生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)

生物醫(yī)學(xué)工程基礎(chǔ)

四川大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

四川大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程研究中心10/28/20231ElementsofBiomedicalEngineering(BME)CollegeofMaterialsSci.&Eng.,SCUResearchCenterofMBE,SCU10/28/20232Contacttome四川大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

尹光福Tel.85413003(O)81801050(XM)E-mailnic0700@yingf@10/28/20233課程主要內(nèi)容

1、緒論(尹光福教授)

2、生物醫(yī)學(xué)材料(尹光福教授)3、生物力學(xué)(蔣文濤副教授)

4、人工器官(蘇葆輝副教授)5、生物醫(yī)學(xué)儀器(鄒遠(yuǎn)文副教授)

6、生物醫(yī)學(xué)圖像(林江莉副教授)10/28/202341.1、生物醫(yī)學(xué)工程的定義1.2、生物醫(yī)學(xué)工程研究內(nèi)容和基本任務(wù)1.3、生物醫(yī)學(xué)工程的特點(diǎn)1.4、生物醫(yī)學(xué)工程的發(fā)展第一章緒論－－教學(xué)內(nèi)容10/28/202352.1、生物醫(yī)學(xué)材料概論2.2、生物材料表面與血液及組織成分的相互作用2.3、金屬材料的毒理學(xué)2.4、陶瓷材料的毒理學(xué)2.5、材料在體內(nèi)的生物降解2.6、生物醫(yī)學(xué)材料的免疫學(xué)2.7、無機(jī)生物醫(yī)學(xué)材料2.8、金屬生物醫(yī)學(xué)材料2.9、醫(yī)用高分子材料2.10組織工程材料第二章生物醫(yī)學(xué)材料－－教學(xué)內(nèi)容10/28/20236第一章緒論10/28/20237主要參考書鄭昌瓊、裴覺民主編，生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)，四川大學(xué)內(nèi)部講義，200011

俞夢孫、蔣大宗主編，中國生物醫(yī)學(xué)工程的今天與明天，天津科技翻譯出版社，199812陳百萬主編，生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)，科學(xué)出版社，1997年10/28/20238邊緣交叉科學(xué)

(Interdisciplinary)綜合：

生物學(xué)醫(yī)學(xué)工程學(xué)

理論和方法近幾十年內(nèi)建立與發(fā)展10/28/20239什么是生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)

還沒有一個公認(rèn)的定義隨科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而改變隨生物醫(yī)學(xué)工程研究領(lǐng)域而拓展若干個生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)的奠基人和著名權(quán)威曾有過幾個定義10/28/202310對生物醫(yī)學(xué)工程三個有代表性的定義表述10/28/202311工程應(yīng)用學(xué)說

三合一學(xué)說

生物醫(yī)學(xué)工程結(jié)合學(xué)說

10/28/202312“三合一學(xué)說”生物學(xué)＋醫(yī)學(xué)＋工程學(xué)＝生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)10/28/202313“工程應(yīng)用學(xué)說”生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)是工程學(xué)在醫(yī)學(xué)和生物學(xué)中的應(yīng)用10/28/202314“結(jié)合學(xué)說”

生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)是生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和其它非生物學(xué)科的結(jié)合10/28/202315現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的主要任務(wù)：診斷－－治療－－康復(fù)－－預(yù)防10/28/202316(1)、疾病預(yù)防中的生物醫(yī)學(xué)工程病毒與細(xì)菌的隔離病毒與細(xì)菌的殺滅有毒、有害物質(zhì)的清除10/28/20231710/28/202318含納米二氧化鈦、納米銀的抗菌涂料10/28/202319醫(yī)學(xué)圖像

超聲圖像、CT、X-光片………生物信號

心電、腦電……….醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)

核磁共振、內(nèi)窺檢驗(yàn)………..(2)、醫(yī)學(xué)診斷中的生物醫(yī)學(xué)工程10/28/202320X－CT放射性核素成像彩色多普勒超聲圖像心電監(jiān)視儀彩色B型超聲儀10/28/202321激光手術(shù)、γ-刀超聲碎石癌癥的放射治療與化學(xué)治療靶向藥物與生物導(dǎo)彈器官修復(fù)中的組織工程人工胰－－血糖測定與胰島素注射(3)、醫(yī)學(xué)治療中的生物醫(yī)學(xué)工程10/28/202322人工生物瓣全人工心臟膜式人工肺組織工程骨修復(fù)胰島素藥泵介入治療導(dǎo)管10/28/202323畸形矯正人工義肢可視義眼人工耳膜(4)、醫(yī)學(xué)康復(fù)中的生物醫(yī)學(xué)工程10/28/20232410/28/202325總體概念都是說的生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和工程學(xué)相互融合、依存的關(guān)系。生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)是綜合生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和工程學(xué)的理論和方法而發(fā)展起來的邊緣學(xué)科10/28/202326一般定義

“應(yīng)用物理學(xué)和工程學(xué)的技術(shù)來解決生命系統(tǒng)中的問題，突出強(qiáng)調(diào)人類疾病的診斷、治療和預(yù)防”

-----------生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)10/28/202327生物醫(yī)學(xué)工程工程學(xué)生物學(xué)醫(yī)學(xué)10/28/202328更詳細(xì)說明：

綜合運(yùn)用現(xiàn)代自然科學(xué)和工程技術(shù)的原理、方法，從工程學(xué)的角度，在多種層次上研究生物體，特別是人體的結(jié)構(gòu)、功能和其它生命現(xiàn)象，揭示和論證生命運(yùn)動的規(guī)律，深化對生命系統(tǒng)的認(rèn)識，提供防病、治病、衛(wèi)生保健、康復(fù)、安全防護(hù)的新理論和新方法，設(shè)計(jì)和研制用于防病、治病等的新材料、人工器官、裝置與系統(tǒng)的新興交叉學(xué)科10/28/202329生物醫(yī)學(xué)工程的目標(biāo)

幾乎所有工程學(xué)和物理學(xué)都可與生物醫(yī)學(xué)相互結(jié)合

探索人類正常生理學(xué)

表征組織與器官的病變機(jī)理

給出研究和技術(shù)開發(fā)的最佳手段

提供治療與預(yù)防的有效方法10/28/2023301.2生物醫(yī)學(xué)工程：

研究內(nèi)容和基本任務(wù)10/28/202331基本任務(wù)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)的基本任務(wù)是運(yùn)用工程技術(shù)手段，研究和解決生物學(xué)和醫(yī)學(xué)中的有關(guān)問題10/28/202332研究方法生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)以應(yīng)用基礎(chǔ)性研究為主，研究的對象是人體(一個多層次的龐大系統(tǒng))，所涉及的領(lǐng)域十分廣泛，并在不斷的擴(kuò)展之中10/28/202333

從微觀層次、組織器官層次和整體層次：

(1)、研究探索人類正常生理學(xué)；(2)、表征組織與器官的病變機(jī)理；(3)、給出研究和技術(shù)開發(fā)的最佳手段；(4)、提供治療與預(yù)防的有效方法研究內(nèi)容10/28/202334目前涉及較多的學(xué)科

醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、力學(xué)、材料學(xué)、制造學(xué)、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等……10/28/202335主要研究領(lǐng)域①生物力學(xué)②生物材料學(xué)③人工器官④生物系統(tǒng)建模與仿真⑤生物醫(yī)學(xué)信號與傳感器⑥生物醫(yī)學(xué)信息處理⑦醫(yī)學(xué)圖像技術(shù)⑧物理因子在治療中應(yīng)用及生物學(xué)效應(yīng)10/28/202336

