科學(xué)前沿材料生物醫(yī)用材料課件

1、生物醫(yī)用材料Biomedical Materials主要內(nèi)容生物醫(yī)用材料定義及發(fā)展生物相容性與生物醫(yī)用材料典型疾病與生物醫(yī)用材料生物醫(yī)用材料定義及發(fā)展生物材料定義生物醫(yī)用材料（Biomedical Materials） 生物材料（Biomaterials）對(duì)生物體進(jìn)行診斷、治療和置換損壞的組織、器官或增進(jìn)其功能的材料。*生物材料可以是人造的，也可以是天然的或者是它們相結(jié)合的功能材料俞耀庭，張興棟，生物醫(yī)用材料，2001人體中已經(jīng)商業(yè)化的生物醫(yī)用材料器件髖關(guān)節(jié)：鈦合金Intraocular lenses人工晶體：硅凝膠PMMA發(fā)展歷史公元前5000年：古代人就嘗試用黃金修復(fù)失牙；公元前3500年

2、，棉花纖維、馬鬃作縫合線1588年，黃金板修復(fù)顎骨1775年，金屬固定體內(nèi)骨折20世紀(jì)30年代：工業(yè)生產(chǎn)醫(yī)用材料；20世紀(jì)中后期：高分子工業(yè)推動(dòng)生物醫(yī)用材料的發(fā)展；20世紀(jì)80年代后期：材料科學(xué)與現(xiàn)代生物技術(shù)相結(jié)合發(fā)展出組織工程材料、可降解生物材料。我國(guó)生物醫(yī)學(xué)材料的生物醫(yī)學(xué)工程產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)增長(zhǎng)率高達(dá) 28(全球市場(chǎng)增長(zhǎng)率20%),居全球之首。 我國(guó)生物醫(yī)用材料市場(chǎng)我國(guó)人工關(guān)節(jié) 替換年增長(zhǎng)率高達(dá)30，遠(yuǎn)高于美國(guó)的4。775萬(wàn)肢殘患者和每年新增的300萬(wàn)骨損傷患者需要大量骨修復(fù)材料2000萬(wàn)心血管病患者每年需要24萬(wàn)套人工心瓣膜腎衰患者每年需要12萬(wàn)個(gè)腎透析器二、生物相容性與生物醫(yī)用材料生物相容性

3、生物相容性：生物醫(yī)用材料與人體之間相互作用產(chǎn)生各種復(fù)雜的生物、物理和化學(xué)反應(yīng)的一種概念。引起生物材料變化的因素：1）生理活動(dòng)中骨骼、關(guān)節(jié)、肌肉的力學(xué)性動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)；2）細(xì)胞生物電、磁場(chǎng)、電解和氧化作用；3）新陳代謝過(guò)程中的生物化學(xué)和酶催化反應(yīng)；4）細(xì)胞黏附和吞噬作用。5）體液中的各種酶、細(xì)胞因子、蛋白質(zhì)、氨基酸、 多肽、自由基對(duì)材料的生物降解作用。生物醫(yī)用材料與生物系統(tǒng)直接結(jié)合，會(huì)產(chǎn)生兩種反應(yīng)：材料反應(yīng)和宿主反應(yīng)1、材料反應(yīng)：活體系統(tǒng)對(duì)材料的作用，即材料在生物活體中的響應(yīng)。材料在生理環(huán)境中被腐蝕、吸收、降解、磨損、失效等，從而使材料的功能特性發(fā)生改變，理化性質(zhì)發(fā)生退變，最后導(dǎo)致材料失效。生物相容性

4、兩種反應(yīng)的結(jié)果可能導(dǎo)致機(jī)體中毒和機(jī)體對(duì)材料的排斥。2、宿主反應(yīng)：材料對(duì)活體系統(tǒng)的作用 由于材料中的元素、分子或其它降解產(chǎn)物在生理環(huán)境下被釋放而進(jìn)入鄰近的生物組織和整個(gè)活體系統(tǒng)，也可能是源于材料制品對(duì)組織的機(jī)械、電化學(xué)或其它刺激作用。宿主反應(yīng)包括:局部反應(yīng)、全身毒性反應(yīng)、過(guò)敏反應(yīng)、致畸、致癌、致突反應(yīng)和適應(yīng)性反應(yīng)。生物相容性生物相容性血液相容性抗血小板血栓形成抗凝血性抗溶血性抗白細(xì)胞減少性抗補(bǔ)體系統(tǒng)亢進(jìn)性抗血漿蛋白吸附性抗細(xì)胞因子吸附性組織相容性細(xì)胞黏附性無(wú)抑制細(xì)胞生長(zhǎng)性細(xì)胞激活性抗細(xì)胞原生質(zhì)轉(zhuǎn)化性抗炎癥性無(wú)抗原性無(wú)誘變性無(wú)致癌性無(wú)致畸性生物相容性生物相容性評(píng)價(jià)生物學(xué)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)1）美（ASTM）、

