生物醫(yī)學(xué)材料

1、會計學(xué)1生物醫(yī)學(xué)材料生物醫(yī)學(xué)材料第八章第八章 生物材料生物材料生物材料生物材料(biomaterials)(biomaterials)： 用于與生命系統(tǒng)用于與生命系統(tǒng)接觸接觸和發(fā)生相互和發(fā)生相互作用作用的，并能對的，并能對其細(xì)胞、組織和器官進(jìn)行其細(xì)胞、組織和器官進(jìn)行診斷治療診斷治療、替換修復(fù)替換修復(fù)或或誘導(dǎo)誘導(dǎo)再生再生的一類天然或人工合成的特殊功能材料，又稱生的一類天然或人工合成的特殊功能材料，又稱生物醫(yī)用材料。物醫(yī)用材料。 生物材料是材料科學(xué)領(lǐng)域中正在發(fā)展的多種學(xué)科相互交叉生物材料是材料科學(xué)領(lǐng)域中正在發(fā)展的多種學(xué)科相互交叉滲透的領(lǐng)域，其研究內(nèi)容涉及材料科學(xué)、生命科學(xué)、化學(xué)、生滲透的領(lǐng)域，其研

2、究內(nèi)容涉及材料科學(xué)、生命科學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、解剖學(xué)、病理學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、藥物學(xué)等學(xué)科，同時還涉物學(xué)、解剖學(xué)、病理學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、藥物學(xué)等學(xué)科，同時還涉及工程技術(shù)和管理學(xué)科的范疇。及工程技術(shù)和管理學(xué)科的范疇。8.1 8.1 生物材料概述生物材料概述 生物材料正在挽救和維持世界上成千上萬血管患者的生命；正廣泛用于傷殘人肢體形態(tài)和功能的恢復(fù) ；正在計劃生育、控制人口、提高人們健康水平方面發(fā)揮巨大作用。如圖81。 注：生物材料不是藥物，其治療途徑是以生物機(jī)體直接結(jié)合和相互作用為基本特征的。8.1.1 8.1.1 生物醫(yī)學(xué)材料發(fā)展簡史生物醫(yī)學(xué)材料發(fā)展簡史 鈷鎳合金(Co-Ni alloy)：鑄造鈷鎳合金首先

3、在口腔中得到應(yīng)用； 20世紀(jì)30年代末又被應(yīng)用于制作接骨板、骨釘?shù)葍?nèi)固定器械；50年代成功制成人工髖關(guān)節(jié)；60年代為了提高力學(xué)性能，研制出鍛造鈷鉻鎢鎳合金和鍛造鈷鉻鉬合金，并應(yīng)用于臨床；70年代為了改善鈷基合金抗疲勞性能，研制出鍛造鈷鉻鉬鎢鐵合金和具有多相組織的MP35N鈷鉻鉬鎳合金，應(yīng)用于臨床。鈦：金屬鈦，優(yōu)異的耐蝕性、生物相容性、密度低；40年代，制作外科植入體；50年代用純鈦制作接骨板和骨釘；70年代，Ti6A14V合金（強(qiáng)度比純鈦高，耐蝕性和密度與之相似）、TiSAl2.5Sn合金和鈦鉬鋅錫等合金獲得應(yīng)用；從而使鈦和鈦合金成為繼不銹鋼和鈷基合金之后的又一類重要醫(yī)用金屬材料；70年代以后

4、， NiTi系為代表的形狀記憶合金逐漸在骨科和口腔科得到應(yīng)用，并成為醫(yī)用金屬材料的重要組成部分。生物陶瓷：從60年代初開始應(yīng)用于生物材料。多晶氧化鋁陶瓷-低溫各向同性碳-生物玻璃-羥基磷灰石（生物活性陶瓷）-生物陶瓷復(fù)合材料-引入活體細(xì)胞或生長因子的生物陶瓷構(gòu)架；醫(yī)用高分子：開始于50年代有機(jī)硅聚物的發(fā)展。有機(jī)硅聚合物-聚甲基丙烯酸甲脂（骨水泥）-醫(yī)用高分子材料大發(fā)展，制作了人工心瓣膜、人工血管、人工骨、手術(shù)縫合線等90年代以后，借助于生物技術(shù)和基因工程的發(fā)展，由無生物存活性材料擴(kuò)展到具有生物學(xué)功能的材料領(lǐng)域，其基本特征是具有促進(jìn)細(xì)胞分化、增殖、誘導(dǎo)組織再生、參與生命活動等功能。8.1.2 8

