人工材料和人工器官 1

生物材料和人工器官，主要内容是生物医学材料的定义、发展的基本要求分类和人工器官人工肾人工肝人工肺、生物医学材料，定义：生物材料即生物医学材料(BiomedicalMaterials )，是指“为了医疗目的，与组织接触形成功能的无生命材料”。 它是生物医学科学中最新的分支学科，是生物、医学、化学和材料科学交叉形成的边缘学科。 生物材料是开发人工器官和重要医疗技术的物质基础，各种新生物材料的发现引起了人工器官和医疗技术的飞跃。 生物材料的发展概况，3500年前，古埃及人以棉纤维、马毛为缝合线开始缝合伤口的印第安人用木片修补受伤的颅骨。 2500年前，在中国和埃及的墓葬中发现了假牙、假鼻和假耳。 人自古以来就用钱修复了缺损的牙齿，一直走到现在。 从16世纪开始，用金属板修复颚骨，用陶材做牙根，用金属固定内骨板，用金属种牙等。 生物材料的发展概况，生物医学材料2010年的世界市场规模达到320亿2010万美元。 西方国家医学消费的生物材料每年以10%20%的速度增加，我国也以约20%的速度急速增加。 我国生物医疗材料产业取得了很大进步，但产品结构不合理，细分度低，一般以传统和初级产品占多数，高端产品以进口为主的研究仍以仿制为主，从事缺乏真正自主技术创新产品的生物医学材料较少的生物医学材料主要原材料也依赖进口。 生物医学材料的基本要求，材料和生物组织发生的两种反应：生物环境对材料的腐蚀、分解、磨损和性质的退化，以及破坏。 包括炎症、细胞毒性、凝血、过敏、致癌、畸形、免疫反应等局部和全身反应。 生物医学材料的基本要求是： (1)生物相容性对人体无毒、无刺激、畸形、致敏、无突变、致癌作用生物相容性好，体内无排斥、无炎症、无慢性感染，植入物对周围组织无局部或全身反应，与骨骼化学结合，希望具有生物活性溶血、凝血生物医学材料的基本要求是： (二)化学稳定性耐体液侵蚀，不产生有害的分解产物不产生吸水膨胀、软化变质自身不变化等。 (3)力学条件弯曲、抗压、拉伸、剪切等充分的静态强度具有适度的弹性模量和硬度具有抗疲劳、摩擦、磨损、润滑性能。 生物医学材料的基本要求，(4)其他要求良好的孔隙度，体液和硬软组织容易生长加工成形，使用方便热量稳定，高温消毒不变质等性能。 材料在生物体内的反应材料反应，生物体作用于生物体材料材料反应，结果导致材料结构的破坏和性质的变化而丧失功能。 金属腐蚀聚合物的分解磨损、金属腐蚀、生物体内的腐蚀环境： (1)含盐溶液是优良的电解质，促进电化学腐蚀和水解；(2)组织中存在许多具有催化或迅速破坏外来成分能力的分子和细胞。 局部腐蚀较多，具体包括应力腐蚀裂纹、点蚀、晶粒间腐蚀、腐蚀疲劳及间隙腐蚀等，破坏整个生物材料。 物质溶入生物组织，对生物组织产生毒性反应，有可能造成组织损害。 聚合物的分解在长期使用过程中受到氧、热、紫外线、机械、水蒸气、酸碱、微生物等的影响，逐渐失去弹性，破裂、变硬、变脆、发粘、变色等，使物理机械性能恶化。 容易引起聚合物劣化的碎片、粒子、小分子量单体物质。耐久性器件必须保持一定的强度和其他机械性能，老化产物不能对周围的组织产生毒害作用。 磨损、人工关节表面易氧化，产生TiO2，其耐磨性差，移植人体后，磨损会在关节周围组织形成黑褐色增稠物，引起疼痛。 