生物材料與生物相容性.doc

生物材料與生物相容性第一章生物材料與醫(yī)療器械的歷史與現(xiàn)狀1. 醫(yī)療器械的功能分類與有關(guān)定義 2. 植入性醫(yī)療器械的歷史和現(xiàn)狀3. 植入性醫(yī)療器械存在的問題4. 植入性醫(yī)療器械的技術(shù)發(fā)展方向1. 醫(yī)療器械的功能分類與有關(guān)定義 醫(yī)療器械分類規(guī)則 第一條 為規(guī)范醫(yī)療器械分類，根據(jù)醫(yī)療器械監(jiān)督管理?xiàng)l例，制定本規(guī)則。 第二條 醫(yī)療器械是指：單獨(dú)或者組合使用于人體的儀器、設(shè)備、器具、材料或者其他 物品，包括所需的軟件。其使用目的是： （一）疾病的預(yù)防、診斷、治療、監(jiān)護(hù)或者緩解。 （二）損傷或殘疾的診斷、治療、監(jiān)護(hù)、緩解或者補(bǔ)償。 （三）解剖或生理過程的研究、替代或者調(diào)節(jié)。 （四）妊娠控制。 其用于人體體表及體內(nèi)的作用不是用藥理學(xué)、免疫學(xué)或代謝的手段獲得，但可能有這 些手段參與并起一定輔助作用。 第三條 本規(guī)則用于指導(dǎo)醫(yī)療器械分類目錄的制定和確定新的產(chǎn)品注冊類別。 第四條 確定醫(yī)療器械分類，應(yīng)依據(jù)醫(yī)療器械的結(jié)構(gòu)特征、醫(yī)療器械使用形式和醫(yī)療器械使用狀況三方面的情況進(jìn)行綜合判定。 醫(yī)療器械分類的具體判定可以依據(jù)醫(yī)療器械分類判定表（見附件）進(jìn)行。 第五條 醫(yī)療器械分類判定的依據(jù) （一）醫(yī)療器械結(jié)構(gòu)特征 醫(yī)療器械的結(jié)構(gòu)特征分為：有源醫(yī)療器械和無源醫(yī)療器械。 （二）醫(yī)療器械使用形式 根據(jù)不同的預(yù)期目的，將醫(yī)療器械歸入一定的使用形式。其中： 1.無源器械的使用形式有：藥液輸送保存器械；改變血液、體液器械；醫(yī)用敷料；外科器械；重復(fù)使用外科器械；一次性無菌器械；植入器械；避孕和計(jì)劃生育器械；消毒清 潔器械；護(hù)理器械、體外診斷試劑、其他無源接觸或無源輔助器械等。 2.有源器械的使用形式有：能量治療器械；診斷監(jiān)護(hù)器械；輸送體液器械；電離輻射 器械；實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備、醫(yī)療消毒設(shè)備；其他有源器械或有源輔助設(shè)備等。 （三）醫(yī)療器械使用狀態(tài) 根據(jù)使用中對人體產(chǎn)生損傷的可能性、對醫(yī)療效果的影響，醫(yī)療器械使用狀況可分為接觸或進(jìn)入人體器械和非接觸人體器械，具體可分為： 1.接觸或進(jìn)入人體器械 (1)使用時(shí)限分為：暫時(shí)使用；短期使用；長期使用。 (2)接觸人體的部位分為：皮膚或腔道；創(chuàng)傷或體內(nèi)組織；血液循環(huán)系統(tǒng)或中樞神經(jīng)系統(tǒng)。 (3)有源器械失控后造成的損傷程度分為：輕微損傷；損傷；嚴(yán)重?fù)p傷。 2.非接觸人體器械 對醫(yī)療效果的影響，其程度分為：基本不影響；有間接影響；有重要影響。 第六條 實(shí)施醫(yī)療器械分類的判定原則 （一）實(shí)施醫(yī)療器械分類，應(yīng)根據(jù)分類判定表進(jìn)行。 （二）醫(yī)療器械分類判定主要依據(jù)其預(yù)期使用目的和作用進(jìn)行。同一產(chǎn)品如果使用目 的和作用方式不同，分類應(yīng)該分別判定。 （三）與其他醫(yī)療器械聯(lián)合使用的醫(yī)療器械，應(yīng)分別進(jìn)行分類；醫(yī)療器械的附件分類 應(yīng)與其配套的主機(jī)分離，根據(jù)附件的情況單獨(dú)分類。 （四）作用于人體幾個(gè)部位的醫(yī)療器械，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)高的使用形式、使用狀態(tài)進(jìn)行分類。 （五）控制醫(yī)療器械功能的軟件與該醫(yī)療器械按照同一類別進(jìn)行分類。 （六）如果一個(gè)醫(yī)療器械可以適用二個(gè)分類，應(yīng)采取最高的分類。 （七）監(jiān)控或影響醫(yī)療器械主要功能的產(chǎn)品，其分類與被監(jiān)控和影響器械的分類一致。 （八）國家藥品監(jiān)督管理局根據(jù)工作需要，對需進(jìn)行專門監(jiān)督管理的醫(yī)療器械可以調(diào) 整其分類。 第七條 國家藥品監(jiān)督管理局主管醫(yī)療器械分類工作。依據(jù)醫(yī)療器械分類目錄不 能確定醫(yī)療器械分類時(shí)，由省級藥品監(jiān)督管理部門根據(jù)醫(yī)療器械分類規(guī)則進(jìn)行預(yù)先分類，并報(bào)國家藥品監(jiān)督管理局核定。 