生物医学材料

关于生物医学材料第1页，讲稿共23页，2023年5月2日，星期三1.1生物材料发展背景生物材料的定义生物材料的发展一种与生物体组织接触，用以评估、治疗、置换生物体任何组织、器官，增进和恢复其功能的材料。生物材料主要是应用在医用领域，它们很少单独的使用，通常是被制成医疗器械而使用。事实上，生物材料通常是一种经过加工、消毒后被使用的材料。早在公元前，就有采用青铜或黄铜作为骨取代物将断裂的骨连接起来的先例。两千多年前的罗马人、中国人和阿兹特克人就会把金应用在牙齿的修补上。到19世纪中期以后，随着医学的逐渐的发展，形成了相应的科学体系。特别是新型高分子材料的研发，为生物材料的研究和应用创造了极大的机会。第2页，讲稿共23页，2023年5月2日，星期三在具有良好的生物相容性这一研究路线指导下，人们采用了多种假体做成植入体，成功的进行了骨移植手术。1884年，首次用金属插补术进行髋关节置换；1936年，有机玻璃迅速被制成假牙及人工骨而应用与临床；1943年，赛璐璐的问世使得透析膜能够制备成人工肾；1938年，制备出合金假体；20世纪60年代，聚乙烯得到了广泛的应用。近年来研究人员已经应用改性的生物材料研制出人工器官，来替代和修复机体受损的组织和器官，发挥各项生理作用，已获得了较好的治疗效果，但是仍然存在一定的问题，未能完全满足人们的要求。第3页，讲稿共23页，2023年5月2日，星期三随着生物技术发展和重大突破，生物医用材料己成为各国研究和开发的热点。目前被详细研究过的生物材料已超过1000种，被广泛应用的有90多种，1800多种制品。西方国家每年耗用生物材料量以10~15%的速度增长.近10年来，全球生物医用材料和制品的市场一直保持15%以上的年增长率，正在成长为本世纪世界经济的一个支柱性产业。近年来，全球生物医用材料及其制品的产值以每年5~8%的速度增长，2005年的产值约为2100亿美元，是药品产值的7/10,而且比值还在增大，将成为本世纪经济的支柱性产业。我国需求量大，近十年来市场年增长率却高达20%—27%，占国际市场份额不到3%。二是从潜在需求来看，就医疗器械的人年均消耗额计，我国仅为7美元左右，美国则高达300美元以上。随着国民经济的发展、人民生活水平的提高，以及人口老龄化，我国对生物医用材料及制品的需求越来越大第4页，讲稿共23页，2023年5月2日，星期三1.2生物材料的分类生物材料主要有两种分类方法：按应用性质分类和按生物材料的属性分类。按应用性质来分类主要有：抗凝血材料（心血管材料）、齿科材料、骨科材料、眼科材料、吸附解毒材料（血液灌流用）、假体材料、缓释材料、生物粘合材料、透析及超滤用膜材料、一次性医用材料等等。按生物材料的属性可分为：天然高分子生物材料——再生纤维、胶原、透明质酸、甲壳素等。合成高分子生物材料——硅橡胶、聚氨脂及其嵌段共聚物、涤纶、尼龙、聚丙烯腈、聚烯烃。医用金属材料——不锈钢、钛及钛合金、钛镍记忆合金等。无机生物医学材料——碳素材料、生物活性陶瓷、玻璃材料。杂化生物材料——指来自活体的天然材料与合成材料的杂化，如胶原与聚乙烯醇的交联杂化等。复合生物材料——用碳纤维增强的塑料，用碳纤维或玻璃纤维增强的生物陶瓷、玻璃等。第5页，讲稿共23页，2023年5月2日，星期三1.3生物材料的使用性能生物材料是研制人工器官及一些重要医疗技术的物质基础，每一种新型生物材料的发现都引起了人工器官及医疗技术的飞跃。不同的生物材料具有不同的使用性能。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；化学性质稳定，抗体液、血液及酶的作用（接触人体各种体液（唾液、淋巴液、血液）时，应有良好的耐蚀性。