生物医用药用功能材料.ppt

1、1,第七章 生物医用药用功能材料,随着化学工业的发展和医学科学的进步，生物医用药用功能材料的应用愈来愈广泛，从高分子医疗器械到具有人体功能的人工器官，从整形材料到现代医疗仪器设备，几乎涉及到医学的各个领域，都有使用医用高分子材料的例子。所用的材料种类已由最初的几种，发展到现在的几十种，其制品种类已有上千种。 生物医用药用功能材料即医药用仿生材料，又称为生物医药材料，这类材料是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功能材料。,2,生物医用药用功能材料作为一类新兴材料发展很快，每年以2030的速度递增。 1980年世界销售额达

2、200亿美元， 1990年将增加到500亿美元。 医用高分子材料大量用于医疗器具和器械，而且用作人体器官或肌体组织的代用品，短期或长期植入人体内，起到人体某种功能的作用。,3,近年来，这类生物医用药用功能材料的人工器官发展更为迅速，目前国外有数以百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； 人工乳房12.5万人等。,4,人类利用天然材料治病的历史已有数千年： 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

3、了补牙用的银膏。金银铂等贵重金属最先用于临床实践，它们都有良好的化学稳定性和易加工性能。,5,1926年，不锈钢材料用于骨科治疗， 20世纪50年代用纯钛制作的骨丁、骨板已用于临床， 70年代后期以Ti-Ni系为代表的形状记忆合金成为骨科、口腔科医用金属材料的重要组成部分。高分子生物材料的发展略晚于金属材料， 20世纪60年代初，聚甲基丙烯酸甲酯开始用于髋关节的修复，促进了医用高分子材料的发展。,6,生物陶瓷的开发研究开始于60年代初，首先是用于骨校正和牙种植的多晶氧化铝陶瓷， 1967年，低温各向同性碳用于临床， 1971年羟基磷灰石陶瓷获得临床应用，从此，生物陶瓷复合材料成为一个重要的研究

4、领域。 在生物陶瓷的骨架结构中引入生长因子，使陶瓷具有生物学功能是目前较为活跃的研究领域之一。,7,目前, 生物医用药用功能材料应用很广泛,几乎涉及到医学的各个领域。按其应用大体可分为三大类: 不直接与人体接触的 与人体组织接触的 进入人体内的与人体接触的,8,进入体内的材料虽然是一小部分，但它决定了最近数十年来医学上的许多成就。它们中的绝大多数属功能高分子范畴。 有的具有人体组织或器官的某些功能； 有的利用其物理化学性能阻止或疏通某些功能障碍，使之恢复其正常功能； 有的只作为医疗器械使用，由于它与人体表面或体内或长或短时间的接触，对其生物学性能仍有一定的要求。,9,生物医用药用功能材料从原料

5、、助剂、材料合成到制品结构设计加工，从生物学性能的检验到临床验证，涉及的专业和学科很多。生物医用药用功能材料作为一门边缘学科，结合了化学、物理、生物化学、合成材料工艺学、病理学、药理学、解剖学以及临床医学等等多方面的知识，涉及许多工程学的问题。这些学科相互渗透、相互交融，促使生物医用药用功能材料的品种日益丰富，性能逐渐完善，功能日益齐全。,10,二十一世纪生物医用药用功能材料将进入一个新的时代，目前国内已有十几个省市的单位从事生物医用药用功能材料的研究和生产，涉及到六十多种材料，其制品品种已达200多种，如人工皮、人工骨、人工脏器、人造血液、各种整形材料和医疗器械等。自上海橡胶制品研究所与有关

6、医院协作研制的硅橡胶心脏瓣膜，1965年已成功地植入人体以来，医用高分子的发展为保障人民身体健康，战胜各种疾病，探索生命奥秘，起到了及其重大的作用，发展多种新型的生物医用药用功能材料，已成为医学、药学以及材料学、化学工作者所共同关心的问题。,11,第一节 生物医用药用功能材料的特征与评价,1.1生物医用药用功能材料的基本性能要求 生物医用药用功能材料在使用的过程中常常与生物肌体、体液、血液等等相接触，有些还长期在体内放置，因此要求其性能较为出色，生物医用药用功能材料的要求比普通工业用材料的要求要高的多，尤其对植入性材料的要求更甚。,12,对于在人体内应用的高分子材料一般要求： （1）化学性能稳

7、定，对人体的血液、体液等无影响，不形成血栓等不良现象； （2）材料与人体的组织相容性良好，不会引起炎症或其它排异反应； （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）不因高压蒸煮、干燥灭菌、药液等消毒措施而发生质变。,13,除上述一般要求外，根据用途的不同和植入部位的不同还有各自的特殊要求： 与血液接触不得产生凝血，眼科材料应对角膜无刺激。 注射整形材料要求注射前流动性好，注射后固化要快等等。 作为体外使用的材料，要求对皮肤无害，不导致皮肤过敏，耐汗水等浸蚀，耐消毒而不变质。 人工脏器还要求材料应具有良好的加工性能，易于加工成需要的各种复杂的形状。不同的用途

8、要有许多特殊的要求。,14,1.2 生物相容性,生物材料在与人体组织接触时会产生有损肌体的宿主反应和有损材料性能的材料反应，在生物体方面往往出现毒性反应、炎症和形成血栓等等。这就要求所生产的生物材料在生理环境中具有生物相容性(biocompatibility)，这是生物医用药用功能材料区别与其它材料的最基本的特征。,15,生物相容性： 材料在特定的生理环境中引起的宿主反应和产生有效作用的综合能力。 主要包括： 血液相容性 组织相容性,16,血液相容性主要是指生物医用药用功能材料与血液接触时，不引起凝血及血小板粘着凝聚，不产生破坏血液中有形成份的溶血现象，即溶血和凝血。 医用材料与体液、血液的接

9、触主要是在材料的表面，所以在考虑机械性能之外，在材料表面结构的合成与设计中，应考虑材料的抗凝血性，该工作主要包括惰性表面、亲水性表面、亲水疏水微相分离结构表面及其表面修饰。,17,组织相容性：是指活体与材料接触时，材料不发生钙沉积附着，组织不发生排拒反应。 组织相容性也是基于亲水性、疏水性以及微相分离的高分子的表面修饰、特别是细胞粘附增殖材料更为引人注目。 材料与组织能浑然成为一体是当今组织相容性研究的热点课题。,18,研究评价生物相容性标准与标准方法一直是生物医用药用功能材料研究的重要组成部分。 临床使用前对生物医用药用功能材料进行严格的测试与评价以确保生物医用药用功能材料的临床使用的安全性

