医用材料生物学基础－蔡伟第一章绪论课件

工业大学二OO六医用材料生物学基础第一章绪论1一、课程设立的目的、意义第一章绪论一、课程设立的目的、意义二、课程特点三、课程主要内容四、成绩考核五、相关概念的回顾与解释第一章绪论2一、课程设立的目的、意义医用材料的研究基础

材料研究的基础医用材料的定义、目标医用材料的分类与发展医用材料的应用举例社会效益、经济效益、市场前景未来发展的趋势与挑战第一章绪论3一、课程设立的目的、意义组成、结构-工艺过程-性质之间

关系示意图合成与制备工艺使用性能性质组成结构（化学）（工程）（物理学）材料研究的基础第一章绪论5一、课程设立的目的、意义一、课程设立的目的、意义医用材料的研究基础

材料研究的基础

医用材料的定义、目标（组织、器官的生理功能，生物体对植入材料的反应）

医用材料的分类与发展医用材料的应用举例社会效益、经济效益、市场前景未来发展的趋势与挑战第一章绪论6一、课程设立的目的、意义生物医用材料biomedicalmaterials

生物材料biomaterials

对生物体进行诊断、治疗和置换损坏组织、器官或增进其功能的材料。

医用材料的定义、目标第一章绪论7一、课程设立的目的、意义水晶体:丙烯酸,硅胶耳:HA,氧化铝,钛金属,硅胶齿科:丙烯酸,金,316LSS,钴铬钼合金,钛金属,钛铝钒合金,氧化铝,HA,生物玻璃心脏:钴铬钼合金,钛铝钒合金,热解石墨,ePTFE,PET,PUR,心律调节:316LSS,白金t,PUR,硅胶,PET人工关节:316LSS,钴铬钼合金,钛金属,钛铝钒合金,硅胶,UHMWPE,丙烯酸颚面重建:氧化铝,HA,三钙磷酸盐,HA/PLA,生物玻璃,钛金属,钛铝钒合金头盖骨:316LSS,钛金属,丙烯酸,HA,TCP可降解缝线:PLA,PGA,聚己内酯,PTMC,PDO的共聚高分子脊柱:钴铬钼合金,钛金属,HA,UHMWPE承载重量的骨材:氧化铝,氧化锆,316LSS,钛金属,钛铝钒合金,钴铬钼合金,UHMWPE血管:ePTFE,PET肌腱&韧带:PLA/碳纤维,ePTFE,PET,UHMWPE骨折固定:316LSS,钴铬钼合金,钛金属,钛铝钒合金,PLA/HA,PLA,PGAPLA:聚乳酸(polylactide)PGA:聚甘醇酸(polyglycolide)PTMC:聚三甲基己内酯(polymethylenecarbonate)PDO:poly(p-dioxanone)PUR:聚氨酯(polyurethane)ePTFE:膨体聚四氟乙烯(expandedpolytetrafluroethylene)UHMWPE:超高分子量聚乙烯(expandedpolytetrafluoroethylene)PET:聚乙烯对苯二甲酸酯(polyethyleneterephthalate)HA:氢氧基磷灰石(hydroxyapatite)SS:不锈钢第一章绪论9一、课程设立的目的、意义一、课程设立的目的、意义医用材料的研究基础

材料研究的基础医用材料的定义、目标

医用材料的分类与发展（材料本身具有生命性质而与机体产生生物性结合）

医用材料的应用举例社会效益、经济效益、市场前景未来发展的趋势与挑战第一章绪论10一、课程设立的目的、意义问题人体组织器官的生命现象是极其复杂的，特别是处于生长与发育、再生与修复的立体动态变化之中。人工合成的材料的本质与人类的亲缘性尚远、缺乏人体的生物活性，与机体组织的亲和性较差。

第一章绪论11一、课程设立的目的、意义现在未来

－－生物材料的发展方向与设计原则材料研究更重要的是从生命科学的角度进行探讨和创造类似人体生命结构的新型材料，在充分理解生命机体（天然材料）及生命机体/人造材料相互作用的基础上的合理设计。

