生物材料在骨科临床应用PPT课件.ppt

生物医用材料在骨科临床应用 邱贵兴北京协和医院骨科 1 生物材料的概念 生物材料 Biomaterials 即生物医学材料 BiomedicalMaterials 用于人体组织和器官的诊断修复或增进其功能的高技术材料取代修复活组织的天然或人造材料其作用药物不可替代能增进或替换因疾病损伤等失去的某种功能 2 生物医用材料的用途 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的材料如 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 药物载体与控释材料等 3 生物材料发展概况 古代 公元前5000年黄金修复缺损牙齿并沿用至今公元前3500年古埃及人用棉花纤维马鬃缝合伤口印第安人用木片修补颅骨公元前2500年中国和埃及的墓葬中发现假牙假鼻和假耳隋末唐初银膏补牙 成分是银 锡 汞与现代牙齿填充材料类似 4 生物材料发展概况 近代 1588年黄金板修复颚骨1775年金属固定体内骨折1829年多种金属的动物实验发现金属铂对机体组织刺激最小1851年发明了天然橡胶的硫化方法开始用天然高分子硬橡木制作人工牙托和颚骨进行临床治疗1892年用硫酸钙填充骨缺损陶瓷材料植入人体的最早实例 5 生物材料发展概况 现代 生物材料取得实质性进展始于20世纪20年代 6 生物材料的分类 按材料性质分类按材料功能分类按材料来源分类按使用部位分类 7 通常按材料性质分类 金属材料不锈钢钴基合金钛基合金等广泛应用于人工假体人工关节医疗器械非金属材料无机材料有机材料 8 无机材料主要是生物陶瓷分为惰性生物陶瓷如氧化铝生物陶瓷表面生物活性陶瓷如磷酸钙基生物陶瓷可降解生物陶瓷如 磷酸三钙陶瓷等有机材料PMMA聚乙交酯聚丙交酯生物胶聚乳酸 9 通常按材料性质分类 高分子材料根据来源分天然和合成天然如多糖类 蛋白类合成如硅橡胶 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生物复合材料不同种材料混合或结合克服单一材料缺点可获性能更优的材料 10 按材料功能分类 硬组织相容性材料用于关节牙齿及其他骨组织软组织相容性材料用于人工皮肤人工气管人工食道等血液相容性材料用于人工血管人工心脏血浆分离膜血液灌流用吸附剂细胞培养基材等生物降解材料用于吸收型缝合线药物载体愈合材料粘合剂及组织缺损用修复材料 11 按材料来源分类 自体组织如人体髂骨血管等同种异体器官及组织异种器官及组织天然生物材料动物骨胶原甲壳素珊瑚等人工合成材料人工合成的新型材料 12 按使用部位分类 硬组织材料骨 牙齿用材料软组织材料软骨 脏器用材料心血管材料心血管以及导管材料血液代用材料人工红血球血浆等分离 过滤 透析膜材料血液净化肾透析及人工肺气体透过材料等 13 对生物医用材料的基本要求 良好的生物相容性良好的化学稳定性满足生物力学要求可灭菌可成型易加工 14 生物相容性 无毒无刺激无致畸致敏致突变或致癌在体内不被排斥无炎症无慢性感染不引起周围组织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 15 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 16 生物力学要求 足够的静态强度如抗弯抗压拉伸剪切等有适当的弹性模量和硬度耐疲劳摩擦磨损 17 其它要求 良好的空隙度体液及组织易长入易加工成形使用操作方便消毒灭菌不变质等性能 18 生物材料在骨科的应用 不锈钢钴基合金钛合金记忆合金 生物材料在骨科领域 发展最迅速应用最广泛 一 金属材料 19 不锈钢为铁基合金成本低在体内有腐蚀和组织反应等添加Mo可克服铬钝化膜在氧化环境中耐腐蚀性能如加Mo的316 317降低碳含量如使用超低碳的316L可防止晶间腐蚀 可用来制作人工关节和骨折内固定器等目前最常用于手术工具的制造 1 不锈钢 20 加Mo的钴基合金耐腐蚀性是不锈钢如316的40倍钴铬钼合金的生物相容性超过铁铬镍和钴铬合金钴基合金的耐磨性是所有医用金属材料中最好的更适于体内的长期植入物用于人工关节接骨板骨钉等 CoCrMo合金制股骨帽 2 钴基合金 21 骨科应用以纯钛和TC4 Ti 6Al 4V 为主强度不如钴基合金耐腐蚀性好与人体组织反应很弱钛合金的密度小弹性模量低接近于天然骨有良好的耐疲劳性能广泛用于制作人工关节接骨板骨螺钉髓内钉等 3 钛基合金 22 2019 12 29 23 1951年美国首次报道Au Cd 金 镉 合金具形状记忆效应目前已有20多种记忆合金其中镍钛合金临床上应用最大不同的温度下表现为不同的金属结构相如低温时为单斜结构相高温为立方体结构相前者柔软可随意变形后者刚硬可恢复原形状并在形状恢复过程中产生较大的恢复力 