《生物医用药用材料》课件

生物医学材料1医学PPT用于与生命系统接触并发生相互作用，能够对细胞、组织和器官进行诊断治疗、替换修复或诱导再生的天然或人工合成的特殊材料是一类化学性能稳定，具有良好的生物相容性的材料。生物陶瓷材料因具有与生物组织良好的相容性，耐腐蚀，无毒副作用而受到人们的普遍关注，是近年来研究较多且进展较快的领域。主要包括陶瓷、玻璃、碳素等无机非金属材料2医学PPT发展公元前2500年在中国及埃及人的墓穴中已发现有假手、假耳等人工假体，我国隋唐时代就有了补牙用的银膏。金银铂不锈钢纯钛的骨钉、骨板Ti-Ni形状记忆合金3医学PPT目前国外有数以百万计的人靠人工器官维持着生命。仅在美国，每年约有100万人接受人工器官的植入手术。其中，人工心脏瓣膜3.5万人，人工血管18万人；人工髋骨12.5万人；人工膝盖605万人；人工肾5万人。每年以20%—30%的速度递增。1980年世界销售额达200亿美元，1990年增加到500亿美元。4医学PPT现状

生物医学材料：定义：用于诊断、治疗、修复或替换人体组织或器官、或增进其功能的物质。生物医用材料≠药物，但可结合使用。

一般性材料：一般性手术器具、药棉、绷带、纱布等。 生物相容性材料：直接植入体内，或结合生理系统使用的材料及其终端产品。医用金属和合金、医用高分子、生物陶瓷、医用复合材料、天然材料、人造血管、人工心瓣膜、起搏器、人工骨、人工器官、牙科材料、体外循环装置、药物控释系统等。 管理：医疗器械范畴

5医学PPT

生物医学材料：保障人类健康的必需品

2000全球医疗保健费用≈US$20,000亿医疗器械费用≈10％药物市场:医疗器械市场＝1:1.9生物相容性材料及终端产品占医疗器械市场：≈27％（2002）6医学PPT挽救了千万计危重病人的生命，提高了生命质量。

挽救危重病人的生命

美国：28种材料及植入体耗量≈3829万件（2000）心脏起搏器植入量≈864,527例（1997-2001）心脏病死亡率降低≈60％每100,000人：1950－586.8人/年；2001－247.8人/年乳腺癌死亡率（每10万人）1990：33.3人/年；2000：27.1人/年7医学PPT挽救了千万计危重病人的生命，提高了生命质量。

提高了生命质量

美国人工髋，膝关节植入量：440万例（1999-2001）2003：>1,000,000套眼内镜植入：775万人（1999-2001）全球：>1000万人残疾人数量增长65岁以上人口：2690万（1982）；3530万（2001）按82年的增长率：640万↗950万（2001）实际增长：710万（2001）整形、美容大量应用8医学PPT挽救了千万计危重病人的生命，提高了生命质量。

对医疗保健系统革新的引导作用

促进临床诊断技术的革新－疾病早日发现。基因芯片、造影剂及影像技术...促进介入和微创治疗技术的形成和发展血管支架、介入导管、药控系统...导致给药方式革命性变革－药物，生物活性物质靶向控释系统疾病有效治疗、节约给药量、难治愈疾病治疗降低住院率及诊治费用家用诊断及治疗器械和技术，临床诊断技术。美国：手术住院率：83.7％（1980）↘37％（2001）手术住院时间：7.3天（1980）↘4.9天（2001）9医学PPT医疗器械（生物医学工程）产业的基础

生物医学材料及终端产品≈40-50％医疗器械产品市场图1生物医学材料及终端产品市场（U.S.DepartmentofCommerce）

一个高技术生物医学材料和制品产业已经形成，正在成长为世界经济的一个支柱性产业。10医学PPT全球医疗器械市场2004：>US$2100亿。年增长率：2004－2010≈7％，亚洲≈15％（除日本）。图2国际医疗器械市场及增长情况*按2000-2004年医疗器械市场增长率9%估算**AdvaMed,2004

