生物材料概述課件

1、第一章 生物材料主講：李曉生第一節(jié) 生物材料的發(fā)展概況 其他名稱：生物醫(yī)學(xué)材料；生物醫(yī)用材料(biomedical materials) 定義：用以診斷、治療、修復(fù)或替換機(jī)體組織、器官或增進(jìn)其功能的材料。 生物材料用于人體組織和器官的診斷、修復(fù)或增進(jìn)其功能的一類高技術(shù)材料，即用于取代、修復(fù)活組織的天然或人造材料，其作用藥物不可替代。生物材料能執(zhí)行、增進(jìn)或替換因疾病、損傷等失去的某種功能，而不能恢復(fù)缺陷部位 1.1 簡(jiǎn)介 生物材料通常有兩個(gè)定義：狹義的生物材料是指天然生物材料，也就是由生物過(guò)程形成的材料。廣義的生物材料是指用于替代、修復(fù)組織器官的天然或人造材料 生物材料（Biological m

2、aterials）又稱生物工藝學(xué)或生物技術(shù)。應(yīng)用生物學(xué)和工程學(xué)的原理，對(duì)生物材料、生物所特有的功能，定向地組建成具有特定性狀的生物新品種的綜合性的科學(xué)技術(shù)。1.1.1 海洋生物材料1.1.3 生物材料生活用品生物材料的噴涂工藝皓淀粉基生物降解材料 這些材料有史以來(lái)一直得到廣泛應(yīng)用，其中一部分因?yàn)樘厥庑阅芏米魃锊牧稀?材料的特定的功能與材料的特定結(jié)構(gòu)是相聯(lián)系的。如對(duì)于人造骨骼來(lái)說(shuō)，它一般具有一定的機(jī)械性能；因此出現(xiàn)了適合人體需求的多種人造骨骼。1.2 生物材料的發(fā)展 生物醫(yī)學(xué)材料是生物醫(yī)學(xué)科學(xué)中的最新分支學(xué)科，是生物、醫(yī)學(xué)、化學(xué)和材料科學(xué)交叉形成的邊緣學(xué)科。具體涉及到化學(xué)、物理學(xué)、高分子化學(xué)

3、、高分子物理學(xué)、生物物理學(xué)、生物化學(xué)、生理學(xué)、藥物學(xué)、基礎(chǔ)與臨床醫(yī)學(xué)等很多學(xué)科 。ISO定義，生物材料（Biomaterials）即生物醫(yī)學(xué)材料（Biomedical Materials），它是指“以醫(yī)療為目的，用于與組織接觸以形成功能的無(wú)生命的材料”。 另有定義是：具有天然器官組織的功能或天然器官部分功能的材料。 1588年人們用黃金板修復(fù)顎骨。1775年就有用金屬固定體內(nèi)骨折的記載。1851年發(fā)明了天然橡膠的硫化方法后，有人采用硬膠木制作了人工牙托的顎骨。器官移植取得巨大進(jìn)展，但有難題：排異、器官來(lái)源、法律、倫理等。因此醫(yī)學(xué)界對(duì)生物醫(yī)學(xué)材料和人工器官的要求日益增加。目前被詳細(xì)研究過(guò)的生物材

4、料已超過(guò)1000種，被廣泛應(yīng)用的有90多種，1800多種制品。西方國(guó)家每年耗用生物材料量以1015%的速度增長(zhǎng)，1980年全球醫(yī)用生物材料及制品的銷售額為200億美元，1990年達(dá)500億美元，1995年近1000億美元。我國(guó)生物材料的研究起步較晚（五十年代），但發(fā)展很快。1.2.1 材料發(fā)展的歷史演進(jìn)天然材料 陶瓷 青銅 鐵 鋼 有色金屬 高分子材料 新型材料 他們能區(qū)別、選用各種石頭創(chuàng)造出刀、斧、針各種器具，用于生產(chǎn)、生活和戰(zhàn)爭(zhēng)。 石器時(shí)代的生產(chǎn)工具極其落后，人類社會(huì)的生產(chǎn)力也極端低下，社會(huì)發(fā)展極其緩慢，人類文化也是相當(dāng)簡(jiǎn)單和粗俗的。 石器工具據(jù)考古學(xué)家分析，距今約一萬(wàn)年前就有陶器出現(xiàn)，人

