生物医学工程导论-生物材料.ppt

1 生物材料 生物医学工程导论 2 生物材料 生物医学材料的发展概况生物材料的分类及性能医用金属材料医用高分子材料其他生物医学材料生物医学材料的安全性生物材料的发展趋势纳米医学材料简介 3 4 1生物医学材料的发展概况 生物医学材料是生物医学科学中的最新分支学科 是生物 医学 化学和材料科学交叉形成的边缘学科 具体涉及到化学 物理学 高分子化学 高分子物理学 生物物理学 生物化学 生理学 药物学 基础与临床医学等很多学科 ISO定义 生物材料 Biomaterials 即生物医学材料 BiomedicalMaterials 它是指 以医疗为目的 用于与组织接触以形成功能的无生命的材料 另有定义是 具有天然器官组织的功能或天然器官部分功能的材料 4 生物材料的开发和利用可追溯到3500年前 那时的古埃及人就开始利用棉纤维 马鬃作缝合线缝合伤口 印第安人则使用木片修补受伤的颅骨 2500年前 中国和埃及的墓葬中就发现有假牙 假鼻和假耳 人类很早就用黄金来修复缺损的牙齿 并沿用至今 1588年人们用黄金板修复颚骨 1775年就有用金属固定体内骨折的记载 1851年发明了天然橡胶的硫化方法后 有人采用硬胶木制作了人工牙托的颚骨 器官移植取得巨大进展 但有难题 排异 器官来源 法律 伦理等 因此医学界对生物医学材料和人工器官的要求日益增加 5 目前被详细研究过的生物材料已超过1000种 被广泛应用的有90多种 1800多种制品 西方国家每年耗用生物材料量以10 15 的速度增长 1980年全球医用生物材料及制品的销售额为200亿美元 1990年达500亿美元 1995年近1000亿美元 我国生物材料的研究起步较晚 五十年代 但发展很快 6 4 2生物材料的分类及性能 两种分类方法按应用性质来分类 抗凝血材料 心血管材料 齿科材料 骨科材料 眼科材料 吸附解毒材料 血液灌流用 假体材料 缓释材料 生物粘合材料 透析及超滤用膜材料 一次性医用材料 等等 7 按生物材料的属性分类 天然生物材料 再生纤维 胶原 透明质酸 甲壳素等 合成高分子生物材料 硅橡胶 聚氨脂及其嵌段共聚物 涤纶 尼龙 聚丙烯腈 聚烯烃医用金属材料 不锈钢 钛及钛合金 钛镍记忆合金等无机生物医学材料 碳素材料 生物活性陶瓷 玻璃材料杂化生物材料 指来自活体的天然材料与合成材料的杂化 如胶原与聚乙烯醇的交联杂化等复合生物材料 用碳纤维增强的塑料 用碳纤维或玻璃纤维增强的生物陶瓷 玻璃等 8 生物材料是研制人工器官及一些重要医疗技术的物质基础 综观人工器官及医疗装置的发展史 每一种新型生物材料的发现都引起了人工器官及医疗技术的飞跃 生物惰性医用硅橡胶 人工耳 人工鼻 人工颌骨等血液相容性较好的各向同性碳被复材料 碟片式机械心脏瓣膜血液亲和性及物理机械性能较好的聚氨酯嵌段共聚物 促使人工心脏向临床应用跨越一大步可形成假生物内膜的编织涤纶管 人工血管向实用化飞跃 9 4 3医用金属材料 在生物医学材料中 金属材料应用最早 已有数百年的历史 唐代就用银汞合金 主要成份 汞 银 铜 锡 锌 来补牙 医用金属材料是指一类用作生物材料的金属或合金 又称外科用金属材料 它是一类生物惰性材料 除具有较高的机械强度和抗疲劳性能 具有良好的生物力学性能及相关的物理性质外 