生物醫(yī)用材料

1、創(chuàng)新社會化管理平臺生物醫(yī)用材料Biomedical Materials發(fā)展歷程相關技術概述材料分類發(fā)展趨勢基本要求目錄251463概 述診斷治療替換修復誘導再生生物醫(yī)用材料概述生物醫(yī)用材料（又稱生物材料或生物醫(yī)學材料）：用于與生命系統(tǒng)接觸和發(fā)生相互作用的，并能對其細胞、組織和器官進行診斷治療、替換修復或誘導再生的一類天然或人工合成的特殊功能材料，又稱生物醫(yī)用材料。生物醫(yī)用材料是材料科學領域中正在發(fā)展的多種學科相互交叉滲透的領域，其研究內(nèi)容涉及材料科學、生命科學、化學、生物學、解剖學、病理學、臨床醫(yī)學、藥物學等學科，同時還涉及工程技術和管理學科的范疇。定義學科介紹人工臟器|牙科人工乳房|骨科人工

2、耳蝸古代近代1920s1930s1940s1950ss1960s1990s2000s2010s1920s1930s（不銹鋼和Co-Ni alloy）1926年，含18%鉻和8%鎳首先應與于骨科治療，隨后應與于口腔科；20世紀30年代末鈷鎳合金被應用于制作接骨板、骨釘?shù)葍?nèi)固定器械；1940s1960s(鈦、醫(yī)用高分子、生物陶瓷）40年代，制作外科植入體；,50年代用純鈦制作接骨板和骨釘50年代醫(yī)用高分子材料制作了人工心瓣膜、手術縫合線等從60年代初應用生物材料,引入活體細胞或生長因子的生物陶瓷構架； 90年代以后至今（生物工程） 90年代以后，借助于生物技術和基因工程的發(fā)展，由無生物存活性材料擴

3、展到具有生物學功能的材料領域，其基本特征是具有促進細胞分化、增殖、誘導組織再生、參與生命活動等功能。1829-1892年（金屬材料為主）1829年得出：金屬鉑對機體組織刺激性最小1851年用天然高分子硬橡木制作人工牙托和顎骨1892年用硫酸鈣填充骨缺損，這是陶瓷首次植入古代（利用天然物質(zhì)和材料治?。┕?000年，黃金修復失牙；公元前3500年，古埃及，棉花纖維、馬鬃等縫傷口；公元前2500年，中國、埃及，假手、假鼻、假耳等人工假體；隋末唐初，銀膏補牙-成分是銀、錫、汞。生物醫(yī)用材料發(fā)展史 生物醫(yī)用材料發(fā)展歷程生物材料發(fā)展歷程2000至今第1代：生物惰性 第2代：生物活性或生物可吸收性 第3

4、代：組織工程材料、納米生物材料19801950生物惰性材料人工牙齒（陶瓷）生物活性材料人工關節(jié)（羥基磷灰石）納米生物材料用于診斷腫瘤生物材料的基本要求生物醫(yī)用材料基本要求對于人體組織無刺激性，無毒副作用，無致癌性。接觸人體各種體液（唾液、淋巴液、血液）時，應有良好的耐蝕性。具有必要的強度、耐磨性和耐疲勞性能。與生物體組織、與血液有相容性。納米金殼偶聯(lián)轉(zhuǎn)鐵蛋白分子攜帶藥物靶向至腫瘤，光熱療與化療結合殺死腫瘤細胞。Ti-O薄膜表面血小板的形態(tài)(好)Ti-O薄膜表面血小板的形態(tài)(差)人工髖關節(jié)-塑料與金屬配合，耐磨性較好。 按材料功能分類2按材料來源分類3按材料屬性分類4按使用部位分類1生物醫(yī)用材料

5、的分類生物醫(yī)用材料分類生物醫(yī)用材料分類A histological section through artificial skin. 在膠原蛋白所做成的模皮上植入皮膚細胞，于體外培養(yǎng)后得到皮膚生物醫(yī)用材料分類采用高純氧化鋁生物陶瓷制備關節(jié)頭，無釩鈦合金制備關節(jié)柄，并在柄部涂覆生物活性陶瓷涂層。圖：人工關節(jié)植入病人體內(nèi)的完整人工心臟 羅伯特圖爾斯:最重要的是要適應沒有心跳的日子。唯一能聽到的是馬達的聲音，不用聽筒也聽得到，這讓我感到自己仍生存。美女機器人主播生物醫(yī)用材料分類廣泛應用于人工假體、人工關節(jié)、醫(yī)療器械等。不同種材料的混合或結合，克服單一材料的缺點，可獲得性能更優(yōu)的材料。生物醫(yī)用材料分類

