生物醫(yī)用材料[119頁]

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1、Chapter8 Polymer1Chapter8 Polymer2本章內(nèi)容8.1 8.1 生物醫(yī)用材料概述生物醫(yī)用材料概述8.2 8.2 生物醫(yī)用材料發(fā)展簡史生物醫(yī)用材料發(fā)展簡史8.3 8.3 生物醫(yī)學材料的種類生物醫(yī)學材料的種類8.4 8.4 生物醫(yī)用材料的特征與評價生物醫(yī)用材料的特征與評價8.5 8.5 生物醫(yī)用材料應用實例生物醫(yī)用材料應用實例 ISO定義，生物醫(yī)學材料定義，生物醫(yī)學材料(Biomedical Materials)即生物材料即生物材料(Biomaterials)，指，指“以醫(yī)療為目的，用于以醫(yī)療為目的，用于與組織接觸以形成功以形成功能的無生命的材料能的無生命的材料”另有定

2、義：具有天然器官組織功能或天然器官部分功能的材料另有定義：具有天然器官組織功能或天然器官部分功能的材料特征：用于與生命系統(tǒng)接觸和發(fā)生相互和發(fā)生相互作用的的，并能對其細胞、并能對其細胞、組織和器官進行組織和器官進行診斷治療、替換修復或誘導再生的一類特殊的的一類特殊的功能材料功能材料8.1 生物醫(yī)用材料概述 生物材料是材料科學生物材料是材料科學領域中正在發(fā)展的多種學科領域中正在發(fā)展的多種學科相互交叉滲透的領域，其研相互交叉滲透的領域，其研究內(nèi)容涉及材料科學、生命究內(nèi)容涉及材料科學、生命科學、化學、生物學、解剖科學、化學、生物學、解剖學、病理學、臨床醫(yī)學、藥學、病理學、臨床醫(yī)學、藥物學等學科，同時還

3、涉及工物學等學科，同時還涉及工程技術和管理學科的范疇。程技術和管理學科的范疇。生物材料發(fā)展歷程生物材料正在挽救和維持世界上成千上萬心血管患者的生命；正廣泛用于傷殘人肢體形態(tài)和功能的恢復 ；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 生物材料不是藥物，其治療途徑是以生物機體直接結合和相互作用為基本特征的8.2 生物醫(yī)用材料發(fā)展簡史古代（利用天然物質和材料治?。〣C5000 黃金修復失牙BC3500 古埃及，棉花纖維、馬鬃等縫合傷口 印第安人使用木片修補受傷的顱骨BC2500 中國、埃及，假牙、假手、假鼻、假耳等人工假體 隋末唐初，銀膏補牙-成分是銀、錫、汞、銅、鋅，類似于現(xiàn)代牙齒填

4、充材料汞齊合金近 代最先應用于臨床實踐的金屬材料是金、銀、鉑等貴重金屬（良好的化學穩(wěn)定性和易加工性）1588 用黃金板修復顎骨1755 用金屬固定體內(nèi)骨折1829 通過多種金屬的系統(tǒng)動物實驗，發(fā)現(xiàn)金屬鉑對機體組織刺激性最小1851 發(fā)明天然橡膠的硫化方法后，開始利用天然高分子硬橡木制作人工牙托和顎骨進行臨床治療1892 用硫酸鈣填充骨缺損，這是陶瓷材料植入人體的最早實例John Charnley19581961心臟起搏器19321933人工心臟瓣膜1952現(xiàn) 代 生物醫(yī)學材料取得實質性進展開始于20世紀20年代不銹鋼1926 含18%鉻和8%鎳，首先應用于骨科治療，隨后應用于口腔科1934 研

5、制出高鉻低鎳單相組織的AISI 302和304，在體內(nèi)生理環(huán)境下的耐腐蝕性顯著提高1952 開發(fā)出耐蝕性更好的AISI316不銹鋼，逐漸取代AISI 30220世紀60年代 為解決不銹鋼晶間腐蝕問題，研制出超低碳不銹鋼AISI 316L和317L鈷鎳合金鑄造鈷鎳合金首先在口腔中得到應用20世紀30年代末 應用于制作接骨板、骨釘?shù)葍?nèi)固定器械50年代 成功制成人工髖關節(jié)60年代 研制出鍛造鈷鉻鎢鎳合金和鍛造鈷鉻鉬合金，提高力學性能，并應用于臨床70年代 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，改善鈷基合金抗疲勞性能，應用于臨床現(xiàn) 代 生物醫(yī)學材料取得實質性進展開始于20世紀

6、20年代鈦 金屬鈦，優(yōu)異的耐蝕性、生物相容性、密度低； 20世紀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年代后 NiTi系為代表的形狀記憶合金逐漸在骨科和口腔科得到應用，并成為醫(yī)用金屬材料的重要組成部分現(xiàn) 代 生物醫(yī)學材料取得實質性進展開始于20世紀20年代生物陶瓷 從20世紀60年代初開始應用于生物材料 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） 生物陶瓷復合

