生物材料与组织工程VIP

第十六讲总复习,第1章绪论,什么是生物材料狭义：生物医用材料，即各种医用、特别是对生物体进行诊断、治疗、置换和增进某受损组织和器官的功能性材料广义：生物体材料和生物医用材料生物材料的三个发展阶段惰性生物材料生物材料的生物化组织工程材料生物材料的分类,第2章材料的基础知识,原子结合键范德华力主要由静电力、诱导力和色散力组成。没有方向性和饱和性。,色散力（LondonForces）:两个非极性分子，瞬时偶极矩诱导力（DebyeForces）:非极性分子与极性分子静电力（KeesomForces）:两极性分子，永久偶极矩,色散力（LondonForces）,诱导力（DebyeForces）,静电力（KeesomForces）,瞬间偶极矩,第2章材料的基础知识,晶体与非晶体晶体学上的几个基本概念空间点阵(阵点、晶格)、晶胞、晶格常数要掌握的晶系简单立方、面心立方、体心立方和密排六方,原子的排列方式,晶体原子排列：粒子(原子、离子或分子)在三维空间呈周期性的规则重复排列。特点各向异性：不同方向原子的排列方式不相同，因而其表现的性能也有差异固定的熔点：排列规律能保持时呈现固体，温度升高到某一特定值，排列方式的解体，原子成无规则堆积，这时大多呈现不能保持自己形状的液体。,原子的排列方式,非晶体原子排列：粒子(原子、离子或分子)的排列无序，或不存在长程的周期排列(0.11nm)。特点各向同性黏度为其力学性能的基本参数，能保持自己形状的为固体，不能保持自己形状的为液体；随温度的升高黏度减小，在液体和固体之间没有明显的温度界限。,材料的晶体结构,空间点阵：微粒（离子、原子或分子）在三维空间中有规则的、周期性重复的有规则排列。阵点：为了表达空间原子排列的几何规律，把晶体空间点阵中的几何点作为阵点，也称为结点。晶格：人为地将阵点用一系列相互平行的直线连接起来形成的三维空间几何格架。周期性,晶胞,晶胞：构成晶格的最基本单元选择条件1)充分反映整个空间点阵的对称性2)满足1)的基础上，具有尽可能多的直角3)满足1)和2)的基础上，晶胞体积要最小。晶格常数晶胞各边的长度a、b、c晶胞各边之间的相互夹角、,要掌握的晶系,BCC,FCC,HCP,第2章材料的基础知识,应力、应变的概念应力-应变曲线分析断裂性能表面性能表面张力、润湿、接触角,应力-应变关系曲线,比例极限，p弹性极限，e屈服强度，s抗拉强度(强度极限)，b断裂强度，k,从应用图中分析材料的强弱、硬脆性质,弹性模量,由于裂纹扩展导致力学性能失稳(断裂)几种断裂类型延性断裂：有明显塑性变形，永久变形脆性断裂：无或少量永久变形疲劳断裂：交变载荷，低应力脆性断裂蠕变断裂：恒应力下，变形不断发展,失稳(断裂),固体的润湿及接触角,接触角：指液体表面的切线和固体表面的切线所夹的角。,0完全润湿；090部分润湿；90180不润湿；180完全不润湿,第3章医用金属材料,合金的结构固溶体相图晶体缺陷点缺陷、线缺陷、面缺陷,合金的结构,由两种和两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成，具有金属特性。金属(主体)+其他组元(金属，非金属，化合物)合金中的相固溶体：溶质组元(金属或非金属)溶入溶剂组元(一般为金属)的晶格中-单相固体。金属间化合物(中间相),固溶体的分类,按位置分置换固溶体：溶质原子代替晶格中的某些溶剂原子间隙固溶体：溶质原子处于溶剂晶格的间隙中按溶解度分有限固溶体：溶质的溶解度有一定的限度无限固溶体：溶质可以按任意比例溶入溶剂晶格中按分布分有序固溶体：溶质原子在晶格中位置有序无序固溶体：溶质原子在晶格中位置随机,间隙固溶体与置换固溶体,间隙固溶体原子尺寸满足：D质/D剂0.59有限固溶体置换固溶体原子尺寸满足：(D剂-D质)/D剂0.15形成有限固溶体或无限固溶体,相图,用几何图解的方式来描述处于平衡状态下物质的成分、相和外界条件的相互关系,点缺陷,在三维尺度上都很小，不超过几个原子直径的缺陷。空位、间隙原子和置换原子肖脱基(Schottky)空位弗兰克尔(Frenkel)空位点阵或晶格畸变，提高了金属强度，降低了材料的塑性和韧性。