课件：生物医用药用材料.ppt

生物医学材料,用于与生命系统接触并发生相互作用，能够对细胞、组织和器官进行诊断治疗、替换修复或诱导再生的天然或人工合成的特殊材料 是一类化学性能稳定，具有良好的生物相容性的材料。生物陶瓷材料因具有与生物组织良好的相容性，耐腐蚀，无毒副作用而受到人们的普遍关注，是近年来研究较多且进展较快的领域。主要包括陶瓷、玻璃、碳素等无机非金属材料,发展,公元前2500年在中国及埃及人的墓穴中已发现有假手、假耳等人工假体，我国隋唐时代就有了补牙用的银膏。 金银铂 不锈钢 纯钛的骨钉、骨板 Ti-Ni形状记忆合金,目前国外有数以百万计的人靠人工器官维持着生命。仅在美国，每年约有100万人接受人工器官的植入手术。其中，人工心脏瓣膜3.5万人，人工血管18万人；人工髋骨12.5万人；人工膝盖605万人；人工肾5万人。 每年以20%30%的速度递增。1980年世界销售额达200亿美元，1990年增加到500亿美元。,现 状,生物医学材料： 定义：用于诊断、治疗、修复或替换人体组织或器官、或增 进其功能的物质。 生物医用材料药物，但可结合使用。 一般性材料：一般性手术器具、药棉、绷带、纱布等。 生物相容性材料：直接植入体内，或结合生理系统使用的材料及其终端产品。 医用金属和合金、医用高分子、生物陶瓷、医用复合材料、天然材料、人造血管、人工心瓣膜、起搏器、人工骨、人工器官、牙科材料、体外循环装置、药物控释系统等。 管理：医疗器械范畴,生物医学材料： 保障人类健康的必需品 2000全球医疗保健费用US$20,000亿 医疗器械费用10 药物市场:医疗器械市场1:1.9 生物相容性材料及终端产品占医疗器械 市场：27（2002）,挽救了千万计危重病人的生命，提高了生命质量。 挽救危重病人的生命 美国： 28种材料及植入体耗量3829万件（2000） 心脏起搏器植入量864,527例（1997-2001） 心脏病死亡率降低60 每100,000人：1950586.8人/年；2001247.8人/年 乳腺癌死亡率（每10万人） 1990：33.3人/年；2000：27.1人/年,挽救了千万计危重病人的生命，提高了生命质量。 提高了生命质量 美国 人工髋，膝关节植入量：440万例（1999-2001） 2003：1,000,000套 眼内镜植入：775万人（1999-2001） 全球：1000万人 残疾人数量增长 65岁以上人口 ： 2690万（1982）；3530万（2001） 按82年的增长率：640万 950万（2001） 实际增长 ： 710万（2001） 整形、美容大量应用,挽救了千万计危重病人的生命，提高了生命质量。 对医疗保健系统革新的引导作用 促进临床诊断技术的革新疾病早日发现。 基因芯片、造影剂及影像技术. 促进介入和微创治疗技术的形成和发展 血管支架、介入导管、药控系统. 导致给药方式革命性变革药物，生物活性物质靶向控释系统 疾病有效治疗、节约给药量、难治愈疾病治疗 降低住院率及诊治费用 家用诊断及治疗器械和技术，临床诊断技术。 美国： 手术住院率：83.7（1980） 37（2001） 手术住院时间：7.3天（1980） 4.9天（2001）,医疗器械（生物医学工程） 产业的基础 生物医学材料及终端产品 40-50医疗器械产品市场,图1 生物医学材料及终端产品市场 （U.S. Department of Commerce）,一个高技术生物医学材料和制品产业已经形成，正在成长为世界经济的一个支柱性产业。,全球医疗器械市场 2004：US$2100亿。 