生物学——现代生物材料

现代生物材料,生 物 材 料,.前言.天然生物材料.生物医学材料.组织工程材料.仿生和智能材料,生物材料的定义 根据1972年以来国际会议上所广泛接受的定义，认为：与活体相联系的材料植入活体内能起某种生物体功能的材料 模仿生物功能的材料,生物材料,前 言,生物材料学的研究目的 在分析天然生物材料微装配、生物功能及形成机制的基础上，发展新型医用材料以用于人体组织器官的修复与替代；发展仿生高性能工程材料,前 言,生物材料研究内容 天然生物材料 生物医学材料 仿生智能与组织工程材料,医学,工程学,生物学,材料科学,前 言,天然生物材料,成分,丰富元素 C、H、O、N,较丰富元素 Ca、P、Cl、K等,微量元素 Fe、Cu、Zn、 Mn、Mg等,原子、分子间作用力,强相互作用：离子键、共价键弱相互作用：静电作用、色散力、氢键、 疏水键,天然生物材料,天然生物材料,水 核苷酸 氨基酸 糖类 生物矿物,装 配,结 构 特 征,天然生物材料,分 类,结构蛋白结构多糖生物软组织生物复合纤维生物矿物,天然生物材料,胶原 丝心蛋白角蛋白弹性蛋白肌肉收缩蛋白,成纤维胶原的形成： 多肽链,原胶原,微纤维,胶原纤维,结构蛋白,天然生物材料,多糖因其简单的化学合成和极其丰富的资源而在商业上极具价值。纤维素、壳多糖、角叉菜胶、琼脂等可用于建筑、造纸、食物稳定剂、纺织以及染织等。,结构多糖,天然生物材料,柔韧的生物复合材料可认为是相对刚硬的纤维或粒子填充在柔软的基质中而形成以海葵的骨架为例加州海岸老年海葵中胶层的组成为：盐 5% 胶原 6.7% 基质 2% 水 86%在较大的应力下，胶原纤维取向变化，中胶层在应力方向变硬；载荷消失后，中胶层又能弹性地恢复原形。,生物软组织,天然生物材料,可承受弯曲和压缩载荷的多组纤维组成，应力可相互传递以蝗虫腱为例：原纤维是几丁质，基体是蛋白几丁质是以很强的氢键结合的；蛋白块体是球状的，它们形成基体并分布在纤维之间，与其牢牢键合，从而增加了基体的刚度,生物复合纤维,天然生物材料,生物矿物,由生命系统参与合成的天然的生物陶瓷和生物高分子复合材料，如骨骼、牙齿、珍珠、贝壳和鹿角等,天然生物材料,贝壳的结构:,角质层,棱质层,珍珠层横短面,角质层 最外层，很薄，由壳 质蛋白构成 棱柱层 中层，由棱柱状方解 石平行排列而成 珍珠层 最内层，由小平板状 结构单元平行累积而 成，其中无机相占95%， 有机基质是一些蛋白质 和多糖,天然生物材料,生物医学材料,定义 指用于医疗的能植入生物体或能与生物组织相接合的天然或人造材料，如金属、陶瓷、高分子、人工培养的活体细胞、组织等,生物医学材料性能的基本要求,具有高度精确的生物学功能或模仿该功能具有生物相容性 无宿主反应： 即生物材料在生理环境中 对机体不产生明显而有害 的效应 无材料反应： 即机体对材料也不产生明 显而有害的影响,生物医学材料,材料方面：材料类型和形态、表面和组成， 物理、 化学及力学性质等,影响生物相容性的因素,生物系统方面：动物种类、植入部位、受 体状况、存留时间和使用 环境等,生物医学材料,生物医用材料类型,生物医用金属材料生物医用高分子材料生物陶瓷生物医用复合材料生物衍生材料,生物医学材料,生物医用金属材料,是一类用作生物医用材料的金属和合金，是一类生物惰性材料，是临床应用最广泛的承力植入材料主要用于骨和牙等硬组织修复和替换，心血管和软组织修复以及人工器官制造中的结构元件已用于临床的医学金属材料主要有不锈钢、基合金、钛基合金和多孔金属四大类,生物医学材料,骨水泥型金属关节，其中：4.金属柄, 4a.