5、.1.2 生物材料分類生物材料分類1.1.按材料屬性分類按材料屬性分類 ：2.2.按材料的功能分類：按材料的功能分類：3.3.按材料來源分類：按材料來源分類：8.1.3 8.1.3 生物材料的特征與評價生物材料的特征與評價 任何一種生物材料，除了應(yīng)具有必要的理化性能外，還需要滿足在生理環(huán)境下工作的生物學(xué)要求，即有良好的生物相容性。這也是生物材料區(qū)別于其他材料的基本特征。玻璃鋼人工顱蓋骨玻璃鋼人工顱蓋骨高分子與鈦合金人造髖骨高分子與鈦合金人造髖骨Ti-O薄膜表面血小板的形態(tài)薄膜表面血小板的形態(tài)(好好)Ti-O薄膜表面血小板的形態(tài)薄膜表面血小板的形態(tài)(差差)5 kN 230 期安全服役的卻不多。經(jīng)

6、過期安全服役的卻不多。經(jīng)過長期研究和臨床篩選而得到長期研究和臨床篩選而得到廣泛應(yīng)用的金屬材料主要有廣泛應(yīng)用的金屬材料主要有不銹鋼、鈷基合金、鈦及其不銹鋼、鈷基合金、鈦及其合金、形狀記憶合金和貴金合金、形狀記憶合金和貴金屬屬，此外還有，此外還有鉭、鈮、鋯和鉭、鈮、鋯和磁性合金磁性合金等。等。 不銹鋼骨釘不銹鋼骨釘 的的316L可防止晶間腐可防止晶間腐蝕蝕.常用來制作各種人工常用來制作各種人工關(guān)節(jié)和骨折內(nèi)固定器、關(guān)節(jié)和骨折內(nèi)固定器、截骨連接器等，也用于截骨連接器等，也用于牙科等各種器件制造。牙科等各種器件制造。 相容性超過鐵鉻鎳和鈷相容性超過鐵鉻鎳和鈷鉻合金鉻合金。鈷基合金的耐鈷基合金的耐磨性是所

7、有醫(yī)用金屬材磨性是所有醫(yī)用金屬材料中最好的，與不銹鋼料中最好的，與不銹鋼相比，更適于制造體內(nèi)相比，更適于制造體內(nèi)承載苛刻的長期植入件承載苛刻的長期植入件. 模量低，接近于天然骨。模量低，接近于天然骨。廣泛用于制作各種人工關(guān)節(jié)廣泛用于制作各種人工關(guān)節(jié)、接骨板、骨螺釘與骨折固定針等，也用于制作牙根接骨板、骨螺釘與骨折固定針等，也用于制作牙根種植體等，呈現(xiàn)出良好的耐疲勞性能。種植體等，呈現(xiàn)出良好的耐疲勞性能。生物陶瓷中耳通氣引流管生物陶瓷中耳通氣引流管植體。植體。羥基磷灰石具有非羥基磷灰石具有非常好的生物活性，可用于常好的生物活性，可用于低載荷多孔種植體，當(dāng)人低載荷多孔種植體，當(dāng)人骨組織長入羥基磷灰

