生物醫(yī)學(xué)材料簡介培訓(xùn)課件

1、生物材料(biomaterials)： 用于與生命系統(tǒng)接觸和發(fā)生相互作用的，并能對其細(xì)胞、組織和器官進(jìn)行診斷治療、替換修復(fù)或誘導(dǎo)再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。 概述1生物醫(yī)學(xué)材料簡介10/7/2022生物材料(biomaterials)：概述1生物醫(yī)學(xué)材料簡介生物材料的基本要求惰性，不會因與體液接觸而發(fā)生發(fā)應(yīng) 對人體組織不會引起炎癥或異物反應(yīng) 不會致癌 血液相容性，不會在材料表面凝血 長期植入人體內(nèi)，不會減小機(jī)械強(qiáng)度能經(jīng)受必要的清潔消毒措施而不產(chǎn)生變性易于加工成需要的復(fù)雜形狀 2生物醫(yī)學(xué)材料簡介10/7/2022生物材料的基本要求2生物醫(yī)學(xué)材料簡介10/3/2022

2、特殊要求加工成型性machine-shaping properties機(jī)械性能與穩(wěn)定性Mechanical properties環(huán)境敏感性Environmental sensitivity表面性能與結(jié)構(gòu)多空性 Surface properties/Porosity親疏水性Hydrophilicity / hydrophobicity3生物醫(yī)學(xué)材料簡介10/7/2022特殊要求3生物醫(yī)學(xué)材料簡介10/3/2022 按材料與活體組織的相互作用關(guān)系分 1） 2） 3） 生物惰性材料生物活性材料生物吸收材料 在體內(nèi)不降解、不變性的材料，適合長期植入體內(nèi)。作為醫(yī)用高分子要求降解產(chǎn)物（單體、低聚體或碎片）

3、無毒，并且對人體無副作用。指植入生物體內(nèi)能與周圍組織發(fā)生相互作用，促進(jìn)肌體組織、細(xì)胞等生長的材料。 又稱生物降解材料。這類材料在體內(nèi)逐漸降解，其降解產(chǎn)物能被肌體吸收代謝，獲通過排泄系統(tǒng)排出體外，對人體健康沒有影響。如用聚乳酸制成的體內(nèi)手術(shù)縫合線、體內(nèi)粘合劑等。4生物醫(yī)學(xué)材料簡介10/7/2022生物惰性材料生物活性材料生物吸收材料 在體內(nèi)不降解、不變性的按組成分金屬材料:包括不銹鋼、鈷基合金，鈦及合金等，廣泛應(yīng)用于人工假體、人工關(guān)節(jié)、醫(yī)療器械等。無機(jī)材料：分為惰性生物陶瓷、生物玻璃、碳素材料。有機(jī)高分子材料：分為天然的和合成的，天然的如多糖類、蛋白類，合成的聚氨酯、聚乙烯、聚乳酸、聚四氟乙烯等

4、，用于人體器官、組織、關(guān)節(jié)、藥物載體等。雜化材料：不同種材料的混合或結(jié)合，克服單一材料的缺點(diǎn)，可獲得性能更優(yōu)的材料。5生物醫(yī)學(xué)材料簡介10/7/2022按組成分金屬材料:包括不銹鋼、鈷基合金，鈦及合金等，廣泛應(yīng)用一、生物醫(yī)學(xué)金屬材料 金屬材料是生物醫(yī)學(xué)材料中應(yīng)用最早的。隨著抗腐蝕性強(qiáng)的不銹鋼、彈性模量程骨組織接近銅鐵合金，以及記憶合金材料、復(fù)合材料等新型生物醫(yī)學(xué)金屬材料的不斷出現(xiàn)，其應(yīng)用范圍也在擴(kuò)大。（1）抗腐蝕性（2）毒性低或無毒（3）高機(jī)械性能6生物醫(yī)學(xué)材料簡介10/7/2022一、生物醫(yī)學(xué)金屬材料 金屬材料是生物醫(yī)學(xué)材料中 Fe-與血紅細(xì)胞結(jié)合可形成鐵血黃素； Cr-能與機(jī)體內(nèi)的絲蛋白結(jié)

