生物医学材料课件

1、材料科学和工程学院熊党生，生物材料学，1绪论2生物学相关基础和生物相容性3生物医疗用金属材料4生物医疗用高分子材料6生物材料表面改性7纳米生物材料8组织工程概要，主要教材熊党生，生物材料和组织工程，科学出版社2 .李世普.生物医疗材料指导论武汉：武汉工业大学出版社3 .阮建明，邹俭鹏， 黄伯云.生物材料学，北京：科学出版社，生物材料发展背景，第一章绪论，1.1生物材料发展背景，用于与生物组织接触，评价、治疗和置换生物组织的材料。 生物材料主要应用于医疗领域，它们不单独使用，通常作为医疗设备使用。 实际上，生物材料通常是加工、消毒后使用的材料。 从公元前开始，作为骨置换物的青铜或真？ 有用手指连

2、接断裂的骨头的例子。 2000多年前的罗马人、中国人、阿兹特克人把钱花在牙齿的修补上。 19世纪中叶以后，随着医学的发展，形成了相应的科学体系。 特别是新高分子材料的开发，给生物材料的研究和应用带来了很大的机会。 在具有良好生物相容性的研究途径的指导下，用很多假体制作了植入体，并成功地进行了骨移植手术。 1884年，第一次用金属内插术进行髋关节置换的1936年，有机玻璃很快成为假牙和人工骨应用于应用和临床的1943年，纤维素的出现是透析膜能制造成人肾脏的1938年，制造合金假体的1960年代，聚乙烯被广泛应用近年来，研究人员用已经改变的生物材料开发了人工器官，代替、修复机体受损的组织和器官，发

3、挥了生理作用，取得了良好的疗效，但仍存在一定的问题，无法完全满足人们的要求。 随着生物技术的发展和重大突破，生物医疗材料成为各国研究和开发的焦点。 目前详细研究的生物材料已超过1000种，广泛应用的产品有90多种，1800多种。 西方各国每年消费的生物材料的量以1015%的速度增加。 近十年来，世界生物医疗材料和产品市场一直保持着15%以上的年增长率，已成长为本世纪世界经济的一个支柱产业。 近年来，世界生物医疗材料及其产品产值以每年58%的速度增长，2005年产值约2100亿美元，为药品产值的7/10，且比例还在增加，已成为本世纪经济的支柱产业。 我国需求量很大，但近十年来市场年增长率高达20

4、%27%，占国际市场份额不到3%。 二是从潜在需求来看，关于医疗器械人的年平均消费额，我国只有7美元左右，美国达到了300美元以上。 随着国民经济的发展，国民生活水平的提高，人口老龄化，中国对生物医疗材料和产品的需求越来越大，1.2生物材料的分类，生物材料主要有两种分类方法：应用性质分类和生物材料属性分类。 根据应用性质分类的有抗凝固材料(心血管材料)、牙科材料、骨科材料、眼科材料、吸附解毒材料(血液灌流用)、伪材料、缓释材料、生物黏附材料、透析和膜过滤用膜材料、一次性医疗材料等。 根据生物材料的属性，可分为天然高分子生物材料的再生纤维、胶原蛋白、透明质酸、甲壳质等。 合成高分子生物材料硅橡胶

5、、聚氨酯及其嵌段共聚物、聚酯、尼龙、聚丙烯腈、聚烯烃。 医疗用金属材料不锈钢、钛及钛合金、钛镍记忆合金等。 无机生物医学材料碳材料、生物活性陶瓷、玻璃材料。 杂种生物材料是指胶原蛋白和聚乙烯醇的交联杂种等来自生物的天然材料和合成材料的杂种。复合生物材料是用碳纤维增强的塑料、用碳纤维和玻璃纤维增强的生物陶瓷、玻璃等。 1.3生物材料的使用性能，生物材料是开发人工器官和一些重要医疗技术的物质的基础，所有新型生物材料的发现都引起了人工器官和医疗技术的飞跃。 不同的生物材料具有不同的使用性能。 一般来说，临床医学对生物医学材料无毒性、无致癌性、无畸形，具有不引起人体细胞突变或组织细胞反应的基本要求的化

6、学性质稳定，在接触抗体液、血液和酶的作用(人体的各种体液(唾液、淋巴液、血液)时，需要良好的耐腐蚀性。 唾液、血液、间质液都是以cl、Na、k离子为主的电解质溶液，生物材料在该溶液中不发生反应、腐蚀、变质，与人体组织相匹配，具有适合不引起中毒、溶血凝固、发热、过敏等现象的天然组织的物理机械特性，每个使用目的都具有特定的功能。 (髋关节静止的状态下承受体重的一半的话，水平步行时承受的重量是静止时的3.3倍，跑步时是4倍以上。 另外，每走一公里就活动约1000次，根据一般的生活状况，每年会受到约1106 3106次的重复负荷的作用。 医疗用金属材料的定义：作为生物材料使用的金属或合金，也称为外科用

7、金属材料。 性质：生物惰性材料的高机械强度和抗疲劳性能良好的生物力学性能和相关物理性质优良的生理食性、生物相容性、无毒种类：钴合金(Co-Cr-Mo )、钛合金(Ti-6A1-4V )和不锈钢的人工关节和人工骨。 镍钛形状记忆合金具有形状记忆的智能特性，可应用于整形外科、心血管外科。 形状记忆合金具有奇异的形状记忆功能、质轻、磁弱、强度高、抗疲劳、恢复力高、生物相容性好等特点，广泛应用于管腔狭窄的治疗、骨科、口腔科和血管外科。 1、不锈钢成本低，但体内有腐蚀和组织反应等，如果向不锈钢中添加Mo，就能克服铬钝化膜在氧化环境下的耐腐蚀性，例如添加了Mo的316、317。 降低碳含量，例如使用超低碳

