生物醫(yī)用復(fù)合材料

1、生物醫(yī)用復(fù)合材料生物醫(yī)用復(fù)合材料(biomedical composite materials)是由兩種或兩種以上的不同材料復(fù)合而成的生物醫(yī)用材料，它主要用于人體組織的修復(fù)、替換和人工器官的制造1。長(zhǎng)期臨床應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)醫(yī)用金屬材料和高分子材料不具生物活性，與組織不易牢固結(jié)合，在生理環(huán)境中或植入體內(nèi)后受生理環(huán)境的影響，導(dǎo)致金屬離子或單體釋放，造成對(duì)機(jī)體的不良影響。而生物陶瓷材料雖然具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和相容性、高的強(qiáng)度和耐磨、耐蝕性，但材料的抗彎強(qiáng)度低、脆性大，在生理環(huán)境中的疲勞與破壞強(qiáng)度不高，在沒有補(bǔ)強(qiáng)措施的條件下，它只能應(yīng)用于不承受負(fù)荷或僅承受純壓應(yīng)力負(fù)荷的情況。因此，單一材料不能很好地滿

2、足臨床應(yīng)用的要求。利用不同性質(zhì)的材料復(fù)合而成的生物醫(yī)用復(fù)合材料，不僅兼具組分材料的性質(zhì)，而且可以得到單組分材料不具備的新性能，為獲得結(jié)構(gòu)和性質(zhì)類似于人體組織的生物醫(yī)學(xué)材料開辟了一條廣闊的途徑，生物醫(yī)用復(fù)合材料必將成為生物醫(yī)用材料研究和發(fā)展中最為活躍的領(lǐng)域。 1.生物醫(yī)用復(fù)合材料組分材料的選擇要求 生物醫(yī)用復(fù)合材料根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，由基體材料與增強(qiáng)材料或功能材料組成，復(fù)合材料的性質(zhì)將取決于組分材料的性質(zhì)、含量和它們之間的界面。常用的基體材料有醫(yī)用高分子、醫(yī)用碳素材料、生物玻璃、玻璃陶瓷、磷酸鈣基或其他生物陶瓷、醫(yī)用不銹鋼、鈷基合金等醫(yī)用金屬材料；增強(qiáng)體材料有碳纖維、不銹鋼和鈦基合金纖維、生物

3、玻璃陶瓷纖維、陶瓷纖維等纖維增強(qiáng)體，另外還有氧化鋯、磷酸鈣基生物陶瓷、生物玻璃陶瓷等顆粒增強(qiáng)體。 植入體內(nèi)的材料在人體復(fù)雜的生理環(huán)境中，長(zhǎng)期受物理、化學(xué)、生物電等因素的影響，同時(shí)各組織以及器官間普遍存在著許多動(dòng)態(tài)的相互作用，因此，生物醫(yī)用組分材料必須滿足下面幾項(xiàng)要求：(1)具有良好的生物相容性和物理相容性，保證材料復(fù)合后不出現(xiàn)有損生物學(xué)性能的現(xiàn)象；(2)具有良好的生物穩(wěn)定性，材料的結(jié)構(gòu)不因體液作用而有變化，同時(shí)材料組成不引起生物體的生物反應(yīng)；(3)具有足夠的強(qiáng)度和韌性，能夠承受人體的機(jī)械作用力，所用材料與組織的彈性模量、硬度、耐磨性能相適應(yīng)，增強(qiáng)體材料還必須具有高的剛度、彈性模量和抗沖擊性能；

