生物医用材料

L/O/G/O生物医用材料定义1.定义：生物材料是一类具有特殊性能、特殊功能，用于人工器官、外科修复、理疗康复、诊断、检查、治疗疾患等医疗保健领域，而对人体无毒，无副作用，不凝血，不溶血，不引起人体细胞的突变，畸变和癌变，不引起免疫排异反应的材料。举例：形状记忆生物材料热弹性马氏体形状记忆效应•将一定形状的记忆合金试样冷却到Mf点以下，对之进行一定限度的变形，卸去载荷后，变形被保留下来；•将变形了的试样加热到As以上，试样开始恢复，加热到Af点，试样恢复到变形前的形状。（图中Ms表示冷却时开始产生热弹性马氏体的转变温度，Mf表示冷却时转变的终止温度，As表示升温时逆转的温度，Af表示逆转完全的温度）。5医学应用血栓过滤器：将马氏体状态的NiTi合金丝通过导管送到静脉中预定位置，去掉合金的束缚，在体温下其恢复到母相的网状，从而将静脉中的血凝块打碎，并阻止其流向心脏。血栓过滤器、脑动脉瘤夹、食道支架、鼻出血的止血材料；脊柱矫形棒、牙齿矫形丝、颅骨成型板、接骨板、人工股关节；心脏修补元件等。预压缩受热扩张后植入腔道内效果医用腔内支架的应用原理示意消化道内支架血管内支架胆道内支架腔内支架临床应用实例记忆合金支架经过预压缩变形后（a），能够经很小的腔隙安放到人体血管、消化道、呼吸道、胆道、前列腺腔道以及尿道等各种狭窄部位。支架扩展后形成如图（b）所示的记忆合金骨架，在人体腔内支撑起狭小的腔道，这样就能起到很好的治疗效果。8固定断骨的销和接骨板：利用体温使合金发生相变，恢复到母相状态，形状改变，将两段骨固定住，而且产生压力，迫使断骨很快愈合。尺桡骨骨折术前术后9操作简单、取下方便、质轻、强度高、易做成复杂形状。代替传统石膏绷带用于创伤部位的固定材料。骨伤固定：手术时，医生先用低温（0～5摄氏度）消毒盐水冷却记忆合金器械，然后根据需要改变其抱合部位的形状，安装于患者骨伤部位。待患者体温将其“加热”到设定的温度时，器械的变形部分便恢复到原来设计的形状，从而将伤骨紧紧抱合，起到固定与支撑的作用。这种新技术与传统的骨伤内固定术相比，大大降低了手术的难度，并可使手术时间缩短三分之二。由于材料自身的记忆功能十分稳定，良好的“抱合力”使病人手术的愈合期也大大缩短。医用细丝牙齿弓丝（方）二、性能要求与分类：生物材料实质上是一种特殊的功能材料。是一类与人类生命和健康密切相关的新材料。凡是应用于人体的生物材料都应具有良好的生物性能，这是保证其临床安全有效应用的重要技术指标。生物功能性和生物相容性是评价生物医学材料最终能否应用于人体的两个最基本的标准。生物功能性：生物医学材料应具有良好的物理、化学和机械性能，以行使所替代、器官的生理功能。制造人工心脏材料要考虑在心脏有节律的收缩与舒张压力变化情况下应力老化。假牙材料必须具有与活体牙相近似的热膨胀系数、低导热性、高硬度以及优良的耐磨性。功能需用材料1.血液、呼吸、循环止血功能血液相容功能瓣膜功能血液导管功能收缩功能血浆功能氧的传递功能气体交换功能止血材料抗凝血材料人工瓣膜材料人工血管材料人工血浆人工红血球人工肺2.骨骼运动功能身体结构支持功能关节功能运动功能关节润滑防磨损功能人工骨人工关节人工肌腱、人工肌肉人工浆膜表1-5.1对材料所要求的生物医学功能功能需用材料3.代谢系统甲状腺调节功能血糖调节功能代谢、合成功能营养功能解毒功能选择透过溶质功能选择透过气体功能人工甲状腺细胞人工细胞人工肝细胞、固定化酶高营养输液吸附剂、人工肾、人工肝材料人工肾透析膜、过滤膜、血浆分离膜人工肺分离膜4.其它身体形态修补填充功能创伤覆盖功能身体粘结功能分解吸收功能导管功能神经兴奋传递功能生物信息检测功能组织相容性整形外科用材料人工皮肤粘合剂医用缝合线、吸收材料人工气管、人工食管、人工胆管、人工输尿管、人工尿道人工神经敏感元件亲水性材料、生物相容性材料表1-5.2对材料所要求的生物医学功能生物相容性材料对机体产生的生物危害性机体组织对材料的影响致癌性致畸性刺激性毒性过敏性溶血性致突性老化腐蚀降解注意：材料的降解和腐蚀不仅会影响材料的生物功能性，其产物也会对机体产生潜在的生物危害。