生物医学材料

1、生物材料和人工器官，主要内容，生物医学材料的定义，人工器官、人工肾、人工心脏、人工肺、生物医学材料的发展、分类和介绍的基本要求，定义：生物材料是生物医学材料，指“用于医疗目的的无生命材料，用于与组织接触以形成功能”。它是生物医学科学的最新分支，是由生物学、医学、化学和材料科学交叉形成的边缘学科。生物材料是人工器官和一些重要医学技术发展的物质基础。每一种新生物材料的发现都导致了人工器官和医疗技术的飞跃。概述生物材料的发展，生物材料的开发和利用可以追溯到3500年前，当时古埃及人开始使用棉纤维和马鬃作为缝合线来缝合伤口；印度人用木屑修复受伤的头骨。2500年前，在中国和埃及的坟墓中发现了假牙、假鼻

2、子和假耳朵。人类很早就用黄金来修复有缺陷的牙齿，至今仍在使用。在16世纪，人们用金盘修复颌骨，用陶瓷材料制作牙根，用金属固定内部骨板，用金属植入牙齿。生物材料发展综述。生物医学材料被广泛使用。全世界有90多个品种和1800多种药品。在西方国家，药物中高分子材料的消耗正以每年10%的速度增长。中国生物医用材料产业取得了很大进步，但产品结构不合理，细分程度低。普通、传统和初级产品占大多数，高端产品仍以进口为主；研究仍然基于模仿，缺乏具有真正独立技术的创新产品；从事生物医用材料的大型企业太少；生物医用材料的主要原材料也依赖进口。生物医学材料的基本要求是，材料与人体组织之间的两种反应，包括生物环境对材

3、料的腐蚀、降解、磨损、性能退化甚至破坏。包括局部和全身反应，如炎症、细胞毒性、凝血、过敏、致癌、畸形和免疫反应。生物医用材料的基本要求：(1)生物相容性对人体无毒、无刺激性、无致畸、无过敏性、无致突变性或无致癌性；生物相容性好，体内无排斥反应，无炎症，无慢性感染，植入体不会引起周围组织的局部或全身反应，最好与骨形成化学结合并具有生物活性；无溶血、凝血反应等。生物医学材料的基本要求，(2)化学稳定性，抗体液侵蚀，且无有害降解产物；无吸水、膨胀、软化和变质；自我不变，等等。(3)具有足够机械条件的静态强度，如弯曲、压缩、拉伸、剪切等。具有适当的弹性模量和硬度；抗疲劳、摩擦、磨损和润滑。生物医学材料

4、的基本要求，(4)其他要求良好的多孔性，体液和软硬组织易于生长；加工成型容易，使用操作方便；热稳定性好，高温消毒，不变质。生物机体对生物体内的物质反应做出反应，生物机体作用于生物物质进行反应，这可能导致物质的结构破坏和性质变化，并失去其功能。它可分为以下三个方面：金属腐蚀、聚合物降解和磨损、金属腐蚀和生物体内的腐蚀环境：(1)盐溶液是一种优良的电解质，促进电化学腐蚀和水解；(2)组织中有多种分子和细胞可以快速催化或破坏外来成分。对于生物材料而言，大部分是局部腐蚀，包括应力腐蚀开裂、点蚀、晶间腐蚀、腐蚀疲劳和缝隙腐蚀，导致生物材料的整体破坏。可能有物质溶解到生物组织中，对生物组织产生毒性反应，造

5、成组织损伤。在长期使用过程中，由于氧、热、紫外线、机械、水蒸气、酸和碱、微生物等因素的影响，聚合物逐渐失去弹性，并开裂、硬化、变脆或变软对于耐用设备，必须保持一定的强度和其他机械性能，老化产品不得对周围组织产生毒性影响。磨损，人工关节容易氧化产生二氧化钛，耐磨性差。植入人体后，磨损导致关节周围的组织形成深棕色的厚物质，从而引起疼痛。目前，大量人工髋关节由硬质金属或陶瓷股骨头和超高分子聚乙烯髋臼杯组成，但其寿命不超过25年。假体失败的主要原因是UHMWPE磨损颗粒引起的界面骨溶解，导致假体松动。这种磨损颗粒引起的异物巨细胞反应，也称为颗粒性疾病，是晚期失败的主要原因。生物医学材料的分类，按其性质

6、分类，生物医学材料、医用金属材料、无机生物医学材料、高分子生物材料、杂化生物材料、医用金属材料和一类生物惰性材料，除了具有高的机械强度和抗疲劳性、良好的生物力学性能和相关的物理性能外，还必须具有优异的抗生理腐蚀、生物相容性、无毒、简单、可行和精确的外科手术技术。这种材料是临床上应用最广泛的承重植入材料，已成为修复和替代骨骼和牙齿等硬组织、修复心血管和软组织以及制造人造器官的主要材料。常用的医用金属材料有不锈钢、钴基合金、钛基合金、形状记忆合金、贵金属、纯金属、钽、铌和铬等。医用金属材料：不锈钢、铁基耐蚀合金(一般由铁、铬、镍、钼、锰和硅组成)，易于加工，价格低廉。不锈钢的耐腐蚀性和屈服强度可以

