生物材料的分類(lèi)及性能省公開(kāi)課金獎(jiǎng)全國(guó)賽課一等獎(jiǎng)微課獲獎(jiǎng)?wù)n件

第二節(jié)生物材料分類(lèi)及性能1/492.1分類(lèi)

承受或傳遞負(fù)載功效。如人造骨骼、關(guān)節(jié)和牙等，占主導(dǎo)地位控制血液或體液流動(dòng)功效。如人工瓣膜、血管等2.1.1依據(jù)用途主要分為:

2/49電、光、聲傳導(dǎo)功效。如心臟起博器、人工晶狀體、耳蝸等填充功效。如整容手術(shù)用填充體等3/492.1.2依據(jù)生物材料降解性，可分為：全生物降解高分子材料，如聚羥基丁酸酯（PHB)、聚環(huán)己內(nèi)酯（PCL)、蛋白質(zhì)、微生物多糖等。生物破壞高分子材料，如添加淀粉聚苯乙烯、聚乙烯等。4/49不可降解生物無(wú)機(jī)材料，如含有生物親和作用生物金屬材料和生物陶瓷材料，含有生物惰性陶瓷、生物活性陶瓷，生物活性陶瓷在生物體內(nèi)基本不被吸收，但能促進(jìn)種植生物體周?chē)鹿巧桑⑴c骨組織形成牢靠化學(xué)鍵。5/492.1.3按其應(yīng)用可分為生物醫(yī)學(xué)材料；生物包裝材料；其它生物應(yīng)用材料。

6/49生物醫(yī)學(xué)材料指是一類(lèi)含有特殊性能、特種功效，用于人工器官、外科修復(fù)、理

療康復(fù)、診療、治療疾患，而對(duì)人體組織不會(huì)產(chǎn)生不良影響材料。7/49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，其制成產(chǎn)品已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于臨床和科研。

8/499/492.1.4依據(jù)材料用途，這些材料又能夠分為：（1）生物惰性（bioinert）、（2）生物活性（bioactive）或生物降解（biodegradable）材料。10/49這些材料經(jīng)過(guò)長(zhǎng)久植入、短期植入、表面修復(fù)分別用于硬組織和軟組織修復(fù)與替換。生物醫(yī)用材料因?yàn)橹苯佑糜谌梭w或與人體健康親密相關(guān)，對(duì)其使用有嚴(yán)格要求。（1）首先，生物醫(yī)用材料應(yīng)含有良好血液相容性和組織相容性；（2）要求耐生物老化。即對(duì)長(zhǎng)久植入材料，其生物穩(wěn)定性要好；11/49

（3）對(duì)于暫時(shí)植入材料，耍求在確定時(shí)間內(nèi)降解為可被人體吸收或代謝無(wú)毒單體或片斷；（4）還要求物理和力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；（5）易于加工成型、價(jià)格適當(dāng)；（6）便于消毒滅茵、無(wú)毒無(wú)熱源、不致癌不致畸也是必須考慮。

對(duì)于不一樣用途材料，其要求各有側(cè)重。12/49用作人工骨骼鈦或鈦合金生物醫(yī)學(xué)材料13/4914/492.1.5

無(wú)機(jī)非金屬生物材料分類(lèi)

按成份性質(zhì)分：生物陶瓷材料，如單晶/多晶氧化鋁、羥基磷灰石生物玻璃，如45S5玻璃生物玻璃陶瓷醫(yī)用骨水泥，

-TCP復(fù)合無(wú)機(jī)材料,HA+-TCP，碳纖維增強(qiáng)無(wú)機(jī)骨水泥15/49按起源分：天然鈣化物鈣化貝殼、珍珠合成無(wú)機(jī)材料如-TCP人工骨（復(fù)合無(wú)機(jī)材料）衍生材料凍干骨片16/49按照生物環(huán)境中發(fā)生生物化學(xué)反應(yīng)水平分類(lèi)：生物惰性材料氧化鋁熱解碳氧化鋯氧化硅生物活性無(wú)機(jī)材料羥基磷灰石生物玻璃活性玻璃陶瓷17/49生物可降解無(wú)機(jī)材料可溶性鋁酸鈣陶瓷、β-TCP陶瓷生物醫(yī)用無(wú)機(jī)納米材料納米氧化鐵羥基磷灰石超微粉18/492.1.6分類(lèi)特點(diǎn)（1）更加好防水性能以淀粉為原料主要問(wèn)題是其輕易吸水。為了到達(dá)更加好防水效果，需要與其它天然或是合成可降解聚合物混合，或者添加不一樣起源添加劑。