各研究領(lǐng)域既相互獨(dú)立，又相互交叉，相互支撐10/28/2023371.3

生物醫(yī)學(xué)工程的特點(diǎn)10/28/202338

新興、綜合、交叉與邊緣科學(xué)10/28/202339A、迅速發(fā)展的新興學(xué)科

生物醫(yī)學(xué)工程是在近幾十年才從醫(yī)學(xué)中分離而形成一門獨(dú)立學(xué)科。當(dāng)代高新科技的飛速發(fā)展，為它提供基礎(chǔ)10/28/202340B、大跨度、多學(xué)科的綜合性應(yīng)用學(xué)科醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、力學(xué)、材料學(xué)、制造學(xué)、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等學(xué)科的有機(jī)結(jié)合，甚至涉及社會、倫理、道德、法律等

非生命科學(xué)到生命科學(xué)

自然科學(xué)到人文科學(xué)10/28/202341C、生物醫(yī)學(xué)工程是醫(yī)學(xué)和生物學(xué)發(fā)展的重要動力一方面生物醫(yī)學(xué)工程為醫(yī)學(xué)、生物學(xué)提供技術(shù)與裝備另一方面又為醫(yī)學(xué)和生物學(xué)的發(fā)展開辟新路

－－帶來生物學(xué)與醫(yī)學(xué)的變革10/28/202342D、生物醫(yī)學(xué)工程是社會效益與經(jīng)濟(jì)效益的綜合

醫(yī)學(xué)重于社會效益，工程重于經(jīng)濟(jì)效益，生物醫(yī)學(xué)工程是醫(yī)學(xué)與工程學(xué)的結(jié)合，則是社會效益與經(jīng)濟(jì)效益必然的結(jié)合10/28/202343堅(jiān)持“以人為本”的宗旨反對“利益至上”的傾向

必須在保證功能性的同時，保證不對宿主造成任何顯著的危害(無論是長期的還是短期的)10/28/202344醫(yī)學(xué)從業(yè)者的規(guī)范生物醫(yī)學(xué)工程從業(yè)者的道德規(guī)范－－HippocraticOath(希波克拉底誓言)10/28/202345Hippocratic，西方醫(yī)學(xué)之父、人類醫(yī)學(xué)史上最偉大的人物、古希臘醫(yī)學(xué)黃金時代的締造者2400多年前的誓言時至今日仍然影響著西方醫(yī)學(xué)界；作為職業(yè)道德的圣典，它的規(guī)范作用又遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出醫(yī)學(xué)界，成為適合一切人類社會組織抑制人性之惡的道德規(guī)范

10/28/202346HippocraticOath

IswearbyApollothephysician,byAesculapius,Hygeia,andPanacea,andItaketowitnessallthegods,allthegoddesses,tokeepaccordingtomyabilityandmyjudgementthefollowingoath.

10/28/202347HippocraticOath

Toconsiderdeartomeasmyparentshimwhotaughtmethisart,toliveincommonwithhim,andifnecessarytosharemygoodswithhim,tolookuponhimchildrenasmyownbrothers,toteachthemthisartiftheysodesirewithoutfeeorwrittenpromise,toimparttomysonsandthesonsofthemasterwhotaughtmeandthediscipleswhohaveenrolledthemselvesandhaveagreedtotherulesoftheprofession,buttothesealone,thepreceptsandtheinstruction.

10/28/202348HippocraticOath

Iwillprescriberegimenforthegoodofmypatientsaccordingtomyabilityandmyjudgementandneverdoharmtoanyone.TopleasenoonewillIprescribeadeadlydrug,norgiveadvicewhichmaycausehisdeath.NorwillIgiveawomanapessarytoprocureabortion.ButIwillpreservethepurityofmylifeandmyart.Iwillnotcutforstone,evenforpatientsinwhomthediseaseismanifest.Iwillleavethisoperationtobeperformedbypractitioners(specialistinthisart).IneveryhousewhereIcomeIwillenteronlyforthegoodofmypatients,keepingmyselffarfromallintentionalill-doingandallseduction.Allthatmaycometomyknowledgeintheexerciseofmyprofessionorindailycommercewithmen,whichoughtnottobespreadabroad,Iwillkeepsecretandwillneverrevealit.

10/28/202349HippocraticOath

IfIkeepthisoathfaithfully,mayIenjoymylifeandpracticemyart,respectedbyallmenandinalltimes,butifIswervefromitorviolateit,maythereversebemylot.

10/28/202350仰賴醫(yī)神阿波羅，埃斯克列彼斯及天地諸神為證，鄙人敬謹(jǐn)宣誓愿以自身能力及判斷力所及，遵守此約凡授我藝者敬之如父母，作為終身同業(yè)伴侶我愿盡余之能力及判斷力所及，遵守為病家謀利益之信條，并檢束一切墮落及害人行為，我不得將危害藥品給與他人，并不作該項(xiàng)之指導(dǎo)。我愿以此純潔與神圣之精神，終身執(zhí)行我職務(wù)無論至于何處，遇男遇女，貴人及奴婢，我之唯一目的，為病家謀幸福并檢點(diǎn)吾身，不作各種害人及惡劣行為。凡我所見所聞，我認(rèn)為應(yīng)守秘密者，我愿保守秘密倘使我嚴(yán)守上述誓言時，請求神讓我生命與醫(yī)術(shù)能得無上光榮，我茍違誓，天地鬼神實(shí)共殛之希波克拉底誓言－－HippocraticOath10/28/202351職業(yè)守則與道德規(guī)范對知識傳授者保持感恩之心為服務(wù)對象謀利益，做自己有能力做的事

絕不利用職業(yè)便利做缺德乃至違法的事情嚴(yán)格保守秘密，尊重個人隱私10/28/2023521.4

生物醫(yī)學(xué)工程的發(fā)展10/28/2023531.4.1

生物醫(yī)學(xué)工程發(fā)展歷史10/28/202354

科學(xué)技術(shù)手段應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已有很長的歷史

但是生物醫(yī)學(xué)工程形成一門獨(dú)立學(xué)科卻是近幾十年的事10/28/202355二十世紀(jì)五十年代隨著材料學(xué)、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息科學(xué)的飛速發(fā)展，這些科技愈來愈廣泛地應(yīng)用到生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中來同時，迅速發(fā)展的生物醫(yī)學(xué)也向工程技術(shù)提出了愈來愈多、愈來愈高的要求10/28/202356形成獨(dú)立學(xué)科逐漸的，生物醫(yī)學(xué)工程的內(nèi)容變得不再是生物醫(yī)學(xué)的附屬品生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)又是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)和生物學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)和重要條件10/28/2023571.4.2

生物醫(yī)學(xué)工程發(fā)展現(xiàn)狀10/28/202358當(dāng)前，生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)已發(fā)展到一個相當(dāng)高的水平，在醫(yī)學(xué)的幾乎所有領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)揮、將會發(fā)揮巨大的作用10/28/202359

生物力學(xué)在人體生理系統(tǒng)建模與仿真中的巨大作用

細(xì)胞力學(xué)、運(yùn)動力學(xué)、血流動力學(xué)、呼吸力學(xué)……10/28/202360

生物醫(yī)學(xué)材料在人體組織與器官修復(fù)(替代)中的巨大作用

硬組織修復(fù)與替代、軟組織修復(fù)與替代、血管替代、人造皮膚、各類人工器官……10/28/202361

人工器官在人體生理功能恢復(fù)中的巨大作用

人工心臟、人工心臟瓣膜、人工肺、人工腎、人工胰……10/28/202362

生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)在生物醫(yī)學(xué)工程中的巨大作用

生物醫(yī)學(xué)信號檢測、處理與識別是是醫(yī)學(xué)圖象處理的基礎(chǔ)，與生物材料、生物力學(xué)、人工器官、生物醫(yī)學(xué)儀器等關(guān)系密切……10/28/202363

