生物医用材料课程报告

1、生物医用材料课程报告新材料国重S20161254一、课堂报告郑老师的生物医用材料这门选修课，通过老师的整体介绍，然后让同学们分别就某一方面的生物医用材料进行了课堂展示，开拓了对于材料在医学领域的应用的见识。生物医用材料指的是一类具有特殊性能、特种功能，用于人工器官、外科修复、理疗康复、诊断、治疗疾患，而对人体组织不会产生不良影响的材料。现在各种合成材料和天然高分子材料、金属和合金材料、陶瓷和碳素材料以及各种复合材料，其制成产品已经被广泛地应用于临床和科研。生物医用材料是用来对生物体进行诊断、治疗、修复或替换其病损组织、器官或增进其功能的材料。现代生物医用材料具有新兴领域、发展迅速、高附加值的特

2、点，是一个交叉学科，覆盖面广。理想的生物医用材料应该是对人体无毒性、无致敏性、无刺激性、无遗传毒性和无致癌性等不良反应。新的生物相容性内容的研究对材料的生物学评价提出新的要求，除了目前的ISO10993标准外，新的评价方法将从以下几个方面展开：生物医用材料对人体免疫系统的影响；生物医用材料对各种细胞因子的影响；生物医用材料对细胞生长、凋亡的影响；降解控释材料对人体代谢过程的影响；智能材料对人体信息传递和功能调控的影响；药物控释材料、净化功能材料、组织工程材料的生物相容性评价。生物材料也称为生物医学材料，是指以医疗为目的，用于与生物组织接触以形成功能的无生命的材料。生物医用材料有多种分类方法，按

3、材料的组成和性质可以分为生物医用金属材料、生物医用复合材料、生物医用高分子材料、生物医用无机非金属材料。生物医用金属材料是用作生物医用材料的金属或合金，又称外科用金属材料或医用金属材料，是一类惰性材料。这类材料具有高的机械强度和抗疲劳性能，是临床应用最广泛的承力植入材料。该类材料的应用非常广泛，遍及硬组织、软组织、人工器官和外科辅助器材等各个方面。常用的有不锈钢、钻基合金、钛及其合金、形状记忆合金、贵金属、可降解的镁、锹合金等。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，并且与其所有单体的性能相比，复合材料的性能都有较大程度的提高的材料。制备该类材料的目的就是进一步提高或

4、改善某一种生物材料的性能。该类材料主要用于修复或替换人体组织、器官或增进其功能以及人工器官的制造。生物医用高分子材料是生物医用材料中发展最早、应用最广泛、用量最大的材料，也是一个正在迅速发展的领域。它有天然产物和人工合成两个来源。按性质医用高分子材料可分为非降解型和可生物降解型两类。前者主要包括聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸酯、芳香聚酯等，后者主要包括胶原、线性脂肪族聚酯、甲壳素、纤维素、聚氨基酸等。可降解医用高分子材料可在生物环境作用下发生结构破坏和性能蜕变，其降解产物能通过正常的新陈代谢或被机体吸收利用或被排出体外，主要用于药物释放和送达载体及非永久性植入装置。生物无机非金属材料又叫生物陶瓷，此

5、类材料化学性能稳定，具有良好的生物相容性。常用的有骨水泥、羟基磷灰石、生物活性玻璃、碳纳米管、石墨烯等。骨水泥可用于硬组织缺损修复和固体移植，羟基磷灰石常用于颌面修复、牙科、生物活性涂层等领域。近年来，生物医用材料迅猛发展，其具有以下发展趋势：组织工程材料面临重大突破、生物医用纳米材料初见端倪、活性生物医用材料还待发展、生物医用金属材料的开发势在必行、材料表面改性的新方法和新技术还应探索表面改性研究、介入治疗材料研究异军突起、复合生物医用材料仍是开发重点。组织工程材料面临重大突破：(1)由于传统的人工器官(如人工肾、肝)不具备生物功能(代谢、合成)，只能作为辅助治疗装置使用，研究具有生物功能的

6、组织工程人工器官已在全世界引起广泛重视。最近，由于干细胞具有分化能力强的特点，将其用作"种子”细胞进行构建人工器官成为热点。组织工程学已经在人工皮肤、人工软骨、人工神经、人工肝等方面取得了一些突破性成果，展现出美好的应用前景。(2)生物医用纳米材料初见端倪：纳米技术在90年代获得了突破性进展，在生物医学领域的应用研究也不断得到扩展。目前的研究热点主要是药物控释材料及基因治疗载体材料。(3)血液净化材料重在应用：采用滤过沉淀或吸附的原理，将体内内源性或外源性毒物(致病物质)专一性或高选择性地去除，从而达到治病的目的，是治疗各种疑难病症的有效疗法。尿毒症、各种药物中毒、免疫性疾病(系统性

