3生物材料

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生 物 医 学 工 程 导 论 生 物 材• 料 ——
2. 生物相容性
指生物材料有效和长期在生物体内或体表行
使其功能的能力。用于表征生物材料在生物体内
与有机体相互作用的生物学行为。
根据材料与生物体接触部位分为： • 血液相容性。材料用于心血管系统与血液接触， 主要考察与血液的相互作用 与心血管外的组织和器官接触。主要考察与组织
– 血液亲和性及物理机械性能较好的聚氨酯嵌段共聚物— 促使人工心脏向临床应用跨越一大步 – 可形成假生物内膜的编织涤纶管—人工血管向实用化飞 跃。
生 物 医 学 工 程 导 论 生 物 材 料 ——
附图：
图1.2 长骨干密质骨构造模式图
生 物 医 学 工 程 导 论 生 物 材 料
图1.3 皮肤的构造模式图
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生 物 医 学 工 程 导 论 生 物 材 料
图1.4 骨细胞结构模式图
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图1.5 细胞结构模式图
生 物 医 学 工 程 导 论 生 物 材 料 ——
§2 生物医用金属材料
• 在生物医学材料中，金属材料应用最早，已有数
百年的历史。唐代就用银汞合金（主要成份：汞、 银、铜、锡、锌）来补牙。 • 医用金属材料是指一类用作生物材料的金属或合 金，又称外科用金属材料。它是一类生物惰性材
工肺气体透过材料等
生 物 • 生物材料是研制人工器官及一些重要医疗技术的物质基础， 医 纵观人工器官及医疗装置的发展史，每一种新型生物材料 学 的发现都引起了人工器官及医疗技术的飞跃。 工 – 生物惰性医用硅橡胶—人工耳、人工鼻、人工颌骨等 程 导 – 血液相容性较好的各向同性碳被复材料—碟片式机械心 论 脏瓣膜 生 物 材 料 ——
生 二、生物材料的性能 物 1. 生物功能性 医 学 指生物材料具备或完成某种ห้องสมุดไป่ตู้物功能时应该具有的 工 程 一系列性能。 导 根据用途主要分为: 论 生 物 材 料
承受或传递负载功能。 如人造骨骼、关节和牙等，占主导地位 控制血液或体液流动功能。 如人工瓣膜、血管等电、光、声传导功能。如 心脏起博器、人工晶状体、耳蜗等 填充功能。 如整容手术用填充体等
的相互作用，也称一般生物相容性
• 力学相容性。考察力学性能与生物体的一致性
生 三、生物材料的生物相容性 物 1. 生物体对生物材料的响应－宿主反应 医 学（1）生物学反应 工 C: 组织反应 B: 免疫反应 A: 血液反应 程 1、补体激活； 1、炎症反应； 导 1、血小板血栓； 2、体液免疫反应（抗 2、细胞粘附； 论 2、凝血系统激活； 生 4、溶血反应； 物 5、白细胞反应； 材 6、细胞因子反应； 料
生 物 医 学 工 程 导 论 生 物 材 料 ——
（2）力学性能
• 材料要有合适的强度、硬度、韧性、 塑性等力学性能以满足耐磨、耐压、抗冲 击、抗疲劳、弯曲等医用要求。
生 物 医 学 工 程 导 论 生 物 材 料 ——
（3）耐生物老化性能 • 材料在活体内要有较好的化学稳定性， 能够长期使用，即在发挥其医疗功能的同时 要耐生物腐蚀、耐生物老化。
生物医学工程导论
第三章 生物材料
Chapter 3 Biomaterials
生 物 医 学 工 程 导 论 生 物 材 料 ——
§1 生物材料总论
一、生物材料的定义
• 生物材料（Biomaterials）为生物医学科学中的
最新分支学科，是生物、医学、化学和材料科学
形成的交叉学科。 • Westber字典－生物材料为用于与生物组织接触 的人工弥补物之材料。 • ISO定义：生物材料是用于生物系统疾病的诊断、
• 该材料是临床应用最广泛的承力植入材料，由 于有较高的强度和韧性，已成为骨和牙齿等硬 组织修复和替换、心血管和软组织修复以及人
工器官制造的主要材料。
• 化学周期表中的大部分金属不符合生物材料的
要求，仅有小部分或经处理过的可用于临床。
目前在临床使用的医用金属材料主要有不锈钢、 钴基合金和钛基合金三大类，另外还有记忆合
料 假体松动。这种磨损颗粒所导致的异物－巨细胞反应，又
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称颗粒病，是晚期失败的最主要原因。
