生物材料与生命质量

生物材料绪论——生物材料与生命质量熊党生1绪论-生物材料与生命质量2生物学相关基础与生物相容性3生物医用金属材料4生物医用陶瓷材料5生物医用高分子材料6生物材料表面改性7纳米生物材料8组织工程简介主要教材1.熊党生，生物材料与组织工程，科学出版社2.李世普.生物医用材料导论，武汉:武汉工业大学出版社3.阮建明,邹俭鹏,黄伯云.生物材料学，北京:科学出版社南非“无腿飞人”皮斯托瑞斯提高生命质量是人类追求的目标因疾病，自然灾害、交通事故和局部战争等，导致人类每年发生创伤的人数约有数千万苏利文和米歇尔在展示他们的仿生手臂美国加州大学的一位教授对人的生命质量提出新说•“生得好”五官端正（外科整形美容），没有疾病。•“活得长”就是希望每个人都能长命百岁。随着科技发展（包括医学和生物材料的进步），人们寿命不断提高。日本84岁。尼日尔、阿富汗（均42岁）国人平均寿命达到75岁，比10年前提高3岁•“病得晚”•“死得快”“细胞分裂”学说。这种学说用细胞分裂次数来推算出人的寿命。人的寿命应为110年生物医用材料•生物材料是一类可对机体组织进行诊断治疗、替换修复或诱导再生的天然或人工合成的特殊功能材料，其研究和应用涉及材料学，生物学，医学，工程学等多种学科，具有知识、技术密集和多学科交叉的特点材料科学生物学医学工程学发展简史•古代（利用天然物质和材料治病）公元前5000年，中国、罗马，黄金修补牙齿公元前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、汞发展简史•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）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。发展简史不锈钢钛生物陶瓷医用高分子•现代（20世纪开始）JohnCharnley1911-1982现代人工关节国内人工关节需求•以人工关节为例，国内潜在市场需求量巨大（300万套），高品质人工关节被国外占领，价格昂贵，导致90%患者得不到有效治疗，严重影响了国人的生活质量。迫切需要研究新型低成本、长寿命人工关节技术。30%70%国内生物材料及制品需求•775万肢残患者和每年新增的300万骨损伤患者--------需要大量骨修复材料•2000万心血管病患者--------每年需要24万套人工心瓣膜•肾衰患者--------每年需要12万个肾透析器•假牙行业前年产量约8650万颗--------市场需求规模达到43.5亿元•400万名角膜病盲患者角膜捐献年仅3000例左右--------计划用五年左右实现年产30万枚眼角膜发展趋势•预计到2015年，全球的生物医用材料和组织工程产品市场价值将达到7000亿美元以上。•我国人工关节替换年增长率高达30％，远高于美国的4％•需求量大，近十年来市场年增长率却高达20%—27%，占国际市场份额不到3%。二是从潜在需求来看，就医疗器械的人年均消耗额计，我国仅为7美元左右，美国则高达300美元以上。随着国民经济的发展、人民生活水平的提高，以及人口老龄化，我国对生物医用材料及制品的需求越来越大生物材料的分类１、医用金属材料：包括不锈钢、钴基合金、钛及其合金等，广泛应用于人工假体、人工关节、医疗器械等２、医用无机材料：主要是生物陶瓷，如氧化铝生物陶瓷、磷酸钙基生物陶瓷等３、医用高分子材料：根据来源分为天然的和合成的，主要用于人体器官、组织、关节、药物载体等４、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生物材料的使用性能•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，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。不同的生物材料具有不同的使用性能。•一般而言，临床医学对生物医学材料有以下基本的要求：1.无毒性，不致癌，不致畸，不引起人体细胞的突变和组织细胞的反应；2.化学性质稳定，抗体液、血液及酶的作用（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3.与人体组织相容性好，不引起中毒、溶血凝血、发热和过敏等现象；4.具有与天然组织相适应的物理机械特性；5.针对不同的使用目的具有特定的功能。（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）。Ti-O薄膜表面血小板的形态(好)Ti表面血小板的形态(差)•医用金属材料•定义：一类用作生物材料的金属或合金，又称外科用金属材料。•性质：生物惰性材料较高的机械强度和抗疲劳性能良好的生物力学性能及相关的物理性质优良的抗生理腐蚀性、生物相容性、无毒性•种类：有钴合金（Co-Cr-Mo）、钛合金（Ti-6A1-4V）和不锈钢的人工关节和人工骨。•镍钛形状记忆合金具有形状记忆的智能特性，能够用于矫形外科、心血管外科。•形状记忆合金具有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，在管腔狭窄的治疗、骨科、口腔科和血管外科具有广泛的应用。•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。骨吸收和骨小梁形成•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•以纯钛和TC4(Ti-6Al-4V)为主，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。