还必须具有优良的抗生理腐蚀性 生物相容性 无毒性和简易可行及确切的手术操作技术 10 该材料是临床应用最广泛的承力植入材料 由于有较高的强度和韧性 已成为骨和牙齿等硬组织修复和替换 心血管和软组织修复以及人工器官制造的主要材料 化学周期表中的大部分金属不符合生物材料的要求 仅有小部分或经处理过的可用于临床 目前在临床使用的医用金属材料主要有不锈钢 钴基合金和钛基合金三大类 另外还有记忆合金 贵金属以及纯金属钽 铌和锆等 11 常用医用金属材料不锈钢钴 Co 基合金钛 Ti 基合金形状记忆合金贵金属纯金属钽纯金属铌纯金属铬 12 4 3 1不锈钢 铁基耐蚀合金 一般由铁 铬 镍 钼 锰 硅组成 易加工 价格低廉 不锈钢的耐蚀性和屈服强度可以通过冷加工而提高 避免疲劳断裂 一般不锈钢制成多种形体 如针 钉 髓内针 齿冠 三棱钉等器件和人工假体而用于临床 不锈钢还用于制作各种医疗仪器和手术器械 13 器械包 14 4 3 2钴 Co 基合金 含有较高的铬和钼 又称钴铬钼合金 具有极为优异的耐腐蚀性 比不锈钢高40倍 和耐磨性 综合力学性能和生物相容性良好 可通过精密铸造成形状复杂的精密修复体 有硬 中 软三种类型 临床上主要用于人工关节 特别是人体中受载荷最大的髋关节 人工骨及骨科内处固定器件的制造齿科修复中的义齿 各种铸造冠 嵌体及固定桥的制造心血管外科及整形科等由于其价格较高 加工困难 应用尚不普及 15 人造髋关节的头杆部分 从股骨上端插进金属杆 杆头有一个金属头 它嵌在粘于髋骨窝中的一个塑料臼中 16 17 18 19 4 3 3钛 Ti 基合金 临床应用广泛 其质轻 比强度高 力学性质接近人骨 强度远低于纯钛 耐疲劳 耐蚀性均优于不锈钢和钴基合金 且生物相容性和表面活性好 是较为理想的一种植入材料 抗断裂强度较低 耐磨性能不尽人意 加工困难 冶炼及成型工艺复杂 要求条件较高 主要用于 修补颅骨 制成钛网或钛箔用于修复脑膜和腹膜 人工骨 关节 牙和矫形物 人工心脏瓣膜支架 人工心脏部件和脑止血夹 口腔颌面矫形颌修补 手术器械 医疗仪器颌人工假肢等 20 头颅微型钢板 21 钛板 22 4 3 4形状记忆合金 自1951年美国首次报道Au Cd 金 镉 合金具有形状记忆效应以来 目前已发现有20多种记忆合金 其中以镍钛合金在临床上应用最大 它在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 高温时为立方体结构相 前者柔软可随意变形 如拉直式屈曲 而后者刚硬 可恢复原来的形状 并在形状恢复过程中产生较大的恢复力 23 24 25 形状记忆合金可以分为三种 单程记忆效应双程记忆效应全程记忆效应 26 特点 奇特的形状记忆功能 质轻 磁性微弱 强度较高 耐疲劳性能 高回弹性和生物相容性好等 应用 管腔狭窄的治疗 喉气管狭窄 食管狭窄 胆道狭窄 尿道狭窄及闭锁等 支架安入管腔狭窄的部位后 能将狭窄管腔撑开 并与管壁相贴紧 固定好 其生物相容性好 长期安放对黏膜无明显损伤 其高回弹性能顺应管道的弯曲 对人体刺激小 口腔科 用这种材料做成的种植牙具有齿槽骨切口小 固定牢靠等优点 骨科 人工关节 断骨连接 弯曲脊柱矫正 血管外科 治疗主动脉瘤 冠状动脉和椎动脉狭窄等 27 28 29 30 4 3 