生物医学材料综述 PFX.doc

生物医学材料综述盘枫翔（山东大学 材料科学与工程学院 200900150168）摘要：生物医学材料是一类具有特殊性能、特殊功能，用于人工器官、外科修复、理疗康复、诊断、治疗疾患，并且对人体组织不会产生不良影响的材料.现在各种合成和天然高分子材料、金属和合金材料、陶瓷和碳素材料以及各种复合材料，制成的产品已经被广泛应用于临床和科研.材料科学与物理、化学、生物学及临床科学越来越紧密的结合产生了一个新兴的产业-生物医学材料产业.生物医学材料已经成为生物医学工程的四大支柱产业之一，它为医学、药物学及生物学等学科的发展提供了丰富的物质基础，作为材料学的一个重要分支，它对于促进人类文明的发展必将做出更大的贡献. 关键词：生物医学材料 医用高分子材料 生物陶瓷材料 生物复合材料1. 引言随着材料工业的发展和人工器官的广泛应用，生物医学材料这门新兴交叉学科已经成为新技术革命的一个重要组成部分.经济发达国家已经成形了新型的生物材料工业体系，目前比较有代表性的生物材料产品包括：1、用于人工器官及待用品制造的膨体聚四氟乙烯、低温各向同性碳、表面修饰语交联的血红蛋白、碳化硅酯和高分子质量聚乙烯等.2、用于人工关节及骨代替的高分子质量高密度聚乙烯、氧化锆陶瓷、甲基丙烯酸甲酯语苯乙烯共聚物等.3、用于人工膜替换的甲基丙烯酸酯等.4、用于应用黏合剂的亚甲基丙二酸酯、GRF胶，蛋白胶等.2. 生物医学材料和生物医学工程2.1. 生物医学材料是一类具有特殊性能、特种功能，用于人工器官、外科修复、理疗康复、诊断、治疗疾患，而对人体组织不会长生不良影响的材料.生物材料通常有两个定义：狭义的生物材料是指天然生物材料，也就是由生物过程形成的材料.广义的生物材料是指用于替代、修复组织器官的天然或人造材料.2.2. 研究生物医学材料的学科被称为生物材料学.生物材料学是涉及生物材料的组成结构、性能与制备相互关系和规律的科学.其主要目的是在分析天然生物材料微组装、生物功能及形成机理的基础上，发展仿生学高性能工程材料，及用于人体组织器官修复与替代的新型医用材料.其主要研究内容有：生物过程形成的材料结构、生物矿化原理，材料生物相溶性机理，生物材料自主组装、自我修复的原理.3. 生物医学材料的基本要求3.1.1. 一般而言，医学临床对生物医学材料有以下基本的要求：1) 材料无毒性，不致癌、不致畸、不引起人体细胞的突变和组织细胞的反应；2) 与人体组织相容性好，不引起中毒、溶血凝血、发热和过敏等现象；3) 化学性质稳定，抗体液、血液及酶的作用；4) 具有与天然组织相适应的物理机械特性；5) 针对不同的使用目的具有特定的功能.3.1.2. 由于生物材料必须与体液和血液接触，它必须合乎医学上的要求，因此在选择移植材料时，有六个基本问题必须加以克服：1) 材料必须具备足够的强度；2) 材料特性必须能够维持一段很长的时间而不会有显著的老化；3) 材料必须适合于生物组织；4) 材料必须为非致癌物；5) 材料必须不伤害血液；6) 材料必须便宜，并且容易制作及大量生产.4. 生物材料的性能要求作为体内移入物的材料, 不仅要在生物条件下物理机械性能长期稳定, 而且要对人体的组织、血液、免疫等系统不产生不良影响：.1) 生物相容性:生物相容性是生物医学材料特定应用中伴随着适应宿主反应发挥有效作用的能力.2) 力学性能:一些生物医学材料的最终使用是制成生物体内可接受的器官和器件，由此，这样的生物医学材料必须与生物结构（包括器官）的力学性能相容.为此，生物医学材料应具备有适当的力学性能.3) 和组织的结合性:这种结合可以是组织长入不平整的植入表面而形成的机械嵌联.也可以是植入材料和生理环境间发生化学反应而形成的化学键结合.4) 耐生物老化性能:材料在活体内要有较好的化学稳定性, 能够长期使用, 即在发挥其医疗功能的同时要耐生物腐蚀、耐生物老化 5. 