生物医用材料

⽣物医⽤材料
⽣物医⽤⾼分⼦材料课程总结
⼀、⽣物医⽤材料定义
⽣物医⽤材料：对⽣物系统的疾病进⾏诊断、治疗、外科修复、理疗康复、替换⽣物体组织或器官（⼈⼯器官），增进或恢复其功能，⽽对⼈体组织不会产⽣不良影响的材料。

⽣物医⽤材料本⾝并不必须是药物，⽽是通过与⽣物机体直接结合和相互作⽤来进⾏治疗;⽣物医⽤材料是⼀种植⼊躯体活系统内或与活系统相接触⽽设计的⼈⼯材料。

研究内容包括：各种器官的作⽤；⽣物医⽤材料的性能；组织器官与材料之间的相互作⽤
分类⽅法：按材料的传统分类法分为：
(1)合成⾼分⼦材料（如聚氨酯、聚酯、聚乳酸、聚⼄醇酸、）
(2)天然⾼分⼦材料（如胶原、丝蛋⽩、纤维素、壳聚糖）
(3)⾦属与合⾦材料(4)⽆机材料(5)复合材料
按材料的医⽤功能分为：
(1)⾎液相容性材料(2)软组织相容性材料(3)硬组织相容性材料
(4)⽣物降解材料(5)⾼分⼦药物
⼆、⽣物相容性与安全性
⽣物相容性，是⽣物医⽤材料与⼈体之间相互作⽤产⽣各种复杂的⽣物、物理、化学反应的⼀种概念。

⽣物医⽤材料必须对⼈体⽆毒、⽆致敏、⽆刺激、⽆遗传毒性、⽆致癌性，对⼈体组织、⾎液、免疫等系统不产⽣不良反应。

主要包括：1.组织相容性：指材料⽤与⼼⾎管系统外的组织和器官接触。

要求医⽤材料植⼊体内后与组织、细胞接触⽆任何不良反应。

典型的例⼦表现在材料与炎症，材料与肿瘤⽅⾯。

影响组织相容性的因素：1）材料的化学成分；2）表⾯的化学成分；3）形状和表⾯的粗糙度：
2.⾎液相容性：材料⽤于⼼⾎管系统与⾎液直接接触，主要考察与⾎液的相互作⽤材料，影响因素：材料的表⾯光洁度；表⾯亲⽔性；表⾯带电性，具体作⽤机理表现在：⾎⼩板激活、聚集、⾎栓形成；凝⾎系统和纤溶系统激活、凝⾎机能增强、凝⾎系统加快、凝⾎时间缩短；红细胞膜破坏、产⽣溶⾎；⽩细胞减少及功能变化；补体系统的激活或抑制；对⾎浆蛋⽩和细胞因⼦的影响。

主要发⽣在凝⾎过程，⽣物材料与⾎⼩板，⽣物材料与补体系统的作⽤过程。

三、⽣物医⽤材料表⾯改性
⽣物材料长期(或临时)与⼈体接触时，必须充分满⾜与⽣物体环境的相容性，即⽣物体不发⽣任何毒性、致敏、炎症、致癌、⾎栓等⽣物反应，这取决于材料表⾯与⽣物体环境的相互作⽤。

研究表明：⽣物材料表⾯的成分、结构、表⾯形貌、表⾯的能量状态、亲(疏)⽔性、表⾯电荷等表⾯化学、物理及⼒学特性均会影响材料与⽣物体之间的相互作⽤。

通过物理、化学、⽣物等各种技术⼿段改善材料表⾯性质，可⼤幅度改善⽣物材料与⽣物体的相容性。

主要体现在：
1表⾯形貌与⽣物相容性：表⾯平整光洁的材料与组织接触容易形成炎症和肿瘤，粗糙的材料表⾯则促使细胞和组织与材料表⾯附着和紧密结合。

不仅增加了接触⾯积，更会在粗糙表⾯择优粘附成⾻细胞、上⽪细胞。

粗糙表⾯的形态对细胞⽣长有“接触诱导”作⽤，即细胞在材料表⾯的⽣长形态受材料表⾯形态的调控。

例如：
1），与⾻接触的医⽤⽣物材料表⾯要求粗糙，表⾯具有⼀定粗糙度可促进⾻与材料的接触，可显著促进矿化作⽤。

2）与⾎液接触的医⽤⽣物材料，⼀般要求材料的表⾯应尽可能光滑。

因为光滑的表⾯产⽣的激肽释放酶少，从⽽使凝⾎因⼦转变较少。

但孔表⾯有促进内⽪细胞⽣长的作⽤。

控制材料表⾯的粗糙化主要有：(1)⽤精密的机械加⼯⽅法在材料表⾯加⼯出螺线、台阶和孔；(2)⽤微机械和微刻蚀技术获得精确控制的粗糙表⾯、(3)⽤等离⼦体喷徐复型⽅法及离⼦束轰击获得精确的表⾯显微形貌。

