第一章生物介紹

第一章生物介紹第一頁，共69頁。第一章、緒論第一頁第二頁，共69頁。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（簡稱ISO）定義，生物材料（Biomaterials）即生物醫(yī)學(xué)材料（BiomedicalMaterials），它是指“以醫(yī)療為目的，用于與組織接觸以形成功能的無生命的材料”。另有定義是：具有天然器官組織的功能或天然器官部分功能的材料。1.1生物材料的概念第二頁第三頁，共69頁。1.1生物材料的概念1.定義：生物材料是一種與生物體組織接觸，用以評估、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。

生物材料主要應(yīng)用于醫(yī)用領(lǐng)域，很少單獨使用，通常被制成醫(yī)療器械，因此，也稱

生物醫(yī)學(xué)材料。

與生物系統(tǒng)直接接合是生物醫(yī)學(xué)材料最基本的特征第三頁第四頁，共69頁。生物醫(yī)學(xué)材料是生物醫(yī)學(xué)科學(xué)中的最新分支學(xué)科，是生物、醫(yī)學(xué)、化學(xué)和材料科學(xué)交叉形成的邊緣學(xué)科。具體涉及到化學(xué)、物理學(xué)、高分子化學(xué)、高分子物理學(xué)、生物物理學(xué)、生物化學(xué)、生理學(xué)、藥物學(xué)、基礎(chǔ)與臨床醫(yī)學(xué)等很多學(xué)科。1.1生物材料的概念第四頁第五頁，共69頁。生物材料用于人體組織和器官的診斷、修復(fù)或增進(jìn)其功能的一類高技術(shù)材料，即用于取代、修復(fù)活組織的天然或人造材料，而對人體組織不會產(chǎn)生不良影響的材料。

其作用藥物不可替代。生物材料能執(zhí)行、增進(jìn)或替換因疾病、損傷等失去的某種功能，而不能恢復(fù)缺陷部位。1.1生物材料的概念第五頁第六頁，共69頁。1.2生物材料的發(fā)展背景生物材料的開發(fā)和利用可追溯到3500年前，那時的古埃及人就開始利用棉纖維、馬鬃作縫合線縫合傷口；印第安人則使用木片修補受傷的顱骨。2500年前，中國和埃及的墓葬中就發(fā)現(xiàn)有假牙、假鼻和假耳。人類很早就用黃金來修復(fù)缺損的牙齒，并沿用至今。1588年人們用黃金板修復(fù)顎骨。1775年就有用金屬固定體內(nèi)骨折的記載。1851年發(fā)明了天然橡膠的硫化方法后，有人采用硬膠木制作了人工牙托的顎骨。第六頁第七頁，共69頁。器官移植取得巨大進(jìn)展，但有難題：排異、器官來源、法律、倫理等。因此醫(yī)學(xué)界對生物醫(yī)學(xué)材料和人工器官的要求日益增加。1.2生物材料的發(fā)展背景第七頁第八頁，共69頁。

生物醫(yī)用材料診斷現(xiàn)代診斷系統(tǒng)治療先進(jìn)控制釋放系統(tǒng)修復(fù)、置換、增進(jìn)組織器官功能通用生物醫(yī)用材料組織工程生物醫(yī)用材料1.2生物材料的發(fā)展背景第八頁第九頁，共69頁。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，1980年全球醫(yī)用生物材料及制品的銷售額為200億美元，1990年達(dá)500億美元，1995年近1000億美元。我國生物材料的研究起步較晚（五十年代），但發(fā)展很快。1.2生物材料的發(fā)展背景第九頁第十頁，共69頁。中國生物醫(yī)用材料市場第十頁第十一頁，共69頁。我國生物醫(yī)學(xué)材料的生物醫(yī)學(xué)工程產(chǎn)業(yè)的市場增長率高達(dá)28％(全球市場增長率20%),居全球之首。我國人工關(guān)節(jié)替換年增長率高達(dá)30％，遠(yuǎn)高于美國的4％。

----------------國家科技部資料第十一頁第十二頁，共69頁。775萬肢殘患者和每年新增的300萬骨損傷患者

-------需要大量骨修復(fù)材料2000萬心血管病患者 --------每年需要24萬套人工心瓣膜腎衰患者

--------每年需要12萬個腎透析器……第十二頁第十三頁，共69頁。全球生物醫(yī)用材料細(xì)分市場發(fā)展增長率26%高速增長市場將達(dá)800億美元增長率45%高速增長第十三頁第十四頁，共69頁。目前全球大量用于醫(yī)療器械的生物醫(yī)學(xué)材料主要有20

