医用材料生物学基础-蔡伟第一章绪论

第一章绪论一、课程设立的目的、意义1哈尔滨工业大学材料学院材料物理与化学二OO六年十月第一章绪论2第一章绪论一、课程设立的目的、意义二、课程特点三、课程主要内容四、成绩考核五、相关概念的回顾与解释第一章绪论一、课程设立的目的、意义3一、课程设立的目的、意义医用材料的研究基础材料研究的基础医用材料的定义、目标医用材料的分类与发展医用材料的应用举例社会效益、经济效益、市场前景未来发展的趋势与挑战第一章绪论一、课程设立的目的、意义4一、课程设立的目的、意义医用材料的研究基础材料研究的基础（生物体环境）医用材料的定义、目标医用材料的分类与发展医用材料的应用举例社会效益、经济效益、市场前景未来发展的趋势与挑战第一章绪论一、课程设立的目的、意义5组成、结构-工艺过程-性质之间关系示意图合成与制备工艺使用性能性质组成结构（化学）（工程）（物理学）材料研究的基础第一章绪论一、课程设立的目的、意义6一、课程设立的目的、意义医用材料的研究基础材料研究的基础医用材料的定义、目标（组织、器官的生理功能，生物体对植入材料的反应）医用材料的分类与发展医用材料的应用举例社会效益、经济效益、市场前景未来发展的趋势与挑战第一章绪论一、课程设立的目的、意义7生物医用材料biomedicalmaterials生物材料biomaterials对生物体进行诊断、治疗和置换损坏组织、器官或增进其功能的材料。医用材料的定义、目标第一章绪论一、课程设立的目的、意义8生物材料的目标是对人体组织的矫形、修复、再造以维持其原有的功能。生物材料除了应具有人体的组织或器官的功能外，还必须有与人体组织的相容性；对肌体无免疫排异反应，血液相溶性好，无溶血、凝血反应，不会引起代谢作用异常现象，对人体无毒、不致癌。目前已经发展起来的生物合金、生物高分子和生物陶瓷基本上能满足这些要求，利用这些材料已经制造出了许多人工器官，如肾、肝、肺、骨关节等.医用材料的定义、目标第一章绪论一、课程设立的目的、意义9水晶体:丙烯酸,硅胶耳:HA,氧化铝,钛金属,硅胶齿科:丙烯酸,金,316LSS,钴铬钼合金,钛金属,钛铝钒合金,氧化铝,HA,生物玻璃心脏:钴铬钼合金,钛铝钒合金,热解石墨,ePTFE,PET,PUR,心律调节:316LSS,白金t,PUR,硅胶,PET人工关节:316LSS,钴铬钼合金,钛金属,钛铝钒合金,硅胶,UHMWPE,丙烯酸颚面重建:氧化铝,HA,三钙磷酸盐,HA/PLA,生物玻璃,钛金属,钛铝钒合金头盖骨:316LSS,钛金属,丙烯酸,HA,TCP可降解缝线:PLA,PGA,聚己内酯,PTMC,PDO的共聚高分子脊柱:钴铬钼合金,钛金属,HA,UHMWPE承载重量的骨材:氧化铝,氧化锆,316LSS,钛金属,钛铝钒合金,钴铬钼合金,UHMWPE血管:ePTFE,PET肌腱&韧带:PLA/碳纤维,ePTFE,PET,UHMWPE骨折固定:316LSS,钴铬钼合金,钛金属,钛铝钒合金,PLA/HA,PLA,PGAPLA:聚乳酸(polylactide)PGA:聚甘醇酸(polyglycolide)PTMC:聚三甲基己内酯(polymethylenecarbonate)PDO:poly(p-dioxanone)PUR:聚氨酯(polyurethane)ePTFE:膨体聚四氟乙烯(expandedpolytetrafluroethylene)UHMWPE:超高分子量聚乙烯(expandedpolytetrafluoroethylene)PET:聚乙烯对苯二甲酸酯(polyethyleneterephthalate)HA:氢氧基磷灰石(hydroxyapatite)SS:不锈钢第一章绪论一、课程设立的目的、意义10一、课程设立的目的、意义医用材料的研究基础材料研究的基础医用材料的定义、目标医用材料的分类与发展（材料本身具有生命性质而与机体产生生物性结合）医用材料的应用举例社会效益、经济效益、市场前景未来发展的趋势与挑战第一章绪论一、课程设立的目的、意义11问题人体组织器官的生命现象是极其复杂的，特别是处于生长与发育、再生与修复的立体动态变化之中。