生物醫(yī)學(xué)圖像技術(shù)在臨床診斷中的巨大作用

X光片、CT圖像、B型超聲波圖像、核磁共振……10/28/202364

生物醫(yī)學(xué)儀器對提高醫(yī)學(xué)整體水平的巨大作用

生理功能分析、放射治療、超聲碎石、γ刀、細(xì)胞刀、康復(fù)輔助系統(tǒng)……10/28/202365

1.4.3.生物醫(yī)學(xué)工程產(chǎn)業(yè)發(fā)展10/28/202366

近20年，生物醫(yī)學(xué)工程制品飛速發(fā)展并形成規(guī)模性產(chǎn)業(yè)，將成為21世紀(jì)國際經(jīng)濟(jì)的主要支柱產(chǎn)業(yè)之一10/28/202367

社會需求量大，產(chǎn)品技術(shù)含量和產(chǎn)品附加值高

美國目前已有1100萬人體內(nèi)植入有一個人工器官，200萬人體內(nèi)有2個或2個以上人工器官10/28/202368

1995年世界生物醫(yī)學(xué)工程產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值約1200億美元，目前超過3000億美元，年增長率持續(xù)保持在15－20％10/28/202369

美國、日本、西歐等發(fā)達(dá)國家都把生物醫(yī)學(xué)工程列入高技術(shù)發(fā)展的前沿10/28/202370

我國有13億人口，醫(yī)療保健基數(shù)大，生物醫(yī)學(xué)材料和人工器官的需求量大

▲肢體不自由患者約1500萬

▲每年骨缺損和骨損傷約300萬

▲牙缺損(缺失)患者占總?cè)丝?/3▲大量血液病患者需人工腎

▲大量糖尿病患者需人工胰10/28/202371

我國生物醫(yī)學(xué)工程產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)薄弱，絕大部分依靠進(jìn)口，目前巨大的社會需求與薄弱的研究開發(fā)及產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)形成尖銳的矛盾10/28/202372

1999年，國家制訂“中國生物醫(yī)學(xué)工程產(chǎn)業(yè)發(fā)展綱要”10/28/202373

“培育生物醫(yī)學(xué)工程產(chǎn)業(yè)，使之保持15％－20％的增長率，到2005年工業(yè)總產(chǎn)值達(dá)到400－500億元，2010年達(dá)1000億元的發(fā)展目標(biāo)”10/28/202374第二章生物醫(yī)學(xué)材料BiomedicalMaterial10/28/2023751鄭昌瓊、裴覺民主編，生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)，四川大學(xué)內(nèi)部講義，20002吳增樹、李國光、王定國，生物材料毒理學(xué)及應(yīng)用，成都科技大學(xué)出版社，19883李玉寶主編，生物醫(yī)學(xué)材料，化學(xué)工業(yè)出版社，20034李玉寶主編，納米生物醫(yī)藥材料，化學(xué)工業(yè)出版社，20045BuddyD.Ratner,AllanS.Hoffman,FrederickJ.Schoen,JackE.Lemons,BiomaterialsScience,AcademicPress,1996主要參考書籍10/28/2023762.1、生物醫(yī)學(xué)材料概論2.2、生物材料表面與血液及組織成分的相互作用2.3、金屬材料的毒理學(xué)2.4、陶瓷材料的毒理學(xué)2.5、材料在體內(nèi)的生物降解2.6、生物醫(yī)學(xué)材料的免疫學(xué)2.7、無機(jī)生物醫(yī)學(xué)材料2.8、金屬生物醫(yī)學(xué)材料2.9、醫(yī)用高分子材料2.10組織工程材料第二章教學(xué)內(nèi)容10/28/2023772.1生物醫(yī)學(xué)材料概論10/28/2023782.1生物醫(yī)學(xué)材料概論生物醫(yī)學(xué)材料(BiomedicalMaterials)

★生物醫(yī)學(xué)工程的重要分支

★生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、材料學(xué)的交叉學(xué)科

★生物醫(yī)學(xué)工程的物質(zhì)基礎(chǔ)10/28/2023792.1.1生物材料和生物醫(yī)學(xué)材料的定義10/28/2023802.1.1生物材料和生物醫(yī)學(xué)材料的定義生物材料(Biomaterial)生物醫(yī)學(xué)材料(BiomedicalMaterial)－－其定義隨科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而演變10/28/202381臨床中常用的生物醫(yī)學(xué)材料10/28/202382磷酸鈣生物陶瓷制品10/28/202383生物材料(Biomaterials)

“植入活體內(nèi)或與活體結(jié)合而設(shè)計(jì)的與活體系統(tǒng)不起藥物反應(yīng)的惰性物質(zhì)”

－－1960‘s，ClemsonUniv.,USA特征：人造、非生命、醫(yī)用、生物相容2.1.1生物材料和生物醫(yī)學(xué)材料的定義10/28/202384無藥物反應(yīng)－－－生物材料與藥物的區(qū)別惰性－－－化學(xué)穩(wěn)定、生物穩(wěn)定

隨著生物材料的發(fā)展，該定義已明顯不適應(yīng)生物材料的功能與范疇的飛速發(fā)展

－－－載藥生物材料、生物活性材料2.1.1生物材料和生物醫(yī)學(xué)材料的定義10/28/202385載藥生物材料(藥物緩釋材料)

在材料(最常見的是修復(fù)材料)中復(fù)合治療藥物，植入人體后緩慢釋放，進(jìn)行輔助治療2.1.1生物材料和生物醫(yī)學(xué)材料的定義10/28/202386生物活性材料(Bio-activeMaterial)

植入后，按照預(yù)先設(shè)計(jì)進(jìn)行生物降解或與生物系統(tǒng)發(fā)生一定作用，促使生理功能的恢復(fù)

如：BMP/TCP骨修復(fù)材料

(特征：可降解、可誘導(dǎo)成骨)2.1.1生物材料和生物醫(yī)學(xué)材料的定義10/28/202387

“生物醫(yī)學(xué)材料是用于取代、修復(fù)活體組織的人造或天然的材料”－－－1980’s

不限制：人造/天然，體內(nèi)/體外，活性/惰性，長期/短期

范圍：醫(yī)用、生物相容2.1.1生物材料和生物醫(yī)學(xué)材料的定義10/28/202388

除醫(yī)學(xué)中使用的生物材料外，還有大量應(yīng)用于生物學(xué)領(lǐng)域的材料，如細(xì)胞培養(yǎng)、蛋白質(zhì)處理等，目前也將其劃入生物材料的范疇2.1.1生物材料和生物醫(yī)學(xué)材料的定義10/28/2023892.1.1生物材料和生物醫(yī)學(xué)材料的定義BiomaterialsBiologicalMaterialsBiomedicalMaterials

特指醫(yī)用材料其它生物學(xué)應(yīng)用材料10/28/202390

生物醫(yī)學(xué)材料的應(yīng)用特征：生物醫(yī)學(xué)材料很少單獨(dú)使用，通常是結(jié)合在醫(yī)學(xué)裝置中替代發(fā)生病變或失去功能的生命體器官2.1.2生物醫(yī)學(xué)材料的發(fā)展

A、生物醫(yī)學(xué)材料應(yīng)用的發(fā)展10/28/202391最早的應(yīng)用可追溯到公元前3500年棉花纖維、馬鬃縫合傷口－－－古埃及，BC.3500

木片修補(bǔ)顱骨缺損－－－墨西哥印地安人2.1.2生物醫(yī)學(xué)材料的發(fā)展

A、生物醫(yī)學(xué)材料應(yīng)用的發(fā)展10/28/2023922.1.2生物醫(yī)學(xué)材料的發(fā)展

A、生物醫(yī)學(xué)材料應(yīng)用的發(fā)展

木質(zhì)及石質(zhì)的假牙、假鼻、假耳－－－中國、埃及，BC.2500

黃金修補(bǔ)牙缺損－－－中國、埃及、羅馬，BC.200010/28/202393據(jù)文獻(xiàn)記載

1588年，黃金板修復(fù)顎骨

1775年，金屬內(nèi)固定骨折

1809年，黃金種植牙

1851年，天然硫化橡膠制作人工牙托及顎骨2.1.2生物醫(yī)學(xué)材料的發(fā)展

A、生物醫(yī)學(xué)材料應(yīng)用的發(fā)展10/28/2023942.1.2生物醫(yī)學(xué)材料的發(fā)展

A、生物醫(yī)學(xué)材料應(yīng)用的發(fā)展

進(jìn)入20世紀(jì)，高分子材料的應(yīng)用帶來了生物醫(yī)學(xué)材料的巨大發(fā)展－1937年，PMMA用于牙科－1940‘s，維尼龍用于血管修復(fù)－1958年，滌綸用于動脈修復(fù)