8、石孔骨組織長入羥基磷灰石孔洞中時，可起到加強(qiáng)作用洞中時，可起到加強(qiáng)作用. 生物陶瓷人工聽小骨假體生物陶瓷人工聽小骨假體羥基磷灰石生物活性陶瓷人工骨羥基磷灰石生物活性陶瓷人工骨羥基磷灰石覆蓋鈦合金假牙羥基磷灰石覆蓋鈦合金假牙 有聚乙烯與它復(fù)合的材有聚乙烯與它復(fù)合的材料。料。羥基磷灰石作為金羥基磷灰石作為金屬種植體表面涂層，能屬種植體表面涂層，能大大提高人體骨長入孔大大提高人體骨長入孔洞的速度。洞的速度。 采用高純氧化鋁生物陶瓷制備關(guān)節(jié)頭，無釩鈦合金制備關(guān)節(jié)柄，并在柄部涂覆生物活性陶瓷涂層，有效地解決了人工關(guān)節(jié)易磨損、生物相容性不佳、松動、下沉等問題，提高了其使用壽命。 采用羥基磷灰石和聚-DL-

9、乳酸制備成可吸收內(nèi)固定材料，抗彎強(qiáng)度120MPa，植入體內(nèi)無需二次手術(shù)取出，對組織無刺激，能被人體完全吸收，最終代謝為二氧化碳、水、鈣和磷礦物質(zhì)排出體外，部分鈣和磷參與成骨，無任何毒副作用。適用于人體松質(zhì)骨骨折、截骨術(shù)和關(guān)節(jié)融合術(shù)的骨塊（段）固定。圖8-4 人工聽小骨 氧化鋁聽小骨系統(tǒng)提高聽力的能力在音頻大于2000Hz時開始出現(xiàn)較大的衰減，而羥基磷灰石聽小骨系統(tǒng)一般在4000 Hz以上才開始明顯的衰減。 采用增強(qiáng)含微孔羥基磷灰石(HA)陶瓷制成人工聽小骨假體，在語言頻率范圍，平均提高病人的聽力20-30dB，在特定語言頻率范圍提高4560dB。 制備中耳通氣引流管，界面潤濕角小，毛細(xì)管力大，

10、引流效果好，適用于分泌性中耳炎患者。置管后患者鼓膜多自行愈合，且能明顯改善聽力，是一種較為理想的通氣引流管。8.3 軟組織相容性材料軟組織相容性材料Polymers can be used to create artificial skin that can facilitate the healing of wounds, especially for burn-victims.A histological section through artificial skin. 在膠原蛋白所做成的模皮上植入皮在膠原蛋白所做成的模皮上植入皮膚細(xì)胞，於體外培養(yǎng)后得到皮膚膚細(xì)胞，於體外培養(yǎng)后得到皮膚臨床

11、應(yīng)用的人工皮膚臨床應(yīng)用的人工皮膚人工皮膚人工皮膚l人工皮的種類很多，人工皮的種類很多，臨床效果比較好的是復(fù)合層人工臨床效果比較好的是復(fù)合層人工皮，其內(nèi)層為網(wǎng)狀聚氨酯海綿皮，其內(nèi)層為網(wǎng)狀聚氨酯海綿，能吸收創(chuàng)面體液并促，能吸收創(chuàng)面體液并促使?jié)B出的血液凝固，使?jié)B出的血液凝固，外層是微孔聚丙烯薄膜外層是微孔聚丙烯薄膜，能透過，能透過氣體和水汽，細(xì)菌不能進(jìn)入，這種人工皮來源廣、無氣體和水汽，細(xì)菌不能進(jìn)入，這種人工皮來源廣、無抗原性，缺點是彈性差?？乖?，缺點是彈性差。 人造皮膚人造皮膚 體溫下固化為人工體溫下固化為人工皮。這種凝膠含水皮。這種凝膠含水量達(dá)量達(dá)80%，能幫助，能幫助維持體液平衡，加維持體液