種,其中醫(yī)用高分子12種，金屬4

種，陶瓷2種，其他2

種。主要包括起搏器、心臟瓣膜、人工關(guān)節(jié)、骨板、骨螺釘，以及藥物和生物活性物質(zhì)控釋載體等。第十四頁第十五頁，共69頁。1.3生物材料的分類按材料功能劃分：

1、血液相容性材料：

如人工瓣膜、人工氣管、人工心臟、血漿分離膜、血液灌流用吸附劑、細(xì)胞培養(yǎng)基材等；

2、軟組織相容性材料：如隱形眼睛片的高分子材料，人工晶狀體、聚硅氧烷、聚氨基酸等，用于人工皮膚、人工氣管、人工食道、人工輸尿管、軟組織修補等領(lǐng)域；

3、硬組織相容性材料：如醫(yī)用金屬、聚乙烯、生物陶瓷等，關(guān)節(jié)、牙齒、其它骨骼等；

4、生物降解材料：如甲殼素、聚乳酸等，用于縫合線、藥物載體、粘合劑等；

5、高分子藥物：如多肽、胰島素、人工合成疫苗等，用于糖尿病、心血管、癌癥以及炎癥等。第十五頁第十六頁，共69頁。按材料來源分類：

1、自體材料2、同種異體器官及組織；3、異體器官及組織；4、人工合成材料；5、天然材料1.3生物材料的分類第十六頁第十七頁，共69頁。按生物材料的化學(xué)反應(yīng)性：可生物降解和吸收材料（如：聚乳酸）惰性生物醫(yī)學(xué)材料（如：聚四氟乙烯）生物活性材料（如：羥基磷灰石）第十七頁第十八頁，共69頁。根據(jù)組成和性質(zhì)分為：

1、生物醫(yī)用金屬材料

2、醫(yī)用高分子材料

3、醫(yī)用無機非金屬材料

1.3生物材料的分類第十八頁第十九頁，共69頁。1.生物醫(yī)用金屬材料醫(yī)用不銹鋼、

鈷基合金、

鈦及鈦合金、

鎳鈦形狀記憶合金、

金銀等貴重金屬、

銀汞合金、

鉭、鈮等金屬和合金。1.3生物材料的分類第十九頁第二十頁，共69頁。醫(yī)用不銹鋼ISO5834-2ASTMF648可用為人工關(guān)節(jié)、人工骨骼植入人體極低的能耗……人工關(guān)節(jié)

（1）具有一定的耐腐蝕性和良好的綜合力學(xué)性能，且加工工藝簡便，是生物醫(yī)用金屬材料中應(yīng)用最多，最廣的材料。（2）醫(yī)用不銹鋼植入活體后，可能發(fā)生點蝕，偶爾也產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞。醫(yī)用不銹鋼臨床前消毒、電解拋光和鈍化處理，可提高耐蝕性。（3）醫(yī)用不銹鋼在骨外科和齒科中應(yīng)用較多。德國產(chǎn)品UHMWPE材料1.3生物材料的分類第二十頁第二十一頁，共69頁。器械包第二十一頁第二十二頁，共69頁。第二十二頁第二十三頁，共69頁。脊柱修復(fù)支架第二十三頁第二十四頁，共69頁。

（1）鈷基合金人體內(nèi)一般保持鈍化狀態(tài)，與不銹鋼比較，鈷基合金鈍化膜更穩(wěn)定，耐蝕性更好。在所有醫(yī)用金屬材料中，其耐磨性最好，適合于制造體內(nèi)承載苛刻的長期植入件。（2）在整形外科中，用于制造人工髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)以及接骨板、骨釘、關(guān)節(jié)扣釘和骨針等。在心臟外科中，用于制造人工心臟瓣膜等。

