生物材料与仿生材料

关于生物材料与仿生材料4/17/2024ChemistryofMaterials2004,Chapter516.1.1生物材料的定义与分类

生物材料（Biomaterials）泛指一切与生物体相关的应用性材料或由生物体合成的材料。按其应用可分为生物医用材料（BiomedicalMaterials）和与生物合成有关的应用材料。而按生物材料来源可分为天然生物材料和人工生物材料；与此同时材料学的发展使有些材料兼具天然和人工合成的特性。狭义的生物材料指的是能够用来制作各种人工器官和制造与人体生理环境相接触的医疗用具和制品的材料，即生物医用材料。

第2页,共120页，2024年2月25日，星期天生物材料包括三部分，即生物医用材料，仿生材料和生物模拟。生物医用材料：最重要的是材料与人体相容性和材料本身的性能，通过组织工程、生长因子、DNA和自组装技术，可生产出人类的各种器官。事实上，除神经系统以外，人的各种器官都可制造。仿生材料：生物是多年演化的结果，有很多特性值得模仿，通过深入研究现有生物体和生物现象而进行仿造，对材料的发展将起到推动作用。

生物材料的另一种分类方法第3页,共120页，2024年2月25日，星期天

生物医用材料（BiomedicalMaterials）用于人体组织和器官的诊断、修复或增进其功能的一类高技术材料，即用于取代、修复活组织的天然或人造材料，其作用药物不可替代。生物材料能执行、增进或替换因疾病、损伤等失去的某种功能，而不能恢复缺陷部位。日本北海道大学的科学家们利用从鲑鱼皮中提取的胶原制造全球首例人造血管。

第4页,共120页，2024年2月25日，星期天第5页,共120页，2024年2月25日，星期天

生物医用材料与工业材料的最大区别是在生理环境下使用。移植在生物体内的仿生材料，除了能达到补钙的目的以外，对周围组织和血液不应该有不良的影响，即应具有生物相容性。另外，植入人体的仿生材料，应有足够的力学性能，不能发生脆性破裂、疲劳断裂及腐蚀破坏等，即应具有力学相容性。

生物医用材料是生物医学科学中的最新分支学科，是生物、医学、化学和材料科学交叉形成的边缘学科。具体涉及到化学、物理学、高分子化学、高分子物理学、生物物理学、生物化学、生理学、药物学、基础与临床医学等很多学科。第6页,共120页，2024年2月25日，星期天生物（医用）材料的发展史目前被详细研究过的生物（医用）材料已超过1000种，被广泛应用的有90多种，1800多种制品。西方国家每年耗用生物（医用）材料量以10~15%的速度增长，1980年全球医用生物（医用）材料及制品的销售额为200亿美元，1990年达500亿美元，1995年近1000亿美元。历史上首个人造心脏Jarvik-7，是在1982年植入病人BarneyClark的体内。他共活了112天。另一名也植入Jarvik-7的病人WilliamSchrodedr则活了620天。

第7页,共120页，2024年2月25日，星期天生物医用材料是研制人工器官及一些重要医疗技术的物质基础，综观人工器官及医疗装置的发展史，每一种新型生物材料的发现都引起了人工器官及医疗技术的飞跃。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较好的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较好的聚氨酯嵌段共聚物—促使人工心脏向临床应用跨越一大步可形成假生物内膜的编织涤纶管—人工血管向实用化飞跃。第8页,共120页，2024年2月25日，星期天硅橡胶制作的人造器官

聚氨酯制造的人工心脏碟片式机械心脏瓣膜人工心脏第9页,共120页，2024年2月25日，星期天6.1.2生物医用材料的性能与分类

指生物医用材料具备或完成某种生物功能时应该具有的一系列性能。根据用途主要分为:承受或传递负载功能。如人造骨骼、关节和牙等，占主导地位控制血液或体液流动功能。如人工瓣膜、血管等电、光、声传导功能。如心脏起博器、人工晶状体、耳蜗等填充功能。如整容手术用填充体等一、生物功能性

第10页,共120页，2024年2月25日，星期天人工心脏人工关节人工肾脏人工血管第11页,共120页，2024年2月25日，星期天科学家已从生物高分子材料或合成高分子材料中制造出了一二十种人造皮肤。他们把这些材料纺织成带微细孔眼的皮片，上面还盖着一层层薄薄的、模仿“表皮”的制品。

人造皮肤加拿大发明骨骼打印机复制立体人骨

人造骨骼组织相当精细，可用于整形、重建和脊椎手术。第12页,共120页，2024年2月25日，星期天

指生物医用材料有效和长期在生物体内或体表行使其功能的能力。用于表征生物材料在生物体内与有机体相互作用的生物学行为。根据材料与生物体接触部位分为：血液相容性。材料用于心血管系统与血液接触，主要考察与血液的相互作用与心血管外的组织和器官接触。主要考察与组织的相互作用，也称一般生物相容性力学相容性。考察力学性能与生物体的一致性二、生物相容性

第13页,共120页，2024年2月25日，星期天生物体对生物医用材料的响应－宿主反应

A:血液反应

1、血小板血栓；

2、凝血系统激活；

3、纤溶系统激活；

4、溶血反应；

5、白细胞反应；

6、细胞因子反应；

7、蛋白粘附；B:免疫反应

1、补体激活；

2、体液免疫反应（抗原－抗体反应）；

3、细胞免疫反应。C:组织反应

1、炎症反应；

2、细胞粘附

3、细胞增殖（异常分化）

4、形成蘘膜

5、细胞质的转变1、生物学反应第14页,共120页，2024年2月25日，星期天2、生物体对生物反应的变化

1.急性全身反应过敏、毒性、溶血、发热、神经麻痹等2.慢性全身反应毒性、致畸、免疫、功能障碍等3.急性局部反应炎症、血栓、坏死、排异等4.慢性局部反应致癌、钙化、炎症、溃疡等第15页,共120页，2024年2月25日，星期天材料在生物体内的响应－材料反应金属腐蚀聚合物降解磨损