7、通过冷加工来提高，以避免疲劳断裂。一般制成各种形状，如针、钉、髓内针、牙冠、三角钉等临床用装置和人工假体，也用于制作各种医疗器械和手术器械。医用金属材料：不锈钢，可分为：奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、沉淀硬化不锈钢等。3Cr13和4Cr 13马氏体不锈钢用于医疗器械，如刀、剪刀、止血钳、针等。00Cr18Ni10奥氏体不锈钢可用于制造各种人工关节和骨折内固定器。在口腔医学中，它经常被用来制作牙种植体、矫正器和牙根种植体。不锈钢骨固定螺钉和骨固定板，医用金属材料：钴基合金，含高铬钼，又称钴铬钼，具有优异的耐腐蚀性(比不锈钢高40倍)和耐磨性，良好的综合力学性能和生物相容性，可通过精密

8、铸造铸造成复杂形状的精密修复体。在所有医用金属材料中，它的耐磨性最好。体内植入不会产生明显的组织反应，适用于制造体内负载严重的长期植入体。临床上主要用于制造人工髋关节、膝关节、骨板、骨钉、关节紧固件和骨针以及人工心脏瓣膜。医用钴基合金更适合体内承受条件恶劣的长期植入体。医用金属材料：钛基合金，钛合金的强度可以达到很高的水平，比强度是不锈钢的3.5倍；不锈钢和钴基合金具有抗疲劳性和耐腐蚀性。断裂强度低，耐磨性差，加工困难，熔炼成型工艺复杂，要求高。钛合金对人体毒性小，密度低，弹性模量接近天然骨，是一种较好的金属生物医用材料。广泛用于制作各种人工关节、牙龈、人工心脏瓣膜、颅骨修补等。钛基合金，由骨

9、钉和骨板制成，颅骨微型钢板，医用金属材料：形状记忆合金。自1951年美国首次报道金-镉合金的形状记忆效应以来，已发现了20多种记忆合金，其中NiTi合金在临床上应用最广泛。它们在不同的温度下表现出不同的金属结构相。诸如形状记忆合金有三种类型。医用金属材料：形状记忆合金，具有独特的形状记忆功能、重量轻、磁性弱、强度高、抗疲劳、高弹性和良好的生物相容性。管腔狭窄(喉气管狭窄、食管狭窄等)的治疗)口腔科：用这种材料制成的牙种植体具有牙槽骨切口小、固定牢固的优点。骨科：人工关节，骨折连接，脊柱弯曲矫正。血管外科：主动脉瘤、冠状动脉和椎动脉狭窄的治疗。医用金属材料：贵金属，一类金属(金、银、铂、钯等)。

10、)或合金，例如金，具有极高的抗氧化性和耐腐蚀性。贵金属具有独特而稳定的物理化学性质，优良的加工特性，对人体组织无毒副作用，刺激性小等优良的生物特性。主要用于口腔修复，也可用于小型植入式电子医疗设备。医用金属材料：纯金属钽(Ta)，具有良好的生理耐腐蚀性和可塑性，其独特的表面电负性使其具有优异的抗血栓性能和生物相容性，以及高抗缺口开裂性。主要用作接骨板、种植根、义齿和手术缝合线及缝合针；钽网可以用来修复肌肉缺陷；钽丝和箔片用于缝合和修复神经、肌腱和血管；它也用于血管内支架和人造心脏。由于钽资源少、价格高，其推广受到限制。医用金属材料：纯金属铌，其性质和应用范围与钽非常相似，用于修补颅骨和制造医疗

11、器械。然而，由于来源困难、价格昂贵和用途有限，它主要用于制造髓内钉。医用金属材料：纯金属铬，化学性质类似金属钛，具有良好的耐腐蚀性、加工性、稳定性和生物相容性。它主要用于人工骨和颅骨修复，并可加工成各种板、带和线，供临床使用。医用铬可以和钛一样使用，但价格昂贵，难以在临床上推广。心血管支架、医用高分子材料、分子量从数万到数百万的聚合物，如蛋白质、棉花、羊毛、木材、松香、橡胶、塑料和合成纤维。医用高分子材料：用于医学的高分子材料，尤其是在体内。医用高分子产品的研究包括人造器官、医疗用品(输血设备、心脏导管、角膜接触镜、膀胱造口管、医用粘合剂、各种医用导管、医用薄膜、伤口敷料、各种外科和护理用品等

12、。)和药用聚合物(作为赋形剂，合成新药)。天然高分子材料，人体的皮肤、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势：功能多样性、与生物的相容性、生物降解性、改性、复合和杂交。目前，天然高分子生物材料主要包括：天然蛋白质材料、胶原蛋白和纤维蛋白、两种天然多糖材料、纤维素、甲壳素和壳聚糖，由于结构和组成的不同，它们表现出不同的性能，应用于不同的方面。合成高分子生物材料，合成高分子材料已经迅速取代了除食品以外的许多珍贵的自然资源。合成高分子生物材料是指通过聚合反应制备的生物材料。因为合成聚合物可以通过组成和结构来控制，所以它们具

