生物医用材料

1、生物医用材料生物医用材料第1页Chapter8 Polymer2本章内容8.1 生物医用材料概述8.2 生物医用材料发展简史8.3 生物医学材料种类8.4 生物医用材料特征与评价8.5 生物医用材料应用实例 生物医用材料第2页ISO定义，生物医学材料(Biomedical Materials)即生物材料(Biomaterials)，指“以医疗为目标，用于与组织接触以形成功效无生命材料”另有定义：含有天然器官组织功效或天然器官个别功效材料特征：用于与生命系统接触和发生相互作用，并能对其细胞、组织和器官进行诊疗治疗、替换修复或诱导再生一类特殊功效材料8.1 生物医用材料概述生物医用材料第3页 生物

2、材料是材料科学领域中正在发展各种学科相互交叉渗透领域，其研究内容包括材料科学、生命科学、化学、生物学、解剖学、病理学、临床医学、药品学等学科，同时还包括工程技术和管理学科范围。生物材料发展历程生物医用材料第4页生物材料正在挽救和维持世界上成千上万心血管患者生命；正广泛用于伤残人肢体形态和功效恢复 ；正在计划生育、控制人口、提升大家健康水平方面发挥巨大作用 生物材料不是药品，其治疗路径是以生物机体直接结合和相互作用为基础特征生物医用材料第5页8.2 生物医用材料发展简史古代（利用天然物质和材料治病）BC5000 黄金修复失牙BC3500 古埃及，棉花纤维、马鬃等缝合伤口 印第安人使用木片修补受伤

3、颅骨BC2500 中国、埃及，假牙、假手、假鼻、假耳等人工假体 隋末唐初，银膏补牙-成份是银、锡、汞、铜、锌，类似于当代牙齿填充材料汞齐合金生物医用材料第6页近 代最先应用于临床实践金属材料是金、银、铂等珍贵金属（良好化学稳定性和易加工性）1588 用黄金板修复颚骨1755 用金属固定体内骨折1829 经过各种金属系统动物试验，发觉金属铂对机体组织刺激性最小1851 创造天然橡胶硫化方法后，开始利用天然高分子硬橡木制作人工牙托和颚骨进行临床治疗1892 用硫酸钙填充骨缺损，这是陶瓷材料植入人体最早实例生物医用材料第7页John Charnley19581961心脏起搏器19321933人工心脏

4、瓣膜1952生物医用材料第8页现 代 生物医学材料取得实质性进展开始于20世纪20年代不锈钢1926 含18%铬和8%镍，首先应用于骨科治疗，随即应用于口腔科1934 研制出高铬低镍单相组织AISI 302和304，在体内生理环境下耐腐蚀性显著提升1952 开发出耐蚀性更加好AISI316不锈钢，逐步取代AISI 30220世纪60年代 为处理不锈钢晶间腐蚀问题，研制出超低碳不锈钢AISI 316L和317L钴镍合金铸造钴镍合金首先在口腔中得到应用20世纪30年代末 应用于制作接骨板、骨钉等内固定器械50年代 成功制成人工髋关节60年代 研制出铸造钴铬钨镍合金和铸造钴铬钼合金，提升力学性能，并

5、应用于临床70年代 研制出铸造钴铬钼钨铁合金和含有多相组织MP35N钴铬钼镍合金，改进钴基合金抗疲劳性能，应用于临床生物医用材料第9页现 代 生物医学材料取得实质性进展开始于20世纪20年代钛 金属钛，优异耐蚀性、生物相容性、密度低； 20世纪40年代 制作外科植入体 50年代 用纯钛制作接骨板和骨钉 70年代 Ti6A14V合金（强度比纯钛高，耐蚀性和密度与之相同）、TiSAl2.5Sn合金和钛钼锌锡等合金取得应用 从而使钛和钛合金成为继不锈钢和钴基合金之后又一类主要医用金属材料 70年代后 NiTi系为代表形状记忆合金逐步在骨科和口腔科得到应用，并成为医用金属材料主要组成个别生物医用材料第

