生体复合材料范文

生体复合材料范文生体复合材料范文 几种生体复合材料的综述 复合材料学作业学院材料科学与工程 学院班级11030442学号11030442541姓名党琛完成日期xx年10月5号 几种生体复合材料的综述摘要生体医用功能材料是一种与人类的生 命和健康密切相关的新型材料 由于材料选择的多样性和生物功能的可代替性 已受到科技界的广 泛重视 成为最有发展前景的材料之一 随着生物医学工程和材料科学工程的发展 生体材料在治疗疾病或 者人体损伤方面得以广泛使用 但人们对治疗效果的要求不断提高 单一的生体材料并不能满足人 们的需求 生体材料开始趋向于复合化 智能化和功能化 本文综述了生体复合材料在人体医疗应用 研究进展和发展前景 关键词 陶瓷基 金属基 高分子基 碳纤维 生物相容性 生体医 用高分子材料 医用复合材料 I nthi spaper Born bodymedi calfuncti onalmateri al s is aki ndof is closel yrel atedto humanl ife andheal thof newmateri al Due tothe diversi tyof materi alssel ection andbi ologi calfuncti onof sexcan besubsti tuted has beenwi dely promotedby thetechnology as oneof themost promisi ngmateri als Wi ththe developmentof biomedi calengi neeri ng andmaterialsci enceand engi neering raw materialwi dely used in the treatmentof disease ori njuryto human body But peopl e forthe requirement ofi ncreasing thetreatment effect a singl eraw material cannot meetpeople s needs Raw material posite beganto tendto i ntell igent andfuncti onal Thi spaper reviews thebi rthbody posite material appliedinthehumanbodyheal th the researchprogress anddevel opmentprospect Keywords cerami cbase andmetal base pol ymer carbon fiber bi ologi calphase引言功能材料是指具有优良的电学 光学 磁学 热学 力学 声学 化学和生物学功能 特殊的物理 化学 生物学效应 能完成功能相互转化 被用于非结构目的之用的高技术材料 它 包括金属 类金属 陶瓷 有机高分子 复合材料等 生体医用功能材料又称为生物材料或生物医学材料 是一种特殊的 功能材料 是研制人工器官的物质基础 是一类与人类的生命和健 康密切相关的新型材料 一 简介生物医用复合材料 biomedical positematerials 是由两种或两种以上的不同材料复合而成的生物 医用材料 它主要用于人体组织的修复 替换和人工器官的制造 1 长期临床应用发现 传统医用金属材料和高分子材料不具生物活性 与组织不易牢固结合 在生理环境中或植入体内后受生理环境的 影响 导致金属离子或单体释放 造成对机体的不良影响 生物医用复合材料根据应用需求进行设计 由基体材料与增强材料 或功能材料组成 复合材料的性质将取决于组分材料的性质 含量 和它们之间的界面 