目前许多人工髋关节由硬金属、陶瓷股骨头和超高分子聚乙烯髋臼杯组成，其寿命不超过25年。 假体失败的主要原因是超高分子聚乙烯磨损粒子引起的界面骨溶解，假体松弛。 该磨损颗粒引起的异物巨细胞反应又称颗粒病，是晚期失败的最主要原因。 生物医学材料分类，材料属性分类，生物医学材料，1 )医用金属材料，2 )高分子生物材料，3 )无机生物医学材料，5 )复合生物材料，金属类材料为36.2%，其次是陶瓷类原料和高分子聚合物，分别占24.7%和23.7%。 最具成长潜力的是高分子聚合物原料。 1 )医用金属材料，一种生物惰性材料，除了具有较高的抗机械强度和抗疲劳性能，具有良好的生物力学性能和相关的物理性质外，还应具有优良的生理食性、生物适应性、无毒性、简单可行的手术操作技术。 金属材料是临床应用最广泛的植入材料，已成为骨、牙等硬组织修复和交换、心血管和软组织修复、人工器官制造的主要材料。 常用医用金属材料，不锈钢钴(Co )基合金钛(Ti )基合金形状记忆合金贵金属纯金属钽、铌和铬等，医用金属材料：不锈钢、铁基耐腐蚀合金(一般由铁、铬、镍、钼、锰、硅构成)，加工容易，廉价。 不锈钢的耐腐蚀性和屈服强度通过冷加工提高，可避免疲劳破坏。 一般制作成多种形状，如针、钉、髓内针、牙冠、三角钉等器件和人工假体用于临床，也用于各种医疗器械和手术器械的制作。 优点、应用、医用金属材料：根据不锈钢、微观(金相)组织的特点分为：奥氏体不锈钢(300系)铁素体不锈钢(400系)马氏体不锈钢(200系)沉淀固化型不锈钢等。 家具用不锈钢： 430 :铁12%以上铬304(18-8 ) :铁18%铬8%镍316(18-10 ) :铁18%铬12%镍2.5%钼，3Cr13和4Crl3型马氏体不锈钢是医疗设备，如刀、剪刀、止血钳、针00Cr18Ni10型奥氏体不锈钢在可制作各种人工关节和骨折内固定器的口腔科常用于牙套、整形、牙根栽培等器件的制作。 不锈钢骨固定螺钉和骨固定板、医疗用金属材料：钴基合金含有高铬和钼，也称为钴铬钼合金，具有极优异耐腐蚀性(比不锈钢高40倍)和耐磨损性(在所有医疗用金属材料中，耐磨损性最好)， 精密铸造中复杂形状的精密修复体的综合力学性能和生物适应性良好的植入物不会发生明显的组织反应，适合在体内搭载严酷的长期植入物。 制造人工髋关节、膝关节及接骨板、骨钉、关节钉和骨针、人工心脏瓣膜等。 优点、应用、医用钴基合金适用于体内负荷条件严格的长期植入。 医用金属材料：钛基合金、Ti合金强度可达到高水平，比强度为不锈钢3.5倍，耐疲劳性、耐腐蚀性优于不锈钢和钴基合金. Ti合金是一种对人体毒性小、密度小、弹性模量接近天然骨的优良金属生物医疗材料。 缺点：抗断裂强度低，耐磨性能违背人意，加工困难，冶炼成形工艺复杂，要求条件高。 优点广泛应用于各种人工关节、牙床、人工心脏瓣膜、颅骨修复等制作。、EL1Ti6Al4V钛基合金制成的骨钉和骨板，是、头部显微钢板、医用金属材料：形状记忆合金，自1951年美国首次报道Au-Cd (金-镉)合金具有形状记忆效应以来，目前已发现20多种记忆合金，其中镍钛合金是临床上最在不同温度下表现为不同的金属结构相。 