现详细被研究过的生物材料已超过一千多种，被广泛应用的也达数十种。生物材料分类按医用材料的来源按医用材料的性质按医用材料在人体使用部位按医用材料的使用要求培养瓶内正在培养的人工表皮人造皮肤•人造皮肤是利用工程学和细胞生物学的原理和方法，在体外人工研制的皮肤代用品，用来修复、替代缺损的皮肤组织，按成分不同，可分单纯人工真皮和具有表皮细胞层的活性复合皮。人工皮肤1980年哈佛大学的二位教授Yannas及Burke发展二层结构的人工皮肤结构，上层由矽胶组成，似人体的上皮；下层为多孔状类真皮结构，主要成分为小牛的胶原蛋白及鲨鱼的软骨素交联而成人造皮肤的结构及制作人造皮肤有两层：表层和里层。表层是由一种硅橡胶薄膜制成，能阻挡细菌的进攻。里层是一种特殊的培养基，能帮助受伤的皮肤生长。制作：第一种从病人身上提取胶原蛋白，然后放在培养皿上培养成一块皮肤。第二种则是从病人身上提取皮肤细胞，只培养细胞，然后把细胞喷在伤口上，让其生长成皮肤。前者的缺点是平均要等待21天才培养出皮肤。后者虽然可以快速在病人身上生成皮肤，但仍然在实验阶段。这是培养5周的人工复合皮肤组织切片，可见具有与正常皮肤类似的皮层结构蚕丝人造皮肤主要发明人：浙江大学动物科学学院副教授闵思佳由科研人员提取蚕丝中的蛋白质生产而成，这种人造皮肤就像用蚕丝做成的服装面料一样，具有丝绸般的光滑平整和柔韧特性。而且，与目前治疗大面积损伤时最常用的猪皮材料相比，它安全性更高。步骤•依据患者皮肤损伤的尺寸，裁剪合适的丝蛋白材料，然后将干细胞植入•通过可控的技术，让多个干细胞在丝蛋白构成的材料上生长•通过对丝蛋白材料的设计，干细胞可以在其中转化为不同的功能细胞，如真皮层的成纤维细胞，表皮层的表皮细胞等，最后生长成一块仿生人工皮肤。以上都是在一个生物反应器里完成的，时间大约1~2周，一块类似的人体皮肤就形成了，从而可以用于植皮手术。1.与其他干细胞制作人工皮肤相比，丝蛋白不会轻易遭到人体排斥2.丝蛋白通过技术手段制作的支架结构可以逐步在人体内降解，这才是仿生人工皮肤不被人体保卫系统侵蚀的最大秘密3.根据测算，要想制作巴掌大的一块仿生人工皮肤，所需要的丝蛋白不过在5克左右，差不多18个蚕茧就能解决问题优点英国：ICX-SKN的人造皮肤研制者：从事细胞疗法研究的Intercytex集团名为ICX-SKN的人造皮肤，这种皮肤在28天后可完全与人体结合，封闭并愈合伤口。在初步的临床实验中，由于质地逼真，耐久性好，人造皮肤移植取得突破性成功。•ICX-SKN是由自体皮肤细胞产生的一种基质，即结缔组织细胞构成的。结缔组织细胞能在天然皮肤中形成骨胶原。这些结缔组织细胞可构成类似于真实皮肤的组织结构。白鼠体上移植的人造皮肤研制者：第四军医大学的研究人员从新生或出生前的试验鼠身上取出少量皮肤组织，采用灭菌、消化、分离、培养等手段，获得了足够的细胞数量后，再用组织工程的办法将其重新组合，成功地研制出具有表皮组织和结缔组织的皮肤。这个过程用一个形象的比喻就是在器皿中“种皮肤”。试验人员将这些人造皮肤移植到白鼠身上，经过观察发现，人造皮肤不仅具有正常皮肤的部分功能，而且具有良好的修复皮肤创伤的作用，到目前为止并未发现有免疫排斥反应。可以说，目前人造“鼠皮”已研制成功。当然，这种皮肤与真正的皮肤还有差距，比如说没有汗腺和毛发等附属物我国第一个“人造皮肤”正式进入临床应用四军医大口腔医院研制的我国组织工程第一个产品实现产业化这项技术的先进性在于，国内目前的人造皮肤研究仅能进行表皮的复制，四军医大则发展出带有结缔组织第二层的皮肤，这种技术目前在国际上只有美国掌握，在国内四军医大是第一家。金岩教授展示组织工程皮肤俄罗斯以纳米材料制人造皮肤俄罗斯的生物皮肤和外国的类似产品性质不同。它具有高度的相容性，疗效好。特点是用它进行的包扎无需更换。“吉阿马特里克斯”和恢复的皮肤结合。