6、10页现 代 生物医学材料取得实质性进展开始于20世纪20年代生物陶瓷 从20世纪60年代初开始应用于生物材料 多晶氧化铝陶瓷 低温各向同性碳 生物玻璃 羟基磷灰石（生物活性陶瓷） 生物陶瓷复合材料 引入活体细胞或生长因子生物陶瓷构架Harold Ridley，二战后创造眼内透镜（人工晶状体）生物医用材料第11页现 代 生物医学材料取得实质性进展开始于20世纪20年代生物医用高分子 始于20世纪50年代有机硅聚物发展 有机硅聚合物 聚甲基丙烯酸甲脂（骨水泥）生物医用高分子材料大发展，制作了人工心瓣膜、人工血管、人工骨、手术缝合线等20世纪90年代后，借助于生物技术和基因工程发展，由无生物存活性

7、材料扩展到含有生物学功效材料领域，其基础特征是含有促进细胞分化、增殖、诱导组织再生、参加生命活动等功效。生物医用材料第12页生物医用材料是研制人工器官及一些主要医疗技术物质基础。综观人工器官及医疗装置发展史，每一个新型生物材料发觉都引发了人工器官及医疗技术飞跃。生物惰性医用硅橡胶人工耳、人工鼻、人工颌骨等血液相容性很好各向同性碳被复材料碟片式机械心脏瓣膜血液亲和性及物理机械性能很好聚氨酯嵌段共聚物促使人工心脏向临床应用跨越可形成假生物内膜编织涤纶管人工血管向实用化飞跃生物医用材料第13页8.3 生物医学材料种类当前被详细研究过生物医用材料已超出1000种，被广泛应用有90各种材料，1800各种

8、制品。生物医用材料第14页增加率26%增加率45%市场将达800亿美元高速增加高速增加其它医疗器械制品其它生物材料和制品药品缓释材料人造皮肤、组织粘合剂及术后防粘连制品矫形外科修复材料和制品心血管系统修复材料、血液净化材料工程化组织和器官全球生物医用材料细分市场发展生物医用材料第15页全球生物医用材料细分市场发展全球释药系统市场（单位：亿美元）中国释药市场年药品市场达140亿美元，按10%百分比估算，其中释药市场为14亿美元伴随人民购置力提升，保健意识增强，今后我国药品市场每年将以5000万美元幅度增加生物医用材料第16页全球生物医用材料细分市场发展我国生物材料和制品所占世界市场份额不足1.5

9、产品技术水平处于初级阶段，且产品单一同类产品与国外产品比，基础上属于仿制，自主知识产权较少生物医用材料与制品70-80%要依靠进口产业处于起步阶段我国生物医用材料产业现实状况生物医用材料第17页硬组织相容性材料 主要用于生物机体关节、牙齿及其它骨组织软组织相容性材料 主要用于人工皮肤、人工气管、人工食道等 血液相容性材料 主要用于人工血管、人工心脏、血浆分离膜、血液灌流用吸附剂、细胞培养基材等 生物降解材料 主要用于吸收型缝合线、药品载体、愈合材料、粘合剂以及组织缺损用修复材料按材料功效生物医用材料分类生物医用材料第18页生物医用材料分类按材料起源自体组织 如人体听骨、血管等替换组织同种异体器

10、官及组织 如不一样人体之间器官移植异种器官及组织 如动物骨、肾替换人体器官天然生物材料 如动物骨胶原、甲壳素、珊瑚等人工合成材料 如各种人工合成新型材料生物医用材料第19页生物医用材料分类按材料使用部位硬组织材料 骨、牙齿用材料 软组织材料 软骨、脏器用材料心血管材料 心血管及导管材料血液代用材料 人工红血球、血浆等分离、过滤、透析膜材料 血液净化、肾透析以及人工肺气体透过材料等生物医用材料第20页除了应含有必要理化性能外，生物医用材料还需要满足在生理环境下生物学要求，含有良好生物相容性这是生物材料区分于其它材料基础特征生物医学材料安全性评价指采取生物学方法来检测材料对受体毒副作用，从而预测该