7、红斑狼疮、类风湿性关节炎)、高脂血症等，都可采用血液净化疗法治疗，其核心是滤膜、吸附剂等生物材料。(4)复合生物材料仍是开发重点：作为硬组织修复材料的主体，复合生物材料受到广泛重视。它具有强度高、韧性好的特点，目前已广泛应用于临床。通过具有不同性能材料的复合，可以达到“取长补短”的效果，有效解决材料的强度、韧性及生物相容性问题。(5)材料表面改性是永久性课题：生物相容性包括血液相容性和组织相容性，是生物材料应用的基本要求。除了设计、制造性能优异的新材料外，通过对传统材料进行表面化学处理(表面接枝大分子或基团)、表面物理改性(等离子体、离子注人或离子束)和生物改性是有效途径。材料表面改性的新方法

8、和新技术被认为是生物材料研究的永久性课题。二、血管支架材料的研究随着社会发展，人们的生活习惯和饮食结构发生变化，导致心脑血管疾病的危险因素流行趋势明显，心脑血管病患人数呈快速增长趋势。自20世纪微创技术已被应用于治疗血管疾病，支架植入被广泛用于治疗心血管疾病，图1(a)为血管支架植入过程中不同阶段的示意图，血管支架通过球囊等方法运送至血管病变处，把原来狭窄或者堵塞的血管撑开以保证正常的血流，长时间的支撑使血管病变部位组织重生从而达到减缓和治疗的功效。图1(b)为一种血管支架形貌，血管支架不但要达到一定的力学支撑性能，还要减小与体内环境的接触面积。由于世界人口老龄化，进一步增加了心血管疾病的发病

9、率，对血管支架的需求进一步增加，大约的支架所用材料都是金属材料。然而，由于目前医用金属材料中存在很多问题，需要进一步完善。图1血管支架(a)血管支架植入过程示意图(b)血管支架形貌血管支架材料的分类及特性血管支架作为异物植入人体内，由于人体内环境理化性质的复杂性，对血管支架材料的选用提出了很高的性能要求，以减少置入后过敏、炎症以及血栓等并发症和后期再狭窄发生的可能。总的来说，用于制作血管支架所用的材料应具有良好的耐腐蚀性能；良好的血液相容性；优异的力学性能；磁共振成像可视性。目前，已经有许多不同种类的生物医用材料被用来制作血管支架，包括不可降解医用材料和可降解医用材料。不可降解的材料大体包括如

10、下：316L不锈钢、钻基合金、结合金、钛合金、钥和钥合金等几大类。1、钛及其合金医用钛及钛合金在金属医用材料中占据重要地位，钛及钛合金具有很好的力学性能和耐腐蚀性。目前研究的主要有Ti-6Al-7Nb合金和Ti-5Al-2.5Fe合金，Ti-Zr合金,Ti-Sn合金，Ti-6Mo-8Al合金，Ti-24Nb-2Zr合金等。但是由于钛合金具有较大的杨氏模量，导致钛及其合金植入体内后会产生应力遮挡，同时钛及合金具有低硬度，低磨损性，从而影响钛及钛合金的应用。2、Ti-Ni形状记忆合金Ti-Ni形状记忆合金己经是应用在医疗行业十分常见和知名的工程材料，拥有其他合金材料所不具备的柔初性和记忆功能特性，

11、医疗公司利用Ti-Ni合金己经生产制造出多种医疗器械产品。由这种合金材料加工而成的医用支架，利用微创介入技术通过放送器植入到人体血管内，在主动脉夹层治疗方面起到了良好的效果，随着人们对血管支架认识的不断提高，以及生活水平的改善，患者对支架的需求不断增大，市场前景非常看好，所以针对Ti-Ni形状记忆合金血管支架的研究工作已经成为医疗器械领域及记忆合金领域的重要课题。如图2所示为形状记忆效应示意图。T>M47<Mr/<人T>A*(1)奥氏悻(2)热弹性马氏体(3)度形马氏体(4)臭氏体高温a低温限温高温图2形状记忆效应示意图Ti-Ni形状记忆合金为近等原子比的化合物，原子比