常用的基体材料有生体医用高分子 医用碳素材料 生物玻璃 玻 璃陶瓷 磷酸钙基或其他生物陶瓷 医用不锈钢 钴基合金等医用 金属材料 增强体材料有碳纤维 不锈钢和钛基合金纤维 生物玻 璃陶瓷纤维 陶瓷纤维等纤维增强体 另外还有氧化锆 磷酸钙基 生物陶瓷 生物玻璃陶瓷等颗粒增强体 归纳起来 一个具备了以下七个方面性能的材料 可以考虑用作医 用材料 1 在化学上是惰性的 不会因与体液接触而发生反应 2 对人体组织不会引起炎症或异物反应 3 不会致癌 4 具有抗血栓性 不会在材料表面凝血 5 长期植入体内 不会减小机械强度 6 能经受必要的清洁消毒措施而不产生变性 7 易于加工成需要的复杂形状 按照不同的性质 生体生体医用高分子材料可分为非降解型和可降 解型两类对于前者 要求其在生物环境中能长期保持稳定 不发生 降解 交联或物理磨损等 并具有良好的物理机械性能 非降解型高分子主要包括聚乙烯 聚丙烯 聚丙烯酸酯 芳香聚酯 聚硅氧烷 聚甲醛等 可降解型高分子主要包括胶原 线性脂肪族聚酯 甲壳素 纤维素 氨基酸 聚乳酸 聚乙醇酸 聚己内酯等 根据使用的目的或用途 生体生体医用高分子材料还可分为心血管 系统 软组织及硬组织等修复材料 按照使用方式分生体生体医用高分子材料大致可分为机体外使用与 机体内使用两大类机体外用的材料主要是制备医疗用品 如输液袋 输液管 注射器等 由于这些高分子材料成本低 使用方便 现已大量使用 机体内用材料又可分为外科用和内科用两类 外科方面有人工器官 医用黏合剂 整形材料等 内科用的主要是高分子药物 所谓高分子药物 就是具有药效的低分子与高分子载体相结合的药 物 它具有长效 稳定的特点 二 各类基体复合材料简述根据基体材料的不同 可将生物医用复 合材料大致分为金属基 陶瓷基和高分子基复合材料三类 通过相应的工艺成型方法将各类材料制作成不同医学应用领域的生 物复合材料 1 金属基生物医用复合材料金属基生物医用复合材料 例如不锈钢 钛合金等 与传统医学材料相比 金属基医用复合材料的力学强 度高 柔韧性优良 耐疲劳性能好 成型工艺优异 但单一的金属材料在生理环境的应用中面临着腐蚀的重要问题 金 属离子若向生物组织扩散将会引起毒副作用 而自身性质的退化易 导致植入失效 因此一种即不易腐蚀又有很好的生物相容性的金属基生物医用复合 材料是科研人员所要研发的新型材料 谈到金属医用材料 首当其冲人们会想起钛基材料 金属钛医用材料由于其高的强度 韧性以及良好的工艺成型而被广 泛用于人工骨 人工关节 齿根材料等 对钛进行表面改性获得的钛基涂层复合材料 既具有足够的强度和 韧性 又具有良好的生物相容性 被认为是目前综合金属材料和其 它材料各自优点的最有效途径之一 Milella等 采用溶胶 凝胶技术 通过在钛酸酯的醇溶液中加入少量水 使酯水解聚合成 聚合胶体 在此溶液中浸提试样 干燥并经高温热处理 在钛和钛合金表面制 备钛凝胶 如果在二氧化钛溶胶中加入钙盐和磷酸酯 可制得含钙和磷的复合 涂层 选用不同的Ca P Ti配比 多次浸提 涂层各成分则呈梯度分布 涂层与基体间是磷酸钙与钛胶的中介层 钙磷的浓度由外到里逐渐 减少 而钛的含量正好相反 在植入人体以后表现出良好的生物相容性 朱明刚等 同样采用溶胶 凝胶法 由质量比为2 86 1的硝酸钙和磷酸三甲脂配制的溶胶液 通过多次涂敷 烧结 在金属钛表面支撑了孔隙率为12 的HA生物涂 层 层间形成一个Ti Ca P的成分过渡区 拉伸实验表明 界面结合强 度为28MPa 同时 医用钛合金在临床上也得到了广泛应用 苏向东等 对NiTi合金的生物相容性进行的研究表明 pH值在酸性 中性及弱 碱范围内 0 9 NaCI生理液 Hank s模拟体液 Tyrode s模拟血液 的氧化还原电位不同使NiTi合金中Ni离子释放量呈现出差异 其中T yrode s模拟血液中Ni离子的释放量较高 