医用材料生物学基础－蔡伟 第一章 绪论

第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 1 哈尔滨 工业大学 材料学院 材料物理与化学 二 十月 第一章 绪 论 2 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 二、课程特点 三、课程主要内容 四、成绩考核 五、相关概念的回顾与解释 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 3 一、课程设立的目的、意义 医用材料的研究基础 材料研究的基础 医用材料的定义、目标 医用材料的分类与发展 医用材料的应用举例 社会效益、经济效益、市场前景 未来发展的趋势与挑战 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 4 一、课程设立的目的、意义 医用材料的研究基础 材料研究的基础（ 生物体环境 ） 医用材料的定义、目标 医用材料的分类与发展 医用材料的应用举例 社会效益、经济效益、市场前景 未来发展的趋势与挑战 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 5 组成、结构 性质之间 关系示意图 合成与制备工艺 使用性能 性质 组成结构 （化学） （工程） （物理学） 材料研究的基础 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 6 一、课程设立的目的、意义 医用材料的研究基础 材料研究的基础 医用材料的定义、目标 （ 组织、器官的生理功能， 生物体对植入材料的反应 ） 医用材料的分类与发展 医用材料的应用举例 社会效益、经济效益、市场前景 未来发展的趋势与挑战 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 7 生物医用材料 生物材料 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。 医用材料的定义、目标 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 8 生物材料的目标 是对人体组织的矫形、修复、再造以维持其原有的功能。生物材料除了应具有人体的 组织或器官的功能 外，还必须有与人体组织的 相容性； 对肌体 无免疫排异 反应， 血液相溶性 好，无溶血、凝血反应 ，不会引起代谢作用异常现象，对人体无毒、不致癌。目前已经发展起来的生物合金、生物高分子和生物陶瓷基本上能满足这些要求，利用这些材料已经制造出了许多人工器官，如肾、肝、肺、骨关节等 . 医用材料的定义、目标 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 9 水晶体 :丙烯酸 , 硅胶 耳 : 氧化铝 ,钛金属 , 硅胶 齿科 :丙烯酸 , 金 , 316L 钴铬钼合金 , 钛金属 , 钛铝钒合金 , 氧化铝 , 生物玻璃 心脏 : 钴铬钼合金 , 钛铝钒合金 , 热解石墨 , 心律调节 :316L 金 t, 硅胶 , 工关节 : 316L 钴铬钼合金 , 钛 金 属 , 钛 铝 钒 合 金 , 硅胶 , 烯酸 颚面重建 : 氧化铝 , 三钙磷酸盐 , 生物玻璃 , 钛金属 , 钛铝钒合金 头盖骨 : 316L 钛金属 ,丙烯酸 , 降解缝线 : 聚己内酯 , 脊柱 : 钴铬钼合金 , 钛金属 , 载重量的骨材 : 氧化铝 , 氧化锆 , 316L 钛金属 , 钛铝钒合金 , 钴铬钼合金 , 管 : 腱 &韧带 : 纤维 , 折固定 : 316L 钴铬钼合金 , 钛金属 , 钛铝钒合金 , A, 聚乳酸 (聚甘醇酸 (三甲基己内酯 (氨酯 (膨体聚四氟乙烯 (高分子量聚乙烯 (聚乙烯对苯二甲酸酯 (氢氧基磷灰石 (不锈钢 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 10 一、课程设立的目的、意义 医用材料的研究基础 材料研究的基础 医用材料的定义、目标 医用材料的分类与发展 （ 材料本身具有 生命性质而与机体产生生物性结合 ） 医用材料的应用举例 社会效益、经济效益、市场前景 未来发展的趋势与挑战 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 11 问题 人体组织器官的生命现象是极其复杂的，特别是处于 生长与发育 、 再生与修复 的立体动态变化之中 。 人工合成的材料 的本质与人类的 亲缘性尚远 、 缺乏人体的 生物活性 ， 与机体组织的亲和性较差。 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 12 过去 现在 生物材料的设计原则 1. 宏观性质 : 与人体器官的性质相符 机械性质 (如 ,模数 ) 化学性质 (如 ,降解 ) 光学性质 (如 ,清澈度 ) 2. 制造加工 的能力 3. 联邦法规： 1976年的医疗器材修正案 (所有新的生医材料在上市前都须取得安全性及有效性的 认证 ) 合成与制备工艺 使用性能 性质 组成结构 （化学） （工程） （物理学） 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 13 现在 未来 生物材料的发展方向与设计原则 材料研究 更重要的是 从生命科学的角度 进行探讨和创造类似 人体生命结构 的新型材料 ，在充分理解生命机体（天然材料）及生命机体 /人造材料相互作用的基础上的合理设计。 