第八章 生物材料-讲授

玻璃钢人工颅盖骨
高分子与钛合金人造髋骨
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⑶具有必要的强度、耐磨性和耐疲劳性能。如髋关节 在静止状态承受体重的二分之一，水平步行时承受的
重量为静止时的3.3倍，而跑步时则为4倍以上。此外,
每步行一公里大约活动1000次，按照一般的生活情况,
每年大约承受1×106 ~ 3×106次重复负荷的作用。
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问题

平时接触到哪些生物材料？ 生物材料有哪些要求？ 常见的生物材料分类有哪些？ 常见的生物材料优缺点？
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问题

平时接触到哪些生物材料？ 生物材料有哪些要求？ 常见的生物材料分类有哪些？ 常见的生物材料优缺点？
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问题

平时接触到哪些生物材料？ 生物材料有哪些要求？ 常见的生物材料分类有哪些？ 常见的生物材料优缺点？
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近
代：
最先应用于临床实践的金属材料是金、银、铂等贵重金属。 （良好的化学稳定性和易加工性） 1829年，通过多种金属的系统动物实验，得出：金属铂对机 体组织刺激性最小； 1851年发明天然橡胶的硫化方法后，开始利用天然高分子硬 橡木制作人工牙托和颚骨进行临床治疗；
1892年，用硫酸钙填充骨缺损，这是陶瓷材料植入人体的最 早实例。
欧美等发达国家每年仅全髋置换已超过80万例. 我国人工关节置换
术达25万例.
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髋关节
27人工髋关节来自28Simulator testing
5 kN
230
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磨损病因

无菌松动是人工关节置换术后最常见的并发症和最终失
效的主要因素。

磨损产物—磨屑是导致无菌松动的原因。人工关节长期使用
后，一方面磨损后影响置换关节的装配性能；更重要的是产生大量
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3.按材料来源分类：
a.自体组织 如人体听骨、血管等替代组织 如不同人体之间的器官移植
b.同种异体器官及组织 c.异种器官及组织
如动物骨、肾替换人体器官
d.天然生物材料 e.人工合成材料
如动物骨胶原、甲壳素、珊瑚等 如各种人工合成的新型材料
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4.按使用部位分类：
a.硬组织材料 b.软组织材料 骨、牙齿用材料 软骨、脏器用材料
第八章

生物材料
概述 硬组织相容性材料 软组织相容性材料 血液相容性材料 生物降解材料
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韩国“美女”都是人造的？
据韩国《体育朝鲜》报报道 日本著名女性周刊杂志《女性SEVEN》 表示：“最近在日本引起轰动的韩国女明星大部分都做过整容手 术”，并拿出著名演员的过去的照片与现在对比，提出了进行整 容手术的疑惑。《女性SEVEN》把矛头指向了目前在日本人气极旺 的《冬季恋歌》，表示：“两名女主人公都做过整容手术。” 该杂志拿出《冬季恋歌》的女主人公崔智友1998年的照片和 朴松美2002年的照片，与现在对比后表示：“完全不一样。”针 对裴勇俊主演的《丑闻》，该杂志还拿出李美淑1978年的照片和 全度妍2001年的照片，并对2人也提出了质疑。 此外，该杂志还拿出目前在日本很红的尹孙河1995年的照片 进行比较，并主张：“可以看出她为变漂亮而所做出的努力。” 《女性SEVEN》分析说：“韩国人非常看中外表，只要外表美 丽，谁都可以在互联网上有拥护者俱乐部。因此，为了保持美女 的地位，即使顶级美女也不能满足现状。” 该杂志还援引最近出版关于韩国的书籍的自由撰稿人的话说： “韩国女性对美貌的执著达到非常惊人的程度，有的父母还给女 儿做整容手术，当作考上大学的礼物。” 演艺界人士分析说，虽然这种气氛看起来是在讽刺韩国，但 实际是为了牵制越来越多的进入日本的韩国明星。 日本的演艺界人士表示，最近，部分媒体试图要打垮裴勇俊。 这次《女性SEVEN》的矛头也是指向裴勇俊主演的《冬季恋歌》和 《丑闻》的，因此，今后有可能出现争议。
c.心血管材料 d.血液代用材料
心血管以及导管材料 人工红血球、血浆等
血液净化、肾透析以及
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e.分离、过滤、透析膜材料 人工肺气体透过材料等
8.1.3
生物材料的特征与评价
任何一种生物材料，除了应具有必要的理化性能 外，还需要满足在生理环境下工作的生物学要求，即 有良好的生物相容性。这也是生物材料区别于其他材 料的基本特征。
磨屑，其中较小的磨屑被组织细胞吞噬，较大的磨屑被组织细胞包 绕。从而使组织细胞激活，并分泌大量溶滑性因子，引起骨溶解， 导致人工关节松动。而松动的人工关节又加重了磨损，产生更多的 磨屑，形成恶性循环，最终使置换关节失效
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生物金属材料

