生物材料及制造

生物制造工程的研究方向

目前生物制造工程的研究方向是如何把制造科学、生 命科学、计算机技术、信息技术、材料科学各领域的 最新成果组合起来，使其彼此沟通起来用于制造业， 是生物制造工程的主要任务。 两方面6个研究方向： （1）仿生制造 （2）生物成形制造 生物组织和结构的仿生 生物去除成形 生物遗传制造 生物约束成形 生物控制的仿生 生物生长成形


代表材料：骨形态发生蛋白
Bone Morphogenetic Protein
（BMP）
BMP图
中国生物材料委员会 "(Chinese Committee For Biomaterials, 缩写为 CCBM
成立于1996年，由中国材料研究学会、中国生物医 学工程学会、中华医学会等10个与生物材料相关的 全国学会派出代表组成，依托于四川大学的国家生 物医学材料工程技术研究中心。
•按材料组成和性质分类：
金属材料 Biomedical Metallic Materials
百度文库
无机非金属材料 又称生物陶瓷
Biomedical Ceramics
生物材料
高分子材料
Biomedical Polymer
复合材料
Biomedical Composites
衍生材料
Biologically Derived Materials
+
现有的生物材料
支架
细胞培养，测试支架功能 找出每种RP可加工的材料
6.2生物纳米材料和技术初见倪端
纳米材料在医学上主要 用做药物控释材料和药 物载体，可以提高药物 治疗效果和减少其用量 和毒副作用。 通过纳米技术使介入性 诊断和治疗向微型、微 量、位创或无创、快速、 功能性的方向发展
碳纳米管芯片
用生物材料制造的成品
隐形眼睛
假牙 假肢
生物材料及制造的定义
《
生物材料(biomaterials)： 是一种与生物系统相互接触后可以对生物 体的组织、器官或功能进行诊断、治疗、可 增强或可替代的材料，又称生物医用材料。
《
生物制造（biofabrication）： 通过制造科学与生命科学的结合，在微滴、
20世纪末，以纳米科技为首的物理、化学的科 技迅猛发展，极大的带动了生物材料的研究和 飞速发展时期 发展，使得生物材料进入了全新的飞速发展时 期，产生了，如药物释放、生物传感器、人工 器官、仿生材料、智能材料、生物医学材料等 的多学科交叉、多应用前景的发展局面。
药物释放载体
纳米机器人
总体上生物材料发展历经三代：
X线透视
核磁共振
7.总结 随着制造科学、生命科学、材料科学、信息技 术等学科的不断发展，未来生物材料与制造将 会更加复合化、更加功能化、更加智能化。 一方面，现代制造技术运用于生命科学，使人 体器官和组织的人工制造将会变得越来越容易； 另一方面，随着医学的不断发展和生物工程研 究的不断深入，将生物技术运用于传统的制造 业，也必将推动制造技术的更新。
生长因子
快速成型 技术（RP）
利用快速成形技术制造组织工程支架
快速成形技 术
光固化/立体光刻工艺（SLA）
熔融堆积成形工艺（FDM） 选择性激光烧结工艺（SLS） 用于组织工程支架制备 3种主要方法 三维印刷工艺（3DP） 分层实体制造工艺（LOM）
一种心脏组织工程支架
无木模制造（PCM）
快速成形技术
3）生物控制的仿生

应用生物控制原理来计算、分析和控制制造过 程。 例如： 人工神经网络 遗传算法 仿生测量研究 面向生物工程的微操作系统原理 设计与制造基础
（2）生物成形制造

找到“吃”某些工程材料的菌种，实现生物去除 成形(Bioremoving forming)； 是通过复制或金属化某些不同亚结构与几何外形 的菌体，再经排序或一系列微操作，从而实现生 物约束成形(Biolimited forming)；
2）生物约束成形

