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生物材料简介 概述分类 生物金属材料生物无机材料生物高分子材料生物杂化材料 生物材料 biomaterials 用于与生命系统接触和发生相互作用的 并能对其细胞 组织和器官进行诊断治疗 替换修复或诱导再生的一类天然或人工合成的特殊功能材料 又称生物医用材料 概述 生物材料的基本要求惰性 不会因与体液接触而发生发应对人体组织不会引起炎症或异物反应不会致癌血液相容性 不会在材料表面凝血长期植入人体内 不会减小机械强度能经受必要的清洁消毒措施而不产生变性易于加工成需要的复杂形状 特殊要求加工成型性machine shapingproperties机械性能与稳定性Mechanicalproperties环境敏感性Environmentalsensitivity表面性能与结构多空性Surfaceproperties Porosity亲疏水性Hydrophilicity hydrophobicity 按材料与活体组织的相互作用关系分1 2 3 生物惰性材料 生物活性材料 生物吸收材料 在体内不降解 不变性的材料 适合长期植入体内 作为医用高分子要求降解产物 单体 低聚体或碎片 无毒 并且对人体无副作用 指植入生物体内能与周围组织发生相互作用 促进肌体组织 细胞等生长的材料 又称生物降解材料 这类材料在体内逐渐降解 其降解产物能被肌体吸收代谢 获通过排泄系统排出体外 对人体健康没有影响 如用聚乳酸制成的体内手术缝合线 体内粘合剂等 按组成分 金属材料 包括不锈钢 钴基合金 钛及合金等 广泛应用于人工假体 人工关节 医疗器械等 无机材料 分为惰性生物陶瓷 生物玻璃 碳素材料 有机高分子材料 分为天然的和合成的 天然的如多糖类 蛋白类 合成的聚氨酯 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 杂化材料 不同种材料的混合或结合 克服单一材料的缺点 可获得性能更优的材料 一 生物医学金属材料 金属材料是生物医学材料中应用最早的 随着抗腐蚀性强的不锈钢 弹性模量程骨组织接近铜铁合金 以及记忆合金材料 复合材料等新型生物医学金属材料的不断出现 其应用范围也在扩大 1 抗腐蚀性 2 毒性低或无毒 3 高机械性能 Fe 与血红细胞结合可形成铁血黄素 Cr 能与机体内的丝蛋白结合 Ni 过量富集有可能诱发肿瘤的形成 通常 医用不锈钢的小量腐蚀不会引起组织的明显变化 但量大时会引起水肿 感染 组织坏死或过敏反应 因此必须严格控制医用不锈钢在体内的金属离子溶出 生理腐蚀和磨蚀 金属器件植入体内 金属离子溶出进入组织液 引起机体不良反应 常见生物医学金属材料 二 无机生物医学材料 无机生物医学材料从主要成分来看 包括生物陶瓷 生物玻璃和碳素材料 1808年就已用陶瓷来镶牙 近20年来由于无机生物学材料性能的改善及复合材料发展的需要 这类材料的研制和应用都有了较大的发展 1 生物陶瓷 多用于假牙制作 硬度及耐磨性优于树脂制品 材料的化学性质差 生物相容性好 主要成分为磷酸钙 植入人体后可以降解吸收 由于被怀疑会引起淋巴结增生 现已停止对其研究 如掺入荧光物质的陶瓷贴片 可以贴在牙齿外表增加美观 1 普通生物陶瓷 2 生物活性陶瓷 3 特殊加工生物陶瓷瓷 生物陶瓷制作的听小骨 2 生物医学玻璃和玻璃陶瓷 1 非活性生物玻璃 2 活性生物玻璃 3 羟磷灰石 HAP 材料 多用于制作人工股骨 人工齿冠 齿桥 还用于强磁性的玻璃陶瓷埋入肿瘤附近 通过材料在交变磁场作用下磁场下磁滞损耗发热而杀死癌细胞 生物相容性好 和骨组织结合好 成骨过程快 有利于植入物早期固定 种植成功率高 