7、材料 引入活體細胞或生長因子的生物陶瓷構架Harold Ridley，二戰(zhàn)后發(fā)明眼內(nèi)透鏡（人工晶狀體）現(xiàn) 代 生物醫(yī)學材料取得實質性進展開始于20世紀20年代生物醫(yī)用高分子 始于20世紀50年代有機硅聚物的發(fā)展 有機硅聚合物 聚甲基丙烯酸甲脂（骨水泥）生物醫(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、手術縫合線等20世紀90年代后，借助于生物技術和基因工程的發(fā)展，由無生物存活性材料擴展到具有生物學功能的材料領域，其基本特征是具有促進細胞分化、增殖、誘導組織再生、參與生命活動等功能。生物醫(yī)用材料是研制人工器官及一些重要醫(yī)療技術的物質基礎。綜觀人工器官及醫(yī)療裝置的發(fā)展史，每一種新型生物

8、材料的發(fā)現(xiàn)都引起了人工器官及醫(yī)療技術的飛躍。生物惰性醫(yī)用硅橡膠人工耳、人工鼻、人工頜骨等血液相容性較好的各向同性碳被復材料碟片式機械心臟瓣膜血液親和性及物理機械性能較好的聚氨酯嵌段共聚物促使人工心臟向臨床應用跨越可形成假生物內(nèi)膜的編織滌綸管人工血管向實用化飛躍8.3 生物醫(yī)學材料的種類目前被詳細研究過的生物醫(yī)用材料已超過1000種，被廣泛應用的有90多種材料，1800多種制品。增長率26%增長率45%市場將達800億美元高速增長高速增長其他醫(yī)療器械制品其他生物材料和制品藥物緩釋材料人造皮膚、組織粘合劑及術后防粘連制品矯形外科修復材料和制品心血管系統(tǒng)修復材料、血液凈化材料工程化組織和器官全球生物

9、醫(yī)用材料細分市場發(fā)展全球生物醫(yī)用材料細分市場發(fā)展全球釋藥系統(tǒng)市場（單位：億美元）中國釋藥市場中國釋藥市場2002年藥品市場達140億美元，按10%比例估算，其中釋藥市場為14億美元隨著人民購買力提高，保健意識增強，今后國內(nèi)藥品市場每年將以5000萬美元幅度增加全球生物醫(yī)用材料細分市場發(fā)展 我國生物材料和制品所占世界市場份額不足我國生物材料和制品所占世界市場份額不足1.5 產(chǎn)品技術水平處于初級階段，且產(chǎn)品單一產(chǎn)品技術水平處于初級階段，且產(chǎn)品單一 同類產(chǎn)品與國外產(chǎn)品比，基本上屬于仿制，自主知識產(chǎn)權較少同類產(chǎn)品與國外產(chǎn)品比，基本上屬于仿制，自主知識產(chǎn)權較少 生物醫(yī)用材料與制品生物醫(yī)用材料與制品70-

10、80%要依靠進口要依靠進口 產(chǎn)業(yè)處于起步階段產(chǎn)業(yè)處于起步階段我國生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀硬組織相容性材料 主要用于生物機體的關節(jié)、牙齒及其他骨組織軟組織相容性材料 主要用于人工皮膚、人工氣管、人工食道等 血液相容性材料 主要用于人工血管、人工心臟、血漿分離膜、血液灌流用吸附劑、細胞培養(yǎng)基材等 生物降解材料 主要用于吸收型縫合線、藥物載體、愈合材料、粘合劑以及組織缺損用修復材料按材料功能生物醫(yī)用材料分類生物醫(yī)用材料分類生物醫(yī)用材料分類生物醫(yī)用材料分類按材料來源自體組織 如人體聽骨、血管等替代組織同種異體器官及組織 如不同人體之間的器官移植異種器官及組織 如動物骨、腎替換人體器官天然生物材料 如動物骨

11、膠原、甲殼素、珊瑚等人工合成材料 如各種人工合成的新型材料生物醫(yī)用材料分類生物醫(yī)用材料分類按材料使用部位硬組織材料 骨、牙齒用材料 軟組織材料 軟骨、臟器用材料心血管材料 心血管及導管材料血液代用材料 人工紅血球、血漿等分離、過濾、透析膜材料 血液凈化、腎透析以及人工肺氣體透過材料等除了應具有必要的理化性能外，生物醫(yī)用材料還需要滿足在生理環(huán)境下的生物學要求，具有良好的生物相容性這是生物材料區(qū)別于其它材料的基本特征生物醫(yī)學材料的安全性評價指采用生物學方法來檢測材料對受體的毒副作用，從而預測該材料在醫(yī)學實際應用中的安全性；包括對局部組織、血液與整體反應及對受體的遺傳效應8.4 生物醫(yī)用材料的特征與

12、評價玻璃鋼人工顱蓋骨生物醫(yī)用材料的特征與評價生物醫(yī)用材料的特征與評價對生物醫(yī)用材料的基本要求,對于人體組織無刺激性、無毒副作用、無致癌性,唾液、血液、間質液均含Cl-、Na+、K+離子。接觸人體各種體液(唾液、淋巴液、血液)時，應有良好的耐蝕性,不產(chǎn)生吸水膨潤、軟化變質,自身不變化高分子與鈦合金人造髖骨對生物醫(yī)用材料的基本要求具有必要的強度、耐磨性、耐疲勞、潤滑性能如髖關節(jié)在靜止狀態(tài)承受體重的1/2，水平步行時承受的重量為靜止時的3.3倍，而跑步時則為4倍以上。此外，每步行1km約活動1000次，每年約承受(1 3)106次重復負荷的作用生物醫(yī)用材料的特征與評價生物醫(yī)用材料的特征與評價Ti-O