5、英、加三國(guó)標(biāo)準(zhǔn)：1986年2）國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO ：19923）中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)：1997年評(píng)價(jià)依據(jù)：1）接觸部位：體表、體內(nèi)組織、骨骼、牙和血液；2）接觸方式：直接、間接3）接觸時(shí)間：短暫24h,短中期30天；4）用途：一般功能、生殖與胚胎及生物降解。生物相容性評(píng)價(jià)中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T16886系列醫(yī)療器械生物學(xué)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中表面器械部分。生物材料分類醫(yī)用金屬材料醫(yī)用高分子材料生物陶瓷材料生物醫(yī)學(xué)復(fù)合材料按材料組成和性質(zhì)近惰性生物醫(yī)學(xué)材料生物活性醫(yī)學(xué)材料可生物降解和吸收材料按材料在生理環(huán)境中的生物化學(xué)反應(yīng)水平按用途分類生物材料分類骨骼肌肉系統(tǒng)修復(fù)和替換材料軟組織材料心血管系統(tǒng)材料醫(yī)用膜材料組織粘合劑

6、和縫線材料藥物釋放載體材料臨床診斷及生物傳感器材料可生物降解吸收材料齒科材料生物醫(yī)用材料應(yīng)用實(shí)例典型生物醫(yī)用材料生物醫(yī)用金屬材料主要合金元素：鉻、碳、鎳和鈦醫(yī)用不銹鋼鐵素體和馬氏體不銹鋼不銹鋼藥膏調(diào)刀 不銹鋼持針鉗 不銹鋼針頭 適合做醫(yī)療器械不適合植入生物醫(yī)用材料奧氏體不銹鋼心血管支架奧氏體不銹鋼是作為醫(yī)用金屬植入材料最重要的鋼類，如：316L不銹鋼（00Cr17Ni14Mo2 ）生物醫(yī)用材料-鈦合金-鈦合金+ 鈦合金高溫性能好組織穩(wěn)定焊接性能好常溫強(qiáng)度低塑性不夠高常溫強(qiáng)度好塑性加工性能好組織不穩(wěn)定冶金工藝復(fù)雜綜合力學(xué)性能好強(qiáng)度高焊接性能好塑性高中等溫度組織不穩(wěn)定鈦合金的分類生物醫(yī)用材料Ti6

7、Al4V合金 (TC4)Al ：Al是唯一穩(wěn)定元素，同時(shí)是最主要的強(qiáng)化元素，固溶強(qiáng)化作用顯著。隨Al量的增加，合金的強(qiáng)度提高，而塑性無(wú)明顯降低，當(dāng)Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)7%后，由于組織中出現(xiàn)脆性的Ti3Al化合物，使塑性顯著降低，故其質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過(guò)7% V： 釩與 鈦屬于同晶元素，具有穩(wěn)定化作用。釩在 鈦中無(wú)限固溶， 而在-Ti中也有一定的固溶度。釩具有顯著的固溶強(qiáng)化作用，提高合金強(qiáng)度同時(shí)，能保持良好的塑性，還能提高鈦合金的熱穩(wěn)定性。生物醫(yī)用材料生物醫(yī)用材料顱額面微型鈦板生物醫(yī)用材料生物醫(yī)用陶瓷材料生物惰性：植入人體后仍維持自身結(jié)構(gòu)并不引起人體免疫反應(yīng)。生物活性：可與人體組織形成結(jié)合。生物降解：在

8、被被生組織替代后在體內(nèi)可以降解，化學(xué)副產(chǎn)物可通過(guò)代謝被分解吸收。生物醫(yī)用材料生物醫(yī)用陶瓷材料生物醫(yī)用材料羥基磷灰石羥基磷灰石(hydroxyapatite)簡(jiǎn)稱HA，分子式是 Ca10(PO4)6(OH)2 在人體中所有的磷酸鹽生物陶瓷以HA最穩(wěn)定，其他形式的磷酸鹽植入人體后，經(jīng)水解生成穩(wěn)定的HA。水解反應(yīng)如下： Ca3(PO4)2+H2O Ca10(PO4)6(OH)2+Ca2+HPO42-生物醫(yī)用材料羥基磷灰石生物醫(yī)用材料羥基磷灰石涂層髖關(guān)節(jié) 羥基磷灰石是典型的生物活性陶瓷，安全、無(wú)毒，而且可以傳導(dǎo)骨生長(zhǎng)。生物醫(yī)用聚合物(PMMA)生物醫(yī)用材料醫(yī)用硅橡膠: 材質(zhì)柔軟，觸感自然，生物相容性好

