生物材料复习

生物材料复习课,第一章绪论,1什么是生物材料？一种可用于医学目的且并不与生命系统发生有害反应的非生命性材料。2生物材料的分类和实例：1）按材料的生物性能分：(1)生物惰性材料(2)生物活性材料(3)生物降解材料(4)生物复合材料2）按照材料的结构属性分类：(1)生物医用金属材料(2)生物医用高分子材料(3)生物医用无机非金属材料或陶瓷材料(4)生物衍生材料,3.骨折的自然修复机理,骨组织再生能力较强。通常认为长骨单纯性骨折愈合可分为三个时期，即急性炎症期，修复期和重建期。,(1)急性炎症期,形成血肿，巨噬细胞、血小板和白细胞的活动增加，骨折区的生化反应加快。组成网架，吸收血块，形成纤维细胞，在骨折部位产生肉芽组织。,(2)修复期,形成骨小梁；同时骨外膜内层的骨细胞也分化成软骨细胞，成软骨细胞在骨外膜上形成软骨。,(3)重建期,骨痂形成,骨修复进入塑型阶段或骨痂改造阶段。通过血管的作用，破骨细胞与成骨细胞同时进行骨移除与骨代替。,第二章材料基础知识,1固体材料金属、陶瓷、高分子的性能与化学键的关系1）.金属材料绝大多数金属材料的结合键是金属键，少数具有共价键和离子键。以金属键结合为主,良好的导电性、导热性、延展性和金属光泽,用量最大、应用范围最广泛。2）.陶瓷材料陶瓷材料的结合键是离子键和共价键，大部分材料以离子键为主。熔点高、硬度高、耐腐蚀、脆性大。可分为传统陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷等。3）.高分子材料高分子材料的结合键是共价键和分子键，即分子内靠共价键结合，分子间靠分子键结合。具有塑性、耐蚀性、电绝缘性、减振性好，密度小等优点。包括塑料、橡胶及合成纤维等。,2力学性能包括：1）变形性能：以应力应变关系来反映材料的弹性、粘性、粘弹性等性状2）断裂性能：反映材料的机械破坏程度和断裂类型3.低碳钢拉伸试验：应力应变关系图四个不同的变形阶段:,(1)、弹性阶段,(2)、屈服阶段,(3)、强化阶段,(4)、局部变形阶段,比例极限、弹性极限、屈服极限、强度极限,4.普弹性材料与高弹性材料,高弹性材料的表现是，在外力作用下具有较大的弹性变形，最高可达1000%，除去外力后变形很快恢复，而具有普弹性的金属材料变形只有约1%。,5.粘弹性：实际物体在外力作用下，材料的变形性质介于弹性和粘性之间。描述粘弹性的模型：1）Maxwell模型用于描述应力松弛现象2）Voiget模型用于描述蠕变应力松弛现象：粘弹性材料在总应变不变的条件下，由于试样内部的粘性应变分量随时间不断增长，使回弹应变分量随时间逐渐降低，从而导致变形恢复力随时间逐渐降低的现象。蠕变现象：材料（金属）在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象，叫蠕变。,6.断裂性能：断裂：是材料在某一临界值的作用下，分裂成两部分或几部分，即材料产生破坏的现象。断裂过程：裂缝的引发、扩展、断裂断裂的原因：热分解、环境腐蚀、强力等断裂的分类：1）延性断裂2）脆性断裂3）疲劳断裂4）蠕变断裂,7.人骨的机械性质,骨的机械应力包括压应力、张应力和弯曲应力。,从骨的构型上看：(1)胶原纤维均沿长度方向定向排布的骨单位抗张强度较高；(2)胶原纤维均横向排列的骨单位抗压强度较高；(3)各骨板层中的胶原纤维横向、纵向交替排列的骨单位抗压强度较好，特别是具有良好的抗弯强度。,从骨的力学角度看：,骨尤如一种复合材料，由两种交织在一起的纤维弥散在柔软蛋白质和脂肪基体中。一种纤维化学上属于有机质胶原，纤维长度大约为300nm；另一种纤维是由连续连结的长针状羟基磷灰石晶体所组成，此针状晶体直径27nm，长度100nm以上，是胶原物质长度的三分之一，是骨的矿物成分。,8.熔解热：单位质量的晶体在完全融解为同温度液体的过程中从外界吸收的热量称为晶体在该熔点下的熔解热。9.热传导实质由大量物质的分子热运动互相撞击，而使能量从物体的高温部分传至低温部分，或由高温物体传给低温物体的过程。,第三章金属材料,1.纯金属不宜作为生物材料，合金应用广泛。合金：是由一种金属跟其他一种或几种金属（或金属跟非金属）一起熔合而成的具有金属特性的物质。2.固溶体：溶质组元（金属或非金属）溶入溶剂组元（一般为金属元素）的晶格中所形成的单相固体称固溶体。3.