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四、生物材料的一般性能要求
（1）生物相容性 生物相容性主要包括血液相容性、 组织相容性。材料在人体内要求无不良 反应，不引起凝血、溶血现象，活体组 织不发生炎症、排斥、致癌等。
纤维蛋白原的就地凝固用于眼科手术的组织粘合剂纤维蛋白原的就地凝固用于眼科手术的组织粘合剂肺切除后胸腔填充物和外科手术中的止血肺切除后胸腔填充物和外科手术中的止血纤维蛋白粉末用作止血剂可以与抗菌素共用用纤维蛋白粉末用作止血剂可以与抗菌素共用用作充填慢性骨炎和骨髓炎手术后的骨缺损作充填慢性骨炎和骨髓炎手术后的骨缺损纤维蛋白海绵用作止血剂扁平瘢的治疗和唾液腺纤维蛋白海绵用作止血剂扁平瘢的治疗和唾液腺外科手术后的填充物外科手术后的填充物组织代用品商品名组织代用品商品名bioplastbioplast主要用于关节成型术主要用于关节成型术视网膜脱离眼外科治疗肝脏止血及疝气修复等视网膜脱离眼外科治疗肝脏止血及疝气修复等纤维蛋白薄膜用于神经外科
• 人工合成材料－如各种人工合成的新型材料
生 物 医 学 工 程 导 论 生 物 材 料 ——
按使用部位分类：
• 硬组织材料－包括骨、牙齿用材料
• 软组织材料－包括软骨、脏器用材料 • 心血管材料－包括心血管以及导管材料 • 血液代用材料－包括人工红血球、血浆等 • 分离、过滤、透析膜材料－包括血液净化、肾透析、人
生 物 • 器官移植取得巨大进展，但有难题：排异、器官来源、法 律、伦理等。因此医学界对生物材料和人工器官的要求日 材 料 益增加。
• 1588年人们用黄金板修复颚骨。1775年就有用金属固定体 内骨折的记载。1851年发明了天然橡胶的硫化方法后，有 人采用硬胶木制作了人工牙托的颚骨。
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图2.1 骨钉和接骨板
生 物 医• 学 工 程 导 论• 生 物 材 料 ——
二、医用钴基合金
含有较高的铬和钼，又称钴铬钼合金，具有极为优异的耐 腐蚀性（比不锈钢高40倍）和耐磨性，综合力学性能和生
生 （3） 磨损 物 医 • 人工关节常用材料为Ti6Al4V，由于表面易氧化生成 学 工 TiO2，其耐磨性差，植入人体后，磨损造成在关节周围组 程 织形成黑褐色稠物，从而引起疼痛。钛合金人工全髋关节 导 平均寿命一般都低于10年。 论
•
目前，大量的人工髋关节是由坚硬的金属或陶瓷的股
骨头与超高分子聚乙烯的髋臼杯组合成，然而它的寿命也 生 物 不超过25年。长期随访资料显示，假体失败的主要原因是 材 超高分子聚乙烯磨损颗粒所造成的界面骨溶解，从而导致
• •
急性局部反应 炎症、血栓、坏死、排异等 慢性局部反应 致癌、钙化、炎症、溃疡等
生 物 医 学 工 程 导 论 生 物 材 料 ——
2. 材料在生物体内的响应－材料反应
生物机体作用于生物材料——材料反应， 其结果可导致材料结构破坏和性质改变而丧失
其功能。可分为如下三个方面：
• 金属腐蚀 • 聚合物降解 • 磨损
力腐蚀开裂、点腐蚀、晶间腐蚀、腐蚀疲劳以
及缝隙腐蚀等，导致生物材料整体破坏。 • 虽然金属材料在生物体内保持惰性状态，但仍 然可能会有物质溶入生物组织中，并对生物体 组织产生毒性反应，造成组织的损害。如不锈
钢中溶出的Cr＋6生物组织的毒性。
生 （2） 聚合物降解 物 医 学 工 聚合物在长期使用过程中，由于受到氧、热、紫 程 外线、机械、水蒸气、酸碱及微生物等因素作用，逐 导 渐失去弹性，出现裂纹，变硬、变脆或变软、发粘、 论
生 物 医 学 工 程 导 论 生 物 材 料 ——
（1）金属腐蚀
生物体内的腐蚀性环境：
（1）含盐的溶液是极好的电解质，促进了电化 学腐蚀和水解； （2）组织中存在具有催化或迅速破坏外来成分 能力的多种分子和细胞。将对生物金属材料
产生腐蚀。
生 物 医 学 工 程 导 论 生 物 材 料 ——
• 对于生物材料而言多为局部腐蚀，具体包括应
生 物 医 学 工 程 导 论 ——
• 生物材料:
– 人工合成材料和天然材料； – 单一材料;
– 复合材料
– 活体细胞或天然组织与无生命的材料结合而成 的杂化材料。
• 生物材料本身不是药物，其治疗途径是与生物机 生 体直接结合和相互作用为基本特征。 物
材 料
• 生物材料的研究内容具体涉及到材料科学、生命 科学、化学、生物学、解剖学、病理学、临床医 学、药物学、工程技术和管理科学等
变色等，从而使它的物理机械性能越来越差的现象。
生 物 材 料
