無機(jī)生物材料學(xué)第一章

課本無機(jī)生物材料學(xué)

作者：湯順清出版：華南理工大學(xué)出版社1當(dāng)前第1頁\共有33頁\編于星期四\18點(diǎn)第一章生物醫(yī)學(xué)工程與生物材料1.1生物醫(yī)學(xué)工程概念

(biomedicalengineering，BME),運(yùn)用自然科學(xué)與現(xiàn)代工程多層面研究（人體結(jié)構(gòu)、功能、疾病、生命健康）相關(guān)的人工材料、制品、儀器。理、工、醫(yī)相結(jié)合的邊緣學(xué)科

如：B超、假肢、義眼、心臟起搏器2當(dāng)前第2頁\共有33頁\編于星期四\18點(diǎn)

2001年8月21日，世界上第一個接受全植入式人工心臟移植手術(shù)的病人羅伯特·圖爾斯通過電視向記者們講述自己的喜悅心情。全植入式人工心臟”形如柚子，重約1公斤，其主體是一個以鈦和塑料為材料的泵，具有電子控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)身體需要調(diào)節(jié)泵的速度。當(dāng)前第3頁\共有33頁\編于星期四\18點(diǎn)

以尖端科技制成的機(jī)械手臂由20個微型馬達(dá)驅(qū)動，空前精確地模擬出活生生肢體的動作，使用者通過神經(jīng)沖動來控制它。手臂中甚至裝入了記錄觸覺的傳感器當(dāng)前第4頁\共有33頁\編于星期四\18點(diǎn)阿曼達(dá)·基茨的殘肢經(jīng)外科手術(shù)重新接駁神經(jīng)后，肌肉仍可產(chǎn)生運(yùn)動，并被傳感器陣列記錄下來。下一代的義肢能聽命于轉(zhuǎn)接的肌肉信號，行動越來越接近天生的血肉肢體。當(dāng)前第5頁\共有33頁\編于星期四\18點(diǎn)生物材料（Biomaterials）:

是指生物體材料和各種醫(yī)用、特別是對機(jī)體的細(xì)胞、組織和器官進(jìn)行診斷、治療、替代、修復(fù)、誘導(dǎo)再生或增進(jìn)其功能的特殊功能材料。

如隱形眼鏡√，人造血管√，支撐材料√6當(dāng)前第6頁\共有33頁\編于星期四\18點(diǎn)生物材料包括：（1）生物體材料（Biologicalmaterials）具體組成某種組織細(xì)胞的成分，如纖維蛋白、膠原蛋白、磷脂和糖蛋白等。（2）生物醫(yī)用材料(Biomedicalmaterials)是與醫(yī)學(xué)診斷、治療有關(guān)的一類功能性材料，其研究的最終目的主要是制成人工器官或醫(yī)療器械代替和修復(fù)人體受損的組織、器官，以實(shí)現(xiàn)其生理功能。

生物材料的定義是根據(jù)它們的用途，而非它們的化學(xué)成份。當(dāng)前第7頁\共有33頁\編于星期四\18點(diǎn)實(shí)例：眼內(nèi)透鏡組成：聚甲基丙烯酸甲酯（簡寫PMMA）1949年，英國的一位醫(yī)生率先將一枚PMMA人工晶體植入患者眼內(nèi).人工晶體或稱假晶體，也叫作眼內(nèi)眼鏡。多用在白內(nèi)障手術(shù)后，代替摘除的自身混濁晶體

高折射率易加工處理環(huán)境穩(wěn)定性好機(jī)械性能優(yōu)良由于同樣的原因，該材料過去曾用作汽車尾燈的罩蓋當(dāng)前第8頁\共有33頁\編于星期四\18點(diǎn)2.生物材料的發(fā)展史生物材料的研究有著悠久的歷史：古代

公元前3500年，古埃及人用棉花纖維、馬鬃縫合傷口；用木片修補(bǔ)受傷的顱骨。公元前2500年的中國、埃及墓葬中發(fā)現(xiàn)有假牙、假耳、假鼻等；9當(dāng)前第9頁\共有33頁\編于星期四\18點(diǎn)

近代：

最先應(yīng)用于臨床實(shí)踐的金屬材料是金、銀、鉑等貴重金屬。（良好的化學(xué)穩(wěn)定性和易加工性）

1829年，通過多種金屬的系統(tǒng)動物實(shí)驗(yàn)，得出：金屬鉑對機(jī)體組織刺激性最?。?/p>

1851年發(fā)明天然橡膠的硫化方法后，開始利用天然高分子硬橡木制作人工牙托和顎骨進(jìn)行臨床治療

1892年，用硫酸鈣填充骨缺損，這是陶瓷材料植入人體的最早實(shí)例。10當(dāng)前第10頁\共有33頁\編于星期四\18點(diǎn)