19/49經(jīng)過(guò)改性和添加劑作用，這些混合物質(zhì)含有更高或是更低水汽敏感度和氣密性。熱塑性淀粉含有70%-90%淀粉，不過(guò)其中40%-60%淀粉卻是許多混合物，添加劑使用提升了原料成本。因而，這方面研究主要是降低添加劑用量，比如使用新納米組分而不是淀粉或是改性粘土顆粒。20/49比如紙張或是卡紙等未經(jīng)改性纖維素材料含有較差氣密性和防潮性能，因而除非是干貨，普通極少用來(lái)作為外包裝材料。改性纖維素和纖維素衍生物材料，主要是聚碳酸酯等聚合物用于這首先還是有些昂貴21/49世界上第一把100%可降解傘，使用特殊生物降解材料制成22/49（2）產(chǎn)品多樣聚乳酸(PLA)是人工合成可生物降解包裝材料范例。PLA由乳酸單體聚合而成，在不一樣食品包裝領(lǐng)域提供不一樣性能。

23/49PLA能夠制成結(jié)晶或是透明形態(tài)，能夠吹膜、注塑以及涂層，既能夠單獨(dú)使用也能夠與其它天然原料制成聚合物混合使用。比如，PLA經(jīng)常與淀粉混合以提升降解性能、降低成本。

24/49第三類(lèi)可生物降解包裝材料用微生物制成，包含多羥基鏈烷酸酯(PHAs)，而聚羥基丁酸酯(PHB)最為普遍。PHAs當(dāng)前價(jià)格仍比較高，不過(guò)從技術(shù)角度來(lái)看，用途會(huì)非常廣泛，吹塑、注塑、拉膜、涂層都能夠。也能夠與熱塑性淀粉等可生物降解材料混合。PHAs用于食品包裝有個(gè)有趣特征那就是水汽透過(guò)率非常低，與低密度聚乙烯靠近。25/49聚乳酸100%生物可分解聚乳酸（PLA）是一種可生物降解新型高分子材料，以玉米為原料26/49最終，這些小顆料被制成包裝袋、泡沫塑料或餐具。國(guó)外企業(yè)已看好這種新環(huán)境保護(hù)材料，如可口可樂(lè)企業(yè)在鹽湖城冬奧會(huì)上用了50萬(wàn)只一次性杯子，全部是用玉米塑料制成，這種杯子只需40天就在露天環(huán)境下消失得無(wú)影無(wú)蹤。27/49美國(guó)一家研究所利用土豆和乳清制成了一個(gè)能生物降解塑料薄膜。其制法是：（1）先用酶將制酪時(shí)形成乳清和廢棄土豆轉(zhuǎn)化為葡萄糖漿，

28/49（2）然后用細(xì)菌發(fā)酵成含乳酸液體。液體中乳酪經(jīng)電滲析分離出來(lái)后，加熱使水分蒸發(fā)，留下便是能夠制薄膜和涂層聚乳酸分子。29/49玉米是一個(gè)美味又有營(yíng)養(yǎng)淀粉食物，還被廣泛用于制造甜味劑和動(dòng)物飼料。伴隨技術(shù)進(jìn)步，將玉米中糖分提煉出來(lái)，經(jīng)過(guò)發(fā)酵、蒸餾、萃取，得到制造塑料和纖維基礎(chǔ)材料，基礎(chǔ)材料再被加工成直徑只有4．57mm聚交酯(PLa)細(xì)微顆料。30/49這么制成塑料薄膜能夠制成保鮮袋和代替涂有聚乙烯和防水蠟包裝材料，最大優(yōu)點(diǎn)是能夠分解為對(duì)環(huán)境無(wú)害乳酸。31/492.2性能2.2.1生物功效性

指生物材料具備或完成某種生物功效時(shí)應(yīng)該含有一系列性能。

因各種生物材料用途而異，如：作為緩釋藥品時(shí)，藥品緩釋性能就是其生物功效性32/492.2.2生物相容性

指生物材料有效和長(zhǎng)久在生物體內(nèi)或體表行使其功效能力。用于表征生物材料在生物體內(nèi)與有機(jī)體相互作用生物學(xué)行為。

可概括為材料和活體之間相互關(guān)系，主要包含血液相容性和組織相容性（無(wú)毒性、無(wú)致癌性、無(wú)熱原反應(yīng)、無(wú)免疫排斥反應(yīng)等）。33/492.2.3化學(xué)穩(wěn)定性