,1、2空位3、4间隙原子5、6置换原子,线缺陷(位错，dislocation),二维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷刃型位错和螺旋位错两类位错的易动性,面缺陷,二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷主要出现在晶界和亚晶界处面缺陷能提高金属的强度和塑性,第4章医用陶瓷材料,陶瓷材料的结构晶相、玻璃相、气相陶瓷材料的机械性能弹性变形、塑性变形及蠕变、强度和断裂、硬度惰性生物陶瓷和生物活性陶瓷包括羟基磷灰石、生物活性玻璃和生物活性玻璃陶瓷,陶瓷材料的结构,多晶结构：由晶体相、玻璃相和气相组成晶相：主要组成相，是化合物或固溶体，决定陶瓷材料物理化学性质玻璃相：非晶态的低熔点固体降低陶瓷的强度、耐热耐火性和绝缘性气相：陶瓷孔隙中的气体降低陶瓷的强度；增大介电损耗，降低绝缘性；降低致密度，提高绝热性和抗振性,陶瓷材料的机械性能,陶瓷材料的弹性变形弹性模量大E值大，是金属材料的2倍以上。碳化物氮化物硼化物氧化物弹性模量呈方向性压缩模量高于拉伸弹性模量。陶瓷材料的塑性变形和蠕变室温下，绝大多数陶瓷材料塑性变形极小。1000以上，大多数陶瓷材料可发生塑性变形（主滑移系运动）陶瓷的超塑性(微晶超塑性)在常温下，陶瓷材料不会发生蠕变,陶瓷材料的机械性能,陶瓷材料的强度和断裂陶瓷材料的抗压强度高；抗拉强度和剪切强度低。脆性断裂以各种缺陷（表面或内部）为裂纹源，从最薄弱处裂纹扩展，瞬时脆断。陶瓷材料的硬度陶瓷材料的硬度一般很高，耐磨性远高于金属,第5章医用高分子材料,高分子材料的基本概念单体、链节、聚合度、均聚物、共聚物高聚物的分类聚合反应的分类高聚物的结构特点结构单元的连接顺序、结构单元的构型线型无定型高聚物的物理状态玻璃化温度、黏流温度静态黏弹性和动态黏弹性蠕变和应力松弛，滞后现象(概念和原因),基本概念,单体：能够形成结构单元的小分子(聚合成高分子化合物的低分子化合物)链节：组成高分子链的重复结构单元聚合度：高分子链所含链节的数目数均聚合度（Xn）：分子链的聚合度按分子数百分率进行统计平均所得的平均聚合度。重均聚合度（Xw）：分子链的聚合度按质量(重量)百分率进行统计平均得到的平均聚合度。均聚物(一种单体)，共聚物(两种或两种以上单体),高聚物的分类,根据化学组成和结构碳链、杂链和元素有机高聚物根据链的几何形状线型和体型高聚物根据高聚物的热行为及成型工艺特点热塑性和热固性高聚物根据人工合成反应加聚高分子和缩聚高分子,聚合反应的分类,根据单体和高聚物组成和结构上的变化加聚反应：单体加成而聚合起来的反应均聚反应(一种单体)和共聚反应(两种以上)缩聚反应：由一种或多种单体相互缩合生成高聚物，同时有低分子物质（如水、卤化氢、氮、醇等）析出的反应,聚合反应的分类,根据聚合机理或动力学,连锁反应,自由基聚合（聚乙烯）阳离子聚合（聚异丁烯）阴离子聚合（聚丁二烯）配位聚合（聚乙烯）,离子聚合,开环聚合（-己内酰胺）缩聚反应（涤纶、聚酰胺）逐步加聚反应（聚氨酯）聚加成反应（酚醛树脂）,逐步反应,连锁反应的特征,有活性中心(自由基、阳离子或阴离子)的参与并在瞬间完成由链引发、链增长、链终止等几步基元反应组成各步的反应速率和活化能差别很大体系中只有单体和聚合物组成，单体逐渐减少，聚合物的转化率提高反应的终止,逐步反应的特征,无所谓活性中心无明显几步基元反应组成各步的反应速率和活化能大致相等体系中由单体和中间产物组成两单体非等量比或温度降低，缩聚暂停,线型无定型高聚物的物理状态,玻璃态低于Tg时所处的状态分子链节或整个分子链无法产生运动，只有微小热振动，主要是链中的键长和键角变化受力时应力和应变成正比，弹性变形量较小（1%），变形可逆，有一定的刚度，硬性材料高聚物呈现如玻璃体状的固态所有常温下处于玻璃态的高聚物统称为塑料,线型无定型高聚物的物理状态,高弹态Tg-Tf之间所处的状态，又称为橡胶态链段可以进行热运动，链节可以较自由地旋转、伸展，但整个分子链不能移动。高弹态是高聚物所独有的罕见的一种物理状态，能产生很大形变(1000%)，并且变形可逆。所有常温下处于高弹态的高聚物统称为橡胶,线型无定型高聚物的物理状态,黏流态大于Tf时所处的状态以大分子整链为运动单位，分子链节可以自由地旋转，整个分子链也能自由移动成为能流动的粘液，比液态低分子化合物的粘度要大得多，产生不可逆的永久变形，又称为塑性态。黏流态是高聚物成型加工成制品的工艺状态。,第6章性能要求与安全性评价,生物相容性组织相容性的影响因素材料的结构、形状、表面粗糙程度、稳定性血液相容性的影响因素生物学评价标准医疗装置生物学评价系列国际标准(ISO10993)GB/T16886系列医疗器械生物学评价标准,生物相容性,生物体对材料产生反应的一种能力。