13、薄膜表面血小板的形態(tài)(好)Ti-O薄膜表面血小板的形態(tài)(差)對生物醫(yī)用材料的基本要求生物體組織、與血液有相容性 不引起溶血、凝血，與軟、硬組織有良好的粘接性，不產(chǎn)生吸收物和沉淀物 不產(chǎn)生局部或全身性反應，最好能與骨形成化學結合，具有生物活性生物醫(yī)用材料的特征與評價生物醫(yī)用材料的特征與評價對生物醫(yī)用材料的基本要求其他要求 良好的空隙度，體液及軟硬組織易于長入 易加工成形，使用操作方便 熱穩(wěn)定好，高溫消毒不變質等性能生物醫(yī)用材料的特征與評價生物醫(yī)用材料的特征與評價常用硬組織替代材料常用硬組織替代材料人工關節(jié) 1890 Gluck首先應用象牙制造下頜關節(jié) 1938 Wiles用不銹鋼作髖臼與股骨頭，

14、而后 Moor開展了人工股骨節(jié)置換術 1940 Wder兄弟用合成樹脂制造人工關節(jié) 1951 開始全髖人工關節(jié)置換術 1952 Habowsh用固定牙的丙烯酸脂固定人工髓關節(jié)，合成樹脂開始用于人工關節(jié)與骨的結合 1958 Charnhey根據(jù)重體環(huán)境滑潤理論，用聚四氟乙烯髖臼 和金屬股骨頭制成低磨擦的人工關節(jié) 1962 Charnley把高密度聚乙烯髖臼和直徑為22毫米的金屬股骨頭組成全髖人工關節(jié)，并用骨水泥（甲基丙烯酸脂）固定，獲得較滿意的效果 自此，人工關節(jié)置換術進入實際應用的新階段。8.5 生物醫(yī)用材料應用實例常用硬組織替代材料常用硬組織替代材料人工關節(jié) 現(xiàn)已研制出膝、髖、肘、肩、指、趾

15、關節(jié)假體用于臨床 歐美等國家每年全髖置換超過80萬例 我國人工關節(jié)置換術達25萬例髖關節(jié)常用硬組織替代材料常用硬組織替代材料人工關節(jié)磨損病因無菌松動是人工關節(jié)置換后最常見的并發(fā)癥和最終失效的主要因素 磨損產(chǎn)物磨屑是導致無菌松動的原因人工關節(jié)長期使用后，一方面磨損后影響置換關節(jié)的裝配性能；更重要的是產(chǎn)生大量磨屑，其中較小的磨屑被組織細胞吞噬，較大的磨屑被組織細胞包繞。從而使組織細胞激活，并分泌大量溶滑性因子，引起骨溶解，導致人工關節(jié)松動。而松動的人工關節(jié)又加重了磨損，產(chǎn)生更多的磨屑，形成惡性循環(huán)，最終使置換關節(jié)失效常用硬組織替代材料常用硬組織替代材料常用硬組織替代材料常用硬組織替代材料生物醫(yī)用金

16、屬材料是臨床應用最廣泛的承力植入材料是一類生物惰性材料，除具有較高的機械強度和抗疲勞性能，具有良好的生物力學性能外，還必須具有優(yōu)良的抗生理腐蝕性、生物相容性、無毒性和簡易可行及確切的手術操作技術金屬材料種類很多，但能在人體生理環(huán)境條件下長期安全服役的卻不多外科用金屬材料經(jīng)過長期研究和臨床篩選而得到廣泛應用的金屬材料主要有不銹鋼鈷基合金鈦及其合金形狀記憶合金貴金屬鉭、鈮、鋯磁性合金不銹鋼骨釘常用硬組織替代材料常用硬組織替代材料不銹鋼成本低，但在體內(nèi)有腐蝕和組織反應等 不銹鋼中添加Mo可克服鉻鈍化膜在氧化環(huán)境中耐腐蝕性能, 降低碳含量，可防止晶間腐蝕常用來制作各種人工關節(jié)和骨折內(nèi)固定器、截骨連接器

17、等，也用于牙科等各種器件(針、釘、髓內(nèi)針、齒冠、三棱釘)制造 生物醫(yī)用金屬材料常用硬組織替代材料含Mo鈷基合金，已用于生物體中Co-Cr-Ni-Fe-Mo合金耐腐蝕性是一般不銹鋼如316的40倍，已用于牙科、整形外科鈷基鉻鉬合金的生物相容性超過鐵鉻鎳和鈷鉻合金與不銹鋼相比，鈷基合金的鈍化膜更穩(wěn)定，耐蝕性更好，植入體內(nèi)不會產(chǎn)生明顯的組織反應鈷基合金的耐磨性是所有醫(yī)用金屬材料中最好的，與不銹鋼相比，更適于制造體內(nèi)承載苛刻的長期植入件 生物醫(yī)用金屬材料常用硬組織替代材料常用硬組織替代材料含Mo鈷基合金鑄造鈷鉻鉬合金最先在口腔科得到應用 20世紀30年代末 接骨板、骨釘?shù)裙潭ㄆ餍?20世紀50年代 人