12、为1:1左右，重量比约为45%:55%,其高温相是CsCl型体也立方结构，低温相单胞为单斜晶结构，医用Ti-Ni合金成分为Ti50.5%-51.5%at%Ni。Ti-Ni合金的独特功能是形状记忆功能，其机理从微观上可解释是材料合金相发生转变的结果。合金在低温时属于低温相，加热升温到某一值就会变为高湿相，并且相变过程是可逆的。除了记忆效应，Ti-Ni合金处于高于高温相转变温度的状态时还会表现出一种特性，即超弹性。超弹性实际上一种力学磁滞现象，具拉伸试验下的应力应变曲线表现为有上下屈服平台的闭合曲线，材料在载荷持续加载的情况下，即使材料产生的应变远远大于其弹性阶段所能承受的变形，仍然无法达到材料的

13、断裂极限，并且在卸载后变形可回复至零。如图3所示为形状记忆合金记忆功能与超弹性的关系图。OMfMsA1AF图3形状记忆合金记忆功能与超弹性的关系图Ti-Ni形状记忆合金拥有其他金属难W娘美的超强的弹性性能、抗弯折性及生物适应性，因而在医疗、航空航天等领域被大量投入应用，并起到了不可替代的作用。生物适应性可定义为材料被人体接纳的能力，由于植入人体的材料都会产生外来异物反应，材料生物适应性的能力水平与所发生反应的程度密不可分，材料的腐蚀行为及释放有毒离子的倾向性直接影响其适应性。如若材料的生物适应性差导致人体产生排斥反应，这些反应不但会对材料的功能造成影响，更重要的是对人体造成各种伤害。作为在人体

14、内工作的外来金属材料，必须确保材料是不会使人体产生排斥反应的。研究学者们针对Ti-Ni合金的体外及体内生物适应性已经做了大量的研究工作。体外研究工作主要是细胞培养，例如，Wever等对Ti-Ni合金的释放有毒离子的倾向性及过敏反应做了相关研究评价，并与316L不绣钢材料做对比，结果发现Ti-Ni合金不会导致人体过敏反应，Putter等分别对比研究了Ni、Ti、Ti-Ni合金对成人纤维细胞分裂的影响，对比发现合金拥有和Ti同样优异的与人体细胞协调的能力。体内研究王作主要是利用动物来观察Ti-Ni合金植入体内所引起的反应，王继芳等将Ti-Ni合金金属片植入动物体内，观察植入部位的变化，发现人体组织

15、将合金覆盖，未见不良反应，说明体内对Ti-Ni合金没有产生排斥，组织适应性好，薛森等对Ti-Ni合金进行了动物体内埋植实验10个月，观察发现植入部位的组织细胞完好，从而说明是Ti-Ni合金是合格的医用材料。3、医用不锈钢医用不锈钢材料在医用材料的使用上具有最长的使用历史，奥氏体不锈钢，是唯一一个用于生物医学应用的金属材料，如骨固定和脊柱固定等。目前主要的不锈钢中主要由N和Mn替代Ni元素，主要有Fe-17Cr-10Mn-3Mo-0.49N-0.2C(P558)合金，Fe-21Cr-9Ni-3Mn-0.41N合金,Fe-(19-23)Cr-(21-24)Mn-(0.5-1.5)Mo-0.9N合金

16、,X13CrMnMoN18-14-3合金等,但是316L不锈钢是一种含有Ni离子的不锈钢，当其植入受体后，Ni离子的释放具有细胞毒性；不锈钢在磨损过程中会造成重金属聚集从而导致发炎等症状，影响了其在医学上的应用。医用不锈钢存在以下主要问题：表面硬度较低，耐磨性较差，在人体的体液环境中对点蚀敏感，且腐蚀将会通过细胞对电流的反应，改变人体组织的PH值并释放Ni、Cr、Mo等对人体有害的金属离子，引起局部组织过敏疼痛，甚至诱发癌变。弹性模量与人骨组织相差较大，易产生应力遮挡，使假体松动，产生骨骼吸收和萎缩现象，最终造成植入失效。生物相容性较差，表面无生物活性，植入人体环境后与人体系统形成形态结合，影

