生物医用复合材料

1 12 生生物物医医用用复复合合材材料料 生物医用复合材料 biomedical composite materials 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 而 生物陶瓷材料 虽然具有良好的化学稳定性和相容性 高的强度和耐磨 耐蚀 性 但材料的抗弯强度低 脆性大 在生理环境中的疲劳与破坏强度不高 在没有补强措施的条件下 它只能应用于不承受负荷或仅承受纯压应力负荷 的情况 因此 单一材料不能很好地满足临床应用的要求 利用不同性质的 材料复合而成的生物医用复合材料 不仅兼具组分材料的性质 而且可以得 到单组分材料不具备的新性能 为获得结构和性质类似于人体组织的生物 医学材料开辟了一条广阔的途径 生物医用复合材料必将成为生物医用材料 研究和发展中最为活跃的领域 1 1 生生物物医医用用复复合合材材料料组组分分材材料料的的选选择择要要求求 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 植入体内的材料在人体复杂的生理环境中 长期受物理 化学 生物电 等因素的影响 同时各组织以及器官间普遍存在着许多动态的相互作用 因 此 生物医用组分材料必须满足下面几项要求 1 具有良好的 生物相容性 和物理相容性 保证材料复合后不出现有损生物学性能的现象 2 具有良 好的生物稳定性 材料的结构不因体液作用而有变化 同时材料组成不引起 生物体的生物反应 3 具有足够的强度和韧性 能够承受人体的机械作用 力 所用材料与组织的弹性模量 硬度 耐磨性能相适应 增强体材料还必 须具有高的刚度 弹性模量和抗冲击性能 4 具有良好的灭菌性能 保证 生物材料在临床上的顺利应用 此外 生物材料要有良好的成型 加工性能 不因成型加工困难而使其应用受到限制 2 2 生生物物医医用用复复合合材材料料的的研研究究现现状状与与应应用用 陶陶瓷瓷基基生生物物医医用用复复合合材材料料 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 2 12 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 Al2O3 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 生生物物医医用用陶陶瓷瓷材材料料 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 5 7 当 HA 粉末中添加 10 50 的 ZrO2 粉末时 材料经 1350 1400 热压烧结 其强度和韧性随烧结温度的提高而增加 添加 50 TZ 2Y 的复合材料 抗折强度达 400MPa 断裂韧性为 2 8 3 0MPam1 2 ZrO2 增韧 TCP 复合材料 其弯曲强度和断裂韧性也 随 ZrO2 含量的增加而得到增强 纳米 SiC 增强 HA 复合材料比纯 HA 陶瓷的 抗弯强度提高 1 6 倍 断裂韧性提高 2 倍 抗压强度提高 1 4 倍 与生物 硬组织的性能相当 晶须和纤维为陶瓷基复合材料的一种有效增韧补强材料 目前用于补强医用复合材料的主要有 SiC Si3N4 Al2O3 ZrO2 HA 纤 维或晶须以及 C 纤维等 SiC 晶须增强生物活性玻璃陶瓷材料 复合材料的 抗弯强度可达 460MPa 断裂韧性达 4 3MPam1 2 其韦布尔系数高 3 12 生物医学材料中的应用生物医学材料中的应用 