生物材料简况及发展趋势

生物材料简况及发展趋势,一、定义,生物材料：生物材料的定义很多，一般是指生物医学材料，在不同的历史时期，生物材料被赋予了不同的意义，其定义是随着生命科学和材料科学的不断发展而演变的，归纳起来可理解为它是一类用于人工器官、修复、理疗康复、诊断、检查、治疗疾病等医疗保健领域，对人体组织、血液不致产生不良影响的功能材料。,二、分类,（1）按材料的来源分类：人体自身组织（克隆）；同种器官与组织；异种同类器官与组织；天然生物材料的提取与改性；合成材料；（2）按材料的性质分类：高分子材料；金属材料；无机非金属材料；天然材料；（3）按材料的应用分类：硬组织材料；软组织材料；心血管材料；血液代用材料；分离、过滤、透析膜材料；（4）按材料的使用要求分类：非植入性材料和制品；植入性材料和制品；血液接触材料和制品；非降解和可吸收性材料和制品。,三、生物材料简状,1、渊源自人类认识了解材料起，就有了生物材料端倪。早在公元前3500年，古埃及人就利用棉花纤维、马鬃做缝合线；16世纪开始用黄金板修复颚骨，陶材做齿根；用金属固定内骨板以及用金属种植牙齿等。随着医学以及材料学的发展，尤其是新型材料的研究开发成功，如20世纪40年代高分子材料的大力发展，为生物材料的研究与应用提供了极大的发展机会。,2、发展过程包括三个阶段：,（1）惰性生物材料，即材料与组织细胞无界面作用；包括氧化物陶瓷、玻璃陶瓷、Si3N4陶瓷、医用碳素材料、医用金属材料；（2）生物材料的生物化，即材料与组织细胞亲和性改善，关注界面间的相互作用；包括羟基磷灰石、磷酸钙生物活性材料、磁性材料、生物玻璃；（3）组织工程支架材料，不仅关注材料与组织细胞的亲和性，还关注材料本身的成型、力学性能和降解能力。,3、世界生物材料大会自八十年代以来，在研究、应用和产品开发方面均取得了引人注目的进展。为加强世界范围的合作和交流，加拿大、欧洲、日本和美国生物材料学会决定每四年联合召开一次世界生物材料大会，大会代表着国际上生物材料研究的发展动态和目前的水平。第十次大会今年于成都举行，交流内容涉及生物医学材料、医用植入体和人工器官、组织工程。,4、生物材料已取得的成绩,现在，生物材料科学已成为一门与人类现代医疗保健系统密切相关的边缘学科。其重要性不仅因为它与人类自身密切相关，还因为它跨越了材料、医学、物理、生物化学和现代高科技等诸多学科领域。现在对于该材料的研究已从被动地适应生物环境发展到有目的地设计材料，以达到与生物组织的有机连接。目前关于生物材料性能评价的研究主要集中在生物相容性方面，已形成共识，生物相容性包括两大原则，一是生物安全性原则，二是生物功能性原则。前者是要满足的首要性能，目前已形成了从细胞水平到整体动物的较完整的评价框架。,5、生物材料应用具体实例,（1）韩国亚洲大学全球第一个开发出用于关节炎治疗的生物材料，所开发的生物材料是按照薄膜形态制造的用于治疗软骨损伤的移植材料，较已有产品更薄，便于移植到关节内部并与软骨细胞相容，将大幅提高目前为软骨再生所作的骨髓刺激手术的成功率。,（2）利用餐厨垃圾含有丰富营养物质的特点，以餐厨垃圾的乳酸发酵液为原料，利用催化剂的作用从乳酸发酵液中制备提取乳酸脂，以乳酸脂通过熔融/固相聚合直接合成聚乳酸，聚乳酸即为可生物降解的高分子材料。在各种可生物降解材料中，聚乳酸由于无毒、无刺激性、生物相容性好，降解产物可参与人体的新陈代谢等优点，成为研究热点。,（3）生物陶瓷材料：磷酸钙陶瓷能生物降解，由于物理化学溶解，在不同的条件下，会形成磷酸氢二钙、磷酸四钙、非晶磷酸钙和阴离子置换的羟基磷灰石陶瓷等新的表面相，晶界处的化学侵蚀，使之分裂成小的颗粒。羟基磷灰石与聚合物复合用于人造骨，效果更好，现已有聚乙烯与它复合的材料，作为金属种植体表面涂层，能大大提高长入孔洞的速度。,（4）环保污水处理设备-低碳双模生物净水装备过滤膜；（5）天然高分子生物材料-胶原蛋白集中用于可吸收外科缝合线、药物释放的载体、人工皮、透析膜、止血剂、水凝胶、隐形眼镜和医用组织引导再生材料等；（6）医用金属材料广泛用作承力植入材料，已成为骨、牙齿和人工种植体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；（7）采用玻璃与陶瓷综合工艺，制成人工脊椎、髂骨等修复体，是已知最坚固的玻璃陶瓷修复物。,四、生物材料研究存在的问题,生物材料的发展至少还存在二个难题。