生物材料及其分類

1、生物材料及其分類生物材料及其分類生物材料的定義生物材料的定義l廣義的生物材料可以理解為一切與生物體相關(guān)的應(yīng)用性材料，包括應(yīng)用于生物體上的和生物體合成的各種材料。按其生物材料來源可分為天然生物材料、人工生物材料、半天然生物材料、特殊復(fù)合生物材料等。l人工生物材料包括生物金屬材料、生物陶瓷材料和化學(xué)合成的高分子聚合材料，非人工合成的、產(chǎn)生于生物體的材料，大部分是生物高分子材料，可以被生物降解。根據(jù)用途主要分為根據(jù)用途主要分為: :* *承受或傳遞負載功能。如人造骨骼、承受或傳遞負載功能。如人造骨骼、關(guān)節(jié)和牙等，占主導(dǎo)地位關(guān)節(jié)和牙等，占主導(dǎo)地位* *控制血液或體液流動功能。如人工控制血液或體液流動功

2、能。如人工瓣膜、血管等瓣膜、血管等* *電、光、聲傳導(dǎo)功能。如心臟起博電、光、聲傳導(dǎo)功能。如心臟起博器、人工晶狀體、耳蝸等器、人工晶狀體、耳蝸等* *填充功能。如整容手術(shù)用填充體等填充功能。如整容手術(shù)用填充體等 根據(jù)生物材料的降解性，可分為：根據(jù)生物材料的降解性，可分為：全生物降全生物降解高分子材料，如聚羥基丁酸酯（解高分子材料，如聚羥基丁酸酯（PHB)、聚環(huán)、聚環(huán)己內(nèi)酯（己內(nèi)酯（PCL)、蛋白質(zhì)、微生物多糖等。、蛋白質(zhì)、微生物多糖等。生物破壞高分子材料，如添加淀粉的聚苯乙生物破壞高分子材料，如添加淀粉的聚苯乙烯、聚乙烯等。烯、聚乙烯等。不可降解的生物無機材料，如具有生物親和不可降解的生物無機

3、材料，如具有生物親和作用的生物金屬材料和生物陶瓷材料，具有生作用的生物金屬材料和生物陶瓷材料，具有生物惰性陶瓷、生物活性陶瓷，生物活性陶瓷在物惰性陶瓷、生物活性陶瓷，生物活性陶瓷在生物體內(nèi)基本不被吸收，但能促進種植生物體生物體內(nèi)基本不被吸收，但能促進種植生物體周圍新骨生成，并與骨組織形成牢固的化學(xué)鍵。周圍新骨生成，并與骨組織形成牢固的化學(xué)鍵。按其應(yīng)用可分為生物醫(yī)學(xué)材料，生物包裝材料按其應(yīng)用可分為生物醫(yī)學(xué)材料，生物包裝材料和其他生物應(yīng)用材料。和其他生物應(yīng)用材料。l生物醫(yī)學(xué)材料指的是一類具有特殊性能、生物醫(yī)學(xué)材料指的是一類具有特殊性能、特種功能，用于人工器官、外科修復(fù)、理特種功能，用于人工器官、外

4、科修復(fù)、理 療療康復(fù)、診斷、治療疾患，而對人體組織不會產(chǎn)康復(fù)、診斷、治療疾患，而對人體組織不會產(chǎn)生不良影響的材料?，F(xiàn)在各種合成材料和天然生不良影響的材料?，F(xiàn)在各種合成材料和天然高分子材料、金屬和合金材料、陶瓷和碳素材高分子材料、金屬和合金材料、陶瓷和碳素材料以及各種復(fù)合材料，其制成產(chǎn)品已經(jīng)被廣泛料以及各種復(fù)合材料，其制成產(chǎn)品已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于臨床和科研。地應(yīng)用于臨床和科研。 l根據(jù)材料的用途，這些材料又可以分為生物惰性根據(jù)材料的用途，這些材料又可以分為生物惰性（bioinert）、生物活性（）、生物活性（bioactive）或生物降解）或生物降解（biodegradable）材料。這些材料通過

5、長期植入、）材料。這些材料通過長期植入、短期植入、表面修復(fù)分別用于硬組織和軟組織修復(fù)短期植入、表面修復(fù)分別用于硬組織和軟組織修復(fù)與替換。生物醫(yī)用材料由于直接用于人體或與人體與替換。生物醫(yī)用材料由于直接用于人體或與人體健康密切相關(guān)，對其使用有嚴格要求。首先，生物健康密切相關(guān)，對其使用有嚴格要求。首先，生物醫(yī)用材料應(yīng)具有良好的血液相容性和組織相容性。醫(yī)用材料應(yīng)具有良好的血液相容性和組織相容性。其次，要求耐生物老化。即對長期植入的材料，其其次，要求耐生物老化。即對長期植入的材料，其生物穩(wěn)定性要好；對于暫時植入的材料，耍求在確生物穩(wěn)定性要好；對于暫時植入的材料，耍求在確定時間內(nèi)降解為可被人體吸收或代謝