人体的生物活性，在人体内与机体组织细胞、生物力学、生物电的反应关系

第一章绪论13一、课程设立的目的、意义一、课程设立的目的、意义医用材料的研究基础

材料研究的基础（生物体环境

）

医用材料的定义、目标（组织、器官的生理功能，

生物体对植入材料的反应

）

医用材料的分类与发展（材料本身具有生命性质而与机体产生生物性结合）

医用材料的应用举例社会效益、经济效益、市场前景未来发展的趋势与挑战第一章绪论14一、课程设立的目的、意义生物医用材料诊断现代诊断系统治疗先进控制释放系统修复、置换、增进组织器官功能通用生物医用材料组织工程生物医用材料医用材料的分类与发展（生物材料的定义）第一章绪论15一、课程设立的目的、意义生物材料的分类（材料的生物学性能）

生物惰性材料BioinertMaterials生物活性材料BioactiveMaterials生物降解材料BiodegradableMaterials生物复合材料CompositeBiomaterials

医用材料的分类与发展第一章绪论17一、课程设立的目的、意义生物材料的分类第一代生物材料第二代生物材料第三代生物材料

医用材料的分类与发展第一章绪论18一、课程设立的目的、意义第一代生物材料生物材料首先应具有人体的组织或器官的功能，这些材料与普通的标准材料很相似，从后者衍生出来的，根据临床应用的特点，设计、改变其结构以适应临床应用。六七十年代，物理性能适宜、对宿主反应最小的组织替代物，大多数属于惰性生物材料，使免疫排斥反应达到最低的材料。

医用材料的分类与发展第一章绪论19一、课程设立的目的、意义第三代生物材料具有激发、促进人体组织自身修复和再生作用，从而使病变组织、器官最终完全或主要是由再生的自身天然健康组织或器官所取代。生物材料不仅要具有生物安全性和生物相容性，更希望植入体内能诱发所期望的反应，使目标细胞黏附、增殖、分化，并且防止肿瘤化倾向。

医用材料的分类与发展第一章绪论21一、课程设立的目的、意义第三代生物材料

即与组织工程相关的生物材料。从材料科学与生命科学交叉与融合角度,对生物材料的细胞水平和分子水平进行设计并制备出具有刺激特异细胞反应的、具有生物活性的可吸收生物材料，使目标细胞迁移至损伤部位，刺激它们生长和分化，促进组织的自愈合，且随着组织的修复能被细胞释放的相关酶完全降解的生物材料。

医用材料的分类与发展第一章绪论22一、课程设立的目的、意义生物材料的分类

第一代生物材料具有组织或器官的功能性的惰性生物材料.

第二代生物材料具有生物功能性的同时，具有与人体组织的相容性的生物活性和可吸收性生物材料及其复合材料。

第三代生物材料从生物材料的细胞水平和分子水平进行设计，不仅要具有生物功能性和生物相容性，还具有促进组织的自愈合，且随着组织的修复能被细胞释放的相关酶完全降解的材料。第一章绪论23一、课程设立的目的、意义人工关节美国，每年仅人工髋关节置换的数量己经超过50万人次。我国，每年施行一万多例人工关节置换手术。限制型半限制型非限制型第一章绪论25一、课程设立的目的、意义滚动式人工膝关节属于半限制型。有左右侧之分。135

O的伸屈运动。20

O的内旋外旋。10

O的内翻外翻。设计承载能力为5KN。可选配不同型号髓内干。第一章绪论26一、课程设立的目的、意义人造心脏瓣膜生物瓣同时采用人工合成的高级材料和经过复杂化学处理的生物组织膜而制成。优点是术后不必终生抗凝，血栓栓塞率较低。缺点是耐久性不如机械瓣，瓣膜的寿命约在十年左右，如损坏则需第二次换瓣。

第一章绪论29一、课程设立的目的、意义人造心脏瓣膜机械瓣采用高级合成材料制成。优点是耐久性好，其缺点是需终生抗凝。血栓栓塞率较生物瓣高。第一章绪论30一、课程设立的目的、意义脊柱修复支架InterporeCrossInternationalInc.SynergyTMIQLowBackSystem第一章绪论31一、课程设立的目的、意义人造牙齿第一章绪论32一、课程设立的目的、意义人工水晶体PMMA制成，直徑約6mm第一章绪论33一、课程设立的目的、意义人造血管第一章绪论34一、课程设立的目的、意义人造皮肤第一章绪论35一、课程设立的目的、意义一、课程设立的目的、意义医用材料的研究基础

材料研究的基础医用材料的定义、目标医用材料的分类与发展医用材料的应用举例社会效益、经济效益、市场前景未来发展的趋势与挑战第一章绪论36一、课程设立的目的、意义医疗器材实例