金属材料虽种类很多，但能在人体生理环境条件下长
期安全服役的却不多。经过
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生物材料正在挽 救和维持世界上成千 上万血管患者的生命； 正广泛用于伤残人肢 体形态和功能的恢 复 ；正在计划生育、 控制人口、提高人们 健康水平方面发挥巨 大作用。如图8－1。
注：生物材料不 是药物，其治疗途径 是以生物机体直接结 合和相互作用为基本 特征的。
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生物材料发展简史
（历史上、近代、现代）
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8.1
生物材料概述
生物材料(biomaterials)：
用于与生命系统接触和发生相互作用的，并能对
其细胞、组织和器官进行诊断治疗、替换修复或诱导 再生的一类天然或人工合成的特殊功能材料，又称生 物医用材料。
生物材料是材料科学领域中正在发展的多种学科相互交叉
渗透的领域，其研究内容涉及材料科学、生命科学、化学、生 物学、解剖学、病理学、临床医学、药物学等学科，同时还涉 及工程技术和管理学科的范畴。
植体等，呈现出良好的耐疲劳性能。
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三、生物陶瓷材料

生物陶瓷材料在生物体内极 为稳定，与生物组织有良好 的亲和性，特别适于作人体 硬组织如骨和齿的替换修补 材料，能与人体骨生长在一 起，形成化学结合。
长期研究和临床筛选而得到
广泛应用的金属材料主要有 不锈钢、钴基合金、钛及其 合金、形状记忆合金和贵金 属，此外还有钽、铌、锆和
磁性合金等。
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1、不锈钢
不锈钢成本低，但在体内有腐蚀和组织 反应等, 不锈钢中添加Mo可克服铬钝化 膜在氧化环境中耐腐蚀性能, 如加Mo的 316、317。降低碳含量，如使用超低碳
不 锈 钢 骨 钉
的316L可防止晶间腐蚀.
常用来制作各种人工关
节和骨折内固定器、截
骨连接器等，也用于牙 科等各种器件制造。
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2、钴基合金 加Mo的钴基合金，已用于生物体中。例如Co-Cr-NiFe-Mo合金用在牙科和整形外科，这种合金的耐腐蚀 性是一般不锈钢如316的40倍。钴基铬钼合金的生物 相容性超过铁铬镍和钴 铬合金。钴基合金的耐 磨性是所有医用金属材 料中最好的，与不锈钢 相比，更适于制造体内
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钛：金属钛，优异的耐蚀性、生物相容性、密度低； 40年代，制作外科植入体；
50年代用纯钛制作接骨板和骨钉；
70年代，Ti6A14V合金（强度比纯钛高，耐蚀性和密度与之相
似）、TiSAl2.5Sn合金和钛钼锌锡等合金获得应用；从而使钛
和钛合金成为继不锈钢和钴基合金之后的又一类重要医用金属 材料；
a.硬组织相容性材料：主要用于生物机体的关节、牙齿
及其他骨组织
b.软组织相容性材料：主要用于人工皮肤、人工气管、
人工食道等
c.血液相容性材料：主要用于人工血管、人工心脏、血
浆分离膜、血液灌流用吸附剂、细胞培养基材等
d.生物降解材料：主要用于吸收型缝合线、药物载体、愈
合材料、粘合剂以及组织缺损用修复材料。

生物材料分类
（属性、功能、来源、使用）

生物材料的特征与评价
（宿主反应、材料反应、生物相容性）
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8.1.1
生物医学材料发展简史
古代（利用天然物质和材料治病）
公元前5000年，黄金修复失牙；
公元前3500年，古埃及，棉花纤维、马鬃等缝合伤口；
公元前2500年，中国、埃及，假手、假鼻、假耳等人工假体； 隋末唐初，银膏补牙----成分是银、锡、汞，与现代牙齿填 充材料汞齐合金类似。

宿主反应与材料反应 生物相容性
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对生物材料的要求是： ⑴对于人体组织无刺激性，无毒副作用，无致癌性。 ⑵接触人体各种体液（唾液、淋巴液、血液）时，应 有良好的耐蚀性。唾液、血液、间质液都是以Clˉ、 Na+、K+离子为主的电解质溶液，生物材料在这种溶
液中应不发生反应、腐蚀和变质。
70年代以后， NiTi系为代表的形状记忆合金逐渐在骨科和口腔
科得到应用，并成为医用金属材料的重要组成部分。
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生物陶瓷： 从60年代初开始应用于生物材料。多晶氧化铝陶瓷----低 温各向同性碳----生物玻璃----羟基磷灰石（生物活性陶瓷）---生物陶瓷复合材料----引入活体细胞或生长因子的生物陶瓷构
1958年Charnhey根据重体环境滑润理论，用聚四氟乙烯髋臼和金属
股骨头制成低磨擦的人工关节，接着在1962年，Charnley把高密度 聚乙烯髋臼和直径为22毫米的金属股骨头组成全髋人工关节，并用
骨水泥（甲基丙烯酸脂）固定，获得较满意的效果。自此，人工关
节置换术进入实际应用的新阶段。

迄今已研制出膝、髋、肘、肩、指、趾关节假体用于临床。
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现
代：
生物医学材料取得实质性进展开始于20世纪20年代
不锈钢： 1926年，含18%铬和8%镍首先应与于骨科治疗，随后应与于口 腔科；
1934年，研制出高铬低镍单相组织的AISI302和304，在体内
生理环境下的耐腐蚀性显著提高；
1952年，开发出耐蚀性更好的AISI316不锈钢，并逐渐取代
AISI302； 60年代，为了解决不锈钢的晶间腐蚀问题，又研制出超低碳 不锈钢AISI316L和317L。