生物材料的应用现状及发展前景

1、生物材料的应用现状及发展前景 学 院： 理 学 院 学 号：111103128 姓 名： 周 玉 娟 上课老师：夏 兵字数统计：5286字摘 要:由于生物医学材料是无毒副作用、生物相容性良好、耐腐蚀性能优越的医用材料,越来越受到广大科技研究工作者的重视。近20年,国内外特别是一些发达国家对生物材料的研究和开发得到飞速的发展。本文详细阐述了生物医学材料的分类及发展前景。 关键词:生物材料、生物医学材料、羰基生物材料、应用现状、发展前景生物材料也称为生物医学材料,是指以医疗为目的,用于与生物组织接触以形成功能的无生命的材料。自19世纪80年代以来,以医疗、保健、增进生活质量、造福人类为目的的生物材

2、料取得了快速的发展。它最早的使用可以追溯至19世纪末,在1886年,首例钢片和镀镍钢治疗骨折应用于临床获得成功。迄今为止,除大脑以外的各种人工器官已经应用于人体,并取得了良好的效果。目前,生物材料主要包括医用高分子材料、生物陶瓷、医用金属材料等。 材料科学与物理学、化学、生物学及临床科学越来越紧密地结合，并突破旧有科学的狭小范围，诞生了另一个新兴的产业-生物医学材料产业。生物医学材料已经成为生物医学工程的4大支柱产业之一，它为医学、药物学及生物学等学科的发展提供了丰富的物质基础。作为材料学的一个重要分支，它对于促进人类文明的发展必将作出更大的贡献。 生物医学材料指的是一类具有特殊性能、特种功能

3、，用于人工器官、外科修复、理疗康复、诊断、治疗疾患，而对人体组织不会产生不良影响的材料。现在各种合成和天然高分子材料、金属和合金材料、陶瓷和碳素材料以及各种复合材料，其制成产品已经被广泛地应用于临床和科研。 一般而言，临床医学对生物医学材料有以下基本的要求：无毒性，不致癌，不致畸，不引起人体细胞的突变和组织细胞的反应；与人体组织相容性好，不引起中毒、溶血凝血、发热和过敏等现象；化学性质稳定，抗体液、血液及酶的作用；具有与天然组织相适应的物理机械特性；针对不同的使用目的具有特定的功能。 根据物质属性，生物医学材料大致可以分为以下几种。 1、生物医学金属材料（biomedical metallic

4、 materials）医用金属材料是作为生物医学材料的金属或合金，具有很高的机械强度和抗疲劳特性，是临床应用最广泛的承力植入材料，主要有钻合金（co-cr-ni）、钛合金（ti-6a1-4v）和不锈钢的人工关节和人工骨。镍钛形状记忆合金具有形状记忆的智能特性，能够用于矫形外科、心血管外科。 2、 生物医学高分子材料（biomedical polymer） 生物医学高分子材料有天然的和合成的两种，发展得最快的是合成高分子医用材料。通过分子设计，可以获得很多具有良好物理机械性和生物相容性的生物材料。其中软性材料常用来作为人体软组织如血管、食道和指关节等的代用品；合成的硬材料可以用来作人工硬脑膜、笼

5、架球形的人工心脏瓣膜的球形阀等；液态的合成材料如室温硫化硅橡胶可以用来作注入式组织修补材料。 3、 生物医学无机非金属材料或生物陶瓷（biomedical ceramics） 生物陶瓷这类医用材料化学性质稳定，具有良好的生物相容性。生物陶瓷主要包括两类。（1）惰性生物陶瓷（如氧化铝、医用碳素材料等）。这类材料具有较高的强度，耐磨性能良好，分子中的键力较强。（2）生物活性陶瓷（如羟基磷灰石和生物活性玻璃等），这类材料具有能在生理环境中逐步降解和吸收，或与生物机体形成稳定的化学键结合的特性，因而具有极为广阔的发展前景。 4、 生物医学复合材料（biomedical composites）生物医学复

6、合材料是由两种或两种以上不同材料复合而成的生物医学材料，主要用于修复或替换人体组织、器官或增进其功能以及人工器官的制造。其中钻合金和聚乙烯组织的假体常用作关节材料；碳-钛合成材料是临床应用良好的人工股骨头；高分子材料与生物高分子（如酶、抗源、抗体和激素等）结合可以作为生物传感器。 5、生物医学衍生材料（biomedical derived materials）生物衍生材料是经过特殊处理的天然生物组织形成的生物医学材料，经过处理的生物衍生材料是无生物活力的材料，但是由于具有类似天然组织的构型和功能，在人体组织的修复和替换中具有重要作用，主要用作皮肤掩膜、血液透析膜、人工心脏瓣膜等。目前,按材料性