18、工髖關節(jié)20世紀60年代，為提高力學性能，研制出鍛造鈷鉻鎢鎳合金和鍛造鈷鉻鉬合金20世紀70年代，為改善疲勞性能，研制出鍛造鈷鉻鉬鎢鐵合金和具有多相組織的MP35N鈷鉻鉬鎳合金生物醫(yī)用金屬材料人工關節(jié)（特別是受載荷最大的髖關節(jié)）人工骨及骨科內(nèi)處固定器件齒科修復中的義齒，各種鑄造冠、嵌體及固定橋心血管外科及整形科等由于其價格較高，加工困難，應用尚不普及應用于常用硬組織替代材料常用硬組織替代材料含Mo鈷基合金生物醫(yī)用金屬材料人造髖關節(jié)的頭桿部分。從股骨上端插進金屬桿，桿頭有一個金屬頭，嵌在粘于髖骨窩中的一個塑料臼中常用硬組織替代材料鈦合金強度不如鈷合金，但耐腐蝕性好，與人體組織反應很弱，鈦合金密度

19、小，彈性模量低，接近于天然骨耐疲勞、耐蝕性均優(yōu)于不銹鋼和鈷基合金，且生物相容性和表面活性好，是較為理想的一種植入材料Ti易形成致密穩(wěn)定的氧化膜，有很好的鈍化作用。Ti合金具有很強的耐蝕性缺點：缺點：Ti合金的磨損與應力腐蝕較明顯合金的磨損與應力腐蝕較明顯生物醫(yī)用金屬材料廣泛用于修補顱骨，制成鈦網(wǎng)或鈦箔用于修復腦膜和腹膜、人工心臟瓣膜支架、口腔頜面矯形頜修補，制作各種人工關節(jié)、接骨板、骨螺釘與骨折固定針等，也用于制作牙根種植體等頭顱微型鋼板常用硬組織替代材料生物醫(yī)用金屬材料自1951年首次報道Au-Cd合金具有形狀記憶效應以來，目前已發(fā)現(xiàn)20多種形狀記憶合金其中以鎳鈦合金在臨床上應用最大鎳鈦合金

20、在不同的溫度下表現(xiàn)為不同的金屬結構相。如低溫時為單斜結構相，柔軟可隨意變形；高溫時為立方體結構相，剛硬，可恢復原來的形狀，并在形狀恢復過程中產(chǎn)生較大的恢復力特點：奇特的形狀記憶功能、質輕、磁性微弱、強度較高、耐疲勞性能、高回彈性和生物相容性好等。用于管腔狹窄的治療。支架安入管腔狹窄的部位后，能將狹窄管腔撐開，并與管壁相貼緊，固定好；其生物相容性好，長期安放對黏膜無明顯損傷；其高回彈性能順應管道的彎曲，對人體刺激小脊椎矯正植入體食管支架血管支架牙齒矯形絲血管和食管引導絲常用硬組織替代材料形狀記憶合金用于制作脊椎側彎癥矯形器械、牙科器件、血栓過濾器、血管擴張支架、血管栓塞器等 生物醫(yī)用金屬材料常用

21、硬組織替代材料常用硬組織替代材料貴金屬指金、銀、鉑及其合金，耐腐蝕、抗蠕變，對機體組織無毒，刺激性小，導電性好金合金主要用于口腔科生物醫(yī)用金屬材料骨和組織(蘭色)長入多孔鉭結構(黑色)中多孔結構常用硬組織替代材料鉭、鈮、鋯的耐蝕性、生物相容性好，無毒性可加工成板、帶、絲等用于骨科、心血管方面的治療生物醫(yī)用金屬材料牙根種植體鉭、鈮、鋯用于制作牙根種植體、義齒、牙床、托環(huán)、牙橋、牙冠等常用硬組織替代材料生物醫(yī)用金屬材料銀汞合金由含銀（65）、錫（25）、銅(6)、鋅(2)的合金粉與汞按58的重量比 ，混合研磨而成 。為一種具有可塑性的膏狀物，15分鐘后開始硬固，24小時后完全硬固。常用硬組織替代材

22、料生物醫(yī)用金屬材料牙槽骨內(nèi)種植體種植牙并不是真的種上一棵或幾棵與天然牙一樣的牙齒，而是以種植材料埋植到牙槽骨內(nèi)（種植體），再在其上做假牙的一種“假牙”修復方法。它是一種以植入骨組織內(nèi)的下部結構為基礎來支持、固位上部牙修復體的缺牙修復方式。主要包括下部的支持種植體和上部的牙修復體兩部分。 常用硬組織替代材料常用硬組織替代材料根據(jù)生理環(huán)境下的化學活性和性質可分為四類生物惰性生物惰性：Al2O3、氧化鋯等氧化物生物陶瓷，Si3N4、鈦酸鋇等非氧化物生物陶瓷、醫(yī)用碳素等，生理環(huán)境下能長期保持穩(wěn)定 生物活性生物活性：羥基磷灰石生物活性陶瓷和生物活性玻璃陶瓷，在生理環(huán)境中可通過其表面發(fā)生的生物化學反應與組

