生物材料

1生物材料生物医学工程导论2生物材料•生物医学材料的发展概况•生物材料的分类及性能•医用金属材料•医用高分子材料•其他生物医学材料•生物医学材料的安全性•生物材料的发展趋势•纳米医学材料简介34.1生物医学材料的发展概况•生物医学材料是生物医学科学中的最新分支学科，是生物、医学、化学和材料科学交叉形成的边缘学科。具体涉及到化学、物理学、高分子化学、高分子物理学、生物物理学、生物化学、生理学、药物学、基础与临床医学等很多学科。•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无生命的材料”。另有定义是：具有天然器官组织的功能或天然器官部分功能的材料。4•生物材料的开发和利用可追溯到3500年前，那时的古埃及人就开始利用棉纤维、马鬃作缝合线缝合伤口；印第安人则使用木片修补受伤的颅骨。2500年前，中国和埃及的墓葬中就发现有假牙、假鼻和假耳。人类很早就用黄金来修复缺损的牙齿，并沿用至今。1588年人们用黄金板修复颚骨。1775年就有用金属固定体内骨折的记载。1851年发明了天然橡胶的硫化方法后，有人采用硬胶木制作了人工牙托的颚骨。•器官移植取得巨大进展，但有难题：排异、器官来源、法律、伦理等。因此医学界对生物医学材料和人工器官的要求日益增加。5•目前被详细研究过的生物材料已超过1000种，被广泛应用的有90多种，1800多种制品。西方国家每年耗用生物材料量以10~15%的速度增长，1980年全球医用生物材料及制品的销售额为200亿美元，1990年达500亿美元，1995年近1000亿美元。•我国生物材料的研究起步较晚（五十年代），但发展很快。64.2生物材料的分类及性能•两种分类方法•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。7•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8•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。94.3医用金属材料•在生物医学材料中，金属材料应用最早，已有数百年的历史。唐代就用银汞合金（主要成份：汞、银、铜、锡、锌）来补牙。•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.10•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，另外还有记忆合金、贵金属以及纯金属钽、铌和锆等。11•常用医用金属材料•不锈钢•钴（Co）基合金•钛（Ti）基合金•形状记忆合金•贵金属•纯金属钽•纯金属铌•纯金属铬124.3.1不锈钢•铁基耐蚀合金（一般由铁、铬、镍、钼、锰、硅组成），易加工、价格低廉。•不锈钢的耐蚀性和屈服强度可以通过冷加工而提高，避免疲劳断裂。•一般不锈钢制成多种形体，如针、钉、髓内针、齿冠、、三棱钉等器件和人工假体而用于临床，不锈钢还用于制作各种医疗仪器和手术器械。13器械包144.3.2钴（Co）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。15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。161718194.3.3钛（Ti）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。20头颅微型钢板21钛板224.3.4形状记忆合金自1951年美国首次报道Au-Cd（金-镉）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。232425•形状记忆合金可以分为三种：•单程记忆效应•双程记忆效应•全程记忆效应26•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。272829304.3.5贵金属（noblemetal）是一种金属或合金，如金子具有极高的抗氧化性和抗腐蚀性。贵金属具有独特稳定的物理和化学性能、优异的加工特性、对人体组织无毒副作用、刺激小等优良的生物学性能。主要用于口腔科的齿科修复，也可用于小型植入式电子医疗器械。314.3.6纯金属钽（Ta）•具有良好的抗生理腐蚀性和可塑性，独特的表面负电性使其具有优良的抗血栓性能和生物相容性，还有很高的抗缺口裂纹能力。植入骨内能和周围的新骨形成骨性结合；植入软组织中，肌肉等组织可依附在钽条上正常生长。•退火后的纯钽很软，可加工成板、带、箔、丝等使用。主要用作接骨板、颅骨板、骨螺钉、种植牙根、颌面修复体、义齿及外科手术缝线和缝合针；钽网可用于肌肉缺损修补；钽丝和箔用于缝合修补受损的神经、肌腱和血管；钽还可以用于血管内支架及人工心脏、植入型电子装置；钽的同位素可用于放射治疗。只是由于钽的资源少、价格较高，使其推广受很大限制。324.3.7纯金属铌（Nb）性能和应用范围与钽非常相似，用于修补颅骨和制作医疗器械。但由于来源困难，价格昂贵，使用受到限制，主要用于制造髓内钉等。334.3.8纯金属铬（Cr）•化学性能与金属钛相似，耐蚀性能、加工性能、稳定性和生物相容性都很好，主要用于人工骨和修补颅骨，可加工成各种板、带、线材在临床上使用。医用铬可与钛等同使用，但其价格较贵，在临床中较难推广。344.4医用高分子材料•低分子：分子量低于一千,如煤、糖、油、水泥、和抗菌素等。•中分子：分子量在数千范围，如维生素B12等。•高分子：分子量在几万至几百万，如蛋白质、棉、毛、木材、松香、橡胶、塑料、合成纤维。•医用高分子材料：在医学上应用的、尤其能在机体内使用的高分子材料。•天然树脂：如松香。•合成树脂：由低分子量的化合物经过各种化学反应而制得的高分子量的树脂状物质，如聚氯乙烯、聚乙烯。塑料主要成分就是合成树脂。35一些高分子与低分子化合物的分子量一些高分子与低分子化合物的分子量一些高分子与低分子化合物的分子量36•命名：•通俗命名法，最简单的命名法，是根据制作高分子化合物的单体名称，前面冠以“聚”字而成。如聚乙烯、聚丙烯•习惯名称或商品名称来命名：如有机玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯）、涤纶（聚对苯二甲酸乙二醇酯）等。•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。374.4.1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。384.4.1.1天然蛋白质材料——胶原蛋白•脊椎动物的主要结构蛋白，是支持组织和结构组织（皮肤、肌腱和骨骼的有机质）的主要组成成分。•胶原来源广泛，被广泛应用。•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。•基本单位为原胶原蛋白，由三条α—肽链相互拧成的三股螺旋状结构的蛋白质，其分子量为30万左右。由不同种类的动物分离出来的胶原结构极其相似。39•胶原分散体具有再生特性，可以将其加工成不同形状的制品而用于临床，并越来越受到人们重视。•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。404.4.1.1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。•纤维蛋白可用不同方法进行化学改性，其中包括放射性碘化法、与合成高分子进行接枝和在纤维蛋白上进行酶的固定等。•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。41•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。424.4.1.2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