生物材料与组织工程

第十六讲总复习第1章绪论什么是生物材料狭义：生物医用材料，即各种医用、特别是对生物体进行诊断、治疗、置换和增进某受损组织和器官的功能性材料广义：生物体材料和生物医用材料生物材料的三个发展阶段惰性生物材料—生物材料的生物化—组织工程材料生物材料的分类第2章材料的基础知识原子结合键范德华力主要由静电力、诱导力和色散力组成。没有方向性和饱和性。一次（，）（）二（，金属键（Metallicbonding）键主价键primaryinteratomicbonds离子键（Ionicbonding）共价键（covalentbonding）范德华力VanderWaalsbonding次键次价键Secondarybonding)氢键（Hydrogen-bonding)色散力（LondonForces）:两个非极性分子，瞬时偶极矩诱导力（DebyeForces）:非极性分子与极性分子静电力（KeesomForces）:两极性分子，永久偶极矩NeutralatomE色散力（LondonForces）HHoxygen诱导力（DebyeForces）HHHHoxygenoxygen静电力（KeesomForces）瞬间偶极矩第2章材料的基础知识晶体与非晶体晶体学上的几个基本概念空间点阵(阵点、晶格)、晶胞、晶格常数要掌握的晶系简单立方、面心立方、体心立方和密排六方原子的排列方式晶体原子排列：粒子(原子、离子或分子)在三维空间呈周期性的规则重复排列。特点各向异性：不同方向原子的排列方式不相同，因而其表现的性能也有差异固定的熔点：排列规律能保持时呈现固体，温度升高到某一特定值，排列方式的解体，原子成无规则堆积，这时大多呈现不能保持自己形状的液体。原子的排列方式非晶体原子排列：粒子(原子、离子或分子)的排列无序，或不存在长程的周期排列(0.1～1nm)。特点各向同性黏度为其力学性能的基本参数，能保持自己形状的为固体，不能保持自己形状的为液体；随温度的升高黏度减小，在液体和固体之间没有明显的温度界限。材料的晶体结构空间点阵：微粒（离子、原子或分子）在三维空间中有规则的、周期性重复的有规则排列。阵点：为了表达空间原子排列的几何规律，把晶体空间点阵中的几何点作为阵点，也称为结点。晶格：人为地将阵点用一系列相互平行的直线连接起来形成的三维空间几何格架。周期性晶胞晶胞：构成晶格的最基本单元选择条件1)充分反映整个空间点阵的对称性2)满足1)的基础上，具有尽可能多的直角3)满足1)和2)的基础上，晶胞体积要最小。晶格常数晶胞各边的长度a、b、c晶胞各边之间的相互夹角α、β、γ要掌握的晶系BCCFCCHCP第2章材料的基础知识应力、应变的概念应力-应变曲线分析断裂性能表面性能表面张力、润湿、接触角应力-应变关系曲线比例极限，σp弹性极限，σe屈服强度，σs抗拉强度(强度极限)，σb断裂强度，σk从应用图中分析材料的强弱、硬脆性质弹性模量由于裂纹扩展导致力学性能失稳(断裂)几种断裂类型延性断裂：有明显塑性变形，永久变形脆性断裂：无或少量永久变形疲劳断裂：交变载荷，低应力脆性断裂蠕变断裂：恒应力下，变形不断发展失稳(断裂)固体的润湿及接触角接触角：指液体表面的切线和固体表面的切线所夹的角。θ＝0完全润湿；0＜θ＜90°部分润湿；90°＜θ＜180°不润湿；θ＝180°完全不润湿cosg)/l(l)/s(g)/s(第3章医用金属材料合金的结构固溶体相图晶体缺陷点缺陷、线缺陷、面缺陷合金的结构由两种和两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成，具有金属特性。金属(主体)+其他组元(金属，非金属，化合物)合金中的相固溶体：溶质组元(金属或非金属)溶入溶剂组元(一般为金属)的晶格中----单相固体。