低温时为单斜结构相，高温时为立方体结构相，前者柔软自由变形，例如线性弯曲，后者硬，可恢复原来的形状，形状恢复过程中产生较大的恢复力。 形状记忆合金分为三类：医用金属材料：形状记忆合金，特征：罕见的形状记忆功能，质量轻，磁力弱，强度高，抗疲劳，抗反弹性强，生物相容性强等。 管腔狭窄的治疗(喉气管狭窄、食管狭窄等)口腔科：用该材料制成的植牙具有牙槽骨切口小、固定牢固等优点。 骨科：人工关节、断骨连接、弯曲脊柱矫正。 血管外科：治疗主动脉瘤、冠状动脉和椎动脉狭窄等。 应用、特征、形状记忆合金的应用实例、支架类型在血管内展开的方式：1)自展开式(弹性材料)2)球囊扩张式、心血管支架(球囊扩张式)、医用金属材料：贵金属、金属(金、银、铂、钯等)或合金，例如金具有极高的耐氧化性和耐腐蚀性。 贵金属具有独特稳定的物理和化学性能、优异的加工特性、对人体组织无毒的副作用、刺激小等优异的生物学性能。 口腔科的牙科修复，也可以用于小型埋入型电子医疗器械。 应用、优点、医用金属材料：纯金属钽(Ta )、良好的抗生理腐蚀性和塑性，独特的表面负性具有优异的抗血栓性能和生物相容性，具有较高的抗缺损裂纹能力。 植骨接合板、牙根、义齿以及外科手术缝合线和缝合针的钽网可用于肌肉缺损的修补，钽线和箔也可用于神经、腱和血管的缝合修补的血管内支架和人工心脏。 资源少，价格高，普及有很大限制。 优点、缺点、应用、医用金属材料：纯金属铌、性能和应用范围与钽极为相似，用于颅骨修补和医疗器械制作。 出处困难，价格高，使用受到限制，主要用于髓内钉的制造等。 缺点，医用金属材料：纯金属铬，化学性能类似于金属钛，具有良好的耐腐蚀性、加工性、稳定性和生物适应性，主要用于人工骨和颅骨的修补，可加工成各种板、带、线材用于临床。 医用铬可与钛同等使用。 价格高，在临床上难以推广。 缺点2 )医用高分子材料、高分子：分子量从数万到数百万，包括蛋白质、棉、毛、木材、松香、橡胶、塑料、合成纤维等。 医用高分子材料：在医学上应用，特别是在生物体内可以使用的高分子材料。 人工器官医疗用品(输血输液用具、心导管、角膜接触镜、膀胱造管、医疗用胶粘剂以及各种医疗用导管、医疗用膜、创伤包扎材料和各种手术、护理用品等)的药用高分子(赋形剂、合成新型药物)应用、天然高分子材料、人体皮肤、肌肉、组织和器官均由高分子化合物构成，天然高分子生物材料首先由人使用进行了功能多样性、与机体的适应性、生物降解性及其改性、复合和混合等研究。 分类：天然蛋白材料：胶原蛋白和纤维素两种天然多糖材料：纤维素、壳聚糖和壳聚糖等因结构和组成的不同而显示出不同的性质，应用于不同方面。 优点，合成高分子生物材料，定义：利用聚合方法制备的生物材料。 合成高分子根据组成和结构控制可以具有多种物理化学性质。它是新兴的边缘学科，是制造各种人工器官、硬软组织修复体、医用胶粘剂、缝合线、人工血液等最主要的生物材料。 合成高分子材料、合成高分子材料的组合物(单体、添加剂等)有可能释放到生物环境中，有可能引起毒性反应。 由于弹性模量低，具有弹性，因此不能用于大负荷体位的修复。 分类：生物不能分解的有硅橡胶、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、丙烯酸酯水凝胶等。 