生物材料第一章

课程介绍,课程名称：无机生物材料,内容简介：无机生物材料学是生物医用材料程学中的重要内容之一。基于当前生物医学工程科学技术的不断进步和生物医学材料学具有多门学科相互借鉴结合、相互交叉渗透、突破旧有学科的狭小范围而开创的一门新学科等的特点。有关生物医学材料的课程已经成为材料科学与工程专业本科学生必不可少的一门课程。本课程以无机生物材料为主要讲授内容，并结合科研和本学科发展的最新动态，补充讲授相关的生物医学知识，比较系统的介绍无机生物医学材料学的基本概念，主要内容，研究现状及发展趋势，力求对无机生物医学材料学领域所涉及的生物学、医学、材料学的有关知识进行较详细的介绍。通过本课程的学习，使学生对生物医学材料学科的内容和知识有一个全面的了解，开拓知识面，为今后的深造和科研打下基础。,课程内容：,第一章绪论(生物材料的发展简况、定义及其分类)第二章人体组织对植入材料的生物学反应及其特征第三章生物医用材料的相容性和评价体系第四章骨的基本结构、性能与生物学特征第五章外科医学使用的无机生物材料第六章口腔生物材料第七章生物医用无机复合材料第八章组织工程及其支架材料第九章纳米生物医用无机材料第十章仿生无机生物医用材料的基本原理与研究现状,参考教材,课堂讲义及相关指定阅读的文献资料李世普：生物医用材料导论，武汉工业大学出版社，2000年版李玉宝等：纳米生物医药材料，化学工业出版社，2004年版张超武等：生物材料概论，化学工业出版社，2006年版谈国强等：生物陶瓷材料，化学工业出版社，2006年版Doluoshi：IntroductiontoBiomaterials,WorldScientific,2005.12顾汉卿等主编：生物医学材料学天津科技翻译出版公司，2005年版,第一章绪论,11生物医用材料的发展简况12生物医用材料的定义及分类1.3无机生物医用材料的研究现状和发展趋势,1.1生物医用材料的发展简况,生物医用材料的研究与开发对国民经济和社会的发展具有十分重要的意义。驱动生物材料及其制品市场的高速发展的主要原因：是人体器官修复或替换的必不可少的材料；老龄化问题中、青年创伤的增加新技术的注入生物材料的发展基于人体自身功能和结构关系认识的深化，研究无生命的材料参与生理和生命过程的本身就是对人类认识论的挑战。,近年来，世界生物材料市场发展势头更为迅猛，其发展态势可与信息、汽车产业在世界经济中的地位相比。追溯生物医用材料的历史，不得不提到人工器官。人工器官的研究实际上是个古老的命题。,1.1生物医用材料的发展简况,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。,1.1生物医用材料的发展简况,总体上讲，生物医用材料的发展至今为止经历了三个阶段：（1）惰性生物材料（无害阶段）（2）生物活性材料（有益阶段）（3）组织工程支架材料（真正的生物材料阶段）,1.1生物医用材料的发展简况,随着材料科学、生命科学和生物技术的发展，使得人类在分子水平上去认识材料和机体间的相互作用，构建生物结构和功能，使传统的无生命的材料通过参与生命组织的活动，成为有生命组织的一部分。生物医用材料科学将成为人类进入生物技术世纪的重要基础。,1、惰性生物材料（无害阶段）惰性生物材料是指对人体组织化学惰性，其物理机械和功能特性与组织匹配，使材料在应用过程中不致产生不利于功能发挥和对其它组织影响的反应，特别是与组织接触或短长时间不产生炎症或凝血现象，无急性毒性或刺激反应，一般无补体激活产生的免疫反应的一类功能材料。这类材料的应用基于对材料本身性能的全面了解，是人类最早、最广泛应用的生物材料。,2.生物活性材料（有益阶段）随着材料科学、医学的发展，以及先进仪器设备的发明，带动了生物材料的发展。集中表现在发现新型生物材料，以及更多关注惰性生物材料所制成的人工器官和医疗器械在使用过程中与组织或血液产生的界面反应。新型生物材料有代表性的成果是20世纪70年代发现的钙磷系玻璃陶瓷，如羟基磷灰石、-磷酸三钙、珊瑚等。