NiTi合金Ni离子释放量的 影响表现为随着模拟体液pH值的增大而降低 随Cl 浓度增加而增 大 NiTi合金在生理液中表现出较强的Ni元素选择性腐蚀行为 Ti则 腐蚀微弱 点蚀是其主要的腐蚀 2 陶瓷基生物医用复合材料陶瓷基复合材料是以陶瓷 玻璃或玻璃 陶瓷基体 通过不同方式引入颗粒 晶片 晶须或纤维等形状的增强 体材料而获得的一类复合材料 目前生物陶瓷基复合材料虽没有多少品种达到临床应用阶段 但它已 成为生物陶瓷研究中最为活跃的领域 其研究主要集中于生物材料的 活性和骨结合性能研究以及材料增强研究等 Al2O 3 ZrO3等生物惰性材料自70年代初就开始了临床应用研究 但它与 生物硬组织的结合为一种机械的锁合 以高强度氧化物陶瓷为基材 掺入少量生物活性材料 可使材料在保 持氧化物陶瓷优良力学性能的基础上赋予其一定的生物活性和骨结 合能力 将具有不同膨胀系数的生物玻璃用高温熔烧或等离子喷涂的方法 在 致密Al2O3陶瓷髋关节植入物表面进行涂层 试样经高温处理 大量的 Al2O3进入玻璃层中 有效地增强了生物玻璃与Al2O3陶瓷的界面结合 复合材料在缓冲溶液中反应数十分钟即可有羟基磷灰石的形成 为满足外科手术对生物学性能和力学性能的要求 人们又开始了生物 活性陶瓷以及生物活性陶瓷与生物玻璃的复合研究 以使材料在气孔 率 比表面积 生物活性和机械强度等方面的综合性能得以改善 近年来 对羟基磷灰石 HA 和磷酸三钙 TCP 复合材料的研究也日益 增多 30 HA与70 TCP在1150 烧结 其平均抗弯强度达155MPa 优于纯HA和 TCP陶瓷 研究发现HA TCP致密复合材料的断裂主要为穿晶断裂 其沿晶断裂的程度也大于 纯单相陶瓷材料 HA TCP多孔复合材料植入动物体内 其性能起初类似于 TCP 而后具有HA的特性 通过调整HA与TCP的比例 达到满足不同临床 需求的目的 45SF1 4玻璃粉末与HA制备而成的复合材料 植入兔骨中8周后取出 骨质与复合材料之间的剪切破坏强度达27MPa 比纯HA陶瓷有明显的 提高 生物医用陶瓷材料由于其结构本身的特点 其力学可靠性 尤其在湿 生理环境中 较差 生物陶瓷的活性研究及其与骨组织的结合性能研 究 并未能解决材料固有的脆性特征 因此生物陶瓷的增强研究成为另一个研究重点 其增强方式主要有颗 粒增强 晶须或纤维增强以及相变增韧和层状复合增强等 3 高分子基生物医用复合材料研究表明几乎所有的生物体组织都是 由两种或两种以上的材料所构成的 如人体骨骼和牙齿就是由天然有 机高分子构成的连续相和弥散于其基质中的羟基磷灰石晶粒复合的 生物有机高分子基复合材料 尤其生物无机与高分子复合材料的出现 和发展 为人工器官和人工修复材料 骨填充材料开发与应用奠定了 坚实的基础 生体医用高分子材料在体内一般不产生异体排斥反应 但是利用单 一的高分子作为医用支撑材料 其本身不足的力学性能则成为其发 展的软肋 利用高分子材料作为基体相 金属 陶瓷 纤维等作为增强相的高 分子基复合材料已成为全球医用材料新的发展趋势 研究认为 聚乳酸 PLA 是最多的常被用作骨科的材料 属于生物降解可吸收材料 具有很好的生物相容性 赵建华等 制备出了一种新型的PDL LA HA DBM复合材料 测试得到该材料孔径为100 400 m 孔隙率为71 3 初始抗压强 度为1 71MPa 将其制成人工骨植入兔挠骨大段 发现该种复合材料降解前期能保 持良好的空间结构和力学性能 并具有很好的骨传导作用 能有效 修复骨缺损 Ignjatovic NenadSavic等 聚甲基丙烯酸甲酯 PMMA 最早应用于上世纪40年代 作为一种常用 的齿科粘合剂开始出现在非降解型生体医用高分子材料行列中 由于这种粘合剂的硬度与粘结力均不够高 不久后就出现了以多官 能度甲基丙烯酸酯为基料 无机粉末为填料的复合粘合剂 