第八章--生物医用材料

第八章生物医学材料,生物医学材料(biomedicalmaterials)是用于与生命系统接触和发生相互作用，并能对其细胞、组织和器官进行诊断治疗、替换修复或诱导再生的一类天然或人工合成的特殊功能材料，亦称生物材料。,生物医学材料的基本特性及分类金属生物医学材料生物陶瓷生物医用高分子材料,替代损害的器官或组织；如人造心脏瓣膜、假牙、人工血管等；改善或恢复器官功能；如隐型眼镜、心脏起搏器等；用于治疗过程；如介入性治疗血管内支架、用于血液透析的薄膜、药物载体等,一、生物医学材料的用途,二、生物医学材料的基本要求,材料与机体组织发生的两种反应：,包括生物环境对材料的腐蚀、降解、磨损和性质退化，甚至破坏。,包括局部和全身反应，如炎症、细胞毒性、凝血、过敏、致癌、畸形和免疫反应等。,对人体无毒、无刺激、无致畸、致敏、致突变或致癌作用；生物相容性好，在体内不被排斥，无炎症，无慢性感染，种植体不致引起周围组织产生局部或全身性反应，最好能与骨形成化学结合，具有生物活性；无溶血、凝血反应等。,(一)生物相容性,(二)化学稳定性耐体液侵蚀，不产生有害降解产物；不产生吸水膨润、软化变质；自身不变化等。,(三)力学条件足够的静态强度，如抗弯、抗压、拉伸、剪切等；具有适当的弹性模量和硬度；耐疲劳、摩擦、磨损、有润滑性能。,(四)其它要求良好的空隙度，体液及软硬组织易于长入；易加工成形，使用操作方便；热稳定好，高温消毒不变质等性能。,三、生物医学材料的分类,按材料的物质属性划分：,按材料的用途进行分类：,不锈钢钴基合金钛基合金,（一）不锈钢,按显微组织的特点可分为:奥氏体不锈钢铁素体不锈钢马氏体不锈钢沉淀硬化型不锈钢等,表1几种主要的不锈钢的组成、性能和组织,铁素体和马氏体不锈钢的耐蚀性随含碳量的降低和含铬量的增加而提高。,3Cr13和4Crl3型马氏体不锈钢用于医疗器械，如刀、剪、制血钳、针头等。,00Cr18Ni10型奥氏体不锈钢可制作各种人工关节和骨折内固定器;在口腔科常用于镶牙、矫形和牙根种植等器件的制作。,不锈钢的医学应用：,（二）钴基合金,性能特点：钝化膜更稳定，耐蚀性更好，而且其耐磨性是所有医用金属材料中最好的，植入体内不会产生明显的组织反应。,表2几种主要的钴基合金的组成、性能和组织,口腔、骨板、骨钉、人工髋关节,CoCrMo合金,医用钴基合金更适用于体内承载条件苛刻的长期植入件。,（三）钛基合金,Ti为难熔稀有金属，熔点1762，密度小、比强度高；,Ti合金对人体毒性小，密度小，弹性模量接近于天然骨，是较佳的金属生物医学材料。,Ti合金的强度可达到很高的水平，比强度是不锈钢的3.5倍；,Ti与氧反应形成的氧化膜致密稳定，有很好的钝化作用，具有很强的耐蚀性。在生理环境下，Ti合金的均匀腐蚀很小，不会发生点蚀、缝隙腐蚀和晶间腐蚀。Ti合金的磨损与应力腐蚀较明显。,882.5,优良的塑性，易加工,表3几种主要的Ti基合金的组成与性能,EL1Ti6Al4V钛基合金制作的骨钉和骨板,钛基合金的医学应用：,广泛用于制作各种人工关节、牙床、人工心脏瓣膜、头盖骨修复等方面。,生物陶瓷主要是用于人体硬组织修复和重建的生物医学陶瓷材料。,生物陶瓷的类型和特点惰性生物陶瓷材料可吸收生物材料生物活性陶瓷可治疗癌症的生物陶瓷,生物陶瓷,活性生物陶瓷：,可被吸收的生物降解陶瓷：,在生物体内与组织几乎不发生反应或反应很小。如：氧化铝陶瓷、碳、氧化锆陶瓷、氮化硅陶瓷等。,在生理环境下与组织界面发生作用，形成化学键结合。如：羟基磷灰石等陶瓷及生物活性玻璃，生物活性微晶玻璃。,在生物体内可被逐渐降解，被骨组织吸收，是一种骨的重建材料。