这类材料具有与人体骨组织的无机成分有类似的化学组成，材料抗压、抗折强度与人骨接近，植入后与组织亲和性良好，同时有降解作用并诱导成骨细胞(加诱导因子如BMP)的长入，使植入组织骨化，一段时间后植入组织转化为正常组织等特点，也即材料在使用过程中逐渐生物化。,3.组织工程支架材料（真正的生物材料阶段）材料生物化毕竟不能改变材料的基本结构，这为材料的长期使用留下隐患，同时器官(尤其是组织)是一个复杂的系统，不可能用单一无活性的材料来模仿其全部或大部分功能。因此在器官(或组织)供体来源非常有限的情况下，如何在体外培养出正常的组织供手术使用，是医学界和生物医学工程学界追求的目标之一。组织工程的出现和发展为这一目标的实现提供了可能。,1.1生物医用材料的发展简况(无机医用材料的发展简况）,1808年，陶瓷材料用于镶牙；1892年，Dreesman发表了第一例使用熟石膏作为骨缺损填充材料的临床报告。1963年，Smith报道了一种陶瓷骨替代材料，这是一种多孔的铝酸盐。1972年Boutin教授研制了致密的Al2O3烧结体材料作为一种植入型的关节材料。,1.1生物医用材料的发展简况(无机医用材料的发展简况）,60年代和70年代是生物陶瓷材料研究比较活跃的一个时期（与基础学科的发展和完善有关）。尤其是1969年美国的Florida大学的L.Hench教授成功地研究出了一种生物玻璃，可用于人体硬组织的修复、能与生物体内的骨组织发生化学结合，从而开创了一个崭新的生物医用材料的研究领域生物活性材料，它具有良好的生物相容性，人体组织可以长入并同其发生牢固的键合。,1.1生物医用材料的发展简况(无机医用材料的发展简况）,日本京都大学的小久保正教授在1982年开发成功了含38wt左右的磷灰石(Apatite)和34wtw左右的硅灰石(-wollastonite)的微晶玻璃材料（简称A/w微晶玻璃）。由于不含有碱金属氧化物，因此它的机械性能特别理想，是当前力学性能最好的医用微晶玻璃材料，它的各项力学性能指标均接近人体骨，此外，它与骨骼组织的结合强度也较好。,1.1生物医用材料的发展简况(无机医用材料的发展简况）,纳米技术在90年代获得了突破性进展，在生物医学领域的应用研究也不断得到扩展。目前的研究热点主要是药物控释材料、基因治疗载体材料。此外，生物医用纳米材料在肿瘤疾病的早期分析与检测技术、纳米复合医用材料、与生物大分子进行组装、用于输送抗原或疫苗等方面也有良好的应用前景。纳米超顺磁性粒子（如Fe3O4、Fe2O3)和量子点(CdSe、CdTe等）是上述应用能否实施的关键材料。,1.2生物医用材料的定义及分类1.2.1生物医用材料的定义及其基本要求,（1）具有天然器官组织的功能或天然器官部分功能的材料。（2）用于生物系统疾病诊断、治疗、修复或替换生物组织或器官，增进或恢复其功能的材料。,1.2生物医用材料的定义及分类1.2.1生物医用材料的定义及其基本要求,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”。,1.2生物医用材料的定义及分类1.2.1生物医用材料基本要求,基本要求：1.材料的安全性较高，无毒、不致癌、不致畸变、不引起人体细胞的突变和不良组织反应（安全性）；2.材料的生物相容性较好，不引起中毒、溶血、凝血、发热和过敏等现象（相容性）；3.材料具有与天然组织相适应的力学性能和可以满足不同使用条件或目的的特定功能（功能性）；4.具有良好的灭菌性能、加工性能等特，不会因加工或灭菌需要而破坏材料的使用性能或使应用受到限制（灭菌和加工性）；5.材料在组织体内具有较好的耐劣化、耐腐蚀、耐磨损和抗蠕变等性能（耐久性）。,1.2生物医用材料的定义及分类122生物医用材料的分类,生物医用材料的种类很多，通常情况下可以：一、按与活体组织的作用方式分类二、按材料的属性分类三、按材料的功能分类四、按材料的使用部位分类此外，还有许多分类的方法，天然生物材料、人工合成生物材料等。但是，我们主要是研究开发生物材料的，所以，上述的一和二是最主要的分类方法。,2生物医用材料的定义及分类122生物医用材料的分类,一、按与活体组织的作用方式分类：（1）生物惰性材料氧化铝、钛合金等属于这类材料。