年增长率： 20042010 7， 亚洲15（除日本）。,图2 国际医疗器械市场及增长情况 * 按2000-2004年医疗器械市场增长率9%估算 * AdvaMed, 2004,一个高技术生物医学材料和制品产业已经形成，正在成长为世界经济的一个支柱性产业。,US$(亿）,生物相容性材料及终端产品市场 2000：US$230亿； 2002：US$500亿， 增长率：60,表1、主要生物相容性产品市场分布,一个高技术生物医学材料和制品产业已经形成，正在成长为世界经济的一个支柱性产业。,一个高技术生物医学材料和制品产业已经形成，正在成长为世界经济的一个支柱性产业。 主要产品市场分布- 矫形外科材料市场,图3 矫形外科材料市场分布,一个高技术生物医学材料和制品产业已经形成，正在成长为世界经济的一个支柱性产业。 主要产品市场分布 几类主要心血管器械的世 界市场分布（右表）,一个高技术生物医学材料和制品产业已经形成，正在成长为世界经济的一个支柱性产业。 正在成长为世界经济的一个支柱性产业 全球汽车市场： 2003： 40005000万辆 US$6000-7500万（US$1.5万/辆（欧洲） 年增长率: 0%,对国防事业的发展发挥重大作用 战伤治疗 “21世纪美国陆军战略技术报告” ： (上世纪90年代) 生物技术是“未来30年增强战斗力最有希望的技术” 包括：生物医学工程技术生物医学材料,生物陶瓷的国内外研究现状,注：G生物活性玻璃 HA羟基磷灰石 P金云母 W硅灰石 PE聚乙烯 A磷灰石,生物陶瓷复合材料研究进展概况,生物陶瓷,生物材料的国内外研究现状,1.2.1 惰性生物陶瓷 1.2.2 活性生物陶瓷 1.2.3 功能活性生物陶瓷,（1）模拟人体硬组织成分和结构的生物陶瓷材料 （2）带有治疗功能的生物陶瓷复合材料,目前在生物陶瓷领域的研究集中在如下几个方向 （1）利用生物技术，一些活体组织、细胞和诱导组织再生的生长因子被引入了生物医学材料，大大改善了其生物学性能，并可使其具有药物治疗功能，已成为生物医学材料的一个十分重要的发展方向。 （2）无机有机复合是当前研究热点之一 （3）材料的多元复合是发展的重要方向 （4）具有特异性能的生物活性材料； （5）力学相容性好又有促进组织生长功能的材料； （6）具有人体组织结构的复合材料,HAP系生物 材料的研究现状,（1）HAP的粉体制备工艺 （2）羟基磷灰石的成型与烧结工艺 （3）HAP系复合材料目前已达到的性能 （4）HAP系复合材料的应用,Ca10(PO4)6(OH)2,1.2.4 HAP系生物 材料的研究现状,1.2 生物材料的国内外研究现状,（1）HAP的粉体制备工艺 （2）羟基磷灰石的成型与烧结工艺 （3）HAP系复合材料目前已达到的性能 （4）HAP系复合材料的应用,HAP系生物 材料的研究现状,（1）HAP的粉体制备工艺 （2）羟基磷灰石的成型与烧结工艺 （3）HAP系复合材料目前已达到的性能 （4）HAP系复合材料的应用,1.2.4 HAP系生物 材料的研究现状,（1）HAP的粉体制备工艺 （2）羟基磷灰石的成型与烧结工艺 （3）HAP系复合材料目前已达到的性能 （4）HAP系复合材料的应用,生物医用药用功能材料的特征与评价,生物医用药用功能材料的基本性能要求 1、化学性能稳定，对人体的血液体液等无影响，不形成血栓等不良现象。 2、材料与人体组织的相容性好，不会引起炎症或其他排异反应。 3、无致癌性，耐生物老化，长期放置体内的材料其物理机械性能不发生明显变化。 4、不因高温蒸煮、干燥灭菌、药液等消毒措施而发生质变。 