一个高技术生物医学材料和制品产业已经形成，正在成长为世界经济的一个支柱性产业。US$(亿）11医学PPT

生物相容性材料及终端产品市场2000：US$230亿；2002：US$500亿，增长率：>60％矫形外科骨、软骨、肌腱/韧带心血管系统皮肤其它市场（US$10亿）18.5≈14≈10.95≈6.55市场份额（%）37≈28≈21.9≈13.1年增长率（%）13≈14≈42≈250表1、主要生物相容性产品市场分布一个高技术生物医学材料和制品产业已经形成，正在成长为世界经济的一个支柱性产业。12医学PPT

一个高技术生物医学材料和制品产业已经形成，正在成长为世界经济的一个支柱性产业。

主要产品市场分布---

矫形外科材料市场图3矫形外科材料市场分布13医学PPT

一个高技术生物医学材料和制品产业已经形成，正在成长为世界经济的一个支柱性产业。

主要产品市场分布

几类主要心血管器械的世界市场分布（右表）产品销售额（US$100万）心脏起搏器及附件$2,874冠脉支架2,300血管成形器械2,000植入式去纤颤器1,900心脏瓣膜832外周血管支架590其它433血管封接器械255诊断用电生理导管231血管内支架200摘除导管155动脉清淤导管130近距治疗系统115心室辅助设备114栓塞保护系统70合计$12,19914医学PPT

一个高技术生物医学材料和制品产业已经形成，正在成长为世界经济的一个支柱性产业。正在成长为世界经济的一个支柱性产业全球汽车市场：2003：≈4000－5000万辆≈US$6000-7500万（US$1.5万/辆（欧洲））年增长率:≈0%15医学PPT对国防事业的发展发挥重大作用战伤治疗“21世纪美国陆军战略技术报告”：

(上世纪90年代)生物技术是“未来30年增强战斗力最有希望的技术”包括：生物医学工程技术－生物医学材料16医学PPT

生物陶瓷的国内外研究现状组成报道时间商品名HA（致密）HA（多孔）1971年1973年

45S5玻璃1972年Bioglass微晶化G+AG+A+PG+A+W1973年1982年1982年CeravitalBioverit涂层金属基体+Al2O3涂层金属基体+HA涂层1976年1980年

金属纤维+生物活性玻璃HA+PE1982年1985年

注：G—生物活性玻璃HA—羟基磷灰石P—金云母W—硅灰石PE—聚乙烯A—磷灰石

生物陶瓷复合材料研究进展概况17医学PPT

生物陶瓷生物材料的国内外研究现状1.2.1惰性生物陶瓷

1.2.2

活性生物陶瓷

1.2.3

功能活性生物陶瓷

惰性生物陶瓷是指一类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。主要包括氧化铝、氧化锆等陶瓷以及医用碳素材料。这类材料的发展期在上世纪70年代以前。它们结构都比较稳定，分子中的键力较强，而且都具有较高的强度、耐磨性及化学稳定性。现在它们在临床上得到了广泛的应用[5-7]。

活性生物陶瓷是一类在生理环境中可通过其表面发生的生物化学反应与生体组织形成化学键性结合的材料。其发展始于1969年Hench等人首次发现Na2-CaO-SiO2-P2O5系统中的玻璃45S5具有生物活性。目前主要包括羟基磷灰石、磷酸三钙、石膏等可降解吸收陶瓷。它们在生理环境中可被逐渐的降解吸收，并随之为新生组织替代，从而达到修复或替换被损坏组织的目的。

（1）模拟人体硬组织成分和结构的生物陶瓷材料

（2）带有治疗功能的生物陶瓷复合材料

随着生物陶瓷材料研究的深入和越来越多医学问题的出现，对生物陶瓷材料提出了更高的要求。原先的生物陶瓷材料无论是生物惰性的还是生物活性的，强调的是材料在生物体内的组织力学环境和生化环境的适应性，而现在组织电学适应性和能参与生物体物质、能量交换的功能已成为生物材料应具备的条件。因此，又提出了功能活性生物材料的概念[2]。

