生物醫(yī)學(xué)材料

關(guān)于生物醫(yī)學(xué)材料第一頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期二1.1生物材料發(fā)展背景生物材料的定義生物材料的發(fā)展一種與生物體組織接觸，用以評(píng)估、治療、置換生物體任何組織、器官，增進(jìn)和恢復(fù)其功能的材料。生物材料主要是應(yīng)用在醫(yī)用領(lǐng)域，它們很少單獨(dú)的使用，通常是被制成醫(yī)療器械而使用。事實(shí)上，生物材料通常是一種經(jīng)過加工、消毒后被使用的材料。早在公元前，就有采用青銅或黃銅作為骨取代物將斷裂的骨連接起來的先例。兩千多年前的羅馬人、中國人和阿茲特克人就會(huì)把金應(yīng)用在牙齒的修補(bǔ)上。到19世紀(jì)中期以后，隨著醫(yī)學(xué)的逐漸的發(fā)展，形成了相應(yīng)的科學(xué)體系。特別是新型高分子材料的研發(fā)，為生物材料的研究和應(yīng)用創(chuàng)造了極大的機(jī)會(huì)。第二頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期二在具有良好的生物相容性這一研究路線指導(dǎo)下，人們采用了多種假體做成植入體，成功的進(jìn)行了骨移植手術(shù)。1884年，首次用金屬插補(bǔ)術(shù)進(jìn)行髖關(guān)節(jié)置換；1936年，有機(jī)玻璃迅速被制成假牙及人工骨而應(yīng)用與臨床；1943年，賽璐璐的問世使得透析膜能夠制備成人工腎；1938年，制備出合金假體；20世紀(jì)60年代，聚乙烯得到了廣泛的應(yīng)用。近年來研究人員已經(jīng)應(yīng)用改性的生物材料研制出人工器官，來替代和修復(fù)機(jī)體受損的組織和器官，發(fā)揮各項(xiàng)生理作用，已獲得了較好的治療效果，但是仍然存在一定的問題，未能完全滿足人們的要求。第三頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期二隨著生物技術(shù)發(fā)展和重大突破，生物醫(yī)用材料己成為各國研究和開發(fā)的熱點(diǎn)。目前被詳細(xì)研究過的生物材料已超過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材料量以10~15%的速度增長.近10年來，全球生物醫(yī)用材料和制品的市場一直保持15%以上的年增長率，正在成長為本世紀(jì)世界經(jīng)濟(jì)的一個(gè)支柱性產(chǎn)業(yè)。近年來，全球生物醫(yī)用材料及其制品的產(chǎn)值以每年5~8%的速度增長，2005年的產(chǎn)值約為2100億美元，是藥品產(chǎn)值的7/10,而且比值還在增大，將成為本世紀(jì)經(jīng)濟(jì)的支柱性產(chǎn)業(yè)。我國需求量大，近十年來市場年增長率卻高達(dá)20%—27%，占國際市場份額不到3%。二是從潛在需求來看，就醫(yī)療器械的人年均消耗額計(jì)，我國僅為7美元左右，美國則高達(dá)300美元以上。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人民生活水平的提高，以及人口老齡化，我國對生物醫(yī)用材料及制品的需求越來越大第四頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期二1.2生物材料的分類生物材料主要有兩種分類方法：按應(yīng)用性質(zhì)分類和按生物材料的屬性分類。按應(yīng)用性質(zhì)來分類主要有：抗凝血材料（心血管材料）、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。按生物材料的屬性可分為：天然高分子生物材料——再生纖維、膠原、透明質(zhì)酸、甲殼素等。合成高分子生物材料——硅橡膠、聚氨脂及其嵌段共聚物、滌綸、尼龍、聚丙烯腈、聚烯烴。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——碳素材料、生物活性陶瓷、玻璃材料。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——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。第五頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期二1.3生物材料的使用性能生物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)，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。不同的生物材料具有不同的使用性能。一般而言，臨床醫(yī)學(xué)對生物醫(yī)學(xué)材料有以下基本的要求：無毒性，不致癌，不致畸，不引起人體細(xì)胞的突變和組織細(xì)胞的反應(yīng)；化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，抗體液、血液及酶的作用（接觸人體各種體液（唾液、淋巴液、血液）時(shí)，應(yīng)有良好的耐蝕性。