10、是十分必要的。 国际标准化组织ISO/TC194制定了生物医用药用功能材料的检验测试项目。其标准实验是可重复性实验，其程序一般由简到繁，从体外到体内，先动物，后人体。,19,1.3生物降解吸收材料,有些外科内植用的材料作为永久性材料植入体内时，希望材料的组织相容性良好，在体内保持稳定，耐生物老化性良好。 但有些材料期望它能在发挥作用后降解，被组织吸收，通过正常的循环被排出体外。如可降解的手术缝合线，被用来缝合内脏的手术口，避免了二次手术拆线；可降解的骨丁、骨板经过一定的时间后被正常的组织所填充覆盖吸收，避免了拆除的痛苦。,20,目前主要采用的医用高分子材料种类： 脂肪聚酯、聚丙交酯、聚内酯、聚

11、酸酐、聚原酸酯、聚乳酸等等。 生物降解吸收医用材料在体内的降解大致有水解与酶解两类： 水解产物应无毒副作用，分子量较小，能够经肾脏排出；酶解产物应能够参与正常的代谢。,21,22,生物降解医用高分子的研究目前主要集中在：,A 以形状、表面积以及不同的链节比例等控制合适的降解速度，以保证材料在正常的使用期限中具有良好的性能而在活体康复后尽快降解。 B 在大分子链上引进功能基团，引进抗体、药物活性物质，进行官能团修饰以增进材料的亲水性，加快材料的水解速度。 C 通过嵌段共聚控制缓释药物的释放速度，改善药物通过膜的透过性。,23,由于可降解高分子材料不需二次手术移出，因此其特别适合于一些需暂时性存在

12、的植入场合。根据其临床中的应用，可分为以下几类： （1）外科手术缝合线； （2）骨固定材料； （3）人造皮肤； （4）药物释放体系。,24,第二节 医用功能材料的分类与应用,迄今为止人们研究过的医用功能材料已有1000多种，在临床上广泛应用的也有几十种，涉及到材料学科的各个领域。,25,根据材料的属性，它可以分为以下几类： 医用金属材料（biomedical metallic materials） 医用无机非金属材料或称为医用陶瓷（biomedical ceramics） 医用复合材料（biomedical composites） 医用高分子材料（biomedical polymer）,26,

13、2.1医用金属材料,医用金属材料是用作医学材料的金属或合金： 医用金属材料一般具有较高的机械强度和抗疲劳性能，是临床应用最广泛的植入材料。很早金属材料就在临床上有所应用，最初的医用金属材料是金属板和针，用于固定骨折。 二十世纪40年代，医用金属材料应用已经非常普遍，主要用于骨和牙等硬组织的修复和替换，如人工关节，人工骨及各种内外固定器械，还参与制作血管扩张器、人工气管、生殖避孕器材及各种外科辅助器件。最先广泛用于临床治疗的金属是金、银、铂等贵重金属，它们具有良好的稳定性和加工性能。 之后，铜、铅、镁、铁和钢等曾用于临床实验，但因耐腐蚀性、生物相容性较差以及力学性能偏低未受到广泛应用。,27,随

14、着冶金技术的进步，不锈钢逐渐应用于临床，虽然抗腐蚀性并不十分理想，但易加工，价格低廉，是目前应用最广的金属材料。 现已用于临床的医用金属材料还有钴基合金和钛基合金、形状记忆合金、贵金属以及纯金属钽、铌、锆等。其中钛被称为“亲生物金属”，它强度大，密度与人骨相近，又不受人体组织液腐蚀，适用于人体，在医学上有特殊用途；用钛代替或修补骨骼损失，新骨骼和肌肉可以在钛上生长，形成的钛骨犹如真骨；钛制的头盖骨、肘骨，已用于临床；利用钛镍合金的形状记忆特性，可疏通血管或胆道阻塞。 目前，国内外正开展在金属表面生物相容性、硬度、耐磨性和耐腐蚀性等的研究工作。,28,2.1.1 对医用金属材料的性能要求,（1）

15、 力学性能 对医用金属材料，既要求具有良好的静态性能，又要求具有抗周期性作用的动态性能。屈服强度、断裂强度、弹性模量、疲劳极限是主要的强度指标。 人们期望的医用金属材料应该是具有镁的弹性模量，钴铬钼合金的强度，钛合金的抗腐蚀性和生物相容性，以及不锈钢的可加工性。,29,弹性模量是医用金属材料在骨科应用中的一个重要指标。人骨具有17GPa的弹性模量，钛合金具有110至124GPa的弹性模量，钴铬钼合金是240GPa。在弹性模量上人骨与植入体内的金属之间的差别，使两者在承担负载方面不均衡。应力不均衡的结果，金属材料在体内产生应力遮挡，使与植入物相邻的骨不能变得与没有植入物时一样结实牢固。,30,耐

16、磨性也是医用金属材料的一个重要指标。过度的磨损能导致植入物部件过早失效。另外，磨损金属碎屑可能与人体不相容。,31,（2）腐蚀性能,医用金属材料必须能在体内环境中抗腐蚀。所有类型的腐蚀在处于体内环境下的医用金属材料中已经被观察到： 均匀腐蚀、 点和缝隙腐蚀、 应力腐蚀、 开裂腐蚀、 疲劳和晶间腐蚀。 除均匀腐蚀以外的腐蚀在人体内都是不能容忍的。而能够容忍的均匀腐蚀也很有限，只有腐蚀速率低于0.25um/年的材料才可以被考虑作为医用金属材料。,32,表面钝化是耐蚀性的最重要判据： 例如，不锈钢和钴铬钼合金，由于含铬使之钝化而抗均匀腐蚀，其他类型元素的加入可以抗非均匀类型的腐蚀，例如点腐蚀等。 但

