高技术新材料 第2章 生物材料

高技术新材料专题课程的地位与作用：材料是人类生存、社会发展、科技进步的物质基础，是现代科技革命的先导，是当代文明的三大支柱之一。每一种重要的新材料的发现和应用，都把人类支配自然的能力提高到一个新水平，给社会生产和生活面貌带来巨大改观，将物质文明程度推向前进。可以说，没有半导体单晶硅材料，就没有微电子工业；有了光导纤维，光纤通信才得以实现。本课程作为理工类通识教育课，旨在使学生对材料科学与工程建立整体与全貌的认识；；把握高技术新型先进材料的发展趋势，有益于在今后长期的科研、生产、经营、管理工作。课时安排周次章节题目主要内容课时1第一章生物材料了解生物材料发展、特点和应用前景21第二章结构材料重点了解结构材料的性能指标22第三章新能源材料解新能源材料的地位和核心作用22第四章环境材料了解环境材料的提出、定义和研究内容；了解环境协调性评价的涵义23第五章智能材料了解智能材料的定义、特点和应用前景23第六章复合材料了解复合材料的发展、性能和应用24课堂讨讨4韩国“美女”都是人造的？

据韩国《体育朝鲜》报报道日本著名女性周刊杂志《女性SEVEN》表示：“最近在日本引起轰动的韩国女明星大部分都做过整容手术”，并拿出著名演员的过去的照片与现在对比，提出了进行整容手术的疑惑。《女性SEVEN》把矛头指向了目前在日本人气极旺的《冬季恋歌》，表示：“两名女主人公都做过整容手术。”问题平时接触到哪些生物材料？生物材料有哪些要求？常见的生物材料分类有哪些？常见的生物材料优缺点？问题平时接触到哪些生物材料？生物材料有哪些要求？常见的生物材料分类有哪些？常见的生物材料优缺点？问题平时接触到哪些生物材料？生物材料有哪些要求？常见的生物材料分类有哪些？常见的生物材料优缺点？新技术和新型材料的大量应用——生物医学工程第一章生物材料1.1生物材料概述1.2硬组织相容性材料1.3软组织相容性材料1.4血液相容性材料1.5生物降解材料生物材料(biomaterials)：

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。1.1生物材料概述生物材料正在挽救和维持世界上成千上万血管患者的生命；广泛用于肢体形态和功能的恢复；在计划生育、提高健康水平方面发挥巨大作用。注：生物材料不是药物，其治疗途径是以生物机体直接结合和相互作用为基本特征的。生物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。生物材料发展简史

（历史上、近代、现代）生物材料分类

（属性、功能、来源、使用）

生物材料的特征与评价

（宿主反应、材料反应、生物相容性）

1.1.1生物医学材料发展简史古代（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、马鬃等缝合伤口； 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，与现代牙齿填充材料汞齐合金类似。

近代：

最先应用于临床实践的金属材料是金、银、铂等贵重金属。（良好的化学稳定性和易加工性） 1829年，通过多种金属的系统动物实验，得出：金属铂对机体组织刺激性最小；1851年发明天然橡胶的硫化方法后，开始利用天然高分子硬橡木制作人工牙托和颚骨进行临床治疗；1892年，用硫酸钙填充骨缺损，这是陶瓷材料植入人体的最早实例。

现代：生物医学材料取得实质性进展开始于20世纪20年代不锈钢： 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； 1934年，研制出高铬低镍单相组织的AISI302和304，在体内生理环境下的耐腐蚀性显著提高；1952年，开发出耐蚀性更好的AISI316不锈钢，并逐渐取代AISI302； 60年代，为了解决不锈钢的晶间腐蚀问题，又研制出超低碳不锈钢AISI316L和317L。

