生物材料结课论文

1、淮 阴 工 学 院生物医用材料课程（论文）作 者:学 号：1101602129学 院:生化学院专 业:生物工程题 目:生物医用复合材料的研究进展教授张恒指导者： (姓 名) (专业技术职务)评阅者： (姓 名) (专业技术职务)2013年12月摘要 随着生物技术、医药技术、信息技术、制造技术和材料科学技术的迅猛发展和交互融合，新型和新概念生物医用材料层出不穷。药物控制释放材料、组织工程材料、纳米生物材料、生物活性材料、介入诊断和治疗材料、可降解和可吸收生物材料、新型人造器官、人造血液等代表了新的发展趋势和方向。通过长时间的临床应用发现，传统应用的金属、高分子材料是不具备生物活性的，并且与器官、

2、组织的结合不牢固，由于生理环境的影响，在上述材料植入体内后，会导致金属离子或者单体的游离，对生命体造成不良影响。同时，虽然陶瓷材料具有相对稳定的化学性能和较好的生物相容性，并且拥有优良的耐压性能、耐磨擦性能和耐生物腐蚀性能，但是这类材料的弯曲强度较低、弹性模量大、耐疲劳性能差，在生理环境中易受破坏，只适用于不承力结构环境中。因此，单一材料不能很好地满足临床应用的要求。生物医用复合材料通过相应的工艺可制作出与生物组织的结构和性质都类似的替代材料，且其工艺设计性多样化。随着生物技术的蓬勃发展和重大突破，生物医用复合材料已开始成为各国研究的热点。关键词 复合材料,陶瓷基, 高分子基,相容性1 生物医

3、用复合材料的概念生物医用复合材料是由两种或两种以上不同材料复合而成的生物医用材料，它主要用于人体组织的修复、替换和人工器官的制造。它主要用于人体组织的修复、替换和人工器官的制造。生物陶瓷材料虽然具有良好的化学稳定性和相容性、高的强度和耐磨、耐蚀性，但材料的抗弯强度低、脆性大，在生理环境中的疲劳与破坏强度不高，在没有补强措施的条件下，它只能应用于不承受负荷或仅承受纯压应力负荷的情况。因此，单一材料不能很好地满足临床应用的要求。利用不同性质的材料复合而成的生物医用复合材料，不仅兼具组分材料的性质，而且可以得到单组分材料不具备的新性能，为获得结构和性质类似于人体组织的生物医学材料开辟了一条广阔的途径

4、，生物医用复合材料必将成为生物医用材料和中最为活跃的领域。生物2 医用材料的发展阶段生物医用材料的研究和临床应用主要经历了三个发展阶段。第一代生物医用材料：生物相容性和生物惰性材料，其特点是它在人体内相对稳定，不易分解或生物降解；同时，材料本身具有很好的生物相容性和理想的免疫反应性，而且其力学强度和物理性能适宜，能与人体环境很好的匹配保证植入材料与人体组织的形变相协调。第二代生物医用材料：具有生物活性的硬组织或生物降解性医用材料，它们分别在牙齿修补和整形外科、手术外科和骨科等方面具有大量临床应用。特别是生物降解性医用材料在可作为目前常用的可吸收性医用缝合线，能很好的满足不同外科手术的临床需要。

5、第三代生物医用材料：同时具有生物活性和生物降解性的新一代生物医用材料。作为细胞外基质，它们可以在分子水平上激活基因、刺激细胞增殖、诱导其组织分化，进而构筑成新的组织或器官。目前，第三代生物医用材料已成为国际上材料前沿领域一个十分活跃的研究方向，在组织工程中已开始有广泛的临床应用。3 生物医用复合材料组分材料的分类（1）按基体材料分类，有陶瓷基生物医用复合材料、高分子基生物医用复合材料、金属基生物医用复合材料。（2）按材料植入体内后引起的组织材料反应分类，有近于生物惰性的复合材料、生物活性复合材料和可吸收生物医用复合材料。（3）按增强体的形态和性质分为纤维增强生物医用复合材料和颗粒增强生物医用复

6、合材料。纤维增强生物医用复合材料是以纤维为增强体而形成的一类生物医用复合材料，作为增强体的纤维有碳纤维和其他陶瓷纤维、玻璃纤维、金属纤维和高分子纤维，基体材料主要是医用高分子材料和生物陶瓷等。纤维在基体中起组成成分和骨架作用，基体起粘结纤维和传递力的作用，纤维的性能、纤维在基体中的含量、分布以及与基体材料的界面结合情况对复合材料的力学性能影响较大。纤维增强生物医用材料，由于其结构与人体组织非常相似，因此具有较大的发展潜力。而颗粒增强医用复合材料主要是掺入一种或多种无机化合物颗粒的陶瓷基、高分子基生物医用复合材料。掺入的颗粒分布在基体中或作为增强材料，或作为添加材料填充在骨架之中增进生物材料的生

