第6章生物材料與仿生材料

1、6.1 6.1 生物醫(yī)用（復(fù)合）材料生物醫(yī)用（復(fù)合）材料 6.2 6.2 組織工程材料組織工程材料6.3 6.3 生物陶瓷生物陶瓷6.4 6.4 仿生復(fù)合材料仿生復(fù)合材料JJJJ本章主要內(nèi)容6.1 6.1 生物醫(yī)用（復(fù)合）材料生物醫(yī)用（復(fù)合）材料 6.1 .1 6.1 .1 生物材料的定義與分類生物材料的定義與分類6.1.2 6.1.2 生物醫(yī)用材料的性能與分類生物醫(yī)用材料的性能與分類6.1.3 6.1.3 醫(yī)用金屬材料醫(yī)用金屬材料 6.1.4 6.1.4 醫(yī)用高分子材料醫(yī)用高分子材料6.1.5 6.1.5 無機(jī)生物醫(yī)學(xué)材料無機(jī)生物醫(yī)學(xué)材料JJJJJ6.1 .1 6.1 .1 生物材料的定義與

2、分類生物材料的定義與分類 生物材料生物材料（Biomaterials）泛指一切與生物體相關(guān)的應(yīng)用性材料或由生物體合成的材料。 按其應(yīng)用可分為生物醫(yī)用材料生物醫(yī)用材料（Biomedical Materials）和與生物合成有關(guān)的應(yīng)用材料生物合成有關(guān)的應(yīng)用材料。而按生物材料來源可分為天然生物材料天然生物材料和人工生物材人工生物材料料；與此同時(shí)材料學(xué)的發(fā)展使有些材料兼具天然和人工合成的特性。 狹義的生物材料生物材料指的是能夠用來制作各種人工器官和制造與人體生理環(huán)境相接觸的醫(yī)療用具和制品的材料，即生物醫(yī)用材料生物醫(yī)用材料。 生物材料生物材料包括三部分，即生物醫(yī)用材料生物醫(yī)用材料，仿生材料仿生材料和生物

3、模擬生物模擬。生物醫(yī)用材料：生物醫(yī)用材料：最重要的是材料與人體相容性和材料本身的性能，通過組織工程、生長(zhǎng)因子、DNA和自組裝技術(shù)，可生產(chǎn)出人類的各種器官。事實(shí)上，除神經(jīng)系統(tǒng)以外，人的各種器官都可制造。仿生材料：仿生材料：生物是多年演化的結(jié)果，有很多特性值得模仿，通過深入研究現(xiàn)有生物體和生物現(xiàn)象而進(jìn)行仿造，對(duì)材料的發(fā)展將起到推動(dòng)作用。 生物材料的另一種分類方法生物材料的另一種分類方法 生物醫(yī)用材料生物醫(yī)用材料（Biomedical Materials）用于人體組織和器官的診斷、修復(fù)或增進(jìn)其功能的一類高技術(shù)材料，即用于取代、修復(fù)活組織的天然或人造材料，其作用藥物不可替代。生物材料能執(zhí)行、增進(jìn)或替換

4、因疾病、損傷等失去的某種功能，而不能恢復(fù)缺陷部位。日本北海道大學(xué)的科學(xué)家們利用從鮭魚皮中提取的膠原制造全球首例人造血管。 生物醫(yī)用材料生物醫(yī)用材料與工業(yè)材料工業(yè)材料的最大區(qū)別是在生理環(huán)境下使用。移植在生物體內(nèi)的仿生材料，除了能達(dá)到補(bǔ)鈣的目的以外，對(duì)周圍組織和血液不應(yīng)該有不良的影響，即應(yīng)具有生物相容性生物相容性。另外，植入人體的仿生材料，應(yīng)有足夠的力學(xué)性能，不能發(fā)生脆性破裂、疲勞斷裂及腐蝕破壞等，即應(yīng)具有力學(xué)相容性力學(xué)相容性。 生物醫(yī)用材料生物醫(yī)用材料是生物醫(yī)學(xué)科學(xué)中的最新分支學(xué)科，是生物、醫(yī)學(xué)、化學(xué)和材料科學(xué)交叉形成的邊緣學(xué)科。具體涉及到化學(xué)、物理學(xué)、高分子化學(xué)、高分子物理學(xué)、生物物理學(xué)、生物

5、化學(xué)、生理學(xué)、藥物學(xué)、基礎(chǔ)與臨床醫(yī)學(xué)等很多學(xué)科 。生物（醫(yī)用）材料的發(fā)展史生物（醫(yī)用）材料的發(fā)展史 目前被詳細(xì)研究過的生物（醫(yī)用）材料生物（醫(yī)用）材料已超過1000種，被廣泛應(yīng)用的有90多種，1800多種制品。西方國家每年耗用生物（醫(yī)用）材料生物（醫(yī)用）材料量以1015%的速度增長(zhǎng)，1980年全球醫(yī)用生物生物（醫(yī)用）材料（醫(yī)用）材料及制品的銷售額為200億美元，1990年達(dá)500億美元，1995年近1000億美元。 歷史上首個(gè)人造心臟Jarvik-7，是在1982年植入病人Barney Clark的體內(nèi)。他共活了112天。另一名也植入Jarvik-7的病人William Schrodedr則活

6、了620天。 生物醫(yī)用材料生物醫(yī)用材料是研制人工器官及一些重要醫(yī)療技術(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ)，綜觀人工器官及醫(yī)療裝置的發(fā)展史，每一種新型生物材料的發(fā)現(xiàn)都引起了人工器官及醫(yī)療技術(shù)的飛躍。 生物惰性醫(yī)用硅橡膠生物惰性醫(yī)用硅橡膠人工耳、人工鼻、人工頜骨等 血液相容性較好的各向同性碳被復(fù)材料各向同性碳被復(fù)材料碟片式機(jī)械心臟瓣膜 血液親和性及物理機(jī)械性能較好的聚氨酯嵌段聚氨酯嵌段共聚物共聚物促使人工心臟向臨床應(yīng)用跨越一大步 可形成假生物內(nèi)膜的編織滌綸管編織滌綸管人工血管向?qū)嵱没w躍。硅橡膠制作的人造器官 聚氨酯制造的人工心臟碟片式機(jī)械心臟瓣膜人工心臟6.1.2 6.1.2 生物醫(yī)用材料的性能與分類生物醫(yī)用材料的性能

7、與分類 指生物醫(yī)用材料生物醫(yī)用材料具備或完成某種生物功能時(shí)應(yīng)該具有的一系列性能。 根據(jù)用途主要分為: 承受或傳遞負(fù)載功能承受或傳遞負(fù)載功能。如人造骨骼、關(guān)節(jié)和牙等，占主導(dǎo)地位 控制血液或體液流動(dòng)功能控制血液或體液流動(dòng)功能。如人工瓣膜、血管等 電、光、聲傳導(dǎo)功能電、光、聲傳導(dǎo)功能。如心臟起博器、人工晶狀體、耳蝸等 填充功能填充功能。如整容手術(shù)用填充體等一、一、 生物功能性生物功能性 人工心臟人工心臟人工關(guān)節(jié)人工關(guān)節(jié)人工腎臟人工腎臟人工血管人工血管科學(xué)家已從生物高分子科學(xué)家已從生物高分子材料或合成高分子材料材料或合成高分子材料中制造出了一二十種人中制造出了一二十種人造皮膚。他們把這些材造皮膚。他們

8、把這些材料紡織成帶微細(xì)孔眼的料紡織成帶微細(xì)孔眼的皮片，上面還蓋著一層皮片，上面還蓋著一層層薄薄的、模仿層薄薄的、模仿“表皮表皮”的制品。的制品。 人造皮膚人造皮膚加拿大發(fā)明骨骼打印機(jī)復(fù)制加拿大發(fā)明骨骼打印機(jī)復(fù)制立體人骨立體人骨人造骨骼組織相當(dāng)精細(xì)，可用于整人造骨骼組織相當(dāng)精細(xì)，可用于整形、重建和脊椎手術(shù)。形、重建和脊椎手術(shù)。 指生物醫(yī)用材料生物醫(yī)用材料有效和長(zhǎng)期在生物體內(nèi)或體表行使其功能的能力。用于表征生物材料在生物體內(nèi)與有機(jī)體相互作用的生物學(xué)行為。 根據(jù)材料與生物體接觸部位分為：血液相容性血液相容性。材料用于心血管系統(tǒng)與血液接觸，主要考察與血液的相互作用與心血管外的組織和器官接觸與心血管外的