6、的無毒單體或定時間內(nèi)降解為可被人體吸收或代謝的無毒單體或片斷。還要求物理和力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、易于加工成型、片斷。還要求物理和力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、易于加工成型、價格適當。便于消毒滅茵、無毒無熱源、不致癌不價格適當。便于消毒滅茵、無毒無熱源、不致癌不致畸也是必須考慮的。對于不同用途的材料，其要致畸也是必須考慮的。對于不同用途的材料，其要求各有側(cè)重。求各有側(cè)重。 用作人工骨骼的用作人工骨骼的鈦或鈦合金生物鈦或鈦合金生物醫(yī)學(xué)材料醫(yī)學(xué)材料l生物聚合物根據(jù)來源和加工方法分為不同的種類，生物聚合物根據(jù)來源和加工方法分為不同的種類，第一類就是直接從天然材料中提取的包裝材料；第第一類就是直接從天然材料中提取的包裝材料；第

7、二類是以可再生的生物化學(xué)單體合成的材料；第三二類是以可再生的生物化學(xué)單體合成的材料；第三類是以微生物或轉(zhuǎn)基因細菌生產(chǎn)的包裝材料。類是以微生物或轉(zhuǎn)基因細菌生產(chǎn)的包裝材料。 l天然可生物降解的包裝材料一般包含以土豆、天然可生物降解的包裝材料一般包含以土豆、玉米、小麥、糠麩、大米等的淀粉和纖維素制成的玉米、小麥、糠麩、大米等的淀粉和纖維素制成的多聚糖和乳清、酪蛋白、麥麩、大豆、膠原質(zhì)等蛋多聚糖和乳清、酪蛋白、麥麩、大豆、膠原質(zhì)等蛋白質(zhì)，甚至可以使用食品工業(yè)的殘渣。白質(zhì)，甚至可以使用食品工業(yè)的殘渣。 l這個市場廣泛采用淀粉為原料是因為其價格便這個市場廣泛采用淀粉為原料是因為其價格便宜，而且，但淀粉被制

8、成熱塑性塑料后，其二氧化宜，而且，但淀粉被制成熱塑性塑料后，其二氧化碳和氧氣隔絕性能優(yōu)異，而且加工性良好。碳和氧氣隔絕性能優(yōu)異，而且加工性良好。l更好的防水性能更好的防水性能 l以淀粉為原料的主要問題是其容易吸水。為了達到更以淀粉為原料的主要問題是其容易吸水。為了達到更好的防水效果，需要與其它天然或是合成的可降解聚合物好的防水效果，需要與其它天然或是合成的可降解聚合物混合，或者添加不同來源的添加劑?；旌?，或者添加不同來源的添加劑。 l通過改性和添加劑的作用，這些混合物質(zhì)具有更高或通過改性和添加劑的作用，這些混合物質(zhì)具有更高或是更低的水汽敏感度和氣密性。熱塑性淀粉含有是更低的水汽敏感度和氣密性。

9、熱塑性淀粉含有70%-90%的淀粉，但是其中的淀粉，但是其中40%-60%的淀粉卻是許多混合物，添加的淀粉卻是許多混合物，添加劑的使用提高了原料的成本。因而，這方面的研究主要是劑的使用提高了原料的成本。因而，這方面的研究主要是減少添加劑的用量，例如使用新的納米組分而不是淀粉或減少添加劑的用量，例如使用新的納米組分而不是淀粉或是改性粘土顆粒。是改性粘土顆粒。 l例如紙張或是卡紙等未經(jīng)改性的纖維素材料具有較差例如紙張或是卡紙等未經(jīng)改性的纖維素材料具有較差的氣密性和防潮性能，因而除非是干貨，一般很少用來作的氣密性和防潮性能，因而除非是干貨，一般很少用來作為外包裝材料。改性的纖維素和纖維素衍生物材料，

10、主要為外包裝材料。改性的纖維素和纖維素衍生物材料，主要是聚碳酸酯等聚合物用于這一方面還是有些昂貴是聚碳酸酯等聚合物用于這一方面還是有些昂貴世界上第一把世界上第一把100%可降解傘，使用特可降解傘，使用特殊的生物降解材料殊的生物降解材料制成制成l產(chǎn)品多樣產(chǎn)品多樣 l聚乳酸聚乳酸(PLA)是人工合成的可生物降解包裝材料的范例。是人工合成的可生物降解包裝材料的范例。PLA由乳酸單體聚合而成，在不同的食品包裝領(lǐng)域提供不同的由乳酸單體聚合而成，在不同的食品包裝領(lǐng)域提供不同的性能。性能。 lPLA可以制成結(jié)晶或是透明的形態(tài)，可以吹膜、注塑以及可以制成結(jié)晶或是透明的形態(tài)，可以吹膜、注塑以及涂層，既可以單獨使