生物材料的用途分类及主要特点除了大脑外,机体所有的组织和器官均可人工再造和再生.对生物材料而言,一种是指天然生物材料,是由生命过程形成的材料,如结构蛋白(胶原纤维、蚕丝等) 和生物矿物(骨、牙、贝壳等) ; 另一种是指医用生物材料, 是通常意义上的生物材料.早期的生物医用材料主要是人工合成材料, 如金属、陶瓷、高分子等.生物医学材料的品种繁杂，临床应用的要求各种各样.从认识和管理来说，目前所使用的所有生物医学材料可按多种标准进行分类.例如，按用途可以分为牙科材料、骨科材料、心血管材料、手术缝线材料、组织粘合剂、血液代用品材料、药物或药物传递材料等；根据材料来源可以分为同种组织器官移植材料、异种器官移植材料、天然或改性生物材料、人工合成材料等；按材料在人体内使用期限和接触情况又可分为永久性（长期）植入材料和一次性医疗用品材料等.5.1. 只要与生物体液接触的材料，不管在体内或体外都称为生物材料，因此可以依其用途分为以下四类：1) 材料用于体内或体外以便提供暂时的功能，属于这一类的有吸收式缝线及导管等.2) 材料用于体外辅助器，此时材料必须与血液接触，如血液透析薄膜和氧器薄膜等.3) 材料与体内及体外组织同时作长时间的接触，如血液透析短络（注）、隐形眼镜及牙科整形装置等属之.4) 材料长期的移植在体内，如心律调整器、人造血管及人造心瓣膜等.5.2. 常见的分类方法是根据材料本身的性质分为医用金属材料、医用高分子材料、生物陶瓷材料、医用复合材料和新起步的生物衍生材料五大类.1) 医用金属材料主要适用于人体硬组织的修复和置换，有钴基合金、不锈钢、钛及钛合金、贵金属系、形状记忆合金、金属磁性材料等七大类.医用金属材料的显著特点是具有较高的强度和韧性，加工性能好，工艺成熟稳定可靠，广泛用于齿科充填、人工关节、人工心脏、磁疗、放射疗法、药物载体、生殖控制等.2) 生物陶瓷材料是近年来得到较快发展的一类生物材料，应用范围与医用金属材料类似.根据材料本身的性质可分为三类：一类是生物体内近于惰性的生物材料，如氧化铝（纯刚玉）陶瓷材料、碳素材料等；第二类称为生物体内可控表面活性材料，如生物玻璃陶瓷、羟基磷灰石等；第三类是生物体内可吸收的生物材料，如磷酸钙系可吸收材料、熟石膏等.生物陶瓷材料的优点是生物相容性好，同时又具有一定的强度和耐腐蚀性.但脆性和加工成型困难，仍是制约生物陶瓷广泛应用的两个最大难题.医用高分子材料是生物材料中的最大家族.3) 医用高分子材料，包括合成和天然高分子，品种达100多种，已被广泛应用于各种韧带、肌腱、皮肤、血管、角膜、骨和牙以及各种人工器官脏器的修复和制造.医用高分子材料所包括的范围虽然较繁杂，但大致上可归纳为5个方面：即软组织替换材料、硬组织替换材料、生物降解材料、组织工程材料（又称杂化生物材料、生物化材料或第三代生物医学材料）、药物传递系统、粘接剂和高分子药物等.根据材料的性质分为生物降解和非生物降解材料两大类.所谓降解型高分子材料是指材料在植入体内后，可在生物环境作用下发生结构破坏和性能蜕变，最终通过体内新陈代谢分解而排出体外，如胶原、纤维素、聚氨基酸、壳聚糖及某些聚酯材料等；非降解型高分子材料则相反，可作长期植入之用，如常见的聚乙烯、聚丙烯、硅橡胶、聚砜、聚丙烯酸酯（有机玻璃）等.事实上，正是由于高分子科学的发展才确立了生物医学材料的学科地位.4) 生物复合材料是上述三种材料任意两种以上复合而成的.生物医学材料的研究仍属于仿生学范畴.从材料科学观点来看，几乎所有的生物体组织和器官，都是由两种或两种以上材料复合而成.如骨骼和牙齿可看作是由胶原蛋白、多糖基质等天然高分子构成的连续相和弥散于其中的羟基磷灰石晶粒复合而成.皮肤、肌肉、肌腱、韧带等是由弹性硬蛋白和胶原蛋白所组成.