其他要求,医用材料的生物相容性,生物活体本身不发生过敏、致癌、致畸形以及局部组织反应、全身毒性反应和适应性反应等。 材料反应通常包括生理腐蚀、吸收、降解与失效等。,生物降解吸收材料,外科手术缝合线 骨顶骨板（骨固定材料） 人造皮肤 药物释放体系,医用功能材料的分类与应用,医用金属材料 医用陶瓷 医用复合材料 医用高分子材料,医用金属材料,对医用金属材料性能的要求 （1）力学性能 （2）腐蚀性能：腐蚀速率低于0.25微米/年 常用材料： （1）不锈钢 （2）钴铬钼合金 （3）钛及合金 磁性材料,医用陶瓷,惰性陶瓷 活性陶瓷 可被吸收的陶瓷 如磷酸三钙,医用陶瓷的应用,能承受负载的矫形材料，用于骨科、牙科的有：氧化铝陶瓷，稳定氧化锆陶瓷，具有生物活性表面涂层（生物活性玻璃、生物微晶玻璃）的响应材料。 人工心脏瓣膜：热解碳涂层（抗凝血，摩擦系数小） 骨的填充材料：磷酸钙 种植齿：氧化铝陶瓷，HAP陶瓷，生物活性玻璃，活性涂层材料,耳鼻喉科：氧化铝陶瓷，HAP陶瓷，生物活性玻璃及生物活性微晶玻璃，磷酸盐陶瓷。 可供组织长入的图层：多孔氧化铝陶瓷 眼科：生物玻璃，多孔羟基磷灰石 脊椎外科：生物活性玻璃，HAP陶瓷,惰性陶瓷,氧化铝陶瓷 碳材,活性陶瓷,羟基磷灰石（HAP）,可吸收陶瓷,石膏 -三磷酸钙,可治疗癌症的陶瓷,LiFe3O5、-Fe2O3与Al2O3-SiO2-P2O5玻璃体复合物,医用复合材料 医用高分子材料,现 状 问题和挑战,问题 免疫性：硅凝胶乳房假体。硅酮 寿命：人工关节：中青年组：3-5年； 老年组： 12年。 异体反应：感染，植入失效。 生物功能：不能诱导组织重建或再生， 恢复和增进生理功能。,现 状 问题和挑战,问题核心：材料和植入体以异物存在于 体内。 自身理化性能（抗疲劳性等）不能满足长寿命要求 表面/界面非特异性蛋白吸附 感染 包囊形成 异体反应 不具生物功能。,现 状 问题和挑战,当代医学对组织和器官的修复 形态和力学功能的恢复 重建或再生有生命的组织或器官； 大范围的创伤 微创治疗； 群体性通用材料和器械 个性化治疗； 传统的生物医学材料时代正在过去。 干细胞、克隆技术的发展 生物医学材料？,挑战,发展趋势 科学与工程,方向和前沿 常规材料技术更新和产品发展的方向,诱导组织或器官再生,恢复和增进生理功能,损坏组织或器官永久康复,生物结构:可容纳细胞、细胞产物、细胞外基质的生物或仿生结构 生物功能:诱导组织或器官再生；自我修复或完善；相应的生物 力学性能等；调节免疫内分泌等系统及 基因等功能。 基础:在分子水平上对材料和宿主间相互作用认识的深化,按预期 的目标精确地控制材料和宿主间的生物学反应。 生物材料科学与工程已面临实现重大突破的边缘 设计和制造有生命的人体“部件” 整个人体器官。,赋予材料生物结构和生物功能,充分利用人体自我重复能力,研究途径 材料科学与生物学紧密结合 生物分子材料: 肽、蛋白、生长因子等生物分子的基因、 酶工程及化学模拟合成 生物结构的仿生装配: 自装配；快速成型等； 生物技术的应用: 组织工程；干细胞技术等。,重点领域 组织工程人体结构“部件”的重建和再生 药物、生物活性物质的靶向控释难治愈疾病的治 疗；组织重建或再生。 关键：细胞，药物、生物活性物质靶向传送和控释载体的设计和制备，包括装载特定生物信号的载体。