金属宽臼杯,植入口腔的叶片状带孔金属植入体,生物医学材料,是用作生物医学材料的高分子及其复合材料，可来自人工合成，也可来自天然产物 按性质可分为非降解型和可生物降解型,生物医用高分子材料,生物医学材料,生物医用高分子材料的分类,胶原、纤维素、聚氨基酸、甲壳素等,可生物降解型,非降解型,包括,要求,用途,聚乙烯、聚丙烯、芳香酸脂、聚硅氧烷等,能长期保持稳定，不发生降解，具有良好的机械性能,降解产物能被机体正常吸收、利用或排出体外,人体软、硬组织修复体,人工器官粘合剂，管腔等的制造,药物释放、送达载体、非永久性植入装置,生物医学材料,高分子聚合物做成的鼻状骨架,可生物降解的聚合物载体,生物医学材料,是作为生物医学材料的陶瓷，通常由在生理环境中存在的离子（Ca、P、K、Na等）或对人体只有极小毒性的离子（Al、Ti等）所构成,生物陶瓷,包括:近惰性生物陶瓷：氧化铝、氧化锆生物陶瓷等表面活性生物陶瓷：羟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、磷酸三钙陶瓷等,主要用于肌肉-骨骼系统的修复和替换，也可用于心血管系统的修复和制作药物释放与传递载体,生物医学材料,用生物陶瓷制成的插入式软骨,生物医学材料,由两种或两种以上不同材料复合而成的生物 医学材料。如医用高分子材料、医用金属和合金以及生物陶瓷既可作为生物医用复合材料的基材，又可作为其增强体或填料主要用于修复或替换人体组织、器官或增进其功能以及人工器官的制造,生物医用复合材料,生物医学材料,由经过特殊处理的天然生物组织形成的生物医学材料，这是一种无生命活力的材料特殊处理包括：A、维持组织原有构型的轻 微处理 B、拆散原有构型，重建新 的物理形态的强烈处理,生物衍生材料,主要用做人工心瓣膜、血管修复体、皮肤掩膜、纤维蛋白制品、骨修复体、巩膜修复体、鼻种植体、血液唧筒、血浆增强剂和血液透析膜等,生物医学材料,人工心瓣膜,生物医学材料,材料在生物体内的反应 （材料反应）,膨胀浸析腐蚀和降解生物分子与材料表面的反应,生物医学材料,膨胀浸析,膨胀 物质从组织进入材料，使完全致 密的材料体积增大的过程浸析 液体进入材料内部或材料的某些 成分溶解在组织液相中，使材料 产生孔隙的过程,生物医学材料,有害吸收例子 变形的心脏瓣膜阀,约束框架,球芯,环性阀座,缝纫环,阀式心脏瓣膜简图,因球芯吸收了某些材料而发生了膨胀，使阀球脱出或塞入框架中。,生物医学材料,药品浓度,剂量,1,2,3,治疗效果,时间,次优的,优的,有毒的,膨胀浸析的例子 药物释放,生物医学材料,腐蚀是生物医用金属材料在机体内的重要反应，它实质上是一种电子迁移的电化学反应,腐蚀和降解,生物医学材料,植入物的组成成分制造因素运送和植入过程中的操作解剖学位置植入区的化学变化磨损条件的改变,影响腐蚀的因素,降解是聚合物在生物体内的重要反应，包括：聚合物吸水后的自然水解组织分泌的以酶和自由基为主的物质对其进行的 生物降解,生物医学材料,A.变性B.有机金属化合物的形成C.界面发生分子粘附D.带电界面的影响,生物分子与材料表面的反应,生物医学材料,宿 主 反 应,宿主反应的定义 生物医学材料植入生物体内，会引起活体系统 对材料的反应，包括植入材料附近的局部组织 反应及整个活体全身的反应,宿主反应的类型 局部反应；全身反应,重要的宿主反应 植入材料的致癌作用,生物医学材料,生物医学材料的应用,合成高分子可吸收性缝线 这种缝线由对人体无害的可被生物降解的高分子聚合材料制成聚合释放药物体系 1.生物可侵蚀体系 2.扩散/生物可侵蚀体系 3.生物降解聚合物由共价键与药物活 性因子结合，经水解作用而被释放,生物医学材料,所谓人工器官是用以暂时或永久代替人体某个器官功能的人工装置。如人工肺、人工肾、人工心脏等以人工血管、心脏起搏器为例,人工器官,生物医学材料,由各种原因导致血管破裂或被切除一段后，血液循环通路被破坏；人工血管就是一根特制的管子可连接血管的两断端，使血液循环得以恢复人工血管的发展象牙管 玻璃管、金属管 合成纤维管,人工血管,生物医学材料,人工血管的放大剖面图,生物医学材料,各种人工血管纤维编织法,编带,编织,平织,生物医学材料,下腔静脉狭窄手术示意,腹主动脉狭窄手术示意,肝静脉,肾静脉,腹腔静脉,肠系膜上动脉,肾动脉,肠系膜下动脉,人造,人工血管,生物医学材料,左腿股动脉 