唾液、血液、間質(zhì)液都是以Clˉ、Na+、K+離子為主的電解質(zhì)溶液，生物材料在這種溶液中應(yīng)不發(fā)生反應(yīng)、腐蝕和變質(zhì)）；玻璃鋼人工顱蓋骨高分子與鈦合金人造髖骨第六頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期二與人體組織相容性好，不引起中毒、溶血凝血、發(fā)熱和過敏等現(xiàn)象；具有與天然組織相適應(yīng)的物理機(jī)械特性；針對不同的使用目的具有特定的功能。（如髖關(guān)節(jié)在靜止?fàn)顟B(tài)承受體重的二分之一，水平步行時(shí)承受的重量為靜止時(shí)的3.3倍，而跑步時(shí)則為4倍以上。此外,每步行一公里大約活動(dòng)1000次，按照一般的生活情況,每年大約承受1×106~3×106次重復(fù)負(fù)荷的作用）。Ti-O薄膜表面血小板的形態(tài)(好)Ti表面血小板的形態(tài)(差)第七頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期二醫(yī)用金屬材料定義：一類用作生物材料的金屬或合金，又稱外科用金屬材料。性質(zhì)：生物惰性材料較高的機(jī)械強(qiáng)度和抗疲勞性能良好的生物力學(xué)性能及相關(guān)的物理性質(zhì)優(yōu)良的抗生理腐蝕性、生物相容性、無毒性種類：有鈷合金（Co-Cr-Mo）、鈦合金（Ti-6A1-4V）和不銹鋼的人工關(guān)節(jié)和人工骨。鎳鈦形狀記憶合金具有形狀記憶的智能特性，能夠用于矯形外科、心血管外科。形狀記憶合金具有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，在管腔狹窄的治療、骨科、口腔科和血管外科具有廣泛的應(yīng)用。第八頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期二1、不銹鋼不銹鋼成本低，但在體內(nèi)有腐蝕和組織反應(yīng)等,不銹鋼中添加Mo可克服鉻鈍化膜在氧化環(huán)境中耐腐蝕性能,如加Mo的316、317。降低碳含量，如使用超低碳不銹鋼骨釘?shù)?16L可防止晶間腐蝕.常用來制作各種人工關(guān)節(jié)和骨折內(nèi)固定器、截骨連接器等，也用于牙科等各種器件制造。骨吸收和骨小梁形成第九頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期二2、鈷基合金加Mo的鈷基合金，已用于生物體中。例如Co-Cr-Ni-Fe-Mo合金用在牙科和整形外科，這種合金的耐腐蝕性是一般不銹鋼如316的40倍。鈷基鉻鉬合金的生物相容性超過鐵鉻鎳和鈷鉻合金。鈷基合金的耐磨性是所有醫(yī)用金屬材料中最好的，與不銹鋼相比，更適于制造體內(nèi)承載苛刻的長期植入件.

CoCrMo合金制股骨帽第十頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期二3、鈦與鈦合金以純鈦和TC4(Ti-6Al-4V)為主，這類合金強(qiáng)度不如鈷合金,但耐腐蝕性好，與人體組織反應(yīng)很弱，鈦合金的密度小，彈性模量低，接近于天然骨。廣泛用于制作各種人工關(guān)節(jié)、接骨板、骨螺釘與骨折固定針等，也用于制作牙根種植體等，呈現(xiàn)出良好的耐疲勞性能。第十一頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期二金剛石涂覆的膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)第十二頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期二4、形狀記憶合金用于制作脊椎側(cè)彎癥矯形器械、牙科器件、血栓過濾器、血管擴(kuò)張支架、血管栓塞器等。脊椎矯正植入體食管支架血管支架牙齒矯形絲血管和食管引導(dǎo)絲第十三頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期二5、貴金屬通常是指金、銀、鉑及其合金。貴金屬耐腐蝕、抗蠕變,對機(jī)體組織無毒，刺激性小,導(dǎo)電性好。金合金主要用于口腔科，貴金屬合金還可用于植入形電極與電子裝置等.第十四頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期二生物醫(yī)學(xué)高分子材料生物醫(yī)學(xué)高分子材料有天然的和合成的兩種。醫(yī)用天然高分子材料：具有優(yōu)越的血液和組織相容性不易引起抗體產(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)物也無毒副作用主要用于傷口敷料、藥物緩釋劑、止血棉止血?jiǎng)┑取：铣筛叻肿由锊牧希豪镁酆戏椒ㄖ苽涞囊活惿锊牧?。軟性材料常用來作為人體軟組織如血管、食道和指關(guān)節(jié)等的代用品；合成的硬材料可以用來作人工硬腦膜、籠架球形的人工心臟瓣膜的球形閥等；液態(tài)的合成材料如室溫硫化硅橡膠可以用來作注入式組織修補(bǔ)材料。合成高分子材料有可能導(dǎo)致毒性反應(yīng)，其彈性模量低和彈性低常使其不能用于承受較大負(fù)荷的體位的修復(fù)。目前合成高分子生物材料主要用作防噪音耳塞、人造血管、人工晶體、鼓膜修補(bǔ)片等。表1-1中列舉了幾種合成的或改性的天然材料的醫(yī)學(xué)應(yīng)用。第十五頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期二凝膠型高分子材料：特殊的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)良的力學(xué)性能，如可承受較大形變能力、生物相容性好、化學(xué)性能穩(wěn)定及良好的可成型性廣泛應(yīng)用于關(guān)節(jié)軟骨、椎間盤髓核缺損的修復(fù)和角膜接觸鏡等的研制。