,研究热点：表面/界面及表面改性 植入材料的生物学反应 常规材料（大多数）非特异性吸附 影响蛋白吸附的主要因素：表面化学（结构构型、生 物力学性质等）; 对蛋白和细胞的分子识别和选择性 吸附/粘附功能,表面蛋白质吸附,特异性吸附,非特异性吸附,原位和褪变蛋白,特异性蛋白,特异性细胞吸附,各种细胞吸附,单核、白细胞、血小板,特异性细胞素释放及 特定组织的细胞分化,细胞素释放 感染、巨噬细胞,特定组 织形成,纤维包 裹形成 并发症,特异性蛋白,研究热点-表面/界面及表面改性 材料表面组成构型、结构（纳米级微机构）、生物力学性质等与蛋白、生物分子和细胞相互作用、分子识别、选择性吸附/粘附的关系和规律。 表面改性 生物稳定、不吸附/粘附蛋白和细胞的表面设计。 例：聚乙二醇，聚环氧乙烷壳类粘连蛋白的共聚物；钛合金表面能带结构改性。,研究热点-表面/界面及表面改性 表面改性 偶联生物分子（肽，蛋白，生长因子等） 细胞粘附：被吸附的蛋白质细胞膜内integrin及其它受体 例：偶联寡肽骨髓基质干细胞粘附 钛合金表面能带结构改性保持凝血系统核心蛋白构象 微结构设计及构建 多孔结构阻止纤维包裹的形成。 类骨磷灰石层对骨相关蛋白和细胞吸附/粘附 表面改性近期发展新一代生物材料的主要途径。,研究热点-可生物降解高分子 水凝胶及生理环境响应高分子 水凝胶水介质中难溶但可溶涨的高分子网状物 特点：近于自然组织的高水合状态和环境；性质可控；可含天然高分子；降解性可控； 用途：细胞（胰岛、平滑肌、软骨、成骨细胞等）包囊。 生长因子及原位基因控制载体。 组织工程支架，药物控释载体。 生理环境（pH，T，葡萄糖浓度等）响应智能高分子 主要进展：水凝胶溶涨性随生理环境变化。 主要用途：药物控释 例：药物仅存pH是中性环境中释放； 双亲高分子构型变化控制蛋白和细胞释放。,研究热点-组织诱导生物材料 可诱导多能间充质细胞直接分化为特定组织细胞形成组织的材料模拟自然组织形成过程,多能干细胞,前体细胞,成组织细胞,组织细胞,组织外基质,组织形成,组织重建,组织成熟,生物信号分子,微环境调控,组织形成过程示意图,研究热点-组织诱导生物材料 材料诱导组织形成过程示意图 主要进展骨诱导生物材料；材料诱导软骨形成。,支架材料,纤维结缔组织长入 （干细胞）,蛋白特异性吸附 或 外加生长因子,前体细胞,成组织细胞,组织成熟,微环境调制,研究热点纳米生物医学材料 纳米颗粒增强可降解高分子复合材料 优点：优良的生物活性和可降解性 优良的生物力学相容性 高的力学强度 用途：致密型：内固定器等 多孔型：支架材料 纳米涂层材料 组织修复，显影剂等,研究热点纳米生物医学材料： 药物、生物活性物质纳米传送和控释系统 颗粒，人造细胞，疫苗等传送及控释系统 纳米生物分子复合表面/界面 风险性评价,研究热点-自装配 蛋白和脂类分子自识别特性形成有序结构 模拟天然组织结构的形成 用途：药物和生物活性物质控释；支架材料，纳米生 物医学技术。 进展（例）： 纳米尺度的裹、泡、壳人造细胞等 宏观尺度的水凝胶细胞，药物载体 三维结构组装（生长因子） 支架材料 通过自装配有机分子模板装配骨,研究热点-微制造技术的应用 例：光刻技术刻制表面微/纳米图案 基因芯片（临床诊断），药物控释。 纳米尺度（单细胞）微观过程分析。 组织工程支架的快速成型。 研究热点-分子影象及显影剂 提供解剖学信息，动态生理病理信息。 进展 例：多糖包裹铁氧化物的核磁共振影象 剂；充入空气的白蛋白微壳超 声影象显影剂,研究热点-生物相容性及试验评价的新方法 和模型。 分子相容性及评价生物相容性的分子标记探 索；跟踪材料体内、外生物学反应的新方法。 通过体外或短期体内试验可靠地评价和预测 材料长期生物安全性和寿命的方法和模型， 包括动物和临床试验模型。