医用材料生物学基础－蔡伟 第一章 绪论

1、第一章 绪 论一、课程设立的目的、意义1 哈尔滨哈尔滨工业大学工业大学 材料学院材料学院 材料物理与化学材料物理与化学 二二oo六六年十月年十月 第一章 绪 论 2 第一章第一章 绪绪 论论 一、课程设立的目的、意义一、课程设立的目的、意义 二、课程特点二、课程特点 三、课程主要内容三、课程主要内容 四、成绩考核四、成绩考核 五、相关概念的回顾与解释五、相关概念的回顾与解释 第一章 绪 论一、课程设立的目的、意义 3 一、课程设立的目的、意义一、课程设立的目的、意义 n医用材料的研究基础医用材料的研究基础 材料研究的基础材料研究的基础 医用材料的定义、目标医用材料的定义、目标 医用材料的分类与

2、发展医用材料的分类与发展 医用材料的应用举例医用材料的应用举例 n社会效益、经济效益、市场前景社会效益、经济效益、市场前景 n未来发展的趋势与挑战未来发展的趋势与挑战 第一章 绪 论一、课程设立的目的、意义 4 一、课程设立的目的、意义一、课程设立的目的、意义 n医用材料的研究基础医用材料的研究基础 材料研究的基础（材料研究的基础（生物体环境生物体环境 ） 医用材料的定义、目标医用材料的定义、目标 医用材料的分类与发展医用材料的分类与发展 医用材料的应用举例医用材料的应用举例 n社会效益、经济效益、市场前景社会效益、经济效益、市场前景 n未来发展的趋势与挑战未来发展的趋势与挑战 第一章 绪 论

3、一、课程设立的目的、意义 5 组成、结构组成、结构-工艺过程工艺过程-性质之间性质之间 关系示意图关系示意图 合成与制备工艺合成与制备工艺 使用性能使用性能 性质性质 组成组成 结构结构 （化学）（化学） （工程）（工程） （物理学）（物理学） 材料研究的基础材料研究的基础 第一章 绪 论一、课程设立的目的、意义 6 一、课程设立的目的、意义一、课程设立的目的、意义 n医用材料的研究基础医用材料的研究基础 材料研究的基础材料研究的基础 医用材料的定义、目标医用材料的定义、目标（组织、器官的生理功能，组织、器官的生理功能， 生物体对植入材料的反应生物体对植入材料的反应 ） 医用材料的分类与发展医

4、用材料的分类与发展 医用材料的应用举例医用材料的应用举例 n社会效益、经济效益、市场前景社会效益、经济效益、市场前景 n未来发展的趋势与挑战未来发展的趋势与挑战 第一章 绪 论一、课程设立的目的、意义 7 生物医用材料生物医用材料 biomedical materialsbiomedical materials 生物材料生物材料 biomaterialsbiomaterials 对生物体进行诊断、治疗和置换对生物体进行诊断、治疗和置换 损坏组织、器官或增进其功能的材料。损坏组织、器官或增进其功能的材料。 医用材料的定义、目标医用材料的定义、目标 第一章 绪 论一、课程设立的目的、意义 8 生物

5、材料的目标生物材料的目标是对人体组织的矫形、是对人体组织的矫形、 修复、再造以维持其原有的功能。生物修复、再造以维持其原有的功能。生物 材料除了应具有人体的材料除了应具有人体的组织或器官的功组织或器官的功 能能外，还必须有与人体组织的外，还必须有与人体组织的相容性；相容性； 对肌体对肌体无免疫排异无免疫排异反应，反应，血液相溶性血液相溶性好，无溶好，无溶 血、凝血反应血、凝血反应 ，不会引起代谢作用异常现象，对人，不会引起代谢作用异常现象，对人 体无毒、不致癌。目前已经发展起来的生物合金、生体无毒、不致癌。目前已经发展起来的生物合金、生 物高分子和生物陶瓷基本上能满足这些要求，利用这物高分子和