5贵金属 noblemetal 是一种金属或合金 如金子具有极高的抗氧化性和抗腐蚀性 贵金属具有独特稳定的物理和化学性能 优异的加工特性 对人体组织无毒副作用 刺激小等优良的生物学性能 主要用于口腔科的齿科修复 也可用于小型植入式电子医疗器械 31 4 3 6纯金属钽 Ta 具有良好的抗生理腐蚀性和可塑性 独特的表面负电性使其具有优良的抗血栓性能和生物相容性 还有很高的抗缺口裂纹能力 植入骨内能和周围的新骨形成骨性结合 植入软组织中 肌肉等组织可依附在钽条上正常生长 退火后的纯钽很软 可加工成板 带 箔 丝等使用 主要用作接骨板 颅骨板 骨螺钉 种植牙根 颌面修复体 义齿及外科手术缝线和缝合针 钽网可用于肌肉缺损修补 钽丝和箔用于缝合修补受损的神经 肌腱和血管 钽还可以用于血管内支架及人工心脏 植入型电子装置 钽的同位素可用于放射治疗 只是由于钽的资源少 价格较高 使其推广受很大限制 32 4 3 7纯金属铌 Nb 性能和应用范围与钽非常相似 用于修补颅骨和制作医疗器械 但由于来源困难 价格昂贵 使用受到限制 主要用于制造髓内钉等 33 4 3 8纯金属铬 Cr 化学性能与金属钛相似 耐蚀性能 加工性能 稳定性和生物相容性都很好 主要用于人工骨和修补颅骨 可加工成各种板 带 线材在临床上使用 医用铬可与钛等同使用 但其价格较贵 在临床中较难推广 34 4 4医用高分子材料 低分子 分子量低于一千 如煤 糖 油 水泥 和抗菌素等 中分子 分子量在数千范围 如维生素B12等 高分子 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 医用高分子材料 在医学上应用的 尤其能在机体内使用的高分子材料 天然树脂 如松香 合成树脂 由低分子量的化合物经过各种化学反应而制得的高分子量的树脂状物质 如聚氯乙烯 聚乙烯 塑料主要成分就是合成树脂 35 一些高分子与低分子化合物的分子量 一些高分子与低分子化合物的分子量 一些高分子与低分子化合物的分子量 36 命名 通俗命名法 最简单的命名法 是根据制作高分子化合物的单体名称 前面冠以 聚 字而成 如聚乙烯 聚丙烯习惯名称或商品名称来命名 如有机玻璃 聚甲基丙烯酸甲酯 涤纶 聚对苯二甲酸乙二醇酯 等 医用高分子制品的研究 包括人工器官 医疗用品 输血输液用具 注射器 心导管 主动脉气囊反搏器 角膜接触镜 中心静脉插管 膀胱造瘘管 医用粘合剂以及各种医用导管 医用膜 创伤包扎材料和各种手术 护理用品等 和药用高分子 作为赋形剂 合成新型药物 三大类 37 4 4 1天然高分子生物材料 人类机体的皮肤 肌肉 组织和器官都是由高分子化合物组成的 天然高分子生物材料是人类最早使用的医用材料之一 天然材料具有不可替代的优点 功能多样性 与机体的相容性 生物可降解性以及对其进行改性与复合和杂化等研究 目前天然高分子生物材料主要有 天然蛋白质材料 胶原蛋白和纤维蛋白两种天然多糖类材料 纤维素 甲壳素和壳聚糖等它们由于结构和组成的差异 表现出不同的性质 应用于不同的方面 38 4 4 1 1天然蛋白质材料 胶原蛋白 脊椎动物的主要结构蛋白 是支持组织和结构组织 皮肤 肌腱和骨骼的有机质 的主要组成成分 胶原来源广泛 被广泛应用 由于胶原与人体组织相容性好 不易引起抗体产生 