生物材料思考题.doc

一1、 简述生物材料的分类2、 阐述我国生物材料的研究及产业存在的问题与机遇3、 简述生物材料研究的特点及涉及的主要内容由于生物医用材料是材料科学与工程的重要分支，其最大特点是学科交叉广泛、应用潜力巨大、挑战性强。而且随着新材料、新技术、新应用的不断涌现，吸引了许多科学家投人这一领域的研究，成为当今材料学研究最活跃的领域之一，因此，我国应当大力发展生物医用材料，应加大对其的投入。目前，我国生物医学材料的研究虽然取得一些令人瞩目的成果，但整体水平不高，跟踪研究多，源头创新少。在产业化方面，生物医学材料及其制品占世界市场的份额相当低，主要依靠进口，产品技术结构和水平基本上处于初级阶段。结合我国国情和学科发展趋势，按照有所为，有所不为，重点突破的原则，专家建议，应在五个方面开展重点研究：1、是生物结构和生物功能的设计和构建原理研究。着重研究具有诱导组织再生的骨、软骨及肌腱等基底材料和框架结构的设计及其仿生装配；2、是表面过程材料与机体之间的相互作用机制研究。从细胞和分子水平深入研究材料与特定细胞、组织之间的表面作用，揭示影响生物相容性的因素及本质；3、是生物导向性及生物活性物质的控释机理研究。研究可自控或者靶向释放蛋白、基因等特异性生物活性物质的材料的设计以及生物导向性原理；用于组织细胞和基因治疗的半渗透聚合物膜的设计、自装配及特异性细胞密封技术；4、是生物降解、吸收的调控机制研究。研究生物降解、吸收材料的分子结构和生物环境对其降解的影响、降解、吸收速度的调控、降解/吸收及代谢机制，以及降解产物对机体的影响。其目标是为组织工程化人工器官生物材料及药物控释 材料的自成、改性方法提供理论基础，实现材料参与生命过程和构建生命组织的目的。5、是材料的制备方法学和质量控制体系研究。主要研究生物医用材料及修复体的计算机辅助设计； 通过上述研究的开展，将使我国生物材料的研究水平有较大提高，为我国生物医用材料科学及其产业的发展奠定坚实的基础。生物医用材料为挽救生命和提高人民健康水平做出了重大贡献，当前正面临重大突破。我国加入世贸组织后，生物医用材料产业将面临更大的挑战和更多的机遇，生物材料科学工作者任重而道远。我相信，在国家的大力支持下，跨部门、跨学科通力合作，通过走自力更生与技术引进相结合的发展之路，在生物材料组织工程化、分子设计、仿生模拟、智能化药物控释等各个方面重点投人，生物医用材料必将为全面提高人们的生活水乎，造福人类做出更大的贡献。二1、 举例说明结构蛋白、结构多糖的种类结构和性能特点结构蛋白：支持与运动种类:胶原蛋白、角蛋白、弹性蛋白、肌动蛋白、整联蛋白结构多糖：均一多糖：淀粉，纤维素，几丁质不均一多糖（糖胺聚糖）：透明质酸，肝素，蛋白聚糖2、 介绍胶原的提取方法和相关制品，并举例说明在生物医学方面的应用胶原蛋白的提取方法提取胶原蛋白工艺过程大致为：除杂、溶出、纯化三个阶段，具体操作方式和控制条件因皮源的不同而有所差异。在几种胶原蛋白的提取方法中，酸法提取迅速而彻底，但色氨酸全部被破坏，丝氨酸和酪氨酸部分被破坏，且产品得率低；碱法提取迅速且彻底，但含羟基和巯基的氨基酸全 部被破坏，且产生消旋作用(结构变异)；酶法提取对胶原蛋白破坏性小，能更好、更完全地得到活性蛋白，但水解不够彻底。酸、酶结合法相对于酸法溶解量提高。此外，还有酸碱结合法，酸碱与热水结合法等。（课件） 胶原膜：胶原纤维无纺布，人工皮肤（与人体皮肤透过性相似，与创面黏着好、吸收渗出液，促进生长）止血剂、伤口敷料、诱导组织再生修复材料 胶原海绵：外科手术，控制渗血组织工程支架（降解快） 手术缝线：体内神经、血管等组织的缝合 胶原溶液、凝胶、粉末、中空纤维：药物缓释、角膜、止血剂、人工肾透析膜、人工血管，美容、修补皮肤凹洞以及皱纹（百度）胶原蛋白具有下列特殊性质，因此能发挥多种生物功能： 1. 