人工皮肤 人工食道 人工心肺气管 烧伤保护膜 手术缝合线 填充 物 注射针筒 血袋 引流插管及植入体 implant 人工脏器止血剂 如止 血绵 微胶囊 皮下注射剂 避孕海绵等 其在国外发达国家中已进入运 用普及阶段 1 胶原基生物材料的应用 1 心脏瓣膜 目前已发展的有 2 类 一类是机械瓣膜 一类是生物瓣膜 用胶原基材料制 作成的生物瓣膜的缺点是植入人体后会产生钙化 一般在前 10a 使用期内性能 良好 现在 材料科学家正竭力合成新的医用瓣膜材料 目的是大幅度延长材料 的使用寿命 减少二次手术 减轻患者痛苦 2 血管修复 由于心血管疾病日益增加 对替换血管装置的要求越来越多 应用生物组 织基心血管装置的主要优势 是直径小于 5mm 的心血管置换器 与合成材料相 比 生物材料的多样性为改善置换器的性能提供了有利条件 并且胶原基装置还 具有感染性低 宿主组织能向装置中渗入生长 而不需要高密度孔结构 以及可 与天然血管在物理性质上较好的匹配等优点 3 可溶性胶原 4 12 可溶性胶原在适当的缓冲液中 加热至体温时 便可在组织中原位形成纤维 或在进入组织之前形成纤维 其对软组织的扩增 恢复 特别是对矫正各种皮 肤断面缺陷非常有用 还可用于食管包括肌声带的修复 牙周方面的治疗 4 创伤 烧伤修复材料 胶原敷料有多种形式 如膜扁 海绵状及粒状等 能重新溶解 并吸收创伤渗 出液 可与宿主细胞外基质相互作用 以促进细胞在新结缔组织上的粘附 移动 生长和沉积 能诱导分化及成纤维细胞的趋化性 延迟伤口收缩 加速创伤修复 5 胶原止血剂 胶原与血小板作用后 引起后继的与血液聚集相关联的一系列过程的进行 从而可迅速凝血 作为止血剂使用的胶原 可以是粉状 扁状及海绵状等多种 物理形态 与胶原类止血材料相竞争的有纤维素 明胶和纤维衍生物 后者优 势是价格较低 但是胶原的止血效果更好 6 明胶 胶原经温和水解而产生肽键的不可逆断裂后 所得的主要产物是明胶 最近的研究表明 明胶特别是水解明胶 对多种皮肤病均有治疗作用 其用于 手足皲裂 皮肤搔痒 鱼鳞病等皮肤病 效果非常显著 在治疗中水解明胶无 刺激性和副作用 它能滋润皮肤 修补和促进伤口愈合 此外 它在内科病学中 也有用武之地 对慢性胃炎 十二指肠溃疡 胃溃疡有更佳的治疗效果 7 人工皮肤 5 12 众所周知 第一个面市的组织工程材料的商品是人工皮肤 也是到目前为止 在临床应用方面最为成功的组织工程材料 国内在这方面有较多的研究 其一 般方法是 先从某种含有胶原的原料中提取胶原 经过酶消化 纯化 制成胶原的 分散液 再向其中加入其它物质 一般是壳聚糖或高分子物质等 均匀混合制成 胶原膜 必要时 还可以用甲醛进行交联 Yan2nas 等人报道了在气相醛介质 中 胶原与糖胺聚糖交联 制备分子量 Mc 为 800 60000 的胶原糖胺聚糖材料 的方法 由这种材料制造的人造皮肤 比其它方法制备的同类材料的长期贮存 更稳定 8 固定化酶载体和胶囊 胶原蛋白分子肽链上具有多种反应基团 如羟基 羧基和氨基等 易于吸收 和结合多种酶和细胞 实现固定化 它具有与酶和细胞亲合性好 适应性强的特 点 另外胶原是一种成膜性好的物质 并具有生物相容性 在体内可被逐步吸收 因此 胶原蛋白固定化酶特别适合于人工应用材料 胶原在医药工业中的另一重要用途是基于胶原微囊包封的药物输送系统 微囊包封就是把细小颗粒独立包裹上保护性的涂层 涂层起到分离 贮存和运 输的作用 以便被包裹物在预定的条件下释放出来 从而起到控制或缓释的效果 释放的条件取决于湿度 pH 化学结合作用 