生物医用材料

1、创新社会化管理平台生物医用材料Biomedical Materials发展历程相关技术概述材料分类发展趋势基本要求目录251463概 述诊断治疗替换修复诱导再生生物医用材料概述生物医用材料（又称生物材料或生物医学材料）：用于与生命系统接触和发生相互作用的，并能对其细胞、组织和器官进行诊断治疗、替换修复或诱导再生的一类天然或人工合成的特殊功能材料，又称生物医用材料。生物医用材料是材料科学领域中正在发展的多种学科相互交叉渗透的领域，其研究内容涉及材料科学、生命科学、化学、生物学、解剖学、病理学、临床医学、药物学等学科，同时还涉及工程技术和管理学科的范畴。定义学科介绍人工脏器|牙科人工乳房|骨科人工

2、耳蜗古代近代1920s1930s1940s1950ss1960s1990s2000s2010s1920s1930s（不锈钢和Co-Ni alloy）1926年，含18%铬和8%镍首先应与于骨科治疗，随后应与于口腔科；20世纪30年代末钴镍合金被应用于制作接骨板、骨钉等内固定器械；1940s1960s(钛、医用高分子、生物陶瓷）40年代，制作外科植入体；,50年代用纯钛制作接骨板和骨钉50年代医用高分子材料制作了人工心瓣膜、手术缝合线等从60年代初应用生物材料,引入活体细胞或生长因子的生物陶瓷构架； 90年代以后至今（生物工程） 90年代以后，借助于生物技术和基因工程的发展，由无生物存活性材料扩

3、展到具有生物学功能的材料领域，其基本特征是具有促进细胞分化、增殖、诱导组织再生、参与生命活动等功能。1829-1892年（金属材料为主）1829年得出：金属铂对机体组织刺激性最小1851年用天然高分子硬橡木制作人工牙托和颚骨1892年用硫酸钙填充骨缺损，这是陶瓷首次植入古代（利用天然物质和材料治病）公元前5000年，黄金修复失牙；公元前3500年，古埃及，棉花纤维、马鬃等缝伤口；公元前2500年，中国、埃及，假手、假鼻、假耳等人工假体；隋末唐初，银膏补牙-成分是银、锡、汞。生物医用材料发展史 生物医用材料发展历程生物材料发展历程2000至今第1代：生物惰性 第2代：生物活性或生物可吸收性 第3

4、代：组织工程材料、纳米生物材料19801950生物惰性材料人工牙齿（陶瓷）生物活性材料人工关节（羟基磷灰石）纳米生物材料用于诊断肿瘤生物材料的基本要求生物医用材料基本要求对于人体组织无刺激性，无毒副作用，无致癌性。接触人体各种体液（唾液、淋巴液、血液）时，应有良好的耐蚀性。具有必要的强度、耐磨性和耐疲劳性能。与生物体组织、与血液有相容性。纳米金壳偶联转铁蛋白分子携带药物靶向至肿瘤，光热疗与化疗结合杀死肿瘤细胞。Ti-O薄膜表面血小板的形态(好)Ti-O薄膜表面血小板的形态(差)人工髋关节-塑料与金属配合，耐磨性较好。 按材料功能分类2按材料来源分类3按材料属性分类4按使用部位分类1生物医用材料

5、的分类生物医用材料分类生物医用材料分类A histological section through artificial skin. 在胶原蛋白所做成的模皮上植入皮肤細胞，于体外培养后得到皮肤生物医用材料分类采用高纯氧化铝生物陶瓷制备关节头，无钒钛合金制备关节柄，并在柄部涂覆生物活性陶瓷涂层。图：人工关节植入病人体内的完整人工心脏 罗伯特图尔斯:最重要的是要适应没有心跳的日子。唯一能听到的是马达的声音，不用听筒也听得到，这让我感到自己仍生存。美女机器人主播生物医用材料分类广泛应用于人工假体、人工关节、医疗器械等。不同种材料的混合或结合，克服单一材料的缺点，可获得性能更优的材料。生物医用材料分类