11、材料在医学实际应用中安全性；包含对局部组织、血液与整体反应及对受体遗传效应8.4 生物医用材料特征与评价生物医用材料第21页玻璃钢人工颅盖骨生物医用材料特征与评价对生物医用材料基础要求对于人体组织无刺激性、无毒副作用、无致癌性唾液、血液、间质液均含Cl-、Na+、K+离子。接触人体各种体液(唾液、淋巴液、血液)时，应有良好耐蚀性不产生吸水膨润、软化变质本身不改变生物医用材料第22页高分子与钛合金人造髋骨对生物医用材料基础要求含有必要强度、耐磨性、耐疲劳、润滑性能如髋关节在静止状态承受体重1/2，水平步行时承受重量为静止时3.3倍，而跑步时则为4倍以上。另外，每步行1km约活动1000次，每年约

12、承受(1 3)106次重复负荷作用生物医用材料特征与评价生物医用材料第23页Ti-O薄膜表面血小板形态(好)Ti-O薄膜表面血小板形态(差)对生物医用材料基础要求生物体组织、与血液有相容性 不引发溶血、凝血，与软、硬组织有良好粘接性，不产生吸收物和沉淀物 不产生局部或全身性反应，最好能与骨形成化学结合，含有生物活性生物医用材料特征与评价生物医用材料第24页对生物医用材料基础要求其它要求 良好空隙度，体液及软硬组织易于长入 易加工成形，使用操作方便 热稳定好，高温消毒不变质等性能生物医用材料特征与评价生物医用材料第25页常见硬组织替换材料人工关节 1890 Gluck首先应用象牙制造下颌关节 1

13、938 Wiles用不锈钢作髋臼与股骨头，而后 Moor开展了人工股骨节置换术 1940 Wder弟兄用合成树脂制造人工关节 1951 开始全髋人工关节置换术 1952 Habowsh用固定牙丙烯酸脂固定人工髓关节，合成树脂开始用于人工关节与骨结合 1958 Charnhey依据重体环境滑润理论，用聚四氟乙烯髋臼 和金属股骨头制成低磨擦人工关节 1962 Charnley把高密度聚乙烯髋臼和直径为22毫米金属股骨头组成全髋人工关节，并用骨水泥（甲基丙烯酸脂）固定，取得较满意效果 自此，人工关节置换术进入实际应用新阶段。8.5 生物医用材料应用实例生物医用材料第26页常见硬组织替换材料人工关节

14、现已研制出膝、髋、肘、肩、指、趾关节假体用于临床 欧美等国家每年全髋置换超出80万例 我国人工关节置换术达25万例髋关节生物医用材料第27页常见硬组织替换材料生物医用材料第28页人工关节磨损病因无菌松动是人工关节置换后最常见并发症和最终失效主要原因 磨损产物磨屑是造成无菌松动原因人工关节长久使用后，首先磨损后影响置换关节装配性能；更主要是产生大量磨屑，其中较小磨屑被组织细胞吞噬，较大磨屑被组织细胞包绕。从而使组织细胞激活，并分泌大量溶滑性因子，引发骨溶解，造成人工关节松动。而松动人工关节又加重了磨损，产生更多磨屑，形成恶性循环，最终使置换关节失效常见硬组织替换材料生物医用材料第29页常见硬组织

15、替换材料生物医用金属材料是临床应用最广泛承力植入材料是一类生物惰性材料，除含有较高机械强度和抗疲劳性能，含有良好生物力学性能外，还必须含有优良抗生理腐蚀性、生物相容性、无毒性和简易可行及确切手术操作技术金属材料种类很多，但能在人体生理环境条件下长久安全服役却不多外科用金属材料经过长久研究和临床筛选而得到广泛应用金属材料主要有不锈钢钴基合金钛及其合金形状记忆合金贵金属钽、铌、锆磁性合金生物医用材料第30页不锈钢骨钉常见硬组织替换材料不锈钢成本低，但在体内有腐蚀和组织反应等 不锈钢中添加Mo可克服铬钝化膜在氧化环境中耐腐蚀性能, 降低碳含量，可预防晶间腐蚀常见来制作各种人工关节和骨折内固定器、截骨