释放的机理与保护层的构造有关 如膜的过滤性 腐蚀 破裂等 微胶囊的直径一般在 3 800 m 之间 核的重 量占 10 90 被包裹的核材料种类很多 包括粘合剂 农药 活细胞 香 水 药剂和墨水等 胶囊外壳材料多数为有机聚合物 也有的采用脂类和蜡 现在 以明胶改性聚合物制造控制药物释放的微球和微胶囊正越来越常见 6 12 9 胶原膜 胶原不仅可以保护和促进角膜上皮细胞的生长 而且还可作为 药膜 使在 结膜囊内的药物逐渐释放入眼内 从而在短时间内在眼内达到较高浓度 并维持 较长时间 还可减少药物的毒性 具有广阔的发展前景 尽管胶原以其优良的性质得到重视 但其不可避免的弱点也限制了它的应 用 如胶原具有天然材料共有的弱点 物理机械性能差 其生物降解性在某些应 用上也是一个弱点 而合成材料尽管其力学性能良好并且性能稳定 但生物相 容性普遍较差 因此产生了 复合材料 的概念 即制备胶原 高分子复合材料 使 其同时具有 2 种材料的共同优点 取长补短 从而向实现发展 理想 的生物材料 的目标迈进了一步 并将为医用生物材料的变革性发展提供广阔的前景 生物医学材料是指一类具有特殊性能 特种功能 用于人工器官 外科修复 理疗康复 诊断 治疗疾患 而对人体组织不会产生不良影响的材料 现在各 种合成材料和天然高分子材料 金属和合金材料 陶瓷和碳素材料以及各种复 合材料 其制成品都已经被广泛应用于临床和科研 一 生物医学材料的分类 一般而言 临床医学对生物医学材料有以下基本的要求 无毒性 不致癌 不致 畸 不引起人体细胞的突发和组织细胞的反应 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 化学性质稳定 抗体液 血液及酶的作 用 具有与天然组织相适应的物理机械特性 针对不同的使用目的具有特定的 功能 根据物质属性 生物医学材料大致可以分为以下几种 1 生物医学金属 材料 医用金属材料 biomedical Metallic Materials 是作为生物医学材料的 金属或合金 具有很高的机械强度和抗疲劳特性 是临床应用最广泛的承力植 入材料 主要有钴合金 Co Cr Ni 钛合金 Ti 6Al 4V 和不锈钢的人工关 节和人工骨 镍钛形状记忆合金具有形状记忆的智能特性 能够用于矫形外科 心血管外科 2 生物医学高分子材料 生物医学高分子材料 Biomedical Polymer 有天然的和合成的两种 发展最快的是合成高分子医用材料 通过 分子设计 可以获得很多具有良好物理机械性和生物相容性的生物材料 其中 软性材料常用作人体软组织如血管 食道和指关节等的代用品 合成的硬材料 7 12 可以用作人工硬脑膜 笼架球形的人工心脏瓣膜的球形阀等 液态的合成材料 如室温硫化硅橡胶可以用作注入式组织修补材料 3 生物医学无机非金属材料 或生物陶瓷 生物陶瓷 Biomedical Ceramics 化学性质稳定 具有良好的 生物相容性 生物陶瓷主要包括两类 1 惰性生物陶瓷 如氧化铝 医用碳 素材料等 这类材料具有较高的强度 耐磨性能良好 分子中的键力较强 2 生物活性陶瓷 如羟基磷灰石和生物活性玻璃等 这类材料具有能在生 理环境中逐步降解和吸收 或与生物机体形成稳定的化学键结合的特性 因而 具有极为广阔的发展前景 4 生物医学复合材料 生物医学复合材料 Biomedical Composites 是由两种或两种以上不同材料复合而成的生物医学 材料 主要用于修复或替换人体组织 器官或增进其功能以及人工器官的制造 其中钛合金和聚乙烯组织的假体常用作关节材料 