83生物材料ppt课件

1、生物资料上海交通大学资料学院胡晓斌2021.12.20第8章 资料化学在先进资料制备中的运用.生物资料概念ISO定义:生物资料Biomaterials即生物医学资料Biomedical Materials，它是指“以医疗为目的，用于与组织接触以形胜利能的天然或人造资料功能：生物资料能执行、增进或交换因疾病、损伤等失去的某种功能，而不能恢复缺陷部位。.生物资料分类按运用性质来分类： 抗凝血资料心血管资料、齿科资料、骨科资料、眼科资料、吸附解毒资料血液灌流用、假体资料、缓释资料、生物粘合资料、透析及超滤用膜资料、一次性医用资料，等等按生物资料的属性分类：天然生物资料再生纤维、胶原、透明质酸、甲壳素

2、等。合成高分子生物资料硅橡胶、聚氨脂及其嵌段共聚物、涤纶、尼龙、聚丙烯腈、聚烯烃医用金属资料不锈钢、钛及钛合金、钛镍记忆合金等无机生物医学资料碳素资料、生物活性陶瓷、玻璃资料杂化生物资料指来自活体的天然资料与合成资料的杂化，如胶原与聚乙烯醇的交联杂化等复合生物资料用碳纤维加强的塑料，用碳纤维或玻璃纤维加强的生物陶瓷、玻璃等.生物资料功能性 生物资料在具备或完成某种生物功能时应该具有一系列性能。这些性能根据用途可分为： 接受或传送负载功能。如人造骨骼、关节和牙等，占主导位置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

3、.生物资料相容性 指生物资料有效和长期在生物体内或体表行使其功能的才干。用于表征生物资料在生物体内与有机体相互作用的生物学行为。 资料在人体内要求无不良反响，不引起凝血、溶血景象，活体组织不发生炎症、排拒、致癌等。 根据资料与生物体接触部位分为：血液相容性。资料用于心血管系统与血液接触，主要调查与血液的相互作用与心血管外的组织和器官接触。主要调查与组织的相互作用，也称普通生物相容性力学相容性。调查力学性能与生物体的一致性.资料在生物体内的呼应资料反响 生物机体作用于生物资料资料反响，其结果可导致资料构造破坏和性质改动而丧失其功能。可分为如下三个方面：金属腐蚀聚合物降解磨损.生物资料的研讨促进了

4、现代医疗技术的开展生物资料是研制人工器官及一些重要医疗技术的物质根底，综观人工器官及医疗安装的开展史，每一种新型生物资料的发现都引起了人工器官及医疗技术的飞跃。生物惰性医用硅橡胶人工耳、人工鼻、人工颌骨等血液相容性较好的各向同性碳被复资料碟片式机械心脏瓣膜血液亲和性及物理机械性能较好的聚氨酯嵌段共聚物促使人工心脏向临床运用跨越一大步可构成假生物内膜的编织涤纶管人工血管向适用化飞跃。.生物医用金属资料医用金属资料是指一类用作生物资料的金属或合金，又称外科用金属资料。它是一类生物惰性资料，除具有较高的机械强度和抗疲劳性能，具有良好的生物力学性能及相关的物理性质外，还必需具有优良的抗生理腐蚀性、生物

5、相容性、无毒性和简易可行及确切的手术操作技术。该资料是临床运用最广泛的承力植入资料，由于有较高的强度和韧性，已成为骨和牙齿等硬组织修复和交换、心血管和软组织修复以及人工器官制造的主要资料。化学周期表中的大部分金属不符合生物资料的要求，仅有小部分或经处置过的可用于临床。目前在临床运用的医用金属资料主要有不锈钢、钴基合金和钛基合金三大类，另外还有镍钛外形记忆合金、金银等贵金属以及纯金属钽、铌和锆等。 .医用不锈钢具有一定的耐腐蚀性和良好的综合力学性能，且加工工艺简便，是生物医用金属资料中运用最多，最广的资料。常用钢种有US304、316、316 L、317、317L等。医用不锈钢植入活体后，能够发