钴镍合金： 铸造钴镍合金首先在口腔中得到应用； 20世纪30年代末被应用于制作接骨板、骨钉等内固定器械； 50年代成功制成人工髋关节； 60年代为了提高力学性能，研制出锻造钴铬钨镍合金和锻造钴铬钼合金； 70年代为了改善钴基合金抗疲劳性能，研制出锻造钴铬钼钨铁合金和具有多相组织的MP35N钴铬钼镍合金。钛：金属钛，优异的耐蚀性、生物相容性、密度低；40年代，制作外科植入体；50年代用纯钛制作接骨板和骨钉；70年代，Ti6A14V合金（强度比纯钛高，耐蚀性和密度与之相似）、TiSAl2.5Sn合金和钛钼锌锡等合金获得应用；从而使钛和钛合金成为继不锈钢和钴基合金之后的又一类重要医用金属材料；70年代以后，NiTi系为代表的形状记忆合金逐渐在骨科和口腔科得到应用，并成为医用金属材料的重要组成部分。生物陶瓷：

从60年代初开始应用于生物材料。多晶氧化铝陶瓷----低温各向同性碳----生物玻璃----羟基磷灰石（生物活性陶瓷）----生物陶瓷复合材料----引入活体细胞或生长因子的生物陶瓷构架。医用高分子：

开始于50年代有机硅聚物的发展。有机硅聚合物----聚甲基丙烯酸甲脂（骨水泥）----医用高分子材料大发展，制作了人工心瓣膜、人工血管、人工骨、手术缝合线等。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。1.1.2生物材料分类按材料属性分类按材料功能分类按材料来源分类按使用部位分类1.按材料属性分类a.医用金属材料：包括不锈钢、钴基合金，钛及合金等，广泛应用于人工假体、人工关节、医疗器械等。b.医用无机材料：主要是生物陶瓷。分为惰性生物陶瓷，如氧化铝生物陶瓷；表面生物活性陶瓷，如磷酸钙基生物陶瓷；可降解生物陶瓷，如β-磷酸三钙陶瓷等。c.医用高分子材料：根据来源分为天然的和合成的，天然的如多糖类、蛋白类，合成聚氨酯、聚乙烯、聚乳酸、聚四氟乙烯等，用于人体器官、组织、关节、药物载体等。d.医用复合材料：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。2.按材料的功能分类a.硬组织相容性材料：主要用于生物机体的关节、牙齿及其他骨组织b.软组织相容性材料：主要用于人工皮肤、人工气管、人工食道等

c.血液相容性材料：主要用于人工血管、人工心脏、血浆分离膜、血液灌流用吸附剂、细胞培养基材等

d.生物降解材料：主要用于吸收型缝合线、药物载体、愈合材料、粘合剂以及组织缺损用修复材料。3.按材料来源分类a.自体组织：如人体听骨、血管等替代组织b.同种异体器官及组织：如不同人体之间器官移植c.异种器官及组织：如动物骨、肾替换人体器官d.天然生物材料：如动物骨胶原、甲壳素、珊瑚等e.人工合成材料：如各种人工合成的新型材料4.按使用部位分类a.硬组织材料：骨、牙齿用材料b.软组织材料：软骨、脏器用材料c.心血管材料：心血管以及导管材料d.血液代用材料：人工红血球、血浆等e.分离、过滤、透析膜材料：血液净化、肾透析以及人工肺气体透过材料等1.1.3生物材料的特征与评价宿主反应与材料反应生物相容性任何一种生物材料，除了应具有必要的理化性能外，还需要满足在生理环境下工作的生物学要求，即有良好的生物相容性。这也是生物材料区别于其他材料的基本特征。对生物材料的要求是：⑴对于人体组织无刺激性，无毒副作用，无致癌性。⑵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⑶具有必要的强度、耐磨性和耐疲劳性能。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。⑷与生物体组织、与血液有相容性不会引起凝血，与软硬组织有良好的粘接性，不会产生吸收物和沉淀物。