7、质不同,生物材料一般可分为医用高分子材料、生物陶瓷材料、医用金属材料、生物降解材料、生物医学复合材料等。1.1 医用高分子材料 医用高分子材料是生物医用材料研究领域最活跃的领域之一,特别是20世纪60年代以来发展更快,已经能合成出许多具有优良性能的软、硬材料及药物控释材料应用到各个医学领域。医用高分子易于加工成型,原材料易得,理化性质可以在很宽的范围内被调节和控制,加之生物体的大部分组织和器官实质都是由高分子化合物构成,故一经出现就得到重视和应用。医用高分子材料要应用于生物体必须同时要满足生物功能性、生物相容性、化学稳定性、可加工性等严格的要求。当前研究主要集中在外科置入件用高分子材料和生物降

8、解及药物控制释放材料。1.2 生物陶瓷材料 生物陶瓷又称生物医用非金属材料,从广义上讲包括主要构成成分为无机非金属材料及其制品。与高分子材料和金属材料相比,生物陶瓷在人体内极其稳定,压缩强度高,对生物组织有良好的相容性 与亲和性,且耐腐蚀,无毒副作用,几乎看不到与生物组织的排斥反应,因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。当前的研究主要集中在具有特异性功能的活性材料,良好的力学性能且促进组织生长的功能材料,具有生物体组织结构的复合材料,以磷酸盐为基体材料的生物活性陶瓷是目前生物陶瓷研究中最活跃的领域。1.3 医用金属材料 医用金属材料具有高的机械强度和抗疲劳性能,是临床应用最

9、广泛的承力植入材料。己经应用于临床的医用金属材料主要是不锈钢、钴基合金和钛基合金等三大类。此外,还有形状记忆合金、贵金属以及纯金属钽、锆、铌等。主要用于骨和牙等硬组织的修复和替换,心血管和软组织修复以及人工器官的制造,如人工髋关节、骨折内固定钢板以及骨螺钉 等。最先广泛用于临床治疗的金属是金(au)、 银(ag)、铂(pt)等贵重金属8,它们具有良好的稳定性和加工性能。之后,铜(cu)、铅(pb)、镁(mg)、铁(fe)和钢等曾用于临床试验,但因耐腐蚀性、生物相容性较差以及力学性能欠佳未受到广泛应用。随着冶金技术的进步,不锈钢逐渐应用于临床,虽然抗腐蚀性并不十分理想,但其易加工,价格低廉,故在

10、临床应用中得到了一席之地。目前应用最多的医用金属是不锈钢、钛及钛合金以及钴铬钼合金。1.4 生物降解材料 所谓可降解材料是指那些在被植入人体内以后,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,现已成为医用高分子发展的重要方向之一。临床中主要用作非永久性植入支架或装置。植入后,首先代行被替换组织的功能,然后随着材料的降解吸收被新生组织同步替换,最后达到永久治疗的目的,免去了二次手术的痛苦，可提高疗效。聚乳酸(pla)是典型的合成可降解聚合物之一,其代谢产物乳酸是体内三羧酸循环的中间代谢物,且吸收和代谢机理己经明确并具有可靠的生物安全性,因此作为第一批可生物降解吸收材料已被

11、美国fda批准用于临床,是迄今研究最多,应用最广泛的可降解生物材料。其强度相对较高,模量可达4gpa,故广泛地应用于制作医疗器械、骨折固定装置等,并因具有一定的生物活性,也曾应用于骨填充、替换材料。 2、生物医学材料的应用前景 近年来,世界生物材料市场发展势头更为迅猛,其发展态势可与信息、汽车产业在世界经济中的地位相比。据1988年美国国家健康统计中心调查,美国己有1100万人(不包括齿科材料)植入了一件以上的生物医用材料,全球达3000万人以上,1995年世界生物医用材料市场已达2000亿美元。中国科学院在2002年高技术发展报告中披露,19901995年,世界生物医用材料市场以每年大于20

12、%的速度增长。这期间中国的增长虽然也比较快,但由于起点低,市场份额只占世界市场的2%。2000年,全球医疗器械市场己达1650亿美元,其中生物医学材料及制品约占40%至50%。20世纪90年代,医疗器械平均年增长率在11%左右,预计未来几年发展中国家将会大幅度增长。如除日本外的亚洲地区将从2000年占世界市场份额17%的280亿美元,增长至2005年占世界市场份额的25%。生物医用材料及其制品的市场预计10-15年将达到药品市场的规模,成为本世纪经济的支柱性产业。 生物功能性和生物相容性是评价生物医学材料最终能否应用于人体的两个最基本的标准。（生物功能性：生物医学材料应具有良好的物理、化学和机

13、械性能，以行使所替代、器官的生理功能。）根据用途主要分为: *承受或传递负载功能。如人造骨骼、关节和牙等，占主导地位 *控制血液或体液流动功能。如人工瓣膜、血管等 *电、光、声传导功能。如心脏起博器、人工晶状体、耳蜗等 *填充功能。如整容手术用填充体等生物相容性：指生物材料有效和长期在生物体内或体表行使其功能的能力。用于表征生物材料在生物体内与有机体相互作用的生物学行为。 根据材料与生物体接触部位分为： *血液相容性。材料用于心血管系统与血液接触，主要考察与血液的相互作用 *与心血管外的组织和器官接触。主要考察与组织的相互作用，也称一般生物相容性 *力学相容性。考察力学性能与生物体的一致性一般