17、响植入效果造成植入失败。4、可降解高分子材料可降解高分子材料植入受体后，经过一定时间能够降解，其降解产物能够随着人体的代谢系统排出体外，不会造成长期的并发症。同时，高分子材料支架易于携带药物，降低了凝血、发炎、再狭窄等现象。但是，由于高分子材料的力学性能不能满足支架用材料的性能，因此，高分子材料支架具有尺寸较大等缺点；此外，高分子属于粘弹性材料，植入受体后，增加了导致血栓的风险；与此同时，聚合物支架无MRI可见，增加手术过程中的操作难度。5、可降解铁基材料研究表明纯铁及铁基合金如Fe-Mn合金，Fe-Mn-Pb合金等植入受体后都具有可降解性，因此常被用作可降解医用材料，但是铁基材料支架在动物血

18、管内降解速率过慢；金属纯铁具有很高的弹性模量，因此铁基血管支架具有很高的径向支撑强度，但是纯铁的抗拉强度只180-210MPa有，不能满足血管支架的力学性能要求；另外，铁基材料具有一定的磁性，可视性差，不利于手术操作。6、可降解镁及镁合金镁合金作为可降解材料有着非常悠久的历史，在19世纪晚期，Edward等人于1878年初次在三个病人使用镁金属丝作为结扎手术中的止血材料，实验得到不同程度的成功。近年来，镁基生物材料再次成为主要研究对象。目前主要研究的生物材料镁合金主要有Mg-Al-Re合金，Mg-Al-Mn合金，Mg-Al-Zn合金，Mg-Y-Re合金，和Mg-Zn-Re合金等系列合金。目前，

19、制作血管支架用的镁合金材料主要有AE21、WE43和AM60等。但由于承重的可降解植入材料的机械性能要求，植入的支架用材料的基本性能十分重要，镁合金由于它的六角立方结构导致延展性和韧性十分有限，主要依靠大量有效地滑移系统开动提供镁合金的变形。然而，耐腐蚀性差和在支撑过程中不能满足血管支架要求的力学性能完整性限制了镁合金的应用。镁合金作为血管支架材料在动物实验和临床试验方面己经有了相当一部分的研究工作。首篇关于镁合金可降解血管支架的报道在2003年，德国Biotronik公司报道了公司自行研发的AE21镁合金支架植入猪的冠状动脉的研究，术后10-35天观察到由于内膜增生造成的40%的管腔直径损失

20、(p<0.01,35-56天观察到血管重塑25%的管腔再扩大(p<0.05，无炎症反应。DiMario和Waksman的镁合金支架动物实验研究表明，植入6天镁合金支架即内膜化，28天支架发现腐蚀迹象。术后12周，镁合金支架组最小管腔内径高于不锈钢组(1.68mmvs1.33mm)(如图4所示)。图4镁合金支架组最小管腔内径高于不锈钢组(1.68mmvs1.33mm)AMS是最早用于临床的镁合金支架，该支架由管状镁合金经激光雕刻而成，具有与金属支架类似的机械支撑力。第一代AMS(AMS1.0)无抗增殖药物，因降解速度过快，植入血管2月后即完全降解，导致了晚期管腔回缩。目前该支架已被重

21、新设计，新一代AMS(DREAMS支架)降解过程已延长至6个月。综合镁合金支架的动物体内研究和临床实验研究，制约镁合金作为心血管支架材料临床使用的最关键的问题是其在人体内过快的降解速率：镁合金过快的降解速度使得其在血管内皮化及血管修复未完成前提前失去了支撑血管的力学性能，导致血管的早期弹性回缩；另外，降解产物的局部积累对靶向血管部位的影响还需要进一步研究。三、展望生物医用材料是生命科学和材料科学的交叉学科，其研究内容涉及材料医学、生物学、力学、工程学等诸多领域。当今，生物医用材料已从20世纪的第一代和第二代生物医用材料发展到基于细胞和分子水平的第三代生物医用材料。基于患者自身细胞制造的组织工程

22、医疗产品也为组织和器官修复开辟了新的道路。综合目前生物医用材料的研究现状，未来生物医用材料的研究将集中在以下几个方面：(1)对第一、二代生物医用材料的改进研究；(2)第三代生物医用材料的研发，特别是在材料中含特定生长因子和基因，促进组织的再生；(3)利用组织工程技术，建立有特定功能和形态的组织和器官，从而达到修复和再造的治疗目的；(4)纳米技术和生物应用材料相结合。纳米生物医用材料以其独特的性能，展现出引人注目的应用前景。参考文献：1 DotterCTJudkinsMP.TransluminalTreatmentofArterioscleroticObstruction,Description

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