该类材料是将天然有机物（如骨胶原、纤维蛋白以及骨形成因子等）和无机生物材料复合，以改善材料的力学性能和手术的可操作性，并能发挥天然有机物的促进人体硬组织生长的特性。

主要是指利用骨的压电效应能刺激骨折愈合的特点，人们试图利用压电陶瓷与生物活性陶瓷复合，在进行骨置换的同时，利用生物体自身运动对置换体产生的压电效应来刺激骨损伤部位的早期硬组织生长。另外，将铁氧体与生物活性陶瓷复合，填充在因骨肿瘤而产生的骨缺损部位，利用外加交变磁场，充填物因磁滞损耗而产生局部发热，杀死癌细胞，又不影响周围正常组织，也是研究方向之一。现在，功能活性生物陶瓷的研究还处于探索阶段，临床应用鲜有报道，但其发展应用前景是很光明的。

18医学PPT目前在生物陶瓷领域的研究集中在如下几个方向（1）利用生物技术，一些活体组织、细胞和诱导组织再生的生长因子被引入了生物医学材料，大大改善了其生物学性能，并可使其具有药物治疗功能，已成为生物医学材料的一个十分重要的发展方向。（2）无机有机复合是当前研究热点之一（3）材料的多元复合是发展的重要方向（4）具有特异性能的生物活性材料；（5）力学相容性好又有促进组织生长功能的材料；（6）具有人体组织结构的复合材料19医学PPTHAP系生物材料的研究现状

（1）HAP的粉体制备工艺

（2）羟基磷灰石的成型与烧结工艺

（3）HAP系复合材料目前已达到的性能

（4）HAP系复合材料的应用

HAP的粉体制备方法主要包括：固相反应法、化学沉淀法、水热合成法、溶胶—凝胶法、醇化合物法等几种。

Ca10(PO4)6(OH)220医学PPT1.2.4HAP系生物材料的研究现状

1.2生物材料的国内外研究现状（1）HAP的粉体制备工艺

（2）羟基磷灰石的成型与烧结工艺

（3）HAP系复合材料目前已达到的性能

（4）HAP系复合材料的应用

（A）成型工艺常用的成型工艺主要有：注浆成型、压制成型、等静压成型和凝胶浇注成型等。（B）烧结工艺HA生物陶瓷的烧结方式主要有：无压烧结、热压烧结、等静压烧结和微波烧结等。

21医学PPTHAP系生物材料的研究现状

（1）HAP的粉体制备工艺

（2）羟基磷灰石的成型与烧结工艺

（3）HAP系复合材料目前已达到的性能

（4）HAP系复合材料的应用

（A）一般报道的整体HAP的弹性模量在41～121GPa之间，人体骨的弹性模量在30～50GPa之间。（B）一般报道的整体HAP的弯曲强度在30～177MPa之间，人体致密骨的弯曲强度在170MPa左右。（C）一般报道的整体HAP的断裂韧性在0.7MPa·m1/2左右，人体骨的断裂韧性在2-10MPa·m1/2之间。

22医学PPT1.2.4HAP系生物材料的研究现状

（1）HAP的粉体制备工艺

（2）羟基磷灰石的成型与烧结工艺

（3）HAP系复合材料目前已达到的性能

（4）HAP系复合材料的应用

HAP基复合材料主要应用在颌面骨、牙槽脊、听小骨等非承重材料以及一些骨缺损的修复等方面，而在承重材料方面尚没有应用。具体应用在以下几个方面：（1）人工听小骨（2）HA生物陶瓷中耳通气引流管（3）HA微晶粉对癌细胞的抑制作用