4、(4)具有良好的滅菌性能，保證生物材料在臨床上的順利應(yīng)用。此外，生物材料要有良好的成型、加工性能，不因成型加工困難而使其應(yīng)用受到限制。 2.生物醫(yī)用復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用 陶瓷基生物醫(yī)用復(fù)合材料 陶瓷基復(fù)合材料是以陶瓷、玻璃或玻璃陶瓷基體，通過不同方式引入顆粒、晶片、晶須或纖維等形狀的增強(qiáng)體材料而獲得的一類復(fù)合材料。目前生物陶瓷基復(fù)合材料雖沒有多少品種達(dá)到臨床應(yīng)用階段，但它已成為生物陶瓷研究中最為活躍的領(lǐng)域，其研究主要集中于生物材料的活性和骨結(jié)合性能研究以及材料增強(qiáng)研究等。 Al2O3、ZrO3等生物惰性材料自70年代初就開始了臨床應(yīng)用研究，但它與生物硬組織的結(jié)合為一種機(jī)械的鎖合。以高強(qiáng)度氧

5、化物陶瓷為基材，摻入少量生物活性材料，可使材料在保持氧化物陶瓷優(yōu)良力學(xué)性能的基礎(chǔ)上賦予其一定的生物活性和骨結(jié)合能力。將具有不同膨脹系數(shù)的生物玻璃用高溫熔燒或等離子噴涂的方法，在致密Al2O3陶瓷髖關(guān)節(jié)植入物表面進(jìn)行涂層，試樣經(jīng)高溫處理，大量的Al2O3進(jìn)入玻璃層中，有效地增強(qiáng)了生物玻璃與Al2O3陶瓷的界面結(jié)合，復(fù)合材料在緩沖溶液中反應(yīng)數(shù)十分鐘即可有羥基磷灰石的形成。為滿足外科手術(shù)對(duì)生物學(xué)性能和力學(xué)性能的要求，人們又開始了生物活性陶瓷以及生物活性陶瓷與生物玻璃的復(fù)合研究，以使材料在氣孔率、比表面積、生物活性和機(jī)械強(qiáng)度等方面的綜合性能得以改善。近年來，對(duì)羥基磷灰石(HA)和磷酸三鈣(TCP)復(fù)合

6、材料的研究也日益增多。30% HA與70%TCP在1150燒結(jié)，其平均抗彎強(qiáng)度達(dá)155MPa，優(yōu)于純HA和TCP陶瓷，研究發(fā)現(xiàn)HA-TCP致密復(fù)合材料的斷裂主要為穿晶斷裂，其沿晶斷裂的程度也大于純單相陶瓷材料。HA-TCP多孔復(fù)合材料植入動(dòng)物體內(nèi)，其性能起初類似于-TCP，而后具有HA的特性，通過調(diào)整HA與TCP的比例，達(dá)到滿足不同臨床需求的目的。45SF1/4玻璃粉末與HA制備而成的復(fù)合材料，植入兔骨中8周后取出，骨質(zhì)與復(fù)合材料之間的剪切破壞強(qiáng)度達(dá)27MPa，比純HA陶瓷有明顯的提高。 生物醫(yī)用陶瓷材料 生物醫(yī)用陶瓷材料由于其結(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn)，其力學(xué)可靠性(尤其在濕生理環(huán)境中)較差，生物陶瓷的

7、活性研究及其與骨組織的結(jié)合性能研究，并未能解決材料固有的脆性特征。因此生物陶瓷的增強(qiáng)研究成為另一個(gè)研究重點(diǎn)，其增強(qiáng)方式主要有顆粒增強(qiáng)、晶須或纖維增強(qiáng)以及相變?cè)鲰g和層狀復(fù)合增強(qiáng)等3，57。當(dāng)HA粉末中添加10%50%的ZrO2粉末時(shí)，材料經(jīng)13501400熱壓燒結(jié)，其強(qiáng)度和韌性隨燒結(jié)溫度的提高而增加，添加50%TZ-2Y的復(fù)合材料，抗折強(qiáng)度達(dá)400MPa、斷裂韌性為2.83.0MPam1/2。ZrO2增韌-TCP復(fù)合材料，其彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性也隨ZrO2含量的增加而得到增強(qiáng)。納米SiC增強(qiáng)HA復(fù)合材料比純HA陶瓷的抗彎強(qiáng)度提高1.6倍、斷裂韌性提高2倍、抗壓強(qiáng)度提高1.4倍，與生物硬組織的性能相