组织与架构 2. 支持及保护 3. 生物力学物性-强韧性及延展性 4. 控制分子通透性 5. 促进伤口愈合与组织修复 6. 节细胞与组织的生物功能 胶原蛋白的应用 生医材料 ：人工皮肤 、人工食道 、人工气管 、烧伤保护膜 医药品与医学用途 ：整形外科 、缓释性药物 、膀胱失禁用药等3、 阐述纤维素和壳聚糖的结构性能特点，以及在生物医学上的应用纤维素：均一性多糖 纤维素呈长纤维状结构支架纤维素由细胞内合成-分泌出来的细胞外分子纤维素大约占生物圈中的有机物质的50以上（储存量最大）纤维素中的葡萄糖残基是通过b（14）糖苷键连接的，而不是a（14）糖苷键。（线性形貌）几丁质(甲壳素)：N-乙酰葡糖胺聚合物 几丁质大量存在于昆虫和甲壳类动物的甲壳之中，又可称为壳聚糖，甲壳质，甲壳素。 虾、蟹壳中甲壳质是一种白色、无定形的半透明物质。 自然界中每年生成的几丁质约有一百亿吨；在天然聚合物中几丁质的贮存量占第二位，仅次于纤维素 几丁质难于单独存在于自然界，通常与蛋白质络合或共价结合（蛋白，甲壳素，碳酸钙）几丁质医学应用： 手术缝线：抗张强度高，4个月完全吸收 伤口包扎材料：止血棉、纱布、药布、绷带、创可贴、薄膜等各种医用敷料，促进伤口愈合 烧伤敷料与人造皮肤：此促进表皮形成，减轻疼痛，透气，吸水，抗菌 组织再生引导膜、组织工程支架、药物缓释载体，透析，隐性眼4、 举例说明生物矿物的结构特点和仿生合成在材料制备上的意义特点：受控于细胞调制的生命过程-性能优于一般陶瓷（近乎完美）：高强度，高断裂韧性，耐磨性，表面光滑与人工材料的最大区别：生物大分子参与生物矿物的合成，作为结构支持的框架；控制无机物的成核与生长，形成纳米级各种尺度的复合精细结构（多级尺寸自组装）。仿生合成就是将生物矿化的机理引入无机材料的合成,以有机物的组装体为模板,去控制无机物的形成,制备具有独特的显微结构的无机材料,使材料具有优异的物理和化学性能。三1、 比较生物材料和普通工程材料在成分、结构、性能、使用环境、应用等方面的特点和不同之处2、 请以宿主反应和材料反应两方面解释生物相容性医疗器械的复杂性主要取决于植入体对于宿主的影响以及宿主对于植入体的影响这两方面的因素。大部分的变化对生物体都有不利的影响。宿主反应是生物机体对植入材料的反应。宿主反应的发生是由于生理环境的作用，导致构成材料的组分原子、分子以及颗粒、碎片等代谢产物进入机体组织。生物材料进入机体后，可产生以下宿主反应：l 局部组织反应，是组织对手术创伤的急性或炎性反应；l 全身毒性反应，是由于材料降解在合成加工及消毒过程中吸收或形成的低相对分子质量产物造成的，有急性和慢性反应；l 过敏反应，是由于材料降解所产生的毒物造成的；l 致癌、致畸、致突变反应，是由于材料中或降解产物中产生的有害物质造成的；l 适应性反应，是慢性的、长期的，包括机械力对组织和材料相互作用的影响。材料反应是材料对生物机体作用产生的反应，材料反应的结果可导致材料结构破坏和性质改变，主要包括：u 1）生理腐蚀 生理环境对材料的化学侵蚀作用，致使材料产生离解、氧化等，导致过敏反应；u 2）吸收 材料在生理环境中，可以通过吸收过程使其功能改变，也可导致材料物理机械性能改变；u 3）降解及失效 在生理环境作用下，材料可能被机体降解，导致材料失效。磨损可以使修复体部件之间结合受损，造成修复体失效。机械力作用也可能引起材料失效。