－1960’s，PMMA、UHMPE全髖關(guān)節(jié)10/28/202395自20世紀(jì)50年代，各種復(fù)雜人工器官的出現(xiàn)，標(biāo)志著生物醫(yī)學(xué)材料及人工關(guān)節(jié)的發(fā)展進(jìn)入了新的階段－－生物醫(yī)學(xué)材料學(xué)科與其它相關(guān)技術(shù)的交叉與滲透更趨深入

人工心臟瓣膜、人工肺、人工腎、人工心臟、人工胰……2.1.2生物醫(yī)學(xué)材料的發(fā)展

A、生物醫(yī)學(xué)材料應(yīng)用的發(fā)展10/28/202396

近20年，生物醫(yī)學(xué)材料及其制品飛速發(fā)展并形成規(guī)模性產(chǎn)業(yè)，將成為21世紀(jì)國際經(jīng)濟(jì)的主要支柱產(chǎn)業(yè)之一2.1.2生物醫(yī)學(xué)材料的發(fā)展

B、生物醫(yī)學(xué)材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展10/28/202397

目前，生物醫(yī)學(xué)材料和人工器官所占世界醫(yī)療器械市場份額已接近60％，1995年產(chǎn)值超過700億美元，年增長率持續(xù)保持在15－20％2.1.2生物醫(yī)學(xué)材料的發(fā)展

B、生物醫(yī)學(xué)材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展10/28/202398

美國在“先進(jìn)材料加工計(jì)劃”中，將生物醫(yī)學(xué)材料列為第一位發(fā)展的材料

日本將生物醫(yī)學(xué)材料列入高技術(shù)新材料發(fā)展的前沿2.1.2生物醫(yī)學(xué)材料的發(fā)展

B、生物醫(yī)學(xué)材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展10/28/202399

我國生物醫(yī)學(xué)材料產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)薄弱，絕大部分依靠進(jìn)口，目前巨大的社會需求與薄弱的研究開發(fā)及產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)形成尖銳的矛盾2.1.2生物醫(yī)學(xué)材料的發(fā)展

B、生物醫(yī)學(xué)材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展10/28/2023100

機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存

1999年，國家制訂“中國生物醫(yī)學(xué)工程產(chǎn)業(yè)發(fā)展綱要”2.1.2生物醫(yī)學(xué)材料的發(fā)展

B、生物醫(yī)學(xué)材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展10/28/2023101

其中重點(diǎn)任務(wù)的第一條為：生物醫(yī)學(xué)材料及其應(yīng)用的研究開發(fā)，開展對人工器官、體內(nèi)植入物和相應(yīng)裝置的研制2.1.2生物醫(yī)學(xué)材料的發(fā)展

B、生物醫(yī)學(xué)材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展10/28/20231022.1.3生物醫(yī)學(xué)材料的基本性能要求10/28/2023103

A、生物功能性－－－(Biofunctionability)B、生物相容性－－－(Biocompatibility)C、生物安全性－－－(BiologicalSafety)2.1.3生物醫(yī)學(xué)材料的基本性能要求

生物相容性

生物功能性

基本性能要求生物安全性

10/28/2023104A、生物醫(yī)學(xué)材料的生物功能性2.1.3生物醫(yī)學(xué)材料的基本性能要求

10/28/2023105

生物醫(yī)學(xué)材料的生物功能性是指生物醫(yī)學(xué)材料在植入后行使功能的能力，或?yàn)閳?zhí)行功能，其自身和植入位置應(yīng)當(dāng)滿足的適當(dāng)?shù)奈锢砘瘜W(xué)要求2.1.3生物醫(yī)學(xué)材料的基本性能要求

A、生物醫(yī)學(xué)材料的生物功能性10/28/2023106生物醫(yī)學(xué)材料能否有效行使功能，除與其自身物理化學(xué)性質(zhì)相關(guān)外，還和其所處的生物環(huán)境相關(guān)2.1.3生物醫(yī)學(xué)材料的基本性能要求

A、生物醫(yī)學(xué)材料的生物功能性10/28/2023107物理、化學(xué)性能要求★人工心臟瓣膜－－耐磨、耐蝕★顱骨修復(fù)材料－－強(qiáng)度、導(dǎo)熱性★齒科修復(fù)材料－－硬度、耐磨、導(dǎo)熱性★血管修復(fù)材料－－柔性、化學(xué)穩(wěn)定性★骨修復(fù)材料－－硬度、強(qiáng)度、彈性模量

…………2.1.3生物醫(yī)學(xué)材料的基本性能要求

A、生物醫(yī)學(xué)材料的生物功能性10/28/2023108B、生物醫(yī)學(xué)材料的生物相容性2.1.3生物醫(yī)學(xué)材料的基本性能要求

10/28/2023109

生物相容性是指生命體組織與非生命材料產(chǎn)生合乎要求的反應(yīng)(生物學(xué)行為)的一種性能，決定于材料與活體間的相互作用2.1.3生物醫(yī)學(xué)材料的基本性能要求

B、生物醫(yī)學(xué)材料的生物相容性10/28/20231102.1.3生物醫(yī)學(xué)材料的基本性能要求

B、生物醫(yī)學(xué)材料的生物相容性材料與活體間相互作用宿主反應(yīng)材料反應(yīng)10/28/2023111宿主反應(yīng)：

包括局部和全身反應(yīng)，其結(jié)果導(dǎo)致對機(jī)體的毒副作用和機(jī)體對材料的排斥

炎癥、細(xì)胞毒性、凝血、溶血、刺激性、致敏、致癌、致誘變、致畸、免疫反應(yīng)等2.1.3生物醫(yī)學(xué)材料的基本性能要求

B、生物醫(yī)學(xué)材料的生物相容性10/28/2023112材料反應(yīng)：

主要來自生物環(huán)境對材料的腐蝕和降解，可能使材料性質(zhì)腐蝕變化，甚至破壞2.1.3生物醫(yī)學(xué)材料的基本性能要求

B、生物醫(yī)學(xué)材料的生物相容性10/28/2023113

生物醫(yī)學(xué)材料植入人體后，其宿主反應(yīng)和材料反應(yīng)必須保持在可接受的水平2.1.3生物醫(yī)學(xué)材料的基本性能要求

B、生物醫(yī)學(xué)材料的生物相容性10/28/2023114

材料的生物相容性與其使用的環(huán)境和條件密切相關(guān)

與血液直接接觸的材料主要考察其與血液的相互作用，稱為血液相容性

與肌肉、骨骼、皮膚等長期接觸材料的生物相容性，稱為組織相容性2.1.3生物醫(yī)學(xué)材料的基本性能要求

B、生物醫(yī)學(xué)材料的生物相容性10/28/2023115

采用生物學(xué)方法檢測材料對受體的毒副作用，從而預(yù)測該材料在醫(yī)學(xué)實(shí)際應(yīng)用中的安全性

包括：材料對受體局部組織、血液和整體的反應(yīng)，對受體的遺傳效應(yīng)等2.1.3生物醫(yī)學(xué)材料的基本性能要求

C、生物醫(yī)學(xué)材料的生物安全性10/28/2023116

1992年，ISO制定頒布了醫(yī)用裝置的生物學(xué)評價標(biāo)準(zhǔn)