醫(yī)用鈷基合金1.3生物材料的分類1.生物醫(yī)用金屬材料第二十四頁第二十五頁，共69頁。

醫(yī)用鈦和鈦合金Ti-Ni記憶合金血管支架（1）不僅具有良好的力學(xué)性能，而且在生理環(huán)境下具有良好的生物相容性。由于其比重小，彈性模量較其他金屬更接近天然骨，故廣泛應(yīng)用于制造各種能、膝、肘、肩等人造關(guān)節(jié)。此外，鈦合金還用于心血管系統(tǒng)。鈦合金耐磨性能不理想，且存在咬合現(xiàn)象，限制了其使用范圍。1.3生物材料的分類1.生物醫(yī)用金屬材料第二十五頁第二十六頁，共69頁。頭顱微型鋼板第二十六頁第二十七頁，共69頁。鈦板第二十七頁第二十八頁，共69頁。形狀記憶合金

1969年，那個被阿波羅登月艙帶到月球上的環(huán)形天線，就是用極薄的記憶合金材料先在正常情況下按預(yù)定要求做好，然后降低溫度把它壓成一團(tuán)，裝進(jìn)登月艙帶上天去。放到月面上以后，在陽光照射下溫度升高，當(dāng)達(dá)到轉(zhuǎn)變溫度時，天線又“記”起了自己的本來面貌，變成一個巨大的半球形。

第二十八頁第二十九頁，共69頁。形狀記憶合金

第二十九頁第三十頁，共69頁。形狀記憶合金

第三十頁第三十一頁，共69頁。鈦鑄造金屬第三十一頁第三十二頁，共69頁。2.生物醫(yī)用高分子

按應(yīng)用對象和材料物理性能分為軟組織材料、硬組織材料和生物降解材料。其可滿足人體組織器官的部分要求，因而在醫(yī)學(xué)上受到廣泛重視。目前已有數(shù)十種高分子材料適用于人體的植入材料。1.3生物材料的分類第三十二頁第三十三頁，共69頁。

軟組織材料：故主要用作為軟組織材料，特別是人工臟器的膜和管材。聚乙烯膜、聚四氟乙烯膜、硅橡膠膜和管，可用于制造人工肺、腎、心臟、喉頭、氣管、膽管、角膜。聚酯纖維可用于制造血管、腹膜等。

硬組織材料：丙烯酸高分子(即骨水泥)、聚碳酸醋、超高分子量聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）、尼龍、硅橡膠等可用于制造人工骨和人工關(guān)節(jié)。

降解材料：脂肪族聚醋具有生物降解特性，已用于可接收性手術(shù)縫線。1.3生物材料的分類2.生物醫(yī)用高分子第三十三頁第三十四頁，共69頁。人造血管第三十四頁第三十五頁，共69頁。心臟起搏器第三十五頁第三十六頁，共69頁。人工心臟瓣膜第三十六頁第三十七頁，共69頁。雙層人工皮膚Apligraf第三十七頁第三十八頁，共69頁。3.生物醫(yī)用無機非金屬材料

生物無機材料主要包括生物陶瓷、生物玻璃和醫(yī)用碳素材料。

按植入生物活體內(nèi)引起的組織與材料反應(yīng)，生物陶瓷分為:(1)近于惰性的生物陶瓷，如氧化鋁生物陶瓷、氧化鋯生物陶瓷、硼硅酸玻璃；

1.3生物材料的分類第三十八頁第三十九頁，共69頁。(2)表面活性生物陶瓷，如磷酸鈣基生物陶瓷、生物活性

玻璃陶瓷；3.生物醫(yī)用無機非金屬材料

生物活性玻璃陶瓷植入活體后，能夠與體液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并在組織表面生成羚基磷灰石層，故可用于人工種植牙根、牙冠、骨充填料和涂層材料。

與自然骨比較，生物活性玻璃陶瓷雖然具有較高的強度，但韌性較差，彈性模量過高，易脆斷，在生理環(huán)境中抗疲勞性能較差，目前還不能直接用于承力較大的人工骨。1.3生物材料的分類第三十九頁第四十頁，共69頁。

(3)可吸收性生物陶瓷，如偏磷酸三鈣生物陶瓷、硫酸鈣生物陶瓷。

（4）醫(yī)用碳素材料：具有接近于自然骨的彈性模量。3.生物醫(yī)用無機非金屬材料

a.醫(yī)用碳素材料疲勞性能最優(yōu)，強度不隨循環(huán)載荷作用而下降。無序堆垛的碳材料耐磨性理想。

b.醫(yī)用碳素材料在生理環(huán)境中較穩(wěn)定，近于惰性，具有較好的生物相容性，不會引起凝血和溶血反應(yīng)，特別適合于在生理環(huán)境中使用。

c.醫(yī)用碳材料已大量用于心血管系統(tǒng)的修復(fù)，如人工心臟瓣膜、人工血管。還可作為金屬和聚合物的涂層材料。1.3生物材料的分類第四十頁第四十一頁，共69頁。4.生物醫(yī)用復(fù)合材料

