材料概论第9章 生物材料0961

韩国“美女”都是人造的？据韩国《体育朝鲜》报报道日本著名女性周刊杂志《女性SEVEN》表示：“最近在日本引起轰动的韩国女明星大部分都做过整容手术”，并拿出著名演员的过去的照片与现在对比，提出了进行整容手术的疑惑。《女性SEVEN》把矛头指向了目前在日本人气极旺的《冬季恋歌》，表示：“两名女主人公都做过整容手术。”该杂志拿出《冬季恋歌》的女主人公崔智友1998年的照片和朴松美2002年的照片，与现在对比后表示：“完全不一样。”针对裴勇俊主演的《丑闻》，该杂志还拿出李美淑1978年的照片和全度妍2001年的照片，并对2人也提出了质疑。此外，该杂志还拿出目前在日本很红的尹孙河1995年的照片进行比较，并主张：“可以看出她为变漂亮而所做出的努力。”《女性SEVEN》分析说：“韩国人非常看中外表，只要外表美丽，谁都可以在互联网上有拥护者俱乐部。因此，为了保持美女的地位，即使顶级美女也不能满足现状。”该杂志还援引最近出版关于韩国的书籍的自由撰稿人的话说：“韩国女性对美貌的执著达到非常惊人的程度，有的父母还给女儿做整容手术，当作考上大学的礼物。”演艺界人士分析说，虽然这种气氛看起来是在讽刺韩国，但实际是为了牵制越来越多的进入日本的韩国明星。日本的演艺界人士表示，最近，部分媒体试图要打垮裴勇俊。这次《女性SEVEN》的矛头也是指向裴勇俊主演的《冬季恋歌》和《丑闻》的，因此，今后有可能出现争议。问题平时接触到哪些生物材料？生物材料有哪些要求？常见的生物材料分类有哪些？常见的生物材料优缺点？第9章生物材料9.1概述9.2硬组织相容性材料9.3软组织相容性材料9.4血液相容性材料9.5生物降解材料生物材料(biomaterials)：用于与生命系统接触和发生相互作用的，并能对其细胞、组织和器官进行诊断治疗、替换修复或诱导再生的一类天然或人工合成的特殊功能材料，又称生物医用材料。生物材料是材料科学领域中正在发展的多种学科相互交叉渗透的领域，其研究内容涉及材料科学、生命科学、化学、生物学、解剖学、病理学、临床医学、药物学等学科，同时还涉及工程技术和管理学科的范畴。9.1概述生物材料正在挽救和维持世界上成千上万血管患者的生命；正广泛用于伤残人肢体形态和功能的恢复；正在计划生育、控制人口、提高人们健康水平方面发挥巨大作用。如图9－1。注：生物材料不是药物，其治疗途径是以生物机体直接结合和相互作用为基本特征的。生物材料发展简史（历史上、近代、现代）生物材料分类（属性、功能、来源、使用）生物材料的使用要求（宿主反应、材料反应、生物相容性）本小节主要内容一、生物医学材料发展简史古代（利用天然物质和材料治病）公元前5000年，黄金修复失牙；公元前3500年，古埃及，棉花纤维、马鬃等缝合伤口；公元前2500年，中国、埃及，假手、假鼻、假耳等人工假体；隋末唐初，银膏补牙----成分是银、锡、汞，与现代牙齿填充材料汞合金类似。近代：最先应用于临床实践的金属材料是金、银、铂等贵重金属。（良好的化学稳定性和易加工性）1829年，通过多种金属的系统动物实验，得出：金属铂对机体组织刺激性最小；1851年发明天然橡胶的硫化方法后，开始利用天然高分子硬橡木制作人工牙托和颚骨进行临床治疗；1892年，用硫酸钙填充骨缺损，这是陶瓷材料植入人体的最早实例。现代：生物医学材料取得实质性进展开始于20世纪20年代不锈钢：1926年，含18%铬和8%镍首先用于骨科治疗，随后用于口腔科；1934年，研制出高铬低镍单相组织的AISI302和304，在体内生理环境下的耐腐蚀性显著提高；1952年，开发出耐蚀性更好的AISI316不锈钢，并逐渐取代AISI302；60年代，为了解决不锈钢的晶间腐蚀问题，又研制出超低碳不锈钢AISI316L和317L。