－－－ISO10993－1992

1997年，中國醫(yī)療器械生物學(xué)評價標(biāo)準(zhǔn)GB/T16886采用了國際標(biāo)準(zhǔn)2.1.3生物醫(yī)學(xué)材料的基本性能要求

B、生物醫(yī)學(xué)材料的生物相容性10/28/2023117A、按材料化學(xué)組份劃分B、按材料來源劃分C、按使用要求劃分D、按應(yīng)用部位及功能劃分2.1.4生物醫(yī)學(xué)材料的分類10/28/2023118(1)、無機(jī)生物醫(yī)學(xué)材料(2)、金屬及合金生物醫(yī)學(xué)材料(3)、高分子生物醫(yī)學(xué)材料(4)、復(fù)合生物醫(yī)學(xué)材料(5)、生物功能材料2.1.4生物醫(yī)學(xué)材料的分類

A、按材料化學(xué)組份劃分10/28/2023119

無機(jī)生物醫(yī)學(xué)材料(InorganicBiomedicalMaterials)又稱為生物陶瓷(Bioceramics)

如生物玻璃、生物玻璃陶瓷、氧化鋁陶瓷、氧化鋯陶瓷、碳素材料、羥基磷灰石、磷酸鈣陶瓷等2.1.4生物醫(yī)學(xué)材料的分類

A、按材料化學(xué)組份劃分10/28/2023120

金屬及合金生物醫(yī)學(xué)材料

(

MetallicBiomedicalMaterials

)

主要為不銹鋼、鈷基合金、鈦及鈦合金等2.1.4生物醫(yī)學(xué)材料的分類

A、按材料化學(xué)組份劃分10/28/2023121

高分子生物醫(yī)學(xué)材料(PolymericBiomedicalMaterials)亦稱為醫(yī)用高分子材料(PolymersforMedicalUses)

如聚硅氧烷、聚氨酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚醚、聚砜、聚四氟乙烯、聚丙烯晴、聚碳酸酯、聚乳酸……2.1.4生物醫(yī)學(xué)材料的分類

A、按材料化學(xué)組份劃分10/28/2023122復(fù)合生物醫(yī)學(xué)材料(BiomedicalComposite)

多種不同類型材料復(fù)合而成的生物相容性材料2.1.4生物醫(yī)學(xué)材料的分類

A、按材料化學(xué)組份劃分10/28/2023123

根據(jù)應(yīng)用目的和性能要求的不同，復(fù)合組份及構(gòu)成方式多種多樣2.1.4生物醫(yī)學(xué)材料的分類

A、按材料化學(xué)組份劃分10/28/2023124復(fù)合體系：

有機(jī)/有機(jī)復(fù)合

有機(jī)/無機(jī)復(fù)合

無機(jī)/無機(jī)復(fù)合

金屬/無機(jī)復(fù)合2.1.4生物醫(yī)學(xué)材料的分類

A、按材料化學(xué)組份劃分10/28/2023125復(fù)合方式：

表面復(fù)合整體復(fù)合

多層復(fù)合2.1.4生物醫(yī)學(xué)材料的分類

A、按材料化學(xué)組份劃分10/28/2023126復(fù)合目的：

增強(qiáng)

改性

功能化2.1.4生物醫(yī)學(xué)材料的分類

A、按材料化學(xué)組份劃分10/28/2023127

典型復(fù)合生物醫(yī)學(xué)材料舉例

1、聚砜、聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯用碳纖維、陶瓷粉末等增強(qiáng)后用于制備人工關(guān)節(jié)、人工齒根、骨水泥等2.1.4生物醫(yī)學(xué)材料的分類

A、按材料化學(xué)組份劃分10/28/2023128典型復(fù)合生物醫(yī)學(xué)材料舉例

2、碳纖維增強(qiáng)無定形碳制作人工心臟瓣膜2.1.4生物醫(yī)學(xué)材料的分類

A、按材料化學(xué)組份劃分10/28/2023129典型復(fù)合生物醫(yī)學(xué)材料舉例

3、鈦合金基涂層類金剛石碳制作人工心臟瓣膜2.1.4生物醫(yī)學(xué)材料的分類

A、按材料化學(xué)組份劃分10/28/2023130典型復(fù)合生物醫(yī)學(xué)材料舉例

4、聚乳酸/磷酸三鈣復(fù)合可生物降解人骨修復(fù)材料2.1.4生物醫(yī)學(xué)材料的分類

A、按材料化學(xué)組份劃分10/28/2023131典型復(fù)合生物醫(yī)學(xué)材料舉例

5、鈦合金表面噴涂羥基磷灰石制作人工骨、人工關(guān)節(jié)2.1.4生物醫(yī)學(xué)材料的分類

A、按材料化學(xué)組份劃分10/28/2023132鈦合金基/類金剛石涂層人工心瓣上：雙葉冀型瓣下：鉤碟瓣10/28/2023133

生物功能材料(BiologicallyFunctionalMaterials)

采用物理或化學(xué)的方法將生物活性分子如酶、抗體、抗原、多糖類、酯類、藥物及細(xì)胞等固定在材料表面或內(nèi)部，構(gòu)成具有生理功能的生物醫(yī)學(xué)材料2.1.4生物醫(yī)學(xué)材料的分類

A、按材料化學(xué)組份劃分10/28/2023134

該類材料是活體材料與非活體材料雜化組成的新型復(fù)合生物醫(yī)學(xué)材料，也稱為雜化生物醫(yī)學(xué)材料2.1.4生物醫(yī)學(xué)材料的分類

A、按材料化學(xué)組份劃分10/28/2023135

肝素化處理的各類高分子材料抗凝血導(dǎo)管、插管、分流管，在臨床上已廣泛采用2.1.4生物醫(yī)學(xué)材料的分類

A、按材料化學(xué)組份劃分10/28/2023136

骨髓基質(zhì)干細(xì)胞種植TCP/PLLA可生物降解、可骨誘導(dǎo)生長骨修復(fù)材料2.1.4生物醫(yī)學(xué)材料的分類

A、按材料化學(xué)組份劃分10/28/2023137

骨形態(tài)發(fā)生蛋白BMP復(fù)合TCP/PLLA可生物降解、可誘導(dǎo)成骨的骨修復(fù)材料2.1.4生物醫(yī)學(xué)材料的分類

A、按材料化學(xué)組份劃分10/28/2023138(1)、天然生物醫(yī)學(xué)材料(2)、合成生物醫(yī)學(xué)材料2.1.4生物醫(yī)學(xué)材料的分類

B、按材料來源劃分10/28/2023139(1)、天然生物醫(yī)學(xué)材料天然生物醫(yī)學(xué)材料包括天然生物材料及以此為基礎(chǔ)的生物衍生材料2.1.4生物醫(yī)學(xué)材料的分類

B、按材料來源劃分10/28/2023140天然生物材料(NaturalBiologicalMaterials)是來自人體自身組織、同種(如人尸體)或異種(如動物)同類器官與組織的材料2.1.4生物醫(yī)學(xué)材料的分類

B、按材料來源劃分10/28/2023141

構(gòu)成機(jī)體的基本物質(zhì)如蛋白質(zhì)、多糖和核酸核糖以及由此而構(gòu)成的人類和動物機(jī)體的皮膚、肌肉和器官都是高分子化合物，因此天然生物材料主要為天然高分子材料2.1.4生物醫(yī)學(xué)材料的分類

B、按材料來源劃分10/28/2023142

天然高分子材料由于其多功能性，生物相容性和可生物降解性，是人類最早使用的醫(yī)用材料之一2.1.4生物醫(yī)學(xué)材料的分類

B、按材料來源劃分10/28/2023143直接使用天然生物材料可能引起免疫反應(yīng)，采用物理和化學(xué)方法進(jìn)行處理(改性)所形成的生物醫(yī)用材料稱為生物衍生材料(BiologicalDerivedMaterials)或生物再生材料(Bio-regenerationMaterials)2.1.4生物醫(yī)學(xué)材料的分類