6、生物陶瓷基本上能满足这些要求，利用这 些材料已经制造出了许多人工器官，如肾、肝、肺、些材料已经制造出了许多人工器官，如肾、肝、肺、 骨关节等骨关节等. 医用材料的定义、目标医用材料的定义、目标 第一章 绪 论一、课程设立的目的、意义 9 水晶体水晶体: :丙烯酸丙烯酸, , 硅胶硅胶 耳耳: : ha, ha, 氧化铝氧化铝, ,钛金属钛金属, , 硅胶硅胶 齿科齿科 : :丙烯酸丙烯酸, , 金金, 316, 316l ss, l ss, 钴铬钼钴铬钼 合金合金, , 钛金属钛金属, , 钛铝钒合金钛铝钒合金, , 氧化铝氧化铝, , ha, ha, 生物玻璃生物玻璃 心脏心脏: : 钴铬钼

7、合金钴铬钼合金, , 钛铝钒合金钛铝钒合金, , 热解石墨热解石墨, , eptfeeptfe, pet, pur, , pet, pur, 心律调节心律调节:316:316l ss,l ss,白金白金t, pur, t, pur, 硅胶硅胶 , , petpet 人工关节人工关节: 316: 316l ss, l ss, 钴铬钼合金钴铬钼合金, , 钛 金 属钛 金 属 , , 钛 铝 钒 合 金钛 铝 钒 合 金 , , 硅 胶硅 胶 , , uhmwpe,uhmwpe,丙烯酸丙烯酸 颚面重建颚面重建: : 氧化铝氧化铝, , ha, ha, 三钙磷酸盐三钙磷酸盐, , ha/pla, h

8、a/pla, 生物玻璃生物玻璃, , 钛金属钛金属, , 钛铝钒合金钛铝钒合金 头盖骨头盖骨: 316: 316l ss, l ss, 钛金属钛金属, ,丙烯酸丙烯酸, , ha, tcpha, tcp 可降解缝线可降解缝线: : pla, pga, pla, pga, 聚己内酯聚己内酯, , ptmc, pdo ptmc, pdo的共聚高分子的共聚高分子 脊柱脊柱: : 钴铬钼合金钴铬钼合金, , 钛金属钛金属, , ha, uhmwpeha, uhmwpe 承载重量的骨材承载重量的骨材: : 氧化铝氧化铝, , 氧化锆氧化锆, 316, 316l ss, l ss, 钛金属钛金属, , 钛

9、铝钒合金钛铝钒合金, , 钴铬钼合金钴铬钼合金, , uhmwpeuhmwpe 血管血管: : eptfeeptfe, pet, pet 肌腱肌腱 纯刚玉纯刚玉金属复合型人工股骨头金属复合型人工股骨头; 纯刚玉纯刚玉聚甲基丙烯酸酯聚甲基丙烯酸酯钴铬钼钴铬钼 合金铰链式膝关节合金铰链式膝关节; 其他人工骨、人工牙根等其他人工骨、人工牙根等. 氧化锆氧化锆: 人工髋关节人工髋关节 生物惰性材料生物惰性材料 bioinert materials 生物惰性材料生物惰性材料 第一章 绪 论一、课程设立的目的、意义 63 n 玻璃陶瓷玻璃陶瓷: 部分人工关节部分人工关节. n si3n4陶瓷陶瓷: 较小的

10、人工骨，目前还不能用作较小的人工骨，目前还不能用作 承重材料承重材料. n 医用碳素材料医用碳素材料: 人工心脏瓣膜等人工脏器人工心脏瓣膜等人工脏器, 人工关节人工关节. n 医用金属材料医用金属材料: 人体承重材料中应用最广泛人体承重材料中应用最广泛 的材料，表面涂上活性生物的材料，表面涂上活性生物 材料后可增加它与人材料后可增加它与人 体环境体环境 的相容性，同时还能制作各的相容性，同时还能制作各 类其他人体骨的替代物。类其他人体骨的替代物。 生物惰性材料生物惰性材料 bioinert materials 生物惰性材料生物惰性材料 第一章 绪 论一、课程设立的目的、意义 64 5、生物活性

