结果。
影响高分子材料表面钙化的因素很多，包括生物因素（如物种、年龄、激素水平、血清磷酸盐水平、脂质、蛋白质吸附、局部血流动力学、凝血等）和材料因素（亲水性、疏水性、表面缺陷）等。
一般而言，材料植入时，被植个体越年青，材料表面越可能发生钙化。多孔材料的钙化情况比无孔材料要严重。
3. 高分子材料的致癌性
虽然目前尚无足够证据说明高分子材料植入会引起人体内的癌症。但，许多试验研究表明，当高分子材料植入鼠体内时，只要植入的材料是固体材料而且面积大于1cm2，无论材料种类（高分子、金属或陶瓷）、形状（膜、片状或板状）及材料本身是否具有化学致癌性，均有可能导致癌症的发生。
二、高分子材料的血液相容性
1. 高分子材料的凝血作用
（1）血栓的形成
通常，当人体的表皮受到损伤时，流出的血液会自动凝固，称为血栓。实际上，血液在受到下列因素影响时，都可能发生血栓。如① 血管壁特性与状态发生变化；②血液的性质发生变化；③ 血液的流动状态发生变化。
血栓的形成机理是十分复杂的。一般认为，异物与血液接触时，首先将吸附血浆内蛋白质，然后粘附血小板，继而血小板崩坏，放出血小板因子，在异物表面凝血，产生血栓。此外，红血球粘附引起溶血；凝血致活酶的活化，也都是形成血栓的原因。
（2）影响血小板在材料表面粘附的因素
①血小板的粘附与材料表面能有关，低表面能材料一般具有较好的抗血栓性；
②血小板的粘附与材料的含水率有关，含水率越高血小
板粘附数越小；
③血小板的粘附与材料表面疏水-亲水平衡有关，一个亲水-疏水性调节得较合适的聚合物，往往有足够的吸附力吸附蛋白质，形成一层隋性层，从而减少血小板在其上层的粘附；
④血小板的粘附与材料表面的电荷性质有关，带适当负电荷的材料表面，血小板难于粘附，有利于材料的抗血栓性。但若电荷密度太大，容易损伤血小板，反而造成血栓；
⑤血小板的粘附与材料表面的光滑程度有关，血液流经的表面上有任何障碍都会改变其流动状态，因此材料表面的平整度将严重影响材料的抗血栓性。
生物吸收性高分子材料
许多高分子材料植入人体内后只是起到暂时替代作用，例如高分子手术缝合线用于缝合体内组织时，当肌体组织痊愈后，缝合线的作用即告结束，这时希望用作缝合线的高分子材料能尽快地分解并被人体吸收，以最大限度地减少高分子材料对肌体的长期影响。由于生物吸收性材料容易在生物体内分解，参与代谢，并最终排出体外，对人体无害，因而越来越受到人们的重视。
一、生物吸收性天然高分子材料
已经在临床医学获得应用的生物吸收性天然高分子材料包括蛋白质和多糖两类生物高分子。这些生物高分子主要在酶的作用下降解，生成的降解产物如氨基酸、糖等化合物，可参与体内代谢，并作为营养物质被肌体吸收。因此这类材料应当是最理想的生物吸收性高分子材料。
白蛋白、葡聚糖和羟乙基淀粉在水中是可溶的，临床用作血容量扩充剂或人工血浆的增稠剂。胶原、壳聚糖等在生理条件下是不溶性的，因此可作为植入材料在临床应用。
1.胶原
胶原是人体组织中最基本的蛋白质类物质，至今已经鉴别出13种胶原，其中 I～III、V和 XI 型胶原为成纤维胶原。I 型胶原在动物体内含量最多，已被广泛应用于生物医用材料和生化试剂。牛和猪的肌腱、生皮、骨骼是生产胶原的主要原料。
由各种物种和肌体组织制备的胶原差异很小。最基本的胶原结构为由三条分子量大约为1×105的肽链组成的三股螺旋绳状结构，直径为1～1.5nm，长约300nm，每条肽链都具有左手螺旋二级结构。
胶原分子的两端存在两个小的短链肽，称为端肽，不参与三股螺旋绳状结构。研究证明，端肽是免疫原性识别点，可通过酶解将其除去。除去端肽的胶原称为不全胶原，可用作生物医学材料。
胶原可以用于制造止血海绵、创伤辅料、人工皮肤、手术缝合线、组织工程基质等。胶原在应用时必须交联，以控制其物理性质和生物可吸收性。戊二醛和环氧化合物是常用的交联剂。残留的戊二醛会引起生理毒性反应，因此必须注意使交联反应完全。胶原交联以后，酶降解速度显著下降。
