生物材料：第一章 绪论

1、生物材料生物材料的应用实例7/20/202227/20/202237/20/202247/20/202257/20/20226第一章 绪论 第一节 引言 二十一世纪的支柱学科生物: 与人的生命息息相关材料： 与人的生活形影不离信息： 与人的交流密不可分环境： 与人的生存唇齿相依. 一切先进的科学技术都是为了提高人类生活质量, 延长人类寿命。 成功=（智慧X0.3+毅力X0.7)X身体健康系数 健康身体是基本保证。 7/20/20229人类寿命与遗传有关与生活工作环境有关与疾病预防治疗有关疾病影响因素治疗方法药物、物理、化学治疗器官移植自体移植异体移植异种移植人工器官克隆技术组织工程器官或组织不

2、正常再生医学7/20/202210疾病诊断 医疗器械或设备 生物材料 临床医学 材料 生物材料疾病治疗 器械设备 高效低毒药物7/20/202211（一）生物材料的概念 生物材料 Biomaterials（也称生物医用材料Biomedical Materials）是一类具有特殊性能、特种功能，能用于人工器官制造、人体组织修复或再生、理疗康复、诊断检查、治疗疾患等医疗、保健领域，而对人体无不良影响的材料。 7/20/202212（二）生物材料的基础 先进的临床医学离不开新型的生物材料生物材料医学材料科学工程学物理学 化学 信息学生物学7/20/202213.生物材料能否用于人体？生物材料能否人工

3、合成？7/20/202214人体轴面图人体器官7/20/202216人体全身血管7/20/202217人体结构和功能的基本单位细胞细胞的微观结构及细胞膜7/20/202219生物大分子生物大分子与合成高分子7/20/202221（三）生物材料的分类按材料的来源分类 （天然、合成、半合成等） 按材料的使用要求分类（后详述）按材料的性质分类（有机、无机、金属等） 按材料的应用部位分类（口腔材料、眼科材料、骨科材料、心血管材料等）7/20/202222按材料的使用要求分类 非植入材料：只与体表或体腔接触。 如医疗器械、注射器、导管、 绷带、敷料、创可贴等 半植入材料：植入体内一段时间， 待功能完成后

4、取出。如内固定 材料、手术缝合线、隐形眼镜等。 植入材料：作为修复或替换材料长期植 入体内。如人工器官、血管支架、 牙科材料。 生物材料 （五）生物材料的学科内容1. 人体生理环境、组织结构、器官生理功能等及其临床替代方法和技术。2. 特种生物功能材料的合成、改性、加工成型以及材料的特种功能与其结构之间的关系。 3. 材料与细胞、组织、血液、体液、蛋白、免疫、内分泌等系统的相互作用以及减少材料毒副作用的方法。 4. 材料的灭菌、消毒、医用安全性评价方法与标准以及管理法规的研究。 7/20/202224生物材料的用途只有一个就是改善人类的生活质量、延长人类的寿命。具体讲就是防病、诊病、治病和康复

5、。 六、生物材料的用途7/20/202225改善 生活质量、 延长 人类寿命。 诊病、治病、防病。 生物材料的用途7/20/202226人工器官（一）人工血管 人工瓣膜 人工心脏人工血浆 人工蛋白 人工晶体人工角膜 人工泪管 人工耳骨人工食道 人工胆道 人工膀胱人工颅骨 人工关节 人工乳房人工睾丸 人工阴茎 人工皮肤 人工软骨 人工神经 人工尿道人工牙托 人工肌腱 人工血管等。人工器官（二）人工喉 人工肾 人工肝 人工肺人工胰 人工骨 人工耳 人工肠人工齿 人工指 人工泪 人工骨人工玻璃体 人工输尿管人工输卵管人工括约肌 人工视网膜人工胰细胞人工甲状腺 人工心脏瓣膜 等等 医疗器械及制品 输液

6、输血袋 输液输血器 手术覆盖膜 医用粘合剂 心脏起搏器 体外氧合器 血浆分离器 透析器管道 女性节育器 药物缓释器 手术缝合线 生物传感器 手术器械 医用导管 医用插管 止血海绵 医用手套 隐形眼镜 矫形钉 矫形板 骨水泥 脊椎钉 注射器 储血袋 创可贴 绷带等新型药物及制剂1. 控缓释给药系统Controlled or sustained release Drug Delivery Systems（DDS）2. 微粒工程系统（Particle engineering DDS）3. 靶向给药系统（targeting DDS）或定位给药系统（site-specific DDS）4. 智能给药系统

7、（intelligent DDS）或自我调节给药系统（self-regulated DDS）5. 经皮给药系统（Transdermal DDS）6. 粘膜给药系统（mucosal DDS）7. 植入给药系统（implanting DDS）8. 多肽、蛋白、疫苗类药物给药系统（Peptide, protein and vaccine DDS）9. DNA基因治疗给药系统（DNA DDS for Gene therapy）10.高分子药物（Polymer Drugs）7/20/202230 例一 血液净化器7/20/202231例二 人工心脏与心脏起搏器7/20/202232例三 人工血管与支架