钴镍合金：铸造钴镍合金首先在口腔中得到应用；20世纪30年代末又被应用于制作接骨板、骨钉等内固定器械；50年代成功制成人工髋关节；60年代为了提高力学性能，研制出锻造钴铬钨镍合金和锻造钴铬钼合金，并应用于临床；70年代为了改善钴基合金抗疲劳性能，研制出锻造钴铬钼钨铁合金和具有多相组织的MP35N钴铬钼镍合金，应用于临床。生物陶瓷：从60年代初开始应用于生物材料。多晶氧化铝陶瓷----低温各向同性碳----生物玻璃----羟基磷灰石（生物活性陶瓷）----生物陶瓷复合材料----引入活体细胞或生长因子的生物陶瓷构架；医用高分子：开始于50年代有机硅聚物的发展。有机硅聚合物----聚甲基丙烯酸甲脂（骨水泥）----医用高分子材料大发展，制作了人工心瓣膜、人工血管、人工骨、手术缝合线等。90年代以后，借助于生物技术和基因工程的发展，由无生物存活性材料扩展到具有生物学功能的材料领域，其基本特征是具有促进细胞分化、增殖、诱导组织再生、参与生命活动等功能。二、生物材料分类按材料属性分类按材料功能分类按材料来源分类按使用部位分类按材料与生体间的相互作用分类1.按材料属性分类：a.医用金属材料：包括不锈钢、钴基合金，钛及合金等，广泛应用于人工假体、人工关节、医疗器械等。b.医用无机材料：主要是生物陶瓷。分为惰性生物陶瓷，如氧化铝生物陶瓷；表面生物活性陶瓷，如磷酸钙基生物陶瓷；可降解生物陶瓷，如β-磷酸三钙陶瓷等。c.医用高分子材料：根据来源分为天然的和合成的，天然的如多糖类、蛋白类，合成的聚氨酯、聚乙烯、聚乳酸、聚四氟乙烯等，用于人体器官、组织、关节、药物载体等。d.医用复合材料：不同种材料的混合或结合，克服单一材料的缺点，可获得性能更优的材料。2.按材料的功能分类：a.硬组织相容性材料：主要用于生物机体的关节、牙齿及其他骨组织b.软组织相容性材料：主要用于人工皮肤、人工气管、人工食道等c.血液相容性材料：主要用于人工血管、人工心脏、血浆分离膜、血液灌流用吸附剂、细胞培养基材等d.生物降解材料：主要用于吸收型缝合线、药物载体、愈合材料、粘合剂以及组织缺损用修复材料。3.按材料来源分类：a.自体组织如人体听骨、血管等替代组织b.同种异体器官及组织如不同人体之间的器官移植c.异种器官及组织如动物骨、肾替换人体器官d.天然生物材料如动物骨胶原、甲壳素、珊瑚等e.人工合成材料如各种人工合成的新型材料4.按使用部位分类：a.硬组织材料骨、牙齿用材料b.软组织材料软骨、脏器用材料c.心血管材料心血管以及导管材料d.血液代用材料人工红血球、血浆等e.分离、过滤、透析膜材料血液净化、肾透析以及人工肺气体透过材料等5.按材料与生体间的相互作用性质分类（1）生物惰性材料——第一代生物材料（2）生物活性材料和可降解生物材料——第二代生物材料（3）细胞与基因活性生物材料——第三代生物材料三、生物材料的使用要求任何一种生物材料，除了应具有必要的理化性能外，还需要满足在生理环境下工作的生物学要求，即有良好的生物相容性。这也是生物材料区别于其他材料的基本特征。对生物材料的要求是：⑴对于人体组织无刺激性，无毒副作用，无致癌性。⑵接触人体各种体液（唾液、淋巴液、血液）时，应有良好的耐蚀性。唾液、血液、间质液都是以Clˉ、Na+、K+离子为主的电解质溶液，生物材料在这种溶液中应不发生反应、腐蚀和变质。玻璃钢人工颅盖骨高分子与钛合金人造髋骨⑶具有必要的强度、耐磨性和耐疲劳性能。如髋关节在静止状态承受体重的二分之一，水平步行时承受的重量为静止时的3.3倍，而跑步时则为4倍以上。此外,每步行一公里大约活动1000次，按照一般的生活情况,每年大约承受1×106~3×106次重复负荷的作用。⑷与生物体组织、与血液有相容性不会引起凝血，与软硬组织有良好的粘接性，不会产生吸收物和沉淀物。Ti-O薄膜表面血小板的形态(好)Ti-O薄膜表面血小板的形态(差)⑸耐灭菌消毒性能生物医学材料及其制品需经过消毒后方可使用，因此要求材料具有良好的耐灭菌消毒性能。常用的灭菌消毒方法有：高温高压蒸气消毒、化学消毒灭菌、辐射灭菌、紫外线或激光灭菌、等离子体灭菌。