固溶强化：不论溶质原子比溶剂原子大或小，所形成的固溶体都会引起晶格畸变，使晶体处于高能状态，提高合金的强度和硬度。4.金属化合物：由不同组元形成的合金，在超过固溶体的溶解极限时，形成不同于各组元晶体结构的具有金属性质的新相。,5.典型的医用金属材料类型及特点不锈钢：316L不锈钢是制作医用人工关节比较廉价的常用金属材料，易加工、价格低廉。主要用作关节柄和关节头材料。钴（Co）基合金：具有极为优异的耐腐蚀性（比不锈钢高40倍）和耐磨性，综合力学性能和生物相容性良好，其价格较高，加工困难，应用尚不普及。钛（Ti）基合金：质轻、比强度高、力学性质接近人骨、耐疲劳、耐蚀性均优于不锈钢和钴基合金，且生物相容性和表面活性好，是较为理想的一种植入材料。抗断裂强度较低，耐磨性能不尽人意，加工困难。冶炼及成型工艺复杂，要求条件较高。形状记忆合金：奇特的形状记忆功能、质轻、磁性微弱、强度较高、耐疲劳性能、高回弹性和生物相容性好等。如Ti-Ni合金。贵金属：Au,Pt,Ag,Cu等，主要用于口腔科的齿科修复，也可用于小型植入式电子医疗器械。,6.生物金属材料普遍存在的问题：种植体与骨弹性模量之间的不匹配，使得载荷不能由种植体很好地传递到相邻骨组织，出现“应力屏蔽”现象，从而导致种植体周围出现骨吸收，最终引起种植体松动或断裂，造成种植失败。,第四章医用陶瓷,1陶瓷的相组成：气孔、晶相、非晶相。2生物陶瓷材料：作为一种无机生物医学材料，与生物组织具有良好的相容性和优异的亲和性，稳定的物理化学性质，可灭菌性及无毒性等优点，越来越受到人们的重视。主要包括高密度氧化铝(a-Al2O3)、羟基磷灰石(HA)、磷酸三钙(TCP)、生物活性玻璃等.,3.医用生物陶瓷的主要类型、特点及典型实例1）生物惰性陶瓷：分子结合键较强，结构比较稳定，具有较高的机械强度，耐磨性，化学稳定性好，不易降解，植入体内基本不产生化学反应。与组织间的结合方式：组织长入粗糙不平的表面，形成不紧密的机械嵌合，存在微小滑动的可能，造成植入体的磨损。如：Al2O3,ZrO22）生物活性陶瓷：材料中含有能通过人体新陈代谢途径置换的Ca,P等元素，或含有能与人体组织发生键合的OH-，它们可以与人体组织发生键合，从而形成骨性界面结合，其有骨引导作用，可促进骨缺陷的修复和重建。如：羟基磷灰石，生物活性玻璃,3）生物降解陶瓷：被植入人体后，能够不断发生分解，形成的分解产物又可参与机体的新陈代谢，最终被基体组织吸收或排除体外的一类生物陶瓷。具有良好的生物相容性和生物降解性，并可诱导机体骨组织的生长。如：磷酸三钙、珊瑚等4）生物陶瓷复合材料：兼有两种或两种以上单组分材料的特性，具有可调性，通过选择合适的复合组分或结构，提高其性能。如：金属/磷酸钙复合材料，陶瓷/陶瓷复合材料,第五章医用高分子,1典型的人工合成高分子及其特点PE,PVC,PTFE,PMMA,PP,PET等,聚乳酸，聚羟基乙酸，尼龙,缝线,缩醛，聚乙烯，聚氨酯,心脏起搏器，除颤器,聚酯，聚四氟乙烯，聚氯乙烯,血管,眼科,水凝胶,聚甲基硅氧烷,聚氨酯,面部修复,2典型的天然高分子及其特点胶原，甲壳素和壳聚糖，海藻酸钠，纤维蛋白等胶原可以用于制造止血海绵、创伤辅料、人工皮肤、手术缝合线、组织工程基质等。明胶可以制成多种医用制品，如膜、管等。纤维蛋白粉可用作止血粉、创伤辅料、骨填充剂等。纤维蛋白飞沫，适于用作止血材料和手术填充材料。纤维蛋白膜在外科手术中用作硬脑膜置换、神经套管等。甲壳素可用于制造吸收型手术缝合线，还具有促进伤口愈合的功能，可用作伤口包扎材料及良好的人造皮肤材料。,第六章生物相容性及安全性评价,1.生物相容性：生物材料与生理环境不发生任何有害反应，或生物材料为生理环境所完全接受。2.生物相容性又可分为组织相容性和血液相容性两种。组织相容性：是指材料与组织器官接触时，不能被组织液所侵蚀，材料与组织之间应有一种亲和能力。血液相容性：指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。3.血液与生物材料接触时，材料吸附的血浆蛋白质种类与抗血栓性能的关系。,4.生物相容性试验一般包括：细胞相容性试验：在培养细胞上进行，观察细胞的局部和总体毒性。,组织相容性试验：局部毒性、外围组织诱发的毒性、异位影响、周围组织的反应以及材料产生的过敏性、易感染性、致癌性等,检测方法举例：pH值测定法；氨基检测法；蛋白吸附法；体外细胞培养法。5.