B、按材料來源劃分10/28/2023144對生物組織進(jìn)行處理的方式之一：

維持組織原有構(gòu)型而進(jìn)行的固定、滅菌和消除抗原性的輕微處理如經(jīng)戊二醛處理固定的豬心瓣膜、牛心包、牛頸動脈等2.1.4生物醫(yī)學(xué)材料的分類

B、按材料來源劃分10/28/20231452.1.4生物醫(yī)學(xué)材料的分類

B、按材料來源劃分對生物組織進(jìn)行處理的方式之二：

拆散原有構(gòu)型，重建新的物理形態(tài)的強(qiáng)烈處理如再生膠原、彈性蛋白、硫酸軟骨素、透明質(zhì)酸等10/28/2023146

生物衍生材料是無生命的材料，但其具有類似于自然組織的構(gòu)型和功能，或其組成類似于自然組織，在維持人體動態(tài)過程的修復(fù)和替換中具有重要作用2.1.4生物醫(yī)學(xué)材料的分類

B、按材料來源劃分10/28/2023147(2)、合成生物醫(yī)學(xué)材料

人工制取的生物醫(yī)學(xué)材料，如硅橡膠、聚氨酯、中空纖維、生物陶瓷、醫(yī)用合金等2.1.4生物醫(yī)學(xué)材料的分類

B、按材料來源劃分10/28/2023148

按照使用要求，可將生物醫(yī)學(xué)材料分為：

植入與非植入材料

血液接觸材料

一次性使用材料與重復(fù)使用材料

生物活性與生物惰性材料

生物降解材料與非生物降解材料等2.1.4生物醫(yī)學(xué)材料的分類

C、按材料使用要求劃分10/28/2023149

硬組織材料

軟組織材料

心血管材料

血液代用材料

齒科材料

分離、過濾材料

膜透析材料

…………2.1.4生物醫(yī)學(xué)材料的分類

D、按材料應(yīng)用部位及功能劃分10/28/20231502.1、生物醫(yī)學(xué)材料概論2.2、生物材料表面與血液及組織成分的相互作用2.3、金屬材料的毒理學(xué)2.4、陶瓷材料的毒理學(xué)2.5、材料在體內(nèi)的生物降解2.6、生物醫(yī)學(xué)材料的免疫學(xué)2.7、無機(jī)生物醫(yī)學(xué)材料2.8、金屬生物醫(yī)學(xué)材料2.9、醫(yī)用高分子材料2.10組織工程材料第二章教學(xué)內(nèi)容10/28/20231512.2生物材料表面與血液及

組織成分的相互作用10/28/2023152

從材料的生物相容性來講，取決于材料與人體組織及血液的相互作用以及由此而引起的后果

2.2生物材料表面與血液及人體組織的相互作用10/28/2023153

而生物材料植入人體后，其生物相容性主要由人體組織及血液等與材料表面的相互作用來決定2.2生物材料表面與血液及人體組織的相互作用10/28/2023154

材料的表面性能與其內(nèi)部性能存在著一定差異。除一些特殊使用場合外，與血液、組織相接觸的僅是材料的表面部分2.2生物材料表面與血液及人體組織的相互作用10/28/2023155

由此可見，生物材料的表面界面性能對于其生物相容性起著至關(guān)重要的作用2.2生物材料表面與血液及人體組織的相互作用10/28/20231562.2.1蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及對材料表面的吸附2.2生物材料表面與血液及人體組織的相互作用10/28/20231572.2.1蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及對材料表面的吸附

蛋白質(zhì)在生物材料科學(xué)中的重要意義在于其固有的對材料表面的強(qiáng)烈吸附趨勢以及吸附作用對細(xì)胞與材料表面相互作用的巨大影響

10/28/2023158

一般認(rèn)為，材料表面特性與蛋白質(zhì)性質(zhì)決定了吸附蛋白質(zhì)層的組織結(jié)構(gòu)，而吸附蛋白質(zhì)層的性質(zhì)又決定了細(xì)胞與表面的作用情況

2.2.1蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及對材料表面的吸附

10/28/2023159

由于生物材料的生物相容性取決于細(xì)胞與表面的作用情況，因此生物材料科學(xué)中對蛋白質(zhì)的性質(zhì)及在界面上的行為給予了極大的關(guān)注

2.2.1蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及對材料表面的吸附

10/28/2023160

與吸附有關(guān)的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)2.2.1蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及對材料表面的吸附

10/28/2023161

在生物學(xué)流體(如血漿、腹膜分泌液等)中存在的可溶性蛋白質(zhì)屬于能在植入材料表面吸附的蛋白質(zhì)

不溶性蛋白質(zhì)(如膠原質(zhì)collagen)

卻一般不能擴(kuò)散到植入物表面而參與吸附，雖然這些蛋白質(zhì)有時能以纖維的形式通過細(xì)胞作用而包裹在異物表面2.2.1蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及對材料表面的吸附

與吸附有關(guān)的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)10/28/2023162

可溶性蛋白質(zhì)與不可溶性蛋白質(zhì)在很多方面有所不同，其在氨基酸組成和空間結(jié)構(gòu)上規(guī)律性較差

各種蛋白質(zhì)均有其獨(dú)特的排列結(jié)構(gòu)方式，彼此差異較大，如纖維蛋白原(fibrinogen)分子要比白蛋白(albumin)分子長得多

2.2.1蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及對材料表面的吸附

與吸附有關(guān)的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)10/28/2023163

有的氨基酸具有不帶電荷但有強(qiáng)極性的側(cè)鏈

而另一些氨基酸的側(cè)鏈卻不帶極性從其基團(tuán)來講，有的是親水性的，有的是憎水性的

2.2.1蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及對材料表面的吸附

與吸附有關(guān)的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)10/28/2023164

由于蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)不同，對外來材料表面的親和性質(zhì)亦會有較大差異，由此造成不同的蛋白質(zhì)在不同的外來材料表面上的吸附能力與吸附程度各不相同，進(jìn)而產(chǎn)生不同的作用后果

2.2.1蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及對材料表面的吸附

與吸附有關(guān)的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)10/28/2023165

固液界面上蛋白質(zhì)的吸附行為2.2.1蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及對材料表面的吸附

10/28/2023166

蛋白質(zhì)在固體表面的吸附一般是分階段進(jìn)行

蛋白質(zhì)在表面的吸附結(jié)果，表面相的濃度可達(dá)液相主體濃度的1000倍，表面蛋白質(zhì)的大量聚集，在材料表面形成一層蛋白質(zhì)膜

2.2.1蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及對材料表面的吸附

固液界面上蛋白質(zhì)的吸附行為10/28/2023167

蛋白質(zhì)在材料表面吸附的另一特征是吸附相的選擇性，從而導(dǎo)致某些蛋白質(zhì)相對其它蛋白質(zhì)的富集

蛋白質(zhì)在固體表面的吸附是一個不可逆過程，并導(dǎo)致蛋白質(zhì)單體被固定在表面相中

2.2.1蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及對材料表面的吸附

固液界面上蛋白質(zhì)的吸附行為10/28/2023168

此外，吸附相中蛋白質(zhì)的方向性也是必須考慮的問題。因?yàn)榈鞍踪|(zhì)分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)并非各相相同的對稱分布

2.2.1蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及對材料表面的吸附

固液界面上蛋白質(zhì)的吸附行為10/28/2023169

蛋白質(zhì)吸附對生物材料生物相容性的重要意義2.2.1蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及對材料表面的吸附