23、織形成化學鍵性結合，起到了適合新生骨沉積的生理支架作用，也就是所謂的“骨引導”和“骨傳導”作用可吸收型可吸收型：如石膏、磷酸三鈣陶瓷，在生理環(huán)境中可逐漸被降解吸收，誘導骨質生長，并隨之被新組織所替代，達到修復或替換病損組織目的復合型復合型：生物陶瓷與生物陶瓷或與其他無機材料、有機材料復合而成的復合型材料生物醫(yī)用陶瓷材料常用硬組織替代材料常用硬組織替代材料在臨床上，生物醫(yī)用陶瓷主要用于肌肉-骨骼系統(tǒng)的修復和替換，也可用于心血管系統(tǒng)的修復、制作藥物釋放和傳遞的載體復合型生物陶瓷還可用于制造人工腱、韌帶生物醫(yī)用陶瓷材料能承受負載的矯形材料，用在骨科、牙科及頜面上：Al2O3陶瓷、穩(wěn)定ZrO2陶瓷、生

24、物活性玻璃、生物微晶玻璃等種植齒、牙齒增高：Al2O3陶瓷、氟聚合物/金屬基復合材料、生物活性玻璃、自固化磷酸鹽水泥和玻璃水泥、活性涂層材料等耳鼻喉代用材料： Al2O3陶瓷、生物活性玻璃、生物活性微晶玻璃、磷酸鹽陶瓷人工肌鍵和韌帶：PLA（聚乳酸）-碳纖維復合材料人工心臟瓣膜：熱解碳涂層可供組織長入的涂層（心血管、矯形、牙、額面修復）：多用Al2O3陶瓷骨充填料：磷酸鈣及磷酸鈣鹽粉末或顆粒脊椎外科：生物活性玻璃或生物活性玻璃陶瓷眼：生物玻璃、羥基磷灰石生物陶瓷中耳通氣引流管常用硬組織替代材料常用硬組織替代材料生物陶瓷材料在生物體內(nèi)極為穩(wěn)定，與生物組織有良好的親和性，特別適于作人體硬組織如骨和

25、齒的替換修補材料，能與人體骨生長在一起，形成化學結合 生物陶瓷人工聽小骨假體生物醫(yī)用陶瓷材料常用硬組織替代材料常用硬組織替代材料磷酸鈣陶瓷具有生物降解性，并能被人體吸收羥基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2是骨組織與牙組織的無機組成部分，其單位晶胞與人體骨組織相同，具有非常好的生物活性，但性脆、強度不高，不能直接用于承受載荷大的種植體，可用于低載荷多孔種植體，當人骨組織長入羥基磷灰石孔洞中后可起加強作用羥基磷灰石與聚合物復合用于人造骨，效果更好，已有羥基磷灰石/聚乙烯復合材料羥基磷灰石作為金屬種植體表面涂層，能大大提高人體骨長入孔洞的速度羥基磷灰石覆蓋鈦合金假牙生物醫(yī)用陶瓷材料采用增強含微孔

26、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2030dB，在特定語言頻率范圍提高4560dBHA中耳通氣引流管界面潤濕角小、毛細管力大、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常用硬組織替代材料常用硬組織替代材料生物醫(yī)用陶瓷材料常用硬組織替代材料常用硬組織替代材料非活性生物玻璃及生物玻璃陶瓷將某些玻璃在適當高溫進行晶化處理，玻璃中可析出大量微小晶體，這樣的玻璃稱為微晶玻璃、結晶化玻璃或玻璃陶瓷人工骨用生物醫(yī)學玻璃，具有良好的耐酸堿腐蝕特性、生物相容性和耐磨性能治療用生物醫(yī)學玻璃，可埋入腫瘤部位，通過

27、在磁場下發(fā)熱的特性或其內(nèi)部的同位素放出的射線殺死癌細胞，也有良好的生物相容性人工齒冠用生物醫(yī)學玻璃陶瓷，具有制作容易、審美性高、強度高、適應性好、生物相容性好、類似天然齒等優(yōu)點生物醫(yī)用陶瓷材料斷在BGC側斷在骨頭側替換猴子部分骨骼的45S5玻璃陶瓷(BGC)受沖擊扭轉載荷斷口常用硬組織替代材料生物活性玻璃通常要求SiO2含量40萬，是含有硅原子的特種合成橡膠的總稱具有優(yōu)異的生理特性：無毒無味、生物相容性好、耐生物老化、較好的抗凝血性、長期植入體內(nèi)物理性能下降甚微、耐高溫嚴寒（ -90250C）良好的電絕緣性、耐氧老化性、耐光老化性以及防霉性、化學穩(wěn)定性等在醫(yī)學上主要用于粘合劑、導管、整形和修復

28、外科（人工關節(jié)、皮膚擴張、粘合劑、導管、整形和修復外科（人工關節(jié)、皮膚擴張、燒傷的皮膚創(chuàng)面保護、人工鼻梁、人工耳廓和人工眼環(huán)）、緩釋和控釋等燒傷的皮膚創(chuàng)面保護、人工鼻梁、人工耳廓和人工眼環(huán)）、緩釋和控釋等 硅橡膠醫(yī)用導管類防噪音耳塞：佩戴舒適，阻隔噪音，保護耳膜人造血管：具有特殊的生理機能，與人體“親密無間”，無排異反應鼓膜修補片：柔軟，光潔度和韌性良好，是修補耳膜的理想材料人造氣管、人造肺、人造骨、十二指腸管等常用軟組織替代材料合成高分子生物醫(yī)用材料聚氨酯是聚醚、聚酯和二異氰酸酯的總稱具有良好的延伸性和抗撓曲性，強度高、耐磨損，血液相容性、抗血栓性能好，且不損傷血液成分，使其在醫(yī)療領域得到廣

