生命科學(xué)概論第七章生物材料

生命科學(xué)概論第七章生物材料第1頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一生物材料

.前言.天然生物材料.生物醫(yī)學(xué)材料.組織工程材料.仿生和智能材料第2頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

生物材料的定義根據(jù)1972年以來(lái)國(guó)際會(huì)議上所廣泛接受的定義，認(rèn)為：

與活體相聯(lián)系的材料

植入活體內(nèi)能起某種生物體功能的材料

模仿生物功能的材料生物材料前言

第3頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一生物材料學(xué)的研究目的

在分析天然生物材料微裝配、生物功能及形成機(jī)制的基礎(chǔ)上，發(fā)展新型醫(yī)用材料以用于人體組織器官的修復(fù)與替代；發(fā)展仿生高性能工程材料。前言

第4頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

生物材料研究?jī)?nèi)容

天然生物材料

生物醫(yī)學(xué)材料

仿生智能與組織工程材料

醫(yī)學(xué)工程學(xué)生物學(xué)材料科學(xué)前言

第5頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

天然生物材料成分豐富元素C、H、O、N較豐富元素Ca、P、Cl、K等微量元素Fe、Cu、Zn、Mn、Mg等第6頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一天然生物材料水核苷酸氨基酸糖類生物礦物裝配結(jié)構(gòu)特征

天然生物材料第7頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一分類結(jié)構(gòu)蛋白結(jié)構(gòu)多糖生物軟組織生物復(fù)合纖維生物礦物天然生物材料第8頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一膠原絲心蛋白角蛋白彈性蛋白肌肉收縮蛋白

成纖維膠原的形成：多肽鏈

原膠原

微纖維

膠原纖維結(jié)構(gòu)蛋白天然生物材料第9頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

多糖因其簡(jiǎn)單的化學(xué)合成和極其豐富的資源而在商業(yè)上極具價(jià)值。纖維素、殼多糖、角叉菜膠、瓊脂等可用于建筑、造紙、食物穩(wěn)定劑、紡織以及染織等。結(jié)構(gòu)多糖天然生物材料第10頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

柔韌的生物復(fù)合材料可認(rèn)為是相對(duì)剛硬的纖維或粒子填充在柔軟的基質(zhì)中而形成。以?？墓羌転槔又莺０独夏旰？心z層的組成為：鹽5%膠原6.7%基質(zhì)2%水86%在較大的應(yīng)力下，膠原纖維取向變化，中膠層在應(yīng)力方向變硬；載荷消失后，中膠層又能彈性地恢復(fù)原形。生物軟組織天然生物材料第11頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一可承受彎曲和壓縮載荷的多組纖維組成，應(yīng)力可相互傳遞以蝗蟲(chóng)腱為例：原纖維是幾丁質(zhì)，基體是蛋白幾丁質(zhì)是以很強(qiáng)的氫鍵結(jié)合的；蛋白塊體是球狀的，它們形成基體并分布在纖維之間，與其牢牢鍵合，從而增加了基體的剛度生物復(fù)合纖維天然生物材料第12頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一生物礦物

由生命系統(tǒng)參與合成的天然的生物陶瓷和生物高分子復(fù)合材料，如骨骼、牙齒、珍珠、貝殼和鹿角等。天然生物材料第13頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一貝殼的結(jié)構(gòu):角質(zhì)層棱質(zhì)層珍珠層橫短面

角質(zhì)層

最外層，很薄，由殼 質(zhì)蛋白構(gòu)成

棱柱層中層，由棱柱狀方解

石平行排列而成

珍珠層

最內(nèi)層，由小平板狀 結(jié)構(gòu)單元平行累積而 成，其中無(wú)機(jī)相占95%， 有機(jī)基質(zhì)是一些蛋白質(zhì) 和多糖

天然生物材料第14頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一生物醫(yī)學(xué)材料定義

指用于醫(yī)療的能植入生物體或能與生物組織相接合的天然或人造材料，如金屬、陶瓷、高分子、人工培養(yǎng)的活體細(xì)胞、組織等。第15頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一生物醫(yī)學(xué)材料性能的基本要求具有高度精確的生物學(xué)功能或模仿該功能具有生物相容性

無(wú)宿主反應(yīng)：

即生物材料在生理環(huán)境中

對(duì)機(jī)體不產(chǎn)生明顯而有害

的效應(yīng)

