生物医用材料的导论得到.doc

生物医用材料的导论得到 1)生物医用材料的生物相容性是指材料在生理环境中生物体对植入的生物材料的反应和产生有效作用的能力用以表征材料在特定应用中与生物机体相互作用的生物学行为 2)生物医用材料的生物相容性具体包括血液相容性、组织相容性和力学相容性 3)材料设计大体可分为三个层次：微观层次、亚微观层次和宏观层次 4)生物医用复合材料的结构设计可采用结构仿生和功能梯度材料的结构设计方法进行材料的结构设计 5)材料与生物体的相互作用主要包括血液反应、组织反应和免疫反应 6)合物示踪法 7)分子材料、无机材料和复合材料 8) 生物医用材料按材料的功能分为：血液相容性材料、软组织相容性材料、硬组织相容性材料、生物降解材料和高分子药物 9)组织、异种器官及组织、天然生物材料和人工合成材料 10)生物医用材料按使用部位分为：硬组织材料、软组织材料、心血管材料、血液代用材料和分离、过滤、透析膜材料 11)当前研究比较活跃的生物材料主要有：高抗凝血材料、生物活性陶瓷及玻璃、钛及钛合金、钛镍记忆合金、生物活性缓释材料及描靶药物载体材料、生物粘合剂、可生物降解与可吸收性生物材料、智能与杂化材料和血液净化材料12)生物医用金属材料最重要的应用有：骨折内固定板、螺钉、人工关节和牙根种植体等 13)活动阻止酶通过细胞膜的扩散和破坏溶酶体 14)生物医用金属材料在人体生理环境下的腐蚀主要有八种类 型：均匀腐蚀、点腐蚀、电偶腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、磨蚀、疲劳腐蚀和应力腐蚀 15)16)医用金属材料的表面改性方法：等离子喷涂涂层、烧结涂层、 溶胶凝胶法涂覆的烧结涂层、表面化学热处理诱导羟基磷灰石涂层、电泳沉积法、离子束增强沉积、水热反应法、热分解法、电化学沉积法、表面修饰法、激光熔覆涂层、类金刚石碳膜 17)生物医用无机材料的基本条件与要求：良好的生物相容性、 杂质元素及溶出物含量低、有效性、成型加工功能、良好的耐消毒灭菌性 18)生物惰性医用无机材料主要是指化学性能稳定生物相容 性好的无机材料 19)大量动物实验及临床应用证明LTI碳作为最理想的人工机械 瓣膜材料有以下优点：LTI碳涂层有足够的强度十分耐磨心脏耐磨模拟实验结果表明可耐用数十年具有优异的血液相容性不产生血凝和血栓原因是SiLTI碳与血液之间能生成一种蛋白质中间吸附层此层不引起蛋白质的改变抛光后的SiC涂层是致密不透性的不会引起降解反应无毒无刺激性不致癌 20)体内有一定溶解度能释放对机体无害的某些离子能参与体内代谢对骨质增生有刺激或诱导作用能促进缺陷组织的修复显示有生物活性 21)将生物活性玻璃陶瓷也称为生物活性微晶玻璃它是一种多 相复合材料含有一种以上的结晶相及玻璃相 22)生物活性骨水泥作为一种医用材料必须满足如下要求： 浆体易于成型可填充不规则的骨腔在环境中能自行凝固硬化时间要合理有优良的生物活性和骨诱导潜能（可吸收不影响骨重塑或骨折愈合过程能被骨组织爬行代替）良好的机械性能（以松质骨力学性能的中介值为标准抗压强度大于5MPa压缩模量45100MPa）和耐久性能无毒和具有免疫性 23)巨噬细胞对TCP陶瓷的降解包括细胞内降解（吞噬）和细 胞外降解两个方面 24)关的高分子的材料总称生物医用材料是以医用为目的用于和活体组织接触具有功能的无生命材料以医用为目的用于和活体组织接触具有诊断、治疗或替换基体中组织、器官或增进其功能的无生命高分子材料即“与生物相关的高分子材料”亦称生物医用高分子材料 25)生物医用高分子材料根据来源可分为天然生物医用高分子 材料和合成生物医用高分子材料 26)生物医用复合材料是由两种或两种以上不同材料复合而成的 生物医用材料它主要用于人体组织的修复、替换和人工器官的制造 