植入人体后无刺激性 无毒性反应 能促进细胞增殖 加快创口愈合并具有可降解性 可被人体吸收 降解产物也无毒副作用 基本单位为原胶原蛋白 由三条 肽链相互拧成的三股螺旋状结构的蛋白质 其分子量为30万左右 由不同种类的动物分离出来的胶原结构极其相似 39 胶原分散体具有再生特性 可以将其加工成不同形状的制品而用于临床 并越来越受到人们重视 胶原凝胶用作创伤敷料粉末用于止血剂和药物释放系统纺丝纤维用作人工血管 人工皮 人工肌腱和外科缝线薄膜用于角膜 药物释放系统和组织引导再生材料管用于人工血管 人工胆管和管状器官空心纤维用于血液透析膜和人工肺膜海绵用于创伤敷料和止血剂等 40 4 4 1 1天然蛋白质材料 纤维蛋白 是纤维蛋白原在生理条件下凝固而成的一种材料 纤维蛋白可用不同方法进行化学改性 其中包括放射性碘化法 与合成高分子进行接枝和在纤维蛋白上进行酶的固定等 纤维蛋白主要来源于血浆蛋白 因此具有明显的血液和组织相容性 无毒副作用和其他不良影响 作为止血剂 创伤愈合剂和可降解生物材料在临床上已经应用很久 它的主要生理功能为止血 另外还可明显促进创伤的愈合 还可作为一种骨架 促进细胞的生长 并具有一定的杀菌作用 41 纤维蛋白在临床上比较普遍使用的应用形式 纤维蛋白原的就地凝固 用于眼科手术的组织粘合剂 肺切除后胸腔填充物和外科手术中的止血纤维蛋白粉末 用作止血剂 可以与抗菌素共用 用作充填慢性骨炎和骨髓炎手术后的骨缺损纤维蛋白海绵 用作止血剂 扁平瘢的治疗和唾液腺外科手术后的填充物组织代用品 商品名Bioplast 主要用于关节成型术 视网膜脱离 眼外科治疗 肝脏止血及疝气修复等纤维蛋白薄膜 用于神经外科 替代硬脑膜和保护末梢神经缝线 用于烧伤治疗 消除颌面窦和口腔间的穿孔 42 4 4 1 2天然多糖类材料 多糖是由许多单糖分子经失水缩聚 通过糖苷键结合而成的天然高分子化合物 均聚糖 多糖水解后只产生一种单糖 如纤维素 淀粉杂聚糖 水解产物是两种或两种以上的单糖 如菊粉等 自然界广泛存在的多糖主要有 植物多糖 如纤维素 半纤维素 淀粉 果胶等 动物多糖 如甲壳素 壳聚糖 肝素 硫酸软骨素等 琼脂多糖 如琼脂 海藻酸 角叉藻聚糖等 菌类多糖 如D 葡聚糖 D 半乳聚糖 甘露聚糖等 微生物多糖 如右旋糖酐 凝乳糖 出芽短梗孢糖等 研究较多的多糖类材料为纤维素 甲壳素和壳聚糖 43 4 4 1 2天然多糖类材料 纤维素 葡萄糖经由糖苷键连结的高分子化合物 它具有不同的构型和结晶形式 是构成植物细胞壁的主要成分 是存在于自然界中数量最多的碳水化合物 结构复杂 至今仍未被完全了解 天然的纤维素属于纤维 型 再生纤维素属于纤维 型 后者结构更为稳定 不同的天然纤维素其结晶度有明显差异 随着结晶度的提高 其抗张强度 硬度 密度增加 但弹性 韧性 膨胀性 吸水性和化学反应性下降 44 在医学上的应用形式主要是制造各种医用膜 硝酸纤维素膜 用于血液透析和过滤 但由于制膜困难及不稳定等缺点 已逐渐被其他材料取代粘胶纤维 人造丝 或赛珞玢 玻璃纸 管 用于透析 但由于含有磺化物及尿素 肌酐的透析性不好等原因 作为透析用的赛珞玢逐渐被淘汰再生纤维素 铜珞玢 是目前人工肾使用较多的透析膜材料 对溶质的传递 纤维素膜起到筛网和微孔壁垒作用醋酸纤维素膜 主要用于血透析系统全氟代酰基纤维素 