科学前沿材料生物医用材料课件

1、生物医用材料Biomedical Materials主要内容生物医用材料定义及发展生物相容性与生物医用材料典型疾病与生物医用材料生物医用材料定义及发展生物材料定义生物医用材料（Biomedical Materials） 生物材料（Biomaterials）对生物体进行诊断、治疗和置换损坏的组织、器官或增进其功能的材料。*生物材料可以是人造的，也可以是天然的或者是它们相结合的功能材料俞耀庭，张兴栋，生物医用材料，2001人体中已经商业化的生物医用材料器件髋关节：钛合金Intraocular lenses人工晶体：硅凝胶PMMA发展历史公元前5000年：古代人就尝试用黄金修复失牙；公元前3500年

2、，棉花纤维、马鬃作缝合线1588年，黄金板修复颚骨1775年，金属固定体内骨折20世纪30年代：工业生产医用材料；20世纪中后期：高分子工业推动生物医用材料的发展；20世纪80年代后期：材料科学与现代生物技术相结合发展出组织工程材料、可降解生物材料。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。 我国生物医用材料市场我国人工关节 替换年增长率高达30，远高于美国的4。775万肢残患者和每年新增的300万骨损伤患者需要大量骨修复材料2000万心血管病患者每年需要24万套人工心瓣膜肾衰患者每年需要12万个肾透析器二、生物相容性与生物医用材料生物相容性

3、生物相容性：生物医用材料与人体之间相互作用产生各种复杂的生物、物理和化学反应的一种概念。引起生物材料变化的因素：1）生理活动中骨骼、关节、肌肉的力学性动态运动；2）细胞生物电、磁场、电解和氧化作用；3）新陈代谢过程中的生物化学和酶催化反应；4）细胞黏附和吞噬作用。5）体液中的各种酶、细胞因子、蛋白质、氨基酸、 多肽、自由基对材料的生物降解作用。生物医用材料与生物系统直接结合，会产生两种反应：材料反应和宿主反应1、材料反应：活体系统对材料的作用，即材料在生物活体中的响应。材料在生理环境中被腐蚀、吸收、降解、磨损、失效等，从而使材料的功能特性发生改变，理化性质发生退变，最后导致材料失效。生物相容性

4、两种反应的结果可能导致机体中毒和机体对材料的排斥。2、宿主反应：材料对活体系统的作用 由于材料中的元素、分子或其它降解产物在生理环境下被释放而进入邻近的生物组织和整个活体系统，也可能是源于材料制品对组织的机械、电化学或其它刺激作用。宿主反应包括:局部反应、全身毒性反应、过敏反应、致畸、致癌、致突反应和适应性反应。生物相容性生物相容性血液相容性抗血小板血栓形成抗凝血性抗溶血性抗白细胞减少性抗补体系统亢进性抗血浆蛋白吸附性抗细胞因子吸附性组织相容性细胞黏附性无抑制细胞生长性细胞激活性抗细胞原生质转化性抗炎症性无抗原性无诱变性无致癌性无致畸性生物相容性生物相容性评价生物学评价标准1）美（ASTM）、

5、英、加三国标准：1986年2）国际标准ISO ：19923）中国标准：1997年评价依据：1）接触部位：体表、体内组织、骨骼、牙和血液；2）接触方式：直接、间接3）接触时间：短暂24h,短中期30天；4）用途：一般功能、生殖与胚胎及生物降解。生物相容性评价中国国家标准国家标准GB/T16886系列医疗器械生物学评价标准中表面器械部分。生物材料分类医用金属材料医用高分子材料生物陶瓷材料生物医学复合材料按材料组成和性质近惰性生物医学材料生物活性医学材料可生物降解和吸收材料按材料在生理环境中的生物化学反应水平按用途分类生物材料分类骨骼肌肉系统修复和替换材料软组织材料心血管系统材料医用膜材料组织粘合剂

6、和缝线材料药物释放载体材料临床诊断及生物传感器材料可生物降解吸收材料齿科材料生物医用材料应用实例典型生物医用材料生物医用金属材料主要合金元素：铬、碳、镍和钛医用不锈钢铁素体和马氏体不锈钢不锈钢药膏调刀 不锈钢持针钳 不锈钢针头 适合做医疗器械不适合植入生物医用材料奥氏体不锈钢心血管支架奥氏体不锈钢是作为医用金属植入材料最重要的钢类，如：316L不锈钢（00Cr17Ni14Mo2 ）生物医用材料-钛合金-钛合金+ 钛合金高温性能好组织稳定焊接性能好常温强度低塑性不够高常温强度好塑性加工性能好组织不稳定冶金工艺复杂综合力学性能好强度高焊接性能好塑性高中等温度组织不稳定钛合金的分类生物医用材料Ti6