HAP是人牙和骨骼的主要无机成分 具有吸收和聚集体液中钙离子的作用 参与体内钙代谢 对骨质增生有刺激或诱导作用 促进缺损组织的修复 显示出生物活性 与高分子材料制成的混合材料常用做人工中耳骨等 采用增强含微孔羟基磷灰石 HA 陶瓷制成人工听小骨假体 在语言频率范围 平均提高病人的听力20 30dB 在特定语言频率范围提高45 60dB 3 碳素材料 碳是构成生物体的重要组成元素 由于它具有极好的抗血栓性 因而碳素材料被认为是最佳的人工心脏瓣膜材料 活性炭常用于血液净化材料等 人工心脏瓣膜 碳纤维束有利于生物组织依附生长 经聚乳酸浸制成人工韧带和肌腱已用于临床研究 碳纤维与高分子材料制成的复合材料可用于制作假牙 人工软骨 人工中耳骨及用于胫骨骨折固定板 颌面修复等 用于人工关节的多孔材料是由碳纤维和聚四氟乙烯组成的各向同性碳 把人工关节端头涂上一层这样的材料 就可使关节固定良好 德国产品UHMWPE材料 三 生物高分子材料 医用高分子材料 聚氨酯 有机硅材料 聚硅氧烷 甲基硅油 等合成高分子材料用于人工器官 手术缝合线 组织修补材料等 药用高分子材料 缓释药物 药物载体 辅助材料 用于人工脏器的医用高分子材料 药用高分子材料 1 作为控制释放药物的载体 纳米树形高分子 2 作为药物使用 靶向材料 聚乙烯N 氧吡啶是一种具有药理活性的高分子 注射其水溶液或吸入其烟雾剂 对于治疗矽肺病有较好效果 3 作为药物制剂的辅助材料 将青霉素与乙烯醇 乙烯胺共聚物以酰胺键相结合 得到水溶性的药物高分子 这种高分子青霉素在人体内停留时间比低分子青霉素长30 40倍 难题 高分子材料的血液相容性 材料界面性质与血液界面性能的不同可能造成吸附改变蛋白质的形状以及排列 产生溶血 凝血或者血栓 医用高分子材料研发过程中遇到的一个巨大难题是材料的抗血栓问题 当由于人体的自然保护性反应将产生排异现象 其中之一即为在材料与肌体接触表面产生凝血 即血栓 结果将造成手术失败 严重的还会引起生命危险 因此对高分子材料的抗血栓性研制是医用高分子研究中的关键问题 血液相容性高分子材料的制取 1 使材料表面带上负电荷的基团例如将芝加哥酸 1 氨基 8 萘酚 2 4 二磺酸萘 引入聚合物表面后 可减少血小板在聚合物表面上的粘附量 抗疑血性提高 2 高分子材料的表面接枝改性采用化学法 如偶联法 臭氧化法等 和物理法 等离子体法 高能辐射法 紫外光法等 将具有抗凝血性的天然和化学合成的化合物 如肝素 聚氧化乙烯接枝到高分子材料表面上 3 添加聚氧化乙烯 分子量为6000 于凝血酶溶液中 可防止凝血酶对玻璃的吸附 因此 在血液相容性高分子材料的研究中 聚氧化乙烯是十分重要的抗凝血材料 通过接枝改性调节高分子材料表面分子结构中的亲水基团与疏水基团的比例 使其达到一个最佳值 也是改善材料血液相容性的有效方法 四 杂化生物医学材料 杂化生物医学材料和非活性材料所组合的新型材料 是制造高生理功能的人工器官的较为理想的材料 杂化生物医学材料主要是人工材料与自体材料的组合 它包括用于组织结构材料的多糖类等生理活性物质杂化 以固定化酶为代表的功能性杂化材料和杂化细胞3类 1 人工材料与生理活性物质杂化 在人工结构材料表面结合上生理活性物质 既能保留人工材料基质的力学强度 又能具有良好的生物相容性及抗凝血性 2 与生体高分子的杂化 主要是人工材料与酶 抗体 抗原 激素等的杂化 这类材料除可作为人体组织 器官的结构材料外 尚可用于生物传感器及医学诊断和治疗 利用酶的生物信息传递功能与具有刺激响应的材料组合可形成酶传感器 同样可形成免疫传感器 细胞传感器等生物传感器 3 与细胞的杂化 人工材料与细胞的杂化最早用于人工血管的伪内膜法 杂化细胞材料还可用于生物传感器 还可制造生物人工器官 人工髋关节