8、當(dāng)。晶須和纖維為陶瓷基復(fù)合材料的一種有效增韌補(bǔ)強(qiáng)材料，目前用于補(bǔ)強(qiáng)醫(yī)用復(fù)合材料的主要有：SiC、Si3N4、Al2O3、ZrO2、HA纖維或晶須以及C纖維等，SiC晶須增強(qiáng)生物活性玻璃陶瓷材料，復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度可達(dá)460MPa、斷裂韌性達(dá)4.3MPam1/2，其韋布爾系數(shù)高。生物醫(yī)學(xué)材料中的應(yīng)用人工皮膚、人工食道、人工心肺氣管、燒傷保護(hù)膜、手術(shù)縫合線、填充物、注射針筒、血袋、引流插管及植入體(implant)、人工臟器止血?jiǎng)ㄈ缰寡d）、微膠囊、皮下注射劑、避孕海綿等，其在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家中已進(jìn)入運(yùn)用普及階段。1、膠原基生物材料的應(yīng)用(1)心臟瓣膜目前已發(fā)展的有2類:一類是機(jī)械瓣膜,一類是生物瓣

9、膜。用膠原基材料制作成的生物瓣膜的缺點(diǎn)是植入人體后會(huì)產(chǎn)生鈣化,一般在前10a使用期內(nèi)性能良好?，F(xiàn)在,材料科學(xué)家正竭力合成新的醫(yī)用瓣膜材料,目的是大幅度延長(zhǎng)材料的使用壽命,減少二次手術(shù),減輕患者痛苦。(2)血管修復(fù)由于心血管疾病日益增加,對(duì)替換血管裝置的要求越來越多。應(yīng)用生物組織基心血管裝置的主要優(yōu)勢(shì),是直徑小于5mm的心血管置換器。與合成材料相比,生物材料的多樣性為改善置換器的性能提供了有利條件,并且膠原基裝置還具有感染性低、宿主組織能向裝置中滲入生長(zhǎng),而不需要高密度孔結(jié)構(gòu),以及可與天然血管在物理性質(zhì)上較好的匹配等優(yōu)點(diǎn)。(3)可溶性膠原可溶性膠原在適當(dāng)?shù)木彌_液中,加熱至體溫時(shí),便可在組織中原位

10、形成纖維,或在進(jìn)入組織之前形成纖維。其對(duì)軟組織的擴(kuò)增、恢復(fù),特別是對(duì)矯正各種皮膚斷面缺陷非常有用,還可用于食管包括肌聲帶的修復(fù)、牙周方面的治療。(4)創(chuàng)傷、燒傷修復(fù)材料膠原敷料有多種形式,如膜扁、海綿狀及粒狀等,能重新溶解,并吸收創(chuàng)傷滲出液,可與宿主細(xì)胞外基質(zhì)相互作用,以促進(jìn)細(xì)胞在新結(jié)締組織上的粘附、移動(dòng)、生長(zhǎng)和沉積;能誘導(dǎo)分化及成纖維細(xì)胞的趨化性,延遲傷口收縮,加速創(chuàng)傷修復(fù)。(5)膠原止血?jiǎng)┠z原與血小板作用后,引起后繼的與血液聚集相關(guān)聯(lián)的一系列過程的進(jìn)行,從而可迅速凝血。作為止血?jiǎng)┦褂玫哪z原,可以是粉狀、扁狀及海綿狀等多種物理形態(tài)。與膠原類止血材料相競(jìng)爭(zhēng)的有纖維素、明膠和纖維衍生物,后者優(yōu)勢(shì)