17、是钛及其合金不依靠铬钝化。 另外，表面光洁度也可以影响耐磨性和耐腐蚀性，表面光洁度高更耐磨损和耐腐蚀。,33,2.1.2 常用医用金属材料,最典型的医用金属材料是骨科植入物：像人工髋关节和膝关节，以及骨钉等。 对于这些结构性的应用，最主要的材料是不锈钢、钴基合金、各级纯钛和钛合金等。,34,（1）不锈钢,不锈钢用于制作植入物最多： 其价格便宜，易于通过常规技术成型。 力学性能在较大的范围内是可控的，能提供最佳的强度和韧性。 但是在体内长时间使用，不锈钢的耐腐蚀性不够。不锈钢最适用于制作短期的骨折处理装置，如螺钉、骨板、髓内钉以及其他一些临时固定器械。 以前，人工髋关节主要是由不锈钢制作的。 现

18、在，这些长期植入物一般选用钴铬钼合金或钛合金。,35,为提高不锈钢的抗缝隙腐蚀能力，不锈钢植入物在包装和灭菌之前，需用硝酸钝化处理。 用于植入物的不锈钢金相为奥氏体组织，因而具有良好的成型性。 真空冶炼能帮助改善合金的疲劳性能，冷加工能增加强度和抗疲劳性。,36,（2）钴铬钼合金 钴铬钼合金，因其良好的耐腐蚀性和优异的力学性能而成为重要的医用金属材料，其最常用的是铸造钴基合金，但变形（锻造）合金的发展也很快。,37,钴铬合金的冶金学与钴基高温合金相同，它们由元素的固溶和碳化物的形成而强化。 对于锻造合金，冷加工亦使材料强化。 屈服强度随晶粒尺寸而变化，并受加工过程中冷加工的影响。 用于髋关节这

19、类结构性应用的此类合金，为达到最佳性能而最好采用锻造。,38,钴铬合金难于机械加工，精锻虽能减少机械加工，但是闭合模锻件仍比铸件的机加工量大，结果造成钴铬合金植入物多数仍是铸造的。 铸件有时存在疏松和气孔，但可以由改进模具设计并通过铸造后的热等静压处理来控制。,39,另外，粉末冶金技术有时用于制作钴铬合金部件。热等静压应用在粉末冶金上，能获得非常细的晶粒和异常好的性能，但价格昂贵。,40,生产钴铬钼植入物时，综合考虑生产成本和产品性能来确定工艺方法。 如果使用铸造的产品性能能满足使用要求，则选择铸造方法。 如果对机械强度的要求很高，则应采用锻造或热压的方法。锻造的钴铬合金在力学性能上明显高于铸

20、造的钴铬钼合金。,41,（3）钛及其合金,纯钛的生物相容性相当好。 纯钛以及钛合金的植入物很少或几乎不与其周围的组织反应。 钛的耐腐蚀性是由于其表面形成一层氧化膜，这层氧化膜若受到损坏，可以在体温和人体组织液的条件下再生。,42,Ti-6Al-4V具有最佳的结构性植入物的综合性能。 这种合金比纯钛有更高的极限强度和屈服强度，兼具良好的韧性。 它一般是由锻造得到，但也可以铸造。另外，Ti-6Al-4V能通过控制成分，调整加工参数使其强化。 通过适当的加工过程，其疲劳寿命可增加一倍。近来，Ti6Al17Nb新合金开始在欧洲应用，该合金元素对人体无毒性，且强度较Ti-6Al-4V高10，被认为是制作

21、永久性植入物的理想材料。,43,钛的摩擦、磨损性能不同于其他金属，这是由于钛表层有一层坚固的氧化膜，它在钛关节面的低负载、慢滑动条件下能保持完好。如果这个氧化膜磨损又不能很快再生，则有可能发生咬死现象，甚至引起金属对金属的直接接触和冷结合，从而很高的摩擦和磨损。,44,由于磨损，设计钛对钛（或与其他材料）的人工关节滑动部件是不可取的。 钛可以作为组合式假体的其他部件，如在全髋置换术中，钛材股骨柄可与钴铬钼或陶瓷球头相配，然后与塑料内衬臼杯组成关节。 通过离子注入和氮化等方法，可改进钛的耐磨性，扩大钛在骨科植入物领域的应用。,45,2.2 医用陶瓷,医用陶瓷是陶瓷材料的一个重要分支，是用于生物医

22、学及生物化工中的各种陶瓷材料，其总产值约占特种陶瓷的5。 目前，约有40余种生物陶瓷材料在医学、整形外科方面制成了50余种复制和代用品。,46,陶瓷植入体内不被排斥，具有优良的生物相容性和化学稳定性，不会被体液腐蚀，自身也不老化。 为了使植入材料的物理化学性质与被替代的组织相匹配，生物陶瓷中的复合材料便应运而生，且发展迅速。 医用陶瓷主要是用于人体硬组织修复和重建的陶瓷材料，与传统的陶瓷材料不同，它不单指多晶体，而且包括单晶体、非晶体生物玻璃和微晶玻璃、涂层材料、梯度材料、无机与金属的复合等材料。 它不是药物，但它可作为药物的缓释载体；它们的生物相容性和磁性或放射性，能有效地治疗肿瘤。 在临床

23、上已用于髋、膝关节，人造牙根，牙嵴增高和加固，心脏瓣膜，中耳听骨等。,47,应用于临床的医用陶瓷必须是安全无毒的，根据它们与组织的效应，分为三类： （1）惰性陶瓷，在生物体内与组织几乎不发生反应或反应很小，例如氧化铝陶瓷和蓝宝石，氧化锆陶瓷，氮化硅陶瓷等。 （2）活性陶瓷，在生理环境下与组织界面发生作用，形成化学键结合。如羟基磷灰石等陶瓷及生物活性玻璃，生物活性微晶玻璃。 （3）可被吸收的陶瓷，这类陶瓷在生物体内逐渐降解，被骨组织吸收，是一种骨的重建材料，例如磷酸三钙等。,48,各种医用陶瓷在临床上有如下应用：,能承受负载的矫形材料，用于骨科、牙科的有：Al2O3陶瓷，稳定ZrO2陶瓷，具有生