如：磷酸三钙等。,惰性生物陶瓷：,表4各类生物医用材料性能比较,(一)氧化铝陶瓷优点：生物相容性良好，在人体内稳定性高，机械强度较大。,惰性生物陶瓷材料,缺点：与骨不发生化学结合，长时间后与骨的固定会发生松弛；机械强度不高；杨氏模量过高(380GPa)；摩擦系数、磨耗速度较大。,措施：采用多孔氧化铝把氧化铝陶瓷制成多孔质形态，使骨组织长入其孔隙而使植入体固定，保证植入物与骨头的良好结合。,改善：将金属与氧化铝复合在金属表面形成多孔性氧化铝薄层,缺点：降低陶瓷的机械强度，多孔氧化铝陶瓷的强度随空隙率的增加而急剧降低。只能用于不负重或负重轻的部位。,(二)碳素材料(玻璃碳材、热解碳、低温气相沉积碳)优点：质轻且具有良好的润滑性和抗疲劳特性；弹性模量和致密度与人骨大致相同；生物相容性好，特别是抗凝血性佳，与血细胞中的元素相容性极好，不影响血浆中的蛋白质和酶的活性。在人体内不发生反应和溶解，生物亲和性良好，耐蚀，对人体组织的力学刺激小。,三种主要类型的碳素材料：1)玻璃碳材：通过加热预先成型的固态聚合物使易挥发组分挥发掉而制得。,玻璃碳制品,特点：密度低，耐磨性和化学稳定性好，但强度与韧性较低，只能用于力学性能要求不高的场合。,2)热解碳(LTI碳)：将甲烷、丙烷等碳氢化合物通入硫化床中，在1000-2400热解、沉积而得。沉积层的厚度一般为1mm。,3)低温气相沉积碳(ULTI碳)：用电弧等离子体溅射或电子束加热碳源制取的各向同性的碳薄膜，其膜厚一般在1m左右。,特点：高密度和高强度，但仅作为薄的涂层材料使用。UTLI涂层与金属的结合强度高，涂层的耐磨性良好，成为制造人工机械心脏瓣膜的理想材料。,可吸收生物陶瓷,降解效应植人人体后材料逐渐被吸收，同时新生骨逐渐长入而替代之，该效应称为降解效应。具有降解效应的陶瓷材料可吸收生物陶瓷。,主要应用：脸部和额部的骨缺损，填补牙周的空洞，还可作为药物的载体。,石膏石膏的相容性虽好，但吸收速度太快，通常在新骨未长成就消耗殆尽而造成塌陷。,-磷酸三钙化学式为Ca3(PO4)2，简称-TCP。,-TCP的降解过程一般主要分为以下几个方面:材料的晶界被侵蚀，使其变成粒子被吸收。材料天然溶解形成新的表面相。新陈代谢的因素，如吞噬细胞的作用，导致材料的降解吸收。,生物活性陶瓷,各种生物活性玻璃及羟基磷灰石等磷酸盐材料。,1、羟基磷灰石：分子式为Ca10(PO4)6(OH)2，简称HA。因为HA占人体骨组成的70-97，所以修复骨组织HA较金属和聚合物具有更好的效果：HA植入骨组织后，通过外延生长和骨产生牢固的化学键结合，即骨性结合。,生物活性陶瓷的突出特点：随着修复时间的延长，种植体表面形成与骨组织能够化学键结合的生物羟基磷灰石(HCA)。,HCA在化学组成和微观结构上与骨的无机组成相同，HCA结合层能阻挡种植体材料被腐蚀，具有极好的耐久力和抗疲劳性能，从而在与骨的界面结合中发挥作用。,化学式(Ca,M)10(PO4,Co3,X)6(OH,F,Cl)2M:Mg,Na,K或Sr,Pb,BaX:HPO42-,SO42-,硼酸盐等,羟基磷灰石生物陶瓷,羟基磷灰石涂层钛基牙种植体,2、生物活性玻璃(生物活性微晶玻璃)：是含有磷灰石微晶相的陶瓷材料。Na2O-CaO-SiO2-P2O5系列玻璃能与自然骨形成化学键结合，这是首次发现人造材料能与自然骨形成键结合。在临床实践上，生物玻璃已成功地用于做听骨、胯骨脊椎及骨的填充物。,生物活性材料的本质：通过磷灰石层与骨结合人造磷灰石与生物骨的磷灰石的结构较为相近，使新生骨与生物活性陶瓷材料直接相连，当骨内的磷灰石与种植体表面磷灰石直接接触时，两者形成化学键，从而减少了生命材料与非生命材料之间的界面能，使界面结合良好。