人体的生物活性，在人体内与机体组织细胞、生物力学、生物电的反应关系 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 14 一、课程设立的目的、意义 医用材料的研究基础 材料研究的基础 （ 生物体 环境 ） 医用材料的定义、目标 （ 组织、器官的 生理功能， 生物体对植入材料的 反应 ） 医用材料的分类与发展 （ 材料本身具有 生命性质 而 与机体产生 生物性结合 ） 医用材料的应用举例 社会效益、经济效益、市场前景 未来发展的趋势与挑战 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 15 生 物 医 用 材 料 诊断 现代诊断系统 治疗 先进控制释放系统 修复、置换、增进 组织器官功能 通用生物医用材料 组织工程 生物医用材料 医用材料的分类与发展（ 生物材料的定义 ） 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 16 生物材料的分类 （ 材料的属性 ） 金属 瓷 分子 合材料 用材料的分类与发展 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 17 生物材料的分类 （ 材料的生物学性能 ） 生物惰性材料 物活性材料 物降解材料 物复合材料 医用材料的分类与发展 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 18 生物材料的分类 第 一 代 生物材料 第二代 生物材料 第三代 生物材料 医用材料的分类与发展 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 19 第 一 代 生物材料 生物材料首先应具有人体的组织或器官的 功能 ，这些材料与普通的标准材料很相似，从后者衍生出来的，根据临床应用的特点，设计、改变其结构以适应临床应用。 六七十年代，物理性能适宜、对宿主反应最小的组织替代物，大多数属于 惰性生物材料 ，使免疫排斥反应达到最低的材料。 医用材料的分类与发展 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 20 第 二 代 生物材料 植入材料在具有生物功能性的同时 ，具有与人体组织的 相容性 ， 即材料与人体之间相互作用产生的各种复杂的生物、物理和化学反应， 最终被人体组织所接受的性能。 80年代开发的 生物活性玻璃 ， 生物活性材料和相应的 复合材料 吸收性生物材料 （聚乳酸 聚乙醇酸 ） 利用这些材料已经制造出了许多人工器官，如肾、 肝、肺、骨关节等。 医用材料的分类与发展 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 21 第 三 代 生物材料 具有激发 、 促进人体组织自身修复和再生作用 ， 从而使病变组织 、 器官最终完全或主要是由 再生的自身天然健康组织或器官 所取代 。 生物材料不仅要具有生物安全性和生物 相容性 ， 更希望植入体内能诱发所期望的反应 ， 使目标细胞黏附 、 增殖 、分化 ， 并且防止肿瘤化倾向 。 医用材料的分类与发展 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 22 第 三 代 生物材料 即与 组织工程 相关的生物材料。从材料科学与生命科学交叉与融合角度 ,对生物材料的细胞水平和分子水平进行设计并制备出具有刺激特异细胞反应的、具有 生物活性的可吸收生物材料 ，使目标细胞迁移至损伤部位，刺激它们生长和分化，促进组织的自愈合，且随着组织的修复能被细胞释放的相关酶完全降解的生物材料。 医用材料的分类与发展 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 23 生物材料的分类 第 一 代 生物材料 具有组织或器官的 功能性 的惰性生物材料 . 第二代 生物材料具有 生物功能性 的同时 ，具有与人体组织的 相容性 的 生物活性和可吸收性生物材料及其复合材料 。 第三代 生物材料从 生物材料的细胞水平和分子水平进行设计 ， 不仅要具有生物 功能性 和生物 相容性 ， 还具有 促进组织的自愈合 ， 且随着组织的修复能被细胞释放的相关酶完全降解的材料 。 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 24 一、课程设立的目的、意义 医用材料的研究基础 材料研究的基础 医用材料的定义、目标 医用材料的分类与发展 医用材料的应用举例 社会效益、经济效益、市场前景 未来发展的趋势与挑战 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 25 人工关节 美国，每年仅人工髋关节置换的数量己经超过 50万人次。 我国，每年施行一万多例人工关节置换手术 。 限制型 半限制型 非限制型 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 26 滚动式人工膝关节 属于半限制型。 有左右侧之分。 135 20 10 O 的内翻外翻。 设计承载能力为 5 可选配不同型号髓内干。 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 27 1982年美国 植 型人工心脏。 