生物降解性：聚乙烯醇、聚乳酸、聚乙烯内酯、乳酸乙醇酸共聚物和聚-羟基丁酸酯等。 缺点，合成高分子材料：硅橡胶，平均分子量40万，硅弹性体的主要成分是含硅原子的特殊合成橡胶的总称。 无毒、生物相容性好、抗生物老化、抗凝血、长期种植体物理性能下降少、高温寒冷(-90C-250C )良好的电绝缘性、抗氧老化、抗光老化、防霉性、化学稳定性等。 粘合剂、导管、整形和修复外科(人工关节、皮肤扩张、烧伤皮肤创面保护、人工鼻肌、人工耳廓和人工眼圈)、胎儿吸引器、人工血管、鼓膜修复片等。 优点，应用，合成高分子材料：聚氨酯，定义：聚醚，聚酯和二异氰酸酯的总称。 具有良好的伸展性和抗弯曲性，强度高，耐磨性好，血液适应性好，抗血栓性好，不损伤血液成分，在医疗领域得到广泛应用。 人工心脏搏动膜、心血管医学元件、人工心脏、辅助循环、人工血管、体外循环血路、药物释放系统、缝合线和软组织粘合剂绷带、敷料、吸血材料、人工软骨和血液净化器具密封剂等。 优点、应用、合成高分子材料：环氧树脂，基本特性是所使用的单体中至少含有一个环氧基. 环氧基与含有“活性氢”的化合物反应，因此可以使用适当的胺或酸系催化剂。 玻璃布一起用于骨折的开放性复位和固定，粘骨加固氧化铝髋关节髁，是牙科填充材料、电子起搏器与体液分离的保护层(浇注)。 眼睑修复术和颅动脉瘤与脑电极探针的绝缘强化等。 应用、合成高分子材料：聚氯乙烯，定义：聚合单体氯乙烯的合成树脂，是用量最多的医用高分子材料。 原料丰富，聚合容易，抗凝性能良好，但耐热性不高(70)。 可以通过添加物的应用改变其柔软性。 用量最多的还可用于制作塑料输血袋能提高红细胞和血小板生存率的医疗导管、人工输尿管、胆管和心脏瓣膜、血泵膜片、面部组织、青光眼引流和中耳孔等。 软质PVC毒性问题仍存在争议，目前只能用于制造与人体短期接触的产品。 优点、应用、缺点、合成高分子材料：又称聚甲基丙烯酸甲酯、有机玻璃，属丙烯酸类塑料，目前塑料中透明度最高。 具有良好的生物相容性、耐老化性，机械强度高。 取出的植入物、隐形眼镜、可植入物镜、人工角膜和假牙、人工喉、食道和腕骨、闭塞器、喉支撑膜、牙夹、气管切开导管和吻合按钮、鼻窦的植入性导管、 在经皮装置和实验中使用的标本箱和人工器官罩等补充脸部软和硬组织的颅骨缺损时，填充替代骨乳突切除后的残留间隙的耳小骨部分的替代物和脊椎鼓节的固定，牙科的直接填充树脂的基础等。 优点，应用，3 )无机生物医学材料，18世纪初开始应用生物陶瓷、生物玻璃、碳材料3种。 无毒，与生物组织具有良好的生物相容性、耐腐蚀。 牙科、骨科的修复和材料的移植。脆性材料易破裂，发展方向应引入复合(多相)生物材料的开发和在金属基体上涂布无机生物陶瓷涂层(薄膜)材料的方面。 优点、应用、缺点，根据生理环境中的化学活性和性质，接近惰性：长期暴露于生理环境中也是稳定的。 表面活性：起到了适合新生骨堆积的生理支架的作用。 吸收性：诱导骨生长，取代新组织。 复合型：生物陶瓷和生物陶瓷，或者与其他复合的肌肉一骨架系统的修复和交换，也可用于心血管系统的修复、药物释放和传递载体的制作。 复合型生物陶瓷还可用于人工腱和韧带等的制造。 无机生物医学材料：生物陶瓷，应用，无机生物医学材料：生物玻璃，通过特别设计的化学组成诱发生物活性的含二氧化硅化合物。 人工骨用