年产值(U.S.)*

缝线(短期使用或可吸收性)

250M**导管(液体输送管)

200M血液袋 40M隐形眼镜 30M人工水晶体

2.5M人工膝关节及髋关节

0.5M义乳(癌症或美容)

0.25M齿科植入物

0.9M肾脏透析器

0.3M富氧机/CPB’s(心肺绕道系统—有利进行心脏手术)0.3M人工血管

0.3M心律调节器(脉冲产生器)

0.4M*fromRatner,B.D.etal.,eds.BiomaterialsScience:Anintroductiontomaterialsinmedicine.2nded.SanDiegoCA:Elsevier,2004.**fromRatner,B.D.etal.,eds.BiomaterialsScience:Anintroductiontomaterialsinmedicine.1sted.SanDiegoCA:AcademicPress,1996.37全球生物医用材料市场第一章绪论38一、课程设立的目的、意义全球生物医用材料细分市场发展增长率26%高速增长市场将达800亿美元增长率45%高速增长第一章绪论39一、课程设立的目的、意义中国生物医用材料市场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。我国人工关节替换年增长率高达30％，远高于美国的4％。

--------国家科技部资料第一章绪论40一、课程设立的目的、意义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

第一章绪论41一、课程设立的目的、意义我国生物医用材料的产业化我国生物材料和制品所占世界市场份额不足1.5％；产品技术水平处于初级阶段，且产品单一；同类产品与国外产品比，基本上属于仿制，自主知识产权较少；生物医用材料与制品70-80%要依靠进口；产业正处于起步阶段。第一章绪论42一、课程设立的目的、意义一、课程设立的目的、意义医用材料的研究基础

材料研究的基础医用材料的定义、目标医用材料的分类与发展医用材料的应用举例社会效益、经济效益、市场前景未来发展的趋势与挑战第一章绪论43一、课程设立的目的、意义未来发展的趋势与挑战复杂的生理环境,材料的各种变化,同时对人体组织产生的多种影响新材料的生物学行为，人工材料与相接触的人体软硬组织的界面结构

新的合成设计思想和寻找新的合成方法

从仿生的角度创造出具有高生理功能的人工组织器官

利用生物有机体内某些重要的分子和组成,例如酶、多肽、抗体、受体细胞解决材料的生物化问题来行使特定生物功能

材料种植与细胞作用的界面研究

材料用生理活性物质进行表面修饰,是功能化、智能化

第一章绪论44一、课程设立的目的、意义第一章绪论一、课程设立的目的、意义二、课程特点三、课程主要内容四、成绩考核五、相关概念的回顾与解释第一章绪论45二、课程特点参考文献《生物医学材料学》顾汉卿徐国风主编天津科技翻译出版公司1993《生物材料学》阮建明编著

科学出版杜2004《生物医用材料》俞耀庭主编，（二十一世纪新材料丛书）天津大学出版社2000《人体解剖生理学》北京师范大学等编

北京科技发行1990《分子细胞生物学》韩贻仁主编

科学出版杜2001《生理学》张镜如主编

人民卫生出版社1996第一章绪论46一、课程设立的目的、意义第一章绪论一、课程设立的目的、意义二、课程特点三、课程主要内容四、成绩考核五、相关概念的回顾与解释第一章绪论47三、课程主要内容三、课程主要内容1.

绪论2．医用植入材料生物环境生命体系结构、人体组织与器官、细胞结构与功能、人体血液与组织液系统、人体骨骼系统与骨组织生物力学、人体免疫系统与免疫细胞3．医用植入材料与人体间的相互作用生物相容性反应、医用植入材料引起的炎症与伤口愈合、医用植入材料引起的感染、钙化和肿瘤、医用植入材料的病理学反应

第一章绪论48三、课程主要内容三、课程主要内容4．植入材料与细胞作用界面材料与细胞界面基本理论、材料与细胞界面结合形式、材料与细胞界面关系、材料与细胞界面检测与评价5.医用材料生物化

医用材料生物化原理、医用材料表面净化与微孔化、医用材料表面亲水化、医用材料活性物质化6．生物医用材料智能仿生化

生物医用材料仿生构思、刺激响应性高分子凝胶、刺激响应性药物释放体系、仿生膜材料第一章绪论49三、课程主要内容第一章绪论一、课程设立的目的、意义二、课程特点三、课程主要内容四、成绩考核五、相关概念的回顾与解释第一章绪论50第一章绪论一、课程设立的目的、意义二、课程特点三、课程主要内容四、成绩考核五、相关概念的回顾与解释第一章绪论51一、课程设立的目的、意义