5、們用粘土或以粘土、長(zhǎng)石、石英為主的混合物，經(jīng)成型、干燥、燒制（燒制溫度低于1200），得到堅(jiān)硬的陶器。陶是人類創(chuàng)造的第一種“人造材料”，由于高溫?zé)飘a(chǎn)生物理化學(xué)變化，得到和粘土不一樣的新物質(zhì)。 新石器時(shí)代晚期(公元前3000一前2800年) 黑陶豆陶體的黑色是因?yàn)闈B入了碳1.2.3 陶器（無(wú)機(jī)非金屬材料）從著名的仰韶和龍山文化遺址出土的陶器中，人們發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)祖先已經(jīng)掌握了燒制黑色陶器和白色陶器的配方和技術(shù)。 仰韶白陶瓶龍山黑陶瓶聞名于世的秦始皇兵馬俑是典型的陶制品；著名的唐三彩創(chuàng)始于唐高宗時(shí)期，用白粘土作胎，以Cu、Fe、Co等礦物作釉的著色劑，兩次燒制后成為絢麗多彩的陶器精品；江蘇宜興紫砂壺

6、(紫砂泥由粘土、云母、赤鐵礦等組成，其中Fe2O3含量約7-10，TiO21) 制造技術(shù)精湛，色澤淳樸，造型獨(dú)特，別具一格。 兵馬俑 唐三彩馬 方韻紫砂壺商 陶酒尊唐 三彩俑陶的出現(xiàn)，人類可吃煮熟的谷物，喝煮開(kāi)的水，可長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存食物，促進(jìn)人類進(jìn)化。陶器也是最初的耐火材料，為以后的銅、鐵冶煉提供物質(zhì)條件。 豬紋陶盆1.2.4 生物材料發(fā)展階段 生物材料的定義很多，歸納起來(lái)可理解為生物材料是一類 用于人工器官、修復(fù)、理療康復(fù)、診斷、檢查、治療疾病等醫(yī) 療保健領(lǐng)域，對(duì)人體組織、血液不致產(chǎn)生不良影響的功能材料。 隨著醫(yī)學(xué) 以及材料學(xué)的發(fā)展，尤其是新型材料的研究開(kāi)發(fā)成功，如20世 紀(jì)40年代高分子材料的

7、大力發(fā)展，為生物材料的研究與應(yīng)用提 供了極大的發(fā)展機(jī)會(huì)。 目前可以說(shuō)從人體天靈蓋到腳趾骨、從 內(nèi)臟到皮膚，從血液到五官，除了腦以及大多數(shù)內(nèi)分泌器官外， 都可用人工器官來(lái)代替。生物材料發(fā)展三階段最早的生物材料的應(yīng)用鑲牙1、惰性生物材料（無(wú)害階段）惰性生物材料是指對(duì)人體組織化學(xué)惰性，其物理機(jī)械和功能特性與組織匹配，使材料在應(yīng)用過(guò)程中不致產(chǎn)生不利于功能發(fā)揮和對(duì)其它組織影響的反應(yīng)，特別是與組織接觸或短(長(zhǎng))時(shí)間不產(chǎn)生炎癥或凝血現(xiàn)象，無(wú)急性毒性或刺激反應(yīng)，一般無(wú)補(bǔ)體激活產(chǎn)生的免疫反應(yīng)的一類功能材料。 目前惰性生物材料主要品種有金屬材料、非金屬材料、有機(jī)高分子材料以及復(fù)合材料。金屬材料主要集中在不銹鋼、鈦

8、、金、銀等基體金屬及鈷、鎳、銀-汞合金；非金屬材料主要有氧化鋁、氧化鋯、氧化硅、氧化鎂、氧化鈦、鋁酸鈣等陶瓷材料；有機(jī)高分子材料品種多，應(yīng)用最為廣泛，它有聚乙烯、聚丙烯，聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸羥乙酯、聚氨酯、硅橡膠、天然橡膠、碳纖維、聚砜纖維、聚丙烯中空纖維、吸附樹(shù)脂等；復(fù)合材料主要有纖維增強(qiáng)聚合物材料或金屬-陶瓷復(fù)合材料。 隨著醫(yī)學(xué)水平的提高以及人們生活質(zhì)量的改善，惰性生物材料的應(yīng)用會(huì)向更高層次生物化或組織工程化生物材料過(guò)渡。2、生物材料的生物化（有益階段） 隨著材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)的發(fā)展，以及先進(jìn)儀器設(shè)備的發(fā)明，帶動(dòng)了生物材料的發(fā)展。新型生物材料有代表性的