9、組織和器官接觸。主要考察與組織的相互作用，也稱一般生物相容性力學(xué)相容性力學(xué)相容性?？疾炝W(xué)性能與生物體的一致性二、二、 生物相容性生物相容性 生物體對(duì)生物醫(yī)用材料的響應(yīng)宿主反應(yīng)生物體對(duì)生物醫(yī)用材料的響應(yīng)宿主反應(yīng) A: A: 血液反應(yīng)血液反應(yīng) 1 1、血小板血栓；、血小板血栓； 2 2、凝血系統(tǒng)激活；、凝血系統(tǒng)激活； 3 3、纖溶系統(tǒng)激活；、纖溶系統(tǒng)激活； 4 4、溶血反應(yīng)；、溶血反應(yīng)； 5 5、白細(xì)胞反應(yīng)；、白細(xì)胞反應(yīng)； 6 6、細(xì)胞因子反應(yīng)；、細(xì)胞因子反應(yīng)； 7 7、蛋白粘附；、蛋白粘附； B: B: 免疫反應(yīng)免疫反應(yīng) 1 1、補(bǔ)體激活；、補(bǔ)體激活； 2 2、體液免疫反應(yīng)、體液免疫反應(yīng)（抗原

10、抗體反（抗原抗體反應(yīng)）；應(yīng)）； 3 3、細(xì)胞免疫反應(yīng)。、細(xì)胞免疫反應(yīng)。 C: C: 組織反應(yīng)組織反應(yīng) 1 1、炎癥反應(yīng)；、炎癥反應(yīng)； 2 2、細(xì)胞粘附、細(xì)胞粘附 3 3、細(xì)胞增殖（異、細(xì)胞增殖（異常分化）常分化） 4 4、形成蘘膜、形成蘘膜 5 5、細(xì)胞質(zhì)的轉(zhuǎn)變、細(xì)胞質(zhì)的轉(zhuǎn)變1 1、生物學(xué)反應(yīng)、生物學(xué)反應(yīng)2 2、生物體對(duì)生物反應(yīng)的變化、生物體對(duì)生物反應(yīng)的變化 1.1.急性全身反應(yīng)急性全身反應(yīng) 過敏、毒性、溶血、發(fā)熱、神經(jīng)麻痹等2. 2. 慢性全身反應(yīng)慢性全身反應(yīng) 毒性、致畸、免疫、功能障礙等3. 3. 急性局部反應(yīng)急性局部反應(yīng) 炎癥、血栓、壞死、排異等4. 4. 慢性局部反應(yīng)慢性局部反應(yīng) 致癌

11、、鈣化、炎癥、潰瘍等材料在生物體內(nèi)的響應(yīng)材料反應(yīng)材料在生物體內(nèi)的響應(yīng)材料反應(yīng)金屬腐蝕金屬腐蝕聚合物降解聚合物降解磨損磨損 生物機(jī)體作用于生物醫(yī)用材料材料反應(yīng)材料反應(yīng)，其結(jié)果可導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)破壞和性質(zhì)改變而喪失其功能。可分為如下三個(gè)方面：1 1、金屬腐蝕、金屬腐蝕 生物體內(nèi)的腐蝕性環(huán)境：（1）含鹽的溶液是極好的電解質(zhì)，促進(jìn)了電化學(xué)腐蝕和水解；（2）組織中存在具有催化或迅速破壞外來成分能力的多種分子和細(xì)胞。將對(duì)生物金屬材料產(chǎn)生腐蝕。 對(duì)于生物材料而言多為局部腐蝕，具體包括應(yīng)力腐蝕開裂、點(diǎn)腐蝕、晶間腐蝕、腐蝕疲勞以及縫隙腐蝕等，導(dǎo)致生物材料整體破壞。雖然金屬材料在生物體內(nèi)保持惰性狀態(tài)，但仍然可能會(huì)有物

12、質(zhì)溶入生物組織中，并對(duì)生物體組織產(chǎn)生毒性反應(yīng)，造成組織的損害。如不銹鋼溶出的Cr6生物組織的毒性。2 2、 聚合物降解聚合物降解 聚合物在長(zhǎng)期使用過程中，由于受到氧、熱、紫外線、機(jī)械、水蒸氣、酸堿及微生物等因素作用，逐漸失去彈性，出現(xiàn)裂紋，變硬、變脆或變軟、發(fā)粘、變色等，從而使它的物理機(jī)械性能越來越差的現(xiàn)象。 聚合物老化聚合物老化易形成的碎片、顆粒、小分子量單體物質(zhì)，因此使用它時(shí)必須謹(jǐn)慎，對(duì)耐久性器件，必須保持一定強(qiáng)度和其它機(jī)械性能，老化產(chǎn)物不能對(duì)周圍組織有毒害作用。 例如，醫(yī)用縫合線降解時(shí)會(huì)產(chǎn)生酸性物質(zhì)，如果量少，很容易被人體中的化學(xué)物質(zhì)中和，如果老化產(chǎn)物較大，則會(huì)對(duì)周圍組織產(chǎn)生損害。3 3

13、、 磨損磨損 人工關(guān)節(jié)常用材料為Ti6Al4V，由于表面易氧化生成TiO2，其耐磨性差，植入人體后，磨損磨損造成在關(guān)節(jié)周圍組織形成黑褐色稠物，從而引起疼痛。鈦合金人工全髖關(guān)節(jié)平均壽命一般都低于10年。 目前，大量的人工髖關(guān)節(jié)是由堅(jiān)硬的金屬或陶瓷的股骨頭與超高分子聚乙烯的髖臼杯組合成，然而它的壽命也不超過25年。長(zhǎng)期隨訪資料顯示，假體失敗的主要原因是超高分子聚乙烯磨損顆粒磨損顆粒所造成的界面骨溶解，從而導(dǎo)致假體松動(dòng)。這種磨損顆粒所導(dǎo)致的異物巨細(xì)胞反應(yīng)，又稱顆粒病，是晚期失敗的最主要原因。 三、生物醫(yī)用材料的分類 三種分類方法三種分類方法1 1、按應(yīng)用性質(zhì)來分類、按應(yīng)用性質(zhì)來分類： 抗凝血材料（心

14、血管材料）、 齒科材料、骨科材料、 眼科材料、 吸附解毒材料（血液灌流用）、 假體材料、 緩釋材料、 生物粘合材料、 透析及超濾用膜材料、 一次性醫(yī)用材料，等等。 2、按材料功能劃分：、按材料功能劃分： 1、血液相容性材料血液相容性材料 如人工瓣膜、人工氣管、人工心臟、血漿分離膜、血液灌流用吸附劑、細(xì)胞培養(yǎng)基材等； 2、軟組織相容性材料軟組織相容性材料 如隱形眼睛片的高分子材料，人工晶狀體、聚硅氧烷、聚氨基酸等，用于人工皮膚、人工氣管、人工食道、人工輸尿管、軟組織修補(bǔ)等領(lǐng)域； 3、硬組織相容性材料硬組織相容性材料 如醫(yī)用金屬、聚乙烯、生物陶瓷等，關(guān)節(jié)、牙齒、其它骨骼等； 4、生物降解材料生物降