对生物体进行诊断、治疗和置换损坏组织、器官或增进其功能的材料。

要求生物材料具有功能性和相容性。

1、生物医用材料biomedicalmaterials

生物材料biomaterials

生物材料第一章绪论52一、课程设立的目的、意义生物医用材料诊断现代诊断系统治疗先进控制释放系统修复、置换、增进组织器官功能通用生物医用材料组织工程生物医用材料生物材料第一章绪论53一、课程设立的目的、意义2、生物功能性

Biofunctionality植入体内的材料或器械，对组织进行结构上的替代或补偿，完成近似的和特殊的功能。生物功能性第一章绪论54一、课程设立的目的、意义生物功能性

Biofunctionality负载传递和应力分布关节替换：人工关节控制血液流动：人造血管、人工心脏控制其它体液流动简单填充产生和传导电刺激光传导：人工晶体声音传导缓释药物和其它物质引导组织再生（4）生物功能性第一章绪论55一、课程设立的目的、意义3、生物相容性

biocompatibility生物材料和人体组织接触后，在材料——机体组织界面发生一系列相互作用后，产生各种复杂的生物、物理、化学反应,最终被人体组织所接受的性能。

生物相容性第一章绪论56一、课程设立的目的、意义生物相容性理想材料的生物学反应

各种生物医用材料人工器官医用辅助装置对人体无毒性无致敏性无刺激性无致畸性无遗传毒性无致癌性对人体免疫系统无任何不良反应，无凝血、无溶血反应无炎症、肿瘤反应无免疫排斥反应组织血液第一章绪论57一、课程设立的目的、意义材料——机体组织的相互作用生物相容性第一章绪论58一、课程设立的目的、意义生物相容性分类血液相容性：材料用于心血管系统与血液直接接触，要考察与血液的相互作用。

循环系统：人工心脏、心脏瓣膜、人工血管血管内：血管支架、导管组织相容性、

一般生物相容性：材料与心血管系统外的组织和器官接触，主要考察组织的相互作用。

一切植入物都需要考察组织相容性。生物相容性第一章绪论59一、课程设立的目的、意义生物相容性的评价标准美国评价标准

ASTM(F48-82)美国、英国、加拿大三国评价标准1986国际标准化组织评价标准ISO10993.1-1992~ISO10993.12-1992中国的评价标准

GB/T16886.1-1997生物相容性第一章绪论60一、课程设立的目的、意义4、生物惰性材料

BioinertMaterials在生物环境中能保持稳定，不发生或仅发生微弱化学反应的生物医学材料，主要是生物陶瓷类和医用合金类材料.

由于在实际中不存在完全惰性的材料,因此生物惰性材料在机体内也只是基本上不发生化学反应。它与组织间的结合主要是组织长入其粗糙不平的表面形成一种机械嵌联，即形态结合。

生物惰性材料第一章绪论61一、课程设立的目的、意义

氧化物陶瓷

氧化铝:纯刚玉双杯式人工髋关节;

纯刚玉—金属复合型人工股骨头;

纯刚玉—聚甲基丙烯酸酯—钴铬钼合金铰链式膝关节;

其他人工骨、人工牙根等.

氧化锆:人工髋关节生物惰性材料

BioinertMaterials生物惰性材料第一章绪论62一、课程设立的目的、意义

玻璃陶瓷:部分人工关节.Si3N4陶瓷:较小的人工骨，目前还不能用作承重材料.

医用碳素材料:

人工心脏瓣膜等人工脏器,人工关节.

医用金属材料:人体承重材料中应用最广泛的材料，表面涂上活性生物材料后可增加它与人体环境的相容性，同时还能制作各类其他人体骨的替代物。生物惰性材料

BioinertMaterials生物惰性材料第一章绪论63一、课程设立的目的、意义5、生物活性材料

BioactiveMaterials能诱出或调节生物活性的生物医学材料.