第八條 本規(guī)則下列用語的含義是： （一）預(yù)期目的：指產(chǎn)品說明、標(biāo)簽或宣傳資料載明的，使用醫(yī)療器械應(yīng)當(dāng)取得的作用。 （二）風(fēng)險(xiǎn)：導(dǎo)致人體受傷害的危險(xiǎn)發(fā)生的可能性及傷害的嚴(yán)重程度。 （三）使用期限： 1暫時(shí)：器械預(yù)期的連續(xù)使用時(shí)間在24小時(shí)以內(nèi)； 2短期：器械預(yù)期的連續(xù)使用時(shí)間在24小時(shí)以上30日以內(nèi)； 3長期：器械預(yù)期的連續(xù)使用時(shí)間超過30日； 4連續(xù)使用時(shí)間：器械按預(yù)期目的，沒有間斷地實(shí)際發(fā)生作用的時(shí)間。 （四）使用部位和器械： 1非接觸器械：不直接或間接接觸患者的器械； 2表面接觸器械：包括與以下部位接觸的器械： （1）皮膚：僅接觸未受損皮膚表面的器械； （2）粘膜：與粘膜接觸的器械； （3）損傷表面：與傷口或其它損傷體表接觸的器械。 3外科侵入器械：借助外科手術(shù)，器械全部或部分通過體表侵入體內(nèi)，接觸包括下列部位的器械： （1）血管：侵入血管與血路上某一點(diǎn)接觸；作為管路向血管系統(tǒng)輸入的器械； （2）組織/骨/牙質(zhì)：侵入組織、骨和牙髓/牙質(zhì)系統(tǒng)的器械和材料； （3）血液循環(huán)：接觸血液循環(huán)系統(tǒng)的器械。 （五）植入器械：任何借助外科手術(shù)，器械全部或者部分進(jìn)入人體或自然腔道中；在 手術(shù)過程結(jié)束后長期留在體內(nèi)，或者這些器械部分留在體內(nèi)至少30天以上，這些器械被認(rèn)為是植入器械。 （六）有源器械：任何依靠電能或其它能源而不是直接由人體或重力產(chǎn)生的能源來發(fā)揮其功能的醫(yī)療器械。 （七）重復(fù)使用外科器械：指器械用于外科手術(shù)中進(jìn)行切、割、鉆、鋸、抓、刮、鉗、抽、夾或類似的手術(shù)過程，不連接任何有源器械，通過一定的處理可以重新使用的器械。 （八）中樞循環(huán)系統(tǒng)：指人體血液循環(huán)中的肺動脈、主動脈、冠狀動脈、頸動脈、腦動脈、心臟靜脈、上大腔靜脈、下大腔靜脈。 （九）中樞神經(jīng)系統(tǒng)：指大腦、腦膜、脊髓。 第九條 本規(guī)則由國家藥品監(jiān)督管理局負(fù)責(zé)解釋。 第十條 本規(guī)則自2000年4月10日起執(zhí)行。醫(yī)療器械，是指單獨(dú)或者組合使用于人體的儀器、設(shè)備、器具、材料或者其他物品，包括所需要的軟件；其用于人體體表及體內(nèi)的作用不是用藥理學(xué)、免疫學(xué)或者代謝的手段獲得，但是可能有這些手段參與并起一定的輔助作用；其使用旨在達(dá)到下列預(yù)期目的： （一）對疾病的預(yù)防、診斷、治療、監(jiān)護(hù)、緩解； （二）對損傷或者殘疾的診斷、治療、監(jiān)護(hù)、緩解、補(bǔ)償； （三）對解剖或者生理過程的研究、替代、調(diào)節(jié)； （四）妊娠控制。第一類(I類)是指，通過常規(guī)管理足以保證其安全性、有效性的醫(yī)療器械。 第二類(II類)是指，對其安全性、有效性應(yīng)當(dāng)加以控制的醫(yī)療器械。 第三類(III類)是指，植入人體；用于支持、維持生命；對人體具有潛在危險(xiǎn)，對其安全性、有效性必須嚴(yán)格控制的醫(yī)療器械。醫(yī)療器械分類目錄01.醫(yī)療器械分類目錄的說明02.6801基礎(chǔ)外科手術(shù)器械03.6802顯微外科手術(shù)器械04.6803神經(jīng)外科手術(shù)器械05.6804眼科手術(shù)器械06.6805耳鼻喉科手術(shù)器械07.6806口腔科手術(shù)器械08.6807胸腔心血管外科手術(shù)器械09.6808腹部外科手術(shù)器械10.6809泌尿肛腸外科手術(shù)器械11.6810矯形外科（骨科）手術(shù)器械12.6812婦產(chǎn)科用手術(shù)器械13.6813計(jì)劃生育手術(shù)器械14.6815注射穿刺器械15.6816燒傷(整形)科手術(shù)器械16.6820普通診察器械17.6821 醫(yī)用電子儀器設(shè)備 18.6822 醫(yī)用光學(xué)器具、儀器及內(nèi)窺鏡設(shè)備 