3、 微观和宏观角度阐述材料和组织相互作用的过程和现象，并举例说明生物组织对生物材料可能产生的影响例子生物材料引起的炎症反应发炎是创伤愈合的必要过程植入生物材料在植入部位往往有炎症反应纤维包囊与纤维化异物反应体系：创伤部位成纤维细胞和血管内皮细胞增生，产生异物巨细胞，形成肉芽组织通过异物反应，材料和植入体纤维化，或形成纤维包裹，-隔离组织与外物生物材料的形态和表面状态异物反应程度高比表面积（多孔，织物）-植入部位异物巨细胞和巨噬细胞高纤维化程度高4、 举例说明改进材料的血液相容性和组织相容性的方法（不少于两个）5、 举例说明生物材料在体内可能发生的反应和变化金属： 腐蚀，磨损陶瓷： （相对稳定） 磨损，颗粒高分子：降解，老化，钙化，小分子溶出吸收过程： 被细胞吞噬、转化、参与代谢固体致癌性（异物致癌性）：面积大于1cm2, 任何形状任何材料（高分子、金属、陶瓷）均可导致肿瘤 高分子材料在体内的表面钙化高分子植入材料的钙化失效例:牛心包心脏瓣膜钙化失效二次手术（胶原、水溶胶、甲基丙烯酸羟乙酯等）影响因素生物因素：物种、年龄、身体状态；材料因素：表面状态，亲水性、凝血四1、比较不锈钢、钛合金、形状记忆合金、镁合金的结构性能特点以及在生物医学领域的应用和局限1、不锈钢成本低,有腐蚀和组织反应人工关节和骨折内固定器、截骨连接器2、纯钛，钛合金Ti6A14V合金TiSAlSnl模量低，接近于天然骨,耐疲劳性好l耐腐蚀性好，生物相容性好l人工关节、接骨板、骨螺钉,骨折固定针,牙根种植体l多孔钛3、形状记忆合金, NiTi, 镁合金 脊椎侧弯症矫形器械、牙科器件、血栓过滤器、血管扩张支架、血管栓塞器等。2、举例说明生物医用金属表面改性的意义和方法举例：医用氧化铝存在的问题 与骨不发生化学结合，长期使用，与骨的固定会发生松动 与骨的力学匹配性不够理想： （负重部位骨植入体）机械强度不够； 杨氏模量过高(380Gpa）解决方法：多孔氧化铝：提高结合，降低了强度，金属与氧化铝复合：金属表面多孔氧化铝。3、举例说明生物活性无机材料的主要种类、结构和性能和应用特点种类：羟基磷灰石 生物活性玻璃 a b -磷酸三钙一、羟基磷灰石构成人体骨矿化基质的主要成分，生物相容性、生物活性得到认可，应用广泛、成熟、安全结构：Ca10(PO4)6(OH)2，简称HA或HAP，属六方晶系。合成HA物理形状：纳米粒子，微球，块状，多孔性能：1、良好的生物相容性：对人体组织无任何毒副作用，使用安全；2、良好的生物活性和骨传导作用：骨细胞及组织沿HA植入体表面或沿HA内部的连通孔攀附生长，诱导成骨新骨和HA植入体在界面上直接接触，其间无纤维组织存在，二者结合强应用：颌面骨修复体 骨固定与植入体 牙科修复 生物活性涂层 骨组织工程支架二、生物活性玻璃:Na2O-CaO-SiO2-P2O5 (MgO，Fe2O3)为基础体系的玻璃无固定熔点，无定形，网络结构，化学合成生物活性玻璃特点：优异的细胞亲和性水中形成Si、Ca、P离子凝胶层，吸附胶原、粘多糖、蛋白质，促进细胞粘附和迁移l 生物活性在SBF溶液中形成类骨碳酸羟基磷灰石，可吸附纤维蛋白、胶原纤维、及各种生长因子，促进骨细胞矿化基质的产生和功能修复l 可降解吸收4、谈谈学习视频资料（spareparts 人体配件）后的体会如果是人体出现缺损，除了假体再植，如今科学家们更寄希望于组织工程，也就是拿人体细胞和生物材料复合，在特定的环境下“造”出一个活性的人体组织或者器官。这项工程也给材料学家提出了要求为细胞生长搭建一个房子，房子的建材既要为细胞提供生长空间，又要给它提供生长的动力。我们熟悉的壁虎具有非常强的再生能力。很多淘气的小孩都干过这样的坏事：看到壁虎总喜欢按住它的尾巴，而这时壁虎就会甩掉尾巴快速逃走，几天之后它却又会长出一条新尾巴来。