24、物活性表面涂层（生物活性玻璃、生物微晶玻璃）的相应材料。 人工心脏瓣膜：热解碳涂层（抗凝血，摩擦系数小）。 骨的充填料：磷酸钙及磷酸钙盐粉末或颗粒。,49,种植齿：Al2O3陶瓷，HAP陶瓷，生物活性玻璃，活性涂层材料。 耳鼻喉科：Al2O3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。 可供组织长入的涂层：多孔Al2O3陶瓷。,50,牙槽增高：Al2O3陶瓷，生物活性玻璃，自固化磷酸盐水泥和玻璃水泥。 径皮端子（腹透）：生物活性玻璃及生物活性微晶玻璃，HAP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。,51,2.2.1 惰性陶瓷,（1）氧化铝

25、陶瓷 1933年Rock首先建议将Al2O3陶瓷用于临床医学。1963年由Smith用于矫形外科。由此以后，Al2O3陶瓷用于人造牙根、髋关节、膝关节、中耳听骨，在临床上逐渐应用，成为医用陶瓷的一种重要材料。,52,同多晶Al2O3陶瓷相比，单晶Al2O3陶瓷机械性能更为突出，在临床应用于负重大、耐磨要求高的部位，如高强度的螺钉等。但加工更加困难。,53,多孔Al2O3陶瓷可使骨组织长入其孔隙而使植入体固定。多孔Al2O3陶瓷的强度随孔隙率的增加而急剧下降，因此，只能用于不负重或负重轻的部位。 孔隙大小对于骨长入十分重要，孔径1040um时，只有少量组织长入，而没有骨质长入。当孔径在75100

26、um时，则连接组织长入。 骨质完全长入的孔径为100200um。,54,（2）碳材 根据生产工艺不同，可得到不同结构的碳材。 a.玻璃碳。由加热聚合态碳，使易挥发组分失去，剩下的就是玻璃碳。 b.热解碳（LTI碳）。由甲烷等碳氢化合物在10002400热解、沉积而得。 c. 低温气相沉积碳（ULTI碳）。在低压常温下，用催化剂使碳在含碳浓度高的气相中沉积而得到一种各向同性的碳。,55,碳材在1967年由Bokros开发并应用做医用材料。但因其独特的优点，发展迅速。碳的优点在于：A. 生物相容性好。特别是抗凝血性能佳，与血细胞中的元素相容性极好，不影响血浆中的蛋白质，也不会改变血浆中酶的活性。,

27、56,B. 碳的弹性模量不高，LTI碳的弹性模量为20GPa，抗弯强度高达275620MPa，并且韧性好。与Al2O3陶瓷相比，LTI碳具有高的韧性，其断裂能约为5.5MJ/m3，Al2O3陶瓷仅为0.18 MJ/m3，也就是说碳的韧性比Al2O3陶瓷高25倍。LTI碳的断裂应变大于5，因此可用作有机聚合物纤维的涂层材料，当基体弯曲时，涂层不会断裂。C. 耐磨性好，并且抗疲劳，能承受大的弹性应变，本身不致擦伤或损伤。碳不具有其他晶态固体的可移动缺陷，因此其强度也不会因周期性承载而破坏，故抗疲劳性能好。,57,不同碳的制备工艺不同，机械性能不同。玻璃碳是低密度碳，只能用于机械性能要求不高的场合。

28、LTI碳涂层作心脏瓣膜用于临床，从1969年Debakey首次应用，至今已有几十万例。鉴于碳具有平滑而耐磨的表面，可用作血管移植和心脏瓣膜的缝合环、碳制人工关节等。此外，碳还可用于制造耳窝听力激发器，碳纤维还可用作人工腱和韧带等。,58,2.2.2 活性陶瓷,医用活性陶瓷的突出优点在于随修复时间的延长，种植体表面发生动态变化，表面形成与骨组织能够化学键结合的生物性羟基磷灰石（HCA），这种羟基磷灰石中的部分PO43被CO32取代，还含有其他矿物和微量元素。,59,在种植体上形成的HCA，在化学组成和微观结构上与骨的无机组成相同，在与骨的界面结合中发挥作用。在生理环境下，与骨组织形成紧密的化学键

29、结合层，这种键结合层能阻止种植体材料被腐蚀，具有极好的抗应力性能，从而增强了材料的耐久力和抗疲劳性能。,60,医用活性材料包括各种生物活性玻璃及羟基磷灰石等磷酸盐材料。羟基磷灰石的分子式为Ca10(PO4)6(OH)2，简称为HAP，因为HAP占人体骨组成的7097，所以修复骨组织HAP较金属和聚合物具有更好的效果。Jarch研究了HAP和骨的结合过程，发现HAP植入骨组织后，通过外延生长和骨产生牢固的化学键结合，即骨性结合。,61,HAP抗酸性能差，因此在其中加入适当F元素，以提高它的抗骨伤能力。在临床上应用相当广泛，可用作牙根植体、中耳植体；脊椎外科、肾病患者腹透时用致密HAP作径皮端子，

30、因HAP能与皮肤之间密封，不易出现感染。HAP的强度不高，尤其是抗疲劳性能差，尚不能用于可承受负载的骨修复。,62,2.2.3 可吸收陶瓷,生物吸收材料是一种暂时性的骨替代材料。植入体内后材料逐渐被吸收，同时新生骨逐渐长入而替代。可吸收陶瓷在临床上主要用作治疗脸部的骨缺损，填补牙周的空洞及与有机或无机物复合制作人造肌腱及复合骨板，还可作为药物的载体。,63,最早应用的降解材料是石膏。1892年Dreesman 第一次用石膏作骨填充材料。石膏的生物相容性较好，但吸收速度太快，通常在新骨未长成就消耗殆尽，造成塌陷，因此在许多情况下是不成功的。目前广泛应用的生物降解陶瓷为三磷酸钙（TCP）。,64,

31、从1920年开始应用以来，发展较快。TCP的降解过程与材料的溶解和生物体内细胞的新陈代谢过程相联系，一般来说取决于以下几方面：（1）材料的晶界被浸蚀，使其变成粒子被吸收。（2）材料的天然溶解，形成新的表面相。（3）新陈代谢的因素，如吞噬细胞的作用，导致材料降解。,65,控制TCP的微观结构及组成，可以制备出不同降解速度的材料。虽然目前尚无该方面的反应动力学数据，但对影响TCP降解速度的因素，还是有所了解的。例如，随表面积增大，结晶度降低、晶体结晶完整性下降、晶粒减小等使降解加快。通过控制降解速度，可制得适应于不同人体及人体不同部位的修复材料。,66,2.2.4 可治疗癌症的陶瓷,医用陶瓷不仅可