生物机体作用于生物医用材料－材料反应，其结果可导致材料结构破坏和性质改变而丧失其功能。可分为如下三个方面：第16页,共120页，2024年2月25日，星期天1、金属腐蚀

生物体内的腐蚀性环境：（1）含盐的溶液是极好的电解质，促进了电化学腐蚀和水解；（2）组织中存在具有催化或迅速破坏外来成分能力的多种分子和细胞。将对生物金属材料产生腐蚀。

对于生物材料而言多为局部腐蚀，具体包括应力腐蚀开裂、点腐蚀、晶间腐蚀、腐蚀疲劳以及缝隙腐蚀等，导致生物材料整体破坏。虽然金属材料在生物体内保持惰性状态，但仍然可能会有物质溶入生物组织中，并对生物体组织产生毒性反应，造成组织的损害。如不锈钢溶出的Cr＋6生物组织的毒性。第17页,共120页，2024年2月25日，星期天2、聚合物降解

聚合物在长期使用过程中，由于受到氧、热、紫外线、机械、水蒸气、酸碱及微生物等因素作用，逐渐失去弹性，出现裂纹，变硬、变脆或变软、发粘、变色等，从而使它的物理机械性能越来越差的现象。

聚合物老化易形成的碎片、颗粒、小分子量单体物质，因此使用它时必须谨慎，对耐久性器件，必须保持一定强度和其它机械性能，老化产物不能对周围组织有毒害作用。例如，医用缝合线降解时会产生酸性物质，如果量少，很容易被人体中的化学物质中和，如果老化产物较大，则会对周围组织产生损害。第18页,共120页，2024年2月25日，星期天3、磨损

人工关节常用材料为Ti6Al4V，由于表面易氧化生成TiO2，其耐磨性差，植入人体后，磨损造成在关节周围组织形成黑褐色稠物，从而引起疼痛。钛合金人工全髋关节平均寿命一般都低于10年。目前，大量的人工髋关节是由坚硬的金属或陶瓷的股骨头与超高分子聚乙烯的髋臼杯组合成，然而它的寿命也不超过25年。长期随访资料显示，假体失败的主要原因是超高分子聚乙烯磨损颗粒所造成的界面骨溶解，从而导致假体松动。这种磨损颗粒所导致的异物－巨细胞反应，又称颗粒病，是晚期失败的最主要原因。

第19页,共120页，2024年2月25日，星期天三、生物医用材料的分类三种分类方法1、按应用性质来分类：抗凝血材料（心血管材料）、齿科材料、骨科材料、眼科材料、吸附解毒材料（血液灌流用）、假体材料、缓释材料、生物粘合材料、透析及超滤用膜材料、一次性医用材料，等等。第20页,共120页，2024年2月25日，星期天2、按材料功能划分：

1、血液相容性材料如人工瓣膜、人工气管、人工心脏、血浆分离膜、血液灌流用吸附剂、细胞培养基材等；

2、软组织相容性材料如隐形眼睛片的高分子材料，人工晶状体、聚硅氧烷、聚氨基酸等，用于人工皮肤、人工气管、人工食道、人工输尿管、软组织修补等领域；

3、硬组织相容性材料如医用金属、聚乙烯、生物陶瓷等，关节、牙齿、其它骨骼等；

4、生物降解材料如甲壳素、聚乳酸等，用于缝合线、药物载体、粘合剂等；第21页,共120页，2024年2月25日，星期天3、按生物材料的属性分类：天然生物材料—再生纤维、胶原、透明质酸、甲壳素等。合成高分子生物材料—硅橡胶、聚氨脂及其嵌段共聚物、涤纶、尼龙、聚丙烯腈、聚烯烃医用金属材料—不锈钢、钛及钛合金、钛镍记忆合金等无机生物医学材料—碳素材料、生物活性陶瓷、玻璃材料杂化生物材料—指来自活体的天然材料与合成材料的杂化，如胶原与聚乙烯醇的交联杂化等复合生物材料—用碳纤维增强的塑料，用碳纤维或玻璃纤维增强的生物陶瓷、玻璃等第22页,共120页，2024年2月25日，星期天具有活性涂层的钛合金人工齿示意图Fig.Schematicdiagramofthescrew-shapedartificialtooth.人工齿种植示意图第23页,共120页，2024年2月25日，星期天

6.1.3医用金属材料在生物医学材料中，医用金属材料应用最早，已有数百年的历史。唐代就用银汞合金（主要成份：汞、银、铜、锡、锌）来补牙。医用金属材料是指一类用作生物材料的金属或合金，又称外科用金属材料。它是一类生物惰性材料，除具有较高的机械强度和抗疲劳性能，具有良好的生物力学性能及相关的物理性质外，还必须具有优良的抗生理腐蚀性、生物相容性、无毒性和简易可行及确切的手术操作技术.第24页,共120页，2024年2月25日，星期天该材料是临床应用最广泛的承力植入材料，由于有较高的强度和韧性，已成为骨和牙齿等硬组织修复和替换、心血管和软组织修复以及人工器官制造的主要材料。化学周期表中的大部分金属不符合生物材料的要求，仅有小部分或经处理过的可用于临床。目前在临床使用的医用金属材料主要有不锈钢、钴基合金和钛基合金三大类，另外还有记忆合金、贵金属以及纯金属钽、铌和锆等。