8、、不锈钢骨钉的316L可以防止粒间腐蚀。 制作很多人工关节、骨折内固定器、断骨连接器等，也用于制造牙科等各种器件。 骨吸收和骨梁形成，2、在钴基合金中加入了Mo的钴基合金，已经应用于生物体。 例如，Co-Cr-Ni-Fe-Mo合金用于牙科和整形外科，该合金的耐腐蚀性是一般不锈钢，例如316的40倍。 钴基铬钼合金的生物比铁铬镍和钴铬合金相容性高。 钴基合金的耐磨性是所有医疗用金属材料中最好的，与不锈钢相比，适合在体内装载严酷的长期植入体。 CoCrMo合金股骨帽，3，钛合金以纯钛和TC4 (Ti-6Al-4V )为主，该合金的强度虽然比钴合金差，但耐腐蚀性好，与人体组织的反应弱，钛合金密度小，

9、弹性模量低，接近天然骨。 广泛用于各种人工关节、接骨板、骨螺钉和骨折固定针等的制作，也用于牙根种植体等的制作，显示出良好的耐疲劳性能。 金刚石包复的膝关节和髋关节，4、形状记忆合金用于脊椎侧弯矫正器具、牙科器具、血栓过滤器、血管扩张支架、血管栓塞器等的制作。 5、贵金属通常指金、银、铂及其合金。 贵金属耐腐蚀，耐蠕变性，对生物组织无毒，刺激性小，导电性好。 金合金主要用于口腔科，贵金属合金也用于埋入电极和电子设备等。 生物医学高分子材料的生物医学高分子材料有天然和合成两种。医用天然高分子材料：优良的血液与组织相容性不易引起抗体产生，移植到人体后无刺激性毒性反应，促进细胞增殖，加速伤口愈合，具有

10、分解性被人体吸收，分解产物也无毒性副作用主要用于伤口敷料、药物缓释剂、止血棉止血剂等。 合成高分子生物材料：通过聚合法制造的生物材料。 软性材料经常用作人体软组织，例如血管、食道、指关节等替代品合成的硬材料可以用于人工硬脑膜、笼架球形的人工心脏瓣的球形阀等，液态合成材料例如室温硫化硅橡胶可以用作注入式组织修补材料。 合成高分子材料可能引起毒性反应，其弹性模量低则弹性低，不能用于承受大负荷的体位的修复。 目前合成高分子生物材料主要用于防噪音耳塞、人工血管、人工晶体、鼓膜修补片等。 表1-1列举了几种合成或改性天然材料在医学上的应用。 凝胶型高分子材料：特殊的三维网络结构的优秀力学性能，如大变形能

11、力、生物相容性、化学性能的稳定和良好的成形性广泛应用于关节软骨、椎间盘髓核缺损的修复和角膜接触镜等的研制。 无机生物医学材料无毒，具有生物组织和良好的生物相容性，耐腐蚀。 包括生物陶瓷、生物玻璃和碳材料三种，主要用于牙科、骨科的修复和植入材料。 惰性生物陶瓷(氧化铝、医用碳材料等):高强度、耐磨损性良好，分子中的结合力强。 生物活性陶瓷(羟基磷灰石和生物活性玻璃等):在生理环境中逐渐分解吸收，和生物形成稳定的化学键的特性。 无机生物材料基本上是脆性材料，易裂，发展方向应导向复合生物材料的开发和金属基体上涂无机生物陶瓷涂层(薄膜)材料的方面。 生物医学复合材料：生物医学复合材料是由两种以上不同材

12、料复合而成的生物医学材料，主要用于修复和交换人体组织、器官，增进其功能和人工器官的制造。 钴合金和聚乙烯组织的假体作为关节材料常用的碳钛合成材料是临床应用良好的人工股骨头高分子材料，可与酶、抗源、抗体、激素等生物高分子结合成为生物传感器。 生物医学派生材料：经过特殊处理的天然生物组织形成的生物医学材料是没有生物活力的材料，但由于其与天然组织具有相似的配置和功能，对人体组织的修复和交换具有重要作用，主要用于皮肤口罩、血液透析膜、人工心脏瓣(如图1-2所示)等。 混合生物材料：生物材料和非生物材料组成的复合物主要包括合成材料和生物高分子材料或细胞的混合。 杂种生物材料主要用于人工胰脏、人工肝脏、人

13、工胸腺、人工肾脏、人工皮和人工血管等。 表1-1合成材料和改性天然材料在医学上的应用，图1-1生物材料在人体各部位的具体应用，生物材料复盖各种材料：金属材料； 陶瓷材料； 聚合物材料，1.4生物材料和组织工程，1984年中国学者冯元框首次提出了组织工程概念。 美国化学工程师罗伯特兰瑟教授和麻省理工大学医学部的临床医生约瑟夫vcanti正式提出了组织工程概念。1987年，美国科学院基金会(National Science Foundation，NSF )在加利福尼亚Lake Tahoe召开的专家讨论会上阐明了组织工程的定义。 “组织工程学应用工程科学和生命科学的原理和方法，从根本上认识正常和病理哺乳动物组织和结构功能的关系，研究生物学替代物的组织恢复、维持、改良的生物替代物”的目标是利用细胞和生物支架材料的复合培养来再生组织和器官， 修复目的的组织工程学的基本原理是从生物体内获得少量的生物组织，用特殊的酶或其他方法将细胞(也称为种子细胞)从组织中分离，在体外培养扩增，将扩增的细胞和具有良好的生物相容性、分解性、吸收性的生物材料以一定比例混合，使细胞附着在生物材料上形成细胞-材料复合物。 随着该复合体移植到生物组织和器官病变部位，生物材料在体内逐渐分解吸收，移植