7、物学性能。颗粒的增强效果与粒子在复合材料中所占的体积百分述、分布的均匀程度、颗粒的大小、形状等因素有关。常用的颗粒有氧化锆（ZrO2）、氧化铝（Al2O3）、氧化钛（TiO2）等氧化物颗粒和羟基磷灰石（HA）等生物活性陶瓷颗粒。4 生物医用复合材料的特点4.1 比强度、比模量高高分子基生物医用复合材料的突出优点是比强度、比模量（即强度与密度之比、模量与密度之比）高。比强度高的材料能承受较高的应力，而比模量高则说明材料轻而且刚性大。石墨和碳纤维增强聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）骨水泥，通常含纤维2%6%，与PMMA骨水泥相比，其抗拉强度和弹性模量可分别提高50%和40%，而纤维定向排列还可使复合材

8、料具备各向异性。4.2 抗疲劳性能好疲劳是材料在循环应力作用下的性能。由长3mm的热解碳纤维无规则地分布于超高分子质量聚乙烯基体中形成的复合材料，含10%15%体积碳纤维时，其强度、刚性、抗疲劳和抗摩擦性能均显著地高于聚乙烯。碳纤维的抗疲劳强度很高，基体材料塑性好，即使出现了裂纹，但塑性形变能使裂纹尖端锐化，从而减缓扩展，增强相与基体间的界面也能有效地组织疲劳裂纹的扩展。4.3 抗生理腐蚀性好人体是一个极其复杂的生理环境，存在着影响材料性能的各种因素，当材料植入体内后，与器官直接接触，就会对人体组织产生多种反应；同时，人体也会对材料产生种种影响。对金属材料来说，其主要问题就是腐蚀问题，体内的血

9、液、间质液、淋巴和滑液中均含有蛋白质、有机酸、碱金属和无机盐，其中Na+、K+、Ca2+、Cl等离子均为电解质，可使金属产生均匀或一般腐蚀。而氧化铝和氧化锆等陶瓷具有高的耐磨性和抗生理腐蚀性，可用于制造钛合金等人工髋关节的股骨头。等离子喷涂的无机陶瓷-钛基人工种植牙和人工髋关节，赋予钛合金表面以良好的生物活性和抗生理腐蚀性能，有效阻隔金属离子向组织的析出。4.4 力学相容性好生物陶瓷和金属材料与人体骨相比，其弹性模量过高，力学相容性欠佳，用于承力部位时，由于材料和骨的弹性形变不匹配，常产生应力屏蔽效应，导致植入体松动而失效。模仿人体骨结构制成的羟基磷灰石颗粒增强高相对分子质量聚乙烯人工骨材料，

10、可通过控制羟基磷灰石含量，调整材料的弹性模量、断裂强度和断裂韧性，使之与自然骨接近，同时又因羟基磷灰石加入而使其具有表面生物活性。五 生物医用复合材料的选择要求生物医用复合材料根据应用需求进行设计，由基体材料与增强材料或功能材料组成,复合材料的性质将取决于组分材料的性质、含量和它们之间的界面。常用的基体材料有医用高分子、医用碳素材料、生物玻璃、玻璃陶瓷、磷酸钙基或其他生物陶瓷、医用不锈钢、钴基合金等医用金属材料；增强体材料有碳纤维、不锈钢和钛基合金纤维、生物玻璃陶瓷纤维、陶瓷纤维等纤维增强体，另外还有氧化锆、磷酸钙基生物陶瓷、生物玻璃陶瓷等颗粒增强体。植入体内的材料在人体复杂的生理环境中，长期

11、受物理、化学、生物电等因素的影响，同时各组织以及器官间普遍存在着许多动态的相互作用，因此，生物医用组分材料必须满足下面几项要求：(1) 具有良好的生物相容性和物理相容性，保证材料复合后不出现有损生物学性能的现象。(2) 具有良好的生物稳定性，材料的结构不因体液作用而有变化，同时材料组成不引起生物体的生物反应。(3) 具有足够的强度和韧性，能够承受人体的机械作用力，所用材料与组织的弹性模量、硬度、耐磨性能相适应，增强体材料还必须具有高的刚度、弹性模量和抗冲击性能。(4) 具有良好的灭菌性能,保证生物材料在临床上的顺利应用。此外，生物材料要有良好的成型、加工性能，不因成型加工困难而使其应用受到限制

12、。6 生物医用复合材料应用实例6.1 心脏瓣膜目前已发展的有2类：一类是机械瓣膜，一类是生物瓣膜。用胶原基材料制作成的生物瓣膜的缺点是植入人体后会产生钙化,一般在前10a使用期内性能良好。现在，材料科学家正竭力合成新的医用瓣膜材料，目的是大幅度延长材料的使用寿命，减少二次手术,减轻患者痛苦。6.2 血管修复由于心血管疾病日益增加,对替换血管装置的要求越来越多。应用生物组织基心血管装置的主要优势,是直径小于5mm的心血管置换器。与合成材料相比,生物材料的多样性为改善置换器的性能提供了有利条件,并且胶原基装置还具有感染性低、宿主组织能向装置中渗入生长,而不需要高密度孔结构,以及可与天然血管在物理性

