生物材料发展

生物材料
姓名：邓伟林
专业：材料科学与工程学号： 2013510130
授课老师：魏丽乔
一、前言
生物材料通常也称为生物医学材料。

2000年5月份于美国夏威夷洲B i g-sland岛召开的第六届国际生物材料年会上，科学家们对“生物材料”进行定义：“生物材料是一种植入生命系统内或与生命系统相结合而设计的物质，它与生命体不起药理反应”［1］。

该定义规定了生物材料是指置换或恢复生命组织及其功能，与生命体呈生物相容性的植入材料。

它指的是一类具有特殊性能、特种功能，用于人工器官、外科修复、理疗康复、诊断、检查、治疗疾患等医疗、保健领域，而对人体组织、血液不致产生不良影响的材料［2］。

我国生物医用材料研制和生产迅速发展，作为一个新兴产业，已经初具规模。

2006年发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）》不仅将生物技术作为科技发展的五个战略重点之一，同时在基础研究等方面也给予了高度重视。

2010年9月通过的《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》也将生物产业列入战略性新兴产业，并明确指出要求“加快先进医疗设备、医用材料等生物医学工程产品的研发和产业化，促进规模化发展”。

二、生物材料发展历程
一般认为，生物材料的发展大致经历了三代。

第一代生物医学材料主要是指第一次世界大战以前所使用的生物材料。

代表材料有石膏、金属、橡胶以及棉花等物品［2］。

这一代的材料大都已被现代医学所淘汰。

第二代生物医学材料的发展是建立在医学、材料科学（尤其是高
分子材料学）、生物化学、物理学以及大型物理测试技术发展的基础上的, 研
究人员也多由材料学家和医生来担任。

代表材料有羟基磷灰石、磷酸三钙、
聚羟基乙酸、聚甲基丙烯酸羟乙基醋、胶原、多肤、纤维蛋白等［1,2］。

第三代生物医学材料是一类具有促进人体自身修复和再生作用的生物医
学复合材料。

由具有生理“活性”的组元及控制载体的“非活性”组元构成, 具有较理想的修复再生效果［2］。

它通过材料之间的复合、材料与活细胞的融合、活体组织和人工材料的杂交等手段, 赋予材料特异的靶向修复、治疗和促进作用, 从而使病变组织大部分甚至全部由健康的再生组织取代。

代表材料：骨形态发生蛋白（bone morphegenetic protein,BMP）材料［3］。

二、生物材料的性能要求
生物材料主要用在人身上，除了满足必要的物理和化学等基本性能要求外，还必须满足其在生理环境下工作的生物学性能要求，因此对其性能要求十分严格。

一般认为必须具有以下特性［2，3，4］：
（1）生物功能性。

即该材料在机体中所扮演角色要完成的基本生物功能，具体因各种生物材料的用途而异，如：作为缓释药物时，药物的缓释性能就是其生物功能性。

（2）生物相容性。

一般地讲，就是材料植入人体后与人体相容程度，也就是说是否会对人体组织造成毒害作用；可概括为材料和活体之间的相互关系，主要包括血液相容性和组织相容性（无毒性、无致癌性、无热原反应、无免疫排斥反应等）。

（3）化学稳定性。

耐生物老化性（特别稳定）或可生物降解性（可控降解）。

由于该材料中机体中接触人体各种体液（唾液、淋巴液、血液）时，应有良好的耐蚀性。

（4）可加工性。

能够成型、消毒（紫外灭菌、高压煮沸、环氧乙烷气体消毒、酒精消毒等）。

三、生物医用材料的分类
生物材料应用广泛，品种很多，其分类方法也很多。

按材料属性主要分
为以下几类：
（1）医用金属材料（biomedcal metallic meterials）：该类材料主要有较高的机械强度和抗疲劳性，包括不锈钢、钴基合金，钛及合金等，广泛应用于人工假体、人工关节、医疗器械等［5］。

（2）医用无机材料（biomedcal ceramics）：该类材料化学性质稳定, 具有良好的生物相容性，主要是生物陶瓷［6］。

分为惰性生物陶瓷，如氧化铝生物陶瓷；表面生物活性陶瓷，如磷酸钙基生物陶瓷；可降解生物陶瓷，如β-磷酸三钙陶瓷等［5］。

（3）医用高分子材料（biomedcal polymer）：根据来源分为天然的和合成的，天然的如多糖类、蛋白类，合成的聚氨酯、聚乙烯、聚乳酸、聚四氟乙烯等，用于人体器官、组织、关节、药物载体等［5,6］。

（4）医用复合材料（ biomedcal composlites ）：生物医学复合
材料是由两种或两种以上不同材料复合而成的, 主要用于修复或替换人体组织、器官或增进其功能 , 也可用作人工器官的制造［6,7］。