第25页,共120页，2024年2月25日，星期天1、不锈钢铁基耐蚀合金（一般由铁、铬、镍、钼、锰、硅组成），易加工、价格低廉。不锈钢的耐蚀性和屈服强度可以通过冷加工而提高，避免疲劳断裂。一般不锈钢制成多种形体，如针、钉、髓内针、齿冠、、三棱钉等器件和人工假体而用于临床，不锈钢还用于制作各种医疗仪器和手术器械。第26页,共120页，2024年2月25日，星期天

常用钢种有US304、316、316L、317、317L等。医用不锈钢植入活体后，可能发生点蚀，偶尔也产生应力腐蚀和腐蚀疲劳。医用不锈钢临床前消毒、电解抛光和钝化处理，可提高耐蚀性。医用不锈钢在骨外科和齿科中应用较多。第27页,共120页，2024年2月25日，星期天2、钴（Co）基合金

含有较高的铬和钼，又称钴铬钼合金，具有极为优异的耐腐蚀性（比不锈钢高40倍）和耐磨性，综合力学性能和生物相容性良好，可通过精密铸造成形状复杂的精密修复体，有硬、中、软三种类型。临床上主要用于人工关节（特别是人体中受载荷最大的髋关节）人工骨及骨科内处固定器件的制造齿科修复中的义齿，各种铸造冠、嵌体及固定桥的制造心血管外科及整形科等由于其价格较高，加工困难，应用尚不普及。第28页,共120页，2024年2月25日，星期天

人造髋关节的头杆部分。从股骨上端插进金属杆，杆头有一个金属头，它嵌在粘于髋骨窝中的一个塑料臼中。

第29页,共120页，2024年2月25日，星期天第30页,共120页，2024年2月25日，星期天3、钛（Ti）基合金

临床应用广泛，其质轻、比强度高、力学性质接近人骨、强度远低于纯钛，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，是较为理想的一种植入材料。抗断裂强度较低，耐磨性能不尽人意，加工困难。冶炼及成型工艺复杂，要求条件较高。主要用于：修补颅骨，制成钛网或钛箔用于修复脑膜和腹膜、人工骨、关节、牙和矫形物、人工心脏瓣膜支架、人工心脏部件和脑止血夹、口腔颌面矫形颌修补、手术器械、医疗仪器颌人工假肢等。第31页,共120页，2024年2月25日，星期天头颅微型钢板钛板第32页,共120页，2024年2月25日，星期天4、形状记忆合金

自1951年美国首次报道Au-Cd（金-镉）合金具有形状记忆效应以来，目前已发现有20多种记忆合金，其中以镍钛合金在临床上应用最大。它在不同的温度下表现为不同的金属结构相。如低温时为单斜结构相，高温时为立方体结构相，前者柔软可随意变形，如拉直式屈曲，而后者刚硬，可恢复原来的形状，并在形状恢复过程中产生较大的恢复力。第33页,共120页，2024年2月25日，星期天1969年，那个被阿波罗登月舱带到月球上的环形天线，就是用极薄的记忆合金材料先在正常情况下按预定要求做好，然后降低温度把它压成一团，装进登月舱带上天去。放到月面上以后，在阳光照射下温度升高，当达到转变温度时，天线又“记”起了自己的本来面貌，变成一个巨大的半球形。

第34页,共120页，2024年2月25日，星期天Ti-Ni记忆合金血管支架，用于管腔狭窄的治疗第35页,共120页，2024年2月25日，星期天形状记忆合金可以分为三种：单程记忆效应双程记忆效应全程记忆效应第36页,共120页，2024年2月25日，星期天特点：奇特的形状记忆功能、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。应用：管腔狭窄的治疗（喉气管狭窄、食管狭窄、胆道狭窄、尿道狭窄及闭锁等）：支架安入管腔狭窄的部位后，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，长期安放对黏膜无明显损伤；其高回弹性能顺应管道的弯曲，对人体刺激小。口腔科：用这种材料做成的种植牙具有齿槽骨切口小，固定牢靠等优点。骨科：人工关节，断骨连接、弯曲脊柱矫正。血管外科：治疗主动脉瘤、冠状动脉和椎动脉狭窄等。

第37页,共120页，2024年2月25日，星期天种植牙断骨连接骨科用的形状记忆合金第38页,共120页，2024年2月25日，星期天5、贵金属（noblemetal）

是一种金属或合金，如黄金具有极高的抗氧化性和抗腐蚀性。贵金属具有独特稳定的物理和化学性能、优异的加工特性、对人体组织无毒副作用、刺激小等优良的生物学性能。主要用于口腔科的齿科修复，也可用于小型植入式电子医疗器械。纯金属铌（Nb）

性能和应用范围与钽非常相似，用于修补颅骨和制作医疗器械。但由于来源困难，价格昂贵，使用受到限制，主要用于制造髓内钉等。第39页,共120页，2024年2月25日，星期天具有良好的抗生理腐蚀性和可塑性，独特的表面负电性使其具有优良的抗血栓性能和生物相容性，还有很高的抗缺口裂纹能力。植入骨内能和周围的新骨形成骨性结合；植入软组织中，肌肉等组织可依附在钽条上正常生长。退火后的纯钽很软，可加工成板、带、箔、丝等使用。主要用作接骨板、颅骨板、骨螺钉、种植牙根、颌面修复体、义齿及外科手术缝线和缝合针；钽网可用于肌肉缺损修补；钽丝和箔用于缝合修补受损的神经、肌腱和血管；钽还可以用于血管内支架及人工心脏、植入型电子装置；钽的同位素可用于放射治疗。纯金属钽（Ta）第40页,共120页，2024年2月25日，星期天6.1.4医用高分子材料医用高分子材料：在医学上应用的、尤其能在机体内使用的高分子材料。医用高分子制品的研究，包括人工器官、医疗用品（输血输液用具、注射器、心导管、主动脉气囊反搏器、角膜接触镜、中心静脉插管、膀胱造瘘管、医用粘合剂以及各种医用导管、医用膜、创伤包扎材料和各种手术、护理用品等）和药用高分子（作为赋形剂、合成新型药物）三大类。第41页,共120页，2024年2月25日，星期天一、天然高分子生物材料