（4）填充用HA颗粒

（5）HA颌骨、鼻梁、假眼球及其他人工骨

23医学PPT生物医用药用功能材料的特征与评价生物医用药用功能材料的基本性能要求1、化学性能稳定，对人体的血液体液等无影响，不形成血栓等不良现象。2、材料与人体组织的相容性好，不会引起炎症或其他排异反应。3、无致癌性，耐生物老化，长期放置体内的材料其物理机械性能不发生明显变化。4、不因高温蒸煮、干燥灭菌、药液等消毒措施而发生质变。其他要求24医学PPT医用材料的生物相容性生物活体本身不发生过敏、致癌、致畸形以及局部组织反应、全身毒性反应和适应性反应等。材料反应通常包括生理腐蚀、吸收、降解与失效等。25医学PPT生物降解吸收材料外科手术缝合线骨顶骨板（骨固定材料）人造皮肤药物释放体系26医学PPT医用功能材料的分类与应用医用金属材料医用陶瓷医用复合材料医用高分子材料27医学PPT医用金属材料对医用金属材料性能的要求（1）力学性能（2）腐蚀性能：腐蚀速率低于0.25微米/年常用材料：（1）不锈钢（2）钴铬钼合金（3）钛及合金磁性材料28医学PPT医用陶瓷惰性陶瓷活性陶瓷可被吸收的陶瓷如磷酸三钙29医学PPT医用陶瓷的应用能承受负载的矫形材料，用于骨科、牙科的有：氧化铝陶瓷，稳定氧化锆陶瓷，具有生物活性表面涂层（生物活性玻璃、生物微晶玻璃）的响应材料。人工心脏瓣膜：热解碳涂层（抗凝血，摩擦系数小）骨的填充材料：磷酸钙种植齿：氧化铝陶瓷，HAP陶瓷，生物活性玻璃，活性涂层材料30医学PPT耳鼻喉科：氧化铝陶瓷，HAP陶瓷，生物活性玻璃及生物活性微晶玻璃，磷酸盐陶瓷。可供组织长入的图层：多孔氧化铝陶瓷眼科：生物玻璃，多孔羟基磷灰石脊椎外科：生物活性玻璃，HAP陶瓷31医学PPT惰性陶瓷氧化铝陶瓷碳材32医学PPT活性陶瓷羟基磷灰石（HAP）33医学PPT可吸收陶瓷石膏β-三磷酸钙34医学PPT可治疗癌症的陶瓷LiFe3O5、α-Fe2O3与Al2O3-SiO2-P2O5玻璃体复合物35医学PPT医用复合材料医用高分子材料36医学PPT现状—问题和挑战问题

免疫性：硅凝胶乳房假体。硅酮

寿命：人工关节：中青年组：3-5年；老年组：≈12年。

异体反应：感染，植入失效。

生物功能：不能诱导组织重建或再生，恢复和增进生理功能。37医学PPT现状—问题和挑战

问题核心：材料和植入体以异物存在于体内。自身理化性能（抗疲劳性等）不能满足长寿命要求表面/界面非特异性蛋白吸附

—感染—包囊形成—异体反应不具生物功能。38医学PPT现状—问题和挑战当代医学对组织和器官的修复

形态和力学功能的恢复重建或再生有生命的组织或器官；大范围的创伤微创治疗；群体性通用材料和器械个性化治疗；

传统的生物医学材料时代正在过去。干细胞、克隆技术的发展

生物医学材料？？？挑战39医学PPT发展趋势—科学与工程方向和前沿——常规材料技术更新和产品发展的方向诱导组织或器官再生恢复和增进生理功能损坏组织或器官永久康复

生物结构:可容纳细胞、细胞产物、细胞外基质的生物或仿生结构生物功能:诱导组织或器官再生；自我修复或完善；相应的生物力学性能等；调节免疫内分泌等系统及基因等功能。基础:在分子水平上对材料和宿主间相互作用认识的深化,按预期的目标精确地控制材料和宿主间的生物学反应。