無(wú)材料反應(yīng)：

即機(jī)體對(duì)材料也不產(chǎn)生明

顯而有害的影響生物醫(yī)學(xué)材料第16頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

材料方面：材料類型和形態(tài)、表面和組成，

物理、

化學(xué)及力學(xué)性質(zhì)等

影響生物相容性的因素生物系統(tǒng)方面：動(dòng)物種類、植入部位、受

體狀況、存留時(shí)間和使用

環(huán)境等生物醫(yī)學(xué)材料第17頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一生物醫(yī)用材料類型

生物醫(yī)用金屬材料生物醫(yī)用高分子材料生物陶瓷生物醫(yī)用復(fù)合材料生物衍生材料

生物醫(yī)學(xué)材料第18頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一生物醫(yī)用金屬材料是一類用作生物醫(yī)用材料的金屬和合金，是一類生物惰性材料，是臨床應(yīng)用最廣泛的承力植入材料主要用于骨和牙等硬組織修復(fù)和替換，心血管和軟組織修復(fù)以及人工器官制造中的結(jié)構(gòu)元件已用于臨床的醫(yī)學(xué)金屬材料主要有不銹鋼、基合金、鈦基合金和多孔金屬四大類生物醫(yī)學(xué)材料第19頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一骨水泥型金屬關(guān)節(jié)，其中：4.金屬柄,4a.金屬寬臼杯植入口腔的葉片狀帶孔金屬植入體生物醫(yī)學(xué)材料第20頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

是用作生物醫(yī)學(xué)材料的高分子及其復(fù)合材料，可來(lái)自人工合成，也可來(lái)自天然產(chǎn)物按性質(zhì)可分為非降解型和可生物降解型生物醫(yī)用高分子材料生物醫(yī)學(xué)材料第21頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一高分子聚合物做成的鼻狀骨架可生物降解的聚合物載體生物醫(yī)學(xué)材料第22頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

是作為生物醫(yī)學(xué)材料的陶瓷，通常由在生理環(huán)境中存在的離子（Ca、P、K、Na等）或?qū)θ梭w只有極小毒性的離子（Al、Ti等）所構(gòu)成生物陶瓷包括:

近惰性生物陶瓷：氧化鋁、氧化鋯生物陶瓷等

表面活性生物陶瓷：羥基磷石灰生物活性陶瓷、

生物活性玻璃陶瓷等

可吸收生物陶瓷：石膏、磷酸三鈣陶瓷等主要用于肌肉-骨骼系統(tǒng)的修復(fù)和替換，也可用于心血管系統(tǒng)的修復(fù)和制作藥物釋放與傳遞載體生物醫(yī)學(xué)材料第23頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一用生物陶瓷制成的插入式軟骨生物醫(yī)學(xué)材料第24頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一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。如醫(yī)用高分子材料、醫(yī)用金屬和合

金以及生物陶瓷既可作為生物醫(yī)用復(fù)合材料的基材，又可作為其增強(qiáng)體或填料主要用于修復(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

生物醫(yī)用復(fù)合材料生物醫(yī)學(xué)材料第25頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一由經(jīng)過(guò)特殊處理的天然生物組織形成的生物醫(yī)學(xué)材料，這是一種無(wú)生命活力的材料特殊處理包括：A、維持組織原有構(gòu)型的輕

微處理

B、拆散原有構(gòu)型，重建新

的物理形態(tài)的強(qiáng)烈處理生物衍生材料主要用做人工心瓣膜、血管修復(fù)體、皮膚掩膜、纖維蛋白制品、骨修復(fù)體、鞏膜修復(fù)體、鼻種植體、血液唧筒、血漿增強(qiáng)劑和血液透析膜等生物醫(yī)學(xué)材料第26頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一人工心瓣膜生物醫(yī)學(xué)材料第27頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一生物醫(yī)學(xué)材料的應(yīng)用合成高分子可吸收性縫線這種縫線由對(duì)人體無(wú)害的可被生物降解的高分子聚合材料制成聚合釋放藥物體系

1.生物可侵蝕體系

2.擴(kuò)散/生物可侵蝕體系

3.生物降解聚合物由共價(jià)鍵與藥物活

性因子結(jié)合，經(jīng)水解作用而被釋放生物醫(yī)學(xué)材料第28頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一所謂人工器官是用以暫時(shí)或永久代替人體某個(gè)器官功能的人工裝置。如人工肺、人工腎、人工心臟等