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)1.2硬组织材料硬组织材料：主要用于生物机体的关节、牙齿及其他骨组织。硬组织材料有人造骨、人造关节、假牙等。人工髋关节是临床应用比较成功的一种。其中髋臼用高分子量聚乙烯制成，股骨多为金属制品。这种塑料与金属的配合，使其耐磨性较金属与金属的配合强10倍。常用的硬组织材料人工关节生物金属材料生物陶瓷材料1.2.1人工关节1890年，Gluck首先应用象牙制造下颌关节；1938年，Wiles用不锈钢作髋臼与股骨头；而后Moor开展了人工股骨节置换术；1940年Wder兄弟用合成树脂制造人工关节；1951年开始全髋人工关节置换术。1952年Habowsh用固定牙的丙烯酸脂固定人工髓关节，由此合成树脂开始用于人工关节与骨的结合。1958年Charnhey根据重体环境滑润理论，用聚四氟乙烯髋臼和金属股骨头制成低磨擦的人工关节，1962年，Charnley把高密度聚乙烯髋臼和直径为22毫米的金属股骨头组成全髋人工关节，并用骨水泥（甲基丙烯酸脂）固定，获得较满意的效果。自此，人工关节置换术进入实际应用的新阶段。迄今已研制出膝、髋、肘、肩、指、趾关节假体用于临床。欧美等发达国家每年仅全髋置换已超过80万例.我国人工关节置换术达25万例。髋关节人工髋关节Simulatortesting5kN230磨损病因无菌松动是人工关节置换术后最常见的并发症和最终失效的主要因素。

磨损产物—磨屑是导致无菌松动的原因。人工关节长期使用后，一方面磨损后影响置换关节的装配性能；更重要的是产生大量磨屑，其中较小的磨屑被组织细胞吞噬，较大的磨屑被组织细胞包绕。从而使组织细胞激活，并分泌大量溶滑性因子，引起骨溶解，导致人工关节松动。而松动的人工关节又加重了磨损，产生更多的磨屑，形成恶性循环，最终使置换关节失效。1.2.2生物金属材料

金属材料虽种类很多，但能在人体生理环境条件下长期安全服役的却不多。经过长期研究和临床筛选而得到广泛应用的金属材料主要有不锈钢、钴基合金、钛及其合金、形状记忆合金和贵金属，此外还有钽、铌、锆和磁性合金等。

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。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。1.2.3生物陶瓷材料

生物陶瓷材料在生物体内极为稳定，与生物组织有良好的亲和性，特别适于作人体硬组织如骨和齿的替换修补材料，能与人体骨生长在一起，形成化学结合。生物陶瓷中耳通气引流管1、磷酸钙陶瓷这种陶瓷的主要性质是具有生物降解性，并能被人体吸收，羟基磷灰石[Ca10(PO4)6(OH)2]是骨组织与牙组织的无机组成部分，它的单位晶胞与人体骨组织相同,但其性脆、强度不高，不能直接用于承受载荷大的种植体。羟基磷灰石具有非常好的生物活性，可用于低载荷多孔种植体，当人骨组织长入羟基磷灰石孔洞中时，可起到加强作用.生物陶瓷人工听小骨假体羟基磷灰石与聚合物复合用于人造骨，效果更好，已羟基磷灰石生物活性陶瓷人工骨羟基磷灰石覆盖钛合金假牙有聚乙烯与它复合的材料。羟基磷灰石作为金属种植体表面涂层，能大大提高人体骨长入孔洞的速度。

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，有效地解决了人工关节易磨损、生物相容性不佳、松动、下沉等问题，提高了其使用寿命。采用羟基磷灰石和聚-DL-乳酸制备成可吸收内固定材料，抗弯强度≥120MPa，植入体内无需二次手术取出，对组织无刺激，能被人体完全吸收，最终代谢为二氧化碳、水、钙和磷矿物质排出体外，部分钙和磷参与成骨，无任何毒副作用。适用于人体松质骨骨折、截骨术和关节融合术的骨块（段）固定。人工听小骨

