生物材料PPT课件

生物上海交通大学材料学院胡晓斌2010.12.20第8章材料化学在先进材料制备中的应用生物材料概念ISO定义:生物材料（Biomaterials）即生物医学材料（BiomedicalMaterials），它是指“以医疗为目的，用于与组织接触以形成功能的天然或人造材料”功能：生物材料能执行、增进或替换因疾病、损伤等失去的某种功能，而不能恢复缺陷部位。生物材料分类按应用性质来分类：抗凝血材料（心血管材料）、齿科材料、骨科材料、眼科材料、吸附解毒材料（血液灌流用）、假体材料、缓释材料、生物粘合材料、透析及超滤用膜材料、一次性医用材料，等等按生物材料的属性分类：天然生物材料—再生纤维、胶原、透明质酸、甲壳素等。合成高分子生物材料—硅橡胶、聚氨脂及其嵌段共聚物、涤纶、尼龙、聚丙烯腈、聚烯烃医用金属材料—不锈钢、钛及钛合金、钛镍记忆合金等无机生物医学材料—碳素材料、生物活性陶瓷、玻璃材料杂化生物材料—指来自活体的天然材料与合成材料的杂化，如胶原与聚乙烯醇的交联杂化等复合生物材料—用碳纤维增强的塑料，用碳纤维或玻璃纤维增强的生物陶瓷、玻璃等生物材料功能性生物材料在具备或完成某种生物功能时应该具有一系列性能。这些性能根据用途可分为：承受或传递负载功能。如人造骨骼、关节和牙等，占主导地位控制血液或体液流动功能。如人工瓣膜、血管等电、光、声传导功能。如心脏起博器、人工晶状体、耳蜗等填充功能。如整容手术用填充体等生物材料相容性指生物材料有效和长期在生物体内或体行使其功能的能力。用于表征生物材料在生物体内与有机体相互作用的生物学行为。材料在人体内要求无不良反应，不引起凝血、溶血现象，活体组织不发生炎症、排拒、致癌等。根据材料与生物体接触部位分为：血液相容性。材料用于心血管系统与血液接触，主要考察与血液的相互作用与心血管外的组织和器官接触。主要考察与组织的相互作用，也称一般生物相容性力学相容性。考察力学性能与生物体的一致性材料在生物体内的响应－材料反应生物机体作用于生物材料－材料反应，其结果可导致材料结构破坏和性质改变而丧失其功能。可分为如下三个方面：金属腐蚀聚合物降解磨损生物材料的研究促进了现代医疗技术的发展生物材料是研制人工器官及一些重要医疗技术的物质基础，综观人工器官及医疗装置的发展史，每一种新型生物材料的发现都引起了人工器官及医疗技术的飞跃。生物惰性医用硅橡胶—人工耳、人工鼻、人工颌骨等血液相容性较好的各向同性碳被复材料—碟片式机械心脏瓣膜血液亲和性及物理机械性能较好的聚氨酯嵌段共聚物—促使人工心脏向临床应用跨越一大步可形成假生物内膜的编织涤纶管—人工血管向实用化飞跃。生物医用金属材料医用金属材料是指一类用作生物材料的金属或合金，又称外科用金属材料。它是一类生物惰性材料，除具有较高的机械强度和抗疲劳性能，具有良好的生物力学性能及相关的物理性质外，还必须具有优良的抗生理腐蚀性、生物相容性、无毒性和简易可行及确切的手术操作技术。该材料是临床应用最广泛的承力植入材料，由于有较高的强度和韧性，已成为骨和牙齿等硬组织修复和替换、心血管和软组织修复以及人工器官制造的主要材料。化学周期表中的大部分金属不符合生物材料的要求，仅有小部分或经处理过的可用于临床。目前在临床使用的医用金属材料主要有不锈钢、钴基合金和钛基合金三大类，另外还有镍钛形状记忆合金、金银等贵金属以及纯金属钽、铌和锆等。医用不锈钢具有一定的耐腐蚀性和良好的综合力学性能，且加工简便，是生物医用金属材料中应用最多，最广的材料。常用钢种有US304、316、316L、317、317L等。医用不锈钢植入活体后，可能发生点蚀，偶尔也产生应力腐蚀和腐蚀疲劳。医用不锈钢临床前消毒、电解抛光和钝化处理，可提高耐蚀性。医用不锈钢在骨外科和齿科中应用较多，用于制作各种医疗仪器和手术器械。