6、医用金属生物材料医用无机生物材料高分子医用生物材料组织工程生物材料纳米生物材料相关技术概要生物医用材料相关技术概要生物医用金属材料总 述 定义医用金属材料是指一类用作生物材料的金属或合金，又称外科用金属材料。优点1. 优良的生物相容性2. 无毒性3. 高强度，高韧性4. 高耐久性（抗疲劳、耐磨损）5. 良好的生物力学性能6. 优良的抗生理腐蚀性7. 良好的物理性能缺点及改善途径1. 无生物活性2. 高弹性模量通过表面改性，提高生物活性开发新型合金，降低弹性模型改善途径一改善途径二医用金属材料目前临床应用的医用金属材料主要有不锈钢、钴基合金、钛及钛合金、Ni-Ti形状记忆合金等几大类，此外还有贵

7、金属和纯金属钽、铌、锆。良好的耐腐蚀性能和综合力学性能，且加工工艺简便。钛和钛合金无毒、质轻、强度高、生物相容性好的优点形状记忆合金钴基合金贵金属纯金属Ta等较硬富有弹性，可起到矫形或支撑作用。其优良的生物相容性、耐腐蚀、耐磨性、无毒良好的稳定性和加工性能。因其价格较贵，广泛应用受到限制 耐腐蚀和力学性能综合衡量,它是最优良的材料之一Ta、Nb、Zr等医用金属材料不锈钢医用金属材料在诸多生物材料中，由于具有较高强度和韧性，适用于修复和置换人体硬组织生物医用金属材料分 类 不锈钢 生物医用金属材料不锈钢铁基耐蚀合金（一般由铁、铬、镍、钼、锰、硅组成），易加工、价格低廉 。不锈钢的耐蚀性和屈服强度

8、可以通过冷加工而提高，避免疲劳断裂。 一般不锈钢制成多种形体，如针、钉、髓内针、齿冠、三棱钉等器件和人工假体而用于临床，不锈钢还用于制作各种医疗仪器和手术器械。 Fe-与血红细胞结合可形成铁血黄素； Cr-能与机体内的丝蛋白结合； Ni-过量富集有可能诱发肿瘤的形成；引起机体不良反应 金属离子溶出进入组织液生理腐蚀和磨蚀金属器件植入体内通常，医用不锈钢的小量腐蚀不会引起组织的明显变化，但量大时会引起水肿、感染、组织坏死或过敏反应。 钛及钛合金基本特性密度小,比强度(强度/密度)高弹性模量低，最接近骨的弹性模量抗疲劳强度高无磁性耐腐蚀性能好良好的生物相容性典型牌号：纯钛：TA1、TA2、TA3、

9、TA4钛合金：Ti-6Al-4V钛(Ti)是20世纪50年代走向工业化生产的一种重要金属，其性质优良，储量十分丰富，被誉为正在崛起的“第三金属”。由于具有良好的生物相容性，在医疗行业得到广泛应用。钛合金Ti-6Al-4V骨不锈钢(SUS316L)HDPEZrO2陶瓷Al2O3抗拉强度应变各种材料的抗张强度和应变的关系注：曲线下所占面积越大，材料的韧性就越高生物医用金属材料钛基合金 纯钛与钛合金 生物医用金属材料钛基合金医用钛合金的应用历程医用钛合金的应用经历了纯钛、Ti-6Al-4V、改良钛合金、低模量介稳定钛合金四个历程。 纯钛首次应用生物医学领域 证实了纯钛良好生物相容性 纯钛用于口腔种植