11、是價(jià)格較低,但是膠原的止血效果更好。(6)明膠膠原經(jīng)溫和水解而產(chǎn)生肽鍵的不可逆斷裂后,所得的主要產(chǎn)物是明膠。最近的研究表明:明膠特別是水解明膠,對(duì)多種皮膚病均有治療作用,其用于手足皸裂、皮膚搔癢、魚鱗病等皮膚病,效果非常顯著。在治療中水解明膠無刺激性和副作用,它能滋潤(rùn)皮膚、修補(bǔ)和促進(jìn)傷口愈合。此外,它在內(nèi)科病學(xué)中也有用武之地,對(duì)慢性胃炎、十二指腸潰瘍、胃潰瘍有更佳的治療效果。(7)人工皮膚眾所周知,第一個(gè)面市的組織工程材料的商品是人工皮膚,也是到目前為止在臨床應(yīng)用方面最為成功的組織工程材料。國(guó)內(nèi)在這方面有較多的研究,其一般方法是:先從某種含有膠原的原料中提取膠原,經(jīng)過酶消化、純化,制成膠原的分

12、散液,再向其中加入其它物質(zhì)(一般是殼聚糖或高分子物質(zhì)等),均勻混合制成膠原膜。必要時(shí),還可以用甲醛進(jìn)行交聯(lián)。Yan2nas等人報(bào)道了在氣相醛介質(zhì)中,膠原與糖胺聚糖交聯(lián),制備分子量Mc為80060000的膠原糖胺聚糖材料的方法。由這種材料制造的人造皮膚,比其它方法制備的同類材料的長(zhǎng)期貯存更穩(wěn)定。(8)固定化酶載體和膠囊膠原蛋白分子肽鏈上具有多種反應(yīng)基團(tuán),如羥基、羧基和氨基等,易于吸收和結(jié)合多種酶和細(xì)胞,實(shí)現(xiàn)固定化,它具有與酶和細(xì)胞親合性好、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。另外膠原是一種成膜性好的物質(zhì),并具有生物相容性,在體內(nèi)可被逐步吸收,因此,膠原蛋白固定化酶特別適合于人工應(yīng)用材料。膠原在醫(yī)藥工業(yè)中的另一重要用

13、途是基于膠原微囊包封的藥物輸送系統(tǒng)。微囊包封就是把細(xì)小顆粒獨(dú)立包裹上保護(hù)性的涂層。涂層起到分離、貯存和運(yùn)輸?shù)淖饔?以便被包裹物在預(yù)定的條件下釋放出來,從而起到控制或緩釋的效果。釋放的條件取決于濕度、pH、化學(xué)結(jié)合作用,釋放的機(jī)理與保護(hù)層的構(gòu)造有關(guān),如膜的過濾性、腐蝕、破裂等。微膠囊的直徑一般在3800m之間,核的重量占10%90%。被包裹的核材料種類很多,包括粘合劑、農(nóng)藥、活細(xì)胞、香水、藥劑和墨水等。膠囊外殼材料多數(shù)為有機(jī)聚合物,也有的采用脂類和蠟。現(xiàn)在,以明膠改性聚合物制造控制藥物釋放的微球和微膠囊正越來越常見。(9)膠原膜膠原不僅可以保護(hù)和促進(jìn)角膜上皮細(xì)胞的生長(zhǎng),而且還可作為“藥膜”,使在

14、結(jié)膜囊內(nèi)的藥物逐漸釋放入眼內(nèi),從而在短時(shí)間內(nèi)在眼內(nèi)達(dá)到較高濃度,并維持較長(zhǎng)時(shí)間,還可減少藥物的毒性,具有廣闊的發(fā)展前景盡管膠原以其優(yōu)良的性質(zhì)得到重視,但其不可避免的弱點(diǎn)也限制了它的應(yīng)用。如膠原具有天然材料共有的弱點(diǎn):物理機(jī)械性能差,其生物降解性在某些應(yīng)用上也是一個(gè)弱點(diǎn)。而合成材料盡管其力學(xué)性能良好并且性能穩(wěn)定,但生物相容性普遍較差。因此產(chǎn)生了“復(fù)合材料”的概念,即制備膠原-高分子復(fù)合材料,使其同時(shí)具有2種材料的共同優(yōu)點(diǎn),取長(zhǎng)補(bǔ)短,從而向?qū)崿F(xiàn)發(fā)展“理想”的生物材料的目標(biāo)邁進(jìn)了一步,并將為醫(yī)用生物材料的變革性發(fā)展提供廣闊的前景生物醫(yī)學(xué)材料是指一類具有特殊性能、特種功能，用于人工器官、外科修復(fù)、理療