現(xiàn)代不銹鋼：

1926年，含18%鉻和8%鎳首先應(yīng)與于骨科治療，隨后應(yīng)與于口腔科；

1934年，研制出高鉻低鎳單相組織的AISI302和304，在體內(nèi)生理環(huán)境下的耐腐蝕性顯著提高；

1952年，開發(fā)出耐蝕性更好的AISI316不銹鋼，并逐漸取代AISI302；

60年代，為了解決不銹鋼的晶間腐蝕問題，又研制出超低碳不銹鋼AISI316L和317L。11當(dāng)前第11頁\共有33頁\編于星期四\18點(diǎn)

鈷鎳合金：（鑄造鈷鎳合金首先在口腔中得到應(yīng)用）

20世紀(jì)30年代末又被應(yīng)用于制作接骨板、骨釘?shù)葍?nèi)固定器械；

50年代成功制成人工髖關(guān)節(jié)；

60年代為了提高力學(xué)性能，研制出鍛造鈷鉻鎢鎳合金和鍛造鈷鉻鉬合金，并應(yīng)用于臨床；

70年代為了改善鈷基合金抗疲勞性能，研制出鍛造鈷鉻鉬鎢鐵合金和具有多相組織的MP35N鈷鉻鉬鎳合金，應(yīng)用于臨床。12當(dāng)前第12頁\共有33頁\編于星期四\18點(diǎn)鈦：金屬鈦，優(yōu)異的耐蝕性、生物相容性、密度低；40年代，制作外科植入體；50年代用純鈦制作接骨板和骨釘；70年代，Ti6A14V合金（強(qiáng)度比純鈦高，耐蝕性和密度與之相似）、TiSAl2.5Sn合金和鈦鉬鋅錫等合金獲得應(yīng)用；從而使鈦和鈦合金成為繼不銹鋼和鈷基合金之后的又一類重要醫(yī)用金屬材料；70年代以后，NiTi系為代表的形狀記憶合金逐漸在骨科和口腔科得到應(yīng)用，并成為醫(yī)用金屬材料的重要組成部分。13當(dāng)前第13頁\共有33頁\編于星期四\18點(diǎn)生物陶瓷：

從60年代初開始應(yīng)用于生物材料。多晶氧化鋁陶瓷----低溫各向同性碳----生物玻璃----羥基磷灰石（生物活性陶瓷）----生物陶瓷復(fù)合材料----引入活體細(xì)胞或生長因子的生物陶瓷構(gòu)架；醫(yī)用高分子：開始于50年代有機(jī)硅聚物的發(fā)展。90年代以后，借助于生物技術(shù)和基因工程的發(fā)展，由無生物存活性材料擴(kuò)展到具有生物學(xué)功能的材料領(lǐng)域，其基本特征是具有促進(jìn)細(xì)胞分化、增殖、誘導(dǎo)組織再生、參與生命活動等功能。14當(dāng)前第14頁\共有33頁\編于星期四\18點(diǎn)2.2生物材料的分類按材料來源分類：（1）天然材料天然高分子材料：纖維素、天然橡膠、膠原、明膠、纖維

蛋白和甲殼素等

生物組織材料

（2）合成材料無機(jī)材料：合金、陶瓷等自體組織異體組織同種異體組織異種異體組織高分子材料：塑料、橡膠和纖維等15當(dāng)前第15頁\共有33頁\編于星期四\18點(diǎn)按成分和性質(zhì)來分類：（1）有機(jī)材料

高分子材料：聚乙烯、聚乳酸等（2）無極材料金屬材料：不銹鋼、鈷基合金等陶瓷材料：氧化鋁、生物玻璃和羥基磷灰石等復(fù)合材料：纖維增強(qiáng)聚合物和金屬-陶

瓷復(fù)合材料等16當(dāng)前第16頁\共有33頁\編于星期四\18點(diǎn)按材料的生物性能分類（1）生物惰性材料（2）生物活性材料（3）生物降解材料（4）生物復(fù)合材料17當(dāng)前第17頁\共有33頁\編于星期四\18點(diǎn)按材料的醫(yī)學(xué)用途分類（1）硬組織材料：人工骨、人工關(guān)節(jié)和牙齒等（2）軟組織材料：人工皮膚、人工器官、人工食道等（3）心血管材料：人工心臟、人工瓣膜、人工血管（4）血液代用材料：右旋糖酐、羥乙基淀粉（5）分離或透過性膜材料：人工腎、人工肝的透析膜（6）黏合劑、縫合線、藥物載體材料：線型脂肪酸聚酯、聚乙烯醇、膠原和纖維素等18當(dāng)前第18頁\共有33頁\編于星期四\18點(diǎn)按生物材料與人體接觸時間長短分類（1）長期植入材料：如人工血管、軟硬組織材料（2）短期植入材料：心室輔助裝置、透析器等（3）生物降解材料：黏合劑、手術(shù)縫合線、藥物載體材料等（暫時替代組織器官功能或作緩釋體）（4）一次性使用醫(yī)療用品材料：注射器、輸液袋等19當(dāng)前第19頁\共有33頁\編于星期四\18點(diǎn)發(fā)展階段：