10/28/2023170

蛋白質(zhì)的吸附對生物材料的生物相容性影響巨大。在此以蛋白質(zhì)吸附對生物材料血液相容性的影響為例進(jìn)行分析

2.2.1蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及對材料表面的吸附

蛋白質(zhì)吸附對生物材料生物相容性的重要意義10/28/2023171A、各種蛋白質(zhì)在生物材料表面的吸附

2.2.1蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及對材料表面的吸附

蛋白質(zhì)吸附對生物材料生物相容性的重要意義10/28/2023172(1)血液與材料表面接觸，首先發(fā)生的是血漿蛋白在表面上的吸附

由于血液中蛋白濃度大于血小板，其擴(kuò)散也快于血小板，所以最先在材料表面沉積一層蛋白。表面吸附的蛋白包括白蛋白、γ球蛋白和纖維蛋白原

A、各種蛋白質(zhì)在生物材料表面的吸附

10/28/2023173

(2)材料表面對蛋白的吸附速度與蛋白的種類、材料表面性質(zhì)、吸附條件等有關(guān)，其吸附曲線都屬于Langmuir型

A、各種蛋白質(zhì)在生物材料表面的吸附

10/28/2023174

(3)這三種蛋白在材料表面的吸附對其血液相容性的影響非常大

白蛋白的吸附使表面變得更相容，而γ球蛋白和纖維蛋白原的吸附則加速了凝血

A、各種蛋白質(zhì)在生物材料表面的吸附

10/28/2023175

(4)材料表面性質(zhì)對蛋白的吸附量有明顯影響，親水性表面比疏水性表面吸附蛋白量少A、各種蛋白質(zhì)在生物材料表面的吸附

10/28/2023176B、血液凝固機(jī)理

2.2.1蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及對材料表面的吸附

蛋白質(zhì)吸附對生物材料生物相容性的重要意義10/28/2023177(1)血液凝固存在兩種不同的方式

內(nèi)源性途徑和外源性途徑

當(dāng)機(jī)體組織受損而釋放組織因子時血液凝固按照外源性途徑進(jìn)行

當(dāng)血管內(nèi)膜受損或血液接觸異物時血液凝固按照內(nèi)源性途徑進(jìn)行

B、血液凝固機(jī)理

10/28/2023178

因此，生物材料植入后引起的凝血按內(nèi)源性途徑進(jìn)行，其凝血反應(yīng)的基本過程如下：

B、血液凝固機(jī)理

10/28/2023179

a.接觸活化

內(nèi)源性凝血的觸發(fā)，是從因子XII激活開始的。因子XIIa可以將激肽釋放酶原激活為激肽釋放酶，其反過來也可以激活因子XII，從而產(chǎn)生大量的因子XIIa，因子XIIa可以將因子XI激活為因子XIa并對其進(jìn)行肽鍵裂解

B、血液凝固機(jī)理

10/28/2023180

b.磷脂膠粒反應(yīng)

在因子XIa生成以后，在聚集的血小板磷脂膠粒表面上發(fā)生了一系列反應(yīng)，直至凝血酶的生成。其間大量的因子IX、VIII、X、V集中于磷脂膠粒表面，大大加快了反應(yīng)速度．此階段的反應(yīng)可分為三步：

i．因子IX的激活ii．因子X的激活

iii．凝血酶原的激活

B、血液凝固機(jī)理

10/28/2023181

c.凝膠生成

生成的凝血酶脫離磷脂膠粒，由許多不溶性血纖維蛋白多聚體所形成的血纖維蛋白細(xì)絲交織成網(wǎng)，包羅紅細(xì)胞、白細(xì)胞、血小板和血漿等血液有形成份，便形成了血栓

B、血液凝固機(jī)理

10/28/2023182C、血液與材料作用的模型

2.2.1蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及對材料表面的吸附

蛋白質(zhì)吸附對生物材料生物相容性的重要意義10/28/2023183

在因子XII激活后，必然有不同程度的血凝發(fā)生；血小板磷脂膠粒表面是凝血因子活化反應(yīng)的場所，因此血小板的聚集程度對凝血反應(yīng)具有重要的影響；凝血產(chǎn)物中包括紅細(xì)胞、白細(xì)胞、血小板等成份，這些成份的聚集程度也影響凝血反應(yīng)的進(jìn)行

C、血液與材料作用的模型

10/28/2023184

伴隨凝血過程的重要現(xiàn)象是血漿蛋白、血小板等成分的集聚，在凝血反應(yīng)中必然有這種集聚產(chǎn)生

但是血漿蛋白和血小板等的集聚卻并非必然激活凝血因子產(chǎn)生凝血，也不能肯定蛋白吸附是材料激活凝血因子的必然中介

C、血液與材料作用的模型

10/28/2023185

許多人的研究結(jié)果也認(rèn)為諸多因素均可激活XII因子：

膠原纖維、材料表面負(fù)電荷、因子XIa、激肽釋放酶、高分子量激肽原、二磷酸腺苷(血小板損傷可以釋放)、血纖維蛋白溶酶、胰酶等等C、血液與材料作用的模型

10/28/2023186

可以認(rèn)為，生物材料表面可能直接激活XII因子，材料引起的血漿蛋白、血小板的集聚也可能激活XII因子，而血漿蛋白、血小板的集聚反應(yīng)與XII因子的激活也可以互相促發(fā)C、血液與材料作用的模型

10/28/2023187

凝血的形成是多途徑的，包含了諸多因素的交互影響和作用

但是，所有這些都是在生物材料表面的作用下所產(chǎn)生，材料表面界面性能在其中起著決定性的作用，這一點(diǎn)是不容置疑的

C、血液與材料作用的模型

10/28/20231882.2.2細(xì)胞表面及與材料的相互作用

2.2生物材料表面與血液及人體組織的相互作用10/28/2023189

細(xì)胞膜

2.2.2細(xì)胞表面及與材料的相互作用

10/28/2023190

哺乳動物細(xì)胞是一個高度組織系統(tǒng)，它由幾個部分組成：

2.2.2細(xì)胞表面及與材料的相互作用

細(xì)胞膜

10/28/2023191

a細(xì)胞核nucleus：帶有遺傳信息(脫氧核糖核酸DNA，染色質(zhì)chromatin)

b線粒體mitochondria：細(xì)胞的動力工廠

c高爾基體Golgiapparatus：醣蛋白

glycoproteins

與脂蛋白lipoproteins的組裝區(qū)2.2.2細(xì)胞表面及與材料的相互作用

細(xì)胞膜

10/28/2023192

d內(nèi)質(zhì)網(wǎng)狀組織endoplasmicreticulum：

與蛋白質(zhì)合成與細(xì)胞傳輸有關(guān)

e溶菌體lysosomes：包含蛋白水解作用的酶enzymes

f細(xì)胞質(zhì)cytoplasm(cytosol)：與細(xì)胞運(yùn)動有關(guān)的細(xì)胞骨架

g

細(xì)胞膜cellmembrane

2.2.2細(xì)胞表面及與材料的相互作用

細(xì)胞膜

10/28/2023193

細(xì)胞膜包裹在各細(xì)胞組成細(xì)胞質(zhì)之外，不同的細(xì)胞膜區(qū)域?qū)?yīng)于不同的功能，如吸附、分泌、流體輸送、與細(xì)胞外組織的溝通等

2.2.2細(xì)胞表面及與材料的相互作用

細(xì)胞膜

10/28/2023194

細(xì)胞膜是由雙層磷脂構(gòu)成的動態(tài)結(jié)構(gòu)，其中分布著蛋白質(zhì)、醣蛋白、脂蛋白和碳水化合物等

根據(jù)在細(xì)胞膜中位置的不同，內(nèi)部蛋白質(zhì)與外部蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)有所區(qū)別