人类机体的皮肤、肌肉、组织和器官都是由高分子化合物组成的，天然高分子生物材料是人类最早使用的医用材料之一。天然材料具有不可替代的优点：功能多样性、与机体的相容性、生物可降解性以及对其进行改性与复合和杂化等研究。目前天然高分子生物材料主要有：天然蛋白质材料：胶原蛋白和纤维蛋白两种天然多糖类材料：纤维素、甲壳素和壳聚糖等第42页,共120页，2024年2月25日，星期天1、天然蛋白质材料——胶原蛋白脊椎动物的主要结构蛋白，是支持组织和结构组织（皮肤、肌腱和骨骼的有机质）的主要组成成分。不同种类的动物的胶原结构极其相似。胶原与人体组织相容性好，不易引起抗体产生，植入人体后无刺激性．无毒性反应，能促进细胞增殖，加快创口愈合并具有可降解性，可被人体吸收，降解产物也无毒副作用。基本单位为原胶原蛋白，由三条α—肽链相互拧成的三股螺旋状结构的蛋白质，其分子量为30万左右。三股螺旋状结构第43页,共120页，2024年2月25日，星期天胶原分散体具有再生特性，可以将其加工成不同形状的制品而用于临床，并越来越受到人们重视。胶原凝胶用作创伤敷料粉末用于止血剂和药物释放系统纺丝纤维用作人工血管、人工皮、人工肌腱和外科缝线薄膜用于角膜、药物释放系统和组织引导再生材料管用于人工血管、人工胆管和管状器官空心纤维用于血液透析膜和人工肺膜海绵用于创伤敷料和止血剂等。第44页,共120页，2024年2月25日，星期天胶原蛋白的应用第45页,共120页，2024年2月25日，星期天2、天然蛋白质材料——纤维蛋白

是纤维蛋白原在生理条件下凝固而成的一种材料。纤维蛋白可用不同方法进行化学改性，其中包括放射性碘化法、与合成高分子进行接枝和在纤维蛋白上进行酶的固定等。纤维蛋白主要来源于血浆蛋白，因此具有明显的血液和组织相容性，无毒副作用和其他不良影响。作为止血剂、创伤愈合剂和可降解生物材料在临床上已经应用很久；它的主要生理功能为止血，另外还可明显促进创伤的愈合；还可作为一种骨架，促进细胞的生长；并具有一定的杀菌作用。第46页,共120页，2024年2月25日，星期天纤维蛋白在临床上普遍使用的应用形式：纤维蛋白原的就地凝固，用于眼科手术的组织粘合剂，肺切除后胸腔填充物和外科手术中的止血纤维蛋白粉末，用作止血剂，可以与抗菌素共用，用作充填慢性骨炎和骨髓炎手术后的骨缺损纤维蛋白海绵，用作止血剂、扁平瘢的治疗和唾液腺外科手术后的填充物组织代用品，商品名Bioplast，主要用于关节成型术、视网膜脱离、眼外科治疗、肝脏止血及疝气修复等纤维蛋白薄膜，用于神经外科：替代硬脑膜和保护末梢神经缝线；用于烧伤治疗：消除颌面窦和口腔间的穿孔。第47页,共120页，2024年2月25日，星期天3、天然多糖类材料多糖是由许多单糖分子经失水缩聚，通过糖苷键结合而成的天然高分子化合物。均聚糖：多糖水解后只产生一种单糖，如纤维素、淀粉杂聚糖：水解产物是两种或两种以上的单糖，如菊粉等。自然界广泛存在的多糖主要有：植物多糖，如纤维素、半纤维素、淀粉、果胶等；动物多糖，如甲壳素、壳聚糖、肝素、硫酸软骨素等；琼脂多糖，如琼脂、海藻酸、角叉藻聚糖等；菌类多糖，如D—葡聚糖、D—半乳聚糖、甘露聚糖等；微生物多糖，如右旋糖酐、凝乳糖、出芽短梗孢糖等。研究较多的多糖类材料为纤维素、甲壳素和壳聚糖。第48页,共120页，2024年2月25日，星期天天然多糖类材料——纤维素葡萄糖经由糖苷键连结的高分子化合物。它具有不同的构型和结晶形式，是构成植物细胞壁的主要成分，是存在于自然界中数量最多的碳水化合物。结构复杂，至今仍未被完全了解。天然的纤维素属于纤维Ⅰ型，再生纤维素属于纤维Ⅱ型，后者结构更为稳定。不同的天然纤维素其结晶度有明显差异，随着结晶度的提高，其抗张强度、硬度、密度增加，但弹性、韧性、膨胀性、吸水性和化学反应性下降。