钴基合金含有较高的铬和钼，又称钴铬钼合金，具有极为优异的耐腐蚀性（比不锈钢高40倍）和耐磨性，综合力学性能和生物相容性良好，可通过精密铸造成形状复杂的精密修复体，有硬、中、软三种类型。临床上主要用于人工关节（特别是人体中受载荷最大的髋关节）人工骨及骨科内处固定器件的制造齿科修复中的义齿，各种铸造冠、嵌体及固定桥的制造心血管外科及整形科等由于其价格较高，加工困难，应用尚不普及。人造髋关节的头杆部分。从股骨上端插进金属杆，杆头有一个金属头，它嵌在粘于髋骨窝中的一个塑料臼中。钛基合金临床应用广泛，其质轻、比强度高、力学性质接近人骨、强度远低于纯钛，耐疲劳、耐蚀性均优于不锈钢和钴基合金，且生物相容性和表面活性好，是较为理想的一种植入材料。抗断裂强度较低，耐磨性能不尽人意，加工困难。冶炼及成型工艺复杂，要求条件较高。主要用于：修补颅骨，制成钛网或钛箔用于修复脑膜和腹膜、人工骨、关节、牙和矫形物、人工心脏瓣膜支架、人工心脏部件和脑止血夹、口腔颌面矫形颌修补、手术器械、医疗仪器颌人工假肢等。形状记忆合金自1951年美国首次报道Au-Cd合金具有形状记忆效应以来，目前已发现有20多种记忆合金，其中以镍钛合金在临床上应用最大。它在不同的温度下表现为不同的金属结构相。如低温时为单斜结构相，高温时为立方体结构相，前者柔软可随意变形，如拉直式屈曲，而后者刚硬，可恢复原来的形状，并在形状恢复过程中产生较大的恢复力。Ti-Ni记忆合金血管支架形状记忆合金特点：奇特的形状记忆功能、质轻、磁性微弱、强度较高、耐疲劳性能、高回弹性和生物相容性好等。应用：管腔狭窄的治疗（喉气管狭窄、食管狭窄、胆道狭窄、尿道狭窄及闭锁等）：支架安入管腔狭窄的部位后，能将狭窄管腔撑开，并与管壁相贴紧，固定好；其生物相容性好，长期安放对黏膜无明显损伤；其高回弹性能顺应管道的弯曲，对人体刺激小。口腔科：用这种材料做成的种植牙具有齿槽骨切口小，固定牢靠等优点。骨科：人工关节，断骨连接、弯曲脊柱矫正。血管外科：治疗主动脉瘤、冠状动脉和椎动脉狭窄等。生物医用高分子材料医用高分子制品的研究，包括人工器官、医疗用品（输血输液用具、注射器、心导管、主动脉气囊反搏器、角膜接触镜、中心静脉插管、膀胱造瘘管、医用粘合剂以及各种医用导管、医用膜、创伤包扎材料和各种手术、护理用品等）和药用高分子（作为赋形剂、合成新型药物）三大类。按应用对象和材料物理性能分为软组织材料、硬组织材料和生物降解材料。其可满足人体组织器官的部分要求，因而在医学上受到广泛重视。目前已有数十种高分子材料适用于人体的植入材料。按来源可分为天然高分子材料和合成高分子材料。生物医用高分子材料软组织材料：主要用作为软体组织材料，特别是人工脏器的膜和管材。聚乙烯膜、聚四氟乙烯膜、硅橡胶膜和管，可用于制造人工肺、肾、心脏、喉头、气管、胆管、角膜。聚酯纤维可用于制造血管、腹膜等。硬组织材料：丙烯酸高分子(即骨水泥)、聚碳酸醋、超高分子量聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）、尼龙、硅橡胶等可用于制造人工骨和人工关节。降解材料：脂肪族聚醋具有生物降解特性，已用于可接收性手术缝线。天然高分子生物材料人类机体的皮肤、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点：功能多样性、与机体的相容性、生物可降解性以及对其进行改性与复合和杂化等研究。目前天然高分子生物材料主要有：天然蛋白质材料：胶原蛋白和纤维蛋白两种天然多糖类材料：纤维素、甲壳素和壳聚糖等它们由于结构和组成的差异，表现出不同的性质，应用于不同的方面。天然蛋白质材料——胶原蛋白由于胶原与人体组织相容性好，不易引起抗体产生，植入人体后无刺激性．