2.明胶
明胶是经高温加热变性的胶原，通常由动物的骨骼或皮肤经过蒸煮、过滤、蒸发干燥后获得。明胶在冷水中溶胀而不溶解，但可溶于热水中形成粘稠溶液，冷却后冻成凝胶状态。纯化的医用级明胶比胶原成本低，在机械强度要求较低时可以替代胶原用于生物医学领域。
明胶可以制成多种医用制品，如膜、管等。由于明胶溶于热水，在60～80℃水浴中可以制备浓度为5～20％的溶液，如果要得到 25～35％的浓溶液，则需要加热至 90～100℃。为了使制品具有适当的机械性能，可加入甘油或山梨糖醇作为增塑剂。用戊二醛和环氧化合物作交联剂可以延长降解吸收时间。
3.纤维蛋白
纤维蛋白是纤维蛋白原的聚合产物。纤维蛋白原是一种血浆蛋白质，存在于动物体的血液中。人和牛的纤维蛋白原分子量在330000～340000之间，二者之间的氨基酸组成差别很小。纤维蛋白原由三对肽链构成，每条肽链的分子量在47000～63500之间。除了氨基酸之外，纤维蛋白原还含有糖基。纤维蛋白原在人体内的主要功能是参与凝血过程。
纤维蛋白具有良好的生物相容性，具有止血、促进组织愈合等功能，在医学领域有着重要用途。
纤维蛋白的降解包括酶降解和细胞吞噬两种过程，降解产物可以被肌体完全吸收。降解速度随产品不同从几天到几个月不等。通过交联和改变其聚集状态是控制其降解速度的重要手段。
目前，人的纤维蛋白或经热处理后的牛纤维蛋白已用于临床。纤维蛋白粉可用作止血粉、创伤辅料、骨填充剂（修补因疾病或手术造成的骨缺损）等。纤维蛋白飞沫由于比表面大，适于用作止血材料和手术填充材料。纤维蛋白膜在外科手术中用作硬脑膜置换、神经套管等。
4.甲壳素与壳聚糖
甲壳素是由β-（1, 4）-2-乙酰氨基-2-脱氧-D-葡萄糖（N-乙酰-D-葡萄糖胺）组成的线性多糖。昆虫壳皮、虾蟹壳中均含有丰富的甲壳素。壳聚糖为甲壳素的脱乙酰衍生物，由甲壳素在40～50％浓度氢氧化钠水溶液中110～120℃下水解2～4 h得到。
甲壳素能为肌体组织中的溶菌酶所分解，已用于制造吸收型手术缝合线。其抗拉强度优于其他类型的手术缝合线。在兔体内试验观察，甲壳素手术缝合线4个月可以完全吸收。甲壳素还具有促进伤口愈合的功能，可用作伤口包扎材料。当甲壳素膜用于覆盖外伤或新鲜烧伤的皮肤创伤面时，具有减轻疼痛和促进表皮形成的作用，因此是一种良好的人造皮肤材料。
二、生物吸收性合成高分子材料
虽然生物吸收性天然高分子材料具有良好的生物相容性和生物活性，但毕竟来源有限，远远不能适应快速发展的现代医疗事业的需求。因此，人工合成的生物吸收性高分子材料有了快速发展的时间和空间。
生物吸收合成高分子材料多数属于能够在温和生理条件下发生水解的生物吸收性高分子，降解过程一般不需要酶的参与。
1.聚α-羟基酸酯及其改性产物
聚酯主链上的酯键在酸性或者碱性条件下均容易水解，产物为相应的单体或短链段，可参与生物组织的代谢。
乙醇酸和乳酸是典型的α-羟基酸，其缩聚产物即为聚α-羟基酸酯，即聚乙醇酸（PGA）和聚乳酸（PLA）。
2.聚酯醚及其相似聚合物
PGA和 PLLA为高结晶性高分子，质地较脆而柔顺性不够。因此人们设计开发了一类具有较好柔顺性生物吸收性高分子-聚醚酯，以弥补PGA和PLLA的不足。
聚醚酯可通过含醚键内酯为单体通过开环聚合得到。如由二氧六环开环聚合制备的聚二氧六环可用作单纤维手术缝合线。
3.其他生物吸收性合成高分子
除了上述α-羟基酸酯类高分子材料外，对其他类型生物吸收高分子材料也进行了研究。
将吗啉-2,5-二酮衍生物进行开环聚合，可得到聚酰胺酯。由于酰胺键的存在，这些聚合物具有一定的免疫原性。而且能够通过酶和非酶催化降解，有可能在医学领域得到应用。
高分子材料在生物医学领域的应用
一、高分子人工脏器及部件的应用现状
高分子材料作为人工脏器、人工血管、人工骨骼、人工关节等的医用材料，正在越来越广泛地得到运用。人工脏器的应用正从大型向小型化发展，从体外使用向内植型发展，从单一功能向综合功能型发展。