5、合； Ni-過量富集有可能誘發(fā)腫瘤的形成； 通常，醫(yī)用不銹鋼的小量腐蝕不會引起組織的明顯變化，但量大時會引起水腫、感染、組織壞死或過敏反應(yīng)。因此必須嚴(yán)格控制醫(yī)用不銹鋼在體內(nèi)的金屬離子溶出。生理腐蝕和磨蝕金屬器件植入體內(nèi)金屬離子溶出進(jìn)入組織液引起機(jī)體不良反應(yīng)7生物醫(yī)學(xué)材料簡介10/7/2022 Fe-與血紅細(xì)胞結(jié)合可形成鐵血黃素；生理腐蝕名稱優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域貴金屬貴金屬及其合金的耐腐蝕和機(jī)械性能優(yōu)良生物相容性差牙科修復(fù)材料，制作植入體內(nèi)的器件的電極和導(dǎo)線材料，磁性鉑用于眼臉功能的修復(fù)。不銹鋼易加工，價格低不銹鋼耐腐蝕性和機(jī)械性能不如鈷基合金體內(nèi)植入的陰性對照材料，接骨板、骨螺釘、齒冠、齒科矯正器

6、具等。鈷基合金可鍛可鑄，機(jī)械性能好硬度有硬，中，軟之分價格高，加工難、應(yīng)用不夠普及常用來制作人工關(guān)節(jié)的金屬間華東聯(lián)接。鈦和鈦合金質(zhì)輕強(qiáng)度高，生物相容性好及記憶效應(yīng)，抗疲勞性及耐腐蝕性好價格高昂用于齒科、骨科。人工齒齦，人工下顎骨、顱骨修復(fù)網(wǎng)支撐、心臟瓣膜支架等眾多領(lǐng)域多孔材料和復(fù)合材料性能固定牢靠，減少關(guān)節(jié)的磨損制備困難，成本高用于人工假肢、估損修復(fù)，修復(fù)肌腱、神經(jīng)和血管的鉭絲常見生物醫(yī)學(xué)金屬材料8生物醫(yī)學(xué)材料簡介10/7/2022名稱優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域貴金屬貴金屬及其合金的耐腐蝕和機(jī)械性能優(yōu)二、無機(jī)生物醫(yī)學(xué)材料 無機(jī)生物醫(yī)學(xué)材料從主要成分來看，包括生物陶瓷、生物玻璃和碳素材料。1808年就已用

7、陶瓷來鑲牙，近20年來由于無機(jī)生物學(xué)材料性能的改善及復(fù)合材料發(fā)展的需要，這類材料的研制和應(yīng)用都有了較大的發(fā)展。9生物醫(yī)學(xué)材料簡介10/7/2022二、無機(jī)生物醫(yī)學(xué)材料 無機(jī)生物醫(yī)學(xué)材料從主要成1、生物陶瓷多用于假牙制作，硬度及耐磨性優(yōu)于樹脂制品。材料的化學(xué)性質(zhì)差，生物相容性好。主要成分為磷酸鈣，植入人體后可以降解吸收，由于被懷疑會引起淋巴結(jié)增生，現(xiàn)已停止對其研究。如摻入熒光物質(zhì)的陶瓷貼片，可以貼在牙齒外表增加美觀。（1）普通生物陶瓷（2）生物活性陶瓷(3)特殊加工生物陶瓷瓷生物陶瓷制作 的聽小骨10生物醫(yī)學(xué)材料簡介10/7/20221、生物陶瓷多用于假牙制作，硬度及耐磨性優(yōu)于樹脂制品。材料的2

8、、生物醫(yī)學(xué)玻璃和玻璃陶瓷（1） 非活性生物玻璃（2）活性生物玻璃（3）羥磷灰石（HAP）材料 多用于制作人工股骨、人工齒冠、齒橋，還用于強(qiáng)磁性的玻璃陶瓷埋入腫瘤附近，通過材料在交變磁場作用下磁場下磁滯損耗發(fā)熱而殺死癌細(xì)胞。生物相容性好，和骨組織結(jié)合好，成骨過程快、有利于植入物早期固定，種植成功率高。 HAP是人牙和骨骼的主要無機(jī)成分，具有吸收和聚集體液中鈣離子的作用，參與體內(nèi)鈣代謝，對骨質(zhì)增生有刺激或誘導(dǎo)作用，促進(jìn)缺損組織的修復(fù)，顯示出生物活性。與高分子材料制成的混合材料常用做人工中耳骨等。11生物醫(yī)學(xué)材料簡介10/7/20222、生物醫(yī)學(xué)玻璃和玻璃陶瓷（1） 非活性生物玻璃（2）活性生 采用