特点：在生物体内具有较好的化学稳定性、耐腐蚀性，几乎不发生化学反应的材料。生物组织虽然对其表现出一定的排异作用，并形成纤维包裹层将其与生物组织隔离，但是由于这些材料的溶出物极少，纤维包裹层不随时间的延长二增厚，而是逐渐减薄，并伴有钙盐的沉积。,1.2生物医用材料的定义及分类122生物医用材料的分类,一、按与活体组织的作用方式分类（2）生物活性材料羟基磷灰石、生物玻璃等无机材料属于生物活性材料。特点:其成分与骨组织中的无机盐类似，能迅速生成类骨质磷酸钙表面矿化层；材料与骨组织亲和性很好，界面新生骨细胞活跃，材料与骨组织能够形成稳定的结合界面。（是一类能够在材料界面上引发特殊生物反应的材料）,1.2生物医用材料的定义及分类122生物医用材料的分类,二、按材料的属性分类根据材料的组成和性质的不同，可以将生物医用材料分为医用无机材料、医用金属材料、医用高分子材料和医用复合材料。,1.2生物医用材料的定义及分类122生物医用材料的分类,（1）医用金属材料：属于生物惰性材料。这类材料都具有高的机械强度和抗疲劳性能，是临床上应用最广泛的承力植入体，除力学性能外，还最好应该具有优良的抗生理腐蚀和生物相容性。,已经用于临床的金属金属生物材料主要有不绣钢、钴基合金、钛及其合金等三大类（承重植入体）。此外，还有用于一些用于人工骨的内、问固定的配件、心血内科等的矫正器件（支架、起博器等）.问题点：（1）与组织的结合强度问题；（2）由生理腐蚀造成的金属离子向周围组织的扩散及其植入材料本身性能的蜕变（前者：毒性；后者：植入的失败）,（2）生物医用高分子材料指能够在医学上应用、尤其能够在机体内使用的高分子材料。本课程仅根据高分子的性质将其分成：（）非降解性生物高分子材料如：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。（大多为合成高分子材料）,非降解性生物高分子材料的特点：在生理环境中能长期保持一定的稳定性，基本上不会发生降解、交联或物理磨损等，并具有良好的力学性能。此类材料主要用于人体的软、硬组织的修复和制造人工器官、人造血管、接触镜和粘结剂等。,（2）降解性生物高分子材料主要是一些天然高分子材料，如：胶原、脂肪族聚酯、甲壳素、纤维素、聚氨基酸、聚乙烯醇等。特点：能够在生理环境中发生结构性的变化（分解，分子量的降低），且降解产物能够通过正常的新陈代谢被机体吸收或排出体外，主要用于药物缓释载体及非永久性的植入器件。,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。,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。,1.2生物医用材料的定义及分类122生物医用材料的分类,(3)生物医用复合材料指由两种或两种以上的物理性质不同的物质复合而成的生物医用材料。对于生物复合材料各相都必须具有良好的生物相容性。生物医用复合的目的就在于提高（或改善）现有单相材料的性能。,聚合物基体:低强度和弹性模量:用C纤维,玻璃纤维,聚合物纤维,或陶瓷相增强可提高强度和弹性模量压力由基体转移到高强的增强相中陶瓷基体:高强度和弹性模量但具有脆性:常加入增强相(通常是高强度陶瓷连续纤维,颗粒,或短纤维)改善脆性金属基:一些合金(如,Al,Ti)具有低硬度:高强陶瓷相的加入可提高硬度,性质取决于:增强相的含量(体积分数)复合物的性质是各成分的性质按体积分数的总和(混合规则)一些情况,几何取向而引起的相互作用使得复合物的性质大于各成分的性质按体积分数的总和增强相的尺寸(长/短纤维;小相对粗糙颗粒)增强相的形状(颗粒状,平板状,纤维状)增强相与基体的界面结合力聚合物和金属基体要求强界面结合力以实现应力传送陶瓷基体从提高轫性考虑要求弱的界面结合力,性质还取决于:增强相在基体中的分布随机分布将导致各向同性择优趋向将引起各向异性现象各向异性使得复合物的强度和硬度在某个方向得到提高的同时,另一方向被削弱.