6、醫(yī)用金屬生物材料醫(yī)用無機生物材料高分子醫(yī)用生物材料組織工程生物材料納米生物材料相關技術概要生物醫(yī)用材料相關技術概要生物醫(yī)用金屬材料總 述 定義醫(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。優(yōu)點1. 優(yōu)良的生物相容性2. 無毒性3. 高強度，高韌性4. 高耐久性（抗疲勞、耐磨損）5. 良好的生物力學性能6. 優(yōu)良的抗生理腐蝕性7. 良好的物理性能缺點及改善途徑1. 無生物活性2. 高彈性模量通過表面改性，提高生物活性開發(fā)新型合金，降低彈性模型改善途徑一改善途徑二醫(yī)用金屬材料目前臨床應用的醫(yī)用金屬材料主要有不銹鋼、鈷基合金、鈦及鈦合金、Ni-Ti形狀記憶合金等幾大類，此外還有貴

7、金屬和純金屬鉭、鈮、鋯。良好的耐腐蝕性能和綜合力學性能，且加工工藝簡便。鈦和鈦合金無毒、質(zhì)輕、強度高、生物相容性好的優(yōu)點形狀記憶合金鈷基合金貴金屬純金屬Ta等較硬富有彈性，可起到矯形或支撐作用。其優(yōu)良的生物相容性、耐腐蝕、耐磨性、無毒良好的穩(wěn)定性和加工性能。因其價格較貴，廣泛應用受到限制 耐腐蝕和力學性能綜合衡量,它是最優(yōu)良的材料之一Ta、Nb、Zr等醫(yī)用金屬材料不銹鋼醫(yī)用金屬材料在諸多生物材料中，由于具有較高強度和韌性，適用于修復和置換人體硬組織生物醫(yī)用金屬材料分 類 不銹鋼 生物醫(yī)用金屬材料不銹鋼鐵基耐蝕合金（一般由鐵、鉻、鎳、鉬、錳、硅組成），易加工、價格低廉 。不銹鋼的耐蝕性和屈服強度

8、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，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)療儀器和手術器械。 Fe-與血紅細胞結合可形成鐵血黃素； Cr-能與機體內(nèi)的絲蛋白結合； Ni-過量富集有可能誘發(fā)腫瘤的形成；引起機體不良反應 金屬離子溶出進入組織液生理腐蝕和磨蝕金屬器件植入體內(nèi)通常，醫(yī)用不銹鋼的小量腐蝕不會引起組織的明顯變化，但量大時會引起水腫、感染、組織壞死或過敏反應。 鈦及鈦合金基本特性密度小,比強度(強度/密度)高彈性模量低，最接近骨的彈性模量抗疲勞強度高無磁性耐腐蝕性能好良好的生物相容性典型牌號：純鈦：TA1、TA2、TA3、

9、TA4鈦合金：Ti-6Al-4V鈦(Ti)是20世紀50年代走向工業(yè)化生產(chǎn)的一種重要金屬，其性質(zhì)優(yōu)良，儲量十分豐富，被譽為正在崛起的“第三金屬”。由于具有良好的生物相容性，在醫(yī)療行業(yè)得到廣泛應用。鈦合金Ti-6Al-4V骨不銹鋼(SUS316L)HDPEZrO2陶瓷Al2O3抗拉強度應變各種材料的抗張強度和應變的關系注：曲線下所占面積越大，材料的韌性就越高生物醫(yī)用金屬材料鈦基合金 純鈦與鈦合金 生物醫(yī)用金屬材料鈦基合金醫(yī)用鈦合金的應用歷程醫(yī)用鈦合金的應用經(jīng)歷了純鈦、Ti-6Al-4V、改良鈦合金、低模量介穩(wěn)定鈦合金四個歷程。 純鈦首次應用生物醫(yī)學領域 證實了純鈦良好生物相容性 純鈦用于口腔種植

10、體 Ti6Al4V廣泛用于制作外科修復或替換材料如接骨板、髖關節(jié)、髓內(nèi)釘?shù)?證實V、Al 是對生物體有潛在毒副作用的元素； 開發(fā)出以Nb、Fe替代V 的第二代改良新型醫(yī)用鈦合金Ti6Al7Nb和Ti5Al2.5Fe。 第一個低模量化近型醫(yī)用Ti13Nb13Zr； Ti12Mo6Zr2Fe（TMZF）亞穩(wěn)定 型鈦合金1970194019801990至今截至目前，純鈦和Ti6Al4V鈦合金仍是國際上產(chǎn)銷量最大、應用最廣的外科植入物用傳統(tǒng)主體材料。純鈦與鈦合金的應用由于醫(yī)用鈦與鈦合金密度小、彈性模量接近于天然骨，故廣泛用于骨科、顱骨修復植入物、心臟、血管植入物、齒科植入物和手術器械，且臨床效果良好。