2001年 7月， 脏移植 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 28 2000万心血管病患者 4万套 人工心瓣膜 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 29 人造心脏瓣膜 生物瓣 同时采用人工合成的高级材料和经过复杂化学处理的 生物组织膜而制成。优点是术后不必终生抗凝，血栓栓塞率 较低。缺点是耐久性不如机械瓣，瓣膜的寿命约在十年左右， 如损坏则需第二次换瓣。 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 30 人造心脏瓣膜 机械瓣 采用高级合成材料制成。优点是耐久性好，其缺点是需终生抗凝。血栓栓塞率较生物瓣高。 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 31 脊 柱 修 复 支 架 Q 一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 32 人造牙齿 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 33 人工水晶 体 ，直徑約 6一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 34 人造血管 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 35 人造皮 肤 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 36 一、课程设立的目的、意义 医用材料的研究基础 材料研究的基础 医用材料的定义、目标 医用材料的分类与发展 医用材料的应用举例 社会效益、经济效益、市场前景 未来发展的趋势与挑战 37 医疗器材实例 年产值 (* 缝线 (短期使用或可吸收性 ) 250 M* 导管 (液体输送管 ) 200 M 血液袋 40 M 隐形眼镜 30 M 人工水晶体 人工膝关节及髋关节 义乳 (癌症或美容 ) 齿科植入物 肾脏透析器 富氧机 /s (心肺绕道系统 有利进行心脏手术 ) 人工血管 心律调节器 (脉冲产生器 ) *B. D. et An to in 2nd A: 2004. *B. D. et An to in A: 996. 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 38 全球生物医用材料市场 0500100015002000250030003500年20052002200032752300165020%12%单位: 亿美元世 界 医 疗 器 械 市 场生物 材 料 和 制品第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 39 全球生物医用材料细分市场发展 工程化组织和器官心血管系统修复材料、血液净化材料矫形外科修复材料和制品人造皮肤、组织粘合剂及术后防粘连制品药物缓释材料其他生物材料和制品其他医疗器械制品增长率 26% 高速增长 市场将达 800亿美元 增长率 45% 高速增长 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 40 中国生物医用材料市场 我国生物医学材料的生物医学工程产业的市场增长率高达 28 (全球市场增长率20%),居全球之首。 我国人工关节 替换年增长率高达 30 ，远高于美国的 4 。 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 41 775万肢残患者和每年新增的 300万骨 损伤患者 2000万心血管病患者 4万套人工心瓣膜 肾衰患者 2万个肾透析器 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 42 我国生物医用材料的产业化 我国生物材料和制品所占世界市场份额不足 产品技术水平处于初级阶段，且产品单一； 同类产品与国外产品比，基本上属于仿制， 自主知识产权较少； 生物医用材料与制品 70依靠进口； 产业正处于起步阶段 。 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 43 一、课程设立的目的、意义 医用材料的研究基础 材料研究的基础 医用材料的定义、目标 医用材料的分类与发展 医用材料的应用举例 社会效益、经济效益、市场前景 未来发展的趋势与挑战 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 44 未来发展的趋势与挑战 复杂的生理环境 ,材料的各种变化 ,同时对人体组织产生的多种影响 新材料的生物学行为，人工材料与相接触的人体软硬组织 的 界面结构 新的合成设计思想和寻找新的合成方法 从仿生的角度创造出具有高生理功能的人工组织器官 利用生物有机体内某些重要的分子和组成 ,例如酶、多肽、抗体、受体细胞解决材料的生物化问题来行使特定生物功能 材料种植与细胞作用的界面研究 材料用生理活性物质进行表面修饰 ,是功能化、智能化 第一章 绪 论 二、课程特点 45 第一章 绪 论 一、 课程设立的目的、意义 二、 课程特点 三、 课程主要内容 四、成绩考核 五、相关概念的回顾与解释 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 46 参考文献 生物医学材料学 顾汉卿 徐国风 主编 天津科技翻译出版公司 1993 生物材料学 阮建明 编著 科学出版杜 2004 生物医用材料 俞耀庭 主编 ， （ 二十一世纪新材料丛书 ） 天津大学出版社 2000 人体解剖生理学 北京师范大学等编 北京科技发行 1990 分子细胞生物学 韩贻仁 主编 科学出版杜 2001 生理学 张镜如 主编 人民卫生出版社 1996 第一章 绪 论 三、课程主要内容 47 第一章 绪 论 一、 课程设立的目的、意义 二、课程特点 三、 课程主要内容 四 、 成绩考核 五、相关概念的回顾与解释 第一章 绪 论 三、课程主要内容 48 三、课程主要内容 1. 