第六章生物材料

第六章生物材料

第一节生物医学材料

第二节生物医用高分子材料

第三节生物陶瓷和生物磁性材料

第四节其他生物材料

第五节生物材料的军事应用

思考题上一页下一页返回第一节生物医学材料1组织工程材料2血液净化材料3复合生物材料4生物导弹5药物控释材料

下一页上一页返回1组织工程材料组织工程是指应用生命科学与工程的原理和方法，构建一个生物装置，来维护、增进人体细胞和组织的生长，以恢复受损组织或器官的功能。它的主要任务是实现受损组织或器官的修复和再建，延长寿命和提高健康水平。其方法是将特定组织细胞“种植”于一种生物兼容性良好、可被人体逐步降解吸收的生物材料(组织工程材料)上，形成细胞-生物材料复合物；生物材料为细胞的增长繁殖提供三维空间和营养代谢环境；随着材料的降解和细胞的繁殖，形成新的具有与自身功能和形态相对应的组织或器官。这种具有生命力的活体组织或器官能对病损组织或器官进行结构、形态和功能的重建，并达到永久替代。生物材料在组织工程中占据非常重要的地位，同时组织工程也为生物材料提出问题和指明发展方向。由于传统的人工器官(如人工肾、肝)不具备生物功能(代谢、合成)，只能作为辅助治疗装置使用，研究具有生物功能的组织工程人工器官已在全世界引起广泛重视。构建组织工程人工器官需要三个要素，即“种子”细胞、支架材料、细胞生长因子。最近，由于干细胞具有分化能力强的特点，将其用作“种子”细胞进行构建人工器官成为热点。组织工程学已经在人工皮肤、人工软骨、人工神经、人工肝等方面取得了一些突破性成果，展现出美好的应用前景。下一页上一页返回2血液净化材料采用滤过沉淀或吸附原理，将体内内源性或外源性毒物(致病物质)专一性或高选择性地去除，从而达到治病的目的，这是治疗各种疑难病症的有效疗法。尿毒症、各种药物中毒、免疫性疾病(系统性红斑狼疮、类风湿性关节炎)、高脂血症等，都可采用血液净化疗法治疗，其核心是滤膜、吸附剂等生物材料。

下一页上一页返回3复合生物材料作为硬组织修复材料的主体，复合生物材料受到广泛重视。它具有强度高、韧性好的特点，目前已广泛应用于临床。通过具有不同性能材料的复合，可以“取长补短”，有效解决材料的强度、韧性及生物兼容性等问题。提高复合材料界面之间结合程度(兼容性)是复合生物材料研究的主要课题。根据使用方式的不同研究较多的是：合金、碳纤维-高分子材料、无机材料(生物陶瓷、生物活性玻璃)-高分子材料的复合研究。

下一页上一页返回4生物导弹生物导弹，即像军事上所用的导弹那样，具有识别和杀伤靶目标(肿瘤等)的一类物质。“单克隆抗体技术”为“生物导弹”的一种。“药物导弹”(靶向药物)也是“生物导弹”的一种，正成为当今的热门课题。所谓“药物导弹”就是利用药物载体的pH敏、热敏、磁性等特点在外部环境的作用下对病变组织实行定向给药，提高药物效用，减少其毒副作用，这种“生物导弹”药物能够自动寻找目标，对治疗疾病起到积极的作用。脂质体技术是最有代表性的“药物导弹”。

下一页上一页返回5药物控释材料

药物控释是指药物通过生物高分子材料以恒定速度、靶向定位或智能释放的过程。药物控释材料是利用特殊高分子材料对药物的吸收、络合、复合、阻滞、增粘、骨架连接等作用或膜的扩散屏蔽作用，减少药物的溶解度、溶解速度、扩散速度、分配系数等，使药物的吸收变慢，作用时间延长，降低药物的毒副作用和减少其用量，提高药物的治疗效果和稳定性。药物控释材料的类型：

(1)天然材料及其衍生物：①明胶②琼脂③甲壳胺(2)纤维素衍生物：①乙基纤维素。②醋酸纤维素。(3)聚乙烯类聚合物(4)新型控释材料下一页上一页返回第二节生物医用高分子材料一、聚羟基脂肪酸

