医用材料生物学基础蔡伟第一章绪论.ppt

第一章绪论,一、课程设立的目的、意义,1,哈尔滨工业大学材料学院材料物理与化学二OO六年十月,医用材料生物学基础,第一章绪论,2,第一章绪论,一、课程设立的目的、意义二、课程特点三、课程主要内容四、成绩考核五、相关概念的回顾与解释,第一章绪论,一、课程设立的目的、意义,3,一、课程设立的目的、意义,医用材料的研究基础材料研究的基础医用材料的定义、目标医用材料的分类与发展医用材料的应用举例社会效益、经济效益、市场前景未来发展的趋势与挑战,第一章绪论,一、课程设立的目的、意义,4,一、课程设立的目的、意义,医用材料的研究基础材料研究的基础（生物体环境）医用材料的定义、目标医用材料的分类与发展医用材料的应用举例社会效益、经济效益、市场前景未来发展的趋势与挑战,第一章绪论,一、课程设立的目的、意义,5,组成、结构-工艺过程-性质之间关系示意图,材料研究的基础,第一章绪论,一、课程设立的目的、意义,6,一、课程设立的目的、意义,医用材料的研究基础材料研究的基础医用材料的定义、目标（组织、器官的生理功能，生物体对植入材料的反应）医用材料的分类与发展医用材料的应用举例社会效益、经济效益、市场前景未来发展的趋势与挑战,第一章绪论,一、课程设立的目的、意义,7,生物医用材料biomedicalmaterials生物材料biomaterials对生物体进行诊断、治疗和置换损坏组织、器官或增进其功能的材料。,医用材料的定义、目标,第一章绪论,一、课程设立的目的、意义,8,生物材料的目标是对人体组织的矫形、修复、再造以维持其原有的功能。生物材料除了应具有人体的组织或器官的功能外，还必须有与人体组织的相容性；对肌体无免疫排异反应，血液相溶性好，无溶血、凝血反应，不会引起代谢作用异常现象，对人体无毒、不致癌。目前已经发展起来的生物合金、生物高分子和生物陶瓷基本上能满足这些要求，利用这些材料已经制造出了许多人工器官，如肾、肝、肺、骨关节等.,医用材料的定义、目标,第一章绪论,一、课程设立的目的、意义,9,水晶体:丙烯酸,硅胶,耳:HA,氧化铝,钛金属,硅胶,齿科:丙烯酸,金,316LSS,钴铬钼合金,钛金属,钛铝钒合金,氧化铝,HA,生物玻璃,心脏:钴铬钼合金,钛铝钒合金,热解石墨,ePTFE,PET,PUR,心律调节:316LSS,白金t,PUR,硅胶,PET,人工关节:316LSS,钴铬钼合金,钛金属,钛铝钒合金,硅胶,UHMWPE,丙烯酸,颚面重建:氧化铝,HA,三钙磷酸盐,HA/PLA,生物玻璃,钛金属,钛铝钒合金,头盖骨:316LSS,钛金属,丙烯酸,HA,TCP,可降解缝线:PLA,PGA,聚己内酯,PTMC,PDO的共聚高分子,脊柱:钴铬钼合金,钛金属,HA,UHMWPE,承载重量的骨材:氧化铝,氧化锆,316LSS,钛金属,钛铝钒合金,钴铬钼合金,UHMWPE,血管:ePTFE,PET,肌腱纯刚玉金属复合型人工股骨头;纯刚玉聚甲基丙烯酸酯钴铬钼合金铰链式膝关节;其他人工骨、人工牙根等.氧化锆:人工髋关节,生物惰性材料BioinertMaterials,生物惰性材料,第一章绪论,一、课程设立的目的、意义,63,玻璃陶瓷:部分人工关节.Si3N4陶瓷:较小的人工骨，目前还不能用作承重材料.医用碳素材料:人工心脏瓣膜等人工脏器,人工关节.医用金属材料:人体承重材料中应用最广泛的材料，表面涂上活性生物材料后可增加它与人体环境的相容性，同时还能制作各类其他人体骨的替代物。,生物惰性材料BioinertMaterials,生物惰性材料,第一章绪论,一、课程设立的目的、意义,64,5、生物活性材料BioactiveMaterials,能诱出或调节生物活性的生物医学材料.生物活性是增进细胞活性或新组织再生的性质.生物医用高分子材料以及典型的生物活性材料羟基磷灰石。,生物活性材料,第一章绪论,一、课程设立的目的、意义,65,羟基磷灰石Hydroxyapatite,HAPCa10(PO4)6(OH)2生物硬组织的修复和替换材料口腔种植、牙槽脊增高、颌面骨、鼻梁、假眼球、耳小骨替换、中耳通气引流管脊椎骨替换填充用颗粒抑制癌细胞用微晶粉制备多孔陶瓷和复合材料/涂层材料,生物活性材料BioactiveMaterials,生物活性材料,第一章绪论,一、课程设立的目的、意义,66,磷酸钙生物活性材料磷酸钙骨水泥:骨修补和固定关节磷酸钙陶瓷纤维:无机骨水泥的补强及制备有机与无机复合型植入材料.生物磁性陶瓷材料:治疗癌症用生物玻璃:生物活性微晶玻璃/可加工生物活性微晶玻璃,生物活性材料BioactiveMaterials,生物活性材料,第一章绪论,一、课程设立的目的、意义,67,6、生物降解材料BiodegradableMaterials,在被植入人体以后,能够不断的发生分解,分解产物能够被生物体所吸收或排出体外的一类材料.-TCP生物降解陶瓷:修复良性骨肿瘤或瘤样病变手术刮除后所致缺损生物陶瓷药物载体:微药库型载体，可根据要求制成一定形状和大小的中空结构，用于各种骨科疾病。