为了满足材料的医用功能性、生物相容性和血液相容性的严峻要求，医用高分子材料也由通用型逐步向专用型发展，并研究出许多有生物活性的高分子材料，例如将生物酶和生物细胞等固定在高分子材料分子中，以克服高分子材料与生物肌体相容性差的缺点。开发混合型人工脏器的工作也正在取得可喜的成绩。
根据人工脏器和部件的作用及目前研究进展，可将它们分成五大类。
第一类：能永久性地植入人体，完全替代原来脏器或部位的功能，成为人体组织的一部分。属于这一类的有人工血管、人工心脏瓣膜、人工食道、人工气管、人工胆道、人工尿道、人工骨骼、人工关节等。
第二类：在体外使用的较为大型的人工脏器装置、主要作用是在手术过程中暂时替代原有器官的功能。例如人工肾脏、人工心脏、人工肺等。这类装置的发展方向是小型化和内植化，最终能植入体内完全替代原有脏器的功能。
第三类：功能比较单一，只能部分替代人体脏器的功能，例如人工肝脏等。这类人工脏器的研究方向是多功能化，使其能完全替代人体原有的较为复杂的脏器功能。
二、医用高分子材料的应用
1.血液相容性材料与人工心脏
许多医用高分子在应用中需长期与肌体接触，必须有良好的生物相容性，其中血液相容性是最重要的性能。人工心脏、人工肾脏、人工肝脏、人工血管等脏器和部件长期与血液接触，因此要求材料必须具有优良的抗血栓性能。
近年来，在对高分子材料抗血栓性研究中，发现具有微相分离结构的聚合物往往具有优良的血液相容性，因而引起人们极大的兴趣。
2.人造皮肤材料
治疗大面积皮肤创伤的病人，需要将病人的正常皮肤移植到创伤部位。但在移植之前，创伤面需要清洗，被移植皮肤需要养护，因此需要一定时间。在这段时间内，许多病人由于体液的大量损耗及蛋白质与盐分的丢失而丧失生命。因此，用高亲水性高分子材料作为人造皮肤，暂时覆盖在深度创伤的创面上，以减少体液损耗和盐分丢失，从而达到保护创面的目的。
3.医用粘合剂
粘合剂作为高分子材料中的一大类别，近年来已扩展到医疗卫生部门，并且其适用范围正随着粘合剂性能的提高、使用趋于简便而不断扩大。
医用粘合剂在医学临床中有十分重要的作用。从医用粘合剂的使用对象和性能要求来区分，可分成两大类，一类是齿科用粘合剂，另一类则是外科用（或体内用）粘合剂。
在外科手术中，医用粘合剂用于某些器官和组织的局部粘合和修补；手术后缝合处微血管渗血的制止；骨科手术中骨骼、关节的结合与定位；齿科手术中用于牙齿的修补等。
生物医用高分子的发展方向
医用高分子的发展已有60多年的历史，其应用领域已渗透到整个医学领域，取得的成果是十分显赫的。但距离随心所欲地使用高分子材料及其人工脏器来植换人体的病变脏器尚很远很远，因此尚需作深入的研究探索。就目前来说，生物医用高分子将在以下几个方面进行深入的研究。
一、人工脏器的生物功能化、小型化、体植化
目前使用的人工脏器，大多数只有“效应器”的功能，即人工脏器必须与有功能缺陷的生物体共同协作，才能保持体内平衡。研究的方向是使人工脏器永久性地植入体内，完全取代病变的脏器。这就要求高分子材料本身具有生物功能。
二、高抗血栓性材料的研制
前面曾介绍过，至今为止，尚无一种医用高分子材料具有完全抗血栓的性能。许多人工脏器的植换手术就是因为无法解决凝血问题而归于失败。因此，尽快解决医用高分子材料的抗血栓性问题，巳成为医用高分子材料发展的一个关键性问题，受到各国科学家的重视。
三、发展新型生物医用高分子材料
至今为止，生物医用高分子所涉及到的材料大部分限于已工业化的高分子材料，这显然不能适应和满足十分复杂的人体各器官的功能。因此发展适合医学领域特殊要求的新型、专用高分子材料，已成为广大化学家和医学专家的共识。目前研究开发混合型人工脏器，即将生物酶和生物细胞固定在合成高分子材料上，制取有生物活性的人工脏器的工作，已经取得了相当大的成就。
21世纪，生物医用高分子将进入一个全新的时代，除大脑外，人体的所有部位和脏器都可用高分子材料来取代，仿生人也将更快地来到世上！