可是，人就没有这么幸运了，缺损了大块的组织，比如断掉手指，没有外界的帮助，很难再生。而且现在的医学也无法完完全全地再生一个活的手指。若是人体出现一大块骨的缺损，在这个缺损大到一定程度的时候，它就没办法再自然愈合了，此时，我们就要采用一个生物材料来“帮”这个伤口复原。通常这种生物材料带有多孔，它可以允许组织长入，随着时间的推移，组织长满了多孔的结构内部，同时这种材料又会逐渐地被体内吸收，这样我们就实现了一个非常完美的骨缺损修复。在过去几十年中，人们已经采用了各种各样的材料来修复骨缺损。比如，自体骨就是从自己身上挖下一块骨头去补更重要部位的缺损，但这种拆东墙补西墙的办法显然不是很好的办法。第一它会造成新的痛苦，第二也无法得到足够量的自体骨来补大尺度的缺损。器官移植 (Organ transplantation) 是将健康的器官移植到通常是另一个人体内使之迅速恢复功能的手术，目的是代偿受者相应器官因致命性疾病而丧失的功能。 广义的器官移植包括细胞移植和组织移植。若献出器官的供者和接受器官的受者是同一个人，则这种移植称自体移植；供者与受者虽非同一人，但供受者（即同卵双生子）有着完全相同的遗传素质，这种移植叫做同质移植。人与人之间的移植称为同种(异体)移植；不同种的动物间的移植（如将黑猩猩的心或狒狒的肝移植给人），属于异种移植。常用的移植器官有肾、心、肝 、胰腺与胰岛、甲状旁腺、心肺 、骨髓、角膜等。在发达国家，肾移植已成为良性终末期肾病（如慢性肾小球肾炎、慢性肾盂肾炎等所致的慢性肾功能衰竭）的首选常规疗法。心脏:由各种病因导致的心脏衰竭的病人，心脏移植是唯一的治疗方法。 肺脏:终末期良性肺部疾病的患者，经过传统内科治疗无法治愈，但估计尚有1-3年存活希望，可考虑进行肺移植手术来改善身体状况。 肝脏:处于良性肝病末期，无法用传统内科手术治疗的患者，肝脏移植是唯一的方法。 肾脏:当一些疾病对肾脏产生损害，肾脏不能发挥正常的生理功能时，就会逐渐发展为肾功能不全，氮质血症，其终末期就是尿毒症。挽救尿毒症患者生命的方法包括透析和肾脏移植。 胰脏:胰脏移植多数是与肾脏移植同时进行的，主要用于治疗晚期糖尿病、I型糖尿病、和胰切除后糖尿病。 除了上述器官，尚有患有脾脏、小肠等可以通过接受移植手术获得治愈。资料显示，中国每年约有150万人因末期器官功能衰竭需要移植，而公民逝世后捐献器官的人数只有百余人。由于目前我国没有建立统一的人体器官移植库与信息调配中心，因此存在着捐受信息不对称的现象，中国器官组织捐献始终落后于欧美发达国家，“这是一系列制度问题”。 今后，我国拟建立一个统一的信息库，并设多个分支，实现即时器官捐受信息的对接。草案修改稿明确，中国红十字会负责宣传、动员器官捐献以及器官分配工作。而器官移植的工作流程也因此清晰，即接到器官捐献信息后，器官接收救护车应迅速赶到现场，获取有效器官，并与临床对接。中国红十字会除了在建立统一的人体器官移植库方面继续努力外，还会建立相关的基金，帮助有困难的人体器官的供者和受者。五1、 比较生物惰性高分子和生物降解性高分子的种类，结构和性能特点，并举例说明各自在生物医学领域的而应用。一、 生物惰性高分子硅橡胶，聚甲基丙烯酸酯类，聚四氟乙烯，聚氨酯，PE；PP，PC， PVA，聚酰胺，聚丙烯酰胺, 纤维素类二、生物降解高分子脂肪族聚酯、聚酸酐、聚氨基酸、聚碳酸酯、聚原酸酯、聚磷酸酯等应用：1、生物惰性高分子：人工器官（软组织）：（心脏，肝脏，皮肤，角膜，血管，食管，软骨）。血液净化材料，医用粘合剂，医疗辅助材料：导管，插管，外用2、 生物降解高分子固定材料：手术缝线，可吸收固定钉板；组织工程与再生修复；药物缓释材料。