组织相容性对周围组织无毒副作用，不诱发组织致畸和基因病变；组织不能对材料产生强烈的腐蚀作用和排斥反应血液相容性材料的抗凝血性以及材料不破坏血液成分或不改变血液生理环境的性能。,影响组织相容性的因素,材料的结构一般来说，相对分子质量大，分子量分布窄或有交联结构的材料，组织相容性较好材料的形状海绵状、纤维状等形状不易诱发恶性肿瘤片状容易诱发恶性肿瘤材料的表面粗糙程度表面平整光滑易引起炎症，使肿瘤潜伏期缩短表面粗糙促进细胞与材料黏合，肿瘤潜伏期延长材料的稳定性小分子物质的析出可作为抗原引起组织反应,影响血液相容性的因素,材料的表面物理特性(表面粗糙度)材料表面光洁度提高，有利于减少血栓的形成，粗糙程度过高的材料容易引起凝血。材料表面的电荷材料表面带有负电荷，可阻止细胞和蛋白的黏附，具有良好的血液相容性。,影响血液相容性的因素,材料表面的亲水性有利于细胞的生长，提高抗凝血作用材料的表面自由能材料表面自由能越低，抗凝血性越好。材料的微相分离结构材料表面有两种或两种以上的分子或基团形成不同的微相区,第7章生物材料表面的改性,生物材料表面改性的方法材料表面接枝改性等离子体技术离子束技术电化学沉积材料表面肝素化微相分离结构的形成材料表面生物化材料表面化学改性,第8章生物材料在医学中的应用,人工心脏与心脏瓣膜人工肾靶向给药系统,人工心脏和心脏瓣膜,人工心脏分为完全取代型人工心脏(TotalArtificialHearts,TAH)和心室辅助装置(VentricularAssistDevices,VAD)两种主要有生物瓣膜和机械瓣膜两大类生物瓣膜：主体用生物组织材料制成机械瓣膜：主体用非生物人工材料制成两类瓣膜的优缺点,生物瓣膜与机械瓣膜优缺点比较,生物瓣膜优点具有良好的流体力学特性生物相容性，优异的抗凝血性不需要进行抗凝血治疗缺点易发生钙化；耐久性较差，寿命仅812年；需再次手术置换。,生物瓣膜与机械瓣膜优缺点比较,机械瓣膜优点性能稳定，具有很好的耐久性使用寿命长，可达到3050年缺点血液相容性不够理想，血栓形成较明显；需终身服用抗凝药物。,人工肾,肾脏的功能：排出代谢产物人工肾的主要功能：血液净化除具备生物材料的基本条件之外，还要求材料对物质具有选择通透性人工肾的工作方式血液透析法血液过滤法血液透析过滤法血液灌注法血浆交换法,靶向给药系统,药物选择性地浓集于靶组织、靶器官、靶细胞或细胞内结构靶向方式被动靶向即自然靶向，药物以微粒给药系统为载体主动靶向表面经修饰后的药物微粒给药系统物理化学靶向用某些物理化学方法(磁、温度、pH)将药物传输到特定部位,组织工程,组织工程(TissueEngineering)概念：利用工程学和生命科学的基本原理，开发能恢复、维持或改善受损组织或器官功能的生物替代物。目标：利用细胞与生物支架材料的复合培养再生组织与器官，达到修复的目的。组织工程的核心：构建细胞与细胞支架结合的复合体,组织工程,组织工程实现的主要途径体外/细胞囊封化（细胞体系）体外合成（细胞与生物材料杂化体系）体内合成（只有生物降解材料的体系）,组织工程,组织工程的三大要素(关键技术)种子细胞(组织构成细胞的培养)生物材料支架(生物材料及构架制备)组织器官的形成和再生(生物组织工程化培养系统)支架材料必须具备的基本条件良好的生物相容性具有三维空间结构和高孔隙率有一定的机械强度和良好的可塑性，可加工成型材料的降解速度可调控良好的细胞亲和性易于消毒,纳米生物材料,纳米材料：是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级（1-100nm）的材料，它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。特点:尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子比例大纳米材料的基本效应表面效应、量子尺寸效应、体积效应、宏观量子隧道效应,纳米生物材料,表面效应：当粒子直径减少到纳米级，不仅引起表面原子数的迅速增加，而且纳米粒子的表面积、表面能都会迅速增加。即纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。量子尺寸效应金属费米能级附近的电子能级的准连