11、材料、生物活性材料 bioactive materials 能能诱出诱出或或调节生物活性调节生物活性的生的生 物医学材料物医学材料. 生物活性生物活性是是增进增进细胞活性细胞活性或或 新组织再生新组织再生的性质的性质. 生物医用高分子材料以及典生物医用高分子材料以及典 型的生物活性材料羟基磷灰石。型的生物活性材料羟基磷灰石。 生物活性材料生物活性材料 第一章 绪 论一、课程设立的目的、意义 65 n 羟基磷灰石羟基磷灰石 hydroxyapatite,hap ca10(po4)6(oh)2 生物硬组织的修复和替换材料生物硬组织的修复和替换材料 口腔种植、牙槽脊增高、颌面骨、鼻梁、口腔种植、牙槽

12、脊增高、颌面骨、鼻梁、 假眼球、耳小骨替换、中耳通气引流管假眼球、耳小骨替换、中耳通气引流管 脊椎骨替换脊椎骨替换 填充用颗粒填充用颗粒 抑制癌细胞用微晶粉抑制癌细胞用微晶粉 制备多孔陶瓷和复合材料制备多孔陶瓷和复合材料 /涂层材料涂层材料 生物活性材料生物活性材料 bioactive materials 生物活性材料生物活性材料 第一章 绪 论一、课程设立的目的、意义 66 n 磷酸钙生物活性材料磷酸钙生物活性材料 磷酸钙骨水泥磷酸钙骨水泥:骨修补和固定关节骨修补和固定关节 磷酸钙陶瓷纤维磷酸钙陶瓷纤维: 无机骨水泥的补强及制无机骨水泥的补强及制 备有机与无机复合型植入材料备有机与无机复合型

13、植入材料. n 生物磁性陶瓷材料生物磁性陶瓷材料:治疗癌症用治疗癌症用 n 生物玻璃生物玻璃: 生物活性微晶玻璃生物活性微晶玻璃/ 可加工生物可加工生物 活性微晶玻璃活性微晶玻璃 生物活性材料生物活性材料 bioactive materials 生物活性材料生物活性材料 第一章 绪 论一、课程设立的目的、意义 67 6、生物降解材料、生物降解材料 biodegradable materialsbiodegradable materials 在被植入人体以后在被植入人体以后,能够不断的发能够不断的发 生生分解分解,分解产物能够被生物体所分解产物能够被生物体所吸收吸收 或或排出排出体外的一类材料体

14、外的一类材料. -tcp生物降解陶瓷生物降解陶瓷: 修复良性骨肿瘤或瘤样病变手术刮除后所致缺损修复良性骨肿瘤或瘤样病变手术刮除后所致缺损 生物陶瓷药物载体生物陶瓷药物载体: 微药库型载体，可根据要求制成一定形状和微药库型载体，可根据要求制成一定形状和 大小的中空结构，用于各种骨科疾病。大小的中空结构，用于各种骨科疾病。 生物降解材料生物降解材料 第一章 绪 论一、课程设立的目的、意义 68 7、生物复合材料生物复合材料 composite biomaterialscomposite biomaterials 生物复合材料又称为生物医用复生物复合材料又称为生物医用复 合材料，它是由两种或合材料，

15、它是由两种或两种以上两种以上不同不同 材料复合而成的生物医学材料。材料复合而成的生物医学材料。 人体功能的复杂性以及应用场合、应用人体功能的复杂性以及应用场合、应用 形式不同；同一场合下，对性能要求也不是单形式不同；同一场合下，对性能要求也不是单 一的，因此要求植入材料性能多样性导致一的，因此要求植入材料性能多样性导致 复合材料产生。复合材料产生。 生物复合材料生物复合材料 第一章 绪 论一、课程设立的目的、意义 69 生物复合材料复合目的生物复合材料复合目的 综合多种组分或结构的性能优势，更好实综合多种组分或结构的性能优势，更好实 现对人体受损组织的修复作用。现对人体受损组织的修复作用。 n

