生物医用材料

生物医用材料,定义：生物材料（Biomaterials）即生物医学材料（BiomedicMaterials）指“以医疗为目的的用于与组织接触以形成功能无生命的材料”特征：用于与生命系统接触和发生相互作用的，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特殊的功能材料生物材料是材料科学领域中正在发展的多种学科相互交叉渗透的领域，其研究内容涉及材料科学、生命科学、化学、生物学、解剖学、病理学、临床医学、药物学等学科，同时还涉及工程技术和管理学科的范畴,第一章生物医用材料概述,生物医用金属材料:不锈钢、钴基合金，钛及合金等广泛应用于人工假体、人工关节、医疗器械等生物医用无机材料:主要是生物陶瓷分为惰性生物陶瓷，如氧化铝生物陶瓷表面生物活性陶瓷，如磷酸钙基生物陶瓷可降解生物陶瓷，如-磷酸三钙陶瓷等生物医用高分子材料天然的如多糖类、蛋白类合成的聚氨酯、聚乙烯、聚乳酸、聚四氟乙烯等，用于人体器官、组织、关节、药物载体等生物医用复合材料不同种材料的混合或结合，克服单一材料的缺点，获得性能更优的材料,第二章医用无机材料,一生物医用无机材料的基本条件：1.良好的生物相容性2.杂质元素及溶出物含量低3.有效性4.成型加工性能5.良好的耐消毒灭菌性,二生物医用无机材料分类,第二节生物医用陶瓷材料,定义：生物陶瓷是指与人体工程有关的可用于人体组织修复的一类陶瓷材料特点：在人体内理化性能稳定，具有良好的生物相容性；材料的性能可通过成分的设计进行控制；容易成型，可按需要制成各种形状容易着色，是良好的口腔材料,典型的生物医用陶瓷材料,第三节生物医用无机骨水泥,骨水泥作为人工合成替代材料中的重要组成部分，在硬组织缺损修复和固定移植体过程中起着不可低估的作用发展历程：,生物陶瓷中耳通气引流管,生物陶瓷人工听小骨假体,心脏瓣膜,玻璃碳,第一代PMMA骨水泥:优点：易成型和粘结性能好缺点：材料化学成份与人体骨成份完全不同，生物相容性差；单体放热剧烈；细胞毒性；引起过敏第二代磷酸钙骨水泥CPC20世纪80年代中期，E.brown和chow发现由几种磷酸钙盐组成的混合物能在人体环境和温度下自行固化，水化硬化过程基本不放热，其水化成分最终转化为羟基磷灰石由此可构成类似于硅酸盐水泥样的磷酸钙水泥，用与人体骨的修复，故称磷酸钙骨水泥新型CPC的研究1.药物控释骨水泥2.注射型骨水泥3.生物活性骨水泥,第三章医用金属材料,定义：是一种用作生物医用材料的金属或合金，又称作外科用金属材料或医用金属材料，是一类生物惰性材料。,医用金属材料的特性与要求,(1)生物相容性:即生物学反应最小(2)优良的机械性能:强度与弹性模量（与生物体匹配）耐磨性(3)耐腐蚀性能：腐蚀不仅降低或破坏金属材料的机械性能，导致断裂，还产生腐蚀产物，对人体有刺激性和毒性。,常用的医用金属材料,1)齿科：镶牙、齿科矫形、牙根种植及辅助器件2)人工关节和骨折内固定器械：人工肩关节、肘关节、全髋关节、半髋关节、膝关节、踝关节、腕关节及指关节。各种规格的皮质骨和松质骨加压螺钉、脊椎钉、骨牵引钢丝、人工椎体和颅骨板等，3)心血管系统：各种传感器、植入电极的外壳和合金导线，可制作不锈钢的人工心脏瓣膜、血管内扩张支架等4)其它：如用于各种眼科缝线、人工眼导线、眼眶填充、固定环等。,医用金属材料的腐蚀腐蚀：材料与周围介质的化学、电化学或物理溶解作用而导致的破坏过程。是金属与它所处的环境之间发生的一种不希望出现的化学反应，将会导致金属形成氧化物、氢氧化物或其他化合物而持续析出,金属材料的耐腐蚀性能的途径,（1）在材料表面形成保护层（2）提高材料表面光洁度（3）物理化学方法(改善金属生物材料表面性能的主要方法)a.热喷涂b.脉冲激光融覆c.离子溅射d.喷砂法e.电结晶法f.电化学法g.离子注入,医用金属材料研究进展,医用镁及镁合金材料的研究镁合金具备作为可降解骨植入材料的多方面优点：(1)镁是人体内含量最多的阳离子之一，几乎参与人体内所有的新陈代谢过程。(2)镁及镁合金的弹性模量约为45GPa，更接近人骨的弹性模量，能有效降低应力遮挡效应；镁与镁合金的密度约为1.7g/cm3，与人骨密度(1.75g/cm3)接近，符合理想接骨板的要求。