32、用来替代受损伤的组织，还可通过原位杀死癌细胞，消除被损害的组织使其康复，而不用切除受损害的组织。医用陶瓷的生物相容性与铁磁性，可作为治疗癌症的热源。,67,例如，由LiFe3O5和-Fe2O3与Al2O3-SiO2-P2O5玻璃体复合物，制得致密的玻璃，具有热磁性。将上述玻璃微珠注射在肿瘤周围，并置于频率为10kHz，磁场强度达500Oe的交变磁场中，通过磁滞损失，使肿瘤部位加热到43以上，达到有效治疗癌症，并且骨组织的功能和形状均得到恢复。,68,耐腐蚀又能发射射线的陶瓷，也用于治疗癌症。例如Y2O3-Al2O3-SiO2玻璃，它可被激发或发射射线，半衰期为64.1小时。将直径为2030m的

33、这种玻璃微珠注射入活动肿瘤中，产生局部大剂量射线辐照，几乎不对周围组织辐射，从而达到局部有效杀死癌细胞的作用。因该玻璃的化学稳定性好，放射性元素几乎不溶出。这种玻璃已经受临床考察，其不足之处是半衰期太短。,69,医用陶瓷是用于人体从脚趾到头盖骨的骨骼硬组织修复的重要原料，并且还可用作原位杀死受癌细胞伤害的组织，不用手术达到组织康复。医用陶瓷对于骨骼修复和重建，是不可缺少的材料。但是生物陶瓷材料研究较之其他陶瓷材料，需要更为广泛的基础和合作。较之其他材料，除本身的物理、化学性能之外，还必须经过生物安全测试、形态设计和临床应用研究后，才能进入产业化。,70,2.3医用复合材料,医用复合材料是由两种

34、或两种以上不同材料复合而成的生物医学材料。不同于一般的复合材料，医用复合材料除应具有预期的物理化学性质以外，还必须满足生物相容性的要求。为此，不仅要求组分材料自身必须满足生物相容性的要求。而且复合之后不允许出现有损材料生物学性能的性质。人和动物体中绝大多数组织均可视为复合材料。,71,人工骨中，其头部经常是陶瓷的，其杆部为钴合金，结合的臼窝则为高密度聚乙烯。复合材料由基体材料（高分子基、陶瓷基、金属基等）和增强剂或填料（纤维增强、颗粒增强、相变增韧、生物活性物质填充等）复合而成。,72,医用高分子材料，医用金属和合金以及医用陶瓷均可既作为基材，又可作为增强剂或填料，它们互相搭配或组合形成了大量

35、性质各异的医用复合材料。如全世界几乎每十人中就有一人患关节炎。目前各种药物对关节炎还不能根治。最理想的办法就是象调换机器上的零件那样，用人造关节将人体上患病的关节换下来。用金属做骨架，再在外面包覆超高分子量聚乙烯，不仅能跟骨骼牢固地连接在一起，而且弹性适中，耐磨性好，有自润滑作用，有类似于软骨的特性，植入效果非常好。,73,医学领域长期以来广泛使用的金属，有机高分子等生物医学材料，其成分与自然骨不同，作为骨替代材料、骨缺损填补材料，其生物相容性、人体适应性以及与自然骨之间的力学相容性尚不能令人满意。近年来，羟基磷灰石（HAP）因其组成成分，结构性质与人骨组织中的无机质一致，以及良好的生物学特性

36、（生物相容性、骨引导作用、可与自然骨键合）而成为及其活跃的研究领域。,74,但这种材料也存在一些不足，例如不具骨诱导活性、脆性大、聚形较差等缺点。制备具有生物相容性、力学相容性以及生物活性的硬、软组织材料是当今国际生物材料研究中的前沿性课题，磷灰石组成的复合材料已向此类人体组织材料迈出了重要一步。HAP复合材料属于第二代医用生物材料，它模仿自然骨的结构和功能，具有HAP的生物活性，有特殊的医用价值。综观国内外研究，HAP复合材料大致分为以下三类：（1）HAP与天然生物材料的复合；（2）HAP与非天然生物材料的复合；（3）HAP与多种材料的复合。,75,2.3.1 HAP与天然生物材料的复合,天

37、然生物材料主要指从动物组织中提取的，经过特殊化学处理的具有某些活性或特殊性能的物质。比如骨形成蛋白（BMP）、胶原、纤维蛋白粘合剂、细胞因子、成骨细胞等。HAP具有良好的生物相容性，多孔的HAP因具有与正常骨组织相似的多孔结构和成分，宽大的内部空间，能容纳较多的细胞和各种细胞因子等，以及其生物化学槽的功能，较适合作为天然生物载体。,76,组织工程学是近20年来随着细胞生物学及生物材料学技术的发展而出现的一门边缘学科，它是应用生物学和工程学的原理，研究开发能够修复、维持或改善损伤组织功能的生物替代物的一门学科。方法是将体外培养的高浓度的活细胞种植于天然或人工的细胞外基质载体上，然后将它们移植到体

38、内，达到形成新的有功能的组织的目的。,77,2.3.2 HAP与非天然生物材料的复合,非天然生物材料主要包括两类：无机生物材料和有机生物材料。HAP涂层材料，最常用的基底是医用钛和钛合金，以及医用钴基合金和不锈钢。这种材料兼具HAP的表面生物活性和金属材料的强度和韧性。不锈钢的物理性能和综合力学性能稳定良好，被作为人体硬组织的修复和植入的主要金属材料之一，但它不具有生物活性和组织相容性，HAP涂层的应用解决了这一问题。,78,有人进行了纳米针晶与高分子复合材料的研究。纳米晶体因尺寸小比表面积大，表面能高而具有较多不同于常规材料的新性质（化学活性高、硬度大、可塑性强、增强的均相性），纳米复合材料