10、体 Ti6Al4V广泛用于制作外科修复或替换材料如接骨板、髋关节、髓内钉等 证实V、Al 是对生物体有潜在毒副作用的元素； 开发出以Nb、Fe替代V 的第二代改良新型医用钛合金Ti6Al7Nb和Ti5Al2.5Fe。 第一个低模量化近型医用Ti13Nb13Zr； Ti12Mo6Zr2Fe（TMZF）亚稳定 型钛合金1970194019801990至今截至目前，纯钛和Ti6Al4V钛合金仍是国际上产销量最大、应用最广的外科植入物用传统主体材料。纯钛与钛合金的应用由于医用钛与钛合金密度小、弹性模量接近于天然骨，故广泛用于骨科、颅骨修复植入物、心脏、血管植入物、齿科植入物和手术器械，且临床效果良好。

11、其中在髋关节、膝关节，分别占40%和36%。颅骨修复钛网接骨板 脊柱固定器主要用于：修补颅骨，制成钛网或钛箔用于修复脑膜和腹膜、膝关节、骨科。生物医用金属材料钛基合金纯钛与钛合金的应用由于医用钛与钛合金密度小、弹性模量接近于天然骨，故广泛用于骨科、颅骨修复植入物、心脏、血管植入物、齿科植入物和手术器械，且临床效果良好。其中在髋关节、膝关节，分别占40%和36%。钛合金种植牙纯钛齿冠心脏起搏器外壳主要用于：牙和矫形物、人工心脏部件生物医用金属材料钛基合金钛合金关节产品生物医用金属材料钛基合金形状记忆合金单程记忆效应双程记忆效应全程记忆效应 形状记忆合金 奇特的形状记忆功能、质轻、磁性微弱、强度较

12、高、耐疲劳性能、高回弹性和生物相容性好等。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：用这种材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，断骨连接、弯曲脊柱矫正。血管外科：治疗主动脉瘤、冠状动脉和椎动脉狭窄等。应用特点1.牙套 2. 记忆合金钢圈 3.节育环 4.骨科内固定记忆合金生物医用金属材料形状记忆合金 形状记忆合金 生物医用金属材料形状记忆合金2.食道支架3.血栓过滤器4.结食收集器1

13、.内窥镜无机生物医学材料从主要成分来看，包括生物陶瓷、生物玻璃和碳素材料。1808年就已用陶瓷来镶牙，近20年来由于无机生物学材料性能的改善及复合材料发展的需要，这类材料的研制和应用都有了较大的发展。生物活性陶瓷 普通生物陶瓷 生物陶瓷特殊加工生物陶瓷 普通生物陶瓷多用于假牙制作，硬度及耐磨性优于树脂制品。材料的化学性质差，生物相容性好。生物活性陶瓷主要成分为磷酸钙，植入人体后可以降解吸收，由于被怀疑会引起淋巴结增生，现已停止对其研究。特殊加工生物陶瓷如掺入荧光物质的陶瓷贴片，可以贴在牙齿外表增加美观。 定义 ZrO2烤瓷牙齿无机生物医用材料生物陶瓷 无机生物医学材料无机生物医用材料生物陶瓷

14、无机生物医学材料无机生物医用材料生物玻璃 活性生物玻璃 非活性生物玻璃 生物玻璃羟磷灰石材料 （1） 非活性生物玻璃（2）活性生物玻璃（3）羟磷灰石（HAP）材料多用于制作人工股骨、人工齿冠、齿桥，还用于强磁性的玻璃陶瓷埋入肿瘤附近，通过材料在交变磁场作用下磁场下磁滞损耗发热而杀死癌细胞。生物相容性好，和骨组织结合好，成骨过程快、有利于植入物早期固定，种植成功率高。HAP是人牙和骨骼的主要无机成分，具有吸收和聚集体液中钙离子的作用，参与体内钙代谢，对骨质增生有刺激或诱导作用，促进缺损组织的修复，显示出生物活性。与高分子材料制成的混合材料常用做人工中耳骨等。采用增强含微孔羟基磷灰石(HA)陶瓷制