13、质上较好的匹配等优点。6.3 创伤、烧伤修复材料胶原敷料有多种形式,如膜扁、海绵状及粒状等,能重新溶解,并吸收创伤渗出液,可与宿主细胞外基质相互作用,以促进细胞在新结缔组织上的粘附、移动、生长和沉积;能诱导分化及成纤维细胞的趋化性,延迟伤口收缩,加速创伤修复。6.4 人工皮肤众所周知,第一个面市的组织工程材料的商品是人工皮肤,也是到目前为止在临床应用方面最为成功的组织工程材料。国内在这方面有较多的研究,其一般方法是:先从某种含有胶原的原料中提取胶原,经过酶消化、纯化,制成胶原的分散液,再向其中加入其它物质(一般是壳聚糖或高分子物质等),均匀混合制成胶原膜。必要时,还可以用甲醛进行交联。Yann

14、as等人报道了在气相醛介质中,胶原与糖胺聚糖交联,制备分子量Mc为80060000的胶原糖胺聚糖材料的方法。由这种材料制造的人造皮肤,比其它方法制备的同类材料的长期贮存更稳定。6.5 固定化酶载体和胶囊胶原蛋白分子肽链上具有多种反应基团,如羟基、羧基和氨基等,易于吸收和结合多种酶和细胞,实现固定化,它具有与酶和细胞亲合性好、适应性强的特点。另外胶原是一种成膜性好的物质,并具有生物相容性,在体内可被逐步吸收,因此,胶原蛋白固定化酶特别适合于人工应用材料。胶原在医药工业中的另一重要用途是基于胶原微囊包封的药物输送系统。微囊包封就是把细小颗粒独立包裹上保护性的涂层。涂层起到分离、贮存和运输的作用,以

15、便被包裹物在预定的条件下释放出来,从而起到控制或缓释的效果。释放的条件取决于湿度、pH、化学结合作用,释放的机理与保护层的构造有关,如膜的过滤性、腐蚀、破裂等。微胶囊的直径一般在3800m之间,核的重量占10%90%。被包裹的核材料种类很多,包括粘合剂、农药、活细胞、香水、药剂和墨水等。胶囊外壳材料多数为有机聚合物,也有的采用脂类和蜡。现在,以明胶改性聚合物制造控制药物释放的微球和微胶囊正越来越常见。7 生物医用复合材料的研究趋势和发展前景7.1 先进复合材料的研究对生物材料来说,生物相容性、力学适应性和抗血栓性,都是不可缺少的条件。单一结构的生物材料由于其本身的结构所决定,很难满足人体环境的

16、要求。而单纯的几种材料复合,虽然比单一生物材料在使用性能上有所提高,但其界面是一个薄弱环节,一系列性能在此发生突变而导致失效。因此,研究植入体在人体骨骼系统的各种受力状态下的力学行为,从生物力学方面指导材料的结构设计与加工处理。研究材料多相结构与多孔性机体组织的力学相容性、疲劳过程以及损伤的影响因素,调整其结构及有关相的组成,使得整体材料性能按梯度规律变化,从而研制出生物相容性和力学适应性、生物活性和生物惰性、抗血栓性等一系列生物材料。7.2 生物材料的生理活化研究材料生理活化研究是生物医用复合材料发展的一个重要方向,它利用现代生物工程技术,将生物活性组元引入生物材料,加速材料与机体组织的结合

17、,并参与正常的生命活动,最终成为机体的一部分。目前,该项研究已在国内外引起关注。胶原与多孔羟基磷灰石陶瓷复合,其强度比HA陶瓷提高23倍,胶原膜还有利于孔隙内新生骨的长入,植入狗的股骨后仅4周,新骨即已充满大的孔隙。胶原与颗粒状的HA复合也已成为克服牙槽嵴萎缩的理想材料。具有诱导成骨作用的骨形态蛋白同磷酸钙生物陶瓷复合,可赋予仅具有传导骨生长作用的磷酸钙生物陶瓷以诱导成骨能力,从而为具有长寿命的新一代人工骨材料的研制展现良好的前景。7.3 仿生材料研究最为理想的生物材料就是机体自身的组织,天然生物材料经过亿万年的演变进化,形成具有结构复杂精巧、效能奇妙多彩的功能原理和作用机制。因此,参照自然规

18、律,从材料科学的观点对其进行观察、测试、分析、计算、归纳和抽象,找出有用的规律来指导复合材料的设计与研究,制备成分、结构与天然骨组织相接近的复合替代材料,获得生物相容性好、具有良好生理效应和力学性能的人工骨替代材料。7.4 组织工程材料研究生物材料的研究目前已从植入材料与生物组织的界面相容性、植入材料的力学相容性研究转移到组织工程材料研究。它通过建立适当的组织再生环境,调动生物组织的主动修复能力诱导组织再生。组织工程材料的研究为利用细胞培养制造生物材料和人造器官开辟了光明前景。参考文献1 周殿阁.骨科生物材料应用进展期刊论文 新材料产业2004(12)2 田杰谟,张世新,邵义.纳米级SiC(n)/HAP基复合