金刚石涂覆的膝关节和髋关节关节头钛合金表面离子注入改性•4、形状记忆合金•用于制作脊椎侧弯症矫形器械、牙科器件、血栓过滤器、血管扩张支架、血管栓塞器等。脊椎矫正植入体食管支架血管支架牙齿矫形丝血管和食管引导丝•5、贵金属•通常是指金、银、铂及其合金。贵金属耐腐蚀、抗蠕变,对机体组织无毒，刺激性小,导电性好。金合金主要用于口腔科，贵金属合金还可用于植入形电极与电子装置等.•生物医学高分子材料•生物医学高分子材料有天然的和合成的两种。医用天然高分子材料：•具有优越的血液和组织相容性•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•主要用于伤口敷料、药物缓释剂、止血棉止血剂等。合成高分子生物材料：利用聚合方法制备的一类生物材料。•软性材料常用来作为人体软组织如血管、食道和指关节等的代用品；•合成的硬材料可以用来作人工硬脑膜、笼架球形的人工心脏瓣膜的球形阀等；•液态的合成材料如室温硫化硅橡胶可以用来作注入式组织修补材料。•合成高分子材料有可能导致毒性反应，其弹性模量低和弹性低常使其不能用于承受较大负荷的体位的修复。•目前合成高分子生物材料主要用作防噪音耳塞、人造血管、人工晶体、鼓膜修补片等。表1-1中列举了几种合成的或改性的天然材料的医学应用。•凝胶型高分子材料：特殊的三维网络结构优良的力学性能，如可承受较大形变能力、生物相容性好、化学性能稳定及良好的可成型性广泛应用于关节软骨、椎间盘髓核缺损的修复和角膜接触镜等的研制。•无机生物医学材料：无毒、与生物体组织有良好的生物相容性、耐腐蚀。包括生物陶瓷、生物玻璃和碳素材料三大类，主要用于齿科、骨科修复和植入材料。惰性生物陶瓷（如氧化铝、医用碳素材料等）：较高的强度，耐磨性能良好，分子中的键力较强。生物活性陶瓷（如羟基磷灰石和生物活性玻璃等）：能在生理环境中逐步降解和吸收，或与生物机体形成稳定的化学键结合的特性。•无机生物材料基本都是脆性材料，容易破裂，发展方向应向开发复合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。•生物医学复合材料：生物医学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学材料，主要用于修复或替换人体组织、器官或增进其功能以及人工器官的制造。钴合金和聚乙烯组织的假体常用作关节材料；碳-钛合成材料是临床应用良好的人工股骨头；高分子材料与生物高分子（如酶、抗源、抗体和激素等）结合可以作为生物传感器。•生物医学衍生材料：经过特殊处理的天然生物组织形成的生物医学材料无生物活力的材料，但是由于具有类似天然组织的构型和功能，在人体组织的修复和替换中具有重要作用，主要用作皮肤掩膜、血液透析膜、人工心脏瓣膜（如图1-2所示）等。•杂化生物材料：由活体材料和非活体材料组成的复合体主要包括合成材料与生物体高分子材料或与细胞的杂化。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。皮肤骨气管软骨心瓣血管肝角膜肌腱膀胱周围神经肾生物材料的应用生物材料的应用应用材料种类骨骼系统关节置换体（髋关节、膝关节）固定骨折部位的骨板骨水泥骨缺损修复人工肌腱和韧带用于补牙的牙科植入体心血管系统血管弥补心脏瓣膜导尿管器官人工心脏皮肤修复样板人工肾脏心-肺机感觉器官耳蜗置换眼内镜角膜接触镜角膜绷带Ti、Ti-Al-V合金、不锈钢、聚乙烯不锈钢、Co-Cr合金聚甲基丙烯酸甲酯羟基磷灰石Teflon,DacronTi、Al、Ca、磷酸盐涤纶,特氟隆(聚四氟乙烯),聚氨酯再生组织、不锈钢、C硅橡胶、聚四氟乙烯、聚氨酯聚氨酯硅-胶原质复合材料纤维素、聚丙烯腈硅橡胶铂电极聚甲基丙烯酸甲酯、硅橡胶、水凝胶硅-丙烯酸树脂、水凝胶胶原质、水凝胶表1-1合成材料和改性的天然材料的医学应用人造心脏瓣膜人工心脏瓣膜是可植入心脏内代替心脏瓣膜(主动脉瓣,肺动脉瓣,三尖瓣,二尖瓣),能使血液单向流动,具有天然心脏瓣膜功能的人工器官。假牙•1960年，当人们初步解决了金属陶瓷相互匹配的问题后，烤瓷熔附金属工艺（PFM）诞生了。它克服了单纯瓷材料本身强度不足的缺点，兼有瓷的美观与金属的强度等优点•不苟言笑的美国总统华盛顿，仔细观察这位总统的肖像，你会发觉，这位美国总统的嘴巴，永远都是紧闭着！原因是他满口假牙。人造血管•ascularprosthesis一种修复和替代生物血管的假体。由于与血液直接接触使用，必须满足血液相容性的要求，即有抗凝血性和不影响血液的组成和性质人工听小骨假体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。美容整形韩国“美女”都是人造的？隆鼻材料自身组织硅橡胶聚四氟乙烯优点：最具有组织亲和力缺点：从自身提取易留疤优点：塑形容易，一次性手术就可同时抬高鼻梁和鼻尖。缺点：形成的纤维包裹会收缩，会出现手术痕迹，鼻尖易发红，少数人有过敏现象。优点：比硅橡胶软，鼻尖无发红现象，远期固定性好，无痕迹。缺点：因固化性能好，拆除困难，价格比硅橡胶高。隆下巴材料硅胶假体价格低廉、轻易雕刻，在临床使用上最为常用体骨异体下颌骨不存在排异，但需要另外手术取骨，增加患者的痛苦。不需要特别雕刻，但由于供体有限，且排异系数偏高，临床上很少应用。乳房修复•乳腺肿瘤•美容整形•始于1962年常用的硅胶材料生物降解材料生物降解支架：植入组织后，材料通过体液溶解