用于制造代膜式肺 人工心瓣膜 人工细胞膜层 各种导管 插管和分流管等 45 4 4 1 2天然多糖类材料 甲壳素 化学名称为聚N 乙酰 D葡萄糖胺 分子式为 C3H13NO5 n 属于氨基多糖 是仅有的具有明显碱性的天然多糖 广泛存在于低等植物及甲壳动物的外壳中 其每年生物合成资源最高达1000亿吨 是地球上仅次于植物纤维的第二大生物资源 是一种来源于动物的天然多糖 普遍存在于虾 蟹等低等动物及昆虫等节肢动物的外壳中 将甲壳动物的外壳通过酸碱处理 脱去钙 盐和蛋白质 即得到甲壳质 46 被科学家誉为继蛋白质 糖 脂肪 维生素 矿物质以外的第六生命要素 甲壳素有强化免疫 降血糖 降血脂 降血压 强化肝脏机能 活化细胞 调节植物神经系统及内分泌系统等功能 还可作为保健材料 用于健康无害烟 护肤产品 保健内衣等 作为医用生物材料可用于 医用敷料 甲壳素具有良好的组织相容性 可灭菌 促进伤口愈合 吸收伤口渗出物且不脱水收缩药物缓释剂 基本为中性 可与任何药物配伍止血棉 止血剂 在血管内注射高粘度甲壳素 可形成血栓口愈合剂 使血管闭塞 从而在手术中达到止血目的 较注射明胶海绵等常规止血方法 操作容易 感染少 47 48 甲壳素缝线的电镜照片 49 甲壳素人工皮的电镜照片 50 4 4 1 2天然多糖类材料 壳聚糖 是甲壳素去除部分乙酸基后的产物 甲壳素的衍生物 甲壳素继续用浓碱乙酸基化则得到壳聚糖 具有一定的粘度 无毒 无害 无副作用 不溶于水和碱液 但可溶于多种酸溶液中 它具有较多的侧基官能团 可进行酯化 醚化 氧化 磺化以及接枝交联等反应对其进行改性 特别是磺化产品 其结构与肝素极其相似 可作为肝素的代用品作抗凝剂 51 适用广 生物相容性良好的新型生物材料正在受到人们的普遍重视 目前在医学多上用于 可吸收性缝合线 用于消化道和整形外科人工皮 用于整形外科 皮肤外科 用于 度烧伤 采皮伤和植皮伤等细胞培养 制备不同形状的微胶囊 培养高浓度细胞 如包封的是活细胞 则构成人工生物器官海绵 用于拔牙患 囊肿切除 齿科切除部分的保护材料眼科敷料 可生成较多的成胶原和成纤维细胞隐形眼镜膜 用于药物释放系统和组织引导再生材料固相酶载体 52 53 4 4 2合成高分子生物材料 合成高分子材料已经迅速地取代了除了食品以外的许多宝贵天然资源 合成高分子生物材料是指利用聚合方法制备的一类生物材料 由于合成高分子可以通过组成和结构控制而具有多种多样的物理和化学性质 医用高分子材料科学是一门新兴的边缘学科 是生物医学工程的一个主要分支 合成高分子材料已成为制造各种人工器官 软硬组织修复体 医用粘结剂 缝合线 人造血液等的最主要的也是用量最大的生物材料 54 合成高分子材料的组成物 单体 添加剂等 可能向生物环境释放 有可能导致毒性反应 其弹性模量低和弹性常使其不能用于承受较大负荷的体位的修复 合成高分子生物材料可分为 生物不可降解的 硅橡胶 聚氨酯 环氧树脂 聚氯乙烯 聚四氟乙烯 聚乙烯 聚丙烯 聚甲基丙烯酸甲酯 丙烯酸酯水凝胶 一氰基丙烯酸酯类 聚酸胺和饱和聚酯等 生物可降解的 聚乙烯醇 聚乳酸 聚乙内酯 乳酸一乙醇酸共聚物和聚 一羟基丁酸酯等 55 4 4 2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 