氧化铝听小骨系统提高听力的能力在音频大于2000Hz时开始出现较大的衰减，而羟基磷灰石听小骨系统一般在4000Hz以上才开始明显的衰减。采用增强含微孔羟基磷灰石(HA)陶瓷制成人工听小骨假体，在语言频率范围，平均提高病人的听力20-30dB，在特定语言频率范围提高45～60dB。HA制备中耳通气引流管，界面润湿角小，毛细管力大，引流效果好，适用于分泌性中耳炎患者。置管后患者鼓膜多自行愈合，且能明显改善听力，是一种较为理想的通气引流管。1.3软组织相容性材料人工皮肤人工皮肤Polymerscanbeusedtocreateartificialskinthatcanfacilitatethehealingofwounds,especiallyforburn-victims.Ahistologicalsectionthroughartificialskin.在胶原蛋白所做成的模皮上植入皮肤細胞，於体外培养后得到皮肤临床应用的人工皮肤人工皮肤人工皮的种类很多，临床效果比较好的是复合层人工皮，其内层为网状聚氨酯海绵，能吸收创面体液并促使渗出的血液凝固，外层是微孔聚丙烯薄膜，能透过气体和水汽，细菌不能进入，这种人工皮来源广、无抗原性，缺点是弹性差。水凝胶类人工皮又称冻胶，是亲水性聚合物或水溶胀性聚合物，其粘附性能较好。例如,氧化乙烯-氧化丙烯的共聚物凝胶可先制成溶液；将溶液涂在创面上于人造皮肤体温下固化为人工皮。这种凝胶含水量达80%，能帮助维持体液平衡，加入消炎药和维生素等药物后还能促进创面愈合。国家“863”高科技计划的丝蛋白人工皮肤研制成功被列入国家“863”高科技计划的丝蛋白人工皮肤，经苏州大学和上海第二医科大学附属瑞金医院科研人员联合攻关研制成功。丝蛋白人工皮肤采用组织工程这一高新科技原理，以天然蚕丝蛋白为主要原料研制而成，通过将种子细胞（表皮细胞）播种在人工真皮上，经体外培养后，“生长”出一种新皮肤。1.4血液相容性材料血液相容性材料人工心脏人工心脏瓣膜1.4.1血液相容性材料血液相容性材料具有微相分离结构和表面接枝亲水性链段或基团，表现出良好的血液相容性。主要包括聚氨酯／聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯／聚甲基丙烯酸羟乙酯、含聚氧乙烯链的聚合物、肝素化材料、尿酶固定化材料、骨胶原材料等。主要应用于人工血管、人工心脏、血浆分离膜、血液灌流用吸附剂、细胞培养基材等。1.4.2人工心脏人工心脏是推动血液循环,完全替代或部分替代人体心脏功能的机械心脏。在人体心脏因疾患而严重衰竭时，植入人工心脏暂时辅助或永久替代人体心脏的功能，推动血液循环。人工心脏人工心脏无线人工心脏植入病人体内的完整人工心脏1957年，威廉·科尔夫制造了第一个人工心脏。植入狗的身体里，一个半小时后狗就死了。罗伯特·亚尔维克在1970年研制出了另一个人工心脏“亚尔维克7”，用玻璃纤维和聚氨酯制成，用压缩空气驱动血液流向全身。亚尔维克将人工心脏在几头小牛身上做了试验，但因为这个人工心脏不能伴随着小牛的生长而生长，大约66天后所有的小牛都死了，这个心脏可以跳动30亿次。

1982年美国犹太大学医学中心Devries首次为6l岁患严重心脏衰竭的克拉克先生成功地进行了人工心脏移植。靠这颗重300g的Jarvik-7型人工心脏，他生活了112天，成为世界医学史上的一个重要的里程碑。借助一个新的心脏，威廉·施罗德活了20个月，是当时植入人工心脏的人中活得最长的一个。

2003.8.30，美国肯塔基州路易斯维尔的犹太医院公布了一张世界上第一个接受全植入式人工心脏移植手术的病人罗伯特·图尔斯的最新照片。人工心脏的关键是血泵，血泵材料的种类和性能决定其使用寿命：无毒、无菌、无热源、不致敏、不致畸变、不致癌、优异的耐曲挠性能、耐疲劳强度和抗血栓性。临床应用以聚氨酯材料为主。但聚氨酯长期植入后血液中钙沉积易引起泵体损伤的问题尚未得到彻底的解决。目前，组织工程正在研究使用仿生材料解决这一问题。1.4.3人工心脏瓣膜