39、是指分散相尺寸至少小于100nm的复合材料，由于分散性与基体之间的界面面积大，能把分散相和基体的性能更充分结合起来，因而具有良好的综合性能（力学性能、耐溶剂性、热稳定性等）。,79,2.3.3 HAP与多种生物材料的复合,HAP具有极好的生物相容性，但HAP降解较慢，限制了其应用。现已发现HAP可以与多种不同含量的生物材料复合，得到具有不同降解速度的医用材料，从而可对降解速度进行人为控制，并且降解的产物我任何毒副作用，可成为体内正常离子库的一部分。多孔的三体结构可使细胞三维方向长入，并且这种材料可作为生长因子载体，避免其在体内吸收较快而作用较低的缺点。,80,2.4 医用高分子材料,按照功能分

40、类，医用高分子材料主要应用于人造器官和治疗用材料。 第一类能长期植入体内，完全或部分替代组织或脏器的功能，如人工食道、人工关节、人工血管等等。 第二类是整容修复材料，这些材料不具备特殊的生理功能，但能修复人体的残缺部分，如假肢等等，,81,第三类是功能比较单一，部分替代人体功能的人工脏器，如人造肝脏，这些材料的功能尚有待进一步多样化。 第四类是体外使用的较大型的人工脏器，可以在手术过程中部分替代人体脏器的功能。另外还有一些性能极为复杂的脏器的研究，这些研究一旦成功将引起现代医学的重大飞跃。,82,2.4.1 高分子人造器官,主要包括人造心脏、人造肺、人造肾脏等等内脏器官；人造血管、人造骨骼等体

41、内器官；人造假肢等。由于这些人造器官需要长时间与人体细胞、体液和血液接触，因此需要该类材料除了具备特殊的功能外，还要求材料安全、无毒，稳定性良好，具备良好的生物相容性。大多数的高分子本身对生物体并无毒副作用，不产生不良影响，毒副作用往往来自高分子生产时加入的添加剂如抗氧剂、增塑剂、催化剂以及聚合不完全产生的低分子聚合物。因此对材料的添加剂需要仔细选择，对高分子人造器官应进行生物体测定。人造器官在使用前的灭菌也是重要的一个环节。另外，人造器官在使用条件下材料不能发生水解、降解和氧化反应等等。,83,优良的生物相容性对于人造器官非常重要，特别是用于人造内脏和人造代血浆等与生理活性关系密切的材料的相

42、容性更为重要。,84,1 人工心脏以及与心脏相关的材料 人工心脏的研究有体内埋藏式人工心脏、完全人工心脏以及辅助人工心脏。对于人工心脏来说，优良的抗血栓性是十分重要的。改进材料的抗凝血性能常常采用的方法如下：,美国马萨诸塞理工学院和哈佛医学院科学家利用计算机方法研制成一种由细血管组成的人造血管系统，这是向研制真正的有生命器官迈出了第一步。,85,1)增加材料表面的光洁度，减少血小板等血液成份在材料表面的凝聚，以防止血栓的形成。,86,2)在材料中引入带负电的基团，利用静电排斥，防止带有负电荷的血小板的凝聚。 聚离子络合物(Polyion Complex)是由带有相反电荷的两种水溶性聚电解质制成

43、的。 例如美国的Amoco公司研制的离子型水凝胶Ioplex是由聚乙烯苄三甲基铵氯化物与聚苯乙烯磺酸钠通过离子键结合得到的。 这种聚合物水凝胶的含水量与正常血管一致，通过调节这两种聚电解质的比例，可制得中性的正离子型的或负离子型的产品。 其中负离子型的材料可以排斥带负电的血小板，有利于抗凝血，是一类优良的人工心脏、人工血管的材料。,87,3)适当引入亲水基团，改善材料的亲水性，可以提高材料的血液相容性。 4)在材料中引入肝素结构可以防止血液凝聚。,88,5)使用微相分离的高分子材料，促使人造器官内表面生成具有抗凝血能力伪内膜。例如在聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯的结构中接枝上亲水性的甲基丙烯酸羟乙

44、酯，当接枝共聚物的微区尺寸在2030nm范围内时，具有良好的抗凝血性能。,89,在微相分离高分子材料中，国内外研究得最为活跃的是聚醚型聚氨酯，或称聚醚氨酯。聚醚氨酯嵌段共聚热塑性弹性体具有优良的生物相容性和力学性能，因而引起人们广泛的重视。作为医用高分子材料的嵌段聚醚氨酯SPEU、Biomer、Pellethane、Tecoflex和Cardiothane 基本上都属于这一类聚合物。,90,微相分离的高分子材料其微相分离程度、微区大小、分散性的形态与聚合物化学组成、软硬段的长度、相对含量、聚合方法和成膜条件等关系密切。这些材料中聚醚为软缎形成连续相，而由聚氨酯、聚脲组成的硬段聚集成分散相微区，

45、因此材料具有良好的弹性。,91,人工心脏植入体内在世界上成功的病例不多，而人工心脏瓣膜置换的应用却十分广泛，人工心脏瓣膜的种类在临床上应用的主要有生物瓣膜和机械瓣膜两种。生物瓣膜是动物的心脏瓣膜经化学处理后，再与覆盖有聚四氟乙烯织物的金属轮圈配合组成的。,下肢用人工血管,92,2 人工肺、人工肾以及选择透过膜材料 人工肺需要使用氧气富化技术，使人体保持氧气供应。空气中氧气的富化包括吸附解吸法和膜富集法，在人造肺中主要采用膜富集法。血液通过薄膜与血液进行氧气和二氧化碳气体的交换。人工肺根据其形状可分为层积式、螺管式和中空式三类。人工肺用的分离膜要求氧气透过系数要大，血液相容性要好，机械强度要高。

46、,93,目前已作为人工富氧膜面市的高分子材料很多，其中较重要的有: 硅橡胶、 聚烷基砜、 硅酮聚碳酸酯等等。 硅橡胶、聚烷基砜和硅酮和硅酮聚碳酸酯富氧膜使用的最多，其中硅橡胶可用聚酯、无纺布等来增强其机械性能。,94,聚(硅氧烷碳酸酯)是硅氧烷、碳酸酯的共聚物，该膜能够将氧气富集为含氧量为40的空气，此外，聚丙烯膜、聚四氟乙烯膜利用其微孔性使得空气富氧化，都可以用来作为人工肺的膜材料。,95,3 其它人造器官 模拟肝脏的功能是将肝代谢功能障碍患者的血液进行透析，除去异常代谢物达到解毒的目的。 所用的透析膜一般采用高分子材料，所用的过滤介质一般以多孔性的聚苯乙烯离子交换树脂来取代活性炭。 日本东