27)生物医用复合材料根据复合材料的三要素分类如下：按基体材料分类有陶瓷基生物医用复合材料、高分子基生物医用复合材料、金属基生物医用复合材料按材料植入体内后引起的组织材料反应分类有近于生物惰性的复合材料、生物活性复合材料和可吸收生物医用复合材料按增强体的形态和性质分为纤维增强生物医用复合材料和颗粒增强生物医用复合材料 28)生物医用复合材料的特点：比强度、比模量高；抗疲劳性能好；抗生理腐蚀性好；力学相容性能好；组成多元29)界面的结合力：机械结合力（摩擦力）、物理结合力（范德华力和氢键）和化学结合力（化学键） 30)合结合 31)生物医用敏感材料属于敏感材料范畴是功能材料在医学上的一个重要分支（电磁声光热） 32)生物医用敏感材料按用途可分为两大类型：治疗用医用敏感材料、检测用的敏感材料 33)仿生学是研究生物系统的结构性质、能量转换和信息传递与处理的原理它将所获得的知识用来改进和完善现有科学设备、装置以及为创造新科学技术装置、建筑结构和新工艺提供原理、设计思想或规划蓝图它运用生物系统的方法来解决工程问题是系统设计的一种新方法34)仿生研究主要包括仿生分析、设计和制备三个步骤 35)组织工程学原理： 应用工程学和生命科学的原理和方法来了解正常的和病理的哺乳类组织的结构功能的关系并研制活的生物组织代用品用于修复、维持、改善人体组织的功能以生物替代为目的研究和开发关于修复和改善人体组织（包括部分器官）功能和形态的新兴学科即组织工程学36复 37技术规范是由官方或民间组织提出的或得到公众认可的法规性文件它包含生物学性能评价标准和非生物学性能评价标准 38）干细胞生物学：是未成熟细胞它未充分分化具有再生各种组织和器官和人体潜在功能医学上称之为“万能细胞”39）成体干细胞生物学特性：具有自我更新和分化潜能数量少存在于特定的微环境中处于相对静止状态体积小细胞浆小细胞核较大成体干细胞数量和活性随年龄增加 40多能干细胞可以帮助我们理解人类 发育过程中的复杂事件确定参与导致细胞特化的决定因素人体多能干细胞研究能大大地改变研制药品和进行安全性实验的方法人体多能干细胞最为深远的用途是生产细胞和组织许多疾病及功能失调往往是由于干细胞功能失调或组织破坏引起的体细胞核转移（SCNT）方法（治疗性克隆）是克服某些患者的组织不相容的一个方法患者可以用自己的遗传物质制造适合自己的细胞 41）HAP42）HA43）PMMA44）PLA45）PGA46）45S547）杂化材料 （1）“生物材料导论”这门课涉及了什么基本内容 生物材料学是一门高度综合性的学科涉及到化学、物理、生物化学、等等各方问题本门课程中涉及到了生物材料的基本概念和特点生物材料的功能及其特性材料的生物相容性及与生物体的反应并介绍了医用金属材料生物陶瓷医用高分子材料医用复合材料生体内吸收分解材料以及对生物材料发展的展望 （2）请列出“生物材料”的定义试举出医用生物材料的一些应用例子 一般认为与生物体相接触的、或移植入生物体起某种取代、修复活组织的天然或人工合成材料总称为生物材料 比如人工关节、人工心脏等替代人体组织和内脏的修复和置换材料是生物材料与眼角膜接触的隐形眼镜、缝合组织用的手术线、保存血浆用的输血袋、治疗骨折用的固定材料等也都归属于生物材料 （3）与生物材料相关联的学科有些 除了与材料科学的基础理论相关外它还涉及到机械工学、化学、物理、生物科学、病理学、药物学、解剖学等多门学科 （4）试说明生物材料的研究与发展过程的特点 1.为保证生物材料在人体中使用的绝对安全性考察周期的长年累月也是此类材料开发的一大特点 2.