无毒性反应，能促进细胞增殖，加快创口愈合并具有可降解性，可被人体吸收，降解产物也无毒副作用。主要用作：胶原凝胶用作创伤敷料粉末用于止血剂和药物释放系统纺丝纤维用作人工血管、人工皮、人工肌腱和外科缝线薄膜用于角膜、药物释放系统和组织引导再生材料管用于人工血管、人工胆管和管状器官空心纤维用于血液透析膜和人工肺膜海绵用于创伤敷料和止血剂等。天然蛋白质材料——纤维蛋白是纤维蛋白原在生理条件下凝固而成的一种材料。纤维蛋白主要来源于血浆蛋白，因此具有明显的血液和组织相容性，无毒副作用和其他不良影响。作为止血剂、创伤愈合剂和可降解生物材料在临床上已经应用很久；它的主要生理功能为止血，另外还可明显促进创伤的愈合；还可作为一种骨架，促进细胞的生长；并具有一定的杀菌作用。纤维蛋白在临床上比较普遍使用的应用形式：纤维蛋白原的就地凝固，用于眼科手术的组织粘合剂，肺切除后胸腔填充物和外科手术中的止血纤维蛋白粉末，用作止血剂，可以与抗菌素共用，用作充填慢性骨炎和骨髓炎手术后的骨缺损纤维蛋白海绵，用作止血剂、扁平瘢的治疗和唾液腺外科手术后的填充物组织代用品，商品名Bioplast，主要用于关节成型术、视网膜脱离、眼外科治疗、肝脏止血及疝气修复等纤维蛋白薄膜，用于神经外科：替代硬脑膜和保护末梢神经缝线；用于烧伤治疗：消除颌面窦和口腔间的穿孔。THANKYOUSUCCESS**可编辑天然多糖类材料多糖是由许多单糖分子经失水缩聚，通过糖苷键结合而成的天然高分子化合物。均聚糖：多糖水解后只产生一种单糖，如纤维素、淀粉杂聚糖：水解产物是两种或两种以上的单糖，如菊粉等。自然界广泛存在的多糖主要有：植物多糖，如纤维素、半纤维素、淀粉、果胶等；动物多糖，如甲壳素、壳聚糖、肝素、硫酸软骨素等；琼脂多糖，如琼脂、海藻酸、角叉藻聚糖等；菌类多糖，如D—葡聚糖、D—半乳聚糖、甘露聚糖等；微生物多糖，如右旋糖酐、凝乳糖、出芽短梗孢糖等。研究较多的多糖类材料为纤维素、甲壳素和壳聚糖。天然多糖类材料——纤维素葡萄糖经由糖苷键连结的高分子化合物。它具有不同的构型和结晶形式，是构成植物细胞壁的主要成分，是存在于自然界中数量最多的碳水化合物。结构复杂，至今仍未被完全了解。在医学上的应用形式主要是制造各种医用膜：硝酸纤维素膜：用于血液透析和过滤，但由于制膜困难及不稳定等缺点，已逐渐被其他材料取代粘胶纤维（人造丝）或赛珞玢（玻璃纸）管：用于透析，但由于含有磺化物及尿素、肌酐的透析性不好等原因，作为透析用的赛珞玢逐渐被淘汰再生纤维素（铜珞玢）：是目前人工肾使用较多的透析膜材料，对溶质的传递，纤维素膜起到筛网和微孔壁垒作用醋酸纤维素膜，主要用于血透析系统全氟代酰基纤维素：用于制造代膜式肺、人工心瓣膜、人工细胞膜层，各种导管、插管和分流管等天然多糖类材料——甲壳素化学名称为聚N-乙酰-D葡萄糖胺，分子式为（C3H13NO5）n，属于氨基多糖，是仅有的具有明显碱性的天然多糖。广泛存在于低等植物及甲壳动物的外壳中，其每年生物合成资源最高达1000亿吨，是地球上仅次于植物纤维的第二大生物资源。是一种来源于动物的天然多糖，普遍存在于虾、蟹等低等动物及昆虫等节肢动物的外壳中。将甲壳动物的外壳通过酸碱处理，脱去钙、盐和蛋白质，即得到甲壳质。作为医用生物材料可用于：医用敷料：甲壳素具有良好的组织相容性，可灭菌、促进伤口愈合、吸收伤口渗出物且不脱水收缩药物缓释剂：基本为中性，可与任何药物配伍止血棉、止血剂：在血管内注射高粘度甲壳素，可形成血栓口愈合剂，使血管闭塞，从而在手术中达到止血目的，较注射明胶海绵等常规止血方法，操作容易，感染少。甲壳素人工皮甲壳素缝线天然多糖类材料——壳聚糖是甲壳素去除部分乙酰基后的产物（甲壳素的衍生物），甲壳素继续用浓碱乙酸基化则得到壳聚糖，具有一定的粘度，无毒、无害、无副作用。