19.6823醫(yī)用超聲儀器及有關(guān)設(shè)備20.6824醫(yī)用激光儀器設(shè)備21.6825醫(yī)用高頻儀器設(shè)備22.6826物理治療及康復(fù)設(shè)備23.6827中醫(yī)器械24.6828醫(yī)用磁共振設(shè)備25.6830醫(yī)用X射線設(shè)備26.6831醫(yī)用X射線附屬設(shè)備及部件27.6832醫(yī)用高能射線設(shè)備28.6833醫(yī)用核素設(shè)備29.6834醫(yī)用射線防護(hù)用品、裝置30.6840臨床檢驗(yàn)分析儀器31.6841醫(yī)用化驗(yàn)和基礎(chǔ)設(shè)備器具32.6845體外循環(huán)及血液處理設(shè)備33.6846植入材料和人工器官34.6854手術(shù)室、急救室、診療室設(shè)備及器具35.6855口腔科設(shè)備及器具36.6856病房護(hù)理設(shè)備及器具37.6857消毒和滅菌設(shè)備及器具38.6858醫(yī)用冷療、低溫、冷藏設(shè)備及器具39.6863口腔科材料40.6864醫(yī)用衛(wèi)生材料及敷料41.6865醫(yī)用縫合材料及粘合劑42.6866醫(yī)用高分子材料及制品43.6870 軟 件44.6877介入器材 手術(shù)器械, 診斷治療設(shè)備, 器具, 介入與植入材料 醫(yī)療器械分類判定表接觸或進(jìn)入人體器械A(chǔ)無源器械A(chǔ)使用形式暫時(shí)使用1短期使用2長期使用3皮膚腔道創(chuàng)傷組織血循環(huán)中樞皮膚腔道創(chuàng)傷組織血循環(huán)中樞皮膚腔道創(chuàng)傷組織血循環(huán)中樞1藥液輸送保存器械2232232332用于改變血液體液器械-3-3-33醫(yī)用敷料122122-4外科器械（侵入）1232232335重復(fù)使用外科手術(shù)器械112-6一次性無菌外科器械1232332337植入器械-3338避孕計(jì)生器械2232333339消毒清潔器械22222222210其他無源接觸器械123223233有源器械 B使用形式輕微損傷-1造成損傷-2嚴(yán)重?fù)p傷-31能量治療器械2232診斷監(jiān)護(hù)儀器2233輸送液體裝置2334電離輻射器械2335其他一般有源器械22-非接觸人體器械B無源器械A(chǔ)使用形式基本不影響-1有間接影響-2間接重要影響-31護(hù)理設(shè)備12-2體外診斷試劑1233其他輔助器械12-有源器械B使用形式基本不影響-1有間接影響-2間接重要影響-31實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備12-2消毒設(shè)備12-3其他輔助設(shè)備12-使用說明：1、本表作為醫(yī)療器械分類規(guī)則的附件，用于具體產(chǎn)品的分類。表中符號“”表示沒有這種分類。 2、標(biāo)題欄中的數(shù)字或者符號是此欄目的代號。人體部位的代號依次分別可用：“1”“2”“3”等。例如：某無源短期接觸組織外科侵入器械代號為：AA4-22。醫(yī)療器械分類目錄6846植入材料和人工器官序號名 稱品 名 舉 例管理類別1植入器材骨板、骨釘、骨針、骨棒、脊柱內(nèi)固定器材、結(jié)扎絲、聚髕器、骨蠟、骨修復(fù)材料、腦動脈瘤夾、銀夾、血管吻合夾（器）、整形材料、心臟或組織修補(bǔ)材料、眼內(nèi)充填材料、節(jié)育環(huán)、神經(jīng)補(bǔ)片2植入性人工器官人工食道、人工血管、人工椎體、人工關(guān)節(jié)、人工尿道、人工瓣膜、人工腎、義乳、人工顱骨、人工頜骨、人工心臟、人工肌腱、人工耳蝸、人工肛門封閉器3接觸式人工器官人工喉、人工皮膚、人工角膜4支架血管支架、前列腺支架、膽道支架、食道支架5器官輔助裝置植入式助聽器、人工肝支持裝置助聽器、外掛式人工喉醫(yī)療器械分類目錄6866醫(yī)用高分子材料及制品序號名 稱品 名 舉 例管理類別1輸液、輸血器具及管路一次性使用輸液器、輸血器、靜脈輸液（血）針、血袋、采血器、血液成分分離器材、連接管路、與血路接觸的開關(guān)、血液濾網(wǎng)、藥液過濾濾膜、空氣過濾濾膜、麻醉導(dǎo)管、一次性使用血液過濾器2婦科檢查器械一次性使用陰道擴(kuò)張器及潤滑液3避孕器械避孕套、避孕帽4導(dǎo)管、引流管胸腔引流管、腹腔引流管、腦積液分流管一次性使用導(dǎo)尿管、一次性使用單腔導(dǎo)尿管、雙腔氣囊導(dǎo)尿管、膽管引流管5呼吸麻醉或通氣用氣管插管經(jīng)口（鼻）氣管插管、氣管切開插管、支氣管插管、麻醉機(jī)用呼吸囊、麻醉呼吸機(jī)管路及接頭、6腸道插管鼻飼管、胃管、十二指腸管、肛門管7手術(shù)手套無菌醫(yī)用手套8引流容器肛門袋、集尿袋、引流袋9一般醫(yī)療用品檢查手套，指套、洗耳球、陰道洗滌器、氣墊、肛門袋，圈、集尿袋、引流袋醫(yī)療器械分類目錄6877介入器材序號名 稱品 名 舉 例管理類別1血管內(nèi)導(dǎo)管血管內(nèi)造影導(dǎo)管、球囊擴(kuò)張導(dǎo)管、中心靜脈導(dǎo)管、套針外周導(dǎo)管、微型漂浮導(dǎo)管、動靜脈測壓導(dǎo)管。