15、康復(fù)、診斷、治療疾患，而對(duì)人體組織不會(huì)產(chǎn)生不良影響的材料。現(xiàn)在各種合成材料和天然高分子材料、金屬和合金材料、陶瓷和碳素材料以及各種復(fù)合材料，其制成品都已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于臨床和科研。一、生物醫(yī)學(xué)材料的分類 一般而言，臨床醫(yī)學(xué)對(duì)生物醫(yī)學(xué)材料有以下基本的要求:無毒性，不致癌，不致畸，不引起人體細(xì)胞的突發(fā)和組織細(xì)胞的反應(yīng)；與人體組織相容性好，不引起中毒、溶血凝血、發(fā)熱和過敏等現(xiàn)象；化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，抗體液、血液及酶的作用；具有與天然組織相適應(yīng)的物理機(jī)械特性；針對(duì)不同的使用目的具有特定的功能。根據(jù)物質(zhì)屬性，生物醫(yī)學(xué)材料大致可以分為以下幾種:1、生物醫(yī)學(xué)金屬材料 醫(yī)用金屬材料（biomedical Metall

16、ic Materials）是作為生物醫(yī)學(xué)材料的金屬或合金，具有很高的機(jī)械強(qiáng)度和抗疲勞特性，是臨床應(yīng)用最廣泛的承力植入材料，主要有鈷合金（Co-Cr-Ni）、鈦合金（Ti-6Al-4V）和不銹鋼的人工關(guān)節(jié)和人工骨。鎳鈦形狀記憶合金具有形狀記憶的智能特性，能夠用于矯形外科、心血管外科。2、生物醫(yī)學(xué)高分子材料 生物醫(yī)學(xué)高分子材料（Biomedical Polymer）有天然的和合成的兩種，發(fā)展最快的是合成高分子醫(yī)用材料。通過分子設(shè)計(jì)，可以獲得很多具有良好物理機(jī)械性和生物相容性的生物材料。其中軟性材料常用作人體軟組織如血管、食道和指關(guān)節(jié)等的代用品；合成的硬材料可以用作人工硬腦膜、籠架球形的人工心臟瓣膜

17、的球形閥等；液態(tài)的合成材料如室溫硫化硅橡膠可以用作注入式組織修補(bǔ)材料。3、生物醫(yī)學(xué)無機(jī)非金屬材料或生物陶瓷 生物陶瓷（Biomedical Ceramics）化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有良好的生物相容性。生物陶瓷主要包括兩類:（1）惰性生物陶瓷（如氧化鋁、醫(yī)用碳素材料等），這類材料具有較高的強(qiáng)度，耐磨性能良好，分子中的鍵力較強(qiáng)。（2）生物活性陶瓷（如羥基磷灰石和生物活性玻璃等），這類材料具有能在生理環(huán)境中逐步降解和吸收，或與生物機(jī)體形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵結(jié)合的特性，因而具有極為廣闊的發(fā)展前景。4、生物醫(yī)學(xué)復(fù)合材料 生物醫(yī)學(xué)復(fù)合材料（Biomedical Composites）是由兩種或兩種以上不同材料復(fù)合而成

18、的生物醫(yī)學(xué)材料，主要用于修復(fù)或替換人體組織、器官或增進(jìn)其功能以及人工器官的制造。其中鈦合金和聚乙烯組織的假體常用作關(guān)節(jié)材料；碳鈦合成材料是臨床應(yīng)用良好的人工股骨頭；高分子材料與生物高分子（如酶、抗源、抗體和激素等）結(jié)合可以作為生物傳感器。5、生物醫(yī)學(xué)衍生材料 生物醫(yī)學(xué)衍生材料（Biomedical Derived Materials）是經(jīng)過特殊處理的天然生物組織形成的生物醫(yī)學(xué)材料，是無生物活力的材料，但是由于具有類似天然組織的構(gòu)型和功能，在人體組織的修復(fù)和替換中具有重要作用，主要用作皮膚掩膜、血液透析膜、人工心臟瓣膜等。二、全球生物醫(yī)學(xué)材料市場(chǎng)主要產(chǎn)品 目前大量用于醫(yī)療器械（植入器械、體外循環(huán)