一般可以克服单一材料的性能缺点，可获得性能更优的材料。

（5）生物衍生材料（ biomedcal deried meterials ）：生物医学衍生材料是由经过特殊处理的天然生物组织衍生而成的［7］。

经过处理的生物衍生材料是无生物活性的材料 , 但其具有类似天然组织的构型和功能 , 在维持人体动态的修复和替换中具有重要作用, 如皮肤掩膜、血液透析膜、人工心脏瓣膜等［8］。

四、基本现状与展望
1、生物医用金属材料
1.1、医用不锈钢
含有Mo元素和最高碳含量研制成新的316L不锈钢材料，常用于关节柄和关节头材料，但该材料在生理环境中存在产生缝隙腐蚀或摩擦腐蚀以及疲劳腐蚀破裂等问题，并且会因摩擦磨损等原因释放出Ni2+、Cr3+和
Cr5+，从而引起假体松动，最终导致植入体失效［8］。

1.2、医用钴基合金
钴基合金通常指 Co-Cr 合金，锻造加工的Co-Ni-Cr-Mo合金常用于制造关节替换假体连接件的主干，如膝关节和髋关节替换假体等［8］。

但是由于钴基合金价格较高，并且合金中 Co、Ni 元素存在着严重致敏性等生物学问题，应用受到一定的限制［8,9］。

1.3、医用钛及钛合金
纯钛具有无毒、质轻、强度高、生物相容性好等优点。

钛合金的力学性能与最初的钛合金相近，但具有较好的生物相容性和耐腐蚀性。

然而此类合金弹性模量为骨弹性模量的4～l0 倍。

导致种植体与骨弹性模量之间的不匹配，使得载荷不能由种植体很好地传递到相邻骨组织，出现“应力屏蔽”现象，从而导致种植体周围出现骨吸收，最终引起种植体松动或断裂，造成种植失败［8］。

1.4、医用贵金属以及钽、铌、锆等金属
医用贵金属是指用作生物医用材料的金、银、铂及其合金的总称，这类金属的合金具有很好的化学稳定性和抗生理腐蚀性，在临床上也表现出良好的生物相容性［8,9］。

但医用贵金属和钽、铌、锆等金属因其价格较贵，广泛应用受到限制。

2、生物医用陶瓷材料
生物陶瓷是指具有特殊的生理行为，可以用来构成人体骨铬和牙齿的某些部位，甚至可望部分或整体地修复、替代人体的某种组织或器官，或是增
进其功能的陶瓷。

其特点是在人体内化学稳定性好，组织亲和性好，抗压强度高，易于高温消毒等［9］。

因此是牙、骨、关节等硬组织良好的置换修复材料。

缺点是脆性大、抗冲击性能差、加工成型困难等。

3、生物医用高分子材料
生物体是有机高分子存在的最基本形式，有机高分子是生命的基础。

高分子化合物在生物界的普遍存在，决定了它们在医学领域中的特殊地位［10］。

医用高分子材料是生物医用材料中的重要组成部分，主要用于人工器官、外科修复、理疗康复、诊断检查、患疾治疗等医疗领域［9,10］。

参考文献
［1］任伊宾，黄晶晶，杨柯等．纯镁的生物腐蚀研究［J］．金属学报，2005，41(11):1228～1232．
［2］Agnew﹒S，Nie﹒J．Preface to the viepoint set on the current state of magnesium alloy science and technology［J］．Scripta Materialia， 2010，
63(7) : 671-673．
［3 ］黄晶晶，杨珂．镁合金的生物医用研究［J］．材料导报，2006，20(4): 67～69．
［4］郑玉峰，刘彬顾，雪楠．可生物降解性医用金属材料的研究进展［J］．材料导报: 综述篇， 2009， 23(1):1 ～6．
［5］Mordike B，Ebert T．Magnesium: properties-applicationspotential ［J］． Materials Science and Engineering: A，2001，302(1): 37-45．
[6]丁文江，向亚贞，常建卫，彭颖红. Mg-Al 系和 Mg-RE 系合金在NaCl 溶液中的腐蚀电化学行为 [J]. 中国有色金属学报, 2009, 19(10): 1713−1719.
［7］颜世铭，洪昭毅，李增禧．实用元素医学［M］．Zn 含量对生物医用镁合金耐 Hank ’s 模拟体液腐蚀的影响. 河南医科大学出版社，
1999: 471.
［8］欧阳春，雷霆，王丽等．Mg-Zn-Ca三元镁合金生物材料的腐蚀行为［J］．有色金属学报，2010，20(5) :892～897．
［9］Song G L．Control of biodegradation of biocompatible magnesium alloys［J］Corrosion Science，2007，49(2):1696 ～1701．
［10］高家诚，伍沙，乔丽英等．镁及镁合金在仿生体液中的腐蚀降解行为［J］中国组织工程研究与临床康复，2007，11(18):3584～3586．。