第一章生物介绍

第一章生物介绍第一页，共69页。第一章、绪论第一页第二页，共69页。国际标准化组织（简称ISO）定义，生物材料（Biomaterials）即生物医学材料（BiomedicalMaterials），它是指“以医疗为目的，用于与组织接触以形成功能的无生命的材料”。另有定义是：具有天然器官组织的功能或天然器官部分功能的材料。1.1生物材料的概念第二页第三页，共69页。1.1生物材料的概念1.定义：生物材料是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。

生物材料主要应用于医用领域，很少单独使用，通常被制成医疗器械，因此，也称

生物医学材料。

与生物系统直接接合是生物医学材料最基本的特征第三页第四页，共69页。生物医学材料是生物医学科学中的最新分支学科，是生物、医学、化学和材料科学交叉形成的边缘学科。具体涉及到化学、物理学、高分子化学、高分子物理学、生物物理学、生物化学、生理学、药物学、基础与临床医学等很多学科。1.1生物材料的概念第四页第五页，共69页。生物材料用于人体组织和器官的诊断、修复或增进其功能的一类高技术材料，即用于取代、修复活组织的天然或人造材料，而对人体组织不会产生不良影响的材料。

其作用药物不可替代。生物材料能执行、增进或替换因疾病、损伤等失去的某种功能，而不能恢复缺陷部位。1.1生物材料的概念第五页第六页，共69页。1.2生物材料的发展背景生物材料的开发和利用可追溯到3500年前，那时的古埃及人就开始利用棉纤维、马鬃作缝合线缝合伤口；印第安人则使用木片修补受伤的颅骨。2500年前，中国和埃及的墓葬中就发现有假牙、假鼻和假耳。人类很早就用黄金来修复缺损的牙齿，并沿用至今。1588年人们用黄金板修复颚骨。1775年就有用金属固定体内骨折的记载。1851年发明了天然橡胶的硫化方法后，有人采用硬胶木制作了人工牙托的颚骨。第六页第七页，共69页。器官移植取得巨大进展，但有难题：排异、器官来源、法律、伦理等。因此医学界对生物医学材料和人工器官的要求日益增加。1.2生物材料的发展背景第七页第八页，共69页。

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1.2生物材料的发展背景第八页第九页，共69页。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，1980年全球医用生物材料及制品的销售额为200亿美元，1990年达500亿美元，1995年近1000亿美元。我国生物材料的研究起步较晚（五十年代），但发展很快。1.2生物材料的发展背景第九页第十页，共69页。中国生物医用材料市场第十页第十一页，共69页。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％。

----------------国家科技部资料第十一页第十二页，共69页。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……第十二页第十三页，共69页。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%高速增长第十三页第十四页，共69页。目前全球大量用于医疗器械的生物医学材料主要有20

种,其中医用高分子12种，金属4

种，陶瓷2种，其他2

种。主要包括起搏器、心脏瓣膜、人工关节、骨板、骨螺钉，以及药物和生物活性物质控释载体等。第十四页第十五页，共69页。1.3生物材料的分类按材料功能划分：

1、血液相容性材料：

如人工瓣膜、人工气管、人工心脏、血浆分离膜、血液灌流用吸附剂、细胞培养基材等；

2、软组织相容性材料：如隐形眼睛片的高分子材料，人工晶状体、聚硅氧烷、聚氨基酸等，用于人工皮肤、人工气管、人工食道、人工输尿管、软组织修补等领域；

3、硬组织相容性材料：如医用金属、聚乙烯、生物陶瓷等，关节、牙齿、其它骨骼等；

4、生物降解材料：如甲壳素、聚乳酸等，用于缝合线、药物载体、粘合剂等；

5、高分子药物：如多肽、胰岛素、人工合成疫苗等，用于糖尿病、心血管、癌症以及炎症等。第十五页第十六页，共69页。按材料来源分类：

1、自体材料2、同种异体器官及组织；3、异体器官及组织；4、人工合成材料；5、天然材料1.3生物材料的分类第十六页第十七页，共69页。按生物材料的化学反应性：可生物降解和吸收材料（如：聚乳酸）惰性生物医学材料（如：聚四氟乙烯）生物活性材料（如：羟基磷灰石）第十七页第十八页，共69页。根据组成和性质分为：

1、生物医用金属材料

2、医用高分子材料

3、医用无机非金属材料

1.3生物材料的分类第十八页第十九页，共69页。1.生物医用金属材料医用不锈钢、

钴基合金、

钛及钛合金、

镍钛形状记忆合金、

金银等贵重金属、

银汞合金、

钽、铌等金属和合金。1.3生物材料的分类第十九页第二十页，共69页。医用不锈钢ISO5834-2ASTMF648可用为人工关节、人工骨骼植入人体极低的能耗……人工关节