6、生点蚀，偶尔也产生应力腐蚀和腐蚀疲劳。医用不锈钢临床前消毒、电解抛光和钝化处置，可提高耐蚀性。医用不锈钢在骨外科和齿科中运用较多，用于制造各种医疗仪器和手术器械。.钴基合金含有较高的铬和钼，又称钴铬钼合金，具有极为优良的耐腐蚀性比不锈钢高40倍和耐磨性，综合力学性能和生物相容性良好，可经过精细铸呵斥外形复杂的精细修复体，有硬、中、软三种类型。临床上主要用于人工关节特别是人体中受载荷最大的髋关节人工骨及骨科内处固定器件的制造齿科修复中的义齿，各种铸造冠、嵌体及固定桥的制造心血管外科及整形科等由于其价钱较高，加工困难，运用尚不普及。人造髋关节的头杆部分。从股骨上端插进金属杆，杆头有一个金属头，它嵌

7、在粘于髋骨窝中的一个塑料臼中。.钛基合金临床运用广泛，其质轻、比强度高、力学性质接近人骨、强度远低于纯钛，耐疲劳、耐蚀性均优于不锈钢和钴基合金，且生物相容性和外表活性好，是较为理想的一种植入资料。抗断裂强度较低，耐磨性能不尽人意，加工困难。冶炼及成型工艺复杂，要求条件较高。主要用于：修补颅骨，制成钛网或钛箔用于修复脑膜和腹膜、人工骨、关节、牙和矫形物、人工心脏瓣膜支架、人工心脏部件和脑止血夹、口腔颌面矫形颌修补、手术器械、医疗仪器颌人工假肢等。.外形记忆合金自1951年美国初次报道Au-Cd合金具有外形记忆效应以来，目前已发现有20多种记忆合金，其中以镍钛合金在临床上运用最大。它在不同的温度下

8、表现为不同的金属构造相。如低温时为单斜构造相，高温时为立方体构造相，前者柔软可随意变形，如拉直式屈曲，而后者刚硬，可恢复原来的外形，并在外形恢复过程中产生较大的恢复力。Ti-Ni记忆合金血管支架.外形记忆合金特点：奇特的外形记忆功能、质轻、磁性微弱、强度较高、耐疲劳性能、高回弹性和生物相容性好等。运用：管腔狭窄的治疗喉气管狭窄、食管狭窄、胆道狭窄、尿道狭窄及闭锁等：支架安入管腔狭窄的部位后，能将狭窄管腔撑开，并与管壁相贴紧，固定好；其生物相容性好，长期安放对黏膜无明显损伤；其高回弹性能顺应管道的弯曲，对人体刺激小。口腔科：用这种资料做成的种植牙具有齿槽骨切口小，固定牢靠等优点。骨科：人工关节，

9、断骨衔接、弯曲脊柱矫正。血管外科：治疗自动脉瘤、冠状动脉和椎动脉狭窄等。.生物医用高分子资料医用高分子制品的研讨，包括人工器官、医疗用品输血输液器具、注射器、心导管、自动脉气囊反搏器、角膜接触镜、中心静脉插管、膀胱造瘘管、医用粘合剂以及各种医用导管、医用膜、创伤包扎资料和各种手术、护理用品等 和药用高分子作为赋形剂 、合成新型药物 三大类。按运用对象和资料物理性能分为软组织资料、硬组织资料和生物降解资料。其可满足人体组织器官的部分要求，因此在医学上遭到广泛注重。目前已有数十种高分子资料适用于人体的植入资料。按来源可分为天然高分子资料和合成高分子资料。.生物医用高分子资料软组织资料：主要用作为软

10、体组织资料，特别 是人工脏器的膜和管材。聚乙烯膜、聚四氟乙烯膜、硅橡胶膜和管，可用于制造人工肺、肾、心脏、喉头、气管、胆管、角膜。聚酯纤维可用于制造血管、腹膜等。硬组织资料：丙烯酸高分子(即骨水泥)、聚碳酸醋、超高分子量聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲脂PMMA、尼龙、硅橡胶等可用于制造人工骨和人工关节。降解资料：脂肪族聚醋具有生物降解特性，已用于可接纳性手术缝线。.天然高分子生物资料人类机体的皮肤、肌肉、组织和器官都是由高分子化合物组成的，天然高分子生物资料是人类最早运用的医用资料之一。天然资料具有不可替代的优点：功能多样性、与机体的相容性、生物可降解性以及对其进展改性与复合和杂化等研讨。目前天然高分