绪论 2 医用植入材料生物环境 生命体系结构 、 人体组织与器官 、 细胞结构与功能 、 人体血液与组织液系统 、 人体骨骼系统与骨组织生物力学 、 人体免疫系统与免疫细胞 3 医用植入材料与人体间的相互作用 生物相容性反应 、 医用植入材料引起的炎症与伤口愈合 、 医用植入材料引起的感染 、 钙化和肿瘤 、 医用植入材料的病理学反应 第一章 绪 论 三、课程主要内容 49 三、课程主要内容 4 植入材料与细胞作用界面 材料与细胞界面基本理论 、 材料与细胞界面结合形式 、 材料与细胞界面关系 、 材料与细胞界面检测与评价 5. 医用材料生物化 医用材料生物化原理 、 医用材料表面净化与微孔化 、 医用材料表面亲水化 、 医用材料活性物质化 6 生物医用材料智能仿生化 生物医用材料仿生构思 、 刺激响应性高分子凝胶 、刺激响应性药物释放体系 、 仿生膜材料 第一章 绪 论 50 第一章 绪 论 一、 课程设立的目的、意义 二、课程特点 三、课程主要内容 四、成绩考核 五、相关概念的回顾与解释 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 51 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 二、课程特点 三、课程主要内容 四、成绩考核 五、相关概念的回顾与解释 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 52 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 。 要求生物材料具有 功能性 和相容性 。 1、 生物医用材料 生物材料 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 53 生 物 医 用 材 料 诊断 现代诊断系统 治疗 先进控制释放系统 修复、置换、增进 组织器官功能 通用生物医用材料 组织工程 生物医用材料 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 54 2、生物功能性 入体内的材料或器械，对组织进行结构上的替代或补偿，完成近似的和特殊的功能。 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 55 生物功能性 负载传递和应力分布 关节替换： 人工关节 控制血液流动： 人造血管 、 人工心脏 控制其它体液流动 简单填充 产生和传导电刺激 光传导： 人工晶体 声音传导 缓释药物和其它物质 引导组织再生 （ 4） 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 56 3、生物相容性 物材料和人体组织接触后 ， 在材料 机体组织界面发生一系列 相互作用 后 ，产生各种复杂的生物 、 物理 、化学 反应 , 最终被人体组织所接受的性能 。 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 57 理想材料的生物学反应 各种 生物医用材料 人工器官 医用辅助装置 对人体 无毒性 无致敏性 无刺激性 无致畸性 无遗传毒性 无致癌性 对人体 免疫 系统无任何不良反应， 无凝血、无溶血反应 无炎症、肿瘤反应 无免疫排斥反应 组织 血液 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 58 材料 机体组织 的 相互作用 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 59 生物相容性分类 血液相容性： 材料用于心血管系统与血液直接 接触，要考察与血液的相 互作用。 循环系统：人工心脏、心脏瓣膜、人工血管 血管内：血管支架、导管 组织相容性、 一般生物相容性： 材料与心血管系统外的组织和器官接 触，主要考察组织的相互作用。 一切植入物都需要考察组织相容性。 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 60 生物相容性的评价标准 美国评价标准 48 美国、英国、加拿大三国评价标准 1986 国际标准化组织评价标准 中国的评价标准 一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 61 4、 生物惰性材料 生物环境中能保持 稳定 ， 不发生或仅发生微弱化学反应的生物医学材料 ， 主要是生物陶瓷类和医用合金类材料 . 由于在实际中 不 存在完全 惰性 的材料 ,因此生物惰性材料在机体内也只是基本上不发生化学反应 。 它与组织间的结合主要是组织长入其粗糙不平的表面形成一种机械嵌联 ， 即形态结合 。 