造影導(dǎo)管、球囊導(dǎo)管、PTCA導(dǎo)管、PTA導(dǎo)管、微導(dǎo)管、溶栓導(dǎo)管、指引導(dǎo)管、消融導(dǎo)管、追蹤球囊2導(dǎo)絲和管鞘硬導(dǎo)絲、軟頭導(dǎo)絲、腎動脈導(dǎo)絲、微導(dǎo)絲、推送導(dǎo)絲、超滑導(dǎo)絲、動脈鞘、靜脈血管鞘、微穿刺血管鞘3栓塞器材濾器、彈簧栓子、栓塞微球、鉑金微栓子、封堵器醫(yī)療器械分類目錄6845體外循環(huán)及血液處理設(shè)備序號名 稱品 名 舉 例管理類別1人工心肺設(shè)備人工心肺機(jī)2氧合器鼓泡式氧合器、膜式氧合器3人工心肺設(shè)備輔助裝置血泵、貯血濾血器、微栓過濾器、濾血器、濾水器（超濾）、氣泡去除器、泵管、血路熱交換器、水箱4血液凈化設(shè)備和血液凈化器具血液透析裝置、血液透析濾過裝置、血液濾過裝置、血液凈化管路、透析血路、血路塑料泵管、動靜脈穿刺器、多層平板型透析器、中空纖維透析器、中空纖維濾過器、吸附器、血漿分離器、血液解毒（灌流灌注）器、血液凈化體外循環(huán)血路（管道）、術(shù)中自體血液回輸機(jī)5血液凈化設(shè)備輔助裝置滾柱式離心式輸血泵、微量灌注泵6體液處理設(shè)備單采血漿機(jī)、人體血液處理機(jī)、腹水濃縮機(jī)、血液成份輸血裝置、血液成分分離機(jī)腹膜透析機(jī)、腹膜透析管7透析粉、透析液醫(yī)療器械分類目錄6863口腔科材料序號名 稱品 名 舉 例管理類別1高分子義齒材料合成樹脂牙、義齒基托樹脂、義齒軟襯材料、造牙粉及造牙水2齒科植入材料齒科金屬及合金植入材料、齒科陶瓷類植入材料、齒科高分子植入材料、齒科碳素植入材料、齒科復(fù)合植入材料3根管充填材料固體根充材料、根充糊劑、液體根充材料3牙周塞治劑4頜面部修復(fù)材料5永久性充填材料及有關(guān)材料銀合金粉、復(fù)合樹脂充填材料、水門汀類、牙本質(zhì)粘合劑、洞襯劑、墊底材料、蓋髓材料、美白膠牙釉質(zhì)粘合劑、窩溝封閉劑6暫封性充填材料及有關(guān)材料暫封補(bǔ)牙條、氧化鋅水門汀7金屬、陶瓷類義齒材料齒科鑄造合金、齒科鍛造合金、烤瓷合金、焊接合金、烤瓷粉、金屬烤瓷、瓷牙8齒科預(yù)防保健材料氟防齲材料9充填輔助材料齒科酸蝕劑、預(yù)處理劑、遮色劑10正畸材料正畸絲、矯治器、方絲弓矯治器、細(xì)絲弓矯治器、帶環(huán)、橡皮圈11印模材料印模膏、氧化鋅印模糊劑、瓊脂印模材料、印模石膏、橡膠類印模材料、藻酸鹽印模材料12鑄造包埋材料硅酸乙酯結(jié)合劑包埋材料、磷酸鹽結(jié)合劑包埋材料、石膏結(jié)合劑包埋材料、模型包埋材料13模型材料代型、石膏類模型材料、模型蠟、瓊脂復(fù)制材料14齒科輔助材料清掃水、齒科分離劑、合金助焊劑、咬合紙15研磨材料醫(yī)療器械分類目錄6865醫(yī)用縫合材料及粘合劑序號名 稱品 名 舉 例管理類別1醫(yī)用可吸收縫合線（帶針/不帶針）各種聚乙二醇縫合線、聚乳酸縫合線、膠原縫合線、羊腸線2不可吸收縫合線（帶針/不帶針）各種錦綸、丙綸、滌綸縫合線、不銹鋼縫線、蠶絲線3醫(yī)用粘合劑骨水泥等凝固粘合材料、醫(yī)用氰基丙烯酸脂類、輸卵管粘堵劑、血管吻合粘合劑、表皮粘合劑、粘合帶、生物膠、醫(yī)用幾丁糖4表面縫合材料皮膚縫合釘、醫(yī)用拉鏈醫(yī)療器械分類目錄6864醫(yī)用衛(wèi)生材料及敷料序號名 稱品 名 舉 例管理類別1可吸收性止血、防粘連材料明膠海綿、膠原海綿、生物蛋白膠、透明質(zhì)酸鈉凝膠、聚乳酸防粘連膜2敷料、護(hù)創(chuàng)材料止血海綿、醫(yī)用脫脂棉、醫(yī)用脫脂紗布紗布繃帶、彈力繃帶、石膏繃帶、創(chuàng)口貼4手術(shù)用品手術(shù)衣、手術(shù)帽、口罩、手術(shù)墊單、手術(shù)洞巾5粘貼材料橡皮膏、透氣膠帶醫(yī)療器械分類目錄6815注射穿刺器械名 稱品 名 舉 例管理類別注射穿刺器械一次性使用無菌注射器及其膠塞、一次性使用無菌注射針、一次性靜脈輸液針、一次性使用光纖針、靜脈留置針、一次性配藥用注射針、穿刺針玻璃注射器II醫(yī)療器械分類目錄6824醫(yī)用激光儀器設(shè)備序號名 稱品 名 舉 例管理類別1激光手術(shù)和治療設(shè)備固體激光手術(shù)設(shè)備（Nd:YAG、Ho:YAG、Er:YAG、紅寶石、藍(lán)寶石、翠綠寶石）、氣體激光手術(shù)設(shè)備（CO2、金蒸汽、準(zhǔn)分子、氬離子）、3B類和4類半導(dǎo)體激光治療儀、氮分子激光治療儀、眼科激光光凝機(jī)、眼晶體激光乳化設(shè)備、激光血管焊接機(jī)2激光診斷儀器激光眼科診斷儀、眼科激光掃描儀、激光腫瘤光譜診斷裝置、激光熒光腫瘤診斷儀、2類激光診斷儀、激光血液分析儀、激光檢測儀、激光多普勒血流計(jì)3介入式激光診治儀器He-Ne激光血管內(nèi)照射治療儀、其他激光源內(nèi)照射治療儀4激光手術(shù)器械激光顯微手術(shù)器、LASIK用角膜板層刀5弱激光體外治療儀器氦氖激光治療機(jī)（包括具有擴(kuò)束裝置的照射儀）、氦鎘激光治療機(jī)、3A類半導(dǎo)體激光治療機(jī)、激光針灸治療儀6干色激光打印機(jī)I注按GB7247激光輻射防護(hù)安全要求1類、2類、3A類激光為弱激光3B、4類為強(qiáng)激光2. 