目前已发现的微生物中大部分细菌直径只有1μm左右， 菌体有各种各样的标准几何外形，用现在加工手段很 难加工除这么小的标准三维形状。这些菌体的金属化 将会有以下用途：
构造微管道，微电极、微导线 菌体排序与固定，构造蜂窝结构、复合材料、多孔材料、 磁性功能材料等。 去除蜂窝结构表面，构造微孔过滤膜、光学衍射孔等
第一代：
20世纪初第一次世界大战以前使用的医用材料。
代表材料
石膏
各种金属
橡胶
棉花等
第二代：
是建立在医学、材料科 学（尤其是高分子材 料学）、生物化学、
胶原 羟基磷灰石 （HA）
磷酸三钙
物理学及大型物理测
试技术发展基础之上 的生物医用材料。
聚甲基丙烯酸 羟基乙酯
代表材料
聚羟基乙酸
多态、纤维 蛋白等
第三代： 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
细胞和分子尺度的科学层次上，通过受控组 装完成器官、组织和仿生产品的制造之科学 和技术总称。
2.生物材料及制造的发展历程
2.1生物材料发展简史
公元3500年前：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。 公元2500年前：中国和埃及的墓葬中就发现有假牙、 假鼻和假耳。那时的人类很早就用黄金来修复缺损的 牙齿，并沿用至今。
所以对生物材料使用要有严格的以下要求：
（1）良好的生物相容性 （2）生物稳定性要好 （3）物理和力学性质稳定 （4）易于加工成形、价格适当 （5）对于暂时植入的材料，要求在确定的时间 内能降解可被人体吸收或代谢的无毒单片或片 段 （6）便于消毒、无毒无热源、不致癌不致畸
4.生物制造的主要内容
生物制造工程的体系结构

生物材料及制造的应用
6.生物材料及制造的展望
6.1组织工程材料及相关制造技术需要突破
组织工程
Tissue engineering
种子细胞 高分子 生物材料 组织工程支架
应用工程学、生命科 学的原理和方法来制 备具有生物活性的人 组织工程 工替代物，用以维持、 恢复或提高人体组织、 器官的一部分或全部 功能
生物材料及制造的发展和应用
作者：于云
目录
1.
2. 3. 4. 5.
6.
7.
生物材料及制造的概念 生物材料及制造的发展历程 生物材料的分类及性能 生物制造的主要内容 生物材料及制造的应用 生物材料及制造的展望 总结
1.生物材料及制造的概念
什么是生物材料 及制造呢？
用生物材料制造的成品
人造心脏 人造关节 人工肾
（2） 生物活性材料； （3）可降解和可吸收的生物医用材料。
•按照研究对象和使用目的的不同，可将生 物材料分为三种：
一、天然生物材料，这是一类在生物过程中形成的材 料，如棉、麻、蚕丝、贝壳等； 二、生物医用材料，指植入活体内能有某种生物学功 能的材料，如制作各种人工器官的材料； 三、仿生和组织工程材料，它是生物材料学与化学、 工程学交叉的部分，包括各种仿生材料、智能材料和 组织工程材料。
（3）化学稳定性 耐生物老化性（特别稳 定）或可生物降解性。
材料在体内要有较好的 化学稳定性，才能够长 期使用。
（4）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。
（5）可加工性 能够成形和消毒（紫外灭菌、高压煮沸、酒精消毒等）。
●● ● ●● ●
早期
20世纪初，高分子材料开始得到应用。牙科医学中开 始应用聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA)。开始试验用聚 乙烯塑料制造血管替代材料。用涤纶仿造动脉血管。 20世纪60年代初，用高分子聚乙烯和不锈钢制成的 人工髋关节被植入人体并取得成功。
发展时期
20世纪60年代末和70年代初，在美国克莱姆森大学举 行的生物材料讨论会上“biomaterial”一词开始被普遍 使用。
6.3材料表面改性的新方法和新技术还应探索

表面改性的研究，以大幅度改善生物医用材料 与生物体的相容性为目标。 对传统材料进行表面化学处理（表面接枝大分 子或基团）、表面物理改性（等离子体、离子 注入或离子束）和生物改性能制造性能优异的 新材料。