12、平衡，加入消炎藥和維生素入消炎藥和維生素等藥物后還能促進(jìn)等藥物后還能促進(jìn)創(chuàng)面愈合。創(chuàng)面愈合。6.發(fā)展：隨著組織工程學(xué)科的出現(xiàn)和發(fā)展，人工皮膚的研究從原來單純的創(chuàng)傷敷料和人工皮膚向活性人工皮膚的方向發(fā)展?；钚匀斯てつw不僅包覆在創(chuàng)傷表面，保護(hù)創(chuàng)面，防毒殺毒，促進(jìn)皮膚的恢復(fù)和生長，而且組織支架材料中的活性細(xì)胞能誘導(dǎo)分化細(xì)胞，使活性人工皮膚能完全永久地代替已損傷和喪失的皮膚?，F(xiàn)在，已研究出可以永久替代人皮膚的活性人工皮膚，并已應(yīng)用到臨床。國家國家“863863”高科技計劃的絲蛋白人工皮膚研制成功高科技計劃的絲蛋白人工皮膚研制成功2003.10.31 15:15被列入國家“863”高科技計劃的絲蛋白人工

13、皮膚，經(jīng)蘇州大學(xué)和上海第二醫(yī)科大學(xué)附屬瑞金醫(yī)院科研人員的聯(lián)合攻關(guān)研制成功，并于近日通過省科技廳組織的國內(nèi)外專家鑒定。絲蛋白人工皮膚采用組織工程這一高新科技原理，以天然蠶絲蛋白為主要原料研制而成，通過將種子細(xì)胞（表皮細(xì)胞）播種在人工真皮上，經(jīng)體外培養(yǎng)后，“生長”出一種新皮膚。 隨著醫(yī)學(xué)發(fā)展，人們相信不久的將來，人工皮膚便可像機(jī)器零件一樣，擺在“商店”的柜臺上，用來更換損壞的皮膚組織。日本東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所日前開發(fā)出柔軟的電子人工皮膚。主要面向機(jī)器人等領(lǐng)域?！办`敏度有望接近于人的皮膚”（東京大學(xué)）。大約有1000個痛點的人造皮膚，具有壓感的基本反應(yīng)。 8.4 8.4 血液相容性材料血液相容性材

14、料（一）血液相容性材料（一）血液相容性材料 血液相容性材料具有微相分離結(jié)構(gòu)和表面接枝親水性鏈段或基團(tuán)，表現(xiàn)出良好的血液相容性。主要包括聚氨酯聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯聚甲基丙烯酸羥乙酯、含聚氧乙烯鏈的聚合物、肝素化材料、尿酶固定化材料、骨膠原材料等。 主要應(yīng)用于人工血管、人工心臟、血漿分離膜、血液灌流用吸附劑、細(xì)胞培養(yǎng)基材等。 （二）人工心臟（二）人工心臟 人工心臟是推動血液循環(huán),完全替代或部分替代人體心臟功能的機(jī)械心臟。在人體心臟因疾患而嚴(yán)重衰竭時，植入人工心臟暫時輔助或永久替代人體心臟的功能，推動血液循環(huán)。 人工心臟人工心臟無線人工心臟無線人工心臟 植入病人體內(nèi)的完整人工心臟植入病人體內(nèi)的完

15、整人工心臟 l 1982年美國猶太大學(xué)醫(yī)學(xué)中心Devries首次為6l歲患嚴(yán)重心臟衰竭的克拉克先生成功地進(jìn)行了人工心臟移植?？窟@顆重300g的Jarvik-7型人工心臟，他生活了112天，成為世界醫(yī)學(xué)史上的一個重要的里程碑。l 借助一個新的心臟，威廉施羅德活了20個月，是當(dāng)時植入人工心臟的人中活得最長的一個。然而，當(dāng)人們從電視看到施羅德遭受了如此巨大的痛苦時，他們被震驚了。人工心臟隨后在美國被禁止使用。 2003.8.30.，美國肯塔基州路易斯維爾的猶太醫(yī)院公布了一張世界上第一個接受全植入式人工心臟移植手術(shù)的病人羅伯特圖爾斯的最新照片。目前圖爾斯?fàn)顩r良好，他常常走出病房，進(jìn)行短距離散步。醫(yī)護(hù)人