15、解材料 如甲殼素、聚乳酸等，用于縫合線、藥物載體、粘合劑等；3、按生物材料的屬性分類：、按生物材料的屬性分類：天然生物材料天然生物材料再生纖維、膠原、透明質(zhì)酸、甲殼素等。合成高分子生物材料合成高分子生物材料硅橡膠硅橡膠、聚氨脂及其嵌聚氨脂及其嵌段共聚物段共聚物、滌綸、尼龍、聚丙烯腈、聚烯烴醫(yī)用金屬材料醫(yī)用金屬材料不銹鋼、鈦及鈦合金、鈦鎳記憶合金等無機(jī)生物醫(yī)學(xué)材料無機(jī)生物醫(yī)學(xué)材料碳素材料、生物活性陶瓷、玻璃材料雜化生物材料雜化生物材料指來自活體的天然材料與合成材料的雜化，如膠原與聚乙烯醇的交聯(lián)雜化等復(fù)合生物材料復(fù)合生物材料用碳纖維增強(qiáng)的塑料，用碳纖維或玻璃纖維增強(qiáng)的生物陶瓷、玻璃等具有活性涂層的

16、鈦合金具有活性涂層的鈦合金人工齒示意圖人工齒示意圖Fig. Schematic diagram of the screw-shaped artificial tooth.人工齒種植示意圖人工齒種植示意圖 6.1.3 醫(yī)用金屬材料 在生物醫(yī)學(xué)材料中，醫(yī)用金屬材料醫(yī)用金屬材料應(yīng)用最早，已有數(shù)百年的歷史。唐代就用銀汞合金（主要成份：汞、銀、銅、錫、鋅）來補(bǔ)牙。 醫(yī)用金屬材料醫(yī)用金屬材料是指一類用作生物材料的金屬或合金，又稱外科用金屬材料。它是一類生物惰性材料，除具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和抗疲勞性能，具有良好的生物力學(xué)性能及相關(guān)的物理性質(zhì)外，還必須具有優(yōu)良的抗生理腐蝕性、生物相容性、無毒性和簡(jiǎn)易可行及確切的

17、手術(shù)操作技術(shù) . 該材料是臨床應(yīng)用最廣泛的承力植入材料，由于有較高的強(qiáng)度和韌性，已成為骨和牙齒等硬組織修復(fù)和替換、心血管和軟組織修復(fù)以及人工器官制造的主要材料。 化學(xué)周期表中的大部分金屬不符合生物材料的要求，僅有小部分或經(jīng)處理過的可用于臨床。目前在臨床使用的醫(yī)用金屬材料主要有不銹鋼、不銹鋼、鈷基合金和鈦基合金鈷基合金和鈦基合金三大類，另外還有記憶合記憶合金、貴金屬以及純金屬鉭、鈮和鋯金、貴金屬以及純金屬鉭、鈮和鋯等。 1 1、不銹鋼、不銹鋼 鐵基耐蝕合金（一般由鐵、鉻、鎳、鉬、錳、硅組成），易加工、價(jià)格低廉。 不銹鋼的耐蝕性和屈服強(qiáng)度可以通過冷加工而提高，避免疲勞斷裂。 一般不銹鋼制成多種形體

18、，如針、釘、髓內(nèi)針、齒冠、三棱釘?shù)绕骷腿斯ぜ袤w而用于臨床，不銹鋼還用于制作各種醫(yī)療儀器和手術(shù)器械。 常用鋼種有US304、316、316 L、317、317L等。 醫(yī)用不銹鋼植入活體后，可能發(fā)生點(diǎn)蝕，偶爾也產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞。醫(yī)用不銹鋼臨床前消毒、電解拋光和鈍化處理，可提高耐蝕性。 醫(yī)用不銹鋼在骨外科和齒科骨外科和齒科中應(yīng)用較多。2、 鈷（鈷（Co）基合金）基合金 含有較高的鉻和鉬，又稱鈷鉻鉬合金鈷鉻鉬合金，具有極為優(yōu)異的耐腐蝕性（比不銹鋼高40倍）和耐磨性，綜合力學(xué)性能和生物相容性良好，可通過精密鑄造成形狀復(fù)雜的精密修復(fù)體，有硬、中、軟三種類型。 臨床上主要用于 人工關(guān)節(jié)人工關(guān)節(jié)（特別

19、是人體中受載荷最大的髖關(guān)節(jié)） 人工骨及骨科內(nèi)處固定器件人工骨及骨科內(nèi)處固定器件的制造 齒科修復(fù)中的義齒齒科修復(fù)中的義齒，各種鑄造冠、嵌體及固定橋的制造 心血管外科及整形科心血管外科及整形科等 由于其價(jià)格較高，加工困難，應(yīng)用尚不普及。 人造髖關(guān)節(jié)的頭桿部分。人造髖關(guān)節(jié)的頭桿部分。從股骨上端插進(jìn)金屬桿，從股骨上端插進(jìn)金屬桿，桿頭有一個(gè)金屬頭，它桿頭有一個(gè)金屬頭，它嵌在粘于髖骨窩中的一嵌在粘于髖骨窩中的一個(gè)塑料臼中。個(gè)塑料臼中。 3、 鈦（鈦（Ti）基合金）基合金 臨床應(yīng)用廣泛，其質(zhì)輕、比強(qiáng)度高、力學(xué)性質(zhì)接近人骨、強(qiáng)度遠(yuǎn)低于純鈦，耐疲勞、耐蝕性均優(yōu)于不銹鋼和鈷基合金，且生物相容性和表面活性好，是較為

20、理想的一種植入材料。 抗斷裂強(qiáng)度較低，耐磨性能不盡人意，加工困難。冶煉及成型工藝復(fù)雜，要求條件較高。 主要用于：修補(bǔ)顱骨，制成鈦網(wǎng)或鈦箔用于修復(fù)腦膜和腹膜、人工骨、關(guān)節(jié)、牙和矯形物、人工心臟瓣膜支架、人工心臟部件和腦止血夾、口腔頜面矯形頜修補(bǔ)、手術(shù)器械、醫(yī)療儀器頜人工假肢等。頭顱微型鋼板鈦鈦 板板4 4、形狀記憶合金、形狀記憶合金 自1951年美國首次報(bào)道Au-Cd（金-鎘）合金具有形狀記憶效應(yīng)以來，目前已發(fā)現(xiàn)有20多種記憶合金，其中以鎳鈦合金鎳鈦合金在臨床上應(yīng)用最大。它在不同的溫度下表現(xiàn)為不同的金屬結(jié)構(gòu)相。如低溫時(shí)為單斜結(jié)構(gòu)相，高溫時(shí)為立方體結(jié)構(gòu)相，前者柔軟可隨意變形，如拉直式屈曲，而后者剛

21、硬，可恢復(fù)原來的形狀，并在形狀恢復(fù)過程中產(chǎn)生較大的恢復(fù)力。 1969年，那個(gè)被阿波羅登月艙帶到月球上的環(huán)形天線，就是用極薄的記憶合金材料先在正常情況下按預(yù)定要求做好，然后降低溫度把它壓成一團(tuán)，裝進(jìn)登月艙帶上天去。放到月面上以后，在陽光照射下溫度升高，當(dāng)達(dá)到轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，天線又“記”起了自己的本來面貌，變成一個(gè)巨大的半球形。 Ti-Ni記憶合金記憶合金血管支架，用于血管支架，用于管腔狹窄的治療管腔狹窄的治療 形狀記憶合金可以分為三種： 單程記憶效應(yīng) 雙程記憶效應(yīng) 全程記憶效應(yīng) 特點(diǎn)：特點(diǎn)：奇特的形狀記憶功能、質(zhì)輕、磁性微弱、強(qiáng)度較高、耐疲勞性能、高回彈性和生物相容性好等。 應(yīng)用：應(yīng)用： 管腔狹窄的