16、连接器等，也用于牙科等各种器件(针、钉、髓内针、齿冠、三棱钉)制造 生物医用金属材料生物医用材料第31页常见硬组织替换材料含Mo钴基合金，已用于生物体中Co-Cr-Ni-Fe-Mo合金耐腐蚀性是普通不锈钢如31640倍，已用于牙科、整形外科钴基铬钼合金生物相容性超出铁铬镍和钴铬合金与不锈钢相比，钴基合金钝化膜更稳定，耐蚀性更加好，植入体内不会产生显著组织反应钴基合金耐磨性是全部医用金属材料中最好，与不锈钢相比，更适于制造体内承载苛刻长久植入件 生物医用金属材料生物医用材料第32页常见硬组织替换材料含Mo钴基合金铸造钴铬钼合金最先在口腔科得到应用 20世纪30年代末 接骨板、骨钉等固定器械 20

17、世纪50年代 人工髋关节20世纪60年代，为提升力学性能，研制出铸造钴铬钨镍合金和铸造钴铬钼合金20世纪70年代，为改进疲劳性能，研制出铸造钴铬钼钨铁合金和含有多相组织MP35N钴铬钼镍合金生物医用金属材料人工关节（尤其是受载荷最大髋关节）人工骨及骨科内处固定器件齿科修复中义齿，各种铸造冠、嵌体及固定桥心血管外科及整形科等因为其价格较高，加工困难，应用尚不普及应用于生物医用材料第33页常见硬组织替换材料含Mo钴基合金生物医用金属材料人造髋关节头杆个别。从股骨上端插进金属杆，杆头有一个金属头，嵌在粘于髋骨窝中一个塑料臼中生物医用材料第34页常见硬组织替换材料钛合金强度不如钴合金，但耐腐蚀性好，与

18、人体组织反应很弱，钛合金密度小，弹性模量低，靠近于天然骨耐疲劳、耐蚀性均优于不锈钢和钴基合金，且生物相容性和表面活性好，是较为理想一个植入材料Ti易形成致密稳定氧化膜，有很好钝化作用。Ti合金含有很强耐蚀性缺点：Ti合金磨损与应力腐蚀较显著生物医用金属材料广泛用于修补颅骨，制成钛网或钛箔用于修复脑膜和腹膜、人工心脏瓣膜支架、口腔颌面矫形颌修补，制作各种人工关节、接骨板、骨螺钉与骨折固定针等，也用于制作牙根种植体等头颅微型钢板生物医用材料第35页常见硬组织替换材料生物医用金属材料自1951年首次报道Au-Cd合金含有形状记忆效应以来，当前已发觉20各种形状记忆合金其中以镍钛合金在临床上应用最大镍

19、钛合金在不一样温度下表现为不一样金属结构相。如低温时为单斜结构相，柔软可随意变形；高温时为立方体结构相，刚硬，可恢复原来形状，并在形状恢复过程中产生较大恢复力特点：奇特形状记忆功效、质轻、磁性微弱、强度较高、耐疲劳性能、高回弹性和生物相容性好等。用于管腔狭窄治疗。支架安入管腔狭窄部位后，能将狭窄管腔撑开，并与管壁相贴紧，固定好；其生物相容性好，长久安放对黏膜无显著损伤；其高回弹性能顺应管道弯曲，对人体刺激小生物医用材料第36页脊椎矫正植入体食管支架血管支架牙齿矫形丝血管和食管引导丝常见硬组织替换材料形状记忆合金用于制作脊椎侧弯症矫形器械、牙科器件、血栓过滤器、血管扩张支架、血管栓塞器等 生物医

20、用金属材料生物医用材料第37页生物医用材料第38页常见硬组织替换材料贵金属指金、银、铂及其合金，耐腐蚀、抗蠕变，对机体组织无毒，刺激性小，导电性好金合金主要用于口腔科生物医用金属材料生物医用材料第39页骨和组织(兰色)长入多孔钽结构(黑色)中多孔结构常见硬组织替换材料钽、铌、锆耐蚀性、生物相容性好，无毒性可加工成板、带、丝等用于骨科、心血管方面治疗生物医用金属材料生物医用材料第40页牙根种植体钽、铌、锆用于制作牙根种植体、义齿、牙床、托环、牙桥、牙冠等常见硬组织替换材料生物医用金属材料生物医用材料第41页银汞合金由含银（65）、锡（25）、铜(6)、锌(2)合金粉与汞按58重量比 ，混合研磨而