2.2.2細(xì)胞表面及與材料的相互作用

細(xì)胞膜

10/28/2023195

細(xì)胞質(zhì)中微細(xì)纖維由肌動蛋白actin、肌球蛋白myosin、輔肌動蛋白actinin、和原肌球蛋白tropomyosin構(gòu)成

這些微細(xì)纖維網(wǎng)在細(xì)胞的粘附與運(yùn)動中起重要作用，稱為細(xì)胞骨架

其中吸附性的蛋白能與固態(tài)基體、細(xì)胞外基質(zhì)及其它細(xì)胞相聯(lián)接，而形成吸附點(diǎn)

2.2.2細(xì)胞表面及與材料的相互作用

細(xì)胞膜

10/28/2023196

細(xì)胞的吸附2.2.2細(xì)胞表面及與材料的相互作用

10/28/2023197正常情況下細(xì)胞與細(xì)胞間和細(xì)胞與外部基質(zhì)間有四種吸附點(diǎn)：2.2.2細(xì)胞表面及與材料的相互作用

細(xì)胞的吸附

10/28/2023198

a間隙交匯區(qū)gapjunction(nexus):4nm，在鄰近的細(xì)胞間起聯(lián)接作用

b細(xì)胞橋粒desmosome(maculaadherens):30-50nm

c半橋粒hemidesmosome:與細(xì)胞橋粒結(jié)構(gòu)類似，于細(xì)胞與外部基質(zhì)材料間

d致密交匯區(qū)tightjunction(zonula

occludens):<5nm，在鄰近細(xì)胞間吸附時形成，對擴(kuò)散起阻礙作用2.2.2細(xì)胞表面及與材料的相互作用

細(xì)胞的吸附

10/28/2023199細(xì)胞與固態(tài)基體間的吸附作用可描述如下：

aFocaladhesion:10-20nm，常常在細(xì)胞邊界能觀察到此吸附作用，作用較強(qiáng)，與粘連蛋白有關(guān)

b

Closecontact:30-50nm，通常發(fā)生在

focaladhesion周圍

cExtracellularmatrixcontact:>100nm，

在細(xì)胞壁與外部基質(zhì)間聯(lián)接

2.2.2細(xì)胞表面及與材料的相互作用

細(xì)胞的吸附

10/28/2023200

細(xì)胞吸附與細(xì)胞鋪展的熱力學(xué)

2.2.2細(xì)胞表面及與材料的相互作用

10/28/2023201從熱力學(xué)的角度來看，細(xì)胞從懸浮液中到在固態(tài)基體表面的懸浮和鋪展過程可以用下式描述：

2.2.2細(xì)胞表面及與材料的相互作用

細(xì)胞吸附與細(xì)胞鋪展的熱力學(xué)10/28/2023202其中：

ΔFabh

為吸附表面自由能(粘附功)γCS為細(xì)胞－固體界面自由能

γCL為細(xì)胞－液體界面自由能

γSL為固－液界面自由能

2.2.2細(xì)胞表面及與材料的相互作用

細(xì)胞吸附與細(xì)胞鋪展的熱力學(xué)10/28/2023203

當(dāng)時，細(xì)胞在固體表面的吸附與鋪展能強(qiáng)烈地進(jìn)行

而當(dāng)時，細(xì)胞在固體表面的吸附與鋪展不能進(jìn)行

2.2.2細(xì)胞表面及與材料的相互作用

細(xì)胞吸附與細(xì)胞鋪展的熱力學(xué)10/28/20232042.2.3材料的生物相容性2.2生物材料表面與血液及人體組織的相互作用10/28/2023205

材料的生物相容性定義為不引起急性或慢性炎癥，對周圍組織不呈現(xiàn)異物感的特性

2.2.3材料的生物相容性

10/28/2023206

“Abiocompatibilitymaterialhasbeendefinedasamaterialthatdoesnotinduceanacuteorchronicinflammatoryresponseanddoesnotpresentaproperdifferentiationofimplant-surroundingtissues.”

2.2.3材料的生物相容性

10/28/2023207

一般認(rèn)為，由于植入時的手術(shù)損傷在植入體周圍包裹排他性的組織是不可避免的。生物相容性的定義實(shí)際上取決于植入的目的

2.2.3材料的生物相容性

10/28/2023208例：Teflonvascularprosthesis

內(nèi)表面要求呈現(xiàn)血液相容性，即不引起凝血因子的吸附和激活；外表面則要求與纖維性組織強(qiáng)烈聯(lián)接而不引起纖維組織的過分增生，兩個目標(biāo)集于一種裝置上

2.3材料的生物相容性

10/28/20232092.1、生物醫(yī)學(xué)材料概論2.2、生物材料表面與血液及組織成分的相互作用2.3、金屬材料的毒理學(xué)2.4、陶瓷材料的毒理學(xué)2.5、材料在體內(nèi)的生物降解2.6、生物醫(yī)學(xué)材料的免疫學(xué)2.7、無機(jī)生物醫(yī)學(xué)材料2.8、金屬生物醫(yī)學(xué)材料2.9、醫(yī)用高分子材料2.10組織工程材料第二章教學(xué)內(nèi)容10/28/20232102.3金屬材料的毒理學(xué)Toxicology10/28/2023211

一般認(rèn)為，任何金屬材料植入人體后，由于腐蝕作用和摩擦磨損作用的存在，金屬離子或金屬顆粒將會被釋放進(jìn)入組織，從而在機(jī)體組織中聚積2.3金屬材料的毒理學(xué)

10/28/2023212

金屬材料的生物相容性取決于植入物與組織細(xì)胞的相互作用

組織細(xì)胞的反應(yīng)依賴于釋放物質(zhì)的質(zhì)與量2.3金屬材料的毒理學(xué)

10/28/2023213

金屬材料的生物相容性取決于金屬離子的釋放速率與金屬材料的毒性

金屬材料的毒性不僅限于植入體周圍組織，而且會引起全身性的反應(yīng)2.3金屬材料的毒理學(xué)

10/28/2023214金屬材料植入人體后所關(guān)注的問題：

1、金屬材料在人體內(nèi)的腐蝕與摩擦磨損

2、釋放金屬在組織中的正常水平

3、釋放金屬對機(jī)體平衡的影響

4、釋放金屬的局部及全身毒性2.3金屬材料的毒理學(xué)

10/28/20232152.3金屬材料的毒理學(xué)

2.3.1金屬元素及其毒性分布規(guī)律

10/28/2023216

純金屬的毒性與其在元素周期表中的位置有關(guān)：

II族金屬毒性強(qiáng)

III族、IV族(除Pb外)無毒性

I、V和VIII族中，同族中原子量小的有毒，而原子量大的無毒2.3金屬材料的毒理學(xué)

2.3.1金屬元素及其毒性分布規(guī)律

10/28/2023217

有毒的純金屬中加入某些金屬形成合金后，可以減小甚至消除毒性

不銹鋼中的Fe、Co、Ni有毒，加入有毒的Bi(2%)后毒性減小，加入Cr(2%)后毒性消失2.3金屬材料的毒理學(xué)

2.3.1金屬元素及其毒性分布規(guī)律

10/28/20232182.3金屬材料的毒理學(xué)

2.3.2人體中金屬的分布、代謝和作用10/28/2023219

人體中金屬的含量2.3金屬材料的毒理學(xué)

2.3.2人體中金屬的分布、代謝和作用

10/28/2023220

自然界中金屬廣泛而大量存在；在人體組織中也存在各種金屬通過機(jī)體調(diào)節(jié)以保持體內(nèi)平衡，金屬離子各自維持在一定的水平2.3金屬材料的毒理學(xué)

2.3.2人體中金屬的分布、代謝和作用

10/28/2023221

一旦某種金屬濃度超過機(jī)體允許的最高水平時，就可能導(dǎo)致異常病變！2.3金屬材料的毒理學(xué)

2.3.2人體中金屬的分布、代謝和作用

10/28/2023222人體中存在的元素：

1、必需元素：

(1)不可缺少的主要元素

(2)必需微量元素

2、非必需元素2.3金屬材料的毒理學(xué)

2.3.2人體中金屬的分布、代謝和作用