7、Al4V合金 (TC4)Al ：Al是唯一稳定元素，同时是最主要的强化元素，固溶强化作用显著。随Al量的增加，合金的强度提高，而塑性无明显降低，当Al的质量分数超过7%后，由于组织中出现脆性的Ti3Al化合物，使塑性显著降低，故其质量分数不超过7% V： 钒与 钛属于同晶元素，具有稳定化作用。钒在 钛中无限固溶， 而在-Ti中也有一定的固溶度。钒具有显著的固溶强化作用，提高合金强度同时，能保持良好的塑性，还能提高钛合金的热稳定性。生物医用材料生物医用材料颅额面微型钛板生物医用材料生物医用陶瓷材料生物惰性：植入人体后仍维持自身结构并不引起人体免疫反应。生物活性：可与人体组织形成结合。生物降解：在

8、被被生组织替代后在体内可以降解，化学副产物可通过代谢被分解吸收。生物医用材料生物医用陶瓷材料生物医用材料羟基磷灰石羟基磷灰石(hydroxyapatite)简称HA，分子式是 Ca10(PO4)6(OH)2 在人体中所有的磷酸盐生物陶瓷以HA最稳定，其他形式的磷酸盐植入人体后，经水解生成稳定的HA。水解反应如下： Ca3(PO4)2+H2O Ca10(PO4)6(OH)2+Ca2+HPO42-生物医用材料羟基磷灰石生物医用材料羟基磷灰石涂层髋关节 羟基磷灰石是典型的生物活性陶瓷，安全、无毒，而且可以传导骨生长。生物医用聚合物(PMMA)生物医用材料医用硅橡胶: 材质柔软，触感自然，生物相容性好

9、，生物性能及理化性能佳，是常用的组织代用材料。生物医用材料生物医用复合材料金属烤瓷材料对合金的要求：合金必须与瓷层之间有牢固的结合力；合金的熔点必须高于瓷粉的熔点；合金应该有足够的刚性以支持脆性较高的瓷层；合金与瓷料的线膨胀系数必须匹配；在金属冠核表面上熔附一种瓷料，作为人工牙齿，修复缺失的牙齿。普遍应用的理想前牙修复材料。合金材料：镍铬合金、金合金、钯银合金、钴铬合金陶瓷：氧化铝、氧化硅生物医用材料烤瓷牙金属烤瓷材料生物医用复合材料三、典型疾病与生物医用材料心脏与心脏病心脏是人和脊椎动物器官之一。是循环系统中的动力。人的心脏如本人的拳头，外形像桃子，位于横膈之上，两肺间而偏左。主要由心肌构成

10、，有左心房、左心室、右心房、右心室四个腔。左右心房之间和左右心室之间均由间隔隔开，故互不相通，心房与心室之间有瓣膜，这些瓣膜使血液只能由心房流入心室，而不能倒流。常见的心脏疾病或症状： 心律失常：异常起搏点自律性增高，后除极和触发活动 和折返激动。 心力衰竭：即心衰，心脏泵功能减弱。 心绞痛：心肌缺血的常见症状，心肌耗氧与供氧失调。 冠心病 瓣膜病冠心病，是一种最常见的心脏病，是指因冠状动脉狭窄、供血不足而引起的心肌机能障碍和(或)器质性病变，故又称缺血性心脏病(IHD)。症状表现胸腔中央发生一种压榨性的疼痛，并可迁延至颈、颔、手臂、后背及胃部。发作的其他可能症状有眩晕、气促、出汗、寒颤、恶心