9、，生物性能及理化性能佳，是常用的組織代用材料。生物醫(yī)用材料生物醫(yī)用復(fù)合材料金屬烤瓷材料對(duì)合金的要求：合金必須與瓷層之間有牢固的結(jié)合力；合金的熔點(diǎn)必須高于瓷粉的熔點(diǎn)；合金應(yīng)該有足夠的剛性以支持脆性較高的瓷層；合金與瓷料的線膨脹系數(shù)必須匹配；在金屬冠核表面上熔附一種瓷料，作為人工牙齒，修復(fù)缺失的牙齒。普遍應(yīng)用的理想前牙修復(fù)材料。合金材料：鎳鉻合金、金合金、鈀銀合金、鈷鉻合金陶瓷：氧化鋁、氧化硅生物醫(yī)用材料烤瓷牙金屬烤瓷材料生物醫(yī)用復(fù)合材料三、典型疾病與生物醫(yī)用材料心臟與心臟病心臟是人和脊椎動(dòng)物器官之一。是循環(huán)系統(tǒng)中的動(dòng)力。人的心臟如本人的拳頭，外形像桃子，位于橫膈之上，兩肺間而偏左。主要由心肌構(gòu)成

10、，有左心房、左心室、右心房、右心室四個(gè)腔。左右心房之間和左右心室之間均由間隔隔開，故互不相通，心房與心室之間有瓣膜，這些瓣膜使血液只能由心房流入心室，而不能倒流。常見的心臟疾病或癥狀： 心律失常：異常起搏點(diǎn)自律性增高，后除極和觸發(fā)活動(dòng) 和折返激動(dòng)。 心力衰竭：即心衰，心臟泵功能減弱。 心絞痛：心肌缺血的常見癥狀，心肌耗氧與供氧失調(diào)。 冠心病 瓣膜病冠心病，是一種最常見的心臟病，是指因冠狀動(dòng)脈狹窄、供血不足而引起的心肌機(jī)能障礙和(或)器質(zhì)性病變，故又稱缺血性心臟病(IHD)。癥狀表現(xiàn)胸腔中央發(fā)生一種壓榨性的疼痛，并可遷延至頸、頷、手臂、后背及胃部。發(fā)作的其他可能癥狀有眩暈、氣促、出汗、寒顫、惡心

11、及昏厥。嚴(yán)重患者可能因?yàn)樾牧λソ叨劳?。冠心?view/29208.htm人工心臟治療：藥物治療溶拴治療、介入療法、冠狀動(dòng)脈搭橋手術(shù)改善冠狀動(dòng)脈的供血和減輕心肌的耗氧再灌注治療心臟移植出現(xiàn)頑固的心力衰竭或心律失常反復(fù)發(fā)作，危及生命，估測(cè)1年內(nèi)死亡風(fēng)險(xiǎn)極高血管支架管腔支架治療冠狀動(dòng)脈狹窄管腔支架治療冠狀動(dòng)脈狹窄管腔支架治療冠狀動(dòng)脈狹窄管腔支架治療冠狀動(dòng)脈狹窄新華網(wǎng)新聞心臟瓣膜缺失心臟的心瓣：二尖瓣、三尖瓣、主動(dòng)脈瓣、肺動(dòng)脈瓣功能：?jiǎn)蜗虻拈y門張開時(shí)讓血液流過(guò)，關(guān)閉時(shí)則防止血液倒流，讓血液保持全身正常地循環(huán)心臟瓣膜：由薄而極韌的片狀組織構(gòu)成，瓣膜隨著心臟的收縮和舒張進(jìn)行開放和關(guān)閉。正常人的心臟每天

12、跳動(dòng)約100 000次，瓣膜開放關(guān)閉100 000次。心臟的瓣膜必須在人的一生中都應(yīng)保持柔韌，有張力，并能長(zhǎng)期承受心腔的壓力和血液的沖刷。人工心臟瓣膜人工心臟瓣膜：可植入心臟內(nèi)代替心臟瓣膜(主動(dòng)脈瓣，肺動(dòng)脈瓣，三尖瓣，二尖瓣)，能使血液?jiǎn)蜗蛄鲃?dòng)，具有天然心臟瓣膜功能的人工器官。當(dāng)心臟瓣膜病變嚴(yán)重而不能用瓣膜分離手術(shù)或修補(bǔ)手術(shù)恢復(fù)或改善瓣膜功能時(shí)，則須采用人工心臟瓣膜置換術(shù)。換瓣病例主要有風(fēng)濕性心臟病，先天性心臟病，馬凡氏綜合癥等。先天性心臟病介入治療模擬演示（點(diǎn)擊圖片即播放動(dòng)畫）分類：人工瓣膜根據(jù)使用材料而分為兩大類：一類是全部用人造材料制成的稱機(jī)械瓣；另一類是全部或部分用生物組織制成的稱生物