金属间化合物(中间相)固溶体的分类按位置分置换固溶体：溶质原子代替晶格中的某些溶剂原子间隙固溶体：溶质原子处于溶剂晶格的间隙中按溶解度分有限固溶体：溶质的溶解度有一定的限度无限固溶体：溶质可以按任意比例溶入溶剂晶格中按分布分有序固溶体：溶质原子在晶格中位置有序无序固溶体：溶质原子在晶格中位置随机间隙固溶体与置换固溶体间隙固溶体原子尺寸满足：D质/D剂＜0.59有限固溶体置换固溶体原子尺寸满足：(D剂-D质)/D剂＜0.15形成有限固溶体或无限固溶体相图用几何图解的方式来描述处于平衡状态下物质的成分、相和外界条件的相互关系点缺陷在三维尺度上都很小，不超过几个原子直径的缺陷。空位、间隙原子和置换原子肖脱基(Schottky)空位弗兰克尔(Frenkel)空位点阵或晶格畸变，提高了金属强度，降低了材料的塑性和韧性。1、2—空位3、4—间隙原子5、6—置换原子线缺陷(位错，dislocation)二维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷刃型位错和螺旋位错两类位错的易动性面缺陷二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷主要出现在晶界和亚晶界处面缺陷能提高金属的强度和塑性第4章医用陶瓷材料陶瓷材料的结构晶相、玻璃相、气相陶瓷材料的机械性能弹性变形、塑性变形及蠕变、强度和断裂、硬度惰性生物陶瓷和生物活性陶瓷包括羟基磷灰石、生物活性玻璃和生物活性玻璃陶瓷陶瓷材料的结构多晶结构：由晶体相、玻璃相和气相组成晶相：主要组成相，是化合物或固溶体，决定陶瓷材料物理化学性质玻璃相：非晶态的低熔点固体降低陶瓷的强度、耐热耐火性和绝缘性气相：陶瓷孔隙中的气体降低陶瓷的强度；增大介电损耗，降低绝缘性；降低致密度，提高绝热性和抗振性陶瓷材料的机械性能陶瓷材料的弹性变形弹性模量大E值大，是金属材料的2倍以上。碳化物氮化物＝硼化物氧化物弹性模量呈方向性压缩模量高于拉伸弹性模量。陶瓷材料的塑性变形和蠕变室温下，绝大多数陶瓷材料塑性变形极小。1000℃以上，大多数陶瓷材料可发生塑性变形（主滑移系运动）陶瓷的超塑性(微晶超塑性)在常温下，陶瓷材料不会发生蠕变陶瓷材料的机械性能陶瓷材料的强度和断裂陶瓷材料的抗压强度高；抗拉强度和剪切强度低。脆性断裂以各种缺陷（表面或内部）为裂纹源，从最薄弱处裂纹扩展，瞬时脆断。陶瓷材料的硬度陶瓷材料的硬度一般很高，耐磨性远高于金属第5章医用高分子材料高分子材料的基本概念单体、链节、聚合度、均聚物、共聚物高聚物的分类聚合反应的分类高聚物的结构特点结构单元的连接顺序、结构单元的构型线型无定型高聚物的物理状态玻璃化温度、黏流温度静态黏弹性和动态黏弹性蠕变和应力松弛，滞后现象(概念和原因)基本概念单体：能够形成结构单元的小分子(聚合成高分子化合物的低分子化合物)链节：组成高分子链的重复结构单元聚合度：高分子链所含链节的数目数均聚合度（Xn）：分子链的聚合度按分子数百分率进行统计平均所得的平均聚合度。重均聚合度（Xw）：分子链的聚合度按质量(重量)百分率进行统计平均得到的平均聚合度。均聚物(一种单体)，共聚物(两种或两种以上单体)高聚物的分类根据化学组成和结构碳链、杂链和元素有机高聚物根据链的几何形状线型和体型高聚物根据高聚物的热行为及成型工艺特点热塑性和热固性高聚物根据人工合成反应加聚高分子和缩聚高分子聚合反应的分类根据单体和高聚物组成和结构上的变化加聚反应：单体加成而聚合起来的反应均聚反应(一种单体)和共聚反应(两种以上)缩聚反应：由一种或多种单体相互缩合生成高聚物，同时有低分子物质（如水、卤化氢、氮、醇等）析出的反应聚合反应的分类根据聚合机理或动力学连锁反应自由基聚合（聚乙烯）阳离子聚合（聚异丁烯）阴离子聚合（聚丁二烯）配位聚合（聚乙烯）离子聚合开环聚合（ε-己内酰胺）缩聚反应（涤纶、聚酰胺）逐步加聚反应（聚氨酯）聚加成反应（酚醛树脂）逐步反应连锁反应的特征有活性中心(