11、及昏厥。严重患者可能因为心力衰竭而死亡。冠心病/view/29208.htm人工心脏治疗：药物治疗溶拴治疗、介入疗法、冠状动脉搭桥手术改善冠状动脉的供血和减轻心肌的耗氧再灌注治疗心脏移植出现顽固的心力衰竭或心律失常反复发作，危及生命，估测1年内死亡风险极高血管支架管腔支架治疗冠状动脉狭窄管腔支架治疗冠状动脉狭窄管腔支架治疗冠状动脉狭窄管腔支架治疗冠状动脉狭窄新华网新闻心脏瓣膜缺失心脏的心瓣：二尖瓣、三尖瓣、主动脉瓣、肺动脉瓣功能：单向的阀门张开时让血液流过，关闭时则防止血液倒流，让血液保持全身正常地循环心脏瓣膜：由薄而极韧的片状组织构成，瓣膜随着心脏的收缩和舒张进行开放和关闭。正常人的心脏每天

12、跳动约100 000次，瓣膜开放关闭100 000次。心脏的瓣膜必须在人的一生中都应保持柔韧，有张力，并能长期承受心腔的压力和血液的冲刷。人工心脏瓣膜人工心脏瓣膜：可植入心脏内代替心脏瓣膜(主动脉瓣，肺动脉瓣，三尖瓣，二尖瓣)，能使血液单向流动，具有天然心脏瓣膜功能的人工器官。当心脏瓣膜病变严重而不能用瓣膜分离手术或修补手术恢复或改善瓣膜功能时，则须采用人工心脏瓣膜置换术。换瓣病例主要有风湿性心脏病，先天性心脏病，马凡氏综合症等。先天性心脏病介入治疗模拟演示（点击图片即播放动画）分类：人工瓣膜根据使用材料而分为两大类：一类是全部用人造材料制成的称机械瓣；另一类是全部或部分用生物组织制成的称生物

13、瓣。不论是机械瓣膜还是生物瓣膜，其基本结构都包括金属瓣架、阻塞体和缝合环三部份。金属瓣架一般用不锈钢、钛、钴镍合金或其它超硬金属等制成；缝合环是将人工瓣膜缝到人体心脏瓣环的部分，由针织材料缝制而成，曾用聚丙烯、涤纶、聚四氟乙烯、近年还有用碳纤维。生物瓣膜一般是用猪主动脉瓣和牛心包瓣为原料。骨与骨科疾病化学成分 有机成分：胶原纤维（34%）韧性 无机成分：羟基磷灰石和碳酸磷灰石（65%）强度微观结构 骨膜: 骨外膜、骨内膜 骨质：骨松质、骨密质（骨板） 骨髓骨的修复 血肿形成骨痂形成成熟骨板形成骨的微观结构长骨的分级结构骨骼主要有松质骨和密质骨构成*：长骨两端为骨骺，由松质骨（骨小梁框架）构成；

14、中间是骨干，由密质骨（哈弗斯单位）构成。哈弗斯单位骨折：由于外伤或病理等原因使骨质部分地或完全断裂的一种疾病。常见骨折分为两种，闭合性骨折：皮肤不破，没有伤口，断骨不与外界相通。开放性骨折：骨头的尖端穿过皮肤，有伤口与外界相通。骨折及其修复骨折修复术的主要方法：石膏绷带固定、手术复位与内固定和手术复位与外固定。石膏绷带固定：手术复位与外固定：施行手术将骨折复位，并在骨折的肢体外安装骨外固定器。骨外固定器是一个由夹头和钢管组装成的体外钢架，可以支持骨骼，矫正骨骼在愈合过程中出现的各种移位。骨折内固定：用金属螺钉、钢板、髓内针、钢丝或骨板等物直接在断骨内或外面将断骨连接固定起来的手术，称为内固定术

15、。这种手术多用于骨折切开复位术及切骨术，以保持折端的复位。骨折内固定是现代骨折治疗的重要手段之一。股骨头坏死及替换股骨头坏死（股骨头缺血性坏死）病因:风湿病、血液病、潜水病、烧伤等疾患引起，先破坏邻近关节面组织的血液供应，进而造成坏死。主要症状：从间断性疼痛逐渐发展到持续性疼痛，再由疼痛引发肌肉痉挛、关节活动受到限制，最后造成严重致残而跛行。股骨头股骨头缺血性坏死症状图股骨头坏死的治疗方法包括手术治疗和非手术治疗两种。手术治疗包含保留股骨头的治疗（钻孔减压、植骨术、截骨术等，适用于早期股骨头坏死）和关节成形术（应用于关节面塌陷的股骨头坏死病人，可行金属杯关节成形术、关节表面置换术、股骨头置换术、全髋关节置换术等）。非手术治疗包含避免负重（依靠手杖、腋杖等支具，严格限制负重，可使