29、泛應用主要用于人工心臟搏動膜、心血管醫(yī)學元件、人工心臟、輔助循環(huán)、人工血管、體外循環(huán)血液路、藥物釋放體系、縫合線與軟組織粘合劑繃帶、敷料、吸血材料、人工軟骨、血液凈化器具的密封劑等。 常用軟組織替代材料合成高分子生物醫(yī)用材料聚氯乙烯是由單體氯乙烯聚合而成的合成樹脂，是用量最大的醫(yī)用高分子材料原料豐富、聚合容易、抗凝血性能良好，耐熱性不高(70C),通過增塑可賦予可屈撓性在醫(yī)學中用量最大的是制作塑料輸血輸液袋，可提高紅細胞和血小板的生存率；還可用于醫(yī)用導管、人工輸尿管、膽管和心臟瓣膜、血泵隔膜、增補面部組織、青光眼引流管和中耳孔等軟質PVC的毒性問題仍有爭議，目前只能用于制造與人體短期接觸的制品

30、常用軟組織替代材料合成高分子生物醫(yī)用材料聚四氟乙烯，又名泰氟隆(Teflon)，是耐高溫最好的熱塑性塑料，結晶熔點高達327，幾乎完全是化學惰性的，具有自潤滑性或非粘性，不易被組織液浸潤主要用于人工輸尿管、膽管、氣管、喉、韌帶和肌腱人工血液、人工心臟瓣膜、下頜骨、髖關節(jié)和皮膚、增強皮膚、修復眼眶骨、組織引導再生材料、人工血管、滌綸縫線和涂層、外科用引流管及插管、鞏膜的系扣和在耳鼻手術上作為插入的薄膜以防止粘連；食管擴張器、心臟瓣膜的縫合環(huán)、血液相容性絲絨、修補肺動脈和室間隔的缺損、血管閉塞物、縫線及動脈修補、包裹動脈癌及內(nèi)淋巴液分流器等 常用軟組織替代材料合成高分子生物醫(yī)用材料聚甲基丙烯酸甲酯

31、，又稱有機玻璃，是目前塑料中透明度最好的一種。具有良好的生物相容性、耐老化性，機械強度較高用于隱形眼鏡、可植入透鏡、人工角膜和假牙、人工喉、食管和腕骨、閉塞器、喉支持膜、牙科夾板、氣管切開導管和吻合鈕、鼻竇的植入性引管增補面部軟硬組織，特別是修補眼窩的爆裂骨折顱骨缺損時的替代骨片充填乳突切除后的遺留腔隙聽小骨部分的替代物和脊椎鼓節(jié)段的固定，顱內(nèi)動脈瘤的加固和充填靜脈瘤囊以使之穩(wěn)定，牙科某些直接充填樹脂的基礎等 醫(yī)學應用的部分高分子材料常用軟組織替代材料組織工程是近年來一門新興的多學科交叉生命科學，其目的是修復和再生受損組織或器官，幫助病人恢復受損組織的功能，解決器官短缺和免疫抑制等問題組織工程

32、領域的研究包括新型聚合物的合成、信號傳導、培養(yǎng)細胞的基因調節(jié)和移植有關的免疫問題等組織工程用生物雜化材料組織工程組織工程利用工程學和生命科學的基本原理，開發(fā)能恢復、維持或改善受損組織或器官功能的生物替代物它綜合了細胞生物學、工程學、材料學和臨床醫(yī)學領域，用活細胞和細胞外基質或骨架構造一個新的功能化組織或器官 組織工程的內(nèi)涵（1）替換被分離除去的細胞或功能發(fā)揮所需要的細胞替代物（2）產(chǎn)生或傳遞組織誘導物質，如生長因子、信號分子等（3）結合細胞與生物材料，具體是在基質表面或內(nèi)部接種細胞 組織工程的方法以天然、合成或半合成的組織和器官進行模仿，賦予其功能現(xiàn)已研制了許多組織工程產(chǎn)品，包括皮膚組織、軟骨

33、組織、腱組織、骨組織、心臟瓣膜、肝組織等組織工程用生物雜化材料組織工程組織工程用生物雜化材料異體細胞異體組織合成材料生體源材料免疫隔離膜自體細胞人工細胞外基質生長因子載體器官移植人工器官雜化人工器官組織重建置換外科重建外科組織工程再生醫(yī)學組織工程組織工程用生物雜化材料組織工程由活體材料和非活體材料組成的復合體由活體材料和非活體材料組成的復合體主要包括合成材料與生物體高分子材料或與細胞的雜化合成材料與生物體高分子材料或與細胞的雜化雜化材料主要包括三類 用于組織結構材料的多糖類等生理活性物質雜化材料用于組織結構材料的多糖類等生理活性物質雜化材料 以固定酶為代表的功能性雜化材料以固定酶為代表的功能性