生物材料科学与工程已面临实现重大突破的边缘

—设计和制造有生命的人体“部件”整个人体器官。

赋予材料生物结构和生物功能充分利用人体自我重复能力40医学PPT研究途径——材料科学与生物学紧密结合

生物分子材料:肽、蛋白、生长因子等生物分子的基因、酶工程及化学模拟合成生物结构的仿生装配:自装配；快速成型等；生物技术的应用:组织工程；干细胞技术等。重点领域组织工程——人体结构“部件”的重建和再生药物、生物活性物质的靶向控释——难治愈疾病的治疗；组织重建或再生。关键：细胞，药物、生物活性物质靶向传送和控释载体的设计和制备，包括装载特定生物信号的载体。41医学PPT研究热点：表面/界面及表面改性植入材料的生物学反应常规材料（大多数）——非特异性吸附影响蛋白吸附的主要因素：表面化学（结构构型、生物力学性质等）;对蛋白和细胞的分子识别和选择性吸附/粘附功能表面蛋白质吸附特异性吸附非特异性吸附原位和褪变蛋白特异性蛋白特异性细胞吸附各种细胞吸附单核、白细胞、血小板特异性细胞素释放及特定组织的细胞分化细胞素释放感染、巨噬细胞特定组织形成纤维包裹形成并发症特异性蛋白42医学PPT研究热点----表面/界面及表面改性材料表面组成构型、结构（纳米级微机构）、生物力学性质等与蛋白、生物分子和细胞相互作用、分子识别、选择性吸附/粘附的关系和规律。表面改性—生物稳定、不吸附/粘附蛋白和细胞的表面设计。例：聚乙二醇，聚环氧乙烷－壳类粘连蛋白的共聚物；钛合金表面能带结构改性。43医学PPT研究热点----表面/界面及表面改性表面改性——偶联生物分子（肽，蛋白，生长因子等）细胞粘附：被吸附的蛋白质——细胞膜内integrin及其它受体例：偶联寡肽——骨髓基质干细胞粘附钛合金表面能带结构改性——保持凝血系统核心蛋白构象——微结构设计及构建多孔结构——阻止纤维包裹的形成。类骨磷灰石层——对骨相关蛋白和细胞吸附/粘附表面改性——近期发展新一代生物材料的主要途径。44医学PPT研究热点----可生物降解高分子——水凝胶及生理环境响应高分子水凝胶——水介质中难溶但可溶涨的高分子网状物特点：近于自然组织的高水合状态和环境；性质可控；可含天然高分子；降解性可控；用途：细胞（胰岛、平滑肌、软骨、成骨细胞等）包囊。生长因子及原位基因控制载体。组织工程支架，药物控释载体。生理环境（pH，T，葡萄糖浓度等）响应智能高分子主要进展：水凝胶——溶涨性随生理环境变化。主要用途：药物控释例：药物仅存pH是中性环境中释放；双亲高分子构型变化控制蛋白和细胞释放。

45医学PPT研究热点----组织诱导生物材料——可诱导多能间充质细胞直接分化为特定组织细胞形成组织的材料—模拟自然组织形成过程多能干细胞前体细胞成组织细胞组织细胞组织外基质组织形成组织重建组织成熟生物信号分子微环境调控组织形成过程示意图46医学PPT研究热点----组织诱导生物材料材料诱导组织形成过程示意图主要进展——骨诱导生物材料；材料诱导软骨形成。支架材料纤维结缔组织长入（干细胞）蛋白特异性吸附或外加生长因子前体细胞成组织细胞组织成熟微环境调制47医学PPT研究热点——纳米生物医学材料纳米颗粒增强可降解高分子复合材料优点：优良的生物活性和可降解性优良的生物力学相容性高的力学强度用途：致密型：内固定器等多孔型：支架材料