11、用也可以與其它天然原料制成的聚合物混涂層，既可以單獨使用也可以與其它天然原料制成的聚合物混合使用。例如，合使用。例如，PLA經(jīng)常與淀粉混合以提高降解性能、降低成經(jīng)常與淀粉混合以提高降解性能、降低成本。本。 l第三類的可生物降解包裝材料用微生物制成，包括多羥基第三類的可生物降解包裝材料用微生物制成，包括多羥基鏈烷酸酯鏈烷酸酯(PHAs)，而聚羥基丁酸酯，而聚羥基丁酸酯(PHB)最為普遍。最為普遍。PHAs目前目前的價格仍比較高，但是從技術(shù)角度來看，用途會非常廣泛，吹的價格仍比較高，但是從技術(shù)角度來看，用途會非常廣泛，吹塑、注塑、拉膜、涂層都可以。也可以與熱塑性淀粉等可生物塑、注塑、拉膜、涂層都可

12、以。也可以與熱塑性淀粉等可生物降解材料混合。降解材料混合。PHAs用于食品包裝有個有趣的特性那就是水汽用于食品包裝有個有趣的特性那就是水汽透過率非常低，與低密度聚乙烯接近。透過率非常低，與低密度聚乙烯接近。聚乳酸聚乳酸100% 生物可生物可分解聚乳酸（分解聚乳酸（PLA）是一種可生物降解的是一種可生物降解的新型高分子材料，以新型高分子材料，以玉米為玉米為原料原料l玉米是一種美味又有營養(yǎng)的淀粉食物，還被廣泛用于制造甜味玉米是一種美味又有營養(yǎng)的淀粉食物，還被廣泛用于制造甜味劑和動物飼料。隨著技術(shù)的進步，將玉米中的糖分提煉出來，劑和動物飼料。隨著技術(shù)的進步，將玉米中的糖分提煉出來，經(jīng)過發(fā)酵、蒸餾、萃

13、取，得到制造塑料和纖維的基礎(chǔ)材料，基經(jīng)過發(fā)酵、蒸餾、萃取，得到制造塑料和纖維的基礎(chǔ)材料，基礎(chǔ)材料再被加工成直徑只有礎(chǔ)材料再被加工成直徑只有457mm的聚交酯的聚交酯(PLa)細微顆料。細微顆料。最后，這些小顆料被制成包裝袋、泡沫塑料或餐具。國外公司最后，這些小顆料被制成包裝袋、泡沫塑料或餐具。國外公司已看好這種新的環(huán)保材料，如可口可樂公司在鹽湖城冬奧會上已看好這種新的環(huán)保材料，如可口可樂公司在鹽湖城冬奧會上用了用了50萬只一次性杯子，全部是用玉米塑料制成的，這種杯子萬只一次性杯子，全部是用玉米塑料制成的，這種杯子只需只需40天就在露天環(huán)境下消失得無影無蹤。天就在露天環(huán)境下消失得無影無蹤。l美國

14、一家研究所利用土豆和乳清制成了一種能生物降解的塑料美國一家研究所利用土豆和乳清制成了一種能生物降解的塑料薄膜。其制法是：先用酶將制酪時形成的乳清和廢棄的土豆轉(zhuǎn)薄膜。其制法是：先用酶將制酪時形成的乳清和廢棄的土豆轉(zhuǎn)化為葡萄糖漿，然后用細菌發(fā)酵成含乳酸的液體。液體中的乳化為葡萄糖漿，然后用細菌發(fā)酵成含乳酸的液體。液體中的乳酪經(jīng)電滲析分離出來后，加熱使水分蒸發(fā)，留下的便是可以制酪經(jīng)電滲析分離出來后，加熱使水分蒸發(fā)，留下的便是可以制薄膜和涂層的聚乳酸分子。這樣制成的塑料薄膜可以制成保鮮薄膜和涂層的聚乳酸分子。這樣制成的塑料薄膜可以制成保鮮袋和代替涂有聚乙烯和防水蠟的包裝材料，最大優(yōu)點是可以分袋和代替涂

15、有聚乙烯和防水蠟的包裝材料，最大優(yōu)點是可以分解為對環(huán)境無害的乳酸。解為對環(huán)境無害的乳酸。l天然甲殼素也是一種非常好的原料。由于原料來自天然甲殼素也是一種非常好的原料。由于原料來自天然，無毒、無味、耐熱，而且有良好的吸濕性、天然，無毒、無味、耐熱，而且有良好的吸濕性、紡絲性和成膜性，抑菌除臭。能滿足食品、衛(wèi)生、紡絲性和成膜性，抑菌除臭。能滿足食品、衛(wèi)生、醫(yī)藥等行業(yè)對包裝材料的衛(wèi)生要求。所以用甲殼素醫(yī)藥等行業(yè)對包裝材料的衛(wèi)生要求。所以用甲殼素加工制備的包裝材料，有良好的透氣性能，吸水保加工制備的包裝材料，有良好的透氣性能，吸水保濕性也好。該材料還具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性、耐光濕性也好。該材料還具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性、耐光性、耐藥品性、耐油脂性、耐有機溶液性、耐寒性性、