以人工血管、心臟起搏器為例

人工器官生物醫(yī)學(xué)材料第29頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

由各種原因?qū)е卵芷屏鸦虮磺谐欢魏?，血液循環(huán)通路被破壞；人工血管就是一根特制的管子可連接血管的兩斷端，使血液循環(huán)得以恢復(fù)。人工血管的發(fā)展象牙管玻璃管、金屬管合成纖維管人工血管生物醫(yī)學(xué)材料第30頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一人工血管的放大剖面圖生物醫(yī)學(xué)材料第31頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一各種人工血管纖維編織法編帶編織平織生物醫(yī)學(xué)材料第32頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一下腔靜脈狹

窄手術(shù)示意腹主動(dòng)脈狹窄手術(shù)示意肝靜脈腎靜脈腹腔靜脈腸系膜上動(dòng)脈腎動(dòng)脈腸系膜下動(dòng)脈

人造人工血管生物醫(yī)學(xué)材料第33頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一左腿股動(dòng)脈

破裂修補(bǔ)術(shù)

腸系膜下動(dòng)脈栓塞手術(shù)示意人工血管生物醫(yī)學(xué)材料第34頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一用脈沖電流刺激心肌，使心肌收縮，來(lái)治療心動(dòng)過(guò)緩并伴有急性新源性腦缺氧綜合癥等患者，使其心率增快，心排血量增加到正常范圍，這就叫做心臟起搏，所用的儀器即為心臟起搏器。心臟起搏器生物醫(yī)學(xué)材料第35頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

機(jī)身脈沖發(fā)生器和電池能源，分為體外佩帶和體內(nèi)埋植兩種類型。

電極導(dǎo)線電極通常用鉑金制作，分為單極和雙極導(dǎo)線，安置在心臟內(nèi)；導(dǎo)線做成螺旋式，外包硅橡膠材料。心臟起搏器的結(jié)構(gòu)生物醫(yī)學(xué)材料第36頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、組織工程材料組織工程學(xué)組織工程學(xué)是一門(mén)涉及應(yīng)用工程學(xué)和生命科學(xué)原理和方法來(lái)了解正常和病理的哺乳類組織的結(jié)構(gòu)功能關(guān)系，以及研制生物代用品以恢復(fù)、維持或改善其功能的一門(mén)學(xué)科。

組織工程材料組織工程材料就是應(yīng)用于組織工程的活體或人造材料。第37頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一組織工程基本過(guò)程細(xì)胞組織器官組織工程材料第38頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

研究用于直接移植或制造體外器官的干

細(xì)胞培養(yǎng)體外生成所需的細(xì)胞品系、細(xì)胞襯里和

器官研制用于細(xì)胞或器官包裹的生物相容性

材料組織工程材料研究?jī)?nèi)容組織工程材料第39頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一干細(xì)胞培養(yǎng)獲得目的器官干細(xì)胞：主要源于脊髓能產(chǎn)生各類成熟細(xì)胞的細(xì)胞，分為專能干細(xì)胞和多能干細(xì)胞。目前已分離出能產(chǎn)生所有其他各種類型細(xì)胞的干細(xì)胞（主要是胚胎干細(xì)胞），這有助于培養(yǎng)和修復(fù)各種器官和組織。組織工程材料第40頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一人工誘導(dǎo)生成目的器官原理與方法方法1

將特定分子（如生長(zhǎng)因子）注入或植入傷口或需再生器官之中，使患者自身的細(xì)胞移向受傷處，引起組織的再生。

方法2

將特定細(xì)胞和可生物降解的聚合物載體植到目的位置而進(jìn)行組織修復(fù)或再生，隨后人工聚合物降解，新器官留在人體內(nèi)。組織工程材料第41頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一方法1舉例生長(zhǎng)因子刺激血管向內(nèi)生長(zhǎng)細(xì)胞植入物引起血管向外生長(zhǎng)組織工程材料第42頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一方法2舉例耳形聚合物正進(jìn)行肉化處理成為身體替代部件以膠原為載體的人造皮膚的培養(yǎng)組織工程材料第43頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一仿生和智能材料

仿生材料仿制天然生物材料或具有生物功能，甚至是真正有生物活性的材料。仿珍珠層材料

人工酶人工生物膜信息轉(zhuǎn)換膜

能量轉(zhuǎn)換膜

運(yùn)輸膜第44頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一智能材料定義指模仿生物系統(tǒng)中同時(shí)具有感知和驅(qū)動(dòng)雙重功能的材料，又稱機(jī)敏材料。感知、反饋和響應(yīng)是智能材料的三大要素仿生和智能材料第45頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期一