此外，它有再生的性能，在它上面能繁殖移殖的细胞。还有，俄罗斯的生物皮肤较便宜，这也很重要。斯坦福大学华裔女科学家鲍哲楠(ZhenanBao，音译)在已取得人造电子皮肤科研成果的基础上，再接再厉，研发出更仿真的透明、超弹性的传感器皮肤，让人造电子皮肤拥有更接近自然皮肤的触觉。这项研究已于10月23日发表在《自然纳米科技》杂志上。由美国宇航局科学家研制的一种新型人造皮肤采用垂直碳纳米管层排列在整容手术所使用的橡胶聚合物上，就像是植入一块皮肤一样，碳纳米管通过金丝的串接固定在一起。这些碳纳米管分布在橡胶状的聚合物上，这种结合橡胶聚合物和碳纳米管的人造皮肤能够将接触表面的热量传递至传感器网络，就如同皮肤能够及时获取该信息一样。碳纳米管提取聚合物上的压电感应后，传感器能够向机器人大脑产生一种信号。机器人也需要敏感的皮肤产生一定的触感。人工皮肤的发展人造皮肤在中国起步较晚，但经过几十年的发展，其在各个领域上面都取得了巨大的成就。在美国、加拿大、日本和欧共体国家组织工程的研究和产业化得到迅速发展，尤其是美国有50余家公司从事组织工程产品的产业化生产，已经形成价值60亿美元的产业，并以每年25%的速度递增。初步估计，到2020年美国组织工程产品市场可达每年180亿美元。人造皮肤的最新研究多伦多大学的科研人员通过把单个细胞放入凝胶状的薄片材料里，使其生长出一种全新的人造皮肤。值得一提的是，这种新的人造皮肤不仅能够根据实际需要被培育成字母等特殊的形状，其生长速度也大幅提高，从之前的一次生长几微米变成现在一次生长几厘米。•为何能根据需要培育成特殊形状？“马赛克凝胶”是一种薄皮状的物质，能够与活体组织的细胞生长兼容，进而确保各种不同的细胞能够在凝胶里进行精准的、可操控的生长繁殖。精确控制细胞生长具有非常重大的意义，如此一来，人造皮肤的细胞就能模拟活体组织细胞的自然生长，对烧伤患者的治疗十分有利。控制“马赛克凝胶”里的细胞生长，令其排列成7个字母、组成单词“Toronto”。未来人造皮肤有触感可拉伸能防弹可剥落的电子表皮人造心脏瓣膜的置换•第一个可靠的人工心脏瓣膜，在1961年由美国俄勒冈州波特兰的外科医生史塔尔和他的合作者爱德华斯发明，是装在不锈钢罩中的塑料球。普通金属烤瓷牙贵金属烤瓷牙齿科材料•修复牙齿用的合金除银之外主要有镍铬、钴铬和烤瓷合金。•镍铬合金（软质）适于制作齿冠、冠桥等部件；•钴铬合金（中硬质）适于作齿环、基托，硬质者则适于作舌杆、整体部件•烤瓷合金是用于制造烤瓷固定修复体的底层合金。先用紧密铸造制成帽状冠，在表面涂上烤瓷，高温烧结。强度与耐磨性高于塑料牙，又能按牙齿色调配制。•高铜银合金粉系用于龋齿治疗。为了解决银合金粉与汞调和中汞蒸气的危害，已制成银汞胶囊，效应更佳。牙槽骨内种植体种植牙并不是真的种上一棵或几棵与天然牙一样的牙齿，而是以种植材料埋植到牙槽骨内（种植体），再在其上做假牙的一种“假牙”修复方法。它是一种以植入骨组织内的下部结构为基础来支持、固位上部牙修复体的缺牙修复方式。主要包括下部的支持种植体和上部的牙修复体两部分。人工皮肤的材料分合成高分子和生物高分子两类產品及組織工程相關產業PLGA：聚乳酸-羟基乙酸共聚物纤维蛋白Cusp：一端尖细的突出物，尤指心瓣的三角形段Vascular：血管的基于模塑的纤维蛋白凝胶载体的心脏瓣膜导管模型肌腱组织珊瑚羟基磷灰石人造骨Hydrogel，水凝胶；透明质酸(HyaluronicacidHA)、德国DensplyDyractAp全功能复合体合体的所有优点，放氟功能更强耐磨性能更优异，表面更光滑。这种复合体在操作中简单、快速患者无痛苦，没有任何副作用，而修复质量又极好。德国DegussaDefinite新型齿科陶瓷材料具有很好的生物相容性，是汞合金、复合树脂和复合体等材料的代用品。适用于前牙和侧牙区的所有适应症德国DegussaDefiniteflow流质型填充材料新型的流质标准这是一种新型产品，可流动，成形后又坚固无比。它适