耐生物老化性（尤其穩(wěn)定）或可生物降解性（可控降解）。材料在活體內(nèi)要有很好化學(xué)穩(wěn)定性，能夠長(zhǎng)久使用。34/492.2.4力學(xué)性能

材料要有適當(dāng)強(qiáng)度、硬度、韌性、塑性等力學(xué)性能以滿(mǎn)足耐磨、耐壓、抗沖擊、抗疲勞、彎曲等醫(yī)用要求。35/492.2.5可加工性

能夠成型、消毒（紫外滅菌、高壓煮沸、環(huán)氧乙烷氣體消毒、酒精消毒等）。36/492.3生物材料機(jī)械性能評(píng)價(jià)(1)醫(yī)用金屬作為受力期間，在人體內(nèi)服役，其受力狀態(tài)及其復(fù)雜，如人工關(guān)節(jié)，每年要承受約3.6×106次、且數(shù)倍于人體重量載荷沖擊和磨損。37/49(2)人體骨力學(xué)性能因年紀(jì)、部位而異，評(píng)價(jià)骨和材料機(jī)械性能最主要指標(biāo)有：抗拉抗壓強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、彈性模量。疲勞極限和斷裂韌性等；38/49

彈性模量是生物材料主要性質(zhì)之一，過(guò)高過(guò)低都不行。模量相對(duì)與骨過(guò)高，在應(yīng)力作用下，承受應(yīng)力金屬和骨將產(chǎn)生不一樣應(yīng)變，在金屬與骨接觸面會(huì)出現(xiàn)相對(duì)位移，從而造成界面處松動(dòng)；長(zhǎng)時(shí)間下，還會(huì)造成應(yīng)力屏蔽，引發(fā)骨組織功效退化和吸收。過(guò)低，變形較大，起不到固定和支撐作用。39/49(3)對(duì)于摩擦部位材料，普通用硬度反應(yīng)其耐磨性能。40/49

生物材料和納米生物技術(shù)是國(guó)際化，跨學(xué)科，英文出版關(guān)于生物材料制備，性能和評(píng)價(jià)研究原創(chuàng)性文件，由美國(guó)科研出版社發(fā)行。涵蓋物理，化學(xué)，毒物學(xué)，電化學(xué)，機(jī)械和光學(xué)特征納米材料，生物技術(shù)應(yīng)用（制藥，藥品輸送系統(tǒng)，化裝品，食品技術(shù)，生物轉(zhuǎn)化，可再生能源和能源儲(chǔ)存，生物傳感，納米藥品，組織工程，植入式醫(yī)療設(shè)備，生物光子學(xué)，納米光動(dòng)力療法，腫瘤科）。41/492.4金屬、高分子和無(wú)機(jī)非金屬生物材料比較：42/492.5生物功效無(wú)機(jī)非金屬材料種類(lèi)及臨床應(yīng)用臨床應(yīng)用種類(lèi)人工骨人工關(guān)節(jié)人工牙根人工牙冠骨填充材料骨置換材料人造心瓣膜人工肌腱人工氣官Al2O3√√√√ZrO2√√碳√√√√√磷酸鈣√√√√羥基磷灰石√√√√√√磷酸鹽玻璃√√氟磷酸鹽玻璃√微晶玻璃√√√43/492.6無(wú)機(jī)非金屬生物材料基本條件與要求（1）良好生物相容性化學(xué)穩(wěn)定性降解產(chǎn)物無(wú)毒（2）雜質(zhì)元素及溶出物含量低As，Cd、Hg、Pb等重金屬（3）有效性抗壓、耐磨、熱膨脹44/49（4）成型加工性能脆性加工困難不一樣模具（5）耐消毒滅菌性高壓蒸汽消毒、輻射滅菌和環(huán)氧乙烷滅菌

45/491.1.3無(wú)機(jī)非金屬生物材料分類(lèi)

按成份性質(zhì)分：生物陶瓷材料，如單晶/多晶氧化鋁、羥基磷灰石生物玻璃，如45S5玻璃生物玻璃陶瓷醫(yī)用骨水泥，

-TCP復(fù)合無(wú)機(jī)材料,HA+-TCP，碳纖維增強(qiáng)無(wú)機(jī)骨水泥46/49按起源分：天然鈣化物鈣化貝殼、珍珠