自由基、阳离子或阴离子)的参与并在瞬间完成由链引发、链增长、链终止等几步基元反应组成各步的反应速率和活化能差别很大体系中只有单体和聚合物组成，单体逐渐减少，聚合物的转化率提高反应的终止逐步反应的特征无所谓活性中心无明显几步基元反应组成各步的反应速率和活化能大致相等体系中由单体和中间产物组成两单体非等量比或温度降低，缩聚暂停线型无定型高聚物的物理状态玻璃态低于Tg时所处的状态分子链节或整个分子链无法产生运动，只有微小热振动，主要是链中的键长和键角变化受力时应力和应变成正比，弹性变形量较小（1%），变形可逆，有一定的刚度，硬性材料高聚物呈现如玻璃体状的固态所有常温下处于玻璃态的高聚物统称为塑料线型无定型高聚物的物理状态高弹态Tg-Tf之间所处的状态，又称为橡胶态链段可以进行热运动，链节可以较自由地旋转、伸展，但整个分子链不能移动。高弹态是高聚物所独有的罕见的一种物理状态，能产生很大形变(1000%)，并且变形可逆。所有常温下处于高弹态的高聚物统称为橡胶线型无定型高聚物的物理状态黏流态大于Tf时所处的状态以大分子整链为运动单位，分子链节可以自由地旋转，整个分子链也能自由移动成为能流动的粘液，比液态低分子化合物的粘度要大得多，产生不可逆的永久变形，又称为塑性态。黏流态是高聚物成型加工成制品的工艺状态。第6章性能要求与安全性评价生物相容性组织相容性的影响因素材料的结构、形状、表面粗糙程度、稳定性血液相容性的影响因素生物学评价标准医疗装置生物学评价系列国际标准(ISO10993)GB/T16886系列医疗器械生物学评价标准生物相容性生物体对材料产生反应的一种能力。组织相容性对周围组织无毒副作用，不诱发组织致畸和基因病变；组织不能对材料产生强烈的腐蚀作用和排斥反应血液相容性材料的抗凝血性以及材料不破坏血液成分或不改变血液生理环境的性能。影响组织相容性的因素材料的结构一般来说，相对分子质量大，分子量分布窄或有交联结构的材料，组织相容性较好材料的形状海绵状、纤维状等形状不易诱发恶性肿瘤片状容易诱发恶性肿瘤材料的表面粗糙程度表面平整光滑易引起炎症，使肿瘤潜伏期缩短表面粗糙促进细胞与材料黏合，肿瘤潜伏期延长材料的稳定性小分子物质的析出可作为抗原引起组织反应影响血液相容性的因素材料的表面物理特性(表面粗糙度)材料表面光洁度提高，有利于减少血栓的形成，粗糙程度过高的材料容易引起凝血。材料表面的电荷材料表面带有负电荷，可阻止细胞和蛋白的黏附，具有良好的血液相容性。影响血液相容性的因素材料表面的亲水性有利于细胞的生长，提高抗凝血作用材料的表面自由能材料表面自由能越低，抗凝血性越好。材料的微相分离结构材料表面有两种或两种以上的分子或基团形成不同的微相区第7章生物材料表面的改性生物材料表面改性的方法材料表面接枝改性等离子体技术离子束技术电化学沉积材料表面肝素化微相分离结构的形成材料表面生物化材料表面化学改性第8章生物材料在医学中的应用人工心脏与心脏瓣膜人工肾靶向给药系统人工心脏和心脏瓣膜人工心脏分为完全取代型人工心脏(TotalArtificialHearts,TAH)和心室辅助装置(VentricularAssistDevices,VAD)两种主要有生物瓣膜和机械瓣膜两大类生物瓣膜：主体用生物组织材料制成机械瓣膜：主体用非生物人工材料制成两类瓣膜的优缺点生物瓣膜与机械瓣膜优缺点比较生物瓣膜优点具有良好的流体力学特性生物相容性，优异的抗凝血性不需要进行抗凝血治疗缺点易发生钙化；耐久性较差，寿命仅8～12年；需再次手术置换。生物瓣膜与机械瓣膜优缺点比较机械瓣膜优点性能稳定，具有很好的耐久性使用寿命长，可达到30～50年缺点血液相容性不够理想，血栓形成较明显；需终身服用抗凝药物。人工肾肾脏的功能：排出代谢产物人工肾的主要功能：血液净化除具备生物材料的基本条件之外，还要求材料对物质具有选择通透性人工肾的工作方式血液透析法血液过滤法血液透析过滤法血液