生物医用材料ppt课件

生物医用材料,1,生物医用材料(biomedicalmaterials)是用于与生命系统接触和发生相互作用，并能对其细胞、组织和器官进行诊断治疗、替换修复或诱导再生的一类天然或人工合成的特殊功能材料，亦称生物材料。,2,生物医用材料市场发展概况生物医用材料的基本特性及分类金属生物医用材料无机生物医用材料有机高分子生物医用材料杂化生物医用材料,目录,3,我国生物医学材料的生物医学工程产业的市场增长率高达28(全球市场增长率20%),居全球之首。我国人工关节替换年增长率高达30，远高于美国的4。-国家科技部资料,中国生物医用材料市场,4,775万肢残患者和每年新增的300万骨损伤患者-需要大量骨修复材料2000万心血管病患者-每年需要24万套人工心瓣膜肾衰患者-每年需要12万个肾透析器,5,全球生物医用材料细分市场发展,增长率26%,增长率45%,市场将达800亿美元,高速增长,高速增长,6,我国生物材料和制品所占世界市场份额不足1.5；产品技术水平处于初级阶段，且产品单一；同类产品与国外产品比，基本上属于仿制，自主知识产权较少；生物医用材料与制品70-80%要依靠进口；产业正处于起步阶段。,生物医用材料产业现状:,我国生物医用材料的产业化,7,代表性生物医用材料产品及公司,8,生物医用材料市场发展概况生物医用材料的基本特性及分类金属生物医用材料无机生物医用材料有机高分子生物医用材料杂化生物医用材料,目录,9,替代损害的器官或组织；如人造心脏瓣膜、假牙、人工血管等；改善或恢复器官功能；如隐型眼镜、心脏起搏器等；用于治疗过程；如介入性治疗血管内支架、用于血液透析的薄膜、药物载体等,一、生物医用材料的用途,10,二、生物医用材料的基本要求,材料与机体组织发生的两种反应：,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。,包括局部和全身反应，如炎症、细胞毒性、凝血、过敏、致癌、畸形和免疫反应等。,11,对人体无毒、无刺激、无致畸、致敏、致突变或致癌作用；生物相容性好，在体内不被排斥，无炎症，无慢性感染，种植体不致引起周围组织产生局部或全身性反应，最好能与骨形成化学结合，具有生物活性；无溶血、凝血反应等。,(一)生物相容性,(二)化学稳定性耐体液侵蚀，不产生有害降解产物；不产生吸水膨润、软化变质；自身不变化等。,12,(三)力学条件足够的静态强度，如抗弯、抗压、拉伸、剪切等；具有适当的弹性模量和硬度；耐疲劳、摩擦、磨损、有润滑性能。,(四)其它要求良好的空隙度，体液及软硬组织易于长入；易加工成形，使用操作方便；热稳定好，高温消毒不变质等性能。,13,按材料的用途进行分类：,三、生物医用材料的分类,14,金属生物医用材料:包括不锈钢、钴基合金，钛及合金等，广泛应用于人工假体、人工关节、医疗器械等。无机生物医用材料：分为惰性生物陶瓷、生物玻璃、碳素材料。有机高分子生物医用材料：分为天然的和合成的，天然的如多糖类、蛋白类，合成的聚氨酯、聚乙烯、聚乳酸、聚四氟乙烯等，用于人体器官、组织、关节、药物载体等。杂化生物医用材料：不同种材料的混合或结合，克服单一材料的缺点，可获得性能更优的材料。,按材料的组成进行分类：,15,生物医用材料市场发展概况生物医用材料的基本特性及分类金属生物医用材料无机生物医用材料有机高分子生物医用材料杂化生物医用材料,目录,16,金属生物医用材料,金属材料是生物医用材料中应用最早的。随着抗腐蚀性强的不锈钢、弹性模量程骨组织接近铜铁合金，以及记忆合金材料、复合材料等新型生物医学金属材料的不断出现，其应用范围也在扩大。,（1）抗腐蚀性（2）毒性低或无毒（3）高机械性能,17,Fe-与血红细胞结合可形成铁血黄素；Cr-能与机体内的丝蛋白结合；Ni-过量富集有可能诱发肿瘤的形成；通常，医用不锈钢的小量腐蚀不会引起组织的明显变化，但量大时会引起水肿、感染、组织坏死或过敏反应。