11、子生物资料主要有：天然蛋白质资料：胶原蛋白和纤维蛋白两种天然多糖类资料：纤维素、甲壳素和壳聚糖等它们由于构造和组成的差别，表现出不同的性质，运用于不同的方面。.天然蛋白质资料胶原蛋白由于胶原与人体组织相容性好，不易引起抗体产生，植入人体后无刺激性无毒性反响，能促进细胞增殖，加快创口愈合并具有可降解性，可被人体吸收，降解产物也无毒副作用。主要用作：胶原凝胶用作创伤敷料粉末用于止血剂和药物释放系统纺丝纤维用作人工血管、人工皮、人工肌腱和外科缝线薄膜用于角膜、药物释放系统和组织引导再生资料管用于人工血管、人工胆管和管状器官空心纤维用于血液透析膜和人工肺膜海绵用于创伤敷料和止血剂等。.天然蛋白质资料纤

12、维蛋白是纤维蛋白原在生理条件下凝固而成的一种资料。 纤维蛋白主要来源于血浆蛋白，因此具有明显的血液和组织相容性，无毒副作用和其他不良影响。作为止血剂、创伤愈合剂和可降解生物资料在临床上曾经运用很久；它的主要生理功能为止血，另外还可明显促进创伤的愈合；还可作为一种骨架，促进细胞的生长；并具有一定的杀菌作用。纤维蛋白在临床上比较普遍运用的运用方式：纤维蛋白原的就地凝固，用于眼科手术的组织粘合剂，肺切除后胸腔填充物和外科手术中的止血纤维蛋白粉末，用作止血剂，可以与抗菌素共用，用作充填慢性骨炎和骨髓炎手术后的骨缺损纤维蛋白海绵，用作止血剂、扁平瘢的治疗和唾液腺外科手术后的填充物组织代用品，商品名Bio

13、plast，主要用于关节成型术、视网膜脱离、眼外科治疗、肝脏止血及疝气修复等纤维蛋白薄膜，用于神经外科：替代硬脑膜和维护末梢神经缝线；用于烧伤治疗：消除颌面窦和口腔间的穿孔。.天然多糖类资料多糖是由许多单糖分子经失水缩聚，经过糖苷键结合而成的天然高分子化合物。均聚糖：多糖水解后只产生一种单糖，如纤维素、淀粉杂聚糖：水解产物是两种或两种以上的单糖，如菊粉等。自然界广泛存在的多糖主要有：植物多糖，如纤维素、半纤维素、淀粉、果胶等；动物多糖，如甲壳素、壳聚糖、肝素、硫酸软骨素等；琼脂多糖，如琼脂、海藻酸、角叉藻聚糖等；菌类多糖，如D葡聚糖、D半乳聚糖、甘露聚糖等；微生物多糖，如右旋糖酐、凝乳糖、出芽

14、短梗孢糖等。研讨较多的多糖类资料为纤维素、甲壳素和壳聚糖。.天然多糖类资料纤维素葡萄糖经由糖苷键连结的高分子化合物。它具有不同的构型和结晶方式，是构成植物细胞壁的主要成分，是存在于自然界中数量最多的碳水化合物。构造复杂，至今仍未被完全了解。在医学上的运用方式主要是制造各种医用膜：硝酸纤维素膜：用于血液透析和过滤，但由于制膜困难及不稳定等缺陷，已逐渐被其他资料取代粘胶纤维人造丝或赛珞玢玻璃纸管：用于透析，但由于含有磺化物及尿素、肌酐的透析性不好等缘由，作为透析用的赛珞玢逐渐被淘汰再生纤维素铜珞玢：是目前人工肾运用较多的透析膜资料，对溶质的传送，纤维素膜起到筛网和微孔壁垒作用醋酸纤维素膜，主要用于