16、降解模式和降解速率具有可调性降解模式和降解速率具有可调性 n增强和改善力学性能增强和改善力学性能 生物复合材料生物复合材料 第一章 绪 论一、课程设立的目的、意义 70 生物复合材料的分类生物复合材料的分类 n有机有机/ /有机复合生物材料有机复合生物材料: : 可降解高分子材料之间通过对不可降解高分子材料之间通过对不 同组分的复合同组分的复合, ,考察材料的相容性以考察材料的相容性以 及结构和性能及结构和性能, ,筛选具有最佳性能的筛选具有最佳性能的 复合生物材料。包括天然高分子材料复合生物材料。包括天然高分子材料, , 生物合成聚酯生物合成聚酯, ,以及人工合成聚酯和以及人工合成聚酯和 聚

17、酸酐等。聚酸酐等。 生物复合材料生物复合材料 第一章 绪 论一、课程设立的目的、意义 71 n金属金属/ /无机复合生物材料无机复合生物材料: : 金属材料通过一些物理或化金属材料通过一些物理或化 学手段学手段( (等离子喷涂等离子喷涂, ,电化学沉积电化学沉积 法等法等),),在其表面形成一层磷酸钙在其表面形成一层磷酸钙 盐盐, ,改善金属材料表面的生物相容改善金属材料表面的生物相容 性性, ,并与周围的骨组织形成良好的并与周围的骨组织形成良好的 骨性结合。骨性结合。 生物复合材料生物复合材料 生物复合材料的分类生物复合材料的分类 第一章 绪 论一、课程设立的目的、意义 72 n有机有机/

18、/无机复合生物材料无机复合生物材料： 结合有机组分的韧性和无机组分的刚性结合有机组分的韧性和无机组分的刚性, , 充分利用了无机组分或部分有机组分的生物充分利用了无机组分或部分有机组分的生物 活性或降解性能活性或降解性能, ,形成了具有综合使用性能的形成了具有综合使用性能的 骨修补复合材料，用于修复和重建人体的硬骨修补复合材料，用于修复和重建人体的硬 组织组织, ,作为骨修复或骨固定材料。作为骨修复或骨固定材料。 骨修复复合材料与周围组织的最终骨修复复合材料与周围组织的最终结结合形式合形式或或 被利用的状况与材料组分的降解特性、材料的结构被利用的状况与材料组分的降解特性、材料的结构 等密切相关

19、。一般来说等密切相关。一般来说, ,具有降解特性或贯通孔洞的具有降解特性或贯通孔洞的 复合材料能够被人体较好地利用复合材料能够被人体较好地利用, ,新生骨组织可以长新生骨组织可以长 入到材料内部入到材料内部, ,并与周围组织形成牢靠的结合。并与周围组织形成牢靠的结合。 生物复合材料生物复合材料 生物复合材料的分类生物复合材料的分类 第一章 绪 论一、课程设立的目的、意义 73 8、生物衍生材料、生物衍生材料 biologically derived materials 由经过由经过特殊处理特殊处理的的天然生物组天然生物组 织织所所形成的生物医用材料，也称为形成的生物医用材料，也称为 生物再生材

20、料。生物再生材料。 生物衍生材料具有类似于自然组生物衍生材料具有类似于自然组 织的构型和功能，其组成类似于自然织的构型和功能，其组成类似于自然 组织，在维持人体动态过程的修复和组织，在维持人体动态过程的修复和 替换中具有重要作用。替换中具有重要作用。 生物衍生材料生物衍生材料 第一章 绪 论一、课程设立的目的、意义 74 生物衍生材料生物衍生材料 来源：来源：取自同种或异种动物体的生物组织取自同种或异种动物体的生物组织. 特殊处理：特殊处理： 轻微处理：维持组织原有构型而进行的固轻微处理：维持组织原有构型而进行的固 定、灭菌和消除抗原性处理。定、灭菌和消除抗原性处理。 强烈处理：拆散原有构型、