纳米涂层材料组织修复，显影剂等48医学PPT研究热点——纳米生物医学材料：药物、生物活性物质纳米传送和控释系统

颗粒，人造细胞，疫苗等传送及控释系统纳米—生物分子复合表面/界面风险性评价49医学PPT研究热点----自装配——蛋白和脂类分子自识别特性形成有序结构——模拟天然组织结构的形成用途：药物和生物活性物质控释；支架材料，纳米生物医学技术。进展（例）：纳米尺度的裹、泡、壳——人造细胞等宏观尺度的水凝胶——细胞，药物载体三维结构组装（＋生长因子）——支架材料通过自装配有机分子模板装配骨50医学PPT研究热点----微制造技术的应用例：光刻技术刻制表面微/纳米图案——基因芯片（临床诊断），药物控释。——纳米尺度（单细胞）微观过程分析。组织工程支架的快速成型。研究热点----分子影象及显影剂——提供解剖学信息，动态生理病理信息。进展例：多糖包裹铁氧化物的核磁共振影象剂；充入空气的白蛋白微壳——超声影象显影剂51医学PPT研究热点----生物相容性及试验评价的新方法和模型。分子相容性及评价生物相容性的分子标记探索；跟踪材料体内、外生物学反应的新方法。

通过体外或短期体内试验可靠地评价和预测材料长期生物安全性和寿命的方法和模型，包括动物和临床试验模型。52医学PPT应用生物学原理设计和改进材料涂层及表面改性材料及制品

生物活性涂层：磷酸钙涂层；生物矿化Ca-P薄涂层。

抗凝血改性：医用高分子表面修饰；钛合金表面抗凝血改性；材料表面诱生生物膜。生物技术的应用骨生长因子用于矫形外科材料和植入器械。矫形外科材料市场：2003：US$185亿2008：US$340亿骨生长因子：？个百分点25-30%载药血管支架骨生长因子53医学PPT可生物降解高分子及药物控释载体和系统基因治疗产品上市：2010年新增产值

US$200亿。新一代临床诊断材料——基因芯片等老年诊断及治疗装置日本：2001：US$86亿；2008：US$440亿。常规材料生物稳定性的提高和性能改善非晶态合金等组织工程化制品54医学PPT展望

克隆技术：技术问题，伦理道德和政治问题

干细胞技术：技术问题

药物、细胞载体：组织工程,干细胞技术,药物控释

生物医学材料的需求将贯穿于整个21世纪与生物学和生物技术结合实现生物医学材料的重大突破55医学PPT生物医学材料—中国产业----医疗器械：

市场：<3%世界市场；年耗：US$7/人年；美国>US$300/人年医疗器械:药品=1:5图8、国内医疗器械市场及增长情况表（按年增长率20%估算）

亿元年增长率20~28%56医学PPT产业----医疗器械：

产业增长亿元年增长率15~18%57医学PPT产业----生物医用材料

注册企业（2003）医疗器械：9000三类医疗器械：1548=18%医疗器械

注册产品数：医疗器械：28043进口：6510三类医疗器械：3531=12.6%医疗器械

技术结构：低中档，高端产品>90%进口58医学PPT远不能满足13亿人口日益增长的需求民族产业的生存面临严峻挑战发展生物医学材料----社会，经济，国防事业发展的迫切需求59医学PPT生物医学材料科学开始步入国际先进水平*中国大陆地区**四位为副主席

会次时间出席国家和地区数论文数注册代表口头报告主持分会数邀请报告总计中国总计中国第三次（京都）198829871≈1012005

11第四次（柏林）19923271425107112

第五次（多伦多）199634115029>1300143

*第六次（夏威夷）2000～381600612000～6062+4**2*第七次（悉尼）2004391900130>2000≈130334460医学PPT生物医学材料科学开始步入国际先进水平第七次世界生物材料大会论文投递及接收状态统计（主要国家和地区）论文及状态小计中国大陆香港台湾美国日本英国澳大利亚韩国加拿大大会报告3000101100邀请报告544002226512口头报告70433482216067411236墙报115297213823815688688542总计19001302546482218162115988061医学PPT生物医学材料科学主要优势领域

组织诱导生物材料药物和蛋