生物醫(yī)用復(fù)合材料是由二種或二種以上不同材料復(fù)合而成的。1.3生物材料的分類1.按基材分為：高分子基、陶瓷基、金屬基等生物醫(yī)用復(fù)合材

料。2.按增強體形態(tài)和性質(zhì)分為:纖維增強、顆粒增強、生物活性

物質(zhì)充填生物醫(yī)用復(fù)合材料。3.按材料植入體內(nèi)后引起的組織與材料反應(yīng)分為：生物惰性、

生物活性和可吸收性生物醫(yī)用復(fù)

合材料。第四十一頁第四十二頁，共69頁。Fig.Schematicdiagramofthescrew-shapedartificialtooth.第四十二頁第四十三頁，共69頁。納米牙齒第四十三頁第四十四頁，共69頁。珊瑚骨修復(fù)材料第四十四頁第四十五頁，共69頁。組織工程人工骨缺損修復(fù)示意圖第四十五頁第四十六頁，共69頁。組織工程人工骨缺損修復(fù)示意圖第四十六頁第四十七頁，共69頁。靶向納米微球細(xì)胞表面受體靶向,脂質(zhì)體抑制腫痛在體內(nèi)生長

(C.A.Nartchowetal.TargesomeInc.,USA)第四十七頁第四十八頁，共69頁。按應(yīng)用性質(zhì)來分類：1.3生物材料的分類

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。第四十八頁第四十九頁，共69頁。1.4生物材料的性能1.生物功能性2.生物相容性第四十九頁第五十頁，共69頁。1.生物功能性（1）概念：

指生物材料具備或完成某種生物功能時應(yīng)該具

有的一系列性能。

（2）根據(jù)用途主要分為:承受或傳遞負(fù)載功能：如人造骨骼、關(guān)節(jié)和牙等，占主導(dǎo)

地位控制血液或體液流動功能：如人工瓣膜、血管等電、光、聲傳導(dǎo)功能：如心臟起博器、人工晶狀體、耳蝸

等填充功能：如整容手術(shù)用填充體等1.4生物材料的性能第五十頁第五十一頁，共69頁。

（1）概念：指生物材料有效和長期在生物體內(nèi)或體表行使

其功能的能力。用于表征生物材料在生物體內(nèi)

與有機體相互作用的生物學(xué)行為。（2）根據(jù)材料與生物體接觸部位分為：血液相容性：材料用于心血管系統(tǒng)與血液接觸，主要考察

與血液的相互作用與心血管外的組織和器官接觸：主要考察與組織的相互作

用，也稱一般生物相容性力學(xué)相容性：考察力學(xué)性能與生物體的一致性1.4生物材料的性能2.生物相容性第五十一頁第五十二頁，共69頁。1.5生物材料的一般性能要求（1）生物相容性生物相容性主要包括血液相容性、組織相容性。材料在人體內(nèi)要求無不良反應(yīng)，不引起凝血、溶血現(xiàn)象，活體組織不發(fā)生炎癥、排拒、致癌等。（2）力學(xué)性能材料要有合適的強度、硬度、韌性、塑性等力學(xué)性能以滿足耐磨、耐壓、抗沖擊、抗疲勞、彎曲等醫(yī)用要求。第五十二頁第五十三頁，共69頁。（3）耐生物老化性能材料在活體內(nèi)要有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，能夠長期使用，即在發(fā)揮其醫(yī)療功能的同時要耐生物腐蝕、耐生物老化。（4）成形加工性能容易成形和加工，價格適中。1.5生物材料的一般性能要求第五十三頁第五十四頁，共69頁。第五十四頁第五十五頁，共69頁。1.6生物醫(yī)用材料性能評價1.生物材料機械性能評價測試標(biāo)準(zhǔn)ASTM（theAmericanSocietyforTestingandMaterials）例如：拉伸強度測試標(biāo)準(zhǔn)金屬ASTME8