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生 物 医 学 工 程 导 论 生 物 材 料 ——
•
聚合物老化易形成的碎片、颗粒、小分子 量单体物质，因此使用它时必须谨慎，对耐久
性器件，必须保持一定强度和其它机械性能，
老化产物不能对周围组织有毒害作用。 • 例如，医用缝合线降解时会产生酸性物质， 如果量少，很容易被人体中的化学物质中和， 如果老化产物较大，则会对周围组织产生损害。
• 目前被详细研究过的生物材料已超过1000种，
被广泛应用的有90多种，1800多种制品。西
方国家每年耗用生物材料量以10~15%的速度
增长，1980年全球医用生物材料及制品的销售 额为200亿美元，1990年达500亿美元，
1995年近1000亿美元。
• 我国生物材料的研究起步较晚（五十年代），
但发展很快。
• 生物降解材料－多肽、聚氨基酸、聚乳酸、β-磷酸 三钙等
• 高分子药物－多肽、多糖类免疫增强剂、胰岛素、 人工合成疫苗等
生 物 医 学 工 程 导 论 生 物 材 料 ——
按材料来源分类：
• 自体组织－如人体听骨、血管等替代材料
• 同种异体器官及组织－用于器官移植 • 异种器官及组织－如动物骨、肾替换人体器官 • 天然生物材料－如动物骨胶原、甲壳素、纤维素、珊瑚 等
• 铁基耐蚀合金（一般由铁、铬、镍、钼、锰、
硅组成），易加工、价格低廉 。
• 不锈钢的耐蚀性和屈服强度可以通过冷加工而 提高，避免疲劳断裂。 • 一般不锈钢制成多种形体，如针、钉、髓内针、 齿冠、、三棱钉等器件和人工假体而用于临床，
不锈钢还用于制作各种医疗仪器和手术器械。
生 物 医 学 工 程 导 论 生 物 材 料 ——
治疗、修复或替换生物体组织或器官，增进或恢
复其功能的材料。
生 物 医 学 工 程 导 论 ——
• 生物材料的开发和利用可追溯到3500年前，那时的古埃及 人就开始利用棉纤维、马鬃作缝合线缝合伤口； • 印第安人则使用木片修补受伤的颅骨。 • 2500年前，中国和埃及的墓葬中就发现有假牙、假鼻和假 耳。人类很早就用黄金来修复缺损的牙齿，并沿用至今。
7、蛋白粘附。
3、纤溶系统激活；
原－抗体反应）；
——
3、细胞增殖（异常分 3、细胞免疫反应。 化）；
4、形成囊膜；
5、细胞质的转变。
生 （2）生物体对生物材料的反应 物 医 • 急性全身反应 学 过敏、毒性、溶血、发热、神经麻痹等 工 程 • 慢性全身反应 导 论 毒性、致畸、免疫、功能障碍等 生 物 材 料 ——
金、贵金属以及纯金属钽、铌和锆等。
生 物 医 学 工 程 导 论 生 物 材 料 ——
• 常用医用金属材料 – 不锈钢 – 钴（Co）基合金 – 钛（Ti）基合金 – 形状记忆合金 – 贵金属 – 纯金属钽 – 纯金属铌
– 纯金属铬
生 物 医 学 工 程 导 论 生 物 材 料 ——
一、医用不锈钢
等
生 物 医 学 工 程 导 论 生 物 材 料 ——
按材料的功能分类：
• 血液相容性材料－聚氨酯/聚二甲基硅氧烷、骨胶原 材料等
• 软组织相容性材料－聚甲基丙烯酸羟乙酯、改性甲
壳素等，用于人工皮肤、人工气管、人工食道等
• 硬组织相容性材料－生物陶瓷、生物玻璃、钛及合 金、钴铬合金、碳纤维、聚乙稀等
共聚物、涤纶、尼龙、聚丙烯腈、聚烯烃
生 物 材 料
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• 医用金属材料—不锈钢、钛及钛合金、钛镍记忆 合金等
生 物 医 学 工 程 导 论 生 物 材 料 ——
按材料属性分类：
• 无机生物医学材料—碳素材料、生物活性
陶瓷、玻璃材料
• 杂化生物材料—指来自活体的天然材料与
合成材料的杂化，如胶原与聚乙烯醇的交 联杂化等 • 复合生物材料—用碳纤维增强的塑料，用 碳纤维或玻璃纤维增强的生物陶瓷、玻璃
料，除具有较高的机械强度和抗疲劳性能，具有
良好的生物力学性能及相关的物理性质外，还必 须具有优良的抗生理腐蚀性、生物相容性、无毒 性和简易可行及确切的手术操作技术 .
生 物 医 学 工 程 导 论 生 物 材 料 ——
图2.1 人工髋关节模式图
生 物 医 学 工 程 导 论 生 物 材 料 ——
（4）成形加工性能
• 容易成形和加工，价格适中。
生 物 医 学 工 程 导 论 生 物 材 料 ——
图1.1 生物材料的应用领域
生物材料涵盖了各种材料——金属、陶瓷和聚合物
生 五、生物材料的分类 物 医 按材料属性分类： 学 • 天然生物材料—再生纤维、胶原、透明质酸、甲 工 程 壳素等。 导 • 合成高分子生物材料—硅橡胶、聚氨脂及其嵌段 论