二、聚乳酸三、聚三亚甲基对苯二酸酯四、聚苯下一页上一页返回一、聚羟基脂肪酸PHA是高分子聚酯-聚羟基脂肪酸的简称。PHA家族中由于单聚物、共聚物及共混物等众多的种类，同时性能多样，因此PHA能满足多种人体组织器官的需求，如心血管系统、角膜、胰腺、胃肠系统、肾脏、泌尿生殖系统、肌肉骨骼系统、神经系统、牙齿与口腔、皮肤等。PHA所具有的生物兼容性和生物降解性使其可以作为体内植入材料包括组织工程材料和药物控制释放载体等。这种特性也可在农业上用于包裹肥料或农药的载体，使被包裹的物质在PHA缓慢降解的过程中释放出来，从而保持长期的肥效或药效，同时减少用药量，延长作用时间，保护耕地的长期可种植性。构成PHA的单体都具有手性，它们是许多药物化学合成的中间体，有高附加值。通过体内合成PHA和体内降解PHA的方法，可以得到许多不同的手性单体。

下一页上一页返回二、聚乳酸常用的聚乳酸产品有聚内消旋乳酸(PDLLA0)和聚左旋乳酸(PLLA)两种，PDLLA是无定形高分子，PLLA是结晶性高分子；在降解方面PLLA比PDLLA慢，在生物兼容性方面PLLA比PDLLA差。PLA的合成通常有两种方法。一种是乳酸直接缩合法，这种方法生产工艺简单，是降低PLA成本的重要途径，但缩聚反应进行到一定程度时体系会出现平衡态，因此很难得到高分子量的PLA。另一种是先由乳酸合成丙交酯，再用催化剂作用下的开环聚合法，目前制备高分子量的PLA一般采用这种方法。但这种方法在聚合时对催化剂的纯度、单体的纯度要求极高，即使是极微量的杂质也会使PLA的分子量低于10万，而且聚合条件如温度、压力、催化剂的种类和用量、反应时间等等也会极大地影响PLA的分子量，所以高分子量PLA的合成是一个技术难点。

下一页上一页返回三、聚三亚甲基对苯二酸酯

PTT是由PTA和PDO经缩聚反应而合成的芳香类聚酯，是一种热塑性塑料，可被纺成纤维或纱线，在地毯、纺织和服饰、工程热塑性塑料、无纺布料以及膜材料等方面有着广泛的应用。与其他芳香类聚酯如PET、PBT相比具有独特的性质。PTT结合了PET良好的硬度、强度、耐热性，PBT优良的可加工性以及尼龙的弹性等许多优点，被称为“未来的纤维”。

下一页上一页返回四、聚苯PPP可以成为有机导体材料和有机铁磁性材料，同时还有着极高的强度和耐高温性能。最近已经有许多制备PPP的方法问世，然而这些方法都因存在副反应而引进了杂质，从而影响了PPP的分子量。电化学聚合也是合成PPP的一种方法，这种方法可以制备PPP的薄膜，然而聚合物的分子量因其自身的不溶性而受到限制，而且仍然有局部缺陷问题。利用微生物方法可以把苯或苯的衍生物转化为顺-二羟基环己二烯(DHCD)，DHCD可以聚合成可溶性的PPP前体，进一步加热可以得到PPP。利用微生物合成可溶性前体的途径，研究者已经开发了更好的合成无缺陷高分子量PPP的策略。目前直接合成衍生化的PPP等的方法都是基于镍-钯介导的交联反应，因为这种方法杂质少，效率高。生物法合成的PPP相对来说纯度高，分子量大，成本也较低，发展前景较好。

下一页上一页返回第三节生物陶瓷和生物磁性材料

一、生物陶瓷材料

(1)生物惰性陶瓷

(2)生物活性陶瓷

(3)生物降解性陶瓷

二、生物磁性材料

下一页上一页返回(1)生物惰性陶瓷生物惰性材料是指这些材料植入活体组织后没有或几乎没有组织反应，它们在体内处于稳定状态。惰性陶瓷材料包括单晶和多晶氧化铝、高密度羟基磷灰石、氧化锆、氮化硅等。

下一页上一页返回(2)生物活性陶瓷生物活性陶瓷指那些在生理环境中具有化学活性的陶瓷，它具有在组织和种植体之间刺激化学结合的能力。这类陶瓷种植体内后可引导界面上骨组织形成，因而能很快形成与骨组织的化学结合。生物活性陶瓷包括低密度羟基磷灰石(锆-羟基磷灰石、氟-羟基磷灰石、钙-羟基磷灰石等)、陶瓷、磷酸钙玻璃陶瓷、生物玻璃等。

下一页上一页返回(3)生物降解性陶瓷

生物降解陶瓷指能完全被组织吸收的陶瓷材料，包括可溶性磷酸三钙、可溶性铝酸钙等。它具有更好的生物兼容性。在植入体内初期，由于孔隙小，有较好的机械强度。但随着陶瓷在机体新陈代谢过程中被吸收，其强度便明显下降，最终被机体硬软组织所取代。临床常用在组织缺损时起过渡性支架