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 62 氧化物陶瓷 氧化铝 : 纯刚玉双杯式人工髋关节 ; 纯刚玉 金属复合型人工股骨头 ; 纯刚玉 聚甲基丙烯酸酯 钴铬钼 合金铰链式膝关节 ; 其他人工骨 、 人工牙根等 . 氧化锆 : 人工髋关节 生物惰性材料 一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 63 玻璃陶瓷 : 部分人工关节 . 较小的人工骨 ， 目前还不能用作 承重材料 . 医用碳素材料 : 人工心脏瓣膜等人工脏器 , 人工关节 . 医用金属材料 : 人体承重材料中应用最广泛 的材料 ， 表面涂上活性生物 材料后可增加它与人 体环境 的相容性 ， 同时还能制作各 类其他人体骨的替代物 。 生物惰性材料 一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 64 5、生物活性材料 诱出 或 调节生物活性 的生物医学材料 . 生物活性 是 增进 细胞活性 或新组织再生 的性质 . 生物医用高分子材料以及典型的生物活性材料羟基磷灰石 。 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 65 羟基磷灰石 ( 生物硬组织的修复和替换材料 口腔种植、牙槽脊增高、颌面骨、鼻梁、 假眼球、耳小骨替换、中耳通气引流管 脊椎骨替换 填充用颗粒 抑制癌细胞用微晶粉 制备多孔陶瓷和复合材料 /涂层材料 生物活性材料 一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 66 磷酸钙生物活性材料 磷酸钙骨水泥 :骨修补和固定关节 磷酸钙陶瓷纤维 : 无机骨水泥的补强及制 备有机与无机复合型植入材料 . 生物磁性陶瓷材料 :治疗癌症用 生物玻璃 : 生物活性微晶玻璃 / 可加工生物 活性微晶玻璃 生物活性材料 一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 67 6、生物降解材料 被植入人体以后 ,能够不断的发生 分解 ,分解产物能够被生物体所 吸收或 排出 体外的一类材料 . 修复良性骨肿瘤或瘤样病变手术刮除后所致缺损 生物陶瓷药物载体 : 微药库型载体，可根据要求制成一定形状和大小的中空结构，用于各种骨科疾病。 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 68 7、 生物复合材料 物复合材料又称为生物医用复合材料 ， 它是由两种或 两种以上 不同材料复合而成的生物医学材料 。 人体功能的复杂性以及应用场合 、 应用形式不同；同一场合下 ， 对性能要求也不是单一的 ， 因此要求植入材料性能多样性导致复合材料产生 。 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 69 生物复合材料复合目的 综合多种组分或结构的性能优势 ， 更好实现对人体受损组织的修复作用 。 降解模式和降解速率具有可调性 增强和改善力学性能 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 70 生物复合材料的分类 有机 /有机复合生物材料 : 可降解高分子材料之间通过对不同组分的复合 ,考察材料的相容性以及结构和性能 ,筛选具有最佳性能的复合生物材料 。 包括天然高分子材料 ,生物合成聚酯 ,以及人工合成聚酯和聚酸酐等 。 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 71 金属 /无机复合生物材料 : 金属材料通过一些物理或化学手段 (等离子喷涂 ,电化学沉积法等 ),在其表面形成一层磷酸钙盐 ,改善金属材料表面的生物相容性 ,并与周围的骨组织形成良好的骨性结合 。 生物复合材料的分类 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 72 有机 /无机复合生物材料 ： 结合有机组分的韧性和无机组分的刚性 ,充分利用了无机组分或部分有机组分的生物活性或降解性能 ,形成了具有综合使用性能的骨修补复合材料 ， 用于修复和重建人体的硬组织 ,作为骨修复或骨固定材料 。 骨修复复合材料与周围组织的最终 结 合形式 或被利用的状况与材料组分的降解特性 、 材料的结构等密切相关 。 一般来说 ,具有降解特性或贯通孔洞的复合材料能够被人体较好地利用 ,新生骨组织可以长入到材料内部 ,并与周围组织形成牢靠的结合 。 生物复合材料的分类 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 73 8、生物衍生材料 经过 特殊处理 的 天然生物组织 所 形成的生物医用材料，也称为生物再生材料。 生物衍生材料具有类似于自然组织的构型和功能，其组成类似于自然组织，在维持人体动态过程的修复和替换中具有重要作用。 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 74 生物衍生材料 来源： 取自同种或异种动物体的生物组织 . 特殊处理： 轻微处理：维持组织原有构型而进行的固 定 、 灭菌和消除抗原性处理 。 强烈处理：拆散原有构型 、 重建新的物理形 态的处理 。 第一章 绪 论 一、课程设立的目的、意义 75 9、组织工程 用生命科学与工程学的原理与技术 ,在正确认识哺乳动物的正常及病理两种状态下的