其一，对生物材料的理化功能及人体对材料的反应没有完全了解，因而有关聚合物特性、计算机科学及细胞分子生物学方面的进展对生物材料的研究将起到重要作用；二是许多生物材料的效果还不尽人意。医用生物材料的发展面临着一个重要挑战，就是要在对材料的生物学、化学和工程学要求进行系统评价的基础上，实现合理的设计。,五、生物材料的发展趋势,1、概述生物材料的临床应用已从短期的替换和填充发展成永久性牢固种植，并与其它高科技（如电子技术、信息处理技术）相结合，制备富有应用潜力的医疗器械。生物材料的研究在世界各国也日益受到重视。,2、我国生物材料发展战略,近中期战略目标应集中在两方面：一方面跟踪国际前沿研究使我国的某些生物材料研究，例如带有活性的可降解材料组织工程、支架材料、纳米生物材料处于国际先进水平开发出具有独立自主产权的一批新产品进入临床；使用另一方面是提高现有量大面广的生物材料，产品质量和降低价格大幅度提高国内市场占有率，并进入县乡社区医院提高广大农村的诊断和治疗水平，在这方面应发挥企业的积极性。,3、生物材料发展方向,(1)具有主动诱导、激发人体组织和器官再生修复功能的，能参与人体能量和物质交换产生相互结合的功能性活性生物材料；(2)把生物陶瓷与高分子聚合物或生物玻璃进行二元或多元复合，制备接近人体骨真实情况的骨修复或替代材料；(3)接近天然人骨形态的、纳微米相结合的、用于承重的、多孔型；(4)能够延长药效时间、提高药物效率和稳定性、减少用量及对机体的毒副作用的药物传递材料；(5)血液相容性人工脏器材料；(6)如何能够制备出纳米尺寸的生物材料的工艺以及纳米生物材料本身；(7)关于生物材料的综合评价技术的研究。,六、生物材料应用中的电化学过程,1、概述金属植入物与有机体的亲和性、生物相容性往往较差，在体液中存在材料腐蚀等问题。因此，除近一步优化材料的整体性能外，必须通过表面涂层、离子注入等技术处理。近年来，随着涂层技术的不断发展，电化学沉积法、浸渍-热解法、水热处理法不断出现，它已成为金属基生物复合材料研究的一个重要方向，涂层材料的研究已从生物惰性涂层发展到生物活性材料以及非氧化涂层材料。,2、表面改性技术,由于植入材料与人体的相互作用仅在表面的几个原子层处，故表面改性技术应运而生。表面改性技术是通过对金属材料的表面改性，从而达到改善材料性能的目的。国内外学者认为表面改性技术主要分为三大类：物理化学方法、形态学方法、生物化学方法。,（1）物理化学方法是改善金属生物材料表面性能的主要方法，它可分为2类：表面层积钙磷层法、离子注入法。表面层积钙磷层法又可分为等离子喷涂法、脉冲激光融敷、离子溅射、喷砂法、电结晶法、化学法；,离子注入法与其他表面改性方法相比，具有以下优点：离子注入过程是非热平衡过程，不受冶金学规律的限制，可以将任何元素原子加速注入任何材料之中；离子注入过程是低温过程，不会引发金属靶材料内部结构、成分和外部形状的变化；同时离子注入法又是一种高度可控技术，通过控制注入能量与注入剂量可以准确地控制靶材料的注入浓度、梯度和注入深度。,离子注入对腐蚀的影响原因：a、在表面形成稳态和亚稳态合金；b、非金属注入可在金属表面形成化合物，其中一些化合物对改进金属的耐腐蚀性起到重要作用；c、注入金属材料表面的高能离子，将与金属表面原子发生碰撞，从而损伤原有晶格结构，使金属表面形成非晶态、无晶界的表面层，降低材料在电解质溶液中的钝化电势和临界电流密度，影响阳极氧化过程，从而降低材料被腐蚀的速度，提高抗腐蚀能力。离子注入对大气腐蚀有抑制作用，原因是离子注入的金属表面上形成了注入元素的饱和层，阻止金属表面吸附其它气体，所以提高了金属耐大气腐蚀性能。,（2）形态学方法则是在不改变金属基体表层的化学组成的情况下，将其直接植入生物体内，从而达到对生物体组织在其上的粘附、生长以及粘附强度产生重要影响。（3）生物化学方法是近年发展起来的一项较新的技术。该方法认为将具有生物活性的物质，如大分子蛋白质或酶等有机高分子直接附着在金属基体，使其具有更优良的生物活性。,3、具体实例,（1）在铁基片上注入Ar十、Cr十、Ta十等离子，从电化学方面分析它的腐蚀性。实验表明：注入Ta+的试片在pH二7.2的醋酸钠-醋酸缓冲溶液中，耐腐蚀性能得到提高；注人Ar+的试片耐腐蚀性能提高不太明显；注人Cr十的试片耐腐蚀性也能得到提高。（2）医用纯镁经热处理，使纯镁试样表面生成结合良好的致密MgO层，采用以饱和甘汞电极作参考电极，铂电