第49页,共120页，2024年2月25日，星期天在医学上的应用形式主要是制造各种医用膜：硝酸纤维素膜：用于血液透析和过滤，但由于制膜困难及不稳定等缺点，已逐渐被其他材料取代粘胶纤维（人造丝）或赛珞玢（玻璃纸）管：用于透析，但由于含有磺化物及尿素、肌酐的透析性不好等原因，作为透析用的赛珞玢逐渐被淘汰再生纤维素（铜珞玢）：是目前人工肾使用较多的透析膜材料，对溶质的传递，纤维素膜起到筛网和微孔壁垒作用醋酸纤维素膜，主要用于血透析系统全氟代酰基纤维素：用于制造代膜式肺、人工心瓣膜、人工细胞膜层，各种导管、插管和分流管等第50页,共120页，2024年2月25日，星期天天然多糖类材料——甲壳素化学名称为聚N-乙酰-D葡萄糖胺，分子式为（C3H13NO5）n，属于氨基多糖，是仅有的具有明显碱性的天然多糖。广泛存在于低等植物及甲壳动物的外壳中，其每年生物合成资源最高达1000亿吨，是地球上仅次于植物纤维的第二大生物资源。是一种来源于动物的天然多糖，普遍存在于虾、蟹等低等动物及昆虫等节肢动物的外壳中。将甲壳动物的外壳通过酸碱处理，脱去钙、盐和蛋白质，即得到甲壳质。

第51页,共120页，2024年2月25日，星期天被科学家誉为继蛋白质、糖、脂肪、维生素、矿物质以外的第六生命要素。甲壳素有强化免疫、降血糖、降血脂、降血压、强化肝脏机能、活化细胞、调节植物神经系统及内分泌系统等功能，还可作为保健材料，用于健康无害烟、护肤产品、保健内衣等。作为医用生物材料可用于：医用敷料：甲壳素具有良好的组织相容性，可灭菌、促进伤口愈合、吸收伤口渗出物且不脱水收缩药物缓释剂：基本为中性，可与任何药物配伍止血棉、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，从而在手术中达到止血目的，较注射明胶海绵等常规止血方法，操作容易，感染少。第52页,共120页，2024年2月25日，星期天甲壳素缝线的电镜照片甲壳素人工皮的电镜照片

第53页,共120页，2024年2月25日，星期天天然多糖类材料——壳聚糖是甲壳素去除部分乙酸基后的产物（甲壳素的衍生物），甲壳素继续用浓碱乙酸基化则得到壳聚糖，具有一定的粘度，无毒、无害、无副作用。不溶于水和碱液，但可溶于多种酸溶液中。它具有较多的侧基官能团，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。特别是磺化产品，其结构与肝素极其相似，可作为肝素的代用品作抗凝剂。第54页,共120页，2024年2月25日，星期天适用广，生物相容性良好的新型生物材料正在受到人们的普遍重视，目前在医学多上用于：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、皮肤外科，用于Ⅱ、Ⅲ度烧伤，采皮伤和植皮伤等细胞培养，制备不同形状的微胶囊，培养高浓度细胞，如包封的是活细胞，则构成人工生物器官海绵，用于拔牙患、囊肿切除、齿科切除部分的保护材料眼科敷料，可生成较多的成胶原和成纤维细胞隐形眼镜膜，用于药物释放系统和组织引导再生材料固相酶载体第55页,共120页，2024年2月25日，星期天第56页,共120页，2024年2月25日，星期天二、合成高分子生物材料合成高分子材料已经迅速地取代了除了食品以外的许多宝贵天然资源。合成高分子生物材料是指利用聚合方法制备的一类生物材料。由于合成高分子可以通过组成和结构控制而具有多种多样的物理和化学性质。医用高分子材料科学是一门新兴的边缘学科，是生物医学工程的一个主要分支，合成高分子材料已成为制造各种人工器官、软硬组织修复体、医用粘结剂、缝合线、人造血液等的最主要的也是用量最大的生物材料。第57页,共120页，2024年2月25日，星期天合成高分子材料的组成物（单体，添加剂等）可能向生物环境释放，有可能导致毒性反应。其弹性模量低和弹性常使其不能用于承受较大负荷的体位的修复。合成高分子生物材料可分为：生物不可降解的：硅橡胶、聚氨酯、环氧树脂、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸酯水凝胶、α一氰基丙烯酸酯类、聚酸胺和饱和聚酯等。生物可降解的：聚乙烯醇、聚乳酸、聚乙内酯、乳酸一乙醇酸共聚物和聚β一羟基丁酸酯等。

第58页,共120页，2024年2月25日，星期天1、聚乳酸（PLA）、乳酸和羟基乙酸共聚物（PLGA）、聚羟基乙酸（PGA）：手术缝线

2、聚羟基脂肪酸酯（PHA）：

手术缝线、心脏瓣膜、组织培养、血管移植、整形等3、聚二甲基硅氧烷（硅橡胶）：弹性硅树脂

隆胸、心脏瓣膜

4、聚亚胺酯：

人工心脏

5、聚四氟乙烯（PTFE）：

心脏瓣膜、血管移植、面部整容、手术缝线

6、聚砜（PSu）：

心脏瓣膜

7、聚甲基甲基丙烯酸酯（PMMA）：

裂缝修补、隐形眼镜膜、假牙

第59页,共120页，2024年2月25日，星期天1、合成高分子生物材料——硅橡胶平均分子量>40万，有机硅弹性体的主要成分，是含有硅原子的特种合成橡胶的总称。它具有优异的生理特性：无毒无味、生物相容性好、耐生物老化、较好的抗凝血性、长期植入体内物理性能下降甚微、耐高温严寒（-90°－250°）良好的电绝缘性、耐氧老化性、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、烧伤的皮肤创面保护、人工鼻梁、人工耳廓和人工眼环）、缓释和控释等。第60页,共120页，2024年2月25日，星期天防噪音耳塞：佩戴舒适，阻隔噪音，保护耳膜。胎头吸引器：操作简便，使用安全，可根据胎儿头部大小变形，吸引时胎儿头皮不会被吸起，可避免头皮血肿和颅内损伤等弊病。人造血管：具有特殊的生理机能，能做到与人体“亲密无间”，人的机体也不排斥它，经过一定时间，就会与人体组织完全相容，稳定性极为良好。鼓膜修补片：其片薄而柔软，光洁度和韧性都良好。是修补耳膜的理想材料，且操作简便，效果颇佳。此外还有硅橡胶人造气管、人造肺、人造骨、硅橡胶十二指肠管等，功效都十分理想。