11、其中在髖關節(jié)、膝關節(jié)，分別占40%和36%。顱骨修復鈦網(wǎng)接骨板 脊柱固定器主要用于：修補顱骨，制成鈦網(wǎng)或鈦箔用于修復腦膜和腹膜、膝關節(jié)、骨科。生物醫(yī)用金屬材料鈦基合金純鈦與鈦合金的應用由于醫(yī)用鈦與鈦合金密度小、彈性模量接近于天然骨，故廣泛用于骨科、顱骨修復植入物、心臟、血管植入物、齒科植入物和手術器械，且臨床效果良好。其中在髖關節(jié)、膝關節(jié)，分別占40%和36%。鈦合金種植牙純鈦齒冠心臟起搏器外殼主要用于：牙和矯形物、人工心臟部件生物醫(yī)用金屬材料鈦基合金鈦合金關節(jié)產(chǎn)品生物醫(yī)用金屬材料鈦基合金形狀記憶合金單程記憶效應雙程記憶效應全程記憶效應 形狀記憶合金 奇特的形狀記憶功能、質(zhì)輕、磁性微弱、強度較

12、高、耐疲勞性能、高回彈性和生物相容性好等。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，長期安放對黏膜無明顯損傷；其高回彈性能順應管道的彎曲，對人體刺激小?？谇豢疲河眠@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。骨科：人工關節(jié)，斷骨連接、彎曲脊柱矯正。血管外科：治療主動脈瘤、冠狀動脈和椎動脈狹窄等。應用特點1.牙套 2. 記憶合金鋼圈 3.節(jié)育環(huán) 4.骨科內(nèi)固定記憶合金生物醫(yī)用金屬材料形狀記憶合金 形狀記憶合金 生物醫(yī)用金屬材料形狀記憶合金2.食道支架3.血栓過濾器4.結食收集器1

13、.內(nèi)窺鏡無機生物醫(yī)學材料從主要成分來看，包括生物陶瓷、生物玻璃和碳素材料。1808年就已用陶瓷來鑲牙，近20年來由于無機生物學材料性能的改善及復合材料發(fā)展的需要，這類材料的研制和應用都有了較大的發(fā)展。生物活性陶瓷 普通生物陶瓷 生物陶瓷特殊加工生物陶瓷 普通生物陶瓷多用于假牙制作，硬度及耐磨性優(yōu)于樹脂制品。材料的化學性質(zhì)差，生物相容性好。生物活性陶瓷主要成分為磷酸鈣，植入人體后可以降解吸收，由于被懷疑會引起淋巴結增生，現(xiàn)已停止對其研究。特殊加工生物陶瓷如摻入熒光物質(zhì)的陶瓷貼片，可以貼在牙齒外表增加美觀。 定義 ZrO2烤瓷牙齒無機生物醫(yī)用材料生物陶瓷 無機生物醫(yī)學材料無機生物醫(yī)用材料生物陶瓷

14、無機生物醫(yī)學材料無機生物醫(yī)用材料生物玻璃 活性生物玻璃 非活性生物玻璃 生物玻璃羥磷灰石材料 （1） 非活性生物玻璃（2）活性生物玻璃（3）羥磷灰石（HAP）材料多用于制作人工股骨、人工齒冠、齒橋，還用于強磁性的玻璃陶瓷埋入腫瘤附近，通過材料在交變磁場作用下磁場下磁滯損耗發(fā)熱而殺死癌細胞。生物相容性好，和骨組織結合好，成骨過程快、有利于植入物早期固定，種植成功率高。HAP是人牙和骨骼的主要無機成分，具有吸收和聚集體液中鈣離子的作用，參與體內(nèi)鈣代謝，對骨質(zhì)增生有刺激或誘導作用，促進缺損組織的修復，顯示出生物活性。與高分子材料制成的混合材料常用做人工中耳骨等。采用增強含微孔羥基磷灰石(HA)陶瓷制

15、成人工聽小骨假體，在語言頻率范圍，平均提高病人的聽力20-30dBC/C復合材料碳纖維復合材料 碳素材料 無機生物醫(yī)用材料碳素材料 碳是構成生物體的重要組成元素，由于它具有極好的抗血栓性，因而碳素材料被認為是最佳的人工心臟瓣膜材料。活性炭常用于血液凈化材料等。德國產(chǎn)品 UHMWPE材料碳纖維復合材料 碳纖維束有利于生物組織依附生長，經(jīng)聚乳酸浸制成人工韌帶和肌腱已用于臨床研究。用于人工關節(jié)的多孔材料是由碳纖維和聚四氟乙烯組成的各向同性碳。把人工關節(jié)端頭涂上一層這樣的材料，就可使關節(jié)固定良好。還可制作人工心臟瓣膜。人工心臟瓣膜天然高分子材料 合成高分子材料 纖維蛋白 膠原 PMMA 硅橡膠 生物高