14、性能要求（1）生物相容性。生物相容性主要包括血液相容性、组织相容性。材料在人体内要求无不良反应，不引起凝血、溶血现象，活体组织不发生炎症、排拒、致癌等。（2）力学性能。材料要有合适的强度、硬度、韧性、塑性等力学性能以满足耐磨、耐压、抗冲击、抗疲劳、弯曲等医用要求。（3）耐生物老化性能。材料在活体内要有较好的化学稳定性，能够长期使用，即在发挥其医疗功能的同时要耐生物腐蚀、耐生物老化。（4）成形加工性能。容易成形和加工，价格适中。医用碳基生物材料的种类按材料属性：（1）医用金属材料：该类材料主要有较高的机械强度和抗疲劳性，包括不锈钢、钴基合金，钛及合金等，广泛应用于人工假体、人工关节、医疗器械等；

15、（2）医用无机材料：该类材料化学性质稳定, 具有良好的生物相容性，主要是生物陶瓷。分为惰性生物陶瓷，如氧化铝生物陶瓷；表面生物活性陶瓷，如磷酸钙基生物陶瓷；可降解生物陶瓷，如-磷酸三钙陶瓷等；（3）医用高分子材料：根据来源分为天然的和合成的，天然的如多糖类、蛋白类，合成的聚氨酯、聚乙烯、聚乳酸、聚四氟乙烯等，用于人体器官、组织、关节、药物载体等；（4）医用复合材料：生物医学复合材料是由两种或两种以上不同材料复合而成的, 主要用于修复或替换人体组织、器官或增进其功能, 也可用作人工器官的制造。一般可以克服单一材料的性能缺点，可获得性能更优的材料；（5）生物衍生材料：生物医学衍生材料是由经过特殊处

16、理的天然生物组织衍生而成的。经过处理的生物衍生材料是无生物活性的材料, 但其具有类似天然组织的构型和功能, 在维持人体动态的修复和替换中具有重要作用, 如皮肤掩膜、血液透析膜、人工心脏瓣膜等。 按材料功能：（1）硬组织相容性材料：主要用于生物机体的关节、牙齿及其他骨组织；（2）软组织相容性材料：主要用于人工皮肤、人工气管、人工食道等； （3）血液相容性材料：主要用于人工血管、人工心脏、血浆分离膜、血液灌流用吸附剂、细胞培养基材等； （4）生物降解材料：主要用于吸收型缝合线、药物载体、愈合材料、粘合剂以及组织缺损用修复材料。广义生物材料的发展：生物材料医学用途的发展过程： 一般认为，生物材料的发

17、展大致经历了三代。 一般将第一次世界大战以前所使用的生物材料为第一代生物医学材料。代表材料有石膏、金属、橡胶以及棉花等物品。这一代的材料大都已被现代医学所淘汰。 第二代生物医学材料的发展是建立在医学、材料科学（尤其是高分子材料学）、生物化学、物理学以及大型物理测试技术发展的基础上的, 研究人员也多由材料学家和医生来担任。代表材料有羟基磷灰石、磷酸三钙、聚羟基乙酸、聚甲基丙烯酸羟乙基醋、胶原、多肤、纤维蛋白等。这类材料与第一代生物医学材料一样, 其研究思路仍旧是从改善材料本身的力学性能和生化性能, 使其在生理环境下能够长期地替代生物组织。 第三代生物医学材料是一类具有促进人体自身修复和再生作用的

18、生物医学复合材料。它是在生物体内各种细胞组织、生长因子、生长抑素及生长机制的结构和性能的基础上建立的叫, 由具有生理“活性”的组元及控制载体的“非活性”组元构成, 有较理想的修复再生效果。它通过材料之间的复合、材料与活细胞的融合、活体组织和人工材料的杂交等手段, 赋予材料特异的靶向修复、治疗和促进作用, 从而使病变组织大部分甚至全部由健康的再生组织取代。其中骨形态发生蛋白材料是第三代生物医学材料中的代表.生物材料实质上是一种特殊的功能材料。是一类与人类生命和健康密切相关的新材料。凡是应用于人体的生物材料都应具有良好的生物性能，这是保证其临床安全有效应用的重要技术指标。参考文献 1 何天白,胡汉

19、杰.功能高分子与新技术m.北 京:化学工业出版社,2001.9598. 2 l.g.griffith.polymericbiomaterialsj. actamater.2000,(48):263 277.3neerajkumar,roberts.langer,abrahamjdomb.polyanhydrides:anoverviewj.advanceddrugdeliveryreviews2002,(54):889910.4 冯凌云,陈晓明.生物陶瓷材料的生物学性能 评价j.武汉工业大学学报,1998,(18):2326. 5 c.piconi,g.maccauro.zirconiaasa ceramicbiomaterialj.biomaterials,