22、治療管腔狹窄的治療（喉氣管狹窄、食管狹窄、膽道狹窄、尿道狹窄及閉鎖等）：支架安入管腔狹窄的部位后，能將狹窄管腔撐開，并與管壁相貼緊，固定好；其生物相容性好，長(zhǎng)期安放對(duì)黏膜無明顯損傷；其高回彈性能順應(yīng)管道的彎曲，對(duì)人體刺激小。 口腔科口腔科：用這種材料做成的種植牙具有齒槽骨切口小，固定牢靠等優(yōu)點(diǎn)。 骨科骨科：人工關(guān)節(jié)，斷骨連接、彎曲脊柱矯正。 血管外科血管外科：治療主動(dòng)脈瘤、冠狀動(dòng)脈和椎動(dòng)脈狹窄等。 種植牙斷骨連接骨科用的形狀骨科用的形狀記憶合金記憶合金5、 貴金屬（貴金屬（noble metal） 是一種金屬或合金，如黃金具有極高的抗氧化性和抗腐蝕性。貴金屬具有獨(dú)特穩(wěn)定的物理和化學(xué)性能、優(yōu)異的

23、加工特性、對(duì)人體組織無毒副作用、刺激小等優(yōu)良的生物學(xué)性能。主要用于口腔科的齒科修復(fù)，也可用于小型植入式電子醫(yī)療器械。純金屬鈮（純金屬鈮（Nb） 性能和應(yīng)用范圍與鉭非常相似，用于修補(bǔ)顱骨和制作醫(yī)療器械。但由于來源困難，價(jià)格昂貴，使用受到限制，主要用于制造髓內(nèi)釘?shù)取?具有良好的抗生理腐蝕性和可塑性，獨(dú)特的表面負(fù)電性使其具有優(yōu)良的抗血栓性能和生物相容性，還有很高的抗缺口裂紋能力。植入骨內(nèi)能和周圍的新骨形成骨性結(jié)合；植入軟組織中，肌肉等組織可依附在鉭條上正常生長(zhǎng)。 退火后的純鉭很軟，可加工成板、帶、箔、絲等使用。主要用作接骨板、顱骨板、骨螺釘、種植牙根、頜面修復(fù)體、義齒及外科手術(shù)縫線和縫合針； 鉭網(wǎng)可

24、用于肌肉缺損修補(bǔ)；鉭絲和箔用于縫合修補(bǔ)受損的神經(jīng)、肌腱和血管；鉭還可以用于血管內(nèi)支架及人工心臟、植入型電子裝置；鉭的同位素可用于放射治療。純金屬鉭（純金屬鉭（Ta）6.1.4 6.1.4 醫(yī)用高分子材料醫(yī)用高分子材料醫(yī)用高分子材料醫(yī)用高分子材料：在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用的、尤其能在機(jī)體內(nèi)使用的高分子材料。 醫(yī)用高分子制品的研究，包括人工器官人工器官、醫(yī)療醫(yī)療用品用品（輸血輸液用具、注射器、心導(dǎo)管、主動(dòng)脈氣囊反搏器、角膜接觸鏡、中心靜脈插管、膀胱造瘺管、醫(yī)用粘合劑以及各種醫(yī)用導(dǎo)管、醫(yī)用膜、創(chuàng)傷包扎材料和各種手術(shù)、護(hù)理用品等 ）和藥用高分子藥用高分子（作為賦形劑 、合成新型藥物 ）三大類。一、天然高分子生物材

25、料一、天然高分子生物材料 人類機(jī)體的皮膚、肌肉、組織和器官都是由高分子化合物組成的，天然高分子生物材料是人類最早使用的醫(yī)用材料之一。 天然材料具有不可替代的優(yōu)點(diǎn)：功能多樣性、與機(jī)體的相容性、生物可降解性以及對(duì)其進(jìn)行改性與復(fù)合和雜化等研究。 目前天然高分子生物材料主要有： 天然蛋白質(zhì)材料天然蛋白質(zhì)材料：膠原蛋白膠原蛋白和纖維蛋白纖維蛋白兩種 天然多糖類材料天然多糖類材料：纖維素纖維素、甲殼素甲殼素和殼聚糖殼聚糖等1、天然蛋白質(zhì)材料、天然蛋白質(zhì)材料膠原蛋白膠原蛋白 脊椎動(dòng)物的主要結(jié)構(gòu)蛋白，是支持組織和結(jié)構(gòu)組織（皮膚、肌腱和骨骼的有機(jī)質(zhì)）的主要組成成分。不同種類的動(dòng)物的膠原結(jié)構(gòu)極其相似。 膠原與人體

26、組織相容性好，不易引起抗體產(chǎn)生，植入人體后無刺激性無毒性反應(yīng)，能促進(jìn)細(xì)胞增殖，加快創(chuàng)口愈合并具有可降解性，可被人體吸收，降解產(chǎn)物也無毒副作用。 基本單位為原膠原蛋白，由三條肽鏈相互擰成的三股螺旋狀結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，其分子量為30萬左右。三股螺旋狀結(jié)構(gòu) 膠原分散體具有再生特性，可以將其加工成不同形狀的制品而用于臨床，并越來越受到人們重視。 膠原凝膠膠原凝膠用作創(chuàng)傷敷料 粉末粉末用于止血?jiǎng)┖退幬镝尫畔到y(tǒng) 紡絲纖維紡絲纖維用作人工血管、人工皮、人工肌腱和外科縫線 薄膜薄膜用于角膜、藥物釋放系統(tǒng)和組織引導(dǎo)再生材料 管管用于人工血管、人工膽管和管狀器官 空心纖維空心纖維用于血液透析膜和人工肺膜 海綿海綿用于

27、創(chuàng)傷敷料和止血?jiǎng)┑取Ｄz原蛋白的應(yīng)用膠原蛋白的應(yīng)用2、天然蛋白質(zhì)材料、天然蛋白質(zhì)材料纖維蛋白纖維蛋白 是纖維蛋白原在生理?xiàng)l件下凝固而成的一種材料。 纖維蛋白纖維蛋白可用不同方法進(jìn)行化學(xué)改性，其中包括放射性碘化法、與合成高分子進(jìn)行接枝和在纖維蛋白上進(jìn)行酶的固定等。 纖維蛋白纖維蛋白主要來源于血漿蛋白，因此具有明顯的血液和組織相容性，無毒副作用和其他不良影響。作為止血?jiǎng)?chuàng)傷愈合劑和可降解生物材料在臨床上已經(jīng)應(yīng)用很久；它的主要生理功能為止血，另外還可明顯促進(jìn)創(chuàng)傷的愈合；還可作為一種骨架，促進(jìn)細(xì)胞的生長(zhǎng)；并具有一定的殺菌作用。 纖維蛋白纖維蛋白在臨床上普遍使用的應(yīng)用形式： 纖維蛋白原的就地凝固，用于眼

28、科手術(shù)的組織粘合劑，肺切除后胸腔填充物和外科手術(shù)中的止血 纖維蛋白粉末，用作止血?jiǎng)?，可以與抗菌素共用，用作充填慢性骨炎和骨髓炎手術(shù)后的骨缺損 纖維蛋白海綿，用作止血?jiǎng)?、扁平瘢的治療和唾液腺外科手術(shù)后的填充物 組織代用品，商品名Bioplast，主要用于關(guān)節(jié)成型術(shù)、視網(wǎng)膜脫離、眼外科治療、肝臟止血及疝氣修復(fù)等 纖維蛋白薄膜，用于神經(jīng)外科：替代硬腦膜和保護(hù)末梢神經(jīng)縫線；用于燒傷治療：消除頜面竇和口腔間的穿孔。3 3、天然多糖類材料、天然多糖類材料 多糖是由許多單糖分子經(jīng)失水縮聚，通過糖苷鍵結(jié)合而成的天然高分子化合物。 均聚糖：多糖水解后只產(chǎn)生一種單糖，如纖維素、淀粉 雜聚糖：水解產(chǎn)物是兩種或兩種以