15、血透析系统全氟代酰基纤维素：用于制造代膜式肺、人工心瓣膜、人工巧胞膜层，各种导管、插管和分流管等.天然多糖类资料甲壳素化学称号为聚N-乙酰-D葡萄糖胺，分子式为C3H13NO5n，属于氨基多糖，是仅有的具有明显碱性的天然多糖。广泛存在于低等植物及甲壳动物的外壳中，其每年生物合成资源最高达1000亿吨，是地球上仅次于植物纤维的第二大生物资源。是一种来源于动物的天然多糖，普遍存在于虾、蟹等低等动物及昆虫等节肢动物的外壳中。将甲壳动物的外壳经过酸碱处置，脱去钙、盐和蛋白质，即得到甲壳质。作为医用生物资料可用于：医用敷料：甲壳素具有良好的组织相容性，可灭菌、促进伤口愈合、吸收伤口渗出物且不脱水收缩药物

16、缓释剂： 根本为中性，可与任何药物配伍止血棉、止血剂：在血管内注射高粘度甲壳素，可构成血栓口愈合剂，使血管闭塞，从而在手术中到达止血目的，较注射明胶海绵等常规止血方法，操作容易，感染少。甲壳素人工皮甲壳素缝线.天然多糖类资料壳聚糖是甲壳素去除部分乙酰基后的产物甲壳素的衍生物，甲壳素继续用浓碱乙酸基化那么得到壳聚糖，具有一定的粘度，无毒、无害、无副作用。不溶于水和碱液，但可溶于多种酸溶液中。它具有较多的侧基官能团，可进展酯化、醚化、氧化、磺化以及接枝交联等反响对其进展改性。特别是磺化产品，其构造与肝素极其类似，可作为肝素的代用品作抗凝剂。适用广，生物相容性良好的新型生物资料正在遭到人们的普遍注重

17、，目前在医学多上用于：可吸收性缝合线，用于消化道和整形外科人工皮，用于整形外科、皮肤外科，用于、度烧伤，采皮伤和植皮伤等细胞培育，制备不同外形的微胶囊，培育高浓度细胞，如包封的是活细胞，那么构成人工生物器官海绵，用于拔牙患 、囊肿切除、齿科切除部分的维护资料眼科敷料，可生成较多的成胶原和成纤维细胞隐形眼镜膜，用于药物释放系统和组织引导再生资料固相酶载体 .合成高分子生物资料合成高分子资料曾经迅速地取代了除食品以外的许多珍贵天然资源。合成高分子生物资料是指利用聚合方法制备的一类生物资料。由于合成高分子可以经过组成和构造控制而具有多种多样的物理和化学性质。医用高分子资料科学是一门新兴的边缘学科，是

18、生物医学工程的一个主要分支，合成高分子资料已成为制造各种人工器官、软硬组织修复体、医用粘结剂、缝合线、人造血液等的最主要的也是用量最大的生物资料。.合成高分子生物资料合成高分子资料的组成物单体，添加剂等能够向生物环境释放，有能够导致毒性反响。其弹性模量低和弹性常使其不能用于接受较大负荷的体位的修复。合成高分子生物资料可分为：生物不可降解的：硅橡胶、聚氨酯、环氧树脂、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸酯水凝胶、一氰基丙烯酸酯类、聚酸胺和饱和聚酯等。生物可降解的：聚乙烯醇、聚乳酸、聚乙内酯、乳酸一乙醇酸共聚物和聚一羟基丁酸酯等。.合成高分子生物资料硅橡胶平均分子量40万

19、，有机硅弹性体的主要成分，是含有硅原子的特种合成橡胶的总称。它具有优良的生理特性：无毒无味、生物相容性好、耐生物老化、较好的抗凝血性、长期植入体内物理性能下降甚微、耐高温严寒 -90 250良好的电绝缘性、耐氧老化性、耐光老化性以及防霉性、化学稳定性等。在医学上主要用于粘合剂、导管、整形和修复外科人工关节、皮肤扩张、烧伤的皮肤创面维护、人工鼻梁、人工耳廓和人工眼环、缓释和控释等。硅橡胶医用导管类 .合成高分子生物资料聚四氟乙烯又名泰氟隆Teflon，热塑性塑料，最好的耐高温塑料，结晶熔点高达327，几乎完全是化学惰性的，具有自光滑性或非粘性，不易被组织液浸润。主要用于人工输尿管、胆管、气管、喉