13、有各种物理和化学性质。这是一门新兴的边缘学科，已成为制造各种人造器官、软硬组织修复体、医用粘合剂、缝合线、人造血液等最重要和最大量的生物材料。合成高分子材料，合成高分子材料的组成(单体、添加剂等。)可能被释放到生物环境中，这可能导致毒性反应。由于其弹性模量和弹性较低，不能用于重负荷下的体位修复。合成高分子生物材料可分为：可生物降解的：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、丙烯酸酯水凝胶等。可生物降解的：聚乙烯醇、聚乳酸、聚乙交酯、乳酸-乙醇酸共聚物和聚羟基丁酸酯等。合成高分子材料：硅橡胶，平均分子量为40万，是硅酮弹性体的主要成分，是含硅原子的特殊合

14、成橡胶的总称。它具有优良的生理特性：无毒、无味、生物相容性好、抗生物老化、抗凝血性好、长期植入后物理性能下降少、耐高温、耐寒(-90C 250)、良好的电绝缘性、耐氧老化、耐光老化、防霉和化学稳定性。主要用于粘合剂、导管、整形手术和修复手术(人工关节、皮肤扩张、烧伤皮肤伤口保护、人工鼻梁、人工耳廓和人工眼环)、胎头吸引器、人工血管、鼓膜修复片等。合成高分子材料：聚氨酯是聚醚、聚酯和二异氰酸酯的总称。它具有良好的延展性、抗弯性、高强度、耐磨性、良好的血液相容性和抗血栓形成性能，并且不破坏血液成分，使其在医学领域得到广泛应用。它主要用于人工心脏搏动膜、心血管医疗部件、人工心脏、辅助循环、人工血管、

15、体外循环血液回路、药物释放系统、缝合线和软组织粘性绷带、敷料、吸血材料、人工软骨和血液净化装置的密封剂等。合成聚合物材料：环氧树脂，其基本特征是所用单体至少含有一个环氧基团。环氧基团可以与含有“活性氢”的化合物反应，因此均聚可以被适当的胺或一些酸催化。主要用途：用于骨折切开复位固定，与玻璃纤维布、骨结合并以氧化铝强化的髋关节骨节、牙科填充材料、隔离电子起搏器与体液的保护层(灌封)一起使用。眼睑修复、颅内动脉瘤强化、脑电极探头绝缘等。合成高分子材料：聚氯乙烯，一种由氯乙烯单体聚合而成的合成树脂，是最大的医用高分子材料。原料丰富，易聚合，抗凝血性能好，但耐热性低(70)。通过添加剂的应用，它可以变

16、得有弹性。在医学上，最大的剂量是制造塑料输液袋，这可以提高红细胞和血小板的存活率；还可用于医用导管、人工输尿管、胆管和心脏瓣膜、血泵隔膜、面部组织补充剂、青光眼引流管和中耳孔。软质聚氯乙烯的毒性仍有争议，目前只能用于制造与人体短期接触的产品。合成高分子材料：聚甲基丙烯酸甲酯，又称有机玻璃，属于丙烯酸塑料，是目前最好的透明塑料之一。它具有良好的生物相容性、耐老化性和高机械强度。植入物、隐形眼镜、可植入镜片、人工角膜和假牙、人工喉、食管和腕骨、闭孔器、喉支撑膜、牙夹板、气管切开导管和吻合按钮、可植入的鼻窦导管、经皮装置、标本盒和用于实验的人工器官外壳等。补充面部的软硬组织；颅骨缺损中骨碎片的替换；

17、乳突切除术后填充左腔；替代听小骨和固定脊柱鼓节段，一些牙齿基础直接填充树脂等。无机生物医学材料，在18世纪初开始应用。无毒，与活体组织生物相容性好，耐腐蚀。包括生物陶瓷、生物玻璃和碳材料，主要用于牙科和矫形修复和植入材料。它们大多数是易碎的材料，容易破裂。发展方向应是发展复合(多相)生物材料和在金属基体上涂覆无机生物陶瓷涂层(膜)材料。化学成分多种多样，根据它们在生理环境中的化学活性和性质可分为四类：它们类似于惯性，长期接触磷后可保持稳定吸收性：诱导骨骼生长并被新组织取代。复合类型：生物陶瓷与生物陶瓷或其他生物陶瓷复合。生物陶瓷在临床上主要用于肌肉骨骼系统的修复和替代，也可用于心血管系统的修复和药物释放载体的制备。复合生物陶瓷也可用于制造人工肌腱和韧带。无机生物医学材料：生物陶瓷，无机生物医学材料：生物玻璃，是一种氧化硅化合物，具有特殊设计的化学成分，可以诱导生物活性。人工骨用生物医用玻璃，具有良好的耐酸碱腐蚀、生物相容性和耐磨性；用于治疗的生物医用玻璃可以埋在肿瘤部位，通过其内部的磁场加热或同位素释放的辐射特性杀死癌细胞，并且具有良好的生物相容性；用于人工牙冠的生物医用玻璃陶瓷具有制作简单、美观、强度