21、重建新的物理形强烈处理：拆散原有构型、重建新的物理形 态的处理。态的处理。 生物衍生材料生物衍生材料 第一章 绪 论一、课程设立的目的、意义 75 9、组织工程、组织工程 tissue engineering 应用生命科学与工程学的原理与应用生命科学与工程学的原理与 技术技术, ,在正确认识哺乳动物的正常及在正确认识哺乳动物的正常及 病理两种状态下的病理两种状态下的组织结构与功能关组织结构与功能关 系系的基础上的基础上, ,研究、开发用于研究、开发用于修复、修复、 维护、促进维护、促进人体各种组织或器官损伤人体各种组织或器官损伤 后的后的功能和形态功能和形态的的生物替代物生物替代物的一门的一门

22、 新兴学科。新兴学科。 组织工程组织工程 第一章 绪 论一、课程设立的目的、意义 76 组织工程方法组织工程方法 应用工程学和生命科学的原理应用工程学和生命科学的原理 与方法与方法, ,将在体外培养、扩增的功将在体外培养、扩增的功 能相关的能相关的活细胞活细胞种植于种植于多孔支架多孔支架上上, , 细胞在支架上增殖、分化细胞在支架上增殖、分化, ,构建构建生生 物替代物物替代物, ,然后将之移植到组织病然后将之移植到组织病 损部位损部位, ,达到修复、维持或改善达到修复、维持或改善人人 体各种组织或器官损伤后的功能和体各种组织或器官损伤后的功能和 形态的生物替代物。形态的生物替代物。 组织工程

23、组织工程 第一章 绪 论一、课程设立的目的、意义 77 组织工程研究组织工程研究 n核心核心：建立由：建立由细胞细胞和和生物材料生物材料 构成的三维复合体构成的三维复合体 n三要素三要素：种子细胞、信号因子：种子细胞、信号因子 ( (细胞因子或生长因子细胞因子或生长因子) )、支架支架 材料材料 n四个研究方面四个研究方面: :种子细胞、种子细胞、支支 架材料架材料、器官构建、临床使用。、器官构建、临床使用。 组织工程组织工程 第一章 绪 论一、课程设立的目的、意义 78 engineered tissues nskin nthe first commercial tissue-enginee

24、red product ncartilage 解剖软骨解剖软骨 nbone npancreas 胰腺胰腺 nblood vessels nothers (not covered): heart valve, bladder膀胱膀胱 , cornea角膜角膜, nerves, ligaments韧带韧带, chronic wounds. 组织工程组织工程 第一章 绪 论一、课程设立的目的、意义 79 组织工程组织工程 第一章 绪 论一、课程设立的目的、意义 80 支架设计及支架设计及 制备技术制备技术 组织工程支架的要求组织工程支架的要求 n符合生物安全性要求符合生物安全性要求 n高表面积和合适的表面理化性质高表面积和合适的表面理化性质 n合适的可生物降解吸收性合适的可生物降解吸收性 n适宜的孔隙率和孔径分布适宜的孔隙率和孔径分布和相连的孔形态和相连的孔形态 n特定的三维外形，具特定的三维外形，具有一定的空间几何形有一定的空间几何形 状，以利细胞与细胞外基质间的信息、能状，以利细胞与细胞外基质间的信息、能 量与物质传递。量与物质传递。 n与植入部位组织力学性能相匹配的结构和与植入部位组织力学性能相匹配的结构和 强度，强度，能提供足够的力学支撑能提供足够的力学支撑 组织工程组织工程 第一章 绪 论一、课程设立的目的、意义 81 支架设