是含有硅原子的特种合成橡胶的总称 它具有优异的生理特性 无毒无味 生物相容性好 耐生物老化 较好的抗凝血性 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 耐氧老化性 耐光老化性以及防霉性 化学稳定性等 在医学上主要用于粘合剂 导管 整形和修复外科 人工关节 皮肤扩张 烧伤的皮肤创面保护 人工鼻梁 人工耳廓和人工眼环 缓释和控释等 56 防噪音耳塞 佩戴舒适 阻隔噪音 保护耳膜 胎头吸引器 操作简便 使用安全 可根据胎儿头部大小变形 吸引时胎儿头皮不会被吸起 可避免头皮血肿和颅内损伤等弊病 能大大减轻难产孕妇分娩时的痛苦 人造血管 具有特殊的生理机能 能做到与人体 亲密无间 人的机体也不排斥它 经过一定时间 就会与人体组织完全事例起来稳定性极为良好 鼓膜修补片 其片薄而柔软 光洁度和韧性都良好 是修补耳膜的理想材料 且操作简便 效果颇佳 此外还有硅橡胶人造气管 人造肺 人造骨 硅橡胶十二指肠管等 功效都十分理想 57 硅橡胶医用导管类 58 4 4 2合成高分子生物材料 聚氨酯 PU Polyurethane 是聚醚 聚酯和二异氰酸酯的总称 具有良好的延伸性和抗挠曲性 强度高 耐磨损 血液相容性 抗血栓性能好 且不损伤血液成分 使其在医疗领域得到广泛应用 主要用于人工心脏搏动膜 心血管医学元件 人工心脏 辅助循环 人工血管 体外循环血液路 药物释放体系 缝合线与软组织粘合剂绷带 敷料 吸血材料 人工软骨和血液净化器具的密封剂等 59 4 4 2合成高分子生物材料 环氧树脂 EpoxyResin 基本特性是所用单体中至少含有一个环氧基团 环氧基可与含有 活泼氢 的化合物发生反应 因此可用适当的胺或某些酸类催化作均聚反应 主要用途 与玻璃布一起用于骨折的开放性复位和固定 粘合骨头加强氧化铝的髋关节髁 牙科充填材料 电子起搏器与体液分开的保护层 灌封 眼睑修补术和加固颅动脉瘤和脑电极探针的绝缘等 60 4 4 2合成高分子生物材料 聚氯乙烯 PVC 氯纶 是由单体氯乙烯聚合而成的合成树脂 是用量最大的医用高分子材料 原料丰富 聚合容易 抗凝血性能良好 但耐热性不高 70 通过添加物的应用可使改变为具有可屈挠性能 在医学中用量最大的是制作塑料输血输液袋 可提高红细胞和血小板的生存率 还可用于医用导管 人工输尿管 胆管和心脏瓣膜 血泵隔膜 增补面部组织 青光眼引流管和中耳孔等 软质PVC的毒性问题仍有争议 目前只能用于制造与人体短期接触的制品 61 聚氯乙烯树脂 62 4 4 2合成高分子生物材料 聚四氟乙烯 PTFE 又名泰氟隆 Teflon 热塑性塑料 最好的耐高温塑料 结晶熔点高达327 几乎完全是化学惰性的 具有自润滑性或非粘性 不易被组织液浸润 主要用于人工输尿管 胆管 气管 喉 韧带和肌腱人工血液 人工心脏瓣膜 下颌骨 髋关节和皮肤 增强皮肤 修复眼眶骨 组织引导再生材料 人工血管 涤纶缝线和涂层 外科用引流管及插管 巩膜的系扣和在耳鼻手术上作为插入的薄膜以防止粘连 食管扩张器 心脏瓣膜的缝合环 血液相容性丝绒 修补肺动脉和室间隔的缺损 血管闭塞物 缝线及动脉修补 包裹动脉癌及内淋巴液分流器等 63 4 4 2合成高分子生物材料 聚甲基丙烯酸甲酯 PMMA 又称有机玻璃 