21、成 。为一个含有可塑性膏状物，15分钟后开始硬固，24小时后完全硬固。常见硬组织替换材料生物医用金属材料生物医用材料第42页牙槽骨内种植体生物医用材料第43页生物医用材料第44页种植牙并不是真种上一棵或几棵与天然牙一样牙齿，而是以种植材料埋植到牙槽骨内（种植体），再在其上做假牙一个“假牙”修复方法。它是一个以植入骨组织内下部结构为基础来支持、固位上部牙修复体缺牙修复方式。主要包含下部支持种植体和上部牙修复体两个别。 生物医用材料第45页常见硬组织替换材料依据生理环境下化学活性和性质可分为四类生物惰性：Al2O3、氧化锆等氧化物生物陶瓷，Si3N4、钛酸钡等非氧化物生物陶瓷、医用碳素等，生理环境

22、下能长久保持稳定 生物活性：羟基磷灰石生物活性陶瓷和生物活性玻璃陶瓷，在生理环境中可经过其表面发生生物化学反应与组织形成化学键性结合，起到了适合新生骨沉积生理支架作用，也就是所谓“骨引导”和“骨传导”作用可吸收型：如石膏、磷酸三钙陶瓷，在生理环境中可逐步被降解吸收，诱导骨质生长，并随之被新组织所替换，到达修复或替换病损组织目标复合型：生物陶瓷与生物陶瓷或与其它无机材料、有机材料复合而成复合型材料生物医用陶瓷材料生物医用材料第46页常见硬组织替换材料在临床上，生物医用陶瓷主要用于肌肉-骨骼系统修复和替换，也可用于心血管系统修复、制作药品释放和传递载体复合型生物陶瓷还可用于制造人工腱、韧带生物医用

23、陶瓷材料能承受负载矫形材料，用在骨科、牙科及颌面上：Al2O3陶瓷、稳定ZrO2陶瓷、生物活性玻璃、生物微晶玻璃等种植齿、牙齿增高：Al2O3陶瓷、氟聚合物/金属基复合材料、生物活性玻璃、自固化磷酸盐水泥和玻璃水泥、活性涂层材料等耳鼻喉代用材料： Al2O3陶瓷、生物活性玻璃、生物活性微晶玻璃、磷酸盐陶瓷人工肌键和韧带：PLA（聚乳酸）-碳纤维复合材料人工心脏瓣膜：热解碳涂层可供组织长入涂层（心血管、矫形、牙、额面修复）：多用Al2O3陶瓷骨充填料：磷酸钙及磷酸钙盐粉末或颗粒脊椎外科：生物活性玻璃或生物活性玻璃陶瓷眼：生物玻璃、羟基磷灰石生物医用材料第47页生物陶瓷中耳通气引流管常见硬组织替换

24、材料生物陶瓷材料在生物体内极为稳定，与生物组织有良好亲和性，尤其适于作人体硬组织如骨和齿替换修补材料，能与人体骨生长在一起，形成化学结合 生物陶瓷人工听小骨假体生物医用陶瓷材料生物医用材料第48页常见硬组织替换材料磷酸钙陶瓷含有生物降解性，并能被人体吸收羟基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2是骨组织与牙组织无机组成个别，其单位晶胞与人体骨组织相同，含有非常好生物活性，但性脆、强度不高，不能直接用于承受载荷大种植体，可用于低载荷多孔种植体，当人骨组织长入羟基磷灰石孔洞中后可起加强作用羟基磷灰石与聚合物复适用于人造骨，效果更加好，已经有羟基磷灰石/聚乙烯复合材料羟基磷灰石作为金属种植体表面涂层，

25、能大大提升人体骨长入孔洞速度羟基磷灰石覆盖钛合金假牙生物医用陶瓷材料生物医用材料第49页采取增强含微孔羟基磷灰石(HA)陶瓷制成人工听小骨假体，在语言频率范围，平均提升病人听力2030dB，在特定语言频率范围提升4560dBHA中耳通气引流管界面润湿角小、毛细管力大、引流效果好，适合用于分泌性中耳炎患者置管后患者鼓膜多自行愈合，且能显著改进听力，是一个较为理想通气引流管常见硬组织替换材料生物医用陶瓷材料生物医用材料第50页常见硬组织替换材料非活性生物玻璃及生物玻璃陶瓷将一些玻璃在适当高温进行晶化处理，玻璃中可析出大量微小晶体，这么玻璃称为微晶玻璃、结晶化玻璃或玻璃陶瓷人工骨用生物医学玻璃，含有