唾液、血液、间质液都是以Clˉ、Na+、K+离子为主的电解质溶液，生物材料在这种溶液中应不发生反应、腐蚀和变质）；玻璃钢人工颅盖骨高分子与钛合金人造髋骨第6页，讲稿共23页，2023年5月2日，星期三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；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。（如髋关节在静止状态承受体重的二分之一，水平步行时承受的重量为静止时的3.3倍，而跑步时则为4倍以上。此外,每步行一公里大约活动1000次，按照一般的生活情况,每年大约承受1×106~3×106次重复负荷的作用）。Ti-O薄膜表面血小板的形态(好)Ti表面血小板的形态(差)第7页，讲稿共23页，2023年5月2日，星期三医用金属材料定义：一类用作生物材料的金属或合金，又称外科用金属材料。性质：生物惰性材料较高的机械强度和抗疲劳性能良好的生物力学性能及相关的物理性质优良的抗生理腐蚀性、生物相容性、无毒性种类：有钴合金（Co-Cr-Mo）、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。形状记忆合金具有奇特的形状记忆功能、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，在管腔狭窄的治疗、骨科、口腔科和血管外科具有广泛的应用。第8页，讲稿共23页，2023年5月2日，星期三1、不锈钢不锈钢成本低，但在体内有腐蚀和组织反应等,不锈钢中添加Mo可克服铬钝化膜在氧化环境中耐腐蚀性能,如加Mo的316、317。降低碳含量，如使用超低碳不锈钢骨钉的316L可防止晶间腐蚀.常用来制作各种人工关节和骨折内固定器、截骨连接器等，也用于牙科等各种器件制造。骨吸收和骨小梁形成第9页，讲稿共23页，2023年5月2日，星期三2、钴基合金加Mo的钴基合金，已用于生物体中。例如Co-Cr-Ni-Fe-Mo合金用在牙科和整形外科，这种合金的耐腐蚀性是一般不锈钢如316的40倍。钴基铬钼合金的生物相容性超过铁铬镍和钴铬合金。钴基合金的耐磨性是所有医用金属材料中最好的，与不锈钢相比，更适于制造体内承载苛刻的长期植入件.

CoCrMo合金制股骨帽第10页，讲稿共23页，2023年5月2日，星期三3、钛与钛合金以纯钛和TC4(Ti-6Al-4V)为主，这类合金强度不如钴合金,但耐腐蚀性好，与人体组织反应很弱，钛合金的密度小，弹性模量低，接近于天然骨。广泛用于制作各种人工关节、接骨板、骨螺钉与骨折固定针等，也用于制作牙根种植体等，呈现出良好的耐疲劳性能。第11页，讲稿共23页，2023年5月2日，星期三金刚石涂覆的膝关节和髋关节第12页，讲稿共23页，2023年5月2日，星期三4、形状记忆合金用于制作脊椎侧弯症矫形器械、牙科器件、血栓过滤器、血管扩张支架、血管栓塞器等。脊椎矫正植入体食管支架血管支架牙齿矫形丝血管和食管引导丝第13页，讲稿共23页，2023年5月2日，星期三5、贵金属通常是指金、银、铂及其合金。贵金属耐腐蚀、抗蠕变,对机体组织无毒，刺激性小,导电性好。金合金主要用于口腔科，贵金属合金还可用于植入形电极与电子装置等.第14页，讲稿共23页，2023年5月2日，星期三生物医学高分子材料生物医学高分子材料有天然的和合成的两种。医用天然高分子材料：具有优越的血液和组织相容性不易引起抗体产生，植入人体后无刺激性无毒性反应，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于伤口敷料、药物缓释剂、止血棉止血剂等。合成高分子生物材料：利用聚合方法制备的一类生物材料。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。合成高分子材料有可能导致毒性反应，其弹性模量低和弹性低常使其不能用于承受较大负荷的体位的修复。目前合成高分子生物材料主要用作防噪音耳塞、人造血管、人工晶体、鼓膜修补片等。表1-1中列举了几种合成的或改性的天然材料的医学应用。