47、京大学和旭化成公司以一个醋酸纤维素制成的中空纤维过滤器，使血液细胞和血浆分离，然后把血浆抽送到活性炭圆柱中过滤，重新形成新的血液送回人体。 人工肝脏是一个具有解毒功能的辅助型急救装置，只能在体外应用。,96,人工胰脏是以移植异体的胰岛为基础而展开的。 将活体胰岛覆盖一层高分子膜可以控制排异反应，这层膜可以防范淋巴及抗体的排异伤害，还要能透过胰岛分泌物。 制造人工胰脏的材料通常有: 氯乙烯、 丙烯腈、 甲氧基丙二醇的共聚体、 聚乙烯醇 以及嵌段聚酯型聚氨酯。,97,此外用硅橡胶作的人工喉发音膜已经临床使用，能达到发音、吃饭、呼吸通畅的正常功能。 人工气管、人工食道、人工血管等等都得到广泛的应用。

48、 人工脏器的研究目前已经涉及到人体脏器的绝大部分领域，研制的方向正向着体内化、小型化和与人体长期适应的方面发展，功能高分子正日益广泛地应用于人工脏器的研究与应用。,98,2.4.2 高分子治疗材料,用于治疗用的功能高分子材料主要包括: 牙科材料、 眼科材料 美容用材料 外用治疗用材料 对这种材料的基本要求也是: 稳定性和相容性好， 无毒副作用， 其次才是机械性能和使用性能。,99,1 眼科材料 用于眼科的功能高分子材料主要有: 人工角膜、 人工晶状体、 人工玻璃体、 人工眼球、 人工视网膜、 人工泪道 接触式隐形眼镜。,视网膜代用品,100,制作人工角膜和接触眼镜主要以高分子材料为主， 眼睛的

49、条件较为特殊，对于制造人工角膜、接触眼镜的材料要求非常严格。 人的角膜上没有血管组织，需要通过泪液从空气中吸入氧气进行新陈代谢，因而需要人工角膜和接触眼镜具有良好的透气性。 制作硬式镜片的主要材料: 聚甲基丙烯酸甲酯、 聚甲基丙烯酸硅烷酯和 乙酸丁酸纤维素 制备软式镜片的主要材料: 聚甲基丙烯酸羟乙酯、 聚丙甲基硅氧烷和 聚乙烯吡啶,101,人工晶状体以前多用硅玻璃水晶体，后采用硅橡胶球，也可以用甲基丙烯酸环己酯和甲基丙烯酸丁酯的共聚物，以提高其折光性和韧性。80年代初聚乙烯醇水凝胶被用来制造人工玻璃体，PVA水凝胶的特性与玻璃体比较接近，注入后可以与玻璃体完全溶合。,人工晶状体,移植手术,1

50、02,2 牙齿的粘合和修补 用于牙科材料的功能性高分子有: 假牙与人工牙根、 填补用树脂以 人工齿冠材料 牙托软衬垫。,103,牙齿的粘合和修补需要使用多种功能高分子材料，其中腈基丙烯酸丁酯是常用的医用粘合剂，除应用于牙科外，还用于骨折的粘合和人工关节的固定，聚甲基丙烯酸甲酯与其相应单体混合也可以作为生物粘合剂。 齿科粘合剂在口腔中应用，环境比较苛刻。,104,口腔内的唾液使得粘结时难以使牙齿表面完全干燥，即使有微量水分存在，也会使粘结界面夹有水膜，粘结后粘结剂始终处于100浸润状态；牙齿表面常常被齿垢等有机膜所覆盖，呈疏水性，不易获得良好的粘结效果；此外口腔温度的变化以及机械应力的变化，都易

51、使得粘结表面发生破坏。因此牙科的粘合和修补存在许多困难。,105,用于齿龈或口腔粘膜等软组织的粘合剂称为软组织粘合剂。 软组织粘合剂用于软组织的粘合速度快、无痛苦，而且能够促进肌体组织的自愈能力。 最早应用的软组织粘合剂是氰基丙烯酸烷基酯，后来被EDH替代。 EDH含有氰基丙烯酸甲酯、丁腈橡胶和聚异氰酸酯按100：100：20的质量比配成，再制成67的硝基甲烷溶液。 这种粘合剂具有较好的与活体组织的粘接性，挠曲性较好，除被用作牙科软组织的粘合，也用于牙槽手术创面的粘合以及牙根切除手术中牙根断端部分的包覆。,106,用于牙齿硬组织粘合用的粘合剂有: 硫酸锌粘固剂、 羟基化粘固剂 玻璃离子键聚合物

52、粘固剂、 聚甲基丙烯酸酯粘固剂。,107,3人工关节、人工骨 当植入物表面附有丝绒或毛毡就可以构成凹凸不平或带有微孔的结构，能是人体组织向内生长，人工关节就是采用这种结构，这样一方面可以使关节假体比较稳定，另一方面可以分散机械负荷，减少局部压力过大。 用于人工关节的多孔材料是由炭纤维和聚四氟乙烯组成的各向同性碳。 把人工关节端头涂上一层这样的材料，就可以使骨关节固定好。,108,骨水泥自1940年应用于脑外科手术后，一直受到医学界和化学界的重视。骨水泥是由单体、聚合物微粒、阻聚剂、促进剂以及便于X射线造影的造影剂组成。 为了提高骨水泥与骨表面的亲和力增加材料的强度，近来出现了以聚丙烯酸与磷酸盐

53、为基本原料，压缩强度高，无毒并有促进骨骼生长的生物活性的BC骨水泥。 用于医治骨折的接骨材料还有甲基丙烯酸甲酯硫化的硅橡胶。,109,4 人工皮肤 人工皮肤是治疗过程中一种暂时性的创面覆盖保护材料，其作用是防止体液的损耗和盐分的丢失，从而达到保护创面的目的。人工皮肤不仅要求透过水蒸气、蛋白质和电解质，而且要求有弹性、耐久性、抗菌性以及良好的生物相容性。,培养皿中的人工皮肤,110,聚乙烯醇微孔薄膜和硅橡胶多孔海棉是制作人工皮肤的两种重要材料。这两种材料使用时手术简便，抗排异性好，移植成活率高已应用于临床。另外聚氨基酸、骨胶原角蛋白衍生物等天然改性聚合物都被用于制造人工皮肤。,111,甲壳素是从

