生物材料课件1

生物材料学

BiomaterialsScience目录1：绪论2：金属植入材料3：陶瓷植入材料4：医用高分子植入材料5：人体组织对植入材料的反应6：软组织替代与植入7：硬组织替代与修复本课程目的：

为从事生物工程、临床医学、基础研究的人们，建立起材料科学与工程的基础理论、基本概念、材料过程基本方法、材料性能与结构、以及应用的基础知识。第一章、绪论

生物材料学：

研究用于修复人体缺陷的各类材料的基本结构、基本特征和人体组织及器官对材料的反应，从基本原理上探索生物材料与细胞间的相互作用，研究材料过程-材料结构-材料性能之间的关系。生物材料：

植入人体体内，且与体内组织直接接触并起到某一特定作用的材料，是一种无药理学和无生命性质的物质

没有真正意义上的药物作用，但可以是载体。如现在的纳米药物载体材料。根据纳米颗粒表面和药物表面之间电位差异或化学位差异，使两者之间产生电学性质的结合或共价键性质的结合，将药物包裹在载体之间或吸附在表面，同时也在颗粒表面偶联特异性的靶向分子。通过靶向分子与细胞表面特异性受体结合，使颗粒进入细胞内，实现安全有效的靶向性药物治疗。（应用不同功效）体外部分：助听器、框架眼镜、假肢（指为皮肤隔开）取代身体某一部分：眼角膜长期进入身体部分：骨钉短期进入身体部分：注射器、导管体内部分与体内组织直接接触传统意义生物材料功能非常有限：有肝的生化功能如不可能有神经网络的电化学功能简单的机械、结构、视觉和化学的作用

组织工程：定义：应用工程材料学和生命科学原理、方法，研究哺乳动物正常组织或病理组织结构和功能的关系，开发对器官和组织功能有保存、维持、提高作用的生物学替代物的科学器官移植

制造组织和器官目标:利用细胞与生物支架材料的复合培养再生组织与器官,达到修复的作用.引入生物支架—活性细胞利用生物要素和功能去构建所希望的材料核心是建立由细胞和生物构成的三维空间复合体引入生物支架—活性细胞利用生物要素和功能去构建所希望的材料核心是建立由细胞和生物构成的三维空间复合体生物材料发展背景

早在5000年前，就有应用早期外科手术失败原因：感染

生物材料获得实际应用

感染问题趋向恶化19世纪60年代，李斯特，无菌外科手术植入导致免疫组织相容性较差20世纪初：金属骨骼板；钒钢20世纪30年代：不锈钢和钴铬合金（固定骨折，人工关节）第二次世界大战时期：高分子聚合物材料；有机玻璃（眼角膜，受损头骨部分的植入）20世纪50年代：血管植入20世纪60年代：心脏瓣膜；骨水泥固定人工关节的植入20世纪70年代：羟基磷灰石（人体骨，牙齿，涂层）20世纪80年代：生物玻璃（骨头结合剂的填料，牙齿的填充，涂层）20世纪90年代：硅橡胶（隐形眼镜，隆鼻）世纪支交：纳米技术21世纪：组织工程材料（具有全面生理功能的人工器官和组织）生物陶瓷材料的临床应用范围材料人工骨人工关节人工齿根骨填充材料心脏瓣膜人工血管人工气管人工肌腱羟基磷灰石√√√√

氧化铝√√√

碳

√√

√√√√磷酸钙√

√√

磷酸盐骨水泥

√

P2O5系生物玻璃√√

氧化锆

√√

生物材料的分类与基本性质根据材料的生物性能生物惰性材料生物活性材料生物降解材料生物复合材料生物惰性材料

在生物环境中能够保持稳定，不发生或仅发生微弱化学反应的生物医学材料与组织结合是机械啮合主要是惰性生物陶瓷类和医学金属及合金类材料应用最广泛生物活性材料

由材料表面/界面引起特殊生物或化学反应，促进或影响组织和材料之间的连接，诱发细胞活性或新组织再生的生物材料。羟基磷灰石材料磷酸钙生物活性材料磁性生物陶瓷材料生物玻璃等生物降解材料