16、員準(zhǔn)備舉行一個小型的派對，慶祝他順利度過術(shù)后60天。最重要的是要適應(yīng)沒有心跳的日子。唯一能聽到的是馬達(dá)的聲音，不用聽筒也聽得到，這讓我感到自己仍生存。（三）人工心臟瓣膜（三）人工心臟瓣膜 據(jù)1992年數(shù)據(jù)，世界上每年約進(jìn)行十萬例人工心臟瓣膜置換術(shù)，需求市場正以每年6.9%的速度增長。在我國，心臟瓣膜疾病約占心血管疾病患者的30% ，據(jù)統(tǒng)計我國每年有十萬以上危重病人必須施行人工心臟瓣膜置換術(shù)以挽救生命。 心臟瓣膜是左心室內(nèi)與主動脈之間的一個重要器官，正常時承擔(dān)“單向閥門”的功能，只允許血流朝規(guī)定的方向流動，阻止血液回流，并有足夠大小的口徑，使血液通過時無阻力。若瓣膜發(fā)生炎癥或先天發(fā)育不全或退行性

17、病變，瓣膜口徑會縮小或關(guān)閉不全，血流通過瓣口時就會受阻或形成返流，使心臟泵出血液的效率降低，負(fù)荷加重，嚴(yán)重時導(dǎo)致心衰，甚至死亡。目前臨床上使用的人造心臟瓣膜主要分生物瓣膜與機(jī)械瓣膜兩種。生物瓣膜由于使用壽命僅年至年左右，一般較少使用。臨床中使用較多的是機(jī)械性瓣膜。 低溫各向同性熱解碳（簡稱熱解碳）自七十年代末應(yīng)用于人工心臟瓣膜以來，一直是國際公認(rèn)的抗凝血性最好的材料，但是其制作的全熱解碳雙葉機(jī)械瓣的血液相容性仍顯不足，不能完全滿足臨床性能要求。 西南交通大學(xué)材料系生物材料研究室進(jìn)行了Ti-O系人工心臟瓣膜材料的合成及優(yōu)化，成功研究出了血液相容性顯著優(yōu)于熱解碳且具有優(yōu)異的力學(xué)耐久性的新型人工心臟

18、瓣膜材料。可拓展應(yīng)用于其他人工器官（如：血管內(nèi)支撐，人工心臟，左心輔助泵等）介入導(dǎo)管表面改性單葉心臟瓣膜表面改性的心臟瓣膜的瓣環(huán)沒有改性的瓣環(huán)（表面形成血栓）人工腎人工腎造血、代謝等功能。造血、代謝等功能。 高聚物涂覆。也在探高聚物涂覆。也在探討用合成離子交換樹討用合成離子交換樹脂作吸附劑的可能性脂作吸附劑的可能性.l人工臟器還有許多問人工臟器還有許多問題須解決，離實際應(yīng)題須解決，離實際應(yīng)用還有很大距離。用還有很大距離。 8. 5 8. 5 生物降解材料生物降解材料生物降解材料：生物降解材料： 是一類在生物機(jī)體中，在體液及其酸、核酸作用下，材料不斷降解被機(jī)體吸收，或排出體外，最終所植入的材料完

19、全被新生組織取代的天然或合成的生物醫(yī)用材料。包括-磷酸三鈣、硫酸鈣生物陶瓷和聚氨基酸、聚酯、甲殼素、骨膠原明膠等高分子材料。 8.5.1 8.5.1 生物降解支架生物降解支架 生物可吸收陶瓷材料，植入骨組織后，材料通過體液溶解吸收或被代謝系統(tǒng)排出體外，最終使缺損的部位完全被新生的骨組織所取代，而植入的生物可降解材料只起到臨時支架作用。 主要構(gòu)成：-磷酸三鈣和硫酸鈣生物陶瓷 3.-TCP多孔生物陶瓷在體內(nèi)的降解主要有兩個途徑：體液的溶解和細(xì)胞(主要是破骨細(xì)胞和巨噬細(xì)胞)的吞噬和吸收。降解過程：材料在體液作用下，粘結(jié)劑發(fā)生水解，使材料分離成顆粒、分子或離子。解體形成的小顆粒不斷被細(xì)胞吞噬、吸收，其