因此必须严格控制医用不锈钢在体内的金属离子溶出。,生理腐蚀和磨蚀,金属器件植入体内,金属离子溶出进入组织液,引起机体不良反应,18,常见生物医用金属材料,19,3Cr13和4Crl3型马氏体不锈钢用于医疗器械，如刀、剪、止血钳、针头等。,00Cr18Ni10型奥氏体不锈钢可制作各种人工关节和骨折内固定器；在口腔科常用于镶牙、矫形和牙根种植等器件的制作。,不锈钢骨固定螺钉和骨固定板,不锈钢,20,钴基合金,钴基合金人体内一般保持钝化状态，与不锈钢比较，钴基合金钝化膜更稳定，耐蚀性更好；在所有医用金属材料中，其耐磨性最好；植入体内不会产生明显的组织反应，适合于制造体内承载苛刻的长期植入件。在整形外科中，用于制造人工髋关节、膝关节以及接骨板、骨钉、关节扣钉和骨针等。在心脏外科中，用于制造人工心脏瓣膜等。,21,CoCrMo合金,医用钴基合金更适用于体内承载条件苛刻的长期植入件。,22,钛基合金,Ti为难熔稀有金属，熔点1762，密度小、比强度高；,Ti合金对人体毒性小，密度小，弹性模量接近于天然骨，是较佳的金属生物医用材料。,Ti合金的强度可达到很高的水平，比强度是不锈钢的3.5倍；,Ti与氧反应形成的氧化膜致密稳定，有很好的钝化作用，具有很强的耐蚀性。在生理环境下，Ti合金的均匀腐蚀很小，不会发生点蚀、缝隙腐蚀和晶间腐蚀。Ti合金的磨损与应力腐蚀较明显。,23,EL1Ti6Al4V钛基合金制作的骨钉和骨板,钛基合金的医学应用：,广泛用于制作各种人工关节、牙床、人工心脏瓣膜、头盖骨修复等方面。,24,生物医用材料市场发展概况生物医用材料的基本特性及分类金属生物医用材料无机生物医用材料有机高分子生物医用材料杂化生物医用材料,目录,25,无机生物医用材料,无机生物医学材料从主要成分来看，包括生物陶瓷、生物玻璃和碳素材料。1808年就已用陶瓷来镶牙，近20年来由于无机生物学材料性能的改善及复合材料发展的需要，这类材料的研制和应用都有了较大的发展。,26,1、生物陶瓷,多用于假牙制作，硬度及耐磨性优于树脂制品。材料的化学性质差，生物相容性好。,主要成分为磷酸钙，植入人体后可以降解吸收，由于被怀疑会引起淋巴结增生，现已停止对其研究。,如掺入荧光物质的陶瓷贴片，可以贴在牙齿外表增加美观。,（1）普通生物陶瓷,（2）生物活性陶瓷,(3)特殊加工生物陶瓷瓷,27,各种生物陶瓷在临床上的应用：1)能承受负载的矫形材料，用在骨科、牙科及颌面上如：Al2O3陶瓷、稳定ZrO2陶瓷、具有生物活性的表面涂层(生物微晶玻璃、生物活性玻璃)的相应材料等,2)种植齿、牙齿增高如：Al2O3陶瓷、氟聚合物金属基复合材料、生物活性玻璃、自固化磷酸盐水泥和玻璃水泥、活性涂层材料等,3)耳鼻喉代用材料如：Al2O3陶瓷、生物活性玻璃及生物活性微晶玻璃、磷酸盐陶瓷,4)人工肌腱和韧带如：PLA-碳纤维复合材料,28,5)人工心脏瓣膜如：热解碳涂层(抗凝血，摩擦系数小),6)可供组织长成的涂层(心血管、矫形、牙、额面修复)如：多孔Al2O3陶瓷,7)骨的充填料如：磷酸钙及磷酸钙盐粉末或颗粒,8)脊椎外科如：生物活性玻璃或生物活性玻璃陶瓷,9)义眼如：生物玻璃、多孔羟基磷灰石,29,采用增强含微孔羟基磷灰石(HA)陶瓷制成人工听小骨假体，在语言频率范围，平均提高病人的听力20-30dB，在特定语言频率范围提高4560dB。,是一种安全、方便的听小骨缺损替代品，适用于因炎症(如慢性化脓性中耳炎)或外伤等病症造成听小骨缺损、畸形的患者作听小骨置换手术。,30,可治疗癌症的生物陶瓷,如：由LiFe3O5和a-Fe2O3与Al2O5-SiO2-P2O5玻璃体复合材料制得的高密度玻璃，具有热磁性。,具有耐腐蚀又能发射射线的生物陶瓷也可用于治疗癌症。