29、上的單糖，如菊粉等。 自然界廣泛存在的多糖主要有： 植物多糖，如纖維素纖維素、半纖維素、淀粉、果膠等； 動(dòng)物多糖，如甲殼素甲殼素、殼聚糖殼聚糖、肝素、硫酸軟骨素等； 瓊脂多糖，如瓊脂、海藻酸、角叉藻聚糖等； 菌類多糖，如D葡聚糖、D半乳聚糖、甘露聚糖等； 微生物多糖，如右旋糖酐、凝乳糖、出芽短梗孢糖等。 研究較多的多糖類材料為纖維素、甲殼素和殼聚糖。天然多糖類材料天然多糖類材料 纖維素纖維素 葡萄糖經(jīng)由糖苷鍵連結(jié)的高分子化合物。它具有不同的構(gòu)型和結(jié)晶形式，是構(gòu)成植物細(xì)胞壁的主要成分，是存在于自然界中數(shù)量最多的碳水化合物。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，至今仍未被完全了解。 天然的纖維素屬于纖維纖維型型，再生纖維素屬

30、于纖維纖維型型，后者結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定。不同的天然纖維素其結(jié)晶度有明顯差異，隨著結(jié)晶度的提高，其抗張強(qiáng)度、硬度、密度增加，但彈性、韌性、膨脹性、吸水性和化學(xué)反應(yīng)性下降。 在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用形式主要是制造各種醫(yī)用膜醫(yī)用膜： 硝酸纖維素膜硝酸纖維素膜：用于血液透析和過濾，但由于制膜困難及不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，已逐漸被其他材料取代 粘膠纖維（人造絲）或賽珞玢（玻璃紙）管粘膠纖維（人造絲）或賽珞玢（玻璃紙）管：用于透析，但由于含有磺化物及尿素、肌酐的透析性不好等原因，作為透析用的賽珞玢逐漸被淘汰 再生纖維素（銅珞玢）再生纖維素（銅珞玢）：是目前人工腎使用較多的透析膜材料，對(duì)溶質(zhì)的傳遞，纖維素膜起到篩網(wǎng)和微孔壁壘作用 醋

31、酸纖維素膜醋酸纖維素膜，主要用于血透析系統(tǒng) 全氟代?；w維素全氟代?；w維素：用于制造代膜式肺、人工心瓣膜、人工細(xì)胞膜層，各種導(dǎo)管、插管和分流管等天然多糖類材料天然多糖類材料 甲殼素甲殼素 化學(xué)名稱為聚N-乙酰-D葡萄糖胺，分子式為（C3H13NO5）n，屬于氨基多糖，是僅有的具有明顯堿性的天然多糖。 廣泛存在于低等植物及甲殼動(dòng)物的外殼中，其每年生物合成資源最高達(dá)1000億噸，是地球上僅次于植物纖維的第二大生物資源。 是一種來源于動(dòng)物的天然多糖，普遍存在于蝦、蟹等低等動(dòng)物及昆蟲等節(jié)肢動(dòng)物的外殼中。將甲殼動(dòng)物的外殼通過酸堿處理，脫去鈣、鹽和蛋白質(zhì)，即得到甲殼質(zhì)。 被科學(xué)家譽(yù)為繼蛋白質(zhì)、糖、脂肪、

32、維生素、礦物質(zhì)以外的第六生命要素第六生命要素。甲殼素有強(qiáng)化免疫、降血糖、降血脂、降血壓、強(qiáng)化肝臟機(jī)能、活化細(xì)胞、調(diào)節(jié)植物神經(jīng)系統(tǒng)及內(nèi)分泌系統(tǒng)等功能，還可作為保健材料，用于健康無害煙、護(hù)膚產(chǎn)品、保健內(nèi)衣等。 作為醫(yī)用生物材料醫(yī)用生物材料可用于： 醫(yī)用敷料醫(yī)用敷料：甲殼素具有良好的組織相容性，可滅菌、促進(jìn)傷口愈合、吸收傷口滲出物且不脫水收縮 藥物緩釋劑藥物緩釋劑： 基本為中性，可與任何藥物配伍 止血棉、止血?jiǎng)┲寡?、止血?jiǎng)涸谘軆?nèi)注射高粘度甲殼素，可形成血栓口愈合劑，使血管閉塞，從而在手術(shù)中達(dá)到止血目的，較注射明膠海綿等常規(guī)止血方法，操作容易，感染少。甲殼素縫線的電鏡照片 甲殼素人工皮的電鏡照片

33、 天然多糖類材料天然多糖類材料 殼聚糖殼聚糖 是甲殼素甲殼素去除部分乙酸基后的產(chǎn)物（甲殼素的甲殼素的衍生物衍生物），甲殼素繼續(xù)用濃堿乙酸基化則得到殼聚糖，具有一定的粘度，無毒、無害、無副作用。 不溶于水和堿液，但可溶于多種酸溶液中。 它具有較多的側(cè)基官能團(tuán)，可進(jìn)行酯化、醚化、氧化、磺化以及接枝交聯(lián)等反應(yīng)對(duì)其進(jìn)行改性。特別是磺化產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)與肝素極其相似，可作為肝素的代用品作抗凝劑。 適用廣，生物相容性良好的新型生物材料正在受到人們的普遍重視，目前在醫(yī)學(xué)多上用于： 可吸收性縫合線，用于消化道和整形外科 人工皮，用于整形外科、皮膚外科，用于、度燒傷，采皮傷和植皮傷等 細(xì)胞培養(yǎng)，制備不同形狀的微膠囊

34、，培養(yǎng)高濃度細(xì)胞，如包封的是活細(xì)胞，則構(gòu)成人工生物器官 海綿，用于拔牙患 、囊腫切除、齒科切除部分的保護(hù)材料 眼科敷料，可生成較多的成膠原和成纖維細(xì)胞 隱形眼鏡 膜，用于藥物釋放系統(tǒng)和組織引導(dǎo)再生材料 固相酶載體 二、合成高分子生物材料二、合成高分子生物材料 合成高分子材料合成高分子材料已經(jīng)迅速地取代了除了食品以外的許多寶貴天然資源。 合成高分子生物材料合成高分子生物材料是指利用聚合方法制備的一類生物材料。由于合成高分子可以通過組成和結(jié)構(gòu)控制而具有多種多樣的物理和化學(xué)性質(zhì)。 醫(yī)用高分子材料科學(xué)是一門新興的邊緣學(xué)科，是生物醫(yī)學(xué)工程的一個(gè)主要分支，合成高分子材料已成為制造各種人工器官、軟硬組織修復(fù)

35、體、醫(yī)用粘結(jié)劑、縫合線、人造血液等的最主要的也是用量最大的生物材料。 合成高分子材料的組成物（單體，添加劑等）可能向生物環(huán)境釋放，有可能導(dǎo)致毒性反應(yīng)。 其彈性模量低和彈性常使其不能用于承受較大負(fù)荷的體位的修復(fù)。 合成高分子生物材料合成高分子生物材料可分為： 生物不可降解的生物不可降解的：硅橡膠硅橡膠、聚氨酯聚氨酯、環(huán)氧樹脂、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸酯水凝膠、一氰基丙烯酸酯類、聚酸胺和飽和聚酯等。 生物可降解的生物可降解的：聚乙烯醇聚乙烯醇、聚乳酸聚乳酸、聚乙內(nèi)酯、乳酸一乙醇酸共聚物和聚一羥基丁酸酯等。 1、聚乳酸（聚乳酸（PLA）、乳酸和羥基乙酸共聚物）、

36、乳酸和羥基乙酸共聚物 （PLGA）、聚羥基乙酸（）、聚羥基乙酸（PGA）：手術(shù)縫線 2、聚羥基脂肪酸酯（聚羥基脂肪酸酯（PHA）： 手術(shù)縫線、心臟瓣 膜、組織培養(yǎng)、血管移植、整形等3、聚二甲基硅氧烷（硅橡膠）聚二甲基硅氧烷（硅橡膠）：彈性硅樹脂 隆胸、 心臟瓣膜4、聚亞胺酯聚亞胺酯： 人工心臟 5、聚四氟乙烯（聚四氟乙烯（PTFE）：）： 心臟瓣膜、血管移植、面 部整容、手術(shù)縫線 6、聚砜（聚砜（PSu）：）： 心臟瓣膜7、聚甲基甲基丙烯酸酯（、聚甲基甲基丙烯酸酯（PMMA）： 裂縫修補(bǔ)、隱 形眼鏡膜、假牙 1、合成高分子生物材料、合成高分子生物材料硅橡膠硅橡膠 平均分子量40萬，有機(jī)硅彈性體