,生物降解材料,第一章绪论,一、课程设立的目的、意义,68,7、生物复合材料CompositeBiomaterials,生物复合材料又称为生物医用复合材料，它是由两种或两种以上不同材料复合而成的生物医学材料。人体功能的复杂性以及应用场合、应用形式不同；同一场合下，对性能要求也不是单一的，因此要求植入材料性能多样性导致复合材料产生。,生物复合材料,第一章绪论,一、课程设立的目的、意义,69,生物复合材料复合目的,综合多种组分或结构的性能优势，更好实现对人体受损组织的修复作用。降解模式和降解速率具有可调性增强和改善力学性能,生物复合材料,第一章绪论,一、课程设立的目的、意义,70,生物复合材料的分类,有机/有机复合生物材料:可降解高分子材料之间通过对不同组分的复合,考察材料的相容性以及结构和性能,筛选具有最佳性能的复合生物材料。包括天然高分子材料,生物合成聚酯,以及人工合成聚酯和聚酸酐等。,生物复合材料,第一章绪论,一、课程设立的目的、意义,71,金属/无机复合生物材料:金属材料通过一些物理或化学手段(等离子喷涂,电化学沉积法等),在其表面形成一层磷酸钙盐,改善金属材料表面的生物相容性,并与周围的骨组织形成良好的骨性结合。,生物复合材料,生物复合材料的分类,第一章绪论,一、课程设立的目的、意义,72,有机/无机复合生物材料：结合有机组分的韧性和无机组分的刚性,充分利用了无机组分或部分有机组分的生物活性或降解性能,形成了具有综合使用性能的骨修补复合材料，用于修复和重建人体的硬组织,作为骨修复或骨固定材料。骨修复复合材料与周围组织的最终结合形式或被利用的状况与材料组分的降解特性、材料的结构等密切相关。一般来说,具有降解特性或贯通孔洞的复合材料能够被人体较好地利用,新生骨组织可以长入到材料内部,并与周围组织形成牢靠的结合。,生物复合材料,生物复合材料的分类,第一章绪论,一、课程设立的目的、意义,73,8、生物衍生材料BiologicallyDerivedMaterials,由经过特殊处理的天然生物组织所形成的生物医用材料，也称为生物再生材料。生物衍生材料具有类似于自然组织的构型和功能，其组成类似于自然组织，在维持人体动态过程的修复和替换中具有重要作用。,生物衍生材料,第一章绪论,一、课程设立的目的、意义,74,生物衍生材料,来源：取自同种或异种动物体的生物组织.特殊处理：轻微处理：维持组织原有构型而进行的固定、灭菌和消除抗原性处理。强烈处理：拆散原有构型、重建新的物理形态的处理。,生物衍生材料,第一章绪论,一、课程设立的目的、意义,75,9、组织工程TissueEngineering,应用生命科学与工程学的原理与技术,在正确认识哺乳动物的正常及病理两种状态下的组织结构与功能关系的基础上,研究、开发用于修复、维护、促进人体各种组织或器官损伤后的功能和形态的生物替代物的一门新兴学科。,组织工程,第一章绪论,一、课程设立的目的、意义,76,组织工程方法,应用工程学和生命科学的原理与方法,将在体外培养、扩增的功能相关的活细胞种植于多孔支架上,细胞在支架上增殖、分化,构建生物替代物,然后将之移植到组织病损部位,达到修复、维持或改善人体各种组织或器官损伤后的功能和形态的生物替代物。,组织工程,第一章绪论,一、课程设立的目的、意义,77,组织工程研究,核心：建立由细胞和生物材料构成的三维复合体三要素：种子细胞、信号因子(细胞因子或生长因子)、支架材料四个研究方面:种子细胞、支架材料、器官构建、临床使用。,组织工程,第一章绪论,一、课程设立的目的、意义,78,EngineeredTissues,SkinThefirstcommercialtissue-engineeredproductCartilage解剖软骨BonePancreas胰腺BloodvesselsOthers(notcovered):heartvalve,bladder膀胱,cornea角膜,nerves,ligaments韧带,chronicwounds.,组织工程,第一章绪论,一、课程设立的目的、意义,79,组织工程,第一章绪论,一、课程设立的目的、意义,80,支架设计及制备技术,组织工程支架的要求,符合生物安全性要求高表面积和合适的表面理化性质合适的可生物降解吸收性适宜的孔隙率和孔径分布和相连的孔形态特定的三维外形，具有一定的空间几何形状，以利细胞与细胞外基质间的信息、能量与物质传递。与植入部位组织力学性能相匹配的结构和强度，能提供足够的力学支撑,组织工程,第一章绪论,一、课程设立的目的、意义,81,支架设计及制备技术,支架材料天然高分子材料合成降解聚合物生物陶瓷生物复合材料.,组织工程,第一章绪论,一、课程设立的目的、意义,82,天然高分子材料,蛋白质支架:胶原、明胶多糖支架：海藻酸盐、壳聚糖、透明质酸蛋白质多糖支架天然成分包含细胞表面受体的特异识别位点,在调控细胞生长发育方面具有特殊生物活性,这对于构建复杂的组织具有重要作用。但天然生物材料的来源不一,使其物理化学性质、力学性质难以保持稳定。,支架设计及制备技术,组织工程