26、良好耐酸碱腐蚀特征、生物相容性和耐磨性能治疗用生物医学玻璃，可埋入肿瘤部位，经过在磁场下发烧特征或其内部同位素放出射线杀死癌细胞，也有良好生物相容性人工齿冠用生物医学玻璃陶瓷，含有制作轻易、审美性高、强度高、适应性好、生物相容性好、类似天然齿等优点生物医用陶瓷材料生物医用材料第51页断在BGC侧断在骨头侧替换猴子个别骨骼45S5玻璃陶瓷(BGC)受冲击扭转载荷断口常见硬组织替换材料生物活性玻璃通常要求SiO2含量40万，是含有硅原子特种合成橡胶总称含有优异生理特征：无毒无味、生物相容性好、耐生物老化、很好抗凝血性、长久植入体内物理性能下降甚微、耐高温严寒（ -90250C）良好电绝缘性、耐氧老

27、化性、耐光老化性以及防霉性、化学稳定性等在医学上主要用于粘合剂、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、人工鼻梁、人工耳廓和人工眼环）、缓释和控释等 硅橡胶医用导管类防噪音耳塞：佩戴舒适，阻隔噪音，保护耳膜人造血管：含有特殊生理机能，与人体“亲密无间”，无排异反应鼓膜修补片：柔软，光洁度和韧性良好，是修补耳膜理想材料人造气管、人造肺、人造骨、十二指肠管等生物医用材料第71页常见软组织替换材料合成高分子生物医用材料聚氨酯是聚醚、聚酯和二异氰酸酯总称含有良好延伸性和抗挠曲性，强度高、耐磨损，血液相容性、抗血栓性能好，且不损伤血液成份，使其在医疗领域得到广泛应用主要用于人工心脏搏

28、动膜、心血管医学元件、人工心脏、辅助循环、人工血管、体外循环血液路、药品释放体系、缝合线与软组织粘合剂绷带、敷料、吸血材料、人工软骨、血液净化器具密封剂等。 生物医用材料第72页常见软组织替换材料合成高分子生物医用材料聚氯乙烯是由单体氯乙烯聚合而成合成树脂，是用量最大医用高分子材料原料丰富、聚合轻易、抗凝血性能良好，耐热性不高(70C),经过增塑可赋予可屈挠性在医学中用量最大是制作塑料输血输液袋，可提升红细胞和血小板生存率；还可用于医用导管、人工输尿管、胆管和心脏瓣膜、血泵隔膜、增补面部组织、青光眼引流管和中耳孔等软质PVC毒性问题仍有争议，当前只能用于制造与人体短期接触制品生物医用材料第73

29、页常见软组织替换材料合成高分子生物医用材料聚四氟乙烯，又名泰氟隆(Teflon)，是耐高温最好热塑性塑料，结晶熔点高达327，几乎完全是化学惰性，含有自润滑性或非粘性，不易被组织液浸润主要用于人工输尿管、胆管、气管、喉、韧带和肌腱人工血液、人工心脏瓣膜、下颌骨、髋关节和皮肤、增强皮肤、修复眼眶骨、组织引导再生材料、人工血管、涤纶缝线和涂层、外科用引流管及插管、巩膜系扣和在耳鼻手术上作为插入薄膜以预防粘连；食管扩张器、心脏瓣膜缝合环、血液相容性丝绒、修补肺动脉和室间隔缺损、血管闭塞物、缝线及动脉修补、包裹动脉癌及内淋巴液分流器等 生物医用材料第74页常见软组织替换材料合成高分子生物医用材料聚甲基

30、丙烯酸甲酯，又称有机玻璃，是当前塑料中透明度最好一个。含有良好生物相容性、耐老化性，机械强度较高用于隐形眼镜、可植入透镜、人工角膜和假牙、人工喉、食管和腕骨、闭塞器、喉支持膜、牙科夹板、气管切开导管和吻合钮、鼻窦植入性引管增补面部软硬组织，尤其是修补眼窝爆裂骨折颅骨缺损时替换骨片充填乳突切除后遗留腔隙听小骨个别替换物和脊椎鼓节段固定，颅内动脉瘤加固和充填静脉瘤囊以使之稳定，牙科一些直接充填树脂基础等 生物医用材料第75页医学应用个别高分子材料常见软组织替换材料生物医用材料第76页组织工程是多年来一门新兴多学科交叉生命科学，其目标是修复和再生受损组织或器官，帮助病人恢复受损组织功效，处理器官短缺