54、螃蟹壳、虾壳等天然产物中萃取出来的低等动物中的纤维组分，兼具高等动物组织中胶原和高等植物中纤维素二者的生物功能，经抽制成丝进行编制后可制备具有生理活性的人工皮肤，可代替正常皮肤进行移植，可以减少患者再次取皮的痛苦。这种皮肤的移植成活率达90以上，它对创面浸出的血清蛋白质具有良好的吸附性。,112,在高分子材料上粘附、增殖人体的表皮细胞以制备具有生物活性的人工皮肤目前已取得相当的成就，这种技术已经能顺利地再造皮肤。将骨胶原和葡糖胺聚糖组成的多孔层与有机硅复合后取少量的患者的表皮细胞置于多孔层中覆盖在创伤面上，待表皮细胞在多孔层中增殖形成皮肤后将有机硅膜剥下，多孔层分解后被人体吸收。,113,5

55、整容材料 整容材料包括: 外装饰修补材料 体内填补材料， 主要用于外伤、疾病以及发育不全引起的组织缺损或修整。 主要有人工乳房、人工鼻、人工下颌骨、人工耳以及人工假肢等等。,114,用于人工乳房的填充材料主要是: 硅橡胶 填充物硅凝胶 人工鼻可选用聚甲基丙烯酸甲酯、硅橡胶、聚乙烯等等。 硅橡胶具有良好的生物惰性，可以制成各种形状，因此广为应用。 人工耳朵常常用硅橡胶做一个有珠网的耳壳以便于组织生成和固定，然后将此耳朵移植在修复处的皮下，待组织长在周围并穿透它后取出进行移植。 通常用于制作耳软骨的材料有聚乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯以及胶原硅橡胶等等。,115,假肢分为:自动假肢和动力假肢两类。

56、自动假肢是靠残存肢体的动作为引导，动力假肢是将甲基丙烯酸羟乙酯类的亲水性聚合物埋于体内，通过生物电流控制假肢动作。 制作假肢的材料主要有聚甲基丙烯酸甲酯、玻璃纤维增强聚酯树脂以及聚氨酯包覆金属。,116,6 其它应用 高分子材料被广泛地应用于医疗用品以及护理用品。 一次性注射器以及输液用品的广泛使用避免了交叉感染，且免去了消毒，使用简便，价格低廉且易于加工，常常采用聚乙烯、聚丙烯。聚氯乙烯等材料制成。,医用扩张器,117,此外还有护理用高分子材料: 以吸湿性高分子材料聚丙烯酸、 改性纤维素， 改性聚丙烯腈等等制备的尿不湿； 以PVA、丙烯酸等聚合物或共聚物等水溶性高分子材料制备的弹性冰等等。,

57、放疗定位材料-经典记忆型低温热塑板,118,2.5 医用材料的发展方向,许多现有材料有可能成为有用的医用材料: 如有些导电材料或高分子可用于生物传感器、药物释放电化学控制装置。 由于这类材料能非介入控制哺乳动物细胞形状和功能，可用在组织工程中。 最常用的导电性聚合物是聚吡咯，其化学性质稳定，制备容易，具备电活性，然而需进一步了解它在生理条件下的行为特征，以合成生物相容性良好的导电聚合物。,119,医用高分子的发展已经渗透到医学的各个领域，但离随心所欲地应用高分子医用材料的目标尚有很多差距。 传统的医用高分子材料多采用聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯作为硬组织材料，但它们的性能还远远不够。 医用高分子

58、材料在许多方面尚有待进一步发展。,120,目前使用的人工脏器大多需要与有功能缺陷的生物体共同协作以保持体内的平衡，而永久性地植入体内，完全取代病变的脏器，就要求材料本身具有生物功能。人工脏器的功能化、小型化、体植化已成为发展的方向。,121,迄今为止，许多人工脏器还不能解决凝血问题，异体材料的抗凝血性已成为医用高分子材料发展的一个重要问题，制备生物相容性良好、具有抗血栓性能的材料已成为目前的一个重要课题。研究开发混合型人工脏器，将生物酶和生物细胞固定在高分子材料上，制备具有生物活性的人工脏器已取得了很大的成就。,122,为了满足填充复杂形状的需要，许多医用高分子材料要求进行活体内的现场固化，现

59、场固化多采用光引发剂或可在低温下引发的氧化还原引发体系。 可聚合脂肪叔胺光敏引发体系中的氧可以参与并促进聚合反应，可用于大面积接触空气的现场聚合固化。 可流动的“预制”材料在活体内的就地固化是齿科材料、骨水泥的发展方向。 医用粘合剂在活体生存环境下发挥粘合作用且具有生物活性，固化时间要短，在有水、氧的环境下固化，目前研究的也较为广泛。,123,此外，利用天然产物如甲壳素、海洋生物蛋白质粘合剂等材料开发仿生的医用材料也是当前的热点之一。 可控降解速度及力学性能可调的降解的医用材料的应用也日益广泛。,124,压电医用材料将在医学领域具有广泛的用途， 例如偏二氟乙烯和三氟乙烯共聚物可刺激神经受损硕鼠的轴突再生。 生物弹性聚合物也可用作肌肉取代物和程序药物释放体系的载体，由化学能引发机械效应，提高药物释放效果。,125,有些材料可用于外科手术。 金属支架用于血管成型手术后的血管扩张时也会使血管平滑肌细胞繁殖，导致再狭窄。 改善局部生理环境的方法，如定位释放基因治疗制剂或反义寡核苷酸已在动物模型中确认可防止再狭窄。 形状记忆合金如镍钛合金已用做腹腔镜仪的部件。 将具有记忆功能的生物相容性聚合物经小切口介入后在体内恢复其初始形状，可完成所期望的功能。,126,可激发相转变的高分子亦可用于类似的应用中。材料开始是液态，放入很小的介入外科装置中，照射紫外线、可见