天然生物材料仿生设计 课件 第六章 骨材料及其仿生设计

⚫6.1

骨的形态特征⚫6.2

骨材料的化学组成⚫6.3

骨的组织结构及特点⚫6.4

骨的性能⚫6.5

基于骨材料的仿生设计形态和功能是互相制约的，由于功能的不同，骨有不同的形态。基本可分为四类：长骨、短骨、扁骨和不规则骨。1、长骨长骨呈长管状，分布于四肢，适应支持体重、移动身体和进行劳动的运动，在运动中起杠杆作用。2、短骨短骨一般呈立方形，多成群地连接存在，位于既承受重量又运动复杂的部位，如腕骨和跗骨。3、扁骨扁骨呈板状，分布于头、胸等处。常构成骨性腔的壁，对腔内器官有保护作用，如颅盖骨保护脑，胸骨和肋骨保护心肺等。4、不规则骨不规则骨形态不规则，如椎骨。有些不规则骨，内有含气的腔，称含气骨，如位于鼻腔周围的上颌骨和筛骨等，发音时能起共鸣作用，并能减轻骨的重量。骨组织的细胞组成骨组织的细胞成分包括骨原细胞、成骨细胞、骨细胞和破骨细胞。只有骨细胞存在于骨组织内，其他三种细胞均位于骨组织的边缘。1、骨原细胞骨原细胞是骨组织中的干细胞。细胞呈梭形，胞体小，核卵圆形，胞质少呈弱嗜碱性。骨原细胞存在于骨外膜及骨内膜的内层及中央管内，靠近骨基质面。在骨的生长发育时期，或成年后骨的改建或骨组织修复过程中，它可分裂增殖并分化为成骨细胞。成骨细胞由骨原细胞分化而来，比骨原细胞体大，呈矮柱状或立方形，并带有小突起。核大而圆、核仁清楚。医学研究认为，成骨细胞能向基质中分泌骨钙蛋白。2、成骨细胞骨细胞为扁椭圆形多突起的细胞，核亦扁圆、染色深。胞质弱嗜碱性。骨细胞夹在相邻两层骨板间或分散排列于骨板内。相邻骨细胞的突起之间有缝隙连接。3、骨细胞破骨细胞是一种多核的大细胞，其数量远比成骨细胞少。多位于骨组织被吸收部位所形成的陷窝内。可向其中释放多种蛋白酶、碳酸酐酶和乳酸等，溶解骨组织。医学研究认为，破骨细胞是由多个单核细胞融合而成。4、破骨细胞骨基质的化学组成骨基质的化学成分包括有机质和无机质组成。有机质主要是胶原纤维束和黏多糖蛋白等，构成骨的支架，赋予骨弹性和韧性。无机质主要为钙、磷以及少量的镁等其他物质，使骨坚硬挺实，承受机械力量；同时与全身各组织之间保持化学平衡。1、有机质包括胶原纤维和无定形基质，约占骨干重的35%，是由成骨细胞分泌形成的。有机成分的95%是胶原纤维（骨胶纤维），主要由I型胶原蛋白构成，还有少量V型胶原蛋白。无定形基质的含量只占5%，呈凝胶状，化学成分为糖胺多糖和蛋白质的复合物。糖胺多糖包括硫酸软骨素、硫酸角质素和透明质酸等。而蛋白质成分中有些具有特殊作用，如骨粘连蛋白可将骨的无机成分与骨胶原蛋白结合起来；而骨钙蛋白是与钙结合的蛋白质，其作用与骨的钙化及钙的运输有关。有机成分使骨具有韧性。2、无机质无机成分又称骨盐，包括磷酸钙、碳酸钙、柠檬酸钙等。它们形成细针状的羟磷灰石结晶，沿骨胶原纤维的长轴排列，并与之紧密结合。胶原纤维束高度有序地成层排列，无定形基质将它们黏合在一起，加上骨盐沉积，形成薄板状结构，被称为骨板。骨的硬度取决于其内的无机盐结晶，胶原纤维和其他有机大分子可增强骨的韧性，抵抗外力损伤，但胶原纤维的抗压性和弹性较差。当二者结合在一起，却具有很大的结构强度，从而使骨组织获得坚强的机械性能。骨的组织结构骨由骨膜、骨质和骨髓构成，此外还有丰富的血管和神经分布。1、骨膜骨膜分骨外膜和骨内膜。骨外膜分两层，外层为纤维层，由致密结缔组织构成，含血管、淋巴管和神经，有营养和保护作用。内层为细胞层，含有血管和骨原细胞等。骨内膜为附于骨髓腔内面的一层膜，含有骨原细胞和破骨细胞等。内层参与骨的生长和修补。故骨外膜受损，骨不易愈合。在肌肉和韧带附着处，骨外膜显著增厚。骨内膜主要衬附于骨髓腔面以及骨小梁表面。2、骨质骨质是骨的主要成分，由骨组织构成。骨组织根据基质与细胞的组成被分为骨密质和骨松质，或称为密质骨和松质骨。骨密质主要起保护作用和支持作用，有助于长骨负重。骨松质并无真正的骨单位，具有降低骨质量和减缓冲击的作用。3、骨髓骨髓位于长骨的骨髓腔和骨松质的间隙内，由造血细胞和网状结缔组织构成。分为红骨髓和黄骨髓两种。红骨髓具有造血功能，而黄骨髓无法具备造血功能。大量失血后，黄骨髓可以逆转为红骨髓，再次执行造血功能。骨松质中的红骨髓一直具有造血功能。4、血管和神经骨有丰富的血管和神经，主要分布在骨膜。骨表面有肉眼明显可见的小孔，分布于骨质的血管由此出入。分布于骨的神经主要是血管的运动神经和骨膜的感觉神经。骨的组织结构特点1、骨组织的基本单位是骨小体骨单位是骨密质起支持作用的主要结构单位，呈圆柱形，由中央的中央管及多层呈同心圆排列的骨板组成，各层间有骨细胞分布。