20、、韧带和肌腱人工血液、人工心脏瓣膜、下颌骨、髋关节和皮肤、加强皮肤、修复眼眶骨、组织引导再生资料、人工血管、涤纶缝线和涂层、外科用引流管及插管、巩膜的系扣和在耳鼻手术上作为插入的薄膜以防止粘连；食管扩张器、心脏瓣膜的缝合环、血液相容性丝绒、修补肺动脉和室间隔的缺损、血管闭塞物、缝线及动脉修补、包裹动脉癌及内淋巴液分流器等。.生物医用无机非金属资料生物无机资料主要包括生物陶瓷、生物玻璃和医用碳素资料。主要用于齿科、骨科修复和植入资料。根本都是脆性资料，容易破裂，开展方向应向开发复合多相生物资料以及在金属基体上加涂无机生物陶瓷涂层薄膜资料的方面引导。.生物医用无机非金属资料生物陶瓷按植入生物活体内

21、引起的组织与资料反响，生物陶瓷分为:近于惰性的生物陶瓷，如氧化铝生物陶瓷、氧化锆生物陶瓷、硼硅酸玻璃；这类资料长期暴露于生理环境下能坚持稳定。外表活性生物陶瓷，如磷酸钙基生物陶瓷、生物活性玻璃陶瓷；在生理环境中可经过其外表发生的生物化学反响与组织构成化学键性结合，起到了适宜新生骨堆积的生理支架作用，也就是所谓的“骨引导和“骨传导作用。可吸收性生物陶瓷，如偏磷酸三钙生物陶瓷、硫酸钙生物陶瓷。在生理环境中可逐渐被降解吸收，诱导骨质生长，并随之被新组织所替代，从而到达修复或交换病损组织的目的 。在临床上生物陶瓷主要用于肌肉一骨骼系统的修复和交换，也可用于心血管系统的修复、制造药物释放和传送的载体。复

22、合型的生物陶瓷还可以用于制造人工腱和韧带等。.生物医用无机非金属资料生物玻璃生物玻璃资料大致可分为两类：非活性的近似惰性的和生物活性的。生物活性玻璃陶瓷植入活体后，可以与体液发生化学反响，并在组织外表生成羚基磷灰石层，故可用于人工种植牙根、牙冠、骨充填料和涂层资料。与自然骨比较，生物活性玻璃陶瓷虽然具有较高的强度，但韧性较差，弹性模量过高，易脆断，在生理环境中抗疲劳性能较差，目前还不能直接用于承力较大的人工骨。.生物医用无机非金属资料碳素资料医用碳素资料：具有接近于自然骨的弹性模量。医用碳素资料疲劳性能最优，强度不随循环载荷作用而下降。无序堆垛的碳资料耐磨性理想。医用碳素资料在生理环境中较稳定

23、，近于惰性，具有较好的生物相容性，不会引起凝血和溶血反响，特别适宜于在生理环境中运用。医用碳资料已大量用于心血管系统的修复，如人工心脏瓣膜、人工血管。还可作为金属和聚合物的涂层资料。.杂化生物资料是由活体资料和非活体资料组成的复合体。它主要包括合成资料与生物体高分子资料或与细胞的杂化。从广义上讲，它包括一切的人工资料与生物体高分子和生理活性物质的杂化。例如：胶原/聚乙烯醇杂化资料，可增进组织细胞的增殖胶原/葡萄糖膜上被覆一层硅橡胶可作为人工皮运用杂化生物资料主要包括三类：用于组织构造资料的多糖类等生理活性物质杂化资料以固定酶为代表的功能性杂化资料杂化细胞杂化生物资料主要用于人工胰脏、人工肝脏、人工胸腺、人工肾脏、人工皮和人工血管等。.组织工程在杂化生物资料的根底上开展的。组织工程是近年来一门新兴的多学科交叉生命科学，目的是修复和再生受损组织或器官，协助病人恢复受损组织的功能，提高生活质量，处理器官短缺和免疫抑制等问