31、和免疫抑制等问题组织工程领域研究包含新型聚合物合成、信号传导、培养细胞基因调整和移植相关免疫问题等组织工程用生物杂化材料组织工程生物医用材料第77页组织工程利用工程学和生命科学基础原理，开发能恢复、维持或改进受损组织或器官功效生物替换物它综合了细胞生物学、工程学、材料学和临床医学领域，用活细胞和细胞外基质或骨架结构一个新功效化组织或器官 组织工程内涵（1）替换被分离除去细胞或功效发挥所需要细胞替换物（2）产生或传递组织诱导物质，如生长因子、信号分子等（3）结合细胞与生物材料，详细是在基质表面或内部接种细胞 组织工程方法以天然、合成或半合成组织和器官进行模仿，赋予其功效现已研制了许多组织工程产品

32、，包含皮肤组织、软骨组织、腱组织、骨组织、心脏瓣膜、肝组织等组织工程用生物杂化材料组织工程生物医用材料第78页组织工程用生物杂化材料异体细胞异体组织合成材料生体源材料免疫隔离膜自体细胞人工细胞外基质生长因子载体器官移植人工器官杂化人工器官组织重建置换外科重建外科组织工程再生医学组织工程生物医用材料第79页组织工程用生物杂化材料组织工程生物医用材料第80页由活体材料和非活体材料组成复合体主要包含合成材料与生物体高分子材料或与细胞杂化杂化材料主要包含三类 用于组织结构材料多糖类等生理活性物质杂化材料 以固定酶为代表功效性杂化材料 杂化细胞杂化生物材料主要用于人工胰脏、人工肝脏、人工胸腺、人工肾脏、

33、人工皮和人工血管等组织和器官损伤或缺点常规治疗:移植(人或异种移植)外科修复人工假体、机械装置组织工程用生物杂化材料组织工程用生物杂化材料生物医用材料第81页与生理活性物质杂化经典材料 表面肝素化材料，主要用于抗凝血材料 固定化前列腺素材料，可防治血小板降低和血栓形成 固定化肝素+前列腺素材料，可同时发挥抑制凝血系统和抑制血小板系统功效，到达理想抗凝血效果 固定化肝素+抗菌素材料，可预防血栓形成，同时防止感染 固定化肝素+尿激酶材料，可阻止血栓形成，又可溶解血栓核与生物体高分子杂化经典材料 与酶、抗体、抗原、激素和细胞等杂化 可作为人体组织、器官结构材料 可利用其情报机能作为信息转换伎俩，制备

34、有用物质以及制造药品 可用于生物传感器、细胞培养材料、诊疗治疗、免疫隔离等方面细胞杂化材料是在人工器官上培养活体细胞，有利于人工器官植入；除了作为人体组织和器官结构材料外，利用细胞本身信息功效可得到功效性控制材料，亦可促进细胞更加快地生长生物医用杂化材料生物医用材料第82页合成聚合物制成一个鼻状支架新种软骨细胞，体外培养育出人造鼻植入物生物医用材料第83页培养出组织工程化人耳生物医用材料第84页人造鼻骨组织 人造神经组织 培养组织 生物医用材料第85页生物医用材料第86页常见软组织替换材料天然高分子生物材料壳聚糖是甲壳素经浓碱个别脱乙基产物，含有一定粘度，无毒、无害、无副作用不溶于水和碱液，但

35、可溶于各种酸溶液中含有较多侧基官能团，可进行酯化、醚化、氧化、磺化以及接枝交联等反应对其进行改性。尤其是磺化产品，其结构与肝素极其相同，可作为肝素代用具作抗凝剂壳聚糖生物医学应用可吸收性缝合线，用于消化道和整形外科人工皮，用于整形外科、烧伤皮肤外科细胞培养，制备不一样形状微胶囊，培养高浓度细胞，如包封是活细胞，则组成人工生物器官海绵，用于拔牙患、囊肿切除、齿科切除保护材料眼科敷料，可生成较多成胶原和成纤维细胞隐形眼镜膜，用于药品释放系统和组织引导再生材料固相酶载体 生物医用材料第87页牙科粘接材料生物医用材料第88页从材料学角度来说，骨是由无机矿物与生物大分子规则排列所组成复合材料。骨有机成份