16、分子材料纖維蛋白是纖維蛋白原的聚合產(chǎn)物。纖維蛋白原是一種血漿蛋白質(zhì)，存在于動物體的血液中。具有止血、促進組織愈合等功能。血液凝塊構造（R:紅細胞，B:血小板，Y:纖維蛋白）膠原凝膠用作創(chuàng)傷敷料粉末用于止血劑和藥物釋放系統(tǒng)。紡絲纖維用作人工血管、人工皮、人工肌腱和外科縫線。管用于人工血管、人工膽管和管狀器官?？招睦w維用于血液透析膜和人工肺膜。在醫(yī)學上主要用于粘合劑、導管、整形和修復外科。硅橡膠醫(yī)用導管生物高分子材料納米生物材料納米生物材料納米生物材料納米載體納米生物器件納米醫(yī)藥介孔二氧化硅納米材料設計合成及作為 藥物傳遞載體用于腫瘤治療的示意圖用金殼包覆夾心二氧化硅實現(xiàn)多功能平臺用于腫瘤的熱化療

17、協(xié)同治療；還將夾心二氧化硅作為微反應器發(fā)展了具有金屬和半導體內(nèi)核的夾心二氧化硅構建新型催化材料等。納米生物材料納米生物材料納米生物材料納米載體納米生物器件納米醫(yī)藥在血管中運動的納米機器人，它正在使用納米切割機和真空吸塵器來清除血管中的沉積物動脈粥樣硬化的治療機器人能夠從動脈壁上清除粥樣沉積物。這不僅會提高動脈壁的彈性,還會使通過動脈的血液流動狀況得到改善。納米生物傳感器重慶科研人員開發(fā)的“OMOM膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)” 估計三年內(nèi)可以上市。 一顆膠囊，把它吞進肚里，消化道內(nèi)的情景就可以像放電影一樣在電腦屏幕上一目了然。組織工程生物材料組織工程生物材料采用基因工程的辦法，將蜘蛛的基因植進入山羊細胞的DN

18、A中，培育出了能在乳汁中分泌蜘蛛絲蛋白的新品種山羊使“生物鋼材”的大規(guī)模生產(chǎn)成為可能用其組合成牢固的復合材料用于宇航和汽車工業(yè)制造外科手術縫合線和防彈背心的理想材料基因工程讓我們“種豆得瓜”了種豆得瓜能在乳汁中分泌絲蛋白的新品種山羊發(fā)展趨勢按國際慣例，生物醫(yī)用材料及其醫(yī)用植入體是生物醫(yī)學工程產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，是醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)的基礎，其管理屬醫(yī)療器械范疇。2015年，預計需要人工關節(jié)50萬套/年、血管支架120萬個/年，眼內(nèi)人工晶體100萬個/年，醫(yī)用高分子材料、生物陶瓷、醫(yī)用金屬等材料需求將大幅增加。 工信部新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃加速高附加值植介入材料及制品的產(chǎn)業(yè)化。推動仿生醫(yī)學、再生醫(yī)

19、學和組織工程與生物技術的融合，促進新型高生物相容性醫(yī)用材料的研制和產(chǎn)業(yè)化；到2015年，包括生物醫(yī)學材料產(chǎn)業(yè)在內(nèi)的整個生物醫(yī)學工程產(chǎn)業(yè)年產(chǎn)值達到4000億元，突破一批核心技術，培育一批高端化發(fā)展的生物醫(yī)學工程制造企業(yè)。 國務院生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃生物醫(yī)用材料發(fā)展趨勢預計到2018年，全球醫(yī)療器械市場可達4400億美元200520062007200820092010201120122013201420152016201720184%2%0%6%10%8%12%3504504005002009: World economycontracted -2.2%2009: Euro crisis impacts eurosales converted to dollars andUS slow funding increases醫(yī)療器械銷售收入（十億美元）醫(yī)療器械增長率2012年，全球醫(yī)療器械市場銷售總額為3310億美元，預計到2018年可達4400億美元，復合增長率（2012-2018）為4.5%。醫(yī)療器械行業(yè)的迅速發(fā)展為生物醫(yī)用材料帶來巨大的發(fā)展空間。世界醫(yī)療器械市場規(guī)模和增長率生物醫(yī)用材料發(fā)展趨勢生物醫(yī)用材料應用領域骨科產(chǎn)品四大應用領域心血管系統(tǒng)四大應用領域口腔醫(yī)學組織工程耗材, 20%我國醫(yī)