2.对⽣物材料表⾯修饰
材料表⾯修饰是材料改性的最直接⽅法，主要包括以下⽅法：1)种植内⽪细胞；2)涂布⽩蛋⽩涂层；3)聚氧化⼄烯表⾯接枝；
4)磷脂基团表⾯
3．离⼦体表⾯改性
等离⼦体是⼀种全部或部分电离的⽓态物质，可与材料表⾯相互作⽤，产⽣表⾯反应，使表⾯发⽣物理化学变化⽽实现表⾯改性。

等离⼦体表⾯改性有三种类型：1)等离⼦体表⾯聚合、2）等离⼦体表⾯处理、3）等离⼦体表⾯接枝。

4．离⼦注⼊表⾯改性
由离⼦源产⽣离⼦，通过质量分析器的磁偏转作⽤对离⼦进⾏选择，只选择⼀种质量的离⼦通过，离⼦经强电场或多级电场加速后由静电透镜聚焦，利⽤静电扫描器扫描，轰击样品的表⾯，实现离⼦注⼊。

特点：1)推确地在材料表⾯预定深度注⼊预定剂量的⾼能量离⼦，使材料表层的化学成分、相结构和组织发⽣显著变化，以改变材料与⽣物体相互作⽤⾏为。

2)⾦属材料主要是作为承受载荷的硬组织替代材料。

5. 表⾯涂层与薄膜合成
在⽣物材料表⾯合成的薄膜(涂层)主要是陶瓷薄膜(涂层)和⾼分⼦薄膜(涂层)
主要包括：1)⽣物陶瓷涂层2)低温液相沉积3)⽓相沉积4)离⼦束薄膜合成
6.⾃组装单分⼦层
⾃组装单分⼦层是⼗分新颖的材料表⾯⽣物化技术。

在硅、玻璃、⾦、硅橡胶等衬底材料上可以形成⾼度有序排列的硫烷、三氯硅烷等单分⼦层。

其主要意义在于：通过控制⾃组装单分⼦层表⾯基团种类，可以改变材料表⾯能量状态、荷电状态、蛋⽩质吸附⾏为及细胞⽣长⾏为
四、⽣物玻璃
⽣物玻璃是由SiO2, Na2O, CaO, P2O5等氧化物组成的玻璃系列，改变⽐例，可以得到活性程度不同的⽣物玻璃。

最⼤优点是：具有很⾼的⽣物活性，快速与⾻组织结合；缺点是：强度太低，弯曲强度仅为30-50MPa，⽆法承受应⼒的作⽤。

应⽤受到了限制，⽬前仅⽤于涂层、颗粒和不受⼒的场合。

⽣物玻璃是软的玻璃，最后的形状尺⼨由机械加⼯得到。

⽣物玻璃与⾻组织化学结合的本质是在体液中的化学反应，⽣物玻璃表⾯发⽣的反应导致⽣成羟基磷灰⽯层，羟基磷灰⽯层则可直接与⾻发⽣结合。

反应主要分以下5步进⾏：
I：玻璃表⾯溶出K+，Na+，Ca2+离⼦，
II：形成⽹络的-Si-O-Si-O-Si-键断裂，硅以Si(OH)4的形式被溶出。

III：溶出的Si(OH)4在表⾯聚合，形成⽔合的SiO2凝胶层；
IV：⽣理液中的Ca2+, PO43-迁移⾄SiO2凝胶表⾯，形成⾮晶的CaO- P2O5 层；
V：⾮晶的CaO-P2O5层进⼀步吸收Ca2+,等离⼦，并发⽣晶化，最终形成晶态的羟基磷灰⽯层。

五、⽣物医⽤复合材料的研究进展及趋势
1.定义：⽣物医⽤复合材料是由两种或两种以上的不同材料复合⽽成的⽣物医⽤材料，它主要⽤于⼈体组织的修复、替换和⼈⼯器官的制造。

2.⽣物医⽤组分材料必须满⾜下⾯⼏项要求：
(1)具有良好的⽣物相容性和物理相容性，保证材料复合后不出现有损⽣物学性能的现象；
(2)具有良好的⽣物稳定性，
(3)具有⾜够的强度和韧性，能够承受⼈体的