不溶于水和碱液，但可溶于多种酸溶液中。它具有较多的侧基官能团，可进行酯化、醚化、氧化、磺化以及接枝交联等反应对其进行改性。特别是磺化产品，其结构与肝素极其相似，可作为肝素的代用品作抗凝剂。适用广，生物相容性良好的新型生物材料正在受到人们的普遍重视，目前在医学多上用于：可吸收性缝合线，用于消化道和整形外科人工皮，用于整形外科、皮肤外科，用于Ⅱ、Ⅲ度烧伤，采皮伤和植皮伤等细胞培养，制备不同形状的微胶囊，培养高浓度细胞，如包封的是活细胞，则构成人工生物器官海绵，用于拔牙患、囊肿切除、齿科切除部分的保护材料眼科敷料，可生成较多的成胶原和成纤维细胞隐形眼镜膜，用于药物释放系统和组织引导再生材料固相酶载体合成高分子生物材料合成高分子材料已经迅速地取代了除食品以外的许多宝贵天然资源。合成高分子生物材料是指利用聚合方法制备的一类生物材料。由于合成高分子可以通过组成和结构控制而具有多种多样的物理和化学性质。医用高分子材料科学是一门新兴的边缘学科，是生物医学工程的一个主要分支，合成高分子材料已成为制造各种人工器官、软硬组织修复体、医用粘结剂、缝合线、人造血液等的最主要的也是用量最大的生物材料。合成高分子生物材料合成高分子材料的组成物（单体，添加剂等）可能向生物环境释放，有可能导致毒性反应。其弹性模量低和弹性常使其不能用于承受较大负荷的体位的修复。合成高分子生物材料可分为：生物不可降解的：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、α一氰基丙烯酸酯类、聚酸胺和饱和聚酯等。生物可降解的：聚乙烯醇、聚乳酸、聚乙内酯、乳酸一乙醇酸共聚物和聚β一羟基丁酸酯等。合成高分子生物材料——硅橡胶平均分子量>40万，有机硅弹性体的主要成分，是含有硅原子的特种合成橡胶的总称。它具有优异的生理特性：无毒无味、生物相容性好、耐生物老化、较好的抗凝血性、长期植入体内物理性能下降甚微、耐高温严寒（-90°－250°）良好的电绝缘性、耐氧老化性、耐光老化性以及防霉性、化学稳定性等。在医学上主要用于粘合剂、导管、整形和修复外科（人工关节、皮肤扩张、烧伤的皮肤创面保护、人工鼻梁、人工耳廓和人工眼环）、缓释和控释等。硅橡胶医用导管类合成高分子生物材料——聚四氟乙烯又名泰氟隆（Teflon），热塑性塑料，最好的耐高温塑料，结晶熔点高达327℃，几乎完全是化学惰性的，具有自润滑性或非粘性，不易被组织液浸润。主要用于人工输尿管、胆管、气管、喉、韧带和肌腱人工血液、人工心脏瓣膜、下颌骨、髋关节和皮肤、增强皮肤、修复眼眶骨、组织引导再生材料、人工血管、涤纶缝线和涂层、外科用引流管及插管、巩膜的系扣和在耳鼻手术上作为插入的薄膜以防止粘连；食管扩张器、心脏瓣膜的缝合环、血液相容性丝绒、修补肺动脉和室间隔的缺损、血管闭塞物、缝线及动脉修补、包裹动脉癌及内淋巴液分流器等。生物医用无机非金属材料生物无机材料主要包括生物陶瓷、生物玻璃和医用碳素材料。主要用于齿科、骨科修复和植入材料。基本都是脆性材料，容易破裂，发展方向应向开发复合（多相）生物材料以及在金属基体上加涂无机生物陶瓷涂层（薄膜）材料的方面引导。生物医用无机非金属材料——生物陶瓷按植入生物活体内引起的组织与材料反应，生物陶瓷分为:近于惰性的生物陶瓷，如氧化铝生物陶瓷、氧化锆生物陶瓷、硼硅酸玻璃；这类材料长期暴露于生理环境下能保持稳定。表面活性生物陶瓷，如磷酸钙基生物陶瓷、生物活性玻璃陶瓷；在生理环境中可通过其表面发生的生物化学反应与组织形成化学键性结合，起到了适合新生骨沉积的生理支架作用，也就是所谓的“骨引导”和“骨传导”作用。可吸收性生物陶瓷，如偏磷酸三钙生物陶瓷、硫酸钙生物陶瓷。在生理环境中可逐渐被降解吸收，诱导骨质生长，并随之被新组织所替代，从而达到修复或替换病损组织的目的。