比起普通材料需要注重生物相容性血液适应性 第一代（1950s）特点：生物惰性 第二代（1980s）特点：生物活性或生物可吸收性 第三代（2000）特点：生物活性和生物可吸收性 （5）试述医用金属材料的种类及特点为提高金属钛及其合金的生物活性可采取什么方法主要存在什么优缺点 目前所用的医用金属材料主要是：不锈钢、钴基合金以及钛和钛合金优点：具有良好的化学和力学性质 缺点：不具有生物活性难于和生物组织形成牢固的结合；长期植入人体后由于化学稳定性下降会有杂质离子析出对周围组织造成危害；而且金属材料的弹性模量要比人骨大得多这会造成局部应力屏蔽现象使材料易断裂和人体不适 可以进行表面改性如将羟基磷灰石热喷涂或化学沉积在钛金属和钛合金表面可制成生物活性的材料 （6）简述生物相容性的分类如何对一种新型骨修复材料进行综述性评价请列出主要实验项目 分为血液相容性（抗血小板血栓形成抗凝血性抗溶血性抗白细胞减少性抗补体形同亢进性抗血浆蛋白吸附性抗细胞因子吸附性）和组织相容性（细胞粘附性无抑制细胞生长性细胞激活性抗细胞原生质转化性抗炎症性无抗原性无诱变性无致癌性无致畸性） 广义上讲应该从物理性能、化学性能、生物学性能及临床研究等四方面进行评价步骤：材料性能测试表征毒性实验体外模拟试验体内模拟实验动物实验一期临床实验二期临床实验 （7）生物活性陶瓷可作为硬组织修复材料请说明AW生物微晶玻璃、羟基磷灰石陶瓷、磷酸三钙的组成、合成工艺、性能特点及这三种材料的主要应用 生物微晶玻璃成分的系统为CaOMgOP2O5SiO2F 具有很高的抗折强度断裂韧性和优异的生物活性 作为骨的修复和置换材料 合成工艺：粉末原料（以Ca与P原子比为1.67）高温熔融冷却成型热处理微晶玻璃 羟基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2 生物活性好机械强度较差可作为骨填充和骨的置换材料人工齿根等也可与陶瓷、金属、聚合物复合制成复合材料 制备方法：水溶液反应法;固相反应法;水热法 磷酸三钙Ca3(PO4)2 比起羟基磷灰石更易于在体内被吸收降解 作为骨的修复材料 制备方法：可采用化学共沉淀法；烧结以Ca与P原子比为1.5的粉末为原料则可得到TCP陶瓷在800左右要经历一个由磷灰石向TCP的相变过程 （8）要实现生物材料的特定功能生物材料应满足怎样的基本特性人工关节制品由些材料组合而成对材料有何要求如何改善人工关节制品的使用寿 命 (1)无毒性、无致癌作用、无变态反应对周围生物组织无刺激和对人体无其他有害的副作用 (2)与生物组织亲和性好物理和化学性能与所替代的组织相近 (3)在生物体内材料的物理、化学性能稳定经过长期使用不会发生变质和力学性能降低的现象 (4)在杀菌、消毒过程中性质不发生变化容易进行加工材料的性质具有很好的重复再现性 人工关节制品由钛合金、氧化铝陶瓷、超高分子量聚乙烯组成但使用由于长期摩擦会掉下损耗的材料细粉造成周围组织的发炎和肿痛故需要材料抗磨损如何改善：使用力学性能更好的氧化锆陶瓷代替氧化铝陶瓷以及合成更耐磨高分子材料 （9）试述医用金属材料、生物陶瓷、医用高分子材料、医用复合材料的各自优缺点及应用可举例说明 医用金属材料：优点:良好的化学和力学性质而得到较广泛的应用 主要用于骨骼、关节、牙齿等硬组织的修复和替换 主要缺点是不具有生物活性难于和生物组织形成牢固的结合；长期植入人体后由于化学稳定性下降会有杂质离子析出对周围组织造成危害；而且金属材料的弹性模量要比人骨大得多这会造成局部应力屏蔽现象使材料易断裂和人体不适 生物陶瓷： 主要用于人工肩关节、膝关节、肘关节、足关节以及能够负重骨杆和椎体人工骨优点是能在生理环境中具有高的强度和耐腐蚀性化学稳定性好 缺点：它们不具有生物活性与生物组织间的结合基本是机械嵌连 医用高分子材料： 广泛用于人工皮肤、角膜、肌腱、韧带、血管、人工脏器等组织和器官的修复与制造 缺点是大多不具有生物活性 优点是植入人体后被降解为对人体无害的小分子产物可通过新陈代谢途径排出体外不影响人体组织的正常生长 医用复合材料 优点：可以将几种材料复合兼具他们共同的优点性能更加出众 缺点:昂贵 应用：将羟基磷灰石热喷涂或化学沉积在钛金属和钛合金表面可制成生物活性人工牙根和人工骨修复置换材料 （10）何谓SBF溶液为何又称为生理盐水常用SBF溶液的pH值为多少如何用SBF溶液考察骨修复材料的性能 模拟体液 