生物材料的分类及性能

第二节生物材料的分类及性能2.1分类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2.1.1根据用途主要分为: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2.1.2根据生物材料的降解性，可分为：全生物降解高分子材料，如聚羟基丁酸酯（PHB)、聚环己内酯（PCL)、蛋白质、微生物多糖等。生物破坏高分子材料，如添加淀粉的聚苯乙烯、聚乙烯等。不可降解的生物无机材料，如具有生物亲和作用的生物金属材料和生物陶瓷材料，具有生物惰性陶瓷、生物活性陶瓷，生物活性陶瓷在生物体内基本不被吸收，但能促进种植生物体周围新骨生成，并与骨组织形成牢固的化学键。2.1.3按其应用可分为生物医学材料；生物包装材料；其他生物应用材料。•生物医学材料指的是一类具有特殊性能、特种功能，用于人工器官、外科修复、理疗康复、诊断、治疗疾患，而对人体组织不会产生不良影响的材料。•现在各种合成材料和天然高分子材料、金属和合金材料、陶瓷和碳素材料以及各种复合材料，其制成产品已经被广泛地应用于临床和科研。2.1.4根据材料的用途，这些材料又可以分为：（1）生物惰性（bioinert）、（2）生物活性（bioactive）或生物降解（biodegradable）材料。•这些材料通过长期植入、短期植入、表面修复分别用于硬组织和软组织修复与替换。生物医用材料由于直接用于人体或与人体健康密切相关，对其使用有严格要求。（1）首先，生物医用材料应具有良好的血液相容性和组织相容性；（2）要求耐生物老化。即对长期植入的材料，其生物稳定性要好；（3）对于暂时植入的材料，耍求在确定时间内降解为可被人体吸收或代谢的无毒单体或片断；（4）还要求物理和力学性质稳定；（5）易于加工成型、价格适当；（6）便于消毒灭茵、无毒无热源、不致癌不致畸也是必须考虑的。对于不同用途的材料，其要求各有侧重。用作人工骨骼的钛或钛合金生物医学材料2.1.5无机非金属生物材料分类按成分性质分：•生物陶瓷材料，如单晶/多晶氧化铝、羟基磷灰石•生物玻璃，如45S5玻璃•生物玻璃陶瓷•医用骨水泥，-TCP•复合无机材料,HA+-TCP，碳纤维增强无机骨水泥按来源分：天然钙化物钙化的贝壳、珍珠合成无机材料如-TCP人工骨（复合无机材料）衍生材料冻干骨片按照生物环境中发生的生物化学反应水平分类：•生物惰性材料氧化铝热解碳氧化锆氧化硅•生物活性无机材料羟基磷灰石生物玻璃活性玻璃陶瓷•生物可降解无机材料可溶性铝酸钙陶瓷、β-TCP陶瓷•生物医用无机纳米材料纳米氧化铁羟基磷灰石超微粉2.1.6分类特点（1）更好的防水性能以淀粉为原料的主要问题是其容易吸水。为了达到更好的防水效果，需要与其它天然或是合成的可降解聚合物混合，或者添加不同来源的添加剂。通过改性和添加剂的作用，这些混合物质具有更高或是更低的水汽敏感度和气密性。热塑性淀粉含有70%-90%的淀粉，但是其中40%-60%的淀粉却是许多混合物，添加剂的使用提高了原料的成本。因而，这方面的研究主要是减少添加剂的用量，例如使用新的纳米组分而不是淀粉或是改性粘土颗粒。•例如纸张或是卡纸等未经改性的纤维素材料具有较差的气密性和防潮性能，因而除非是干货，一般很少用来作为外包装材料。改性的纤维素和纤维素衍生物材料，主要是聚碳酸酯等聚合物用于这一方面还是有些昂贵世界上第一把100%可降解伞，使用特殊的生物降解材料制成（2）产品多样聚乳酸(PLA)是人工合成的可生物降解包装材料的范例。PLA由乳酸单体聚合而成，在不同的食品包装领域提供不同的性能。•PLA可以制成结晶或是透明的形态，可以吹膜、注塑以及涂层，既可以单独使用也可以与其它天然原料制成的聚合物混合使用。例如，PLA经常与淀粉混合以提高降解性能、降低成本。第三类的可生物降解包装材料用微生物制成，包括多羟基链烷酸酯(PHAs)，而聚羟基丁酸酯(PHB)最为普遍。PHAs目前的价格仍比较高，但是从技术角度来看，用途会非常广泛，吹塑、注塑、拉膜、涂层都可以。也可以与热塑性淀粉等可生物降解材料混合。PHAs用于食品包装有个有趣的特性那就是水汽透过率非常低，与低密度聚乙烯接近。聚乳酸100%生物可分解聚乳酸（PLA）是一種可生物降解的新型高分子材料，以玉米為原料•最后，这些小颗料被制成包装袋、泡沫塑料或餐具。