生物材料课件

,生物材料（Biologicalmaterials）,鲍永利,东北师范大学药物基因和蛋白筛选国家工程实验室,2015年12月23日,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。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。,现代医学正向再生和重建被损坏的人体组织和器官、恢复和增进人体生理功能、个性化和微创治疗等方向发展。传统的无生命的医用金属、高分子、生物陶瓷等常规材料已不能满足医学发展的要求，生物医学材料科学与工程面临着新的机遇与挑战。未来，生物医学材料的市场占有率大有可能将赶上药物。因此，加强生物医用材料的临床应用研究和推广应用，重点发展我国生物医用材料的研究、开发、生产、营销紧密结合的一体化体系是当务之急。,CAGR(CompoundAnnualGrowthRate)复合年均增长率,生物材料必须具备的特性,功能性：指生物材料具备或完成某种生物功能时应该具有的一系列性能。,相容性：材料和活体之间的相互关系，主要包括血液相容性和组织相容性。,化学稳定性：耐生物老化性或可生物降解性（可控降解）,可加工性：能够成型、可消毒,生物材料的主要功能,承受或传递负载功能。如人造骨骼、关节和牙等。,控制血液或体液流动功能。如人工瓣膜、血管等,电、光、声传导功能。如起搏器、人工晶体、耳蜗等,填充功能。如整容手术用填充体等,生物材料的相容性,血液相容性,无凝血反应,不发生炎症,组织相容性,无溶血反应,不发生排斥,不致癌,生物材料的分类（按组成性质分类）,金属材料,金属,合成高分子材料,有机材料,金属合金,天然高分子材料,无机材料,生物陶瓷,羟基磷灰石,石墨烯水凝胶的制备示意图(a)和大鼠伤口愈合实验的光学照片(b),生物材料的分类（按材料功能分类）,血液相容性材料,人工瓣膜、人工气管、人工心脏等,甲壳素、聚乳酸等，用于缝合线、粘合剂,硬组织相容性材料,隐形眼睛片的高分子材料，人工晶状体,胰岛素、人工合成疫苗等,软组织相容性材料,医用金属、生物陶瓷等，关节、牙齿等,生物降解材料,高分子药物多肽,纳米自组装微胶囊的制备及其在医学中的应用,药物传递系统,生物材料的分类（按材料来源分类）,自体材料,异体组织及器官,同种异体组织器官,人工合成材料,天然材料,生物材料的表面修饰及改性,二、3D打印生物材料,3D打印（3DP)即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。,3D打印的设计过程先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印。设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式。一个STL文件使用三角面来近似模拟物体的表面。三角面越小其生成的表面分辨率越高。PLY是一种通过扫描产生的三维文件的扫描器，其生成的VRML或者WRL文件经常被用作全彩打印的输入文件。,科学家研制出3D打印的面团状生物材料,2015年7月，科学家们已经研发出一种3D打印的面团状生物材料，它可被填充到骨骼中，帮助加速康复过程。这种材料就像海绵一样，表面有许多孔状结构，可以任意弯曲。有了这种材料后，可以令受伤骨骼获得支撑力量，而其他肌肉组织却不会受到影响。与此同时，细胞和蛋白质可以穿过这种材料，材料本身在人体中也会释放蛋白质，使受伤部位恢复速度加快。,2015年11月，上海市第一人民医院普外科中心主任彭志海教授团队采用3D打印技术，成功打印出捐肝者的肝脏仿真立体模型，指导医生更快、更准确地完成了一例复杂的小体积移植物原位肝移植，将患儿与母亲的肝脏各取一半，拼接在一起，母子平安。据了解，将3D打印技术用于肝脏移植在国际上尚属首次，而针对儿童开展的小体积移植物原味肝移植亦属沪上首例,借助3D打印实现母子拼肝移植手术,3D打印助力神经元损伤修复,2015年9月，明尼苏达大学、普林斯顿大学等机构的研究人员利用3D扫描获得了小鼠坐骨神经的轮廓，然后再利用3D打印技术打造出了一个内含能够促进神经元再生化学成分的硅酮类支架。研究人员通过手术将这种支架植入到小鼠的坐骨神经的损伤处，经过10-12周的培养，小鼠受损的行动功能获得了明显改善。,AspectBiosystems位于加拿大温哥华，是一家屡获殊荣的生物技术初创公司，专门从事3D生物打印和人体组织工程。该公司生产的一款3D打印机，可以通过3D打印制造出具有全面生物功能的人体组织，并可被用于危险或实验性药物的测试中，最终还可能制造出可移植的生物打印器官。该公司独有的生物打印技术是将活细胞材料放入液化的水凝胶，再注入3D打印机中，逐层挤压成特定的形状。制作出的活生物结构将被放置起来进行孵化和培养，让其可以开始作用，创造出拥有生物学功能的活体组织。,如何实现3D打印人体组织？,3D打印制药叩响个性医疗大门,2015年8月5日，首款由Aprecia制药公司采用3D打印技术制备的SPRITAM（左乙拉西坦，levetiracetam）速溶片得到美国食品药品监督管理局（FDA）上市批准，并将于2016年正式售卖。这意味着3D打印技术继打印人体器官后进一步向制药领域迈进，对未来实现精准性制药、针对性制药有重大的意义。,3D打印脑组织可研究脑疾病,2015年8月，一篇发表在国际杂志Biomaterials上的一项研究报告中，来自国外的研究人员通过模拟脑组织的结构开发出了一种掺入神经细胞的新型3D打印层状结构。研究人员开发出了含有天然碳水化合物材料的生物墨水，这种材料具有特殊性，即可以使得细胞在结构组织上精确地分散，并且为细胞生长提供保护性屏障。,我国科学家实现肝单元生物3D批量打印,来自杭州电子科技大学等机构的科学家2015年10月9日在杭州发布了一款自主研发的生物3D打印工作站。利用这款新的生物3D打印设备，科学家们“打印”出了3D打印肝单元。,2013年5月24日，据CNN报道，男婴凯巴6周大的时候患支气管软化，气道被堵塞，病情严重。医生们随即利用3D打印机，用生物材料制作出一个夹板，在凯巴的气道中开辟了一个通道。现在已18个月大的凯巴已能够自主呼吸。专家表示，这一病例说明再生技术已不再是科幻。,生物打印将“印”出器官移植新篇章,3D打印技术目前已被用于制造个性化生物医药材料、药物检测和筛选、癌症或其他多种疾病研究等。利用生物打印技术制造器官或组织更是开创了器官移植的新纪元，为人类健康带来了福音。利用生物打印技术制造生物组织和器官的方法有两种，分别是制造具有血管的生物组织和器官的体外打印技术，以及用于直接在病变部位进行组织再生的体内打印技术。,思考题,一、名词：生物材料、生物材料学、3D打印技术二、问答题1.简述生物材料的种类2.生物材料必须具备的特性有哪些？,孙伟老师讲授部分的思考题,1、如何理解“盖雅假说”所阐释的新自然观，即地球孕育着生命，生命改造着地球？2、前生命进化有哪几个阶段及各个阶段的特征？3、现代综合进化论和中性选择学说之间的差异主要体现在哪几个方面？4、为什么说蕨类植物是一类过渡性陆生植物？5、以昆虫为例，为什么说节肢动物是无脊椎动物进化的最高峰？6、什么是假体腔？什么是真体腔？它们有什么进化意义？7、人类多中心起源论和单中心起源论各有哪些证据支持？,