第61页,共120页，2024年2月25日，星期天2、合成高分子生物材料

——聚氨酯（Polyurethane）具有良好的延伸性和抗挠曲性，强度高、耐磨损，血液相容性、抗血栓性能好，且不损伤血液成分，使其在医疗领域得到广泛应用。主要用于人工心脏搏动膜、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、药物释放体系、缝合线与软组织粘合剂绷带、敷料、吸血材料、人工软骨和血液净化器具的密封剂等。第62页,共120页，2024年2月25日，星期天3、合成高分子生物材料

——聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）又称有机玻璃，是目前塑料中透明度最好的一种。具有良好的生物相容性、耐老化性，机械强度较高。用于剜出后的植入物、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、鼻窦的植入性引管、经皮装置和用于实验的标本箱及人工器官外壳等；增补面部的软和硬组织，特别是修补眼窝的爆裂骨折；颅骨缺损时的替代骨片；充填乳突切除后的遗留腔隙；听小骨部分的替代物和脊椎鼓节段的固定，颅内动脉瘤的加固和充填静脉瘤囊以使之稳定，牙科某些直接充填树脂的基础等。

第63页,共120页，2024年2月25日，星期天爱尔康一片式PMMA人工晶体

Acrysof丙烯酸酯折叠人工晶体第64页,共120页，2024年2月25日，星期天6.1.5无机生物医学材料18世纪初开始应用。无毒、与生物体组织有良好的生物相容性、耐腐蚀。包括生物陶瓷、生物玻璃和碳素材料三大类，主要用于齿科、骨科修复和植入材料。基本都是脆性材料，容易破裂，发展方向应向开发复合（多相）生物材料以及在金属基体上加涂无机生物陶瓷涂层（薄膜）材料的方面引导。第65页,共120页，2024年2月25日，星期天1、无机生物医学材料——生物玻璃是经特别设计的化学组成可诱发生物活性的含氧化硅化合物。如将某些玻璃在适当的高温进行晶化处理，则玻璃中可析出大量微小晶体，这样的玻璃称为微晶玻璃、结晶化玻璃或玻璃陶瓷。新型骨修复生物活性材料

第66页,共120页，2024年2月25日，星期天生物玻璃材料大致可分为两类：非活性的近似惰性的和生物活性的。在非活性生物玻璃及生物玻璃陶瓷中包括：人工骨用生物医学玻璃，它具有良好的耐酸碱腐蚀特性、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，通过在磁场下发热的特性或其内部的同位素放出的射线杀死癌细胞，也有良好的生物相容性；人工齿冠用生物医学玻璃陶瓷，具有制作容易、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。第67页,共120页，2024年2月25日，星期天活性生物玻璃及生物玻璃陶瓷，通常要求SiO2的含量低于60%，同时含有NaO以及CaO／P2O5。这种材料生物相容性好，植入体内后能在界面上通过一系列离子交换和溶解—沉淀反应，在其表面形成磷灰石晶体，残留下的玻璃被巨嗜细胞侵蚀，玻璃表面被基质类物质覆盖，玻璃附近的软骨芽细胞和造骨细胞的增殖趋于活跃，不久就形成了骨胶原纤维和磷灰石结晶，从而和软组织及组织成骨键合，骨组织和软组织很容易在其表面生长，其生物活性主要与化学组成相关。这种材料强度低，断裂韧性差，主要用于非承力的骨、指骨、牙齿等，也可作为钛合金牙种植体的表面涂层。第68页,共120页，2024年2月25日，星期天2、无机生物医学材料——碳素材料指作为生物医学使用的各种碳素及其复合材料具有极好的抗血栓性，作为生物医学材料使用的主要有三种：玻璃碳、低温各向同性碳和超低温各向同性碳。这三种碳在生理环境中化学性质稳定，也不发生疲劳破坏，是生物相容性非常好的一类惰性材料。它的最大优点是血液相容性好，不可渗透性，再加上优良的力学性能，使其在医学上得到广泛使用。第69页,共120页，2024年2月25日，星期天主要用于制造心血管修复体的重要材料、人工骨、人工牙根、肌腱和人工韧带等，还可用于人工软骨、人工中耳、人工关节运动磨损表面作为减磨涂层和血液净化等。尤其是它的较高的抗血栓性、耐磨性、低比重和长期使用不劣化等性能，使碳素材料几乎是目前唯一可选用的人工心脏瓣膜材料。碟片式机械心脏瓣膜第70页,共120页，2024年2月25日，星期天6.2组织工程材料6.2.1基本概念6.2.2组织工程材料设计及制备6.2.3生物材料的表面工程6.2.4发展与挑战JJJJ第71页,共120页，2024年2月25日，星期天6.2.1基本概念

组织工程（TissueEngineering)：应用工程学和生命科学的原理与方法,将在体外培养、扩增的功能相关的活细胞种植于多孔支架上,细胞在支架上增殖、分化,构建生物替代物,然后将之移植到组织病损部位,达到修复、维持或改善损伤组织功能一门科学核心：建立由细胞和生物材料构成的三维复合体

三要素：种子细胞、信号因子(细胞因子或生长因子)

支架材料

第72页,共120页，2024年2月25日，星期天组织工程研究的三个方面是：（1）替换被分离除去的细胞或功能发挥所需要的细胞替代物；（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，具体是在基质表面或内部接种细胞。人们研制了许多组织工程产品，包括皮肤组织、软骨组织、腱组织、骨组织、心脏瓣膜、肝组织等。第73页,共120页，2024年2月25日，星期天