性能大 大提高 至今仍在齿科修复中广泛应用 随着技术的不断提高 改性聚甲基丙烯酸类高分子材料开始应用于 人工脏器的修复和代替 如肝脏 肾脏 关节 骨连接 角膜 玻 璃体等 4 碳纤维复合材料碳纤维增强高分子复合材料作为生物医学的新型 材料 得到了飞速发展 尤其在内固定材料方面 传统的金属内固定材料由于存在所谓的 应力遮挡效应 使骨骼 在愈合过程中出现血运破坏 即使骨骼愈合后也极易出现再骨折和 骨质疏松等现象 碳纤维增强高分子复合材料以其优异的力学性能和生物相容性正得 到研究者的普遍关注 三 生体医用复合材料的具体产品1 人工血管选择的材料为PET 聚酷 和聚四氟乙烯 中 大口径动脉人工血管宜用PET 小口径动脉人工血管和大口径静 脉人工血管使用延伸性聚四氟乙烯 2 人工心脏人工心脏的作用 是维持血液的正常循环 为了达到这个目的 必须充分满足泵的设计 制造和材料的协调性 现在主要所用的材料是PVC硅橡胶PU橡胶等 3 人工肾人工肾实际上就是具有分离血液成分的血液透析膜 作为 人工肾的高分子膜具有三种作用 l 通过毒素物质 尿素 肌酸醉 尿酸等低分子物质 而不透过类似蛋白质分子的溶质 2 具有适当的水透过能力 3 即使在吸水时仍具有充分的机械强度 应用的主要材料铜氨纤膜 再生纤维 醋酸纤维 PMMA 聚丙烯晴 乙烯乙烯醇共聚物 4 人工肺人工肺是用来使丧失肺功能病人能维持血中一定浓度的氧 选用的透析膜 必须考虑氧和二氧化碳的透析性 以有机硅 聚烷基矾 乙基纤维素等高分子膜的透过性比较好 虽然有机硅的透过系数很高 但是强度不好 倾向于采用有机硅一 聚碳酸酚复合材料 5 人体关节鉴于骨骼本身就是一种由胶原纤维被羟基磷灰石矿化的 复合材料 故各种以HA为基的复合材料及树脂基复合材料的研究逐渐 升温 以HA为基 增强体通常为金属 陶瓷 高分子聚合物 生物玻璃以及 碳质材料等 四 展望综上所述 生物医用复合材料具有优异的性能优势 是单一 组分或结构的医用材料所无法比拟的 将不同性能的组分通过合适的工艺方法进行复合制备 就会得到生 物体所要求的一些新型材料 针对生物医学领域而言 生体复合材料的出现无疑解决了临床上的 一个个技术难关 在有完善的材料基础的支持下 生物医学将会有 更加光明远大的未来 参考文献 1 材料科学技术百科全书 委员会 材料科学技术百 科全书 中国大百科全书出版社 北京 1995 2 生物医用复合材 料的研究进展及趋势 北京生物医学工程 第19卷第1期2000年3月 3 Milella E Cosentino F Liiulli A et al Preparation andcharacter ization oftitania hydroxyapatite posite J Biomaterials xx 22 11 1425 1431 4 朱明刚 邬鸿彦 孔令宜 Ti基表面多层超细HA涂层复 合种植体的制备 J 河北师范大学学报 2000 19 1 15 17 5 苏向东 郝维昌 王天民等 医用NiTi形状记忆合金的腐 蚀特性 J 材料研究学报 xx 21 5 455 458 6 CheolY Kim andHyunSooAhn Bondingbehavior andformation ofhydroxyapatite oflouridecontaining ioactiveglasscoating onlumina Bioceramics 1996 9 115 118 7 HidekiAoki Scienc e andmedicalaplication ofhydroxyapatite Japanese AssociationofApatiteScience 1991 8 KojiIoku KazumichiYana gisawa NakamichiYamasaki eta