如：Al2O5-SiO2-P2O5玻璃体复合材料，可以被激发或发射射线。,31,2、生物医学玻璃和玻璃陶瓷,（1）非活性生物玻璃,（2）活性生物玻璃,（3）羟磷灰石（HAP）材料,多用于制作人工股骨、人工齿冠、齿桥，还用于强磁性的玻璃陶瓷埋入肿瘤附近，通过材料在交变磁场作用下磁场下磁滞损耗发热而杀死癌细胞。,生物相容性好，和骨组织结合好，成骨过程快、有利于植入物早期固定，种植成功率高。,HAP是人牙和骨骼的主要无机成分，具有吸收和聚集体液中钙离子的作用，参与体内钙代谢，对骨质增生有刺激或诱导作用，促进缺损组织的修复，显示出生物活性。与高分子材料制成的混合材料常用做人工中耳骨等。,32,3.碳素材料,碳是构成生物体的重要组成元素，由于它具有极好的抗血栓性，因而碳素材料被认为是最佳的人工心脏瓣膜材料。活性炭常用于血液净化材料等。,人工心脏瓣膜,33,碳纤维束有利于生物组织依附生长，经聚乳酸浸制成人工韧带和肌腱已用于临床研究。碳纤维与高分子材料制成的复合材料可用于制作假牙、人工软骨、人工中耳骨及用于胫骨骨折固定板、颌面修复等。用于人工关节的多孔材料是由碳纤维和聚四氟乙烯组成的各向同性碳。把人工关节端头涂上一层这样的材料，就可使关节固定良好。,人工关节UHMWPE材料、德国,3.碳素材料,34,生物医用材料市场发展概况生物医用材料的基本特性及分类金属生物医用材料无机生物医用材料有机高分子生物医用材料杂化生物医用材料,目录,35,有机高分子生物医用材料,医用高分子材料,聚氨酯、有机硅材料（聚硅氧烷、甲基硅油）等合成高分子材料用于人工器官、手术缝合线、组织修补材料等。,药用高分子材料,缓释药物、药物载体、辅助材料,缓释胶囊,植入型药物缓释棒,36,用于人工脏器的医用高分子材料,37,药用高分子材料,（1）作为控制释放药物的载体纳米树形高分子。（2）作为药物使用靶向材料，聚乙烯N-氧吡啶是一种具有药理活性的高分子，注射其水溶液或吸入其烟雾剂，对于治疗矽肺病有较好效果。（3）作为药物制剂的辅助材料将青霉素与乙烯醇-乙烯胺共聚物以酰胺键相结合，得到水溶性的药物高分子。这种高分子青霉素在人体内停留时间比低分子青霉素长30-40倍。,38,靶向纳米微球,细胞表面受体靶向,脂质体抑制肿痛在体内生长(C.A.Nartchowetal.TargesomeInc.,USA),39,代表性药物控释系统及公司,40,难题高分子材料的血液相容性,材料界面性质与血液界面性能的不同可能造成吸附改变蛋白质的形状以及排列，产生溶血、凝血或者血栓。医用高分子材料研发过程中遇到的一个巨大难题是材料的抗血栓问题。当由于人体的自然保护性反应将产生排异现象，其中之一即为在材料与肌体接触表面产生凝血，即血栓，结果将造成手术失败，严重的还会引起生命危险。因此对高分子材料的抗血栓性研制是医用高分子研究中的关键问题。,41,42,生物医用材料市场发展概况生物医用材料的基本特性及分类金属生物医用材料无机生物医用材料有机高分子生物医用材料杂化生物医用材料,目录,43,杂化生物医学材料,杂化生物医学材料和非活性材料所组合的新型材料，是制造高生理功能的人工器官的较为理想的材料。杂化生物医学材料主要是人工材料与自体材料的组合，它包括用于组织结构材料的多糖类等生理活性物质杂化，以固定化酶为代表的功能性杂化材料和杂化细胞3类。,44,1.人工材料与生理活性物质杂化,在人工结构材料表面结合上生理活性物质，既能保留人工材料基质的力学强度，又能具有良好的生物相容性及抗凝血性。,2.与生体高分子的杂化,主要是人工材料与酶、抗体、抗原、激素等的杂化。这类材料除可作为人体组织、器官的结构材料外，尚可用于生物传感器及医学诊断和治疗,利用酶的生物信息传递功能与具有刺激响应的材料组合可形成酶传感器，同样可形成免疫传感器、细胞传感