9、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。12生物醫(yī)學(xué)材料簡介10/7/2022 采用增強(qiáng)含微孔羥基磷灰石(HA)陶瓷制成人工聽小骨假3.碳素材料 碳是構(gòu)成生物體的重要組成元素，由于它具有極好的抗血栓性，因而碳素材料被認(rèn)為是最佳的人工心臟瓣膜材料?；钚蕴砍Ｓ糜谘簝艋牧系取Ｈ斯ば呐K瓣膜13生物醫(yī)學(xué)材料簡介10/7/20223.碳素材料 碳是構(gòu)成生物體的重要組成元素，由于 碳纖維束有利于生物組織依附生長，經(jīng)聚乳酸浸制成人工韌帶和肌腱已用于臨床研究。碳纖維與高分子材料制成的復(fù)合材料可用于制作假牙、人工

10、軟骨、人工中耳骨及用于脛骨骨折固定板、頜面修復(fù)等。 用于人工關(guān)節(jié)的多孔材料是由碳纖維和聚四氟乙烯組成的各向同性碳。把人工關(guān)節(jié)端頭涂上一層這樣的材料，就可使關(guān)節(jié)固定良好。德國產(chǎn)品 UHMWPE材料14生物醫(yī)學(xué)材料簡介10/7/2022 碳纖維束有利于生物組織依附生長，經(jīng)聚乳酸浸制成三、生物高分子材料 醫(yī)用高分子材料聚氨酯、有機(jī)硅材料（聚硅氧烷、甲基硅油）等合成高分子材料用于人工器官、手術(shù)縫合線 、組織修補(bǔ)材料 等。 藥用高分子材料緩釋藥物、藥物載體、輔助材料15生物醫(yī)學(xué)材料簡介10/7/2022三、生物高分子材料聚氨酯、有機(jī)硅材料（聚硅氧烷、甲基硅油）等用于人工臟器的醫(yī)用高分子材料人工臟器高分子

11、材料心 臟嵌段聚醚氨酯彈性體、硅橡膠腎 臟銅氨法再生纖維素，醋酸纖維素，聚甲基丙烯酸甲酯，聚丙烯腈，聚砜玻璃體硅油，聚甲基丙烯酸-羥乙酯肺硅橡膠，聚丙烯中空纖維，聚烷砜關(guān)節(jié)、骨超高分子量聚乙烯，高密度聚乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯，尼龍，聚酯血 管聚酯纖維，聚四氟乙烯，嵌段聚醚氨酯人工紅血球全氟烴人工血漿羥乙基淀粉，聚乙烯基吡咯烷酮16生物醫(yī)學(xué)材料簡介10/7/2022用于人工臟器的醫(yī)用高分子材料人工臟器高分子材料心 臟嵌段聚 藥用高分子材料（1）作為控制釋放藥物的載體納米樹形高分子。（2）作為藥物使用靶向材料，聚乙烯N-氧吡啶是一種具有藥理活性的高分子，注射其水溶液或吸入其煙霧劑，對于治療矽肺病有

12、較好效果。（3）作為藥物制劑的輔助材料將青霉素與乙烯醇-乙烯胺共聚物以酰胺鍵相結(jié)合，得到水溶性的藥物高分子。這種高分子青霉素在人體內(nèi)停留時間比低分子青霉素長30-40倍。17生物醫(yī)學(xué)材料簡介10/7/2022 藥用高分子材料（1）作為控制釋放藥物的載體納米樹形高分18生物醫(yī)學(xué)材料簡介10/7/202218生物醫(yī)學(xué)材料簡介10/3/2022難題高分子材料的血液相容性 材料界面性質(zhì)與血液界面性能的不同可能造成吸附改變蛋白質(zhì)的形狀以及排列，產(chǎn)生溶血、凝血或者血栓。 醫(yī)用高分子材料研發(fā)過程中遇到的一個巨大難題是材料的抗血栓問題。當(dāng)由于人體的自然保護(hù)性反應(yīng)將產(chǎn)生排異現(xiàn)象，其中之一即為在材料與肌體接觸表面

13、產(chǎn)生凝血，即血栓，結(jié)果將造成手術(shù)失敗，嚴(yán)重的還會引起生命危險。因此對高分子材料的抗血栓性研制是醫(yī)用高分子研究中的關(guān)鍵問題。19生物醫(yī)學(xué)材料簡介10/7/2022難題高分子材料的血液相容性 材料界面性質(zhì)與血液界面 血液相容性高分子材料的制?。?）使材料表面帶上負(fù)電荷的基團(tuán) 例如將芝加哥酸（1氨基8萘酚2, 4二磺酸萘）引入聚合物表面后，可減少血小板在聚合物表面上的粘附量，抗疑血性提高。（2）高分子材料的表面接枝改性 采用化學(xué)法（如偶聯(lián)法、臭氧化法等）和物理法（等離子體法、高能輻射法、紫外光法等）將具有抗凝血性的天然和化學(xué)合成的化合物，如肝素、聚氧化乙烯接枝到高分子材料表面上。20生物醫(yī)學(xué)材料簡介

14、10/7/2022 血液相容性高分子材料的制取20生物醫(yī)學(xué)材料簡介10/3/ （3）添加聚氧化乙烯（分子量為6000）于凝血酶溶液中，可防止凝血酶對玻璃的吸附。因此，在血液相容性高分子材料的研究中，聚氧化乙烯是十分重要的抗凝血材料。 通過接枝改性調(diào)節(jié)高分子材料表面分子結(jié)構(gòu)中的親水基團(tuán)與疏水基團(tuán)的比例，使其達(dá)到一個最佳值，也是改善材料血液相容性的有效方法。 21生物醫(yī)學(xué)材料簡介10/7/2022 （3）添加聚氧化乙烯（分子量為6000）于凝血酶溶液四、雜化生物醫(yī)學(xué)材料 雜化生物醫(yī)學(xué)材料和非活性材料所組合的新型材料，是制造高生理功能的人工器官的較為理想的材料。雜化生物醫(yī)學(xué)材料主要是人工材料與自體材

15、料的組合，它包括用于組織結(jié)構(gòu)材料的多糖類等生理活性物質(zhì)雜化，以固定化酶為代表的功能性雜化材料和雜化細(xì)胞3類。22生物醫(yī)學(xué)材料簡介10/7/2022四、雜化生物醫(yī)學(xué)材料 雜化生物醫(yī)學(xué)材料和非活性1.人工材料與生理活性物質(zhì)雜化 在人工結(jié)構(gòu)材料表面結(jié)合上生理活性物質(zhì)，既能保留人工材料基質(zhì)的力學(xué)強(qiáng)度，又能具有良好的生物相容性及抗凝血性。2.與生體高分子的雜化 主要是人工材料與酶、抗體、抗原、激素等的雜化。這類材料除可作為人體組織、器官的結(jié)構(gòu)材料外，尚可用于生物傳感器及醫(yī)學(xué)診斷和治療 利用酶的生物信息傳遞功能與具有刺激響應(yīng)的材料組合可形成酶傳感器，同樣可形成免疫傳感器、細(xì)胞傳感器等生物傳感器。23生物醫(yī)學(xué)材料簡介10/7/20221.人工材料與生理活性物質(zhì)雜化 在人工結(jié)構(gòu)材料3.與細(xì)胞的雜化 人工材料與細(xì)胞的雜化最早用于人工血管的偽內(nèi)膜法。雜化細(xì)胞材料還可用于生物傳感器，還可制造生物人工器官。人工髖關(guān)節(jié)人工仿真耳人工血管24生物醫(yī)學(xué)材料簡介10/7/20223.與細(xì)胞的雜化 人工材料與細(xì)胞的雜化最早用于人采