植入性醫(yī)療器械的歷史和現(xiàn)狀Early Civilizations implanted devices and biomaterials2500+ yrs. ago - Egyptians, Romans, Chinese and Aztecs Glass eyes and wooden teeth have also been in common use through much of recorded historyAu, wood, ivory and gems used t o replace teeth and fill bone defects 1759 records of wooden peg and twisted thread used to unite edges of a brachial artery 1860 - Lister aseptic techniques made practical applications of biomaterials possible “Catgut and silk” sutures used (pig and cow submucosa-based sutures are still used for vaginal histerectomy- high extensibility and rapid absorption) 1908 aluminium plates were used to cover skull defects Early 1900s use of natural rubbers and “celluloid” PTFE (Teflon) began use for cardiac valves and vascular grafts 1939 PE introduced for plastic surgery Silicone elastomers began use during world war 2 1947 PMMA bone cement first use 1958 PVC introduced for heart assist pumpsPerhaps 40-50 years of formal clinical historyOriginally driven by resourceful and entrepreneurial “hero surgeons”50s “Biocompatible” polymers developed60s, 70s Urgency to address immediate patient needs and get devices into clinical use asapRigorous long-term clinical testing of new biomaterials not performed Some ignorance as to the importance of device component processing route (incl. method of sterilisation) on the long-term durability performance of the implantDid you know?In World War II, warplane pilots who were injured byfragments of aircraft canopy (PMMA plastic) did notsuffer adverse chronic reactionsAcrylate-based chemistry is now used extensively inbiomaterials for contact lenses, bone cement anddrug delivery80s “Cleaned up” commodity materials used extensively Lycra, Teflon, Polythene, GoreTex, Silastic, Dacron etc etc Growing Biomaterials research community“Inert support” mindset in use, emphasis on integrity of implant andminimisation of corrosion/ degradation“Biomaterials Crisis” Early 90s Increased litigation $ Large companies such as Dow and Du-Pont withdraw medical-grade