橡膠ASTMD412

剛性塑料ASTMD638第五十五頁第五十六頁，共69頁。

（1）醫(yī)用金屬作為受力期間，在人體內(nèi)服役，其受力狀態(tài)及其復(fù)雜，如人工關(guān)節(jié)，每年要承受約3.6×106次、且數(shù)倍于人體重量的載荷沖擊和磨損。（2）人體骨的力學(xué)性能因年齡、部位而異，評價骨和材料的機械性能最重要的指標(biāo)有：抗拉抗壓強度、屈服強度、彈性模量、疲勞極限和斷裂韌性等；1.生物材料機械性能評價1.6生物醫(yī)用材料性能評價第五十六頁第五十七頁，共69頁。

（3）對于摩擦部位的材料，一般用硬度反映其耐磨性能。（4）彈性模量是生物材料的重要性質(zhì)之一，過高過低都不行。模量相對與骨過高，在應(yīng)力作用下，承受應(yīng)力的金屬和骨將產(chǎn)生不同的應(yīng)變，在金屬與骨的接觸面會出現(xiàn)相對位移，從而造成界面處松動；長時間下，還會造成應(yīng)力屏蔽，引起骨組織的功能退化和吸收。過低，變形較大，起不到固定和支撐作用。1.生物材料機械性能評價1.6生物醫(yī)用材料性能評價第五十七頁第五十八頁，共69頁。2.生物學(xué)評價標(biāo)準(zhǔn)

生物材料的生物學(xué)評價一般按用途、接觸方式、接觸人體部位和接觸時間等劃分，但標(biāo)準(zhǔn)還未完全實現(xiàn)統(tǒng)一，且隨著新一般生物相容材料向智能生物材料（如組織工程材料）轉(zhuǎn)變，標(biāo)準(zhǔn)還在完善。目前各國在已基本統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)化組織提出的生物標(biāo)準(zhǔn)上，保留了各自的特點。1.6生物醫(yī)用材料性能評價第五十八頁第五十九頁，共69頁。目前已有的標(biāo)準(zhǔn)有：1、ISO10993.1－1992至ISO10993.12－1992；2、美國ASTM（F748－82）標(biāo)準(zhǔn)；3、我國在美國和日本的基礎(chǔ)上，1997年由衛(wèi)生部頒布了我們自己的標(biāo)準(zhǔn)。1.6生物醫(yī)用材料性能評價2.生物學(xué)評價標(biāo)準(zhǔn)第五十九頁第六十頁，共69頁。1.7生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀我國生物材料和制品所占世界市場份額不足1.5％；產(chǎn)品技術(shù)水平處于初級階段，且產(chǎn)品單一；同類產(chǎn)品與國外產(chǎn)品比，基本上屬于仿制，自主知識產(chǎn)權(quán)較少；生物醫(yī)用材料與制品70-80%要依靠進(jìn)口；產(chǎn)業(yè)正處于起步階段。第六十頁第六十一頁，共69頁。1.7生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀我國有6,000多家制藥企業(yè)，但總體上技術(shù)資源、資金力量都比不上西方制藥企業(yè)，其中控制釋放系統(tǒng)的企業(yè)僅有有限幾家。我國企業(yè)的研發(fā)投入總體很少，無法與國際制藥相比。我國的控釋制劑以研發(fā)為主，產(chǎn)業(yè)化商品少，市場上基本為進(jìn)口藥品制劑。第六十一頁第六十二頁，共69頁。市場：社會老齡化對生物醫(yī)用材料的要求心血管、腦血管、癌癥、艾滋病等的治療常見病和傳染性疾病的預(yù)防與治療競爭：市場競爭、產(chǎn)業(yè)發(fā)展與高新技術(shù)及產(chǎn)品性價比技術(shù)：安全功能組織相容性1.7生物醫(yī)用材料遇到的挑戰(zhàn)第六十二頁第六十三頁，共69頁。國家的政策扶植國家科學(xué)、技術(shù)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個重點領(lǐng)域

1.國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展（973)計劃、國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863）、

科技攻關(guān)計劃、星火計劃、火炬計劃、科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金、

國家重點新產(chǎn)品計劃；國家自然科學(xué)基金面上、重點與重大項目；國

家計委高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化新材料專項，國家工程中