,应用生物学原理设计和改进材料 涂层及表面改性材料及制品 生物活性涂层：磷酸钙涂层；生物矿化 Ca-P 薄涂层。 抗凝血改性：医用高分子表面修饰；钛合金表 面抗凝血改性；材料表面诱生生物膜。 生物技术的应用 骨生长因子用于矫形外科材料和植入器械。 矫形外科材料市场： 2003：US$185亿 2008：US$340亿 骨生长因子：？个百分点 25-30% 载药血管支架,骨生长因子,可生物降解高分子及药物控释载体和系统 基因治疗产品上市：2010年新增产值 US$200亿。 新一代临床诊断材料基因芯片等 老年诊断及治疗装置 日本：2001：US$86亿；2008：US$440亿。 常规材料生物稳定性的提高和性能改善 非晶态合金等 组织工程化制品,展 望,克隆技术： 技术问题，伦理道德和政治问题 干细胞技术：技术问题 药物、细胞载体：组织工程, 干细胞技术, 药物控释 生物医学材料的需求将贯穿于整个21世纪 与生物学和生物技术结合实现生物医学材 料的重大突破,生物医学材料 中国,产业- 医疗器械： 市场：US$300 /人年 医疗器械:药品=1:5,图8、国内医疗器械市场及增长情况表（按年增长率20%估算）,亿元,年 增长率2028%,产业- 医疗器械： 产业增长,亿元,年 增长率1518%,产业-生物医用材料 注册企业（2003） 医疗器械：9000 三类医疗器械：1548 =18% 医疗器械 注册产品数： 医疗器械：28043 进口：6510 三类医疗器械：3531=12.6%医疗器械 技术结构：低中档，高端产品90%进口,远不能满足13亿人口日益增长的需求 民族产业的生存面临严峻挑战 发展生物医学材料- 社会，经济，国防事业发展的迫切需求,生物医学材料科学 开始步入国际先进水平 *中国大陆地区 *四位为副主席,生物医学材料科学 开始步入国际先进水平 第七次世界生物材料大会论文投递及接收状态统计（主要国家和地区）,生物医学材料科学 主要优势领域 组织诱导生物材料 药物和蛋白控释 骨组织工程 表面和表面改性 分子相容性，矫形外科，医用高分子，磷酸钙， 牙科材料，神经修复亦有较大的发展,“十一五”期间我国发展的建议,医疗器械产业国家重点发展的产业 满足全民公平的医疗保健基本要求，实现建设稳定的小康社会的目标 目标：2010年产值：1500亿元国家中长远发展规划,“十一五”期间我国发展的建议,发展思路 量大面广的产品质量提高为重点，初步改变高端产品依赖进口的局面，扩大中端产品出口 突破关键技术、部件，提高产业集成、创新能力，为赶超国际先进水平奠定基础 建立与产业结合的技术创新基地和国际互认的试验评价平台 实行大型企业或企业集团带动中、小企业发展的战略,“十一五”期间我国发展的建议,重点发展领域 重大疾病的急救、诊疗、康复技术和装置 社区和家用医疗系统工程技术和装备 医学影像技术和装备 生物医学材料、器件及制备技术 组织工程化制品及人工器官 神经工程 生物微系统技术,烤瓷牙的成分,1：普通烤瓷：主要成分；镍铬锰矽，特性铸造容易，在口内具有高度稳定性，低导热比重轻。2具有高度延展性，较贵金属更容易成行设计。3与瓷粉的密合度也非常好。较易引起牙龈过敏，变黑。 2：医学含钛合金：主要成分钛4-6镍60-76铬12-21特性美国爱荷华大学试验报告其生物相容性相等于75黄金合金。高贵、价格经济，且美国三所牙科大学研究所证明其特性不亚于贵金属，选用安全高，唯一通过fda医学医学认证及认定为可植入人体最高等级医学合金，且获得ada认证，ce及iso90002商标之牙科金属；选用健康性金属纯