6.4介入治疗材料研究异军突起


介入治疗是指在医学 影像技术（如X线透视、 CT、超声波、核磁共 振）引导下，用穿刺 针、导丝、导管等精 密器械进入病变部位 进行治疗。 介入治疗材料包括支 架材料、导管材料及 栓塞材料等



3)生物生长成形


生物体和生物分子具有繁殖、 代谢、生长、遗传、重组等 特点。 未来将现实人工控制细胞团 的生长外形和生理功能的生 物生长成形技术。可以利用 生物生长技术控制基因的遗 传形状特征和遗传生理特征， 生长出所需外形和生理功能 的人工器官，用于延长人类 生命或构造生物型微机电系 统。
5.生物材料及制造的应用
隐形眼镜 牙移植 血管支架
人工耳蜗 静脉主导管
起搏器 静脉导管 药物传递系统
胆道内支架
血液透析产品
骨科植入体 伤口引流导管
生物材料及制造在医学领域的应用
聚乳酸-羟基乙酸共聚物 (polylactic-co-glycolic acid)，PLGA)

生物计算机

可使盲人重见光明的 “眼睛芯片” 个性化人造器官等
①
不锈钢、钛、金、银等
金属材料 钴、镍、银-汞合金等
金属覆膜导管支架图
②
氧化铝
无机非金属材料 （陶瓷材料）
氧化锆 氧化硅 氧化镁 氧化钛、铝酸钙等
烤瓷牙图
聚乙烯、聚丙烯 聚氯乙烯、聚四氟乙烯 ③ 聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯 高分子材料 聚甲基丙烯酸羟乙酯、聚氨酯 硅橡胶、天然橡胶、碳纤维 胶原、甲壳素、纤维素 吸附树脂等
2.2生物制造发展简史

材料是当代社会经济发展的物质基础，也是制 造业发展的基础和重要保障，因此生物材料发 展的同时，生物制造也跟随着发展。
里程碑
进化、遗传 、生物化学
人工器官的 生物制造 生物制造技术发展里程碑
人工骨和视网 膜的生物制造
3.生物材料的分类及性能
3.1生物材料的分类

按材料在生理环境中的生物化学反应水平分 类： （1）惰性生物医用材料；


通过控制基因的遗传形状特征和遗传生理特征， 生长出所需的外形和生理功能，实现生物生长成 形(Biogrowing forming)。
1）生物去除成形

例： 氧化亚铁硫杆菌T—9菌株是 中温、好氧、嗜酸、专性无 机化能自氧菌，其主要生物 特性是将亚铁离子氧化成高 铁离子以及将其他低价无机 硫化物氧化成硫酸和硫酸盐。 加工时，可掩膜控制去除区 域利用，利用细菌刻蚀达到 成形的目的。
④
天然橡胶
纤维增强聚合物材料 金属-陶瓷复合材料
聚合物基纤维增强复合材料(FRP)
复合材料
⑤
生物衍生材料 生物衍生材料是由经过特殊处理的天然生物组织 形成的生物医用材料，也称为生物再生材料。 主要用于人工心脏瓣膜、血管修复体、皮肤敷膜、 纤维蛋白制品、骨修复体、软膜修复体、鼻软骨 种植体、血液透析膜等。
3.2生物材料的性能
（1）生物功能性 指生物材料具备或完 成生物功能时应该具有 的一系列性能。 因各种生物材料用途 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 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。 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）
1）生物组织和结构的仿生
2）生物遗传制造
基于DNA分子在生物体 内的自我复制机制，利用 基因技术来实现具有一定 几何形状的生物制造。既 可实现生物材料和非生物 材料的有机结合，又可根 据生成物的特征采用人工 控制遗传信息的方法来控 制生长单元以生长出具有 生物结构活性的“零部 件”， 如人造骨骼、组织、器官、 肢体等