生物活性是增进细胞活性或新组织再生的性质.生物医用高分子材料以及典型的生物活性材料羟基磷灰石。

生物活性材料第一章绪论64一、课程设立的目的、意义

羟基磷灰石

Hydroxyapatite,HAP

[Ca10(PO4)6(OH)2]

生物硬组织的修复和替换材料口腔种植、牙槽脊增高、颌面骨、鼻梁、假眼球、耳小骨替换、中耳通气引流管脊椎骨替换填充用ＨＡ颗粒抑制癌细胞用ＨＡ微晶粉制备多孔陶瓷和复合材料/涂层材料生物活性材料

BioactiveMaterials生物活性材料第一章绪论65一、课程设立的目的、意义

磷酸钙生物活性材料磷酸钙骨水泥:骨修补和固定关节磷酸钙陶瓷纤维:无机骨水泥的补强及制备有机与无机复合型植入材料.生物磁性陶瓷材料:治疗癌症用

生物玻璃:生物活性微晶玻璃/可加工生物活性微晶玻璃

生物活性材料

BioactiveMaterials生物活性材料第一章绪论66一、课程设立的目的、意义6、生物降解材料

BiodegradableMaterials

在被植入人体以后,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.β-TCP生物降解陶瓷:

修复良性骨肿瘤或瘤样病变手术刮除后所致缺损

生物陶瓷药物载体:

微药库型载体，可根据要求制成一定形状和大小的中空结构，用于各种骨科疾病。

生物降解材料第一章绪论67一、课程设立的目的、意义7、生物复合材料

CompositeBiomaterials

生物复合材料又称为生物医用复合材料，它是由两种或两种以上不同材料复合而成的生物医学材料。

人体功能的复杂性以及应用场合、应用形式不同；同一场合下，对性能要求也不是单一的，因此要求植入材料性能多样性－－导致复合材料产生。生物复合材料第一章绪论68一、课程设立的目的、意义生物复合材料复合目的

综合多种组分或结构的性能优势，更好实现对人体受损组织的修复作用。

降解模式和降解速率具有可调性增强和改善力学性能生物复合材料第一章绪论69一、课程设立的目的、意义生物复合材料的分类

有机/有机复合生物材料:可降解高分子材料之间通过对不同组分的复合,考察材料的相容性以及结构和性能,筛选具有最佳性能的复合生物材料。包括天然高分子材料,生物合成聚酯,以及人工合成聚酯和聚酸酐等。生物复合材料第一章绪论70一、课程设立的目的、意义金属/无机复合生物材料:金属材料通过一些物理或化学手段(等离子喷涂,电化学沉积法等),在其表面形成一层磷酸钙盐,改善金属材料表面的生物相容性,并与周围的骨组织形成良好的骨性结合。生物复合材料生物复合材料的分类

第一章绪论71一、课程设立的目的、意义有机/无机复合生物材料：结合有机组分的韧性和无机组分的刚性,充分利用了无机组分或部分有机组分的生物活性或降解性能,形成了具有综合使用性能的骨修补复合材料，用于修复和重建人体的硬组织,作为骨修复或骨固定材料。

骨修复复合材料与周围组织的最终结合形式或被利用的状况与材料组分的降解特性、材料的结构等密切相关。一般来说,具有降解特性或贯通孔洞的复合材料能够被人体较好地利用,新生骨组织可以长入到材料内部,并与周围组织形成牢靠的结合。

生物复合材料生物复合材料的分类

第一章绪论72一、课程设立的目的、意义8、生物衍生材料

BiologicallyDerivedMaterials由经过特殊处理的天然生物组织所形成的生物医用材料，也称为生物再生材料。

生物衍生材料具有类似于自然组织的构型和功能，其组成类似于自然组织，在维持人体动态过程的修复和替换中具有重要作用。生物衍生材料第一章绪论73一、课程设立的目的、意义生物衍生材料

来源：取自同种或异种动物体的生物组织.特殊处理：轻微处理：维持组织原有构型而进行的固定、灭菌和消除抗原性处理。强烈处理：拆散原有构型、重建新的物理形态的处理。

生物衍生材料第一章绪论74一、课程设立的目的、意义9、组织工程

TissueEngineering应用生命科学与工程学的原理与技术,在正确认识哺乳动物的正常及病理两种状态下的组织结构与功能关系的基础上,研究、开发用于修复、维护、促进人体各种组织或器官损伤后的功能和形态的生物替代物的一门新兴学科。

组织工程第一章绪论75一、课程设立的目的、意义组织工程方法

应用工程