4 形状记忆合金 24 脊椎矫正植入体 特点奇特的形状记忆功能质轻磁性微弱强度较高耐疲劳性高回弹性和生物相容性好应用人工关节骨折连接脊柱侧凸矫形等 25 5 纯金属钽 Ta 良好生物相容性和可塑性无毒性独特的表面负电性使其具优良抗血栓性和生物相容性很高的抗缺口裂纹能力能和周围的新骨形成骨性结合植入软组织可依附在表面正常生长退火后的纯钽很软可加工成板带箔丝等主要用作接骨板骨螺钉钽网用于肌肉缺损修补钽丝和箔用于修补受损的神经肌腱由于钽资源少价格较高推广受限制 26 生物陶瓷 是经高温处理所成的无机非金属材料 二 非金属材料 一 无机材料 27 惰性生物陶瓷生物体内与组织反应很小如氧化铝陶瓷用于人工关节活性生物陶瓷生理环境下与组织界面形成化学键结合系骨性结合如羟基磷灰石等陶瓷及生物活性玻璃生物活性微晶玻璃用于需骨长入的假体表面涂层人工植骨材料等可吸收生物陶瓷在生物体内逐渐降解被骨组织吸收如磷酸三钙等多用于填充植骨材料 分类及骨科应用 28 高纯氧化铝生物陶瓷制备关节头无钒钛合金制备关节柄在柄部涂覆生物活性陶瓷涂层有效解决人工关节易磨损生物相容性不佳松动下沉等问题提高使用寿命 29 可降解陶瓷药物载体 植入骨病灶区可持续缓慢释放药物有效治疗骨结核骨肿瘤等且兼有补骨作用 30 生物医用高分子材料 分子量在几万至几百万如蛋白质棉毛木材松香橡胶塑料合成纤维按来源分天然和人工合成两种 二 有机材料 31 天然高分子生物材料 胶原蛋白 组织相容性好植入人体后无刺激性无毒性反应促进细胞增殖加快创口愈合并具可降解性可被人体吸收降解产物无毒副作用胶原凝胶 创伤敷料粉末 止血剂和药物释放系统纺丝纤维 人工血管人工皮人工肌腱外科缝线海绵 创伤敷料和止血剂等 32 天然高分子生物材料 纤维蛋白 主要来源于血浆蛋白具血液和组织相容性无毒副作用和其他不良影响临床已应用很久纤维蛋白粉末 止血剂可与抗菌素共用充填慢性骨炎和骨髓炎手术后骨缺损纤维蛋白海绵 止血的填充物组织代用品商品名Bioplast 关节成型术 33 合成高分子生物材料 硅橡胶 平均分子量 40万有机硅弹性体的主要成分含有硅原子的特种合成橡胶的总称无毒无味生物相容性好耐生物老化抗凝血性较好长期植入体内物理性能下降甚微耐高温严寒 90 250 良好的电绝缘性耐氧老化耐光老化防霉化学稳定性主要用于人工髓核DIAM 34 合成高分子生物材料 聚四氟乙烯 PTFE 又名泰氟隆 Teflon 最好的耐高温塑料 热塑性塑料结晶熔点327 几乎完全是化学惰性的具自润滑性或非粘性不易被组织液浸润可做成膜状材料用于脊柱减压手术肌腱吻合手术等防粘连 35 合成高分子生物材料 聚甲基丙烯酸甲酯 PMMA 具良好生物相容性耐老化性机械强度较高用于骨水泥 36 可吸收内固定材料抗弯强度 120MPa植入体内无需取出对组织无刺激能被人体完全吸收最终代谢为二氧化碳 水等适用于人体松质骨骨折截骨术和关节融合术的骨块 段 固定 合成高分子生物材料 聚乳酸 37 组织工程 近年来新兴的多学科交叉生命科学目的是修复和再生受损组织或器官帮助恢复受损组织的功能提高生活质量解决器官短缺和免疫抑制等问题 38 组织工程 定义利用工程学和生命科学基本原理开发能恢复维持或改善受损组织或器官功能的生物替代物综合了细胞生物学工程学材料学和临床医学领域用活细胞和细胞外基质或骨架构造一个新的功能化组织或器官研究领域新型聚合物的合成信号传导培养细胞的基因调节和移植有关的免疫问题等研制产品包括软骨组织 腱组织 骨组织等 39 生物材料的发展趋势 复合型两种以上材料混合或结合克服单一材料缺点杂化型合成材料与生物体高分子材料或细胞的杂化功能型在生理环境下表现为特殊功能的材料形状记忆材料组织引导再生材料智能型能模仿生命系统并具感知和驱动双重功能感知反馈和响应是该材料的三大要素高新技术传感器和执行元件与传统材料结合赋予材料新性能使其具更多生物特性 40 生物材料的发展趋势 当前国内外生物材料开发研究的主要趋势是致力于提高材料的生物相容性致力于开发生物相容性好更能适应人体生理需要的新材料 41 纳米医学材料 1纳米 Nanometre nm 1毫微米即10 9米相当于4个原子的直径或细胞内DNA双螺旋结构的半径纳米科学技术 NanoST 在纳米级微观环境下工作操纵原子 分子或原子团和分子团使其形成所需要物质以0 1到100nm的空间尺度范围作为研究与应用的对象研究其内在规律与特点运用这些特性制造具有特定功能的物品与设备的一项高新科学技术纳米尺度的生物大分子能导电纳米微粒的抗菌作用等特性只有在纳米级时才可显现出来 42 纳米技术是20世纪90年代发展起来的纳米材料的独