無機(jī)生物醫(yī)學(xué)材料：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、生物玻璃和碳素材料三大類，主要用于齒科、骨科修復(fù)和植入材料。惰性生物陶瓷（如氧化鋁、醫(yī)用碳素材料等）：較高的強(qiáng)度，耐磨性能良好，分子中的鍵力較強(qiáng)。生物活性陶瓷（如羥基磷灰石和生物活性玻璃等）：能在生理環(huán)境中逐步降解和吸收，或與生物機(jī)體形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵結(jié)合的特性。無機(jī)生物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)。

第十六頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期二生物醫(yī)學(xué)復(fù)合材料：生物醫(yī)學(xué)復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同材料復(fù)合而成的生物醫(yī)學(xué)材料，主要用于修復(fù)或替換人體組織、器官或增進(jìn)其功能以及人工器官的制造。鈷合金和聚乙烯組織的假體常用作關(guān)節(jié)材料；碳-鈦合成材料是臨床應(yīng)用良好的人工股骨頭；高分子材料與生物高分子（如酶、抗源、抗體和激素等）結(jié)合可以作為生物傳感器。生物醫(yī)學(xué)衍生材料：經(jīng)過特殊處理的天然生物組織形成的生物醫(yī)學(xué)材料無生物活力的材料，但是由于具有類似天然組織的構(gòu)型和功能，在人體組織的修復(fù)和替換中具有重要作用，主要用作皮膚掩膜、血液透析膜、人工心臟瓣膜（如圖1-2所示）等。雜化生物材料：由活體材料和非活體材料組成的復(fù)合體主要包括合成材料與生物體高分子材料或與細(xì)胞的雜化。雜化生物材料主要用于人工胰臟、人工肝臟、人工胸腺、人工腎臟、人工皮和人工血管等。第十七頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期二應(yīng)用材料種類骨骼系統(tǒng)關(guān)節(jié)置換體（髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)）固定骨折部位的骨板骨水泥骨缺損修復(fù)人工肌腱和韌帶用于補(bǔ)牙的牙科植入體心血管系統(tǒng)血管彌補(bǔ)心臟瓣膜導(dǎo)尿管器官人工心臟皮膚修復(fù)樣板人工腎臟心-肺機(jī)感覺器官耳蝸置換眼內(nèi)鏡角膜接觸鏡角膜繃帶Ti、Ti-Al-V合金、不銹鋼、聚乙烯不銹鋼、Co-Cr合金聚甲基丙烯酸甲酯羥基磷灰石Teflon,DacronTi、Al、Ca、磷酸鹽滌綸,特氟隆(聚四氟乙烯),聚氨酯再生組織、不銹鋼、C硅橡膠、聚四氟乙烯、聚氨酯聚氨酯硅-膠原質(zhì)復(fù)合材料纖維素、聚丙烯腈硅橡膠鉑電極聚甲基丙烯酸甲酯、硅橡膠、水凝膠硅-丙烯酸樹脂、水凝膠膠原質(zhì)、水凝膠表1-1合成材料和改性的天然材料的醫(yī)學(xué)應(yīng)用第十八頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期二圖1-1生物材料在人體各部位的具體應(yīng)用生物材料涵蓋了各類材料：金屬材料；陶瓷材料；聚合物材料第十九頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期二1.4生物材料與組織工程學(xué)1984年華人學(xué)者馮元楨首次提出了組織工程的概念。美國化學(xué)工程師RobertLanger教授和麻省理工大學(xué)醫(yī)學(xué)院的臨床醫(yī)生JosephPVcanti正式提出了組織工程的概念。1987年，美國國家科學(xué)院基金會(huì)（NationalScienceFoundation，NSF）在加利福尼亞的LakeTahoe舉行的專家討論會(huì)上明確了組織工程的定義：“組織工程是運(yùn)用工程科學(xué)和生命科學(xué)的原理及方法，從根本上認(rèn)識(shí)正常和病理的哺乳動(dòng)物組織和結(jié)構(gòu)功能的關(guān)系，并研究生物學(xué)的替代物，以恢復(fù)、維持和改進(jìn)組織的生物替代物”其目標(biāo)是利用細(xì)胞與生物支架材料的復(fù)合培養(yǎng)再生組織與器官,達(dá)到修復(fù)目的組織工程的基本原理是從機(jī)體內(nèi)獲得少量的活體組織，用特殊的酶或其他方法將細(xì)胞（又稱種子細(xì)胞）從組織中分離出來并在體外進(jìn)行培養(yǎng)擴(kuò)增，然后將擴(kuò)增的細(xì)胞與具有良好生物相容性、可降解和可吸收的生物材料按一定的比例混合，使細(xì)胞粘附在生物材料上形成細(xì)胞-材料復(fù)合物。將該復(fù)合物植入機(jī)體的組織或器官病損部位，隨著生物材料在體內(nèi)逐漸被降解和吸收，植入的細(xì)胞在體內(nèi)不斷增殖并分泌細(xì)胞外基質(zhì)，最終形成相應(yīng)的組織或器官，達(dá)到修復(fù)創(chuàng)傷和重建功能的目的。第二十頁，共二十三頁，編輯于2023年，星期二