36、主要是型胶原纤维，约占总重量24%，是由三股螺旋结构多肽链相互缠绕而形成，无机成份主要是磷酸钙盐，约占总重量65%；其余为水。骨中矿物质呈片状，尺寸约为5nm20nm40nm，位于原胶原分子间隙孔之内，晶体c轴平行与胶原纤维，这么就组成骨基础结构。常见硬组织替换材料生物医用材料第89页 各类生物材料比较生物医用材料第90页钛金属表面生物活化技术钛和钛合金不但含有良好力学性能，而且在生理环境下含有良好生物相容性。因为其比重小，弹性模量较其它金属更靠近天然骨，故广泛应用于制造各种膝、肘、肩等人造关节。另外，钛合金还用于心血管系统。钛合金耐磨性能不理想，且存在咬合现象，限制了其使用范围。Joint

37、Replacements生物医用材料第91页生物医用材料第92页常见软组织替换材料天然高分子生物材料甲壳素化学名称为聚N-乙酰-D葡萄糖胺，是仅有碱性天然多糖广泛存在于低等植物、甲壳动物(虾、蟹)、昆虫等节肢动物外壳中，其生物合成资源最高达1000亿吨/年，是地球上仅次于植物纤维第二大生物资源 将甲壳动物外壳经过酸碱处理，脱去钙、盐和蛋白质，即得到甲壳质甲壳甲壳素生物医学应用医用敷料：甲壳素含有良好组织相容性，可灭菌、促进伤口愈合、吸收伤口渗出物且不脱水收缩药品缓释剂： 基础为中性，可与任何药品配伍止血棉、止血剂：在血管内注射高粘度甲壳素，可形成血栓口愈合剂，使血管闭塞，从而在手术中到达止血目

38、标，较注射明胶海绵等常规止血方法，操作轻易，感染少 生物医用材料第93页To fix implants in body:Cement fixationImplantsBoneBoneImplantsBone cementThin apatite layerBioactive fixation, or bone bonding Mechanical, indirect fixation Insufficient interfacial strength Wear Difficult to dispose of Chemical, direct bonding Higher interfacial

39、 strength Easy to dispose ofThe key to bioactive fixation: Induce bioactivity on titanium surface!生物医用材料第94页钛丝网和周围骨组织紧密结合钛骨组织生物医用材料第95页SBF approach to evaluate the bioactivity in vitroBioactivity defines the“Interfacial bonding of an implant to tissue by means of formation of a biologicallyactive hy

40、droxyapatite (HA, Ca10(PO)6(OH)2) layer on the implant surface”- L. L. Hench, “Biomaterials: a forecast for the future,” Biomaterials 19 (1998) 1419-23.SBF (Simulated body fluid) :Metastable calcium phosphate solution similar in inorganic ion composition to human blood plasmaIon concentrations (mM)

41、of Simulated Body Fluid (SBF) and human blood plasma生物医用材料第96页Apatite deposition from SBF:G=-RTlnS S=(IP/Ksp)1/9IP=(Ca2+)5(PO43-)3(OH-) 25 C, Ksp=4.710-59 36.5 C, G = -13.2 KJ/mol Factors contribute to the apatite deposition ability of titania gel:Ti-OH functional groupsNegatively charged surfaceCry

42、stalline structureControlling step: heterogeneous nucleation!生物医用材料第97页H2O2 solution treatment of Ti:Treatment: H2O2/TaCl5, H2O2/SnCl2, 60 C24 hResults: Amorphous titania gel, induce apatite deposition in SBF for 7 d-C. Ohtsuki, H. Iida, S. Hayakawa, A. Osaka, “Bioactivity of titanium treated with hydrogen peroxide solutions containing metal chlorides,” J. Biomed. Mater. Res., 35, 39-47 (1997). Treatment: H2O2/TaCl5, 80 C1 h