组织工程学将组织视同为一种复合材料，该复合材料由具有组织功能单元的细胞、细胞外基质(ECM)和支架构成。

组织工程的基本思路是在体外分离、培养细胞，将一定量的细胞种植到具有一定形状的三维生物材料骨架内，并加以持续培养，最终形成具有一定结构的组织和器官。

胶原型人工皮肤产品是组织工程成功的第一例，它以患者的表皮细胞或真皮细胞为细胞源，运用工程化方法制备皮肤同等品，将其贴敷于皮肤缺损部位。真皮细胞可由生体侧长入胶原片的微孔中，使皮肤再生，而胶原则在体内逐步降解并被吸收。

第74页,共120页，2024年2月25日，星期天细胞外基质（ECM）成分胶原蛋白、蛋白多糖、糖胺聚糖、层连蛋白和弹性蛋白等作用

影响细胞形态 促进细胞迁移 调节细胞增殖和分化第75页,共120页，2024年2月25日，星期天第76页,共120页，2024年2月25日，星期天组织工程材料的要求符合生物安全性要求合适的可生物降解吸收性合适的孔尺寸、高孔隙率和相连的孔形态特定的三维外形高表面积和合适的表面理化性质与植入部位组织力学性能相匹配的结构强度材料设计及制备技术材料表面工程第77页,共120页，2024年2月25日，星期天

组织工程材料是最富挑战性的领域，组织工程的成功亦有赖于生物相容性和特定细胞响应性的生物材料的开发。

第78页,共120页，2024年2月25日，星期天6.2.2组织工程材料设计及制备技术组织工程材料天然高分子材料合成降解聚合物生物陶瓷生物复合材料

根据硬和软组织工程的需要，可用生物陶瓷、化学修饰植入金属、生物降解聚合物进行组织工程研究，提供的许多解决组织损伤与器官衰竭的新途径。第79页,共120页，2024年2月25日，星期天天然高分子材料蛋白质支架胶原明胶多糖支架海藻酸盐壳聚糖透明质酸蛋白质－多糖支架第80页,共120页，2024年2月25日，星期天冷冻干燥LieMa,etal.Collagen/chitosanporousscaffoldswithimprovedbiostabilityforskintissueengineering.Biomaterials2003;24:4833–41参数：溶液浓度、冷冻温度、冷冻时间和冷冻速率等第81页,共120页，2024年2月25日，星期天浸没沉淀相转化碱性介质壳聚糖溶液上层（致密）下层（多孔）Fwu-LongMi,etal.Fabricationandcharacterizationofasponge-likeasymmetricchitosanmembraneasawounddressing.Biomaterials2001;22:165-73第82页,共120页，2024年2月25日，星期天冷冻－凝胶Ming-HuaHo,etal.Preparationofporousscaffoldsbyusingfreeze-extractionandfreeze-gelationmethods.Biomaterials2004;25:129–38溶液冷冻凝胶温度低于溶液凝结点Morphologyofthechitosanandalginatescaffolds第83页,共120页，2024年2月25日，星期天合成聚合物材料聚丙烯酸及其衍生物聚乙二醇及其共聚物聚乙烯醇聚交酯聚乳酸（PLA）聚（D,L-乳酸-co-乙醇酸）（PLGA）聚乙交酯（PGA）等第84页,共120页，2024年2月25日，星期天致孔剂致孔形成气体的盐致孔水溶性致孔剂致孔冰晶致孔GuopingChen,etal.Developmentofbiodegradableporousscaffoldsfortissueengineering.MaterialsScienceandEngineering,2001;C17:63–9Morphologyofcross-sectionsofPLLAsponges第85页,共120页，2024年2月25日，星期天热致相分离（TIPS）均向聚合物溶液：高温

低温淬火热力学状态参数：聚合物浓度、溶剂/非溶剂组成、淬火过程及添加剂Fig.2.SEMimagesofthecrosssectionofmorphousPLGAfoamsasafunctionofcoarseningtime.Thefoamswerepreparedbycoarsening9%(w/v)polymersolutionat43Cfor0min(a),2min(b),10min(c),andthenquenchingbyliquidnitrogen.第86页,共120页，2024年2月25日，星期天乳液冷冻干燥WhangK,etal.Anovelmethodtofabricatebioabsorbablescaffolds.Polymer1995,36:837-42真空干燥液氮去离子水乳液聚合物去离子水冷冻干燥第87页,共120页，2024年2月25日，星期天6.2.3生物材料的表面工程1、生物材料表面对细胞的影响表面自由能表面蛋白质吸附能力表面亲水—疏水平衡表面荷电性能表面拓扑结构表面生物活性

第88页,共120页，2024年2月25日，星期天2、生物材料与细胞相互作用

粘着于固体基质的细胞的行为和功能取决与基质的特性。研究表明，中等润湿性表面对细胞粘连最多。这可能和纤维蛋白在表面吸附相关。成纤细胞在聚合物表面的生长速率与其表面化学隐性相关，但细胞移动速率则取决于聚合物表面化学构成。由成纤细胞与聚合物基质接触角相关性研究确认，大多数疏水表面上单位细胞的细胞外基质合成速率较高。