materials Tightening of regulations Food and Drug Administration (FDA)1987 definition of a biomaterial (Williams) “A biomaterial is a nonviable material used in a medical device, intended to interact with biological systems”1994 definition of a biomaterial (Greco) the word “nonviable” is removed “any substance, synthetic or natural in origin which treats, augments orreplaces any tissue, organ or function of the body”Alloys1804 - steel pins1914 - steel plates1924 - Xierold - first assessment of biocompatibility ofmetals /alloys Cu, Zn, Ni, Steel, Mg, Fe and Al - discolored Ag, Au, Stellite (CoCr), Pb - no discoloration1926 - stainless steels (18-8) developed and introduced1929 - Werner Forssman - selfcatheterization to heart, x-ray, and Nobel Prize1940 - Ti first used in pacemakers and heart valvesThe DisciplinePrimarily concerned with surgical devices and interactions/control of tissues they contactIncludes implant devices, drug delivery, biosensors, bioseparation, TE, cell/tissue/organculture, animal husbandary, aquaculture and the biochipCommon theme is interaction between biosystem and synthetic or modified natural materialsMost materials used today developed within last 40-50 yrs1995 - $6 billion industry; 1998 - $145 billionDevices rarely simpleConsideration of manufacture, sterilization, and intended useBiomaterial /a nonviable material used in a medical device intended to interact with biologic al systems (Williams, 1987)Biocompatibility: the ability of a material to perform with an appropriate host response in a specific application (Williams, 1987)1994 definition of a biomaterial (Greco) the word “nonviable” is removed “any substance, synthetic or natural in origin which treats, augments orreplaces any tissue, organ or function of the body”What materials are mentioned here? Silicone Titanium described as “biocompatible metal” mandibular mesh Gore-tex (teflon fabric) Stainless steel, and cobalt-chrome-moly alloy, platinum Polythene Dacron (polyester fibre) and PMMA (perspex/ acrylic) Polyurethane Zirconia ceramic Absorbable plastic pins (PLA or PGA?) Composites Artificial (silicone) ear, covered by a skin graft. Will the tissue survive?Reliability