15、成人工听小骨假体，在语言频率范围，平均提高病人的听力20-30dBC/C复合材料碳纤维复合材料 碳素材料 无机生物医用材料碳素材料 碳是构成生物体的重要组成元素，由于它具有极好的抗血栓性，因而碳素材料被认为是最佳的人工心脏瓣膜材料。活性炭常用于血液净化材料等。德国产品 UHMWPE材料碳纤维复合材料 碳纤维束有利于生物组织依附生长，经聚乳酸浸制成人工韧带和肌腱已用于临床研究。用于人工关节的多孔材料是由碳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，就可使关节固定良好。还可制作人工心脏瓣膜。人工心脏瓣膜天然高分子材料 合成高分子材料 纤维蛋白 胶原 PMMA 硅橡胶 生物高

16、分子材料纤维蛋白是纤维蛋白原的聚合产物。纤维蛋白原是一种血浆蛋白质，存在于动物体的血液中。具有止血、促进组织愈合等功能。血液凝块构造（R:红细胞，B:血小板，Y:纤维蛋白）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。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。在医学上主要用于粘合剂、导管、整形和修复外科。硅橡胶医用导管生物高分子材料纳米生物材料纳米生物材料纳米生物材料纳米载体纳米生物器件纳米医药介孔二氧化硅纳米材料设计合成及作为 药物传递载体用于肿瘤治疗的示意图用金壳包覆夹心二氧化硅实现多功能平台用于肿瘤的热化疗

17、协同治疗；还将夹心二氧化硅作为微反应器发展了具有金属和半导体内核的夹心二氧化硅构建新型催化材料等。纳米生物材料纳米生物材料纳米生物材料纳米载体纳米生物器件纳米医药在血管中运动的纳米机器人，它正在使用纳米切割机和真空吸尘器来清除血管中的沉积物动脉粥样硬化的治疗机器人能够从动脉壁上清除粥样沉积物。这不仅会提高动脉壁的弹性,还会使通过动脉的血液流动状况得到改善。纳米生物传感器重庆科研人员开发的“OMOM胶囊内镜系统” 估计三年内可以上市。 一颗胶囊，把它吞进肚里，消化道内的情景就可以像放电影一样在电脑屏幕上一目了然。组织工程生物材料组织工程生物材料采用基因工程的办法，将蜘蛛的基因植进入山羊细胞的DN

18、A中，培育出了能在乳汁中分泌蜘蛛丝蛋白的新品种山羊使“生物钢材”的大规模生产成为可能用其组合成牢固的复合材料用于宇航和汽车工业制造外科手术缝合线和防弹背心的理想材料基因工程让我们“种豆得瓜”了种豆得瓜能在乳汁中分泌丝蛋白的新品种山羊发展趋势按国际惯例，生物医用材料及其医用植入体是生物医学工程产业的重要组成部分，是医疗器械产业的基础，其管理属医疗器械范畴。2015年，预计需要人工关节50万套/年、血管支架120万个/年，眼内人工晶体100万个/年，医用高分子材料、生物陶瓷、医用金属等材料需求将大幅增加。 工信部新材料产业“十二五”发展规划加速高附加值植介入材料及制品的产业化。推动仿生医学、再生医

19、学和组织工程与生物技术的融合，促进新型高生物相容性医用材料的研制和产业化；到2015年，包括生物医学材料产业在内的整个生物医学工程产业年产值达到4000亿元，突破一批核心技术，培育一批高端化发展的生物医学工程制造企业。 国务院生物产业发展规划生物医用材料发展趋势预计到2018年，全球医疗器械市场可达4400亿美元200520062007200820092010201120122013201420152016201720184%2%0%6%10%8%12%3504504005002009: World economycontracted -2.2%2009: Euro crisis impacts eurosales converted to dollars andUS slow funding increases医疗器械销售收入（十亿美元）医疗器械增长率2012年，全球医疗器械市场销售总额为3310亿美元，预计到2018年可达4400亿美元，复合增长率（2012-2018）为4.5%。医疗器械行业的迅速发展为生物医用材料带来巨大的发展空间。世界医疗器械市场规模和增长率生物医用材料发展趋势生物医用材料应用领域骨科产品四大应用领域心血管系统四大应用领域口腔医学组织工程耗材, 20%我国医