人工合成的材料的本质与人类的亲缘性尚远、缺乏人体的生物活性，与机体组织的亲和性较差。第一章绪论一、课程设立的目的、意义12过去现在－－生物材料的设计原则1.宏观性质:与人体器官的性质相符机械性质(如,模数)化学性质(如,降解)光学性质(如,清澈度)2.制造加工的能力3.联邦法规：1976年的医疗器材修正案(所有新的生医材料在上市前都须取得安全性及有效性的认证)合成与制备工艺使用性能性质组成结构（化学）（工程）（物理学）第一章绪论一、课程设立的目的、意义13现在未来－－生物材料的发展方向与设计原则材料研究更重要的是从生命科学的角度进行探讨和创造类似人体生命结构的新型材料，在充分理解生命机体（天然材料）及生命机体/人造材料相互作用的基础上的合理设计。人体的生物活性，在人体内与机体组织细胞、生物力学、生物电的反应关系第一章绪论一、课程设立的目的、意义14一、课程设立的目的、意义医用材料的研究基础材料研究的基础（生物体环境）医用材料的定义、目标（组织、器官的生理功能，生物体对植入材料的反应）医用材料的分类与发展（材料本身具有生命性质而与机体产生生物性结合）医用材料的应用举例社会效益、经济效益、市场前景未来发展的趋势与挑战第一章绪论一、课程设立的目的、意义15生物医用材料诊断现代诊断系统治疗先进控制释放系统修复、置换、增进组织器官功能通用生物医用材料组织工程生物医用材料医用材料的分类与发展（生物材料的定义）第一章绪论一、课程设立的目的、意义16生物材料的分类（材料的属性）金属BiomedicalMetallicMaterialsSurgicalMetals陶瓷BiomedicalCeramic高分子BiomedicalPolymer复合材料CompositeBiomaterials医用材料的分类与发展第一章绪论一、课程设立的目的、意义17生物材料的分类（材料的生物学性能）生物惰性材料BioinertMaterials生物活性材料BioactiveMaterials生物降解材料BiodegradableMaterials生物复合材料CompositeBiomaterials医用材料的分类与发展第一章绪论一、课程设立的目的、意义18生物材料的分类第一代生物材料第二代生物材料第三代生物材料医用材料的分类与发展第一章绪论一、课程设立的目的、意义19第一代生物材料生物材料首先应具有人体的组织或器官的功能，这些材料与普通的标准材料很相似，从后者衍生出来的，根据临床应用的特点，设计、改变其结构以适应临床应用。六七十年代，物理性能适宜、对宿主反应最小的组织替代物，大多数属于惰性生物材料，使免疫排斥反应达到最低的材料。医用材料的分类与发展第一章绪论一、课程设立的目的、意义20第二代生物材料植入材料在具有生物功能性的同时，具有与人体组织的相容性，即材料与人体之间相互作用产生的各种复杂的生物、物理和化学反应，最终被人体组织所接受的性能。80年代开发的生物活性玻璃，生物活性材料和相应的复合材料吸收性生物材料（聚乳酸PLA、聚乙醇酸PGA缝合线等）利用这些材料已经制造出了许多人工器官，如肾、肝、肺、骨关节等。医用材料的分类与发展第一章绪论一、课程设立的目的、意义21第三代生物材料具有激发、促进人体组织自身修复和再生作用，从而使病变组织、器官最终完全或主要是由再生的自身天然健康组织或器官所取代。生物材料不仅要具有生物安全性和生物相容性，更希望植入体内能诱发所期望的反应，使目标细胞黏附、增殖、分化，并且防止肿瘤化倾向。医用材料的分类与发展第一章绪论一、课程设立的目的、意义22第三代生物材料即与组织工程相关的生物材料。从材料科学与生命科学交叉与融合角度,对生物材料的细胞水平和分子水平进行设计并制备出具有刺激特异细胞反应的、具有生物活性的可吸收生物材料，使目标细胞迁移至损伤部位，刺激它们生长和分化，促进组织的自愈合，且随着组织的修复能被细胞释放的相关酶完全降解的生物材料。