19、系統(tǒng)等）的生物醫(yī)學(xué)材料主要有20種，其中醫(yī)用高分子12種，金屬4種，陶瓷2種，其它2種。利用現(xiàn)有的生物醫(yī)學(xué)材料，已開發(fā)應(yīng)用的醫(yī)用植入體、人工器官等近300種，主要包括:心臟和心血管系統(tǒng)（起搏器、心臟瓣膜、人造血管、導(dǎo)管和分流管等）；矯形外科（人工關(guān)節(jié)、骨板、骨螺釘?shù)葍?nèi)固定器械、骨缺損填充或修復(fù)體、脊柱和脊柱融合器械、功能化模擬神經(jīng)肌肉和人工關(guān)節(jié)軟骨等）；整形外科（顱、頜面、耳、鼻等修復(fù)體和人工乳房等）；軟組織修復(fù)（人工尿道、人工膀胱和腸、體內(nèi)、外分流管、人工氣管、縫線和組織粘合修補(bǔ)材料等）；牙科（牙種植體、牙槽骨替換、增高和充填劑等）；感覺神經(jīng)系統(tǒng)（人工晶體、接觸鏡、神經(jīng)導(dǎo)管、中耳修復(fù)體、經(jīng)皮

20、導(dǎo)線、重建聽力和視力修復(fù)體等），及藥物和生物活性物質(zhì)控釋載體等。生物材料醫(yī)學(xué)應(yīng)用與機(jī)體免疫效應(yīng)概況磁性納米材料的化學(xué)合成、功能化及其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用射線束技術(shù)在功能材料改性中的應(yīng)用射線束技術(shù)在功能材料的改性方面具有巨大的潛力。與傳統(tǒng)方法相比，射線束技術(shù)具有易于控制、效率高、有利環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，適用于高附加值產(chǎn)品的制備。本實(shí)驗(yàn)室的工作主要有：強(qiáng)流離子注入貴金屬或過渡族金屬離子制備可見光靈敏高效納米二氧化鈦光催化薄膜，高能電子束輻照沉積貴金屬制備紫外與可見光靈敏高效納米二氧化鈦光催化薄膜，強(qiáng)流離子注入和高能電子束輻照沉積制備高效抗菌材料和生物醫(yī)學(xué)材料等。強(qiáng)流離子注入制備可見光靈敏高效納米二氧化鈦光催化薄膜

21、 表1 過渡族金屬離子注入(450退火)對(duì)TiO2薄膜性能的影響 注入的金屬離子V+Cr+Fe+未注入注入劑量 cm-26×10166×10166×10160光學(xué)帶隙 eV3.053.083.113.45可見光催化效率提高倍數(shù)4.84.25.51.0電子束輻照沉積貴金屬TiO2及光催化效率研究 表2 電子束輻照沉積貴金屬對(duì)TiO2薄膜性能的影響 沉積的貴金屬AgPdPtAu未沉積紫外光催化效率提高倍數(shù)2.272.262.431.771.0可見光催化效率提高倍數(shù)2.943.44.071.351.0密度泛函理論(DFT)分析金屬摻雜銳鈦礦二氧化鈦晶體電子結(jié)構(gòu) 小結(jié)：本課題研究的目的是利用射線束技術(shù)提高TiO2在可見光作用下的光催化效率。上面簡(jiǎn)單介紹了利用射線束技術(shù)在銳鈦礦二氧化鈦中摻雜不同的金屬元素，獲得高效、寬光譜的光催化薄膜的實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算結(jié)果。利用強(qiáng)流離子注入技術(shù)，在TiO2薄膜中注入