37、的主要成分，是含有硅原子的特種合成橡膠的總稱。 它具有優(yōu)異的生理特性：無毒無味、生物相容性好、耐生物老化、較好的抗凝血性、長(zhǎng)期植入體內(nèi)物理性能下降甚微、耐高溫嚴(yán)寒（ -90 250）良好的電絕緣性、耐氧老化性、耐光老化性以及防霉性、化學(xué)穩(wěn)定性等。 在醫(yī)學(xué)上主要用于粘合劑、導(dǎo)管、整形和修復(fù)外科（人工關(guān)節(jié)、皮膚擴(kuò)張、燒傷的皮膚創(chuàng)面保護(hù)、人工鼻梁、人工耳廓和人工眼環(huán)）、緩釋和控釋等。 防噪音耳塞防噪音耳塞：佩戴舒適，阻隔噪音，保護(hù)耳膜。 胎頭吸引器胎頭吸引器：操作簡(jiǎn)便，使用安全，可根據(jù)胎兒頭部大小變形，吸引時(shí)胎兒頭皮不會(huì)被吸起，可避免頭皮血腫和顱內(nèi)損傷等弊病。 人造血管人造血管：具有特殊的生理機(jī)能，

38、能做到與人體“親密無間”，人的機(jī)體也不排斥它，經(jīng)過一定時(shí)間，就會(huì)與人體組織完全相容，穩(wěn)定性極為良好。 鼓膜修補(bǔ)片鼓膜修補(bǔ)片：其片薄而柔軟，光潔度和韌性都良好。是修補(bǔ)耳膜的理想材料，且操作簡(jiǎn)便，效果頗佳。 此外還有硅橡膠人造氣管、人造肺、人造骨、硅橡膠十二指腸管等，功效都十分理想。 2、合成高分子生物材料、合成高分子生物材料 聚氨酯（聚氨酯（Polyurethane） 具有良好的延伸性和抗撓曲性，強(qiáng)度高、耐磨損，血液相容性、抗血栓性能好，且不損傷血液成分，使其在醫(yī)療領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 主要用于人工心臟搏動(dòng)膜、心血管醫(yī)學(xué)元件、人工心臟、輔助循環(huán)、人工血管、體外循環(huán)血液路、藥物釋放體系、縫合線與軟組

39、織粘合劑繃帶、敷料、吸血材料、人工軟骨和血液凈化器具的密封劑等。3、合成高分子生物材料、合成高分子生物材料 聚甲基丙烯酸甲酯（聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA） 又稱有機(jī)玻璃有機(jī)玻璃，是目前塑料中透明度最好的一種。具有良好的生物相容性、耐老化性，機(jī)械強(qiáng)度較高。 用于剜出后的植入物、隱形眼鏡、可植入透鏡、人工角膜和假牙、人工喉、食管和腕骨、閉塞器、喉支持膜、牙科夾板、氣管切開導(dǎo)管和吻合鈕、鼻竇的植入性引管、經(jīng)皮裝置和用于實(shí)驗(yàn)的標(biāo)本箱及人工器官外殼等；增補(bǔ)面部的軟和硬組織，特別是修補(bǔ)眼窩的爆裂骨折；顱骨缺損時(shí)的替代骨片；充填乳突切除后的遺留腔隙；聽小骨部分的替代物和脊椎鼓節(jié)段的固定，顱內(nèi)動(dòng)脈瘤的加固和充

40、填靜脈瘤囊以使之穩(wěn)定，牙科某些直接充填樹脂的基礎(chǔ)等。 愛爾康一片式愛爾康一片式PMMA人工晶體人工晶體 Acrysof 丙烯酸酯丙烯酸酯折疊人工晶體折疊人工晶體6.1.5 6.1.5 無機(jī)生物醫(yī)學(xué)材料無機(jī)生物醫(yī)學(xué)材料 18世紀(jì)初開始應(yīng)用。無毒、與生物體組織有良好的生物相容性、耐腐蝕。 包括生物陶瓷生物陶瓷、生物玻璃生物玻璃和碳素材料碳素材料三大類，主要用于齒科、骨科修復(fù)和植入材料。 基本都是脆性材料，容易破裂，發(fā)展方向應(yīng)向開發(fā)復(fù)合（多相）生物材料以及在金屬基體上加涂無機(jī)生物陶瓷涂層（薄膜）材料的方面引導(dǎo)。 1、無機(jī)生物醫(yī)學(xué)材料、無機(jī)生物醫(yī)學(xué)材料生物玻璃生物玻璃 是經(jīng)特別設(shè)計(jì)的化學(xué)組成可誘發(fā)生物

41、活性的含是經(jīng)特別設(shè)計(jì)的化學(xué)組成可誘發(fā)生物活性的含氧化硅化合物。氧化硅化合物。如將某些玻璃在適當(dāng)?shù)母邷剡M(jìn)行晶化處理，則玻璃中可析出大量微小晶體，這樣的玻璃稱為微晶玻璃微晶玻璃、結(jié)晶化玻璃結(jié)晶化玻璃或玻璃玻璃陶瓷陶瓷。新型骨修復(fù)生新型骨修復(fù)生物活性材料物活性材料 生物玻璃材料生物玻璃材料大致可分為兩類：非活性的近似惰性的和生物活性的。 在非活性生物玻璃及生物玻璃陶瓷中包括： 人工骨用生物醫(yī)學(xué)玻璃人工骨用生物醫(yī)學(xué)玻璃，它具有良好的耐酸堿腐蝕特性、生物相容性和耐磨性能； 治療用生物醫(yī)學(xué)玻璃治療用生物醫(yī)學(xué)玻璃，可埋入腫瘤部位，通過在磁場(chǎng)下發(fā)熱的特性或其內(nèi)部的同位素放出的射線殺死癌細(xì)胞，也有良好的生物相容

42、性； 人工齒冠用生物醫(yī)學(xué)玻璃陶瓷人工齒冠用生物醫(yī)學(xué)玻璃陶瓷，具有制作容易、審美性高、強(qiáng)度高、適應(yīng)性好、生物相容性好、類似天然齒等優(yōu)點(diǎn)。 活性生物玻璃及生物玻璃陶瓷活性生物玻璃及生物玻璃陶瓷，通常要求SiO2的含量低于60%，同時(shí)含有NaO以及CaOP2O5。這種材料生物相容性好，植入體內(nèi)后能在界面上通過一系列離子交換和溶解沉淀反應(yīng)，在其表面形成磷灰石晶體，殘留下的玻璃被巨嗜細(xì)胞侵蝕，玻璃表面被基質(zhì)類物質(zhì)覆蓋，玻璃附近的軟骨芽細(xì)胞和造骨細(xì)胞的增殖趨于活躍，不久就形成了骨膠原纖維和磷灰石結(jié)晶，從而和軟組織及組織成骨鍵合，骨組織和軟組織很容易在其表面生長(zhǎng)，其生物活性主要與化學(xué)組成相關(guān)。 這種材料強(qiáng)度

43、低，斷裂韌性差，主要用于非承力的骨、指骨、牙齒等，也可作為鈦合金牙種植體的表面涂層。 2、無機(jī)生物醫(yī)學(xué)材料、無機(jī)生物醫(yī)學(xué)材料碳素材料碳素材料 指作為生物醫(yī)學(xué)使用的各種碳素及其復(fù)合材料 具有極好的抗血栓性，作為生物醫(yī)學(xué)材料使用的主要有三種：玻璃碳玻璃碳、低溫各向同性碳低溫各向同性碳和超超低溫各向同性碳低溫各向同性碳。這三種碳在生理環(huán)境中化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，也不發(fā)生疲勞破壞，是生物相容性非常好的一類惰性材料。它的最大優(yōu)點(diǎn)是血液相容性好，不可滲透性，再加上優(yōu)良的力學(xué)性能，使其在醫(yī)學(xué)上得到廣泛使用。 主要用于制造心血管修復(fù)體的重要材料、人工骨、人工牙根、肌腱和人工韌帶等，還可用于人工軟骨、人工中耳、人工關(guān)節(jié)