,可治疗癌症的生物陶瓷,如：由LiFe3O5和a-Fe2O3与Al2O5-SiO2-P2O5玻璃体复合材料制得的高密度玻璃，具有热磁性。,具有耐腐蚀又能发射射线的生物陶瓷也可用于治疗癌症。如：Al2O5-SiO2-P2O5玻璃体复合材料，可以被激发或发射射线。,生物医用高分子材料用于生物体或治疗过程的高分子材料。,表5常见的可生物降解聚合物,优点：强度与硬度较低，作软组织替代物的优势是金属和陶瓷不能比拟的；不发生生理腐蚀；高分子材料易于成型。,缺点：易于发生老化，可能会因体液或血液中的多种离子、蛋白质和酶的作用而导致聚合物断链、降解；抗磨损、蠕变等性能也不如金属材料。,一、用于药物释放的高分子材料,(一)药物的控制释放体系(Drugdeliverysystem，DDS)是指能够在固定的时间内，按照预定的方向向体内或体内某部位释放药物，并且在一段时间内使药物的浓度维持在一定的水平。,一般给药方式和控释药物方式的药物浓度与时间的差别：,药物释放的方式有多种，常见的有储存器型DDS基材型DDS,储存器型DDS：是将药物微粒包裹在高分子膜材里，药物微粒的大小可根据使用的目的调整，粒径可从微米到纳米。,基材型DDS：是将药物包埋于高分子基材中，此时药物的释放速率和释放分布可通过基材的形状、药物在基材中的分布以及高分子材料的化学、物理和生物学特性控制。例如：通过聚合物的溶胀、溶解和生物降解过程可控释在基材内的药物。,(二)用于药物释放体系的高分子材料,水凝胶生物降解聚合物脂质体等,水凝胶是制备DDS的重要材料。常见的水凝胶有：聚甲基丙烯酸羟乙酯、聚乙烯醇、聚环氧乙烷或聚乙二醇等合成材料及一些天然水凝胶、如明胶、纤维素衍生物、海藻酸盐等。,特点：生物相容性好，孔隙分布可控，能实现溶涨控制释放机理。,生物降解聚合物有天然高分子(如多糖和蛋白质等)可为酶或微生物降解，而合成高分子的降解是由可水解键的断裂而进行的。不同的可生物降解聚合物的降解速度不同，因此，可方便的控制药物释放的时间。,脂质体主要是由卵磷脂的单分子壳富集组成的高度有序装配体。,在水中，脂质双分子膜闭合成装配体，形成脂质体，其结构与生体膜类似。在脂质体内部，脂质分子的疏水性长链富集，可内包各种低极性物质；在脂质体表面，脂质分子的亲水基富集。利用脂质双分子膜的外层和内层性质不同，可用来控释各种生理活性物质。,因脂质体可生物降解，易于制备，且能负载许多脂质和水溶性药物，固脂质体是有效的药物载体。如：毒性大而不能大剂量应用的抗生物质二性霉素，用脂质体作为载体时，能大幅度减少其副作用。,(三)用于人工器官和植入体的高分子材料,如：用医用高分子材料制成的人工心脏(又称人工心脏辅助装置)可在一定时间内代替自然心脏的功能，成为心脏移植前的一项过渡性措施。如：人工肾可维持肾病患者几十年的生命，病人只需每周去医院2-3次，利用人工肾将体内代谢毒物排出体外就可以维持正常人的活动与生活。,如：用有机玻璃修补损伤的颅骨已得到广泛采用；用高分子材料制成的隐形眼镜片，既矫正了视力又美观方便。如：用可降解的高分子材料制作的骨折内固定器植人体内后不需再取出，这可使患者避免二次手术的痛苦。,表6医用塑料材料的应用,各种生物陶瓷在临床上的应用：1)能承受负载的矫形材料，用在骨科、牙科及颌面上如：Al2O3陶瓷、稳定ZrO2陶瓷、具有生物活性的表面涂层(生物微晶玻璃、生物活性玻璃)的相应材料等,2)种植齿、牙齿增高如：Al2O3陶瓷、氟聚合物金属基复合材料、生物活性玻璃、自固化磷酸盐水泥和玻璃水泥、活性涂层材料等,3)耳鼻喉代用材料如：Al2O