8、.7/20/202233例四 人工心脏瓣膜7/20/202234例五 人工耳7/20/2022353D打印机能打印出的人体软组织远不止耳朵，还打印过肾脏、心脏。只要攻克了材料方面的难题，打印出的内脏器官可以直接移植到人体内与人体完美融合。高分子材料耳朵 例六 人工骨图5-1 生物材料在骨修复中应用生物材料在骨修复中应用7/20/202237七、生物材料的一般要求1、必须符合“医用级”标准2、溶出物和可渗出物含量低3、良好的生物稳定性（生物相容性）4、优良的机械性能5、便于灭菌和消毒6、价格便宜7/20/202238教育部关于战略性新兴产业相关专业申报和审批工作的通知（ 2010年3月）战略性新

9、兴产业涉及的领域包括：新能源产业。可再生能源技术、节能减排技术、清洁煤技术、核能技术，节能环保和资源循环利用，以低碳排放为特征的工业、建筑、交通体系，新能源汽车等。信息网络产业。传感网、物联网技术。新材料产业。微电子和光电子材料和器件、新型功能材料、高性能结构材料、纳米技术和材料等。农业和医药产业。转基因育种技术。创新药物和基本医疗器械关键核心技术。空间、海洋和地球探索与资源开发利用。7/20/202239国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定到2020年，节能环保、新一代信息技术、生物、高端装备制造产业成为国民经济的支柱产业，新能源、新材料、新能源汽车产业成为国民经济的先导产业。新材料

10、产业包括特种功能材料、高性能复合材料、化工新材料、纳米材料等；生物产业涉及创新药物、生物医药、先进医疗设备、生物育种、干细胞、转基因6个子行业。 7/20/202240八、生物材料的发展与展望生物材料的发展 生物材料发展的四个阶段. 直接天然材料 生物惰性材料 改性天然材料 生物降解材料 生物活性材料 7/20/202241生物材料的发展与展望1、生物材料的发展公元前3000年，中国、古埃及利用天然产物进行伤口缝合，制造假牙等。1588年用黄金板修复颅骨1775年用金属固定内骨折1851年用天然橡胶做牙托1940年人工器官相继临床应用1994年美国约有4万人接受器官移植2000年美国生物材料制

11、品的产值达800亿美元，而我国生物材料制品的产值不到20亿人民币。美国已有1100万人身体内至少有一件生物材料制品。目前所有的人体器官均已被研究，并且许多已作为商品出售，仅美国和西欧，每年就有上百万病人使用人工器官，每年用于修复的植入材料已逾500万件，欧美国家的人年均消费在100美元以上。 中国人均消费不到30元人民币。生物材料及其制品是21世纪最有生机的产业其产值将超过电子信息产品。2010年再生医学生物材料为再生医学奠定了物质基础。2012年3D打印机打印出具有生物活性的耳朵7/20/2022422、生物材料的发展趋势血液相容性材料的研制（抗凝血材料）生物降解材料的研制及临床应用人工器官

12、的功能和结构改进生物活性材料组织工程化器官（再生医学）开发新型医疗器械缓释控释药物的开发及临床应用材料与人体组织或器官之间的相互作用7/20/202243 第二节生物材料的最新研究进展7/20/202244一、人工器官人体器官制造厂7/20/2022457/20/202246人工器官的发展方向是小型化和智能化人工器官的关键性难题就是功能化7/20/202247 。 二、克隆技术7/20/202248早期的克隆幻想7/20/202249克隆技术研究现状克隆技术本身无可厚非克隆人是对人类的反动克隆人的代际关系与传统的父母子女关系出现断裂，传统的生育伦理面临严峻挑战，克隆废品如何处理，克隆人之间的关

13、系十分尴尬，非现代伦理所能调适，相同基因克隆人之间是何种关系，更何况难以分辨，无法识别身份。生命价值，人类尊严会发生重大变化，以人为本已无意义。造人工厂一旦形成，人和普通产品还有什么区别，以医疗为目的的克隆人会使人类身体商品化。 组织工程示意图三、组织工程学7/20/202251神 经 桥 接7/20/202252组织工程化软骨7/20/202253 组织工程化耳7/20/202254 动物体内已成功构建出组织工程化组织与器官In vitro eng-earFemurArticular cartilageMeniscusTrachea TendonTM jointSkinCornea stro

14、maCornea epitheliumVesselNerve7/20/202255组织工程的最新成果英国医学杂志柳叶刀报告说，美国科学家成功地在实验室中培育出再生膀胱，并顺利移植到7名患者体内。这是世界上第一次将实验室培育出的完整器官成功移植入患者体内，这次重大突破将为此后其他器官的培育研究增添希望，也将为成千上万苦苦等待器官移植的患者带来福音。再生膀胱在人体内移植成功意味着组织工程技术从单一组织向复合组织的飞跃，离心脏、肝脏和肾脏等功能性器官的再生和修复更近了一步。全球首次！美国在实验室中培育出膀胱并移植成功7/20/202256 纳米技术是20世纪80年代末期刚刚诞生并正在崛起的新科技，它