因为它的渗透压值和正常人的血浆、组织液都是大致一样的所以可以用作补液（不会降低和增加正常人体内钠离子浓度）以及其他医疗用途常用PH值为7.4通过观察骨修复材料其表面在SBF溶液中形成磷灰石能力的大小预测其性能 （11）Al2O3陶瓷是常用的硬组织修复材料若要改善其生物惰性和高的弹性模量有何途径 加入氧化锆增韧; 以溶胶凝胶法涂层改善惰性陶瓷的生物活性 以生物玻璃和氧化铝复合提高弹性模量 （12）材料与生物体的反应主要包括些试说明对研究和开发生物材料的指导意义 材料与生物体相互作用可区分为二个方面： 一是材料反应即生物体对材料的作用包括生物环境对材料的腐蚀、降解、磨损和性质退化甚至破坏 二是宿主反应即材料对生物体系统的作用局部组织反应、全身毒性反应、过敏反应、致癌、致畸、致突变反应和适应性反应、 除了应满足各种生物功能等物理化学性质要求外还要求生物材料不对生物体产生明显有害效应有良好的生物相容性并且不会因与生物体直接结合而降低其效能与使用寿命 （13）生物医用高分子材料按材料与活性组织的相互作用关系分类可以分为几类各有什么特点 按照材料与机体组织作用方式分类：生物惰性材料、生物活性材料 高分子材料生物惰性是指材料在体内能保持稳定几乎不发生化学反应该类高分子材料植入生物体内后基本上不发生化学反应和降解反应不变性它所引起的组织反应是围绕植入体的表面形成一层纤维包膜与组织间的结合主要是靠组织长入其粗糙表面或孔中从而形成一种物理嵌合 生物活性（Bioactive）高分子材料生物活性概念原意是指植入材料能够与周围组织发生相互作用在材料组织界面上诱导出特殊的生物或化学反应这种反应导致材料和组织之间形成化学键合目前一种广义的解释为生物活性是增进细胞活性或促进新组织再生的性质 （14）对生物医用高分子材料的性能有些要求 材料本身的要求：生物稳定性；物理和力学稳定性；易于加工成型；材料价廉易得；便于灭菌消毒； 对医用高分子材料的人体效应的要求：无毒；无热原反应；不致癌、不致畸；不引起过敏反应或干扰肌体的免疫机理；不破坏邻近组织也不发生材料表面钙化沉积；良好的血液相容性 （15）什么是高温硫化硅橡胶医用硅橡胶有些用途 通过直接聚合得到的有机硅高聚物称为有机硅生胶其弹性低、机械强度高不能直接应用必须经过高温硫化处理其方法如下：在有机硅生胶中加入二氧化硅（SiO2俗称白碳黑）、二氧化钛等作补强剂用有机过氧化物如过氧化二苯甲酰（BPO）作硫化剂并加入其它辅料和助剂进行混炼、成型、热处理熟化得到高温硫化硅橡胶 用途：人工器官和组织代用品短期植入材料药物控制释放载体体外循环用品整容外科修补材料 （16）试述梯度功能复合材料的定义、分类、用途及各自特点 梯度功能复合材料是指材料的组份、结构、性能随空间或时间连续变化或阶梯变化而变化的高性能材料 分类：耐热功能梯度材料生物功能梯度材料化学工程功能梯度材料电子工程功能梯度材料 耐热：这种材料由于能够缓和热应力,是未来航天飞机器用的理想耐热、隔热材料 生物：高比强度高生物相容性耐腐蚀耐疲劳耐磨损用于人造骨骼人造牙齿等化学：耐腐蚀耐热绝缘高强度催化剂功能性高分子膜电子：导电及绝缘梯度压电电磁性能好超导材料滤波器 （17）制备梯度功能复合材料有几种方法各自有什么优缺点主要分为高温和低温制备法 方法名称 气相沉积法优点气体的压力、组成及反应温度可以控制；可制备大尺寸的功能梯度材料缺点沉积速率慢；成份分布不能连续控制；不能制备出大厚度的梯度膜,涂层与基体结合强度低、设备比较复杂成分不均匀,造成反应热相差较大；要专用设备自蔓延烧结法等离子喷涂法合成时间短、操作简单；产品纯度高、效率高、能耗少、工艺相对简单；能够制备大体积的梯度材料可以调整粉末的组成、沉积率高、无需烧结、梯度涂层与基体间的结合强度不高,不受基体面积大小的限制；涂层的界面结合并存在涂层组织不均匀、空洞疏松、 导论 一、生物医用材料定义 生物材料：广义的说一是指用于生物体内的材料达到治疗康复的目的例如隐形眼镜、人工髋关节；二是指来源于生物体可能用于或不再用于生物体例如动物皮革用于服装 在本学科中生物医用材料或生物材料的含义 