20、代謝產(chǎn)物可參與新骨形成，從而完成了由無生命材料轉(zhuǎn)變?yōu)橛猩M織的一部分的過程。下圖為 -TCP生物陶瓷的體內(nèi)降解模型：圖8-5 -TCP陶瓷的體內(nèi)降解模型 清華大學(xué)教授歷時六載研制清華大學(xué)教授歷時六載研制 納米人工骨投入臨床納米人工骨投入臨床 清華大學(xué)材料系崔福齋教授課題組歷時6年多研制成功“NB系列納米晶膠原基骨材料”，它與原有傳統(tǒng)人工骨材料的最大區(qū)別在于修復(fù)后的骨頭和人體骨完全一樣，不會在體內(nèi)留下植入物。 崔福齋教授介紹說：植入納米人工骨最大的好處就是病人免去了從自己身上再取一塊骨頭的痛苦。植入納米人工骨后，就好像藤會沿著支架不斷生長一樣，人體的骨細(xì)胞會慢慢“爬”進(jìn)多孔的生物材料內(nèi)部，破骨

21、細(xì)胞一邊“吃掉”納米人工骨，成骨細(xì)胞一邊鞏固陣地，在納米人工骨的內(nèi)部生長起來。隨著時間的推移，骨細(xì)胞在納米人工骨的內(nèi)部聚集得越來越多，納米人工骨的材料逐漸被人體吸收，直到最后納米人工骨將完全被人體自身的骨細(xì)胞“吃”掉。納米人工骨沒有任何排斥反應(yīng)。已用于多種骨病的治療，預(yù)期可以在全國各大醫(yī)院應(yīng)用?！?8.5.2 8.5.2 納米藥物載體納米藥物載體 簡介：在醫(yī)藥領(lǐng)域，納米級粒子使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為方便，納米級粒子包裹的智能藥物進(jìn)入人體后，可主動搜索并攻擊癌細(xì)胞或修補(bǔ)損傷組織。例：德國一家醫(yī)院的研究人員將一些極其細(xì)小的氧化鐵納米顆粒，注入患者的腫瘤里，然后將患者置于可變的磁場中，使患者腫瘤里的

22、氧化鐵納米顆粒升溫到4547度，這個溫度足以燒毀腫瘤細(xì)胞，而周圍健康組織不會受到傷害。理想的納米藥物載體應(yīng)具備以下性質(zhì)：理想的納米藥物載體應(yīng)具備以下性質(zhì)： a.具有較高的載藥量； b.具有較高的包封率； c.有適宜的制備及提純方法； d.載體材料可生物降解，毒性較低或沒有毒性； e.具有適當(dāng)?shù)牧脚c粒形； f.具有較長的體內(nèi)循環(huán)時間。 （一）納米藥 靶向給藥：靶向給藥： 口服給藥要受到兩種首過效應(yīng)的影響，即胃腸道上皮細(xì)胞中酶系的降解、代謝及肝中各酶系的生物代謝。許多藥物很大一部分因首過效應(yīng)而代謝失效。 注射途徑的非靶向藥物可均勻分布在全身循環(huán)中，在到達(dá)病灶之前，要經(jīng)過同蛋白結(jié)合、排泄、代謝、分解等步驟，只有少量藥物才能達(dá)到病灶。 靶向給藥目的就是提高靶區(qū)的藥物濃度，從而提高藥物的利用率和療效，并降低藥物的副作用。納米藥物載體有效的解決了上述問題。納米藥物載體的 應(yīng)用：世界海洋生物技術(shù)的市場世界海洋生物技術(shù)的市場 生物材料正在挽救和維持世界上成千上萬血管患者的生命；正廣泛用于傷殘人肢體形態(tài)和功能的