34、雜化材料 雜化細胞雜化細胞雜化生物材料主要用于人工胰臟、人工肝臟、人工胸腺、人工胰臟、人工肝臟、人工胸腺、人工腎臟、人工皮和人工血管等人工腎臟、人工皮和人工血管等組織和器官損傷或缺陷的常規(guī)治療組織和器官損傷或缺陷的常規(guī)治療: :移植移植( (人或異種移植人或異種移植) )外科修復外科修復人工假體、機械裝置人工假體、機械裝置組織工程用生物雜化材料組織工程用生物雜化材料與生理活性物質雜化的典型材料 表面肝素化材料，主要用于抗凝血材料 固定化前列腺素材料，可防治血小板減少和血栓形成 固定化肝素+前列腺素材料，可同時發(fā)揮抑制凝血系統(tǒng)和抑制血小板系統(tǒng)的功效，達到理想的抗凝血效果 固定化肝素+抗菌素材料，

35、可防止血栓形成，同時避免感染 固定化肝素+尿激酶材料，可阻止血栓形成，又可溶解血栓核與生物體高分子雜化的典型材料 與酶、抗體、抗原、激素和細胞等的雜化 可作為人體組織、器官的結構材料 可利用其情報機能作為信息轉換的手段，制備有用的物質以及制造藥物 可用于生物傳感器、細胞培養(yǎng)材料、診斷治療、免疫隔離等方面細胞雜化材料是在人工器官上培養(yǎng)活體細胞，有利于人工器官的植入；除了作為人體組織和器官的結構材料外，利用細胞本身的信息功能可得到的功能性控制材料，亦可促進細胞更快地生長生物醫(yī)用雜化材料合成聚合物制成的一個鼻狀支架新種軟骨細胞，體外培養(yǎng)育出的人造鼻植入物培養(yǎng)出的組織工程化的人耳人造鼻骨組織 人造神經(jīng)

36、組織 培養(yǎng)組織 常用軟組織替代材料天然高分子生物材料殼聚糖是甲殼素經(jīng)濃堿部分脫乙基的產(chǎn)物，具有一定的粘度，無毒、無害、無副作用不溶于水和堿液，但可溶于多種酸溶液中具有較多的側基官能團，可進行酯化、醚化、氧化、磺化以及接枝交聯(lián)等反應對其進行改性。特別是磺化產(chǎn)品，其結構與肝素極其相似，可作為肝素的代用品作抗凝劑殼聚糖的生物醫(yī)學應用可吸收性縫合線，用于可吸收性縫合線，用于消化道和整形外科消化道和整形外科人工皮，用于人工皮，用于整形外科、燒傷皮膚外科整形外科、燒傷皮膚外科細胞培養(yǎng)，細胞培養(yǎng)，制備不同形狀的微膠囊，培養(yǎng)高濃度細胞制備不同形狀的微膠囊，培養(yǎng)高濃度細胞，如包封的是活細胞，則構成人工生物器官如

37、包封的是活細胞，則構成人工生物器官海綿，海綿，用于拔牙患、囊腫切除、齒科切除的保護材料用于拔牙患、囊腫切除、齒科切除的保護材料眼科敷料眼科敷料，可生成較多的成膠原和成纖維細胞，可生成較多的成膠原和成纖維細胞隱形眼鏡隱形眼鏡膜膜，用于藥物釋放系統(tǒng)和組織引導再生材料，用于藥物釋放系統(tǒng)和組織引導再生材料固相酶載體固相酶載體 牙科粘接材料從材料學角度來說，骨是由無機礦物與生物大分子規(guī)則排列所組成的復合材料。骨的有機成分主要是型膠原纖維，約占總重量的24%，是由三股螺旋結構的多肽鏈相互纏繞而形成，無機成分主要是磷酸鈣鹽，約占總重量的65%；其余為水。骨中的礦物質呈片狀，尺寸約為5nm20nm40nm，位

38、于原膠原分子的間隙孔之內(nèi)，晶體的c軸平行與膠原纖維，這樣就構成骨的基本結構。常用硬組織替代材料常用硬組織替代材料 各類生物材料比較鈦金屬表面生物活化技術鈦金屬表面生物活化技術鈦和鈦合金不僅具有良好的力學性能，而且在生理不僅具有良好的力學性能，而且在生理環(huán)境下具有良好的生物相容性。由于其比重小，彈環(huán)境下具有良好的生物相容性。由于其比重小，彈性模量較其他金屬更接近天然骨，故廣泛應用于制性模量較其他金屬更接近天然骨，故廣泛應用于制造各種膝、肘、肩等造各種膝、肘、肩等人造關節(jié)人造關節(jié)。此外，鈦合金還用。此外，鈦合金還用于于心血管系統(tǒng)心血管系統(tǒng)。鈦合金耐磨性能不理想，且存在咬。鈦合金耐磨性能不理想，且存