植入人体后，能够不断发生降解，解产物能够被生物体所吸收或排出体外的一类材料

-TCP生物降解陶瓷降解性高分子生物材料（聚乳酸、聚酰胺等）生物复合材料

又称生物医用复合材料，它是有两种或两种以上不同材料复合而成的生物医学材料主要用于修复及替换人体组织，器官或增进其功能根据不同基材分为：高分子基；金属基；陶瓷基生物医用复合材料的发展为获得真正仿生的生物材料开辟了广阔途径根据材料的属性金属材料有机高分子材料无机非金属材料以上几种材料的复合材料金属材料

金属材料是指金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。包括纯金属、合金、金属材料金属间化合物和特种金属材料等不锈钢：强度高，存在腐蚀作用人工关节、接骨板钛合金：韧性好，比强度高牙根种植体、颅骨CoCrMo合金：强度高，耐磨性好，重、耐腐蚀人工关节有机高分子材料又叫高分子化合物。是由一种或几种结构单元多次重复连接起来的化合物。它们的组成元素不多，主要是碳、氢、氧、氮等，但是相对分子质量很大

尼龙：弹性好，强度低手术线、导管各种橡胶：易塑性加工，易老化软组织替代、软性垫高

无机非金属材料

是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。是除有机高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称Al2O3：最早使用的陶瓷材料

生物性能好，相容性好强度低、脆性牙、损伤骨的固定材料复合材料部分克服上述缺点，不容易制造涂层材料、复合材料

性能金属材料有机高分子材料无机非金属材料生物相容性中等中等良好化学稳定性低中等高耐热性中等差好热膨胀系数中等大小热传导性好差中等硬度中等低高拉伸系数大中等中等可成形性中等易难压缩系数中等大小金属材料、有机高分子材料、

无机非金属材料的性能比较生物性材料：结构匹配性好骨修复材料牛骨、猪骨、人骨、骨库（异体骨置换）丝蛋白等（人工皮肤，硬脑膜修复）猪心包等（心脏瓣膜）

骨形态发生蛋白（新鲜骨折，骨缺损，

股骨头缺血性坏死）材料在体内的应用

与材料在工程上的应用不同的是，发生在生物材料中失败的因素主要是：1.人体免疫系统对植入体的攻击2.植入体对机体的有害作用材料在人体中的应用可以从不同角度来认识从生物材料解决问题的范围应用方面及结果体内用生物材料及医疗器械坏死或创伤组织替代人工髋骨关节，肾透析仪辅助组织愈合手术线，接骨板，接骨螺钉改进器官或组织功能心脏起搏器，隐形眼镜异位矫正Harrington骨椎骨杆协助诊断探针，导管，内窥镜协助治疗导液管，排尿管脉冲发生器器官应用器械心脏起搏器、人工瓣膜肺制氧机眼睛隐形眼镜耳外耳重建、人工耳骨骼接骨板肾肾透析仪膀胱导排器从器官层次肌体系统生物材料骨骼内固定板，人工关节替换肌肉组织手术线（缝合）消化管手术线（缝合）循环系统人工血管和人工瓣膜呼吸系统制氧机外皮（表面组织）手术线，烧伤覆盖物，人工皮肤泌尿系统导管，透析议神经系统起搏器内分泌系统人工胰岛素胶囊再生生殖系统整形，矫形，替代，乳房再植和整形从系统层次目前应用最成功的生物材料是骨科和整形外科皮肤、肌肉以及骨骼等创伤、疾病、先天性或后天性组织或器官的缺陷与畸形生物材料应用规范材料因素考虑：强度，密度，透气性，设计，形状，结构，硬度，制造技术生物相容性考虑：意味着能否被环境组织和整体系统所包容—重要因素（1）血液相容：溶血、血栓、补体系统酶变化（2）细胞毒性：体外评价，琼脂培养（3）急性毒性评价（4）刺激性，过敏性（5）植入实验：皮下、肌肉、骨骼植入（6）热导试验：动物体温变化

另外还有生物降解试验、致癌性试验、Ames试验（污染物致突变性检测）、生殖试验、动物试验、遗传毒性试验最难避免的是人的个体差异，导致了不同的应用效果，甚至失败每项必须完成，不能由医生说了算；科学依据——医患纠纷手术可靠性手术可靠性；Ｒ

Ｒ＝１－f

植入失败性；

f多个条件：R=R1•R2…….Rn=(1-f1)(1-f2)……(1-fn)

人工关节替换术中各种失败因素