44、運(yùn)動(dòng)磨損表面作為減磨涂層和血液凈化等。尤其是它的較高的抗血栓性、耐磨性、低比重和長(zhǎng)期使用不劣化等性能，使碳素材料幾乎是目前唯一可選用的人工心臟瓣膜材料人工心臟瓣膜材料。 碟片式機(jī)械心臟瓣膜6.2 6.2 組織工程材料組織工程材料6.2 .1 6.2 .1 基本概念基本概念6.2.2 6.2.2 組織工程材料設(shè)計(jì)及制備組織工程材料設(shè)計(jì)及制備6.2.3 6.2.3 生物材料的表面工程生物材料的表面工程6.2.4 6.2.4 發(fā)展與挑戰(zhàn)發(fā)展與挑戰(zhàn)JJJJ6.2 .1 6.2 .1 基本概念基本概念 組織工程（Tissue Engineering)：應(yīng)用工程學(xué)和生命科學(xué)的原理與方法,將在體外培養(yǎng)、擴(kuò)增

45、的功能相關(guān)的活細(xì)胞種植于多孔支架上,細(xì)胞在支架上增殖、分化,構(gòu)建生物替代物,然后將之移植到組織病損部位,達(dá)到修復(fù)、維持或改善損傷組織功能一門科學(xué) 核核 心心：建立由細(xì)胞和生物材料構(gòu)成的三維復(fù)合體 三要素三要素：種子細(xì)胞、信號(hào)因子：種子細(xì)胞、信號(hào)因子( (細(xì)胞因子或生長(zhǎng)因子細(xì)胞因子或生長(zhǎng)因子) ) 支架材料支架材料 組織工程組織工程研究的三個(gè)方面是：（1）替換被分離除去的細(xì)胞或功能發(fā)揮所需要的細(xì)胞替代物；（2）產(chǎn)生或傳遞組織誘導(dǎo)物質(zhì)，如生長(zhǎng)因子、信號(hào)分子等；（3）結(jié)合細(xì)胞與生物材料，具體是在基質(zhì)表面或內(nèi)部接種細(xì)胞 。 人們研制了許多組織工程產(chǎn)品，包括皮膚組織、軟骨組織、腱組織、骨組織、心臟瓣膜、

46、肝組織等。 組織工程學(xué)組織工程學(xué)將組織視同為一種復(fù)合材料，該復(fù)合材料由具有組織功能單元的細(xì)胞細(xì)胞、細(xì)胞外基質(zhì)細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)和支架支架構(gòu)成。 組織工程組織工程的基本思路是在體外分離、培養(yǎng)細(xì)胞，將一定量的細(xì)胞種植到具有一定形狀的三維生物材料骨架內(nèi)，并加以持續(xù)培養(yǎng)，最終形成具有一定結(jié)構(gòu)的組織和器官。 膠原型人工皮膚膠原型人工皮膚產(chǎn)品是組織工程成功的第一例，它以患者的表皮細(xì)胞或真皮細(xì)胞為細(xì)胞源，運(yùn)用工程化方法制備皮膚同等品，將其貼敷于皮膚缺損部位。真皮細(xì)胞可由生體側(cè)長(zhǎng)入膠原片的微孔中，使皮膚再生，而膠原則在體內(nèi)逐步降解并被吸收。 細(xì)胞外基質(zhì)（ECM） 成分成分膠原蛋白、蛋白多糖、糖胺聚糖、膠原蛋

47、白、蛋白多糖、糖胺聚糖、層連蛋白和彈性蛋白等層連蛋白和彈性蛋白等 作用作用影響細(xì)胞形態(tài)影響細(xì)胞形態(tài)促進(jìn)細(xì)胞遷移促進(jìn)細(xì)胞遷移調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖和分化調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖和分化組織工程材料的要求組織工程材料的要求 符合生物安全性要求符合生物安全性要求 合適的可生物降解吸收性合適的可生物降解吸收性 合適的孔尺寸、高孔隙率和相連的孔形態(tài)合適的孔尺寸、高孔隙率和相連的孔形態(tài) 特定的三維外形特定的三維外形 高表面積和合適的表面理化性質(zhì)高表面積和合適的表面理化性質(zhì) 與植入部位組織力學(xué)性能相匹配的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與植入部位組織力學(xué)性能相匹配的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度材料設(shè)計(jì)及制備材料設(shè)計(jì)及制備技術(shù)技術(shù)材料表面材料表面工程工程 組織工程材料組織工程

48、材料是最富挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域，組織工程的成功亦有賴于生物相容性生物相容性和特定細(xì)胞響應(yīng)性特定細(xì)胞響應(yīng)性的生物材料的開發(fā)。 6.2.2 6.2.2 組織工程材料設(shè)計(jì)及制備技術(shù)組織工程材料設(shè)計(jì)及制備技術(shù)組織工程材料組織工程材料 天然高分子材料天然高分子材料 合成降解聚合物合成降解聚合物 生物陶瓷生物陶瓷 生物復(fù)合材料生物復(fù)合材料 根據(jù)硬和軟組織工程的需要，可用生物陶瓷生物陶瓷、化化學(xué)修飾植入金屬學(xué)修飾植入金屬、生物降解聚合物生物降解聚合物進(jìn)行組織工程研究，提供的許多解決組織損傷與器官衰竭的新途徑。天然高分子材料天然高分子材料蛋白質(zhì)支架蛋白質(zhì)支架 膠原膠原 明膠明膠多糖支架多糖支架 海藻酸鹽海藻酸鹽 殼聚

49、糖殼聚糖 透明質(zhì)酸透明質(zhì)酸蛋白質(zhì)多糖支架蛋白質(zhì)多糖支架冷凍干燥冷凍干燥L(fēng)ie Ma, et al.Collagen/chitosan porous scaffolds with improved biostability for skin tissue engineering. Biomaterials 2003;24: 483341參數(shù)：溶液濃度、冷凍溫度、冷凍時(shí)間和參數(shù)：溶液濃度、冷凍溫度、冷凍時(shí)間和 冷凍速率等冷凍速率等浸沒沉淀相轉(zhuǎn)化浸沒沉淀相轉(zhuǎn)化堿性介質(zhì)殼聚糖溶液上層（致密）下層（多孔）Fwu-Long Mi,et al. Fabrication and characterizatio

50、n of a sponge-like asymmetric chitosan membrane as a wound dressing. Biomaterials 2001;22: 165-73冷凍凝膠冷凍凝膠Ming-Hua Ho,et al. Preparation of porous scaffolds by using freeze-extraction and freeze-gelation methods. Biomaterials 2004;25:12938溶液溶液冷凍冷凍凝膠凝膠溫度低于溫度低于溶液凝結(jié)點(diǎn)溶液凝結(jié)點(diǎn)Morphology of the chitosan and a

51、lginate scaffolds合成聚合物材料合成聚合物材料聚丙烯酸及其衍生物聚丙烯酸及其衍生物聚乙二醇及其共聚物聚乙二醇及其共聚物 聚乙烯醇聚乙烯醇聚交酯聚交酯聚乳酸（聚乳酸（PLAPLA）聚（聚（D,L-D,L-乳酸乳酸-co-co-乙醇酸）（乙醇酸）（PLGAPLGA）聚乙交酯（聚乙交酯（PGAPGA）等）等致孔劑致孔致孔劑致孔 形成氣體的鹽致孔形成氣體的鹽致孔 水溶性致孔劑致孔水溶性致孔劑致孔 冰晶致孔冰晶致孔Guoping Chen,et al. Development of biodegradable porous scaffolds for tissue engineering