39、在咬合現(xiàn)象，限制了其使用范圍。合現(xiàn)象，限制了其使用范圍。Joint Replacements常用軟組織替代材料天然高分子生物材料甲殼素化學名稱為聚N-乙酰-D葡萄糖胺，是僅有的堿性天然多糖廣泛存在于低等植物、甲殼動物(蝦、蟹)、昆蟲等節(jié)肢動物的外殼中，其生物合成資源最高達1000億噸/年，是地球上僅次于植物纖維的第二大生物資源 將甲殼動物的外殼通過酸堿處理，脫去鈣、鹽和蛋白質，即得到甲殼質甲殼甲殼素的生物醫(yī)學應用醫(yī)用敷料：甲殼素具有良好的組織相容性，可滅菌、促進傷口愈合、吸收傷口滲出物且不脫水收縮藥物緩釋劑： 基本為中性，可與任何藥物配伍止血棉、止血劑：在血管內(nèi)注射高粘度甲殼素，可形成血栓口愈

40、合劑，使血管閉塞，從而在手術中達到止血目的，較注射明膠海綿等常規(guī)止血方法，操作容易，感染少 To fix implants in body:ImplantsBoneBoneImplantsBone cementThin apatite layer, or bone bonding Mechanical, indirect fixation Insufficient interfacial strength Wear Difficult to dispose of Chemical, direct bonding Higher interfacial strength Easy to dispo

41、se of鈦絲網(wǎng)和周圍骨組織的緊密結合鈦絲網(wǎng)和周圍骨組織的緊密結合鈦鈦骨組織骨組織SBF approach to evaluate the bioactivity in vitroBioactivity defines the“Interfacial bonding of an implant to tissue by means of formation of a biologicallyactive hydroxyapatite (HA, Ca10(PO)6(OH)2) layer on the implant surface”- L. L. Hench, “Biomaterials: a

42、 forecast for the future,” Biomaterials 19 (1998) 1419-23.Simulated body fluid) Metastable calcium phosphate solution similar in inorganic ion composition to human blood plasmaIon concentrations (mM) of Simulated Body Fluid (SBF) and human blood plasmaApatite deposition from SBF:10Ca26PO432OH Ca10(P

43、O4)6(OH)2G=-RTlnS S=(IP/Ksp)1/9IP=(Ca2+)5(PO43-)3(OH-) 25 C, Ksp=4.710-59 36.5 C, G = -13.2 KJ/mol Factors contribute to the apatite deposition ability of titania gel:Ti-OH functional groupsNegatively charged surface1.Crystalline structureH2O2 solution treatment of Ti: H2O2/TaCl5, H2O2/SnCl2, 60 C24

44、 h Amorphous titania gel, induce apatite deposition in SBF for 7 d-C. Ohtsuki, H. Iida, S. Hayakawa, A. Osaka, “Bioactivity of titanium treated with hydrogen peroxide solutions containing metal chlorides,” J. Biomed. Mater. Res., 35, 39-47 (1997). H2O2/TaCl5, 80 C1 h, 400 C1 h Anatase, induce apatit

45、e deposition in SBF for 1 d-X. X. Wang, S. Hayakawa, K. Tsuru, A. Osaka, “Improvement of the bioactivity of H2O2/TaCl5-treated titanium after a subsequent heat treatment,” J. Biomed. Mater. Res., 52, 171-76 (2000). H2O2/TaCl5, 80 C72 h Anatase+Rutile, induce apatite deposition in SBF for 12 h-J. M.

46、Wu, S. Hayakawa, K. Tsuru, A. Osaka, “Low-temperature preparation of anatase and rutile layers on titanium substrates and their ability to induce in vitro apatite deposition,” J. Am. Cerm. Soc., 87, 1635-42 (2004). Low-temperature Ti-H2O2 Approach: as-depositedSBF 12 hSBF 1 dSBF 2 d20253035402-theta

47、 / degreeX-ray Intensity /arb. unit24 h48 hTi0 h12 hAApRApRR203040502 /degreeIntensity /arb. unit72h24h16h8h4h1hAnataseRutileTiPhase evolution during the soaking:Solution: 30 wt. %H2O2/3mM TaCl5Temperature: 80 CEffects of the phase composition on the apatite deposition:20253035402-theta /degreeX-ray

48、 Intensity /arb. unit0.5910.895ATiAp0.023RRW =In SBF for 1 dRutile exhibits similar ability to induce apatite deposition as Anatase)/8 . 01/(1RARIIWJ. M. Wu, et al., J. Am. Ceram. Soc, 87 (2004) 1635-1642.Applicability to complicated shapes 鈦鈦表面表面熱噴熱噴涂多孔涂多孔鈦鈦金相金相鈦鈦表面表面熱噴熱噴涂多孔涂多孔鈦鈦掃掃描描電鏡觀電鏡觀察察 動動物物試驗

49、試驗種植種植試驗試驗試驗組：多孔鈦表面，雙氧水活化處理試驗組：多孔鈦表面，雙氧水活化處理對照組：光滑表面鈦棒對照組：光滑表面鈦棒試驗組對照組 動動物物試驗試驗結結合強度合強度測測定定界面界面結結合強度合強度測測定定結結果果界面結合強度比對照組明顯提高界面結合強度比對照組明顯提高實驗組對照組負荷位移曲線050100150200250300350400450-0.500.511.522.5位移（mm)負荷（N)12340.00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.5Shear strength/ MPaDurations /month Control Porous Ti界面界面觀觀察，能察，能譜譜分析分析骨組織長入多孔鈦的孔隙骨組織長入多孔鈦的孔隙TiPCa