医用材料的分类与发展第一章绪论一、课程设立的目的、意义23生物材料的分类第一代生物材料具有组织或器官的功能性的惰性生物材料.第二代生物材料具有生物功能性的同时，具有与人体组织的相容性的生物活性和可吸收性生物材料及其复合材料。第三代生物材料从生物材料的细胞水平和分子水平进行设计，不仅要具有生物功能性和生物相容性，还具有促进组织的自愈合，且随着组织的修复能被细胞释放的相关酶完全降解的材料。第一章绪论一、课程设立的目的、意义24一、课程设立的目的、意义医用材料的研究基础材料研究的基础医用材料的定义、目标医用材料的分类与发展医用材料的应用举例社会效益、经济效益、市场前景未来发展的趋势与挑战第一章绪论一、课程设立的目的、意义25人工关节美国，每年仅人工髋关节置换的数量己经超过50万人次。我国，每年施行一万多例人工关节置换手术。限制型半限制型非限制型第一章绪论一、课程设立的目的、意义26滚动式人工膝关节属于半限制型。有左右侧之分。135O的伸屈运动。20O的内旋外旋。10O的内翻外翻。设计承载能力为5KN。可选配不同型号髓内干。第一章绪论一、课程设立的目的、意义271982年美国WilliamDevries移植Jarvik7型人工心脏。2019年7月，AbioCor全植入式人工心脏移植。Jarvik7AbioCor心脏移植第一章绪论一、课程设立的目的、意义282000万心血管病患者--------每年需要24万套人工心瓣膜第一章绪论一、课程设立的目的、意义29人造心脏瓣膜生物瓣同时采用人工合成的高级材料和经过复杂化学处理的生物组织膜而制成。优点是术后不必终生抗凝，血栓栓塞率较低。缺点是耐久性不如机械瓣，瓣膜的寿命约在十年左右，如损坏则需第二次换瓣。第一章绪论一、课程设立的目的、意义30人造心脏瓣膜机械瓣采用高级合成材料制成。优点是耐久性好，其缺点是需终生抗凝。血栓栓塞率较生物瓣高。第一章绪论一、课程设立的目的、意义31脊柱修复支架InterporeCrossInternationalInc.SynergyTMIQLowBackSystem第一章绪论一、课程设立的目的、意义32人造牙齿第一章绪论一、课程设立的目的、意义33人工水晶体PMMA制成，直徑約6mm第一章绪论一、课程设立的目的、意义34人造血管第一章绪论一、课程设立的目的、意义35人造皮肤第一章绪论一、课程设立的目的、意义36一、课程设立的目的、意义医用材料的研究基础材料研究的基础医用材料的定义、目标医用材料的分类与发展医用材料的应用举例社会效益、经济效益、市场前景未来发展的趋势与挑战37医疗器材实例年产值(U.S.)*缝线(短期使用或可吸收性)250M**导管(液体输送管)200M血液袋40M隐形眼镜30M人工水晶体2.5M人工膝关节及髋关节0.5M义乳(癌症或美容)0.25M齿科植入物0.9M肾脏透析器0.3M富氧机/CPB’s(心肺绕道系统—有利进行心脏手术)0.3M人工血管0.3M心律调节器(脉冲产生器)0.4M*fromRatner,B.D.etal.,eds.BiomaterialsScience:Anintroductiontomaterialsinmedicine.2nded.SanDiegoCA:Elsevier,2019.**fromRatner,B.D.etal.,eds.BiomaterialsScience:Anintroductiontomaterialsinmedicine.1sted.SanDiegoCA:AcademicPress,2019.第一章绪论一、课程设立的目的、意义38全球生物医用材料市场0500100015002000250030003500年20052002200032752300165020%12%单位:亿美元世界医疗器械市场生物材料和制品第一章绪论一、课