骨板中的胶原纤维呈螺旋形，相邻骨板中的胶原纤维互相垂直。骨细胞埋在骨板内或骨板间的骨陷窝内。1、骨组织的基本单位是骨小体骨小体是骨组织的基本功能单位，由中央的骨小管和周围的骨小板组成。骨小管内有血管和神经，负责骨细胞的营养供应和感觉传导。骨小板呈层状排列，具有抗压功能，并通过骨小管与周围的骨小板相连，形成了一个整体结构。2、骨组织的基质具有高度的有序性骨组织的基质主要由胶原纤维和无机盐矿物质组成。胶原纤维主要是一种强度较高的蛋白质，能够提供骨组织的韧度和弹性。无机盐矿物质主要是钙、磷等元素的化合物，能够提供骨组织的硬度和刚性。这些成分在基质中以有序的方式排列，使其具有高度的稳定性和承载能力。3、骨组织具有较高的再生能力骨组织具有较强的自愈能力，当骨组织受到损伤时，身体会通过一系列的生理反应来修复损伤部位。首先，骨组织会通过增生和分化来产生新的骨细胞，进而填充损伤部位。其次，骨组织会通过重建骨小体的结构，使其恢复正常的功能。最后，骨组织会通过骨吸收和骨生成的平衡来保持整体的稳定性。4、骨组织具有较高的代谢活性骨组织是人体内最活跃的组织之一，具有较高的代谢活性。骨细胞会不断地进行新陈代谢，吸收和释放各种营养物质。同时，骨组织还会参与到体内的钙平衡调节中，通过骨吸收和骨生成的平衡来维持血液中钙离子的稳定。此外，骨组织还能够产生一些生物活性物质，如骨形成调节因子和细胞因子等，进一步调节骨代谢和修复。力学特性骨作为一种典型的天然矿化材料，由胶原分子和纳米羟基磷灰石从纳米尺度到宏观尺度的多级组装而成，其复杂的有序层级结构赋予了天然骨材料优异的强度和韧性。以分层方式相结合的柔性胶原蛋白和矿物刚性磷灰石所提供的力学性能优于任何一种单一材料。骨材料的力学特性包括各向异性、骨组织的弹性和坚固性、抗压力强，抗张力差等。力学特性1、生物力学特性（1）各向异性和应力强度的方向性骨的结构呈现出中间多孔介质的夹层特点，这种结构使得骨材料表现出各向异性的特性。各向异性是指骨在不同方向上的力学性质不同。由于骨的各向异性使骨对应力的反应在不同方向上不相同（应力强度的方向性）。力学特性（2）管形结构管形结构的主要特点是只在力的承受及传递的路径上使用材料，而在其他地方是空洞。人体的长骨，如股骨、胫骨、肱骨等以其合理的截面和外形而成为一个优良的承力结构。圆柱外型可以承受来自任何一个方向的力的作用；空心梁和同结构的实心梁具有同样的强度，而可节省约1/4的材料，这样就可以用最少的材料而获得最大的强度，同时达到了质轻的效果。力学特性（3）均匀强度分布骨的内部组织情况也显示骨是一个合理的承力结构。根据对骨骼综合受力情况的分析，凡是骨骼中应力大的区域，也正好配上了其强度高的区域。如下肢骨骨小梁的排列与应力分布十分相近。可见骨能以较大密度和较高强度的材料配置在高应力区，说明虽然骨的外形很不规则，内部材料分布又很不均匀，但却是一个理想的等强度最优结构。力学特性2、弹性和坚固性骨组织主要由水、无机物和有机物组成。其中，水分约占25%-30%，无机物（主要是磷酸钙和碳酸钙）约占60%-70%，有机物（主要是骨胶原）约占20%-40%。这些成分的独特比例使得骨组织具有弹性和坚固性。力学特性2、弹性和坚固性骨的有机成分形成了网状结构，使得骨具有弹性。这意味着在承受压力或张力时，骨组织可以发生一定的形变，但不会破裂。而无机物填充在有机物的网状结构中，使得骨具有坚固性。无机物的主要作用是增加骨的硬度，使其能够承受各种形式的应力。研究表明，无机物主要使骨具有抗压能力，而有机物则使骨具有抗张能力。这意味着，在承受压力的情况下，骨不易损坏；而在承受张力的情况下，骨比较容易损坏。力学特性3、抗压力强，抗张力差骨对纵向压缩的抵抗最强，这意味着在纵向压力下，骨不容易损坏。相对而言，骨在张力情况下的表现较差，容易受到损坏。这与骨小梁的排列顺序有关。骨小梁是骨组织中的一种结构，它们按照一定的方向排列，形成了类似于梁的结构。这种排列方式使得骨在纵向方向上具有更强的抵抗力。内分泌功能近年骨骼的内分泌功能逐渐被挖掘出来，拓展了人们对骨骼的认识。随着认识的深入，，骨骼不再仅仅是被动接受神经和体液调节的器官，而是一个参与机体全身调节的内分泌器官。骨骼能合成和分泌多种生物活性物质，包括骨调节蛋白、活性多肽、生长因子、脂肪因子、炎性因子、激素和外泌体等。内分泌功能1、骨骼分泌的骨调节蛋白骨骼分泌的骨调节蛋白广泛参与成骨过程，调节骨骼的生长和发育，在机体的病理生理过程中发挥着重要作用。骨调节蛋白均可调节成骨细胞的增殖和分化，从而影响骨表型改变。此外，骨调节蛋白参与机体的糖代谢和脂代谢等。骨骼与其他器官和组织存在着复杂的网络调控机制，骨骼分泌的骨调节蛋白广泛参