属于丙烯酸类塑料 是目前塑料中透明度最好的一种 具有良好的生物相容性 耐老化性 机械强度较高 用于剜出后的植入物 隐形眼镜 可植入透镜 人工角膜和假牙 人工喉 食管和腕骨 闭塞器 喉支持膜 牙科夹板 气管切开导管和吻合钮 鼻窦的植入性引管 经皮装置和用于实验的标本箱及人工器官外壳等 增补面部的软和硬组织 特别是修补眼窝的爆裂骨折 颅骨缺损时的替代骨片 充填乳突切除后的遗留腔隙 听小骨部分的替代物和脊椎鼓节段的固定 颅内动脉瘤的加固和充填静脉瘤囊以使之稳定 牙科某些直接充填树脂的基础等 64 爱尔康一片式PMMA人工晶体 65 Acrysof丙烯酸酯折叠人工晶体 66 4 5其他生物医学材料4 5 1无机生物医学材料 18世纪初开始应用 无毒 与生物体组织有良好的生物相容性 耐腐蚀 包括生物陶瓷 生物玻璃和碳素材料三大类 主要用于齿科 骨科修复和植入材料 基本都是脆性材料 容易破裂 发展方向应向开发复合 多相 生物材料以及在金属基体上加涂无机生物陶瓷涂层 薄膜 材料的方面引导 67 4 5 1无机生物医学材料 生物陶瓷 有各种不同的化学成分 根据其在生理环境中的化学活性和性质可分为四类 近似于惰性 三氧化二铝 氧化锆等氧化物生物陶瓷 Si3N4 钛酸钡等非氧化物生物陶瓷以及医用碳素等 这类材料长期暴露于生理环境下能保持稳定 表面活性 羟基磷灰石生物活性陶瓷和生物活性玻璃陶瓷 在生理环境中可通过其表面发生的生物化学反应与组织形成化学键性结合 起到了适合新生骨沉积的生理支架作用 也就是所谓的 骨引导 和 骨传导 作用 68 可吸收性 如石膏 磷酸三钙陶瓷 在生理环境中可逐渐被降解吸收 诱导骨质生长 并随之被新组织所替代 从而达到修复或替换病损组织的目的 复合型 生物陶瓷与生物陶瓷或与其他无机材料 有机材料复合而成的复合型材料 根据临床的不同要求可以制成不同类型的复合材料 在临床上生物陶瓷主要用于肌肉一骨骼系统的修复和替换 也可用于心血管系统的修复 制作药物释放和传递的载体 复合型的生物陶瓷还可以用于制造人工腱和韧带等 69 Al2O3 金属组合全髋关节 70 4 5 1无机生物医学材料 生物玻璃 是经特别设计的化学组成可诱发生物活性的含氧化硅化合物 一般把原料粉末按成分要求配比混合均匀 将粉末在高温炉内熔化 再将融化好的玻璃浇注成型 板 条 块等形状 然后在适当温度进行退火处理 消除应力 即可得到玻璃 如将某些玻璃在适当的高温进行晶化处理 则玻璃中可析出大量微小晶体 这样的玻璃称为微晶玻璃 结晶化玻璃或玻璃陶瓷 71 生物玻璃材料大致可分为两类 非活性的近似惰性的和生物活性的 在非活性生物玻璃及生物玻璃陶瓷中包括 人工骨用生物医学玻璃 它具有良好的耐酸碱腐蚀特性 生物相容性和耐磨性能 治疗用生物医学玻璃 可埋入肿瘤部位 通过在磁场下发热的特性或其内部的同位素放出的射线杀死癌细胞 也有良好的生物相容性 人工齿冠用生物医学玻璃陶瓷 具有制作容易 审美性高 强度高 适应性好 生物相容性好 类似天然齿等优点 72 活性生物玻璃及生物玻璃陶瓷 通常要求SiO2的含量低于60 同时含有NaO以及CaO P2O5 这种材料生物相容性好 植入体内后能在界面上通过一系列离子交换和溶解 沉淀反应 在其表面形成磷灰石晶体 残留下的玻璃被巨嗜细胞侵蚀 玻璃表面被基质类物质覆盖 