据1992年数据，世界上每年约进行十万例人工心脏瓣膜置换术，需求市场以每年6.9%速度增长。在我国，心脏瓣膜疾病约占心血管疾病患者的30%，据统计我国每年有十万以上危重病人必须施行人工心脏瓣膜置换术以挽救生命。

低温各向同性热解碳（简称热解碳）自七十年代末应用于人工心脏瓣膜以来，一直是国际公认的抗凝血性最好的材料，但是其制作的全热解碳双叶机械瓣的血液相容性仍显不足，不能完全满足临床性能要求。

西南交通大学材料系生物材料研究室进行了Ti-O系人工心脏瓣膜材料的合成及优化，成功研究出了血液相容性显著优于热解碳且具有优异的力学耐久性的新型人工心脏瓣膜材料。可拓展应用于其他人工器官（如：血管内支撑，人工心脏，左心辅助泵等）介入导管表面改性单叶心脏瓣膜表面改性的心脏瓣膜的瓣环没有改性的瓣环（表面形成血栓）人工肾脏:人工肾只是一个人工渗析器，起净化血液作用,并调节压力除去水分。渗析膜材料多用纤维素膜及聚丙烯腈膜、乙烯醇共聚物膜等。要求有良好的抗血栓性。人工肾还不具备人工肾造血、代谢等功能。人工肝脏：目前人工肝还不能实现合成参与维持生命物质及各种代谢功能，只能作到用活性炭除去有毒物质，因此只是一种吸附型血液净化装置。活性炭表面用甲基丙烯酸–2-羟基乙酯或丙烯酸水凝胶高聚物涂覆。也在探讨用合成离子交换树脂作吸附剂的可能性.人工脏器还有许多问题须解决，离实际应用还有很大距离。人工肺工作过程仿真肺的核心为纤维束，使用多孔介质材料来模拟，外部覆盖一层结构材料。通过外部结构运动使气体流入、流出人工肺。1.5生物降解材料生物降解支架

（β-磷酸三钙

）纳米药物载体

（纳米药、纳米磁性颗粒、纳米脂质体）生物降解材料：

是一类在生物机体中，在体液及其酸、核酸作用下，材料不断降解被机体吸收，或排出体外，最终所植入的材料完全被新生组织取代的天然或合成的生物医用材料。包括β-磷酸三钙、硫酸钙生物陶瓷和聚氨基酸、聚酯、甲壳素、骨胶原／明胶等高分子材料。1.5.1生物降解支架

生物可吸收陶瓷材料，植入骨组织后，材料通过体液溶解吸收或被代谢系统排出体外，最终使缺损的部位完全被新生的骨组织所取代，而植入的生物可降解材料只起到临时支架作用。主要构成：β-磷酸三钙和硫酸钙生物陶瓷。β-TCP多孔生物陶瓷在体内的降解主要有两个途径：体液的溶解和细胞(主要是破骨细胞和巨噬细胞)的吞噬和吸收。降解过程：材料在体液作用下，粘结剂发生水解，使材料分离成颗粒、分子或离子。解体形成的小颗粒不断被细胞吞噬、吸收，其代谢产物可参与新骨形成，从而完成了由无生命材料转变为有生命组织的一部分的过程。β-TCP陶瓷的体内降解模型

1.5.2纳米药物载体

简介：在医药领域，纳米级粒子使药物在人体内的传输更为方便，纳米级粒子包裹的智能药物进入人体后，可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织。

例：德国一家医院的研究人员将一些极其细小的氧化铁纳米颗粒，注入患者的肿瘤里，然后将患者置于可变的磁场中，使患者肿瘤里的氧化铁纳米颗粒升温到45-47度，这个温度足以烧毁肿瘤细胞，而周围健康组织不会受到伤害。理想的纳米药物载体应具备以下性质：

a.具有较高的载药量；b.具有较高的包封率；c.有适宜的制备及提纯方法；d.载体材料可生物降解，毒性较低或没有毒性；e.具有适当的粒径与粒形；f.具有较长的体内循环时间。（一）靶向给药口服给药要受到两种首过效应的影响，即胃肠道上皮细胞中