52、. Materials Science and Engineering,2001; C 17:639Morphology of cross-sections of PLLA sponges熱致相分離（TIPS）均向聚合物溶液：高溫均向聚合物溶液：高溫低溫低溫淬火熱力學(xué)狀態(tài)淬火熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)：聚合物濃度、溶劑參數(shù)：聚合物濃度、溶劑/ /非溶劑組成、非溶劑組成、 淬火過程及添加劑淬火過程及添加劑Fig. 2. SEM images of the cross section of morphous PLGA foams as a function of coarsening time. The fo

53、ams were prepared by coarsening 9% (w/v) polymer solution at 43C for 0 min (a), 2 min (b), 10 min (c), and then quenching by liquid nitrogen.乳液冷凍干燥Whang K,et al.A novel method to fabricate bioabsorbable scaffolds .Polymer 1995,36:837-42真空干燥真空干燥液氮液氮去離子水去離子水乳液乳液聚合物聚合物去離子水去離子水冷凍干燥冷凍干燥6.2.3 6.2.3 生物材料的表

54、面工程生物材料的表面工程1、生物材料表面對(duì)細(xì)胞的影響、生物材料表面對(duì)細(xì)胞的影響 表面自由能 表面蛋白質(zhì)吸附能力表面蛋白質(zhì)吸附能力 表面親水表面親水疏水平衡疏水平衡 表面荷電性能表面荷電性能 表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 表面生物活性表面生物活性 2 2、生物材料與細(xì)胞相互作用生物材料與細(xì)胞相互作用 粘著于固體基質(zhì)的細(xì)胞的行為和功能取決與基質(zhì)的特性。研究表明，中等潤(rùn)濕性表面對(duì)細(xì)胞粘連最多中等潤(rùn)濕性表面對(duì)細(xì)胞粘連最多。這可能和纖維蛋白在表面吸附相關(guān)。成纖細(xì)胞在聚合物表面的生長(zhǎng)速率與其表面化學(xué)隱性相關(guān)，但細(xì)胞移動(dòng)速率則取決于聚合物表面化學(xué)構(gòu)成。由成纖細(xì)胞與聚合物基質(zhì)接觸角相關(guān)性研究確認(rèn)，大多數(shù)疏水表面上

55、單位細(xì)胞的細(xì)胞外基質(zhì)合成速率較高。 3、生物材料的表面工程、生物材料的表面工程 仿生表面工程仿生表面工程：工程化生物材料表面引發(fā)特工程化生物材料表面引發(fā)特定的細(xì)胞生理響應(yīng)，給細(xì)胞創(chuàng)造一個(gè)良好的人工定的細(xì)胞生理響應(yīng)，給細(xì)胞創(chuàng)造一個(gè)良好的人工ECMECM環(huán)境。環(huán)境。要求：良好的生物相容性；適宜的表面親水疏要求：良好的生物相容性；適宜的表面親水疏水平衡；具有較強(qiáng)的細(xì)胞識(shí)別功能；適宜的表面水平衡；具有較強(qiáng)的細(xì)胞識(shí)別功能；適宜的表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；可消除非特異性識(shí)別；易于加工和成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；可消除非特異性識(shí)別；易于加工和成型型1） 生物大分子的表面固定化生物大分子的表面固定化A 將具有生物活性的大分子通過物理吸

56、附、包將具有生物活性的大分子通過物理吸附、包埋或化學(xué)鍵合的方法固定在材料的表面。埋或化學(xué)鍵合的方法固定在材料的表面。具有生物活性大分子具有生物活性大分子：ECM黏附蛋白（纖連蛋白、層連蛋白）黏附蛋白（纖連蛋白、層連蛋白）ECM多糖及其類似物（透明質(zhì)酸、殼聚糖）多糖及其類似物（透明質(zhì)酸、殼聚糖）細(xì)胞黏附多肽（細(xì)胞黏附多肽（RGD）細(xì)胞活性因子細(xì)胞活性因子B 引發(fā)特異性生物反應(yīng)的表面引發(fā)特異性生物反應(yīng)的表面C 抗非特異性吸附的表面抗非特異性吸附的表面生物大分子的表面固定化生物大分子的表面固定化 Giemsa staining of human chondrocytes after 1 h atta

57、chment on surface without (a), with 0.1 mm (b) or with1000 mm (c) cyclic thiol RGD-peptide.Brigitte Jeschke,et,al. RGD-peptides for tissue engineering of articular cartilage. Biomaterials 2002;23:3455632）生物材料表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)化）生物材料表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)化 光刻蝕表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)光刻蝕表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 生物材料表面圖案化生物材料表面圖案化物理化學(xué)性能不同的圖案化表面物理化學(xué)性能不同的圖案化表面刺激響應(yīng)高分子

58、圖案化表面刺激響應(yīng)高分子圖案化表面多糖圖案化表面多糖圖案化表面細(xì)胞黏附因子圖案化表面細(xì)胞黏附因子圖案化表面6.2.4 6.2.4 發(fā)展與挑戰(zhàn)發(fā)展與挑戰(zhàn) 天然生物材料天然生物材料的優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是其所含的信息(如特定氨基酸序列)利于細(xì)胞附著，或保持分化功能。而其缺點(diǎn)缺點(diǎn)是許多天然材料每批不同或批量大小有差異。 合成聚合物合成聚合物則能精確控制分子量，降解時(shí)間、疏水性等，但它們與細(xì)胞/組織的相互作用不夠理想。利用天利用天然聚合物的重要序列接枝到合成聚合物，將天然與合成然聚合物的重要序列接枝到合成聚合物，將天然與合成聚合物優(yōu)點(diǎn)集成是較好的解決方法。聚合物優(yōu)點(diǎn)集成是較好的解決方法。 聚合物加工聚合物加工問題

59、也很重要。許多植入物由復(fù)合材料或高度孔隙結(jié)構(gòu)材料，此類植入物制備的重復(fù)性對(duì)其成功甚為重要。持續(xù)控制釋放體系的開發(fā)對(duì)調(diào)控許多組織誘導(dǎo)因子、生長(zhǎng)因子和血管生成刺激因子很有意義。 6.3 6.3 生物陶瓷生物陶瓷 Bioceramics 有各種不同的化學(xué)成分，根據(jù)其在生理環(huán)境中的化學(xué)活性和性質(zhì)可分為四類： 近似于惰性近似于惰性：三氧化二鋁、氧化鋯等氧化物生氧化物生物陶瓷物陶瓷，Si3N4、鈦酸鋇等非氧化物生物陶瓷非氧化物生物陶瓷以及醫(yī)用碳素醫(yī)用碳素等，這類材料長(zhǎng)期暴露于生理環(huán)境下能保持穩(wěn)定。 表面活性表面活性：羥基磷灰石生物活性陶瓷羥基磷灰石生物活性陶瓷和生物活生物活性玻璃陶瓷性玻璃陶瓷，在生理環(huán)境

60、中可通過其表面發(fā)生的生物化學(xué)反應(yīng)與組織形成化學(xué)鍵性結(jié)合，起到了適合新生骨沉積的生理支架作用，也就是所謂的“骨引導(dǎo)”和“骨傳導(dǎo)”作用。 可吸收性可吸收性：如石膏、磷酸三鈣陶瓷，在生理環(huán)境中可逐漸被降解吸收，誘導(dǎo)骨質(zhì)生長(zhǎng)，并隨之被新組織所替代，從而達(dá)到修復(fù)或替換病損組織的目的 。 復(fù)合型復(fù)合型：生物陶瓷與生物陶瓷或與其他無機(jī)材料、有機(jī)材料復(fù)合而成的復(fù)合型材料。根據(jù)臨床的不同要求可以制成不同類型的復(fù)合材料。 在臨床上生物陶瓷主要用于肌肉一骨骼系統(tǒng)的肌肉一骨骼系統(tǒng)的修復(fù)和替換修復(fù)和替換，也可用于心血管系統(tǒng)的修復(fù)心血管系統(tǒng)的修復(fù)、制制作藥物釋放和傳遞的載體作藥物釋放和傳遞的載體。復(fù)合型的生物陶瓷還可以用