玻璃附近的软骨芽细胞和造骨细胞的增殖趋于活跃 不久就形成了骨胶原纤维和磷灰石结晶 从而和软组织及组织成骨键合 骨组织和软组织很容易在其表面生长 其生物活性主要与化学组成相关 这种材料强度低 断裂韧性差 主要用于非承力的骨 指骨 牙齿等 也可作为钛合金牙种植体的表面涂层 73 4 5 1无机生物医学材料 碳素材料 指作为生物医学使用的各种碳素及其复合材料具有极好的抗血栓性 作为生物医学材料使用的主要有三种 玻璃碳 低温各向同性碳和超低温各向同性碳 这三种碳在生理环境中化学性质稳定 也不发生疲劳破坏 是生物相容性非常好的一类惰性材料 它的最大优点是血液相容性好 不可渗透性 再加上优良的力学性能 使其在医学上得到广泛使用 74 主要用于制造心血管修复体的重要材料 人工骨 人工牙根 肌腱和人工韧带等 还可用于人工软骨 人工中耳 人工关节运动磨损表面作为减磨涂层和血液净化等 尤其是它的较高的抗血栓性 耐磨性 低比重和长期使用不劣化等性能 使碳素材料几乎是目前唯一可选用的人工心脏瓣膜材料 75 4 5 2杂化生物材料与组织工程4 5 2 1杂化生物材料 是由活体材料和非活体材料组成的复合体 它主要包括合成材料与生物体高分子材料或与细胞的杂化 从广义上讲 它包括所有的人工材料与生物体高分子和生理活性物质的杂化 例如 胶原 聚乙烯醇杂化材料 可增进组织细胞的增殖胶原 葡萄糖膜上被覆一层硅橡胶可作为人工皮使用杂化生物材料主要包括三类 用于组织结构材料的多糖类等生理活性物质杂化材料以固定酶为代表的功能性杂化材料杂化细胞 76 与生理活性物质杂化较典型的材料有 表面肝素化材料 主要用于抗凝血材料 固定化前列腺素材料 可以防治血小板减少和血栓形成 固定化肝素共前列腺素材料 可同时发挥抑制凝血系统和抑制血小板系统的功效而达到理想的抗凝血效果 固定化肝素与抗菌素材料 可防止血栓形成及同时避免感染 固定化肝素与尿激酶材料 即可阻止血栓形成 又可将已经形成的血栓核溶解等等 与生物体高分子杂化主要包括与酶 抗体 抗原 激素和细胞等的杂化 这类材料除可作为人体组织 器官的结构材料外 还可利用其情报机能作为信息转换的手段 制备有用的物质以及制造药物等 并可用于生物传感器 细胞培养材料 诊断治疗和免疫隔离等方面 77 与细胞杂化是在人工器官上培养活体细胞 使之增殖 有利于人工器官的植入 除了作为人体组织和器官的结构材料外 利用细胞本身的信息功能可得到新的功能性控制材料 亦可促进细胞更快地生长 杂化生物材料主要用于人工胰脏 人工肝脏 人工胸腺 人工肾脏 人工皮和人工血管等 78 4 5 2 2组织工程 在杂化生物材料的基础上发展的 组织工程是近年来一门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 帮助病人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 组织工程的定义 它利用工程学和生命科学的基本原理 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 它综合了细胞生物学 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 组织工程领域的研究包括新