15、的基本涵本是在纳米尺寸（1010107m）范围内认识和改造自然，通过直接操作和安排原子、分子创造新物质。 纳米科技是研究由尺寸在0.1100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用可能的实际应用中的技术问题的科学技术。 四、纳米技术与材料7/20/202257 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。如果按维数，纳米材料的基本单元可以分为三类 零维，指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子团簇等； 一维，指在空间有两维尺度处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等； 二维，指在三维空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜、多层膜。7/20/2022

16、58纳米技术与生物材料7/20/202259五、自组装材料自然界自组装过程很多，小到树叶上的水滴，其表面的弯曲恰到好处，其实是简单的热力学自组装。 生命体的形成是复杂 的自组装过程,从一 个胚胎发育成一个生 命,不需要人类的手动 进行参与。7/20/202260自组装材料在生物材料的应用目前的汽车、计算机、电话等都是先制造出配件，然后人类动手组装，自动化程度再搞也是人在操纵，不会在地下长出一辆汽车，也不会在树上结出一部收音机等。科学家们正在设想制造出能用一套已建立的指令来自我设计并能模仿生命自组装的材料。这种材料的原子、分子、原子团和组件能够自动进行组装，不需要人的操纵。7/20/202261

17、自组装材料在生物材料的应用理想的自组装材料尚未出现，但有关研究已经取得了一些成果。如：浮法玻璃生产技术：熔融的玻璃在熔融的金属（锡）自动形成的玻璃两面平坦光滑，比先生产玻璃在抛光物美价廉的多。利用自组装技术生产的石墨管，可达到纳米级。有磷脂分子自组装形成的药物载体，就是利用磷脂分子的自组装功能形成的微型球状类脂题。理想的自组装材料应有一定的记忆功能，记忆芯片和微电子技术已经可按指令进行动作。自组装材料的神奇性在于能彻底消除人的劳动可能导致的事物或损伤。7/20/202262六、液晶类生物材料 1、什么是液晶？液晶可理解为液态的晶体。有时也成为流动的晶体。与物质的晶体、液体和气体有明显的区别，有

18、时称为物质的第四态。 2、液晶的特殊性能： 结构和性质的各向异性； 外场变化对结构性能影响的敏感性；低黏度高流动性；液晶分子的自组装性；生物组织的相容性等。 3、液晶的应用：光电显示、温度指示、光学记录、光学储存、光导材料、分子增强材料、高模量高强度材料、生物医用等。体内所有生人物膜均为液晶态人体内的生物膜分子形态与合成液晶的形态液晶类生物材料 4、液晶的类型： 小分子液晶、高分子液晶、主链液晶、侧链液晶； 近晶型、 向列型、胆甾型；热致型、溶致型。 5、自然界中的液晶：液晶最早的发现是在植物体内（1888年）。 生物组织必须有足够的刚性，使其正常发挥功能，并且有一定的流动性，使生物体内的所有

19、过程能够进行。这种刚性和流动性之间精巧的平衡只有液晶才能完成。实际上人体内的所有生物膜均处于液晶态。七 再生医学 外科学已进入了再生医学的新阶段ResectionRepairRepalacementRegeneration外科学发展的四个“R”阶段7/20/202266七 再生医学 利用机体细胞重新制作损伤的组织、器官，使其恢复自然状态的研究再生医学（regenerative medicine） 利用生物及工程学的理论方法创造丢失或功能损伤的组织和器官，使其具备正常组织和器官的结构和功能。7/20/202267再生医学是综合科学涉及生命科学涉及材料科学涉及组织工程学涉及社会伦理学 细胞、细胞外

20、基质、生物材料7/20/20226869再生医学（regenerative medicine，RM）原先指体内组织再生的理论、技术和外科操作；现在，它的内涵已不断扩大，包括：组织工程细胞和细胞因子治疗基因治疗7/20/202269.修复填充材料我们的研究成果多次循环法制备的多种孔壁形态 (蜂窝型, 堡垒型, 纤维型, 丝网型)材料 SEM电镜观察多孔结构（100）孔壁上的微隙结构（SEM） 4500 1000 1250 800 超临界CO2多次循环法制备新型骨组织工程支架材料7/20/202271骨基质体视显微照片骨基质倒置显微镜观察 骨基质支架材料外观 利用超临界CO2处理的同种异体骨多孔支架7/20/202272 性能组成拉伸强度MPa弯曲强度MPa弯曲模量GPa纯PLLA65.178.62.6PLLA+20%nHA+5%Fibre93.3152.85.1PLLA+20%nHA+10%Fibre110.6171.56.2本课题组产品临床使用类似产品 甲壳素纤维增强骨组织修复与治疗用内固定材料7/20/202273 功能化纳米羟基磷灰石的制备技术电镜照片功能化处理前后的红外谱图植入样品体外毒性试验电镜照片7/20/202274 功能化聚乳酸大分子单体的合成膜材料植入3个月后的病理学观察（1