13、瓣。不論是機(jī)械瓣膜還是生物瓣膜，其基本結(jié)構(gòu)都包括金屬瓣架、阻塞體和縫合環(huán)三部份。金屬瓣架一般用不銹鋼、鈦、鈷鎳合金或其它超硬金屬等制成；縫合環(huán)是將人工瓣膜縫到人體心臟瓣環(huán)的部分，由針織材料縫制而成，曾用聚丙烯、滌綸、聚四氟乙烯、近年還有用碳纖維。生物瓣膜一般是用豬主動(dòng)脈瓣和牛心包瓣為原料。骨與骨科疾病化學(xué)成分 有機(jī)成分：膠原纖維（34%）韌性 無(wú)機(jī)成分：羥基磷灰石和碳酸磷灰石（65%）強(qiáng)度微觀結(jié)構(gòu) 骨膜: 骨外膜、骨內(nèi)膜 骨質(zhì)：骨松質(zhì)、骨密質(zhì)（骨板） 骨髓骨的修復(fù) 血腫形成骨痂形成成熟骨板形成骨的微觀結(jié)構(gòu)長(zhǎng)骨的分級(jí)結(jié)構(gòu)骨骼主要有松質(zhì)骨和密質(zhì)骨構(gòu)成*：長(zhǎng)骨兩端為骨骺，由松質(zhì)骨（骨小梁框架）構(gòu)成；

14、中間是骨干，由密質(zhì)骨（哈弗斯單位）構(gòu)成。哈弗斯單位骨折：由于外傷或病理等原因使骨質(zhì)部分地或完全斷裂的一種疾病。常見骨折分為兩種，閉合性骨折：皮膚不破，沒有傷口，斷骨不與外界相通。開放性骨折：骨頭的尖端穿過(guò)皮膚，有傷口與外界相通。骨折及其修復(fù)骨折修復(fù)術(shù)的主要方法：石膏繃帶固定、手術(shù)復(fù)位與內(nèi)固定和手術(shù)復(fù)位與外固定。石膏繃帶固定：手術(shù)復(fù)位與外固定：施行手術(shù)將骨折復(fù)位，并在骨折的肢體外安裝骨外固定器。骨外固定器是一個(gè)由夾頭和鋼管組裝成的體外鋼架，可以支持骨骼，矯正骨骼在愈合過(guò)程中出現(xiàn)的各種移位。骨折內(nèi)固定：用金屬螺釘、鋼板、髓內(nèi)針、鋼絲或骨板等物直接在斷骨內(nèi)或外面將斷骨連接固定起來(lái)的手術(shù)，稱為內(nèi)固定術(shù)

15、。這種手術(shù)多用于骨折切開復(fù)位術(shù)及切骨術(shù)，以保持折端的復(fù)位。骨折內(nèi)固定是現(xiàn)代骨折治療的重要手段之一。股骨頭壞死及替換股骨頭壞死（股骨頭缺血性壞死）病因:風(fēng)濕病、血液病、潛水病、燒傷等疾患引起，先破壞鄰近關(guān)節(jié)面組織的血液供應(yīng)，進(jìn)而造成壞死。主要癥狀：從間斷性疼痛逐漸發(fā)展到持續(xù)性疼痛，再由疼痛引發(fā)肌肉痙攣、關(guān)節(jié)活動(dòng)受到限制，最后造成嚴(yán)重致殘而跛行。股骨頭股骨頭缺血性壞死癥狀圖股骨頭壞死的治療方法包括手術(shù)治療和非手術(shù)治療兩種。手術(shù)治療包含保留股骨頭的治療（鉆孔減壓、植骨術(shù)、截骨術(shù)等，適用于早期股骨頭壞死）和關(guān)節(jié)成形術(shù)（應(yīng)用于關(guān)節(jié)面塌陷的股骨頭壞死病人，可行金屬杯關(guān)節(jié)成形術(shù)、關(guān)節(jié)表面置換術(shù)、股骨頭置換術(shù)、全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)等）。非手術(shù)治療包含避免負(fù)重（依靠手杖、腋杖等支具，嚴(yán)格限制負(fù)重，可使