目前已实用的生物复合材料主要有表面涂层复合生物材料（如烤瓷假牙等）、纤维增强医用复合材料（如弹性骨折内固定板、可降解骨折内固定板等）.当然，也可根据材料行为分为近于生物惰性的、生物活性的和可生物降解的三种基本类型.前面提及的组织工程材料也可看作是一类特殊的“活”复合材料.这为将来获得真正具有“生命活力”的生物材料开辟了广阔的道路.5) 生物衍生材料的主要成分是活性生物组织, 用于人工心脏瓣膜、皮肤掩膜、骨修复体、血管化学修复体等.将活性生物组织处理改性成无活性生物材料, 其结构与人体组织极为相似, 生物相容性好, 但目前仍处于刚起步阶段.6. 我国的生物材料研究应用我国生物材料的应用和开发研究起步比较晚，但是随着政府的重视和投入的不断增加，取得一批较高水平的研究和科研成果，如生物活性骨、关节系统替换材料、人工心脏瓣膜等心血管替换材料以及眼科手术用高分子复合材料等.生物材料产业作为新兴的产业具有极大的发展前景，到21世纪初一直保持着较高的增长速度，其中蕴藏着巨大的经济利益和社会利益.我国生物材料产业不仅受国内的条件制约，同时也面临着国外企业的激烈竞争，加入WTO后我国生物技术产业将会面临更严峻的挑战.生物材料虽然已经在临床上得到了广泛应用，并得到了医学界、化学界、材料学界乃至经济学界人士的高度重视，但它距离人们的真正期望和要求相差甚远.因此，它仍然是一类正在高速发展的“未来材料”.参考文献： 1 李玉宝.生物医学材料.北京:化学工业出版社,2003:8202 顾汉卿.徐国凤.生物医学材料学, 天津:天津科技翻译出版公司,1993:5183 胡良俊.生物医学工程.长沙:湖南科技出版社,1987:7224 陈百万.生物医学工程学. 北京:科学出版社,1997:6245 高长有, 马列编.医用高分子材料. 北京:化学工业出版社,2006:162886 王国建, 刘琳,功能高分子材料. 上海:同济大学出版社,2010:2443187 郑玉峰, 李莉,生物医用材料学. 西安 等:西北工业大学出版社 等,2009:65428 谈国强 . 等,生物陶瓷材料. 北京:化学工业出版社,2006:152599 王迎军,生物医用陶瓷材料. 广州:华南理工大学出版社,2010:28735610 张阳德,纳米生物材料学. 北京:化学工业出版社,2005:525211 李坚,生物质复合材料学, 北京:科学出版社,2008:1240512 王庆良, 羟基磷灰石仿生陶瓷及其生物摩擦学研究. 徐州:中国矿业大学出版社,2010:20623013 Lipton R J.DNA solutions of hard computational problems.Science, 1995,268(5210)：542-545.14 Buddy D. Ratner . et al., Biomaterials science : an introduction to materials in medicine = 生物材料科学 : 医用材料导论, 北京 : 清华大学出版社, 2006:884015 John D. Enderle, Susan M. Blanchard, Joseph D. Bronzino著 封洲燕,生物医学工程学概论, 北京:机械工业出版社,2010:682016 冯西桥,曹艳平, 赵红平等, 生物材料力学研究新进展,清华大学工程力学系生物力学与医学工程研究所,北京 100084 医用生物力学 2011; 26(5) : 395-40117 时东陆, Biomaterials and tissue engineering = 生物材料与组织工程, 北京 : 清华大学出版社, 2004:224618 Junbai Li. Nanostructured biomaterials , 杭州 : Zhejiang University Press, 2009:122