and failureThe success of a biomaterial employed in a specific medical device in the bodydepends upon many factors Implantation site Material properties Device design Biocompatibility and biostability Processing and sterilisation history Surgical technique Biological variation, eg patient weight, physiology etc Reliability r = 1 f where f = failure probability There may be multiple modes of failureBiomaterials “Famous Failures”Dow Silicone gel breast implantsDow 2363 “Pellethane” Polyurethane pacemakerleadsPolyesterurethane foam breast implantsBjork-Sheilly heart valvesBall and cage heart valvesUHMWPE wear liners on hip/ knee prostheses wear particlesTelectronics pacemaker “J” lead designHip implants, cast versus forged, fracture and fatigueBiomaterials “Famous Successes”In many instances, these traditional biomaterials have stood the test of timevery wellCobalt-Chrome and Ti alloys used in orthopedics/ arthroplastyMedical grade stainless steelVarious biodegradable sutures, pins etcDacron fibre large bore vascular graftsUHMWPE wear liners on hip/ knee prostheses (when done properly!) UHMWPE still the bestSilicone elastomer great biomaterial used in the right situationHard grades of polyether-based polyurethanesIn many cases, however, traditional implants (eg total artificial hips) have amaximum lifetime of approximately 15 years. This is a problem, given our“ageing population”.Late 90s New biomaterials generation Large R&D funding injection Opportunities for improved formulations Materials engineered from ground up Material-physiological interface studied more extensively Much tighter control of manufacture (GLP/ GMP protocolsnecessary) Longer lead times More expensive devices “Tissue Engineering” field is born and continues to defineitselfBiomaterials Today accepted themes Protein adsorption Biospecific biomaterials Nonfouling materials Healing and the foreign body reaction Controlled release Tissue engineering Regenerative medicine “nanobiotechnology” BiomimeticsNew Millennium Exciting Possibilities! Empirical biomaterials science is being replaced by precision design and engineering Growing understanding at the cellular and molecular level