只有在承载方向明确的时候才考虑使用,复合物生物材料的应用,当前的主要应用牙齿填充复合物(前牙)聚合物(BIS-GMA)大致包含体积分数为50%的玻璃颗粒和圆锥形硅C-纤维增强PMMA骨水泥用于修复植入物的连接C-纤维增强UHMW聚合物用于关节替换C-纤维增强PTFE用于软组织修复,潜在性的应用：,羟基磷灰石颗粒增强PMMA用作骨头替代物羟基磷灰石颗粒增强PE用作修复植入物产生与骨头相匹配的性质给材料以生物活性且通过直接骨连接增强固定机械性能可降解玻璃或C纤维增强的PLA母体复合物用于断骨固定使得机械性能更接近于皮质骨;免去了第二次取出手术生物玻璃填充或镀膜的PLGA多孔物用于骨生长。,有关生物材料的镀膜、接枝等的研究目的及其技术进展（补充）,（1）块体生物材料表面镀膜或接枝的目的：块状材料的性质(物理的,机械的,等.)决定了所选用的生物材料的基本用途，然而，若在其表面通过镀膜或接枝等工艺技术则有望改变植入材料的生物反应。理论上，块体材料的表面修饰不会或很少会影响该材料的基本性能质或用途.,修饰或接枝的目标：,在保留生物材料的主要物理性能的前提下,对影响生物活性的最外层进行修饰材料的机械性能和功能不受影响；与组织接触的界面的生物相溶性得到提高和改善,表面修饰的原因,改善血液相溶性影响细胞附着和生长控制蛋白质的吸附改善不稳定性提高耐久性和抗腐蚀性改变传输性能改善电性能,生物学上比较重要的官能团,羟基OH羰基CO羧基COOH(酸“-“价)氨基NH2(基本“+”价)巯基,氢硫基SH(二硫化物连接形成)磷酸基PO3(酸“-“价)官能团之间的弱连接相互作用,(4)医用无机材料主要包括生物玻璃、生物陶瓷（磷酸钙陶瓷、微晶玻璃等）和碳素等无机材料。特点：这些材料在人体组织内要么具有较好的化学稳定性，没有毒副作用（生物惰性）；要么具有较好的组织亲和性和生物活性，具有与人体硬组织相似的矿物成分（生物活性）。,1.2生物医用材料的定义及分类122生物医用材料的分类,无机生物惰性材料包括：氧化铝、氧化锆、碳素材料等。这些材料中的分子键力较强，结构稳定，因而都具有较高的机械强度、耐磨性和化学稳定性。无机生物活性材料包括：羟基磷灰石（本身就是硬组织材料中的主要矿物质）、生物玻璃（生物微晶玻璃）。它们在生理环境的作用下，可以通过其表面发生的生物化学反应与生物体组织形成牢固的化学键结合（例如，45S玻璃）；也可以在生理环境下发生降解或吸收，并为新生组织所替代（例如，磷酸三钙陶瓷）。,1.2生物医用材料的定义及分类122生物医用材料的分类,三、按材料的功能分类：硬组织生物材料软组织生物材料血液系统生物材料组织工程支架生物材料药物载体生物材料可降解、吸收生物材料纳米生物材料介入治疗、诊断用生物材料-,1.2生物医用材料的定义及分类122生物医用材料的分类,四、按材料的使用部位或用途分类：口腔生物材料骨组织生物材料器官组织生物材料分离、透析膜材料生物医用检测材料,1.3无机生物材料的发展趋势,当代生物材料的发展不仅强调材料自身理化性能和生物安全性、可靠性的改善，而且更强调赋予其生物结构和生物功能，以使其在体内调动并发挥机体自我修复和完善的能力，重建或康复受损的人体组织或器官。结合有关研究文献和我们参加国际会议获得的信息，下面介绍无机生物医用材料发展趋势。,1.组织工程材料面临重大突破,组织工程是指应用生命科学与工程的原理和方法，构建一个生物装置，来维护、增进人体细胞和组织的生长，以恢复受损组织或器官的功能。生物材料在组织工程中占据非常重要的地位，同时组织工程也为生物材料提出问题和指明发展方向。,2.生物医用纳米材料初见端倪,当前对生物医用纳米材料的制备、结构与性能的研究已经引起了广泛的关注，但是在基础理论研究和应用开发等方面还有许多工作需要去做，未来的发展趋势主要有：,(1)纳米生物医用材料“部件”与纳米医用无机材料及晶体结构“部件”相结合，由纳米微电子控制的纳米机器人，尺寸比人体的红细胞小，这种纳米机械人可以直接打通脑血栓，清除心脏动脉的脂肪沉积物，也可以把多种功能的纳米微机器注入血管内，进行人体全身的检查和治疗；（2）药物制备成纳米尺寸，直接注射到病变部位，大大提高了医疗效果，减少了副作用，而其中的药物靶向