第一代（1950’s>）特點(diǎn)：生物惰性

第二代（1980’s>）特點(diǎn)：生物活性或生物可吸收性

第三代（1990’s>）特點(diǎn)：組織再生用

生物材料性生物材料發(fā)展的三個不同階段及其特點(diǎn)3生物材料的研究現(xiàn)狀20當(dāng)前第20頁\共有33頁\編于星期四\18點(diǎn)3.1第一代生物材料：生物惰性材料

定義：

對人體組織化學(xué)惰性，能恢復(fù)組織或器官的功能（部分）化學(xué)惰性：

無炎癥或凝血現(xiàn)象、無急性毒性或刺激反應(yīng)、無免疫反應(yīng)。21當(dāng)前第21頁\共有33頁\編于星期四\18點(diǎn)生物惰性材料分類

（1）不銹鋼、鈦及其合金、鈷基合金等金屬材料

（2）氧化硅、氧化鋁、氧化鋯等生物惰性陶瓷材料

（3）硅橡膠、高分子量聚乙烯等有機(jī)高分子材料

（4）碳纖維、低溫?zé)峤馔蕴嫉忍蓟牧?5)纖維增強(qiáng)聚合物材料、金屬陶瓷復(fù)合材料當(dāng)前第22頁\共有33頁\編于星期四\18點(diǎn)當(dāng)前第23頁\共有33頁\編于星期四\18點(diǎn)應(yīng)用實(shí)例a臀關(guān)節(jié)b膝關(guān)節(jié)c肩關(guān)節(jié)d肘關(guān)節(jié)心臟瓣膜24當(dāng)前第24頁\共有33頁\編于星期四\18點(diǎn)應(yīng)用實(shí)例人工晶體人工牙齒25當(dāng)前第25頁\共有33頁\編于星期四\18點(diǎn)生物惰性材料優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：

性能可靠、可批量化生產(chǎn)、成本低、生物醫(yī)用材料占主導(dǎo)地位缺點(diǎn)：

材料本身不能促進(jìn)或加速傷口的愈合；往往要進(jìn)行二次手術(shù)；植入體與生物主體之間存在界面問題26當(dāng)前第26頁\共有33頁\編于星期四\18點(diǎn)

3.2第二代生物材料：生物活性化或生物可吸收的生物材料

（1）生物活性化材料：生物惰性材料的表面活性化改性獲得生物相容性更好的材料（重點(diǎn)是抗凝血材料

的設(shè)計(jì)）

例如：醫(yī)用金屬材料表面HA、TCP涂層（2）生物可吸收的生物材料：生物可降解性醫(yī)用材料，包括可生物降解吸收的骨水泥、陶瓷及生物可降解高分子（力學(xué)性能低）缺點(diǎn)：材料本身并不同時具有生物活性和生物降解特性27當(dāng)前第27頁\共有33頁\編于星期四\18點(diǎn)聚乳酸應(yīng)用聚乳酸人造皮膚聚乳酸導(dǎo)管支架2023/6/4無機(jī)生物材料28當(dāng)前第28頁\共有33頁\編于星期四\18點(diǎn)3.3第三代生物材料：組織再生用生物材料第三代生物醫(yī)用材料在生物體內(nèi)能被降解,最終為機(jī)體所吸收,同時材料本身又具有生物活性,能參與機(jī)體的生理活動,在分子水平上激活基因,刺激相關(guān)細(xì)胞產(chǎn)生響應(yīng),從而誘導(dǎo)組織和器官的形成,是細(xì)胞和基因的活性化材料。目前,第三代生物醫(yī)用材料已成為國際上材料前沿領(lǐng)域一個十分活躍的研究方向,在組織工程中已開始有廣泛的臨床應(yīng)用。

包括：再生醫(yī)學(xué)和組織工程當(dāng)前第29頁\共有33頁\編于星期四\18點(diǎn)再生醫(yī)學(xué)（RegenerativeMedicine）

部分或全部缺損的人體組織在位再造的醫(yī)學(xué)特征：個體化操作，不適宜工程化生產(chǎn)30當(dāng)前第30頁\共有33頁\編于星期四\18點(diǎn)組織工程(TissueEngineering)是應(yīng)用細(xì)胞生物學(xué)和工程學(xué)的原理,在正確認(rèn)識哺乳動物正常及病理兩種狀態(tài)下的組織結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的基礎(chǔ)上,研究和開發(fā)關(guān)于修復(fù)、維護(hù)和促進(jìn)人體各種組織器官功能和形態(tài)的一門新學(xué)科三要素：材料支架、種子細(xì)胞、生長因子當(dāng)前第31頁\共有33頁\編于星期四\18點(diǎn)

組織工程基本方法：是將體外培養(yǎng)的高濃度組織細(xì)胞,擴(kuò)增后粘附于一種生物相容性好