碳 钛合成材料是临床应用 良好的人工股骨头 高分子材料与生物高分子 如酶 抗源 抗体和激素等 结合可以作为生物传感器 5 生物医学衍生材料 生物医学衍生材料 Biomedical Derived Materials 是经过特殊处理的天然生物组织形成的生物 医学材料 是无生物活力的材料 但是由于具有类似天然组织的构型和功能 在人体组织的修复和替换中具有重要作用 主要用作皮肤掩膜 血液透析膜 人工心脏瓣膜等 二 全球生物医学材料市场主要产品 目前大量用于医 疗器械 植入器械 体外循环系统等 的生物医学材料主要有 20 种 其中医 用高分子 12 种 金属 4 种 陶瓷 2 种 其它 2 种 利用现有的生物医学材料 已开发应用的医用植入体 人工器官等近 300 种 主要包括 心脏和心血管系统 起搏器 心脏瓣膜 人造血管 导管和分流管等 矫形外科 人工关节 骨板 骨螺钉等内固定器械 骨缺损填充或修复体 脊柱和脊柱融合器械 功 能化模拟神经肌肉和人工关节软骨等 整形外科 颅 颌面 耳 鼻等修复 体和人工乳房等 软组织修复 人工尿道 人工膀胱和肠 体内 外分流管 人工气管 缝线和组织粘合修补材料等 牙科 牙种植体 牙槽骨替换 增 高和充填剂等 感觉神经系统 人工晶体 接触镜 神经导管 中耳修复体 经皮导线 重建听力和视力修复体等 及药物和生物活性物质控释载体等 生物材料医学应用与机体免疫效应概况生物材料医学应用与机体免疫效应概况 磁性纳米材料的化学合成 功能化及其生物医学应用 8 12 射线束技术在功能材料改性中的应用射线束技术在功能材料改性中的应用 射线束技术在功能材料的改性方面具有巨大的潜力 与传统方法相比 射线束技术具有易于控制 效率高 有利环保 等优点 适用于高附加值产品的制备 本实验室的工作主要有 强流离子注入贵金属或过渡族金属离子制备可见光灵 敏高效纳米二氧化钛光催化薄膜 高能电子束辐照沉积贵金属制备紫外与可见光灵敏高效纳米二氧化钛光催化薄膜 强流离子注入和高能电子束辐照沉积制备高效抗菌材料和生物医学材料等 强流离子注入制备可见光灵敏高效纳米二氧化钛光催化薄膜强流离子注入制备可见光灵敏高效纳米二氧化钛光催化薄膜 9 12 表表 1 过渡族金属离子注入过渡族金属离子注入 450 退火退火 对对 TiO2薄膜性能的影响薄膜性能的影响 注入的金属离子V Cr Fe 未注入 注入剂量 cm 26 10166 10166 10160 光学带隙 eV3 053 083 113 45 可见光催化效率提高倍数4 84 25 51 0 电子束辐照沉积贵金属电子束辐照沉积贵金属 TiO2及光催化效率研究及光催化效率研究 表表 2 电子束辐照沉积贵金属对电子束辐照沉积贵金属对 TiO2薄膜性能的影响薄膜性能的影响 沉积的贵金属AgPdPtAu未沉积 10 12 紫外光催化效率提高倍数2 272 262 431 771 0 可见光催化效率提高倍数2 943 44 071 351 0 密度泛函理论密度泛函理论 DFT 分析金属掺杂锐钛矿二氧化钛晶体电子结构分析金属掺杂锐钛矿二氧化钛晶体电子结构 小结 小结 本课题研究的目的是利用射线束技术提高 TiO2在可见光作用下的光催化效率 上面简单介绍了利用射线束技术在锐钛矿二 氧化钛中掺杂不同的金属元素 获得高效 宽光谱的光催化薄膜的实验和理论计算结果 利用强流离子注入技术 在 TiO2薄膜中 注入 V Cr 和 Fe 三种过渡金属元素 使可催化光波长由对比薄膜的 350nm 扩展到 500nm 以上 利用高能电子束辐照技术 在 TiO2表面沉积 Ag P