在实践中常需要根据具体情况选用合适的灭菌方法，以达到安全使用的目的。9.2硬组织材料硬组织材料有人造骨、人造关节、假牙等。人工髋关节是临床应用比较成功的一种。其中髋臼用高分子量聚乙烯制成，股骨多为金属制品。这种塑料与金属的配合，使其耐磨性较金属与金属的配合强10倍。常用的硬组织替代材料生物金属材料生物陶瓷材料人工关节一、生物金属材料金属材料虽种类很多，但能在人体生理环境条件下长期安全服役的却不多。经过长期研究和临床筛选而得到广泛应用的金属材料主要有不锈钢、钴基合金、钛及其合金、形状记忆合金和贵金属，此外还有钽、铌、锆和磁性合金等。1、不锈钢不锈钢成本低，但在体内有腐蚀和组织反应等,不锈钢中添加Mo可克服铬钝化膜在氧化环境中耐腐蚀性能,如加Mo的316、317。降低碳含量，如使用超低碳不锈钢骨钉的316L可防止晶间腐蚀.常用来制作各种人工关节和骨折内固定器、截骨连接器等，也用于牙科等各种器件制造。2、钴基合金加Mo的钴基合金，已用于生物体中。例如Co-Cr-Ni-Fe-Mo合金用在牙科和整形外科，这种合金的耐腐蚀性是一般不锈钢如316的40倍。钴基铬钼合金的生物相容性超过铁铬镍和钴铬合金。钴基合金的耐磨性是所有医用金属材料中最好的，与不锈钢相比，更适于制造体内承载苛刻的长期植入件.CoCrMo合金制股骨帽3、钛与钛合金这类合金强度不如钴合金,但耐腐蚀性好，与人体组织反应很弱，钛合金的密度小，弹性模量低，接近于天然骨。广泛用于制作各种人工关节、接骨板、骨螺钉与骨折固定针等，也用于制作牙根种植体等，呈现出良好的耐疲劳性能。二、生物陶瓷材料生物陶瓷材料在生物体内极为稳定，与生物组织有良好的亲和性，特别适于作人体硬组织如骨和齿的替换修补材料，能与人体骨生长在一起，形成化学结合。生物陶瓷中耳通气引流管磷酸钙陶瓷这种陶瓷的主要性质是具有生物降解性，并能被人体吸收，羟基磷灰石[Ca10(PO4)6(OH)2]是骨组织与牙组织的无机组成部分，它的单位晶胞与人体骨组织相同,但其性脆、强度不高，不能直接用于承受载荷大的种植体。羟基磷灰石具有非常好的生物活性，可用于低载荷多孔种植体，当人骨组织长入羟基磷灰石孔洞中时，可起到加强作用。生物陶瓷人工听小骨假体羟基磷灰石与聚合物复合用于人造骨，效果更好，已羟基磷灰石生物活性陶瓷人工骨羟基磷灰石覆盖钛合金假牙有聚乙烯与它复合的材料。羟基磷灰石作为金属种植体表面涂层，能大大提高人体骨长入孔洞的速度。采用高纯氧化铝生物陶瓷制备关节头，无钒钛合金制备关节柄，并在柄部涂覆生物活性陶瓷涂层，有效地解决了人工关节易磨损、生物相容性不佳、松动、下沉等问题，提高了其使用寿命。采用羟基磷灰石和聚-DL-乳酸制备成可吸收内固定材料，抗弯强度≥120MPa，植入体内无需二次手术取出，对组织无刺激，能被人体完全吸收，最终代谢为二氧化碳、水、钙和磷矿物质排出体外，部分钙和磷参与成骨，无任何毒副作用。适用于人体松质骨骨折、截骨术和关节融合术的骨块（段）固定。图9-4人工听小骨氧化铝听小骨系统提高听力的能力在音频大于2000Hz时开始出现较大的衰减，而羟基磷灰石听小骨系统一般在4000Hz以上才开始明显的衰减。采用增强含微孔羟基磷灰石(HA)陶瓷制成人工听小骨假体，在语言频率范围，平均提高病人的听力20-30dB，在特定语言频率范围提高45～60dB。ＨＡ制备中耳通气引流管，界面润湿角小，毛细管力大，引流效果好，适用于分泌性中耳炎患者。置管后患者鼓膜多自行愈合，且能明显改善听力，是一种较为理想的通气引流管。（三）人工关节1890年，Gluck首先应用象牙制造下颌关节；1938年，Wiles用不锈钢作髋臼与股骨头；而后Moor开展了人工股骨节置换术；1940年Wder兄弟用合成树脂制造人工关节；1951年开始全髋人工关节置换术。1952年Habowsh用固定牙的丙烯酸脂固定人工髓关节，由此合成树脂开始用于人工关节与骨的结合。1958年Charnhey根据重体环境滑润理论，用聚四氟乙烯髋臼和金属股