第15页，讲稿共23页，2023年5月2日，星期三凝胶型高分子材料：特殊的三维网络结构优良的力学性能，如可承受较大形变能力、生物相容性好、化学性能稳定及良好的可成型性广泛应用于关节软骨、椎间盘髓核缺损的修复和角膜接触镜等的研制。无机生物医学材料：无毒、与生物体组织有良好的生物相容性、耐腐蚀。包括生物陶瓷、生物玻璃和碳素材料三大类，主要用于齿科、骨科修复和植入材料。惰性生物陶瓷（如氧化铝、医用碳素材料等）：较高的强度，耐磨性能良好，分子中的键力较强。生物活性陶瓷（如羟基磷灰石和生物活性玻璃等）：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。无机生物材料基本都是脆性材料，容易破裂，发展方向应向开发复合生物材料以及在金属基体上加涂无机生物陶瓷涂层（薄膜）材料的方面引导。

第16页，讲稿共23页，2023年5月2日，星期三生物医学复合材料：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。钴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。生物医学衍生材料：经过特殊处理的天然生物组织形成的生物医学材料无生物活力的材料，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（如图1-2所示）等。杂化生物材料：由活体材料和非活体材料组成的复合体主要包括合成材料与生物体高分子材料或与细胞的杂化。杂化生物材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。第17页，讲稿共23页，2023年5月2日，星期三应用材料种类骨骼系统关节置换体（髋关节、膝关节）固定骨折部位的骨板骨水泥骨缺损修复人工肌腱和韧带用于补牙的牙科植入体心血管系统血管弥补心脏瓣膜导尿管器官人工心脏皮肤修复样板人工肾脏心-肺机感觉器官耳蜗置换眼内镜角膜接触镜角膜绷带Ti、Ti-Al-V合金、不锈钢、聚乙烯不锈钢、Co-Cr合金聚甲基丙烯酸甲酯羟基磷灰石Teflon,DacronTi、Al、Ca、磷酸盐涤纶,特氟隆(聚四氟乙烯),聚氨酯再生组织、不锈钢、C硅橡胶、聚四氟乙烯、聚氨酯聚氨酯硅-胶原质复合材料纤维素、聚丙烯腈硅橡胶铂电极聚甲基丙烯酸甲酯、硅橡胶、水凝胶硅-丙烯酸树脂、水凝胶胶原质、水凝胶表1-1合成材料和改性的天然材料的医学应用第18页，讲稿共23页，2023年5月2日，星期三图1-1生物材料在人体各部位的具体应用生物材料涵盖了各类材料：金属材料；陶瓷材料；聚合物材料第19页，讲稿共23页，2023年5月2日，星期三1.4生物材料与组织工程学1984年华人学者冯元桢首次提出了组织工程的概念。美国化学工程师RobertLanger教授和麻省理工大学医学院的临床医生JosephPVcanti正式提出了组织工程的概念。1987年，美国国家科学院基金会（NationalScienceFoundation，NSF）在加利福尼亚的LakeTahoe举行的专家讨论会上明确了组织工程的定义：“组织工程是运用工程科学和生命科学的原理及方法，从根本上认识正常和病理的哺乳动物组织和结构功能的关系，并研究生物学的替代物，以恢复、维持和改进组织的生物替代物”其目标是利用细胞与生物支架材料的复合培养再生组织与器官,达到修复目的组织工程的基本原理是从机体内获得少量的活体组织，用特殊的酶或其他方法将细胞（又称种子细胞）从组织中分离出来并在体外进行培养扩增，然后将扩增的细胞与具有良好生物相容性、可降解和可吸收的生物材料按一定的比例混合，使细胞粘附在生物材料上形成细胞-材料复合物。将该复合物植入机体的组织或器官病损部位，随着生物材料在体内逐渐被降解和吸收，植入的细胞在体内不断增殖并分泌细胞外基质，最终形成相应的组织或器官，达到修复创伤和重建功能的目的。第20页，讲稿共23页，2023年5月2日，星期三