（1）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，是生物医用金属材料中应用最多，最广的材料。（2）医用不锈钢植入活体后，可能发生点蚀，偶尔也产生应力腐蚀和腐蚀疲劳。医用不锈钢临床前消毒、电解抛光和钝化处理，可提高耐蚀性。（3）医用不锈钢在骨外科和齿科中应用较多。德国产品UHMWPE材料1.3生物材料的分类第二十页第二十一页，共69页。器械包第二十一页第二十二页，共69页。第二十二页第二十三页，共69页。脊柱修复支架第二十三页第二十四页，共69页。

（1）钴基合金人体内一般保持钝化状态，与不锈钢比较，钴基合金钝化膜更稳定，耐蚀性更好。在所有医用金属材料中，其耐磨性最好，适合于制造体内承载苛刻的长期植入件。（2）在整形外科中，用于制造人工髋关节、膝关节以及接骨板、骨钉、关节扣钉和骨针等。在心脏外科中，用于制造人工心脏瓣膜等。

医用钴基合金1.3生物材料的分类1.生物医用金属材料第二十四页第二十五页，共69页。

医用钛和钛合金Ti-Ni记忆合金血管支架（1）不仅具有良好的力学性能，而且在生理环境下具有良好的生物相容性。由于其比重小，弹性模量较其他金属更接近天然骨，故广泛应用于制造各种能、膝、肘、肩等人造关节。此外，钛合金还用于心血管系统。钛合金耐磨性能不理想，且存在咬合现象，限制了其使用范围。1.3生物材料的分类1.生物医用金属材料第二十五页第二十六页，共69页。头颅微型钢板第二十六页第二十七页，共69页。钛板第二十七页第二十八页，共69页。形状记忆合金

1969年，那个被阿波罗登月舱带到月球上的环形天线，就是用极薄的记忆合金材料先在正常情况下按预定要求做好，然后降低温度把它压成一团，装进登月舱带上天去。放到月面上以后，在阳光照射下温度升高，当达到转变温度时，天线又“记”起了自己的本来面貌，变成一个巨大的半球形。

第二十八页第二十九页，共69页。形状记忆合金

第二十九页第三十页，共69页。形状记忆合金

第三十页第三十一页，共69页。钛铸造金属第三十一页第三十二页，共69页。2.生物医用高分子

按应用对象和材料物理性能分为软组织材料、硬组织材料和生物降解材料。其可满足人体组织器官的部分要求，因而在医学上受到广泛重视。目前已有数十种高分子材料适用于人体的植入材料。1.3生物材料的分类第三十二页第三十三页，共69页。

软组织材料：故主要用作为软组织材料，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。

硬组织材料：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。

降解材料：脂肪族聚醋具有生物降解特性，已用于可接收性手术缝线。1.3生物材料的分类2.生物医用高分子第三十三页第三十四页，共69页。人造血管第三十四页第三十五页，共69页。心脏起搏器第三十五页第三十六页，共69页。人工心脏瓣膜第三十六页第三十七页，共69页。双层人工皮肤Apligraf第三十七页第三十八页，共69页。3.生物医用无机非金属材料

生物无机材料主要包括生物陶瓷、生物玻璃和医用碳素材料。

按植入生物活体内引起的组织与材料反应，生物陶瓷分为:(1)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；

1.3生物材料的分类第三十八页第三十九页，共69页。(2)表面活性生物陶瓷，如磷酸钙基生物陶瓷、生物活性

玻璃陶瓷；3.生物医用无机非金属材料

生物活性玻璃陶瓷植入活体后，能够与体液发生化学反应，并在组织表面生成羚基磷灰石层，故可用于人工种植牙根、牙冠、骨充填料和涂层材料。

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。1.3生物材料的分类第三十九页第四十页，共69页。

(3)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。

（4）医用碳素材料：具有接近于自然骨的弹性模量。3.生物医用无机非金属材料

a.医用碳素材料疲劳性能最优，强度不随循环载荷作用而下降。无序堆垛的碳材料耐磨性理想。

b.医用碳素材料在生理环境中较稳定，近于惰性，具有较好的生物相容性，不会引起凝血和溶血反应，特别适合于在生理环境中使用。

c.医用碳材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材料。1.3生物材料的分类第四十页第四十一页，共69页。4.生物医用复合材料

生物医用复合材料是由二种或二种以上不同材料复合而成的。1.3生物材料的分类1.按基材分为：高分子基、陶瓷基、金属基等生物医用复合材

料。2.按增强体形态和性质分为:纤维增强、颗粒增强、生物活性

物质充填生物医用复合材料。3.按材料植入体内后引起的组织与材料反应分为：生物惰性、

生物活性和可吸收性生物医用复

合材料。第四十一页第四十二页，共69页。Fig.Schematicdiagramofthescrew-shapedartificialtooth.第四十二页第四十三页，共69页。纳米牙齿第四十三页第四十四页，共69页。珊瑚骨修复材料第四十四页第四十五页，共69页。组织工程人工骨缺损修复示意图第四十五页第四十六页，共69页。组织工程人工骨缺损修复示意图第四十六页第四十七页，共69页。靶向纳米微球细胞表面受体靶向,脂质体抑制肿痛在体内生长