生物医用材料又叫做生物材料分别来自于BiomedicalMaterials和 Biomaterials的译名目前国际上两本本学科最主要的学术期刊是英国的 Biomaterials和美国的JournalofBiomedicalMaterialsResearch两个期刊所涉及的内容是相同的由此可见BiomedicalMaterials和 Biomaterials两词是指相同的材料 生物医用材料：对生物系统的疾病进行诊断、治疗、外科修复、理疗康复、替换生物体组织或器官（人工器官）增进或恢复其功能而对人体组织不会产生不良影响的材料生物医用材料本身不是药物而是通过与生物机体直接结合和相互作用来进行治疗 另一种说法是：生物医用材料是一种植入躯体活系统内或与活系统相接触而设计的人工材料 举例说明：（FDA分类：美国食品与药物管路局对医用材料的分类） 名称是否生物材料相接触的组织FDA分类 眼镜架no 隐形眼镜yes与角膜接触III 假肢no 人工髋关节yes与骨组织接触并要求牢固结合III 假牙yes与口腔粘膜接触II 牙根植入体yes与牙床骨接触并希望牢固结合III 人工心肺系统yes与血液接触III 生物医用材料学科的研究内容 1.各种器官的作用； 2.生物医用材料的性能； 3.它们之间的相互作用在体内生物医用材料如何影响活组织（称之为宿主反应）；活组织又如何影响生物材料的性能变化（称之为材料反应）在器官与生物医用材料的相互作用方面重点研究化学和力学两方面（例如植入髋关节磨损碎屑炎症反应以及金属离子的溶出） 二、生物医用材料的分类：生物材料应用广泛品种很多有不同的分类方法按材料的传统分类法分为： (1)合成高分子材料（如聚氨酯、聚酯、聚乳酸、聚乙醇酸、乳酸乙醇酸共聚物、其他医用合成塑料和橡胶）、 (2)天然高分子材料（如胶原、丝蛋白、纤维素、壳聚糖）、 (3)金属与合金材料（如钛及钛合金）、 (4)无机材料（生物活性陶瓷、羟基磷灰石）、 (5)复合材料（碳纤维聚合物、玻璃纤维聚合物） 按材料的医用功能分为： (1)血液相容性材料 应用于人工血管、人工心脏、血浆分离膜、血液灌流用的吸附剂、细胞培养基材与血液接触不可以引起血栓、不可以与血液发生相互作用主要包括聚氨酯聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯聚甲基丙烯酸羟乙酯、含聚氧乙烯醚的聚合物、肝素化材料、尿酶固定化材料、骨胶原材料等 (2)软组织相容性材料 如果用作与组织非结合性的材料必须对周围组织无刺激性、无毒副作用如软件隐形眼镜片；如果用作与组织结合性的材料要求材料与周围组织有一定粘结性、不产生毒副反应主要用于人工皮肤、人工气管、人工食道、人工输尿管、软组织修补材料这样的材料有聚硅氧烷、聚酯、聚氨基酸、聚甲基丙烯酸羟乙酯、改性甲壳素 (3)硬组织相容性材料 硬组织生物材料主要用于生物机体的关节、牙齿及其他骨组织包括生物陶瓷、生物玻璃、钛及合金、碳纤维、聚乙烯等 (4)生物降解材料 这类材料在生物机体中在体液作用下断降解或者被机体吸收或者排出体外植入的材料被新生组织取代主要用于吸收型缝合线、药物载体、愈合材料、粘合剂以及组织缺损用修复材料包括多肽、聚氨基酸、聚酯、聚乳酸、甲壳素、骨胶原明胶等高分子材料以及磷酸三钙等生物陶瓷可降解材料 (5)高分子药物 高分子药物是一类本身具有药理活性的高分子化合物可以从生物机体组织中提取也司以通过人工合成、基因重组等技术获得天然生物高分子的类似 物如多肽、多糖类免疫增强刑、胰岛素、人工合成疫苗等用于治疗糖尿病、心血管病、癌症以及炎症等疾病 还可以按照有无生物活性分为生物惰性材料（bioinert）、生物活性材料 （bioactive） 还可以按照可否生物降解（biodegradable）来划分 还可以分为人工合成材料和天然材料 还可以分为单一材料、复合材料、活体细胞、天然组织与无生命材料结合的杂化材料 三、生物医用材料的研究现状 目前