of“Biocompatibility” Biomimetics mimicing the brilliance and elegance of nature (spider silk, sea urchin spines, bone, coral fish teeth etc) Nanotechnology, nanostructured biomaterials, “bottom up self assembly”, nanomaterials used for gene delivery etc “Hybrid” artificial organs synthetic biomaterials in combination with cells and regenerated natural tissue TE “Intelligent materials”, shape memory, shrink, swell in response to environment Teamwork between many disciplines no boundaries植入性醫(yī)療器械的現(xiàn)狀Some Applications of BiomaterialsNIH Statistics 20 million people in U.S. have at least one medical implant $100 billion spent annually on prostheses and artificial organs 20% of all surgeries are to replace failed devicesSpecific Examples of Biomaterials applicationsHeart Disease #1 cause of death in North America, most of rest of world Heart failure principle or contributing cause of 300000 deaths in the U.S. 4.8 million Americans have chronic heart failure, with 400 000 new cases each year 50 million Americans have high blood, the leading contributor to heart disease Sudden death occurs at a rate 6-9 times that of the general populationChina;Over 3 million Chinese heart disease patients died each yearThere are totally very 20 million Chinese heart disease patients Less than 100000 Chinese heart disease patients adopted cardiovascular devicessStructure of human heart $280 billion spent annually in US on treatment of cardiovascular disease In 2000 650 000 vascular grafts were implanted into 360 000 patients Large diameter (5 mm) vessels are relatively successful, small diameter vessels experience complications Demand for small diameter vascular grafts to treat patients is approximately 1 million per yearAtherosclerosis (動脈粥樣硬化)Atherosclerotic plaques may consist of a number of different elements: fatty deposits smooth muscle cells calcium and cholesterol（膽固醇） crystals various fibers other debris Plaque properties vary widely and respond differently to percutaneous transluminal angioplastyAdvanced atherosclerosis of the abdominal aorta. The intimal surface shows confluent plaques, with areas of ulceration（潰瘍） and adherent thrombus.Angioplasty vs. Bypass Surger