破裂修补术,肠系膜下动脉栓塞手术示意,人工血管,生物医学材料,用脉冲电流刺激心肌，使心肌收缩，来治疗心动过缓并伴有急性新源性脑缺氧综合症等患者，使其心率增快，心排血量增加到正常范围，这就叫做心脏起搏，所用的仪器即为心脏起搏器,心脏起搏器,生物医学材料,固定频率型 所发出的频率是固定的，不受自主心跳影响，只能用于完全性房室传导阻滞患者 同步按需型 能根据患者的不同需要作出反应，避免心室负担过重,心脏起搏器分类,心脏有正常传导时：起搏器不起作用发生完全性传导阻滞时： A 起搏脉冲高于自主心率，则起搏器起作用 B 起搏脉冲低于自主心率，则起搏器被抑制,生物医学材料,固定频率型起搏器作用原理,固定频率起搏器作用原理 完全型房室传导阻滞图解 固定频率起搏器作用图解,窦房结,房室连接处,心室自主起搏点,固定率起搏器,心室自主起搏器,生物医学材料,机身 脉冲发生器和电池能源，分为体外佩带和体内埋植两种类型 电极导线 电极通常用铂金制作，分为单极和双极导线，安置在心脏内；导线做成螺旋式，外包硅橡胶材料,心脏起搏器的结构,生物医学材料,三、组织工程材料,组织工程学 组织工程学是一门涉及应用工程学和生命科学原理和方法来了解正常和病理的哺乳类组织的结构功能关系，以及研制生物代用品以恢复、维持或改善其功能的一门学科,组织工程材料 组织工程材料就是应用于组织工程的活体或人造材料,组织工程基本过程细胞 组织 器官,组织工程材料,研究用于直接移植或制造体外器官的干 细胞培养 体外生成所需的细胞品系、细胞衬里和 器官 研制用于细胞或器官包裹的生物相容性 材料,组织工程材料研究内容,组织工程材料,干细胞培养获得目的器官,干细胞：主要源于脊髓能产生各类成熟细胞的细胞，分为专能干细胞和多能干细胞目前已分离出能产生所有其他各种类型细胞的干细胞（主要是胚胎干细胞），这有助于培养和修复各种器官和组织,组织工程材料,生长在培养液中的人胚胎干细胞(周围是小鼠“喂养”细胞),组织工程材料,把小鼠胚胎干细胞植入小鼠大脑（见左图的蓝色背景）之后，形成了类似于神经细胞的细胞（见左图棕色部分及右图）,干细胞发育成神经细胞,组织工程材料,干细胞的产生及进行组织修复,产生人胚胎干细胞的胚泡,组织工程材料,人工诱导生成目的器官,原理与方法方法1 将特定分子（如生长因子）注入或植入伤口或需再生器官之中，使患者自身的细胞移向受伤处，引起组织的再生,方法2 将特定细胞和可生物降解的聚合物载体植到目的位置而进行组织修复或再生，随后人工聚合物降解，新器官留在人体内,组织工程材料,方法1举例,生长因子刺激血管向内生长,细胞植入物引起血管向外生长,组织工程材料,a 用支架固定缺了一节的狗腿b 含有骨生长促进蛋白质的聚合物 载体填入空隙之间c 最终完全取代载体d 新生成的骨组织e 有它们自身的血供应(红和蓝管)f 腿骨愈合,方法2举例,组织工程材料,方法2举例,耳形聚合物正进行肉化处理成为身体替代部件,以胶原为载体的人造皮肤的培养,组织工程材料,用于包裹细胞的胶囊,这种胶囊主要由带孔的塑料薄膜组成,其中含有可分泌特定药物或蛋白质的细胞特点可使特定物质能集中到达特定位点可以避免免疫排斥所带来的问题易损坏，不易取放,组织工程材料,植入型 这种方法指直接把包裹胶囊植入患者身体内的选择部位，之后，胶囊中的细胞产生分泌物发生效用，而周围的组织则为胶囊中的细胞提供营养物质,包裹胶囊的分类：,体外型 这种方法是抽出患者的血液并使其通过体外含有营养或纯化物质的胶囊，从而完成对血液成分的改变,组织工程材料,含有大田鼠细胞的胶囊埋入人体脊柱中，17周后，胶囊内的细胞仍在分泌用于治疗的大田鼠蛋白质，并且胶囊没有损坏,组织工程材料,含1千5千个细胞,含1百万 10 亿个细胞,含多于10 亿个细胞,三种不同容量的胶囊,组织工程材料,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。,仿珍珠层材料人工酶人工生物膜,信息转换膜能量转换膜运输膜,智能材料,定义 指模仿生物系统中同时具有感知和驱动双重功能的材料，又称机敏材料感知、反馈和响应是智能材料的三