与了机体的活动，维持着机体的内环境稳态。内分泌功能2、骨骼分泌的生长因子（1）成纤维细胞生长因子成纤维细胞生长因子是由成骨细胞和骨细胞分泌的一种参与钙磷代谢调节的细胞因子。其结构特殊很容易释放并进入血液，发挥类似内分泌激素的作用。在肾脏，成纤维细胞生长因子的主要生物功能是通过降低域型钠磷协同转运蛋白的表达，抑制磷吸收，降低血磷。内分泌功能2、骨骼分泌的生长因子（2）胰岛素样生长因子胰岛素样生长因子是一类促进细胞生长、具有胰岛素样代谢效应的因子，主要由肝脏和其他组织产生，调节细胞的增殖、分化和蛋白质合成。普遍认为胰岛素样生长因子是一种强有力的骨纵向生长刺激因子，在骨骼生长中起着极其重要的作用。内分泌功能3、骨骼分泌的脂肪因子（1）瘦素瘦素是肥胖基因的产物，主要由白色脂肪细胞分泌。瘦素在骨折的愈合中发挥了重要作用，瘦素缺乏可消除创伤性脑损伤对骨愈合的积极作用。（2）脂联素脂联素是主要由白色脂肪组织分泌产生的一种脂肪因子，它可通过寡聚化形成不同的寡聚体，经血液循环作用于脂联素受体发挥生物作用。造血功能骨髓存在于骨松质腔隙和长骨骨髓腔内，由多种类型的细胞和网状结缔组织构成，根据其结构不同分为红骨髓和黄骨髓。骨髓具有造血干细胞，能够发挥造血能力，尤其是红骨髓，可以不断制造红细胞等重要的血细胞，补充血液中的新陈代谢，能够促进人体不断地生长，并保护人体重要器官功能。仿骨材料是一种模拟自然骨骼结构的材料，具有良好的生物相容性和生物活性，可用于骨组织修复、替代和重建。以下是仿骨材料的一些应用：1.骨缺损修复：仿骨材料可用于修复骨缺损，如骨折、骨坏死和骨肿瘤等，通常与植入物结合使用。例如，钛合金支架与仿骨材料复合使用可用于修复长骨的骨折和缺损。2.牙科修复：仿骨材料可用于牙齿的修复和重建，如牙种植和牙髓治疗等。例如，可使用仿骨材料制成人工牙根和修复材料，以达到与自然牙齿相似的功能和外观。3.药物缓释：仿骨材料可用于制造药物缓释系统，可以缓慢释放药物，达到更好的治疗效果。例如，研究人员使用仿骨材料制造了一种药物缓释系统，用于治疗骨质疏松症。4.组织工程：仿骨材料可用于细胞培养和组织工程，如骨组织工程和软骨组织工程等。例如，使用仿骨材料结合干细胞和生长因子等可以制造人工骨骼和软骨组织。5.生物传感器：仿骨材料具有良好的生物相容性和生物活性，可用于制造生物传感器，监测人体生理和病理状态。例如，研究人员使用仿骨材料制造了一种人体肝脏生物传感器，可用于监测肝脏疾病的发生和发展。仿骨材料的基材种类1、无机材料使用较多的材料有金属（合金）、生物陶瓷、生物玻璃、羟基磷灰石等。这些作为植入物能满足人工仿生骨的一般要求，优点是生物相容性好，缺点是机械性能较差，硬而脆，易断裂。仿骨材料的基材种类2、有机材料这种材料是从动物结缔组织或皮肤中提取的，是经过特殊化学处理的蛋白质物质。由于其中含有某些成骨因子，因