二、 阐述与组织工程研究的关键问题举例说明组织工程支架材料的主要种类和基本性能要求。存在的问题： 来源有限，免疫排斥，病源传染，功能欠缺，稳定性，老化。主要涉及的问题：组织工程支架材料，组织工程细胞， 细胞生长因子，移植免疫问题， 组织工程化器官研究应用研究：皮肤，软骨组织，骨，角膜，神经组织，韧带，腱，肌肉，肝组织，膀胱，心脏。举例：支架材料的种类： 合成高分子材料 PLA、PGA、PHBV、聚原酸酯、聚氨基酸等 天然高分子材料 胶原、壳聚糖、透明质酸、纤维素、多糖等 无机非金属材料 磷酸三钙、生物玻璃、羟基磷灰石等 复合材料 各种有机无机复合材料、高分子天然合成复合材料支架材料的基本要求 良好的生物相容性（溶出物、渗出物含量低） 可控降解性 三维连通多孔结构，足够的力学性能 可加工性 对灭菌、消毒有一定的耐受性举例说明药物缓释和控释的意义和药物释放载体材料的种类，并阐述药物缓释和控释原理。意义种类：药物载体材料脂质体纳米球高分子胶团，凝胶可降解大分子，树枝状一、 谈谈学习了视频资料（selfrepair 自我修复）的体会和受到的启发不少动物都有修复或再生躯体器官的能力，作为万物之灵的人类，有没有这种奇妙的功能呢？人体会修复更新手指不小心被割伤以后，要不了几天伤口就会自行愈合。手指甲或脚趾甲断裂了，也会渐渐长出来。别看骨头又硬又脆，它也有自行愈合的能力。一旦发生骨折，断裂处会形成一种软组织，把断裂的两端暂时接合起来，然后，软组织再逐步转化成致密坚实的骨组织，使骨头恢复原来的形状和大小。国外有位少年不幸从自行车上摔下来，造成头颅与脊椎骨断离，头耷拉下来了。幸运的是，脊髓却毫无损伤。医生们凭借高超的医疗技术，用金属把头部和脊椎骨连了起来，并在上面移植了骨细胞，后来，这位不幸的少年终于康复了。血管也有修复和再生能力。人体血管破裂后，医生在显微镜下把它们缝在一起，过一段时间，新生的组织和细胞会在断裂处长出来，重新把血管接通。近年来，器官移植发展迅速，心脏移植、肾脏移植成功的消息不断传来。如果人体的基本组织皮肤、骨、神经、血管等没有再生能力，那器官移植便成了“纸上谈兵”。但是，人体的修复或再生能力是有限的。我们知道，人的牙齿会由于经常使用而不断磨损。恒牙将伴随着人们一起走向生命的尽头。在此期间牙齿磨损了，却不会自行修复。人体内的修复更新实际上，每个人的体内都在悄悄地进行着修复更新，只是我们没有察觉而已。最突出的，要数肝脏的快速更新了。饮酒会对肝脏有所损害。可是经常饮酒的人，只要一星期滴酒不沾，就可使肝脏恢复正常功能。动物实验表明，把老鼠23的肝脏切除以后，只需一个星期时间这个器官就会恢复正常，变得和原来一样大小。不过，这并不是切除的部位重新长了出来，而是剩下的肝细胞膨胀的结果。人体肠壁的绒毛表面，覆盖着许多细胞。这些细胞由于与肠内腐蚀物和废弃物不断接触，仅生存一个星期便寿终正寝了，成为人体内“寿命”最短的细胞。幸好人体中有一种主细胞，本身虽没有特殊功能，却能以比正常细胞快得多的速度进行分裂，产生具有特殊功能的细胞。这些细胞会取代已损耗的肠内壁细胞，使人体的肠道能承担繁重的消化和吸收任务。锻炼可促进再生主细胞成了人体中当之无愧的“救难者”。在人体的许多部位，细胞本身无法自行分裂，都需要借助主细胞才能修复更新。这些细胞为什么不能自行分裂呢？原因是多种多样的：有的因细胞核已被破坏，如皮肤表层的细胞；有的因细胞核已消失，如血液中的红细胞；也有的因细胞原生质的负荷过重，妨碍了细胞分裂，如肌肉细胞。脑组织的情况比较特殊。在那里，脑细胞纵横交错，交织成网，既无细胞分裂的场所