国外公司已看好这种新的环保材料，如可口可乐公司在盐湖城冬奥会上用了50万只一次性杯子，全部是用玉米塑料制成的，这种杯子只需40天就在露天环境下消失得无影无踪。•美国一家研究所利用土豆和乳清制成了一种能生物降解的塑料薄膜。其制法是：（1）先用酶将制酪时形成的乳清和废弃的土豆转化为葡萄糖浆，（2）然后用细菌发酵成含乳酸的液体。液体中的乳酪经电渗析分离出来后，加热使水分蒸发，留下的便是可以制薄膜和涂层的聚乳酸分子。•玉米是一种美味又有营养的淀粉食物，还被广泛用于制造甜味剂和动物饲料。•随着技术的进步，将玉米中的糖分提炼出来，经过发酵、蒸馏、萃取，得到制造塑料和纤维的基础材料，基础材料再被加工成直径只有4．57mm的聚交酯(PLa)细微颗料。•这样制成的塑料薄膜可以制成保鲜袋和代替涂有聚乙烯和防水蜡的包装材料，最大优点是可以分解为对环境无害的乳酸。2.2性能2.2.1生物功能性指生物材料具备或完成某种生物功能时应该具有的一系列性能。因各种生物材料的用途而异，如：作为缓释药物时，药物的缓释性能就是其生物功能性2.2.2生物相容性指生物材料有效和长期在生物体内或体表行使其功能的能力。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。可概括为材料和活体之间的相互关系，主要包括血液相容性和组织相容性（无毒性、无致癌性、无热原反应、无免疫排斥反应等）。2.2.3化学稳定性耐生物老化性（特别稳定）或可生物降解性（可控降解）。材料在活体内要有较好的化学稳定性，能够长期使用。2.2.4力学性能材料要有合适的强度、硬度、韧性、塑性等力学性能以满足耐磨、耐压、抗冲击、抗疲劳、弯曲等医用要求。2.2.5可加工性能够成型、消毒（紫外灭菌、高压煮沸、环氧乙烷气体消毒、酒精消毒等）。2.3生物材料机械性能评价(1)医用金属作为受力期间，在人体内服役，其受力状态及其复杂，如人工关节，每年要承受约3.6×106次、且数倍于人体重量的载荷冲击和磨损。(2)人体骨的力学性能因年龄、部位而异，评价骨和材料的机械性能最重要的指标有：抗拉抗压强度、屈服强度、弹性模量。疲劳极限和断裂韧性等；弹性模量是生物材料的重要性质之一，过高过低都不行。模量相对与骨过高，在应力作用下，承受应力的金属和骨将产生不同的应变，在金属与骨的接触面会出现相对位移，从而造成界面处松动；长时间下，还会造成应力屏蔽，引起骨组织的功能退化和吸收。过低，变形较大，起不到固定和支撑作用。(3)对于摩擦部位的材料，一般用硬度反映其耐磨性能。生物材料和纳米生物技术是国际化，跨学科，英文出版的关于生物材料的制备，性能和评价研究的原创性文献，由美国科研出版社发行。涵盖物理，化学，毒物学，电化学，机械和光学特性的纳米材料，生物技术的应用（制药，药物输送系统，化妆品，食品技术，生物转化，可再生能源和能源储存，生物传感，纳米药物，组织工程，植入式医疗设备，生物光子学，纳米光动力疗法，肿瘤科）。2.4金属、高分子和无机非金属生物材料的比较：2.5生物功能无机非金属材料的种类及临床应用临床应用种类人工骨人工关节人工牙根人工牙冠骨填充材料骨置换材料人造心瓣膜人工肌腱人工气官Al2O3√√√√ZrO2√√碳√√√√√磷酸钙√√√√羟基磷灰石√√√√√√磷酸盐玻璃√√氟磷酸盐玻璃√微晶玻璃√√√2.6无机非金属生物材料基本条件与要求（1）良好的生物相容性化学稳定性降解产物无毒（2）杂质元素及溶出物含量低As，Cd、Hg、Pb等重金属（3）有效性抗压、耐磨、热膨胀（4）成型加工性能脆性加工困难不同模具（5）耐消毒灭菌性高压蒸汽消毒、辐射灭菌和环氧乙烷灭菌1.1.3无机非金属生物材料分类按成分性质分：•生物陶瓷材料，如单晶/多晶氧化铝、羟基磷灰石•生物玻璃，如45S5玻璃•生物玻璃陶瓷•医用骨水泥，-TCP•复合无机材料,HA+-TCP，碳纤维增强无机骨水泥按来源分：天然钙化物钙化的贝壳、珍珠合成无机材料如-TCP人工骨（复合无机材料）衍生材料冻干骨片按照生物环境中发生的生物化学反应水平分类：•生物惰性材料氧化铝热解碳氧化锆氧化硅•生物活性无机材料羟基磷灰石生物玻璃活性玻璃陶瓷•生物可降解无机材料可溶性铝酸钙陶瓷、β-TCP陶瓷•生物医用无机纳米材料纳米氧化铁羟基磷灰石超微粉