在临床上生物陶瓷主要用于肌肉一骨骼系统的修复和替换，也可用于心血管系统的修复、制作药物释放和传递的载体。复合型的生物陶瓷还可以用于制造人工腱和韧带等。生物医用无机非金属材料——生物玻璃生物玻璃材料大致可分为两类：非活性的近似惰性的和生物活性的。生物活性玻璃陶瓷植入活体后，能够与体液发生化学反应，并在组织表面生成羚基磷灰石层，故可用于人工种植牙根、牙冠、骨充填料和涂层材料。与自然骨比较，生物活性玻璃陶瓷虽然具有较高的强度，但韧性较差，弹性模量过高，易脆断，在生理环境中抗疲劳性能较差，目前还不能直接用于承力较大的人工骨。生物医用无机非金属材料——碳素材料医用碳素材料：具有接近于自然骨的弹性模量。医用碳素材料疲劳性能最优，强度不随循环载荷作用而下降。无序堆垛的碳材料耐磨性理想。医用碳素材料在生理环境中较稳定，近于惰性，具有较好的生物相容性，不会引起凝血和溶血反应，特别适合于在生理环境中使用。医用碳材料已大量用于心血管系统的修复，如人工心脏瓣膜、人工血管。还可作为金属和聚合物的涂层材料。杂化生物材料是由活体材料和非活体材料组成的复合体。它主要包括合成材料与生物体高分子材料或与细胞的杂化。从广义上讲，它包括所有的人工材料与生物体高分子和生理活性物质的杂化。例如：胶原/聚乙烯醇杂化材料，可增进组织细胞的增殖胶原/葡萄糖膜上被覆一层硅橡胶可作为人工皮使用杂化生物材料主要包括三类：用于组织结构材料的多糖类等生理活性物质杂化材料以固定酶为代表的功能性杂化材料杂化细胞杂化生物材料主要用于人工胰脏、人工肝脏、人工胸腺、人工肾脏、人工皮和人工血管等。组织工程在杂化生物材料的基础上发展的。组织工程是近年来一门新兴的多学科交叉生命科学，目的是修复和再生受损组织或器官，帮助病人恢复受损组织的功能，提高生活质量，解决器官短缺和免疫抑制等问题。组织工程的定义：它利用工程学和生命科学的基本原理，开发能恢复、维持或改善受损组织或器官功能的生物替代物。它综合了细胞生物学、工程学、材料学和临床医学领域，用活细胞和细胞外基质或骨架构造一个新的功能化组织或器官。组织工程领域的研究包括新型聚合物的合成、信号传导、培养细胞的基因调节和移植有关的免疫问题等。组织工程组织工程研究的三个方面是：（1）替换被分离除去的细胞或功能发挥所需要的细胞替代物；（2）产生或传递组织诱导物质，如生长因子、信号分子等；（3）结合细胞与生物材料，具体是在基质表面或内部接种细胞。人们研制了许多组织工程产品，包括皮肤组织、软骨组织、腱组织、骨组织、心脏瓣膜、肝组织等。生物医学材料的安全性生物医学材料的安全性评价：指采用生物学的方法来被检材料对受体的毒副作用，从而预测该材料在医学实际应用中的安全性；包括对局部组织、血液与整体反应及对受体的遗传效应。生物材料的安全性评价本身是一个不断发展的领域，“安全性”是相对的概念。根据材料与制品使用目的的不同制定各种安全性评价程序。ASTM（美国材料试验）。生物材料的发展趋势生物材料的开发和研究已逐步转向复合型杂化型功能型：指在生理环境下表现为特殊功能的材料，形状记忆材料，组织引导再生（GuidedTissueRegeneration，GTR）材料。智能型：指能模仿生命系统，同时具有感知和驱动双重功能的材料。感知、反馈和响应是该材料的三大要素。将高新技术、传感器和执行元件与传统材料结合在一起，赋予材料新的性能，使无生命的材料具有越来越多的生物特性。当前国内外生物材料开发研究的主要趋势，是致力于提高材料的生物相容性，致力于开发生物相容性好、更能适应人体生理需要的新材料。1、材料用于人体组织应满足的基本条件？2、查阅资料文献，了解生物医用生物高分子材料的应用情况。思考题：THANKYOUSUCCESS**可编辑