(3)镁具有独特的体内降解性能。(4)镁资源丰富，价格低廉。,第四章生物医用复合材料,生物医用复合材料是由两种或两种以上不同材料复合而成的生物医用材料1.分类：复合材料一般有基体材料和增强材料组成(1)按基体：陶瓷基医用复合材料、高分子基医用复合材料、金属基医用复合材料(2)按组织反应：生物惰性医用复合材料、生物活性医用复合材料、可吸收医用复合材料(3)按增强体的形态和性质：纤维增强医用复合材料，颗粒增强医用复合材料,2.性能特点,比强度、比模量抗疲劳性能好抗生理腐蚀性好力学相容性能好,生物无机与无机复合材料,以氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、生物玻璃、生物玻璃陶瓷、羟基磷灰石、磷酸钙等材料为基体，引入颗粒、晶片、晶须或纤维等增强体。一、生物陶瓷与生物陶瓷复合材料二、生物陶瓷与生物玻璃复合材料三、生物活性涂层无机复合材料,生物无机与有机高分子复合材料,几乎所有的生物体组织都是由两种或两种以上的材料构成的例如人体中的骨骼和牙齿可看作由胶原蛋白、多糖基质等高分子构成的连续相和弥散于中的羟基磷灰石晶粒复合而成。利用高弹性模量的无机材料增强高分子材料的刚性，并赋予其生物活性利用高分子材料的可塑性增进生物无机材料的韧性。主要应用于硬组织的修复与重建。,一、生物活性陶瓷天然生物高分子复合材料1、HA胶原复合材料与自然骨有机质接近的胶原与HA陶瓷复合，使之能与受骨的骨胶原末段的氨基和羟基结合，形成具有生物活性的化学结合界面。其强度比HA陶瓷提高2-3倍。2、HA纤维蛋白粘合剂复合材料纤维蛋白粘合剂有纤维蛋白原和凝血酶组成。具有良好的生物相容性，完全的生物降解性，无毒、不影响机体的免疫系统，对HA的结构无影响。二、生物活性陶瓷与生物高分子复合材料1、HA聚乳酸复合材料:具有良好的生物相容性、可吸收性、生物活性和骨结合能力2、其他1）HA-聚乙烯2）HA-PMMA骨水泥3）TCP-聚乳酸4）有机高分子表面活性陶瓷涂层,第五章生物医用高分子材料,生物医用高分子材料应用广泛，既可植入体内，如聚乳酸骨板和骨钉，心脏瓣膜，人工血管，人工皮肤和人工软骨等，亦可用做体外辅助装置，如人工肾/血液透析、人工肺/血液氧合器、人工胰/胰岛素释放系统等。最主要的降解材料就是缝合线,一、医用高分子材料介绍,1、材料的降解产物，具有很低或是可忽略的毒性，对生物体内的局部组织反应通常可预测2、材料具有适当的机械性质及可调控的降解时间，可满足各种长期或短期植入物的需要。材料易控制加工制备成各式的生医器材，并具有一致性。3、材料已被广泛应用在医学上或是药学上，有许多形式已被美国食品及药物管理局认可（FDA）,二、生物医用高分子材料的分类,2020/6/14,三、天然可降解高分子,四、人工合成高分子材料,五、典型可降解高分子材料介绍,聚乳酸PLA聚乙醇酸PGA及其共聚物用于缝合线，药物释放载体和组织工程，可生物降解，常以共聚调控降解时间聚羟基丁酸酯PHB及其共聚物可生物降解，用于药物释放载体和组织工程多糖和蛋白质是自然界中重要的天然高分子，具有很好的生物相容性、可降解性和低毒性，,聚原酸酯(Polyorthoesters,POE）POE是通过多元酸或多元原酸酯与多元醇类经无水条件下缩合形成原酸酯键而制成。疏水型聚合物不溶于水，溶于THF等有机溶剂降解产物无毒、无副作用降解为“表面融蚀”（surfaceerosion）、聚丙交酯又称聚乳酸目前最有前途的可生物降解聚合物之一，因为它的原材料(淀粉和纤维素)是不会增加大气中二氧化碳的农产品。,聚合物降解机理,例如：聚原酸酯(POE)的水解机理,第三节、可降解高分子材料在医学领域的应用,在组织工程中的应用,组织工程（tissueengineering）应用工程科学和生命科学的原理与方法，在正确认识正常和病理哺乳动物的组织结构与功能关系的基础上，研发、修复、维持或改善组织功能的生物替代物的一门新兴学科。例如现在大量商业用的人造皮肤有胶原蛋白、甲壳素、聚-L-亮氨酸等酶催化生物降解材料,在药物控制释放体系中的应用,在合成生物降解高分子方面指主链中含有易被水解的酯键、醚键、氨酯键等的高分子如：聚乙交酯（PGA）聚丙交酯（