(C.A.Nartchowetal.TargesomeInc.,USA)第四十七页第四十八页，共69页。按应用性质来分类：1.3生物材料的分类

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。第四十八页第四十九页，共69页。1.4生物材料的性能1.生物功能性2.生物相容性第四十九页第五十页，共69页。1.生物功能性（1）概念：

指生物材料具备或完成某种生物功能时应该具

有的一系列性能。

（2）根据用途主要分为:承受或传递负载功能：如人造骨骼、关节和牙等，占主导

地位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1.4生物材料的性能第五十页第五十一页，共69页。

（1）概念：指生物材料有效和长期在生物体内或体表行使

其功能的能力。用于表征生物材料在生物体内

与有机体相互作用的生物学行为。（2）根据材料与生物体接触部位分为：血液相容性：材料用于心血管系统与血液接触，主要考察

与血液的相互作用与心血管外的组织和器官接触：主要考察与组织的相互作

用，也称一般生物相容性力学相容性：考察力学性能与生物体的一致性1.4生物材料的性能2.生物相容性第五十一页第五十二页，共69页。1.5生物材料的一般性能要求（1）生物相容性生物相容性主要包括血液相容性、组织相容性。材料在人体内要求无不良反应，不引起凝血、溶血现象，活体组织不发生炎症、排拒、致癌等。（2）力学性能材料要有合适的强度、硬度、韧性、塑性等力学性能以满足耐磨、耐压、抗冲击、抗疲劳、弯曲等医用要求。第五十二页第五十三页，共69页。（3）耐生物老化性能材料在活体内要有较好的化学稳定性，能够长期使用，即在发挥其医疗功能的同时要耐生物腐蚀、耐生物老化。（4）成形加工性能容易成形和加工，价格适中。1.5生物材料的一般性能要求第五十三页第五十四页，共69页。第五十四页第五十五页，共69页。1.6生物医用材料性能评价1.生物材料机械性能评价测试标准ASTM（theAmericanSocietyforTestingandMaterials）例如：拉伸强度测试标准金属ASTME8

橡胶ASTMD412

刚性塑料ASTMD638第五十五页第五十六页，共69页。

（1）医用金属作为受力期间，在人体内服役，其受力状态及其复杂，如人工关节，每年要承受约3.6×106次、且数倍于人体重量的载荷冲击和磨损。（2）人体骨的力学性能因年龄、部位而异，评价骨和材料的机械性能最重要的指标有：抗拉抗压强度、屈服强度、弹性模量、疲劳极限和断裂韧性等；1.生物材料机械性能评价1.6生物医用材料性能评价第五十六页第五十七页，共69页。

（3）对于摩擦部位的材料，一般用硬度反映其耐磨性能。（4）弹性模量是生物材料的重要性质之一，过高过低都不行。模量相对与骨过高，在应力作用下，承受应力的金属和骨将产生不同的应变，在金属与骨的接触面会出现相对位移，从而造成界面处松动；长时间下，还会造成应力屏蔽，引起骨组织的功能退化和吸收。过低，变形较大，起不到固定和支撑作用。1.生物材料机械性能评价1.6生物医用材料性能评价第五十七页第五十八页，共69页。2.生物学评价标准

生物材料的生物学评价一般按用途、接触方式、接触人体部位和接触时间等划分，但标准还未完全实现统一，且随着新一般生物相容材料向智能生物材料（如组织工程材料）转变，标准还在完善。目前各国在已基本统一的国际标准化组织提出的生物标准上，保留了各自的特点。1.6生物医用材料性能评价第五十八页第五十九页，共69页。目前已有的标准有：1、ISO10993.1－1992至ISO10993.12－1992；2、美国ASTM（F748－82）标准；3、我国在美国和日本的基础上，1997年由卫生部颁布了我们自己的标准。1.6生物医用材料性能评价2.生物学评价标准第五十九页第六十页，共69页。1.7生物医用材料产业现状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。第六十页第六十一页，共69页。1.7生物医用材料产业现状我国有6,000多家制药企业，但总体上技术资源、资金力量都比不上西方制药企业，其中控制释放系统的企业仅有有限几家。我国企业的研发投入总体很少，无法与国际制药相比。我国的控释制剂以研发为主，产业化商品少，市场上基本为进口药品制剂。第六十一页第六十二页，共69页。市场：社会老龄化对生物医用材料的要求心血管、脑血管、癌症、艾滋病等的治疗常见病和传染性疾病的预防与治疗竞争：市场竞争、产业发展与高新技术及产品性价比技术：安全功能组织相容性1.7生物医用材料遇到的挑战第六十二页第六十三页，共69页。国家的政策扶植国家科学、技术、产业发展的一个重点领域

1.国家重点基础研究发展（973)计划、国家高技术研究发展计划（863）、

科技攻关计划、星火计划、火炬计划、科技型中小企业技术创新基金、

国家重点新产品计划；国家自然科学基金面上、重点与重大项目；国

家计委高技术产业化新材料专项，国家工程中