第89页,共120页，2024年2月25日，星期天3、生物材料的表面工程

仿生表面工程：工程化生物材料表面引发特定的细胞生理响应，给细胞创造一个良好的人工ECM环境。 要求：良好的生物相容性；适宜的表面亲水－疏水平衡；具有较强的细胞识别功能；适宜的表面拓扑结构；可消除非特异性识别；易于加工和成型第90页,共120页，2024年2月25日，星期天1）生物大分子的表面固定化A将具有生物活性的大分子通过物理吸附、包埋或化学键合的方法固定在材料的表面。具有生物活性大分子：ECM黏附蛋白（纤连蛋白、层连蛋白）ECM多糖及其类似物（透明质酸、壳聚糖）细胞黏附多肽（RGD）细胞活性因子B引发特异性生物反应的表面C抗非特异性吸附的表面第91页,共120页，2024年2月25日，星期天生物大分子的表面固定化Giemsastainingofhumanchondrocytesafter1hattachmentonsurfacewithout(a),with0.1mm(b)orwith1000mm(c)cyclicthiolRGD-peptide.BrigitteJeschke,et,al.RGD-peptidesfortissueengineeringofarticularcartilage.Biomaterials2002;23:3455–63第92页,共120页，2024年2月25日，星期天2）生物材料表面拓扑结构化

光刻蚀表面拓扑结构生物材料表面图案化物理－化学性能不同的图案化表面刺激响应高分子图案化表面多糖图案化表面细胞黏附因子图案化表面第93页,共120页，2024年2月25日，星期天6.2.4发展与挑战

天然生物材料的优点是其所含的信息(如特定氨基酸序列)利于细胞附着，或保持分化功能。而其缺点是许多天然材料每批不同或批量大小有差异。

合成聚合物则能精确控制分子量，降解时间、疏水性等，但它们与细胞/组织的相互作用不够理想。利用天然聚合物的重要序列接枝到合成聚合物，将天然与合成聚合物优点集成是较好的解决方法。

聚合物加工问题也很重要。许多植入物由复合材料或高度孔隙结构材料，此类植入物制备的重复性对其成功甚为重要。持续控制释放体系的开发对调控许多组织诱导因子、生长因子和血管生成刺激因子很有意义。

第94页,共120页，2024年2月25日，星期天6.3生物陶瓷Bioceramics有各种不同的化学成分，根据其在生理环境中的化学活性和性质可分为四类：近似于惰性：三氧化二铝、氧化锆等氧化物生物陶瓷，Si3N4、钛酸钡等非氧化物生物陶瓷以及医用碳素等，这类材料长期暴露于生理环境下能保持稳定。表面活性：羟基磷灰石生物活性陶瓷和生物活性玻璃陶瓷，在生理环境中可通过其表面发生的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的生理支架作用，也就是所谓的“骨引导”和“骨传导”作用。第95页,共120页，2024年2月25日，星期天可吸收性：如石膏、磷酸三钙陶瓷，在生理环境中可逐渐被降解吸收，诱导骨质生长，并随之被新组织所替代，从而达到修复或替换病损组织的目的。复合型：生物陶瓷与生物陶瓷或与其他无机材料、有机材料复合而成的复合型材料。根据临床的不同要求可以制成不同类型的复合材料。在临床上生物陶瓷主要用于肌肉一骨骼系统的修复和替换，也可用于心血管系统的修复、制作药物释放和传递的载体。复合型的生物陶瓷还可以用于制造人工腱和韧带等。第96页,共120页，2024年2月25日，星期天

陶瓷成型容易，可以根据使用要求，制成各种形态和尺寸，如颗粒型、柱形、管形；致密型或多孔型，也可制成骨螺钉、骨夹板；制成牙根、关节、长骨、颅骨、颅骨等。第97页,共120页，2024年2月25日，星期天置于人体后会渐溶解而被其周围组织取代可吸收性生物陶瓷CompletelyAbsorbableBioceramics三钙磷酸盐[Ca3(PO4)2，TCP]无定形磷酸盐(amorphouscalciumphosphates，ACP)贫钙磷酸盐(Calciumdeficientapatites，CDA)在体内的吸收速率为ACP>TCP>CDA

烧石膏是再吸收速率很高的陶瓷材料，在狗的动物实验中比天然的骨移植还快；而且植入后引起的组织反应温和，不会引来巨大细胞。缺点在吸收速率变化大和机械强度欠佳，使用途大受限制，近年来有人研究其与氢氧基磷灰石混合后植入兔子胫骨中，发现吸受性良好。第98页,共120页，2024年2月25日，星期天近惰性生医陶瓷NearlyInertBioceramics置于体液中非常稳定，几乎不会释出离子或与组织产生反应，又分为非孔隙性与孔隙性陶瓷氧化锆陶瓷医疗套管

氧化铝生物陶瓷第99页,共120页，2024年2月25日，星期天置于体液中会和组织形成化学键结合

表面活性生医陶瓷Surface-ActiveBioceramicsJ羟基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2生物玻璃，如Na2O-CaO-P2O5-SiO2第100页,共120页，2024年2月25日，星期天羟基磷灰石/聚乳酸复合材料

有聚乳酸浸渍涂层的多孔羟基磷灰石(HA)复合材料。将多孔珊瑚状的HA陶瓷浸入DL-聚乳酸的丙酮溶液中(丙酮：聚乳酸=3:1～30:1)，取出干燥8～12h而制得。该复合材料较之未涂层材料，其压缩强度提高近4倍，压缩刚性提高30％，断裂吸收也提高30％左右。动物实验结果表明，这种复合材料已具有类似于来涂层的多孔HA陶瓷的成骨性能，但其初始强度已大大提高。

第101页,共120页，2024年2月25日，星期天6.4仿生复合材料一、仿生学

仿生学（bionics）是研究生物系统的结构、特质、功能、能量转换、信息控制等各种优异的特征，并把它们应用到技术系统，改善已有的技术工程设备，并创造出新的工艺过程、建筑构型、自动化装置等技术系统的综合性科学。