9、成果是20世紀(jì)70年代發(fā)現(xiàn)的鈣磷系玻璃陶瓷，如羥基磷灰石、-磷酸三鈣、珊瑚等。 這類材料具有與人體骨組織的無(wú)機(jī)成分有類似的化學(xué)組成，材料抗壓、抗折強(qiáng)度與人骨接近，植入后與組織親和性良好，同時(shí)有降解作用并誘導(dǎo)成骨細(xì)胞(加誘導(dǎo)因子如BMP)的長(zhǎng)入，使植入組織骨化，一段時(shí)間后植入組織轉(zhuǎn)化為正常組織等特點(diǎn)，也即材料在使用過(guò)程中逐漸生物化。 研究重點(diǎn)是惰性生物材料的生物化-即在不破壞原有材料性能的基礎(chǔ)上，通過(guò)表面改性設(shè)計(jì)使材料在長(zhǎng)期使用過(guò)程中與細(xì)胞親和性好，不產(chǎn)生炎癥、凝血、畸變、甚至癌變等反應(yīng)。研究的重點(diǎn)是抗凝血材料的設(shè)計(jì)與制備?？鼓牧显O(shè)計(jì)思路有以下五點(diǎn):在惰性生物材料表面引入活性藥物如肝素、尿激

10、酶、前列腺素等或類肝素化，這種生物化方法的關(guān)鍵是以物理或化學(xué)方法引入這些高抗凝血活性物質(zhì)，材料在使用過(guò)程中表面維持一定量的抗凝血活性藥物。表面接枝親水性分子鏈，是蔬水高分子生物材料生物化的一大內(nèi)容，主要在表面接枝PEO或甲基丙烯酸羥乙酯等親水鏈，使材料在體液或血液環(huán)境中表面完全親水。設(shè)計(jì)表面微相分離結(jié)構(gòu)也是材料生物化的內(nèi)容，微相分離是血管壁內(nèi)皮的結(jié)構(gòu)特征，即親水糖鏈和蔬水脂質(zhì)體形成兩相鑲嵌結(jié)構(gòu)，模仿這類結(jié)構(gòu)可望改善材料的抗凝血性。目前主要通過(guò)共混或共聚方法在高分子聚合物如聚氨酯表面引入微相分離結(jié)構(gòu)。值得注意的是微相分離結(jié)構(gòu)對(duì)材料抗凝血性能提高的機(jī)制沒(méi)有完全弄清楚，使該方法的研究受到制約； 生物

11、高分子材料.接枝蛋白質(zhì)或氨基酸，產(chǎn)生免疫吸附，這主要是基于蛋白質(zhì)、氨基酸或核酸與細(xì)胞有更好的親和性；天然高分子如甲殼糖、膠原、明膠、蛋白微絲等生物材料的研究表明，它們的抗凝血性能和組織親和性優(yōu)于一般生物材料，關(guān)鍵在于一系列處理過(guò)程中如何維持天然材料的結(jié)構(gòu)性能，尤其是維持材料的免疫性能；表面液晶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使材料表面與細(xì)胞表面產(chǎn)生類似的物理結(jié)構(gòu)或化學(xué)結(jié)構(gòu)，該研究已經(jīng)證明表面液晶結(jié)構(gòu)的形成有利于材料抗凝血性能的提高。3、組織工程支架材料（真正的生物材料階段） 材料生物化畢竟不能改變材料的基本結(jié)構(gòu)，這為材料的長(zhǎng)期使用留下隱患，同時(shí)器官(尤其是組織)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，不可能用單一無(wú)活性的材料來(lái)模仿其全部或大部分功能。 因此在器官(或組織)供體來(lái)源非常有限的情況下，如何在體外培養(yǎng)出正常的組織供手術(shù)使用，是醫(yī)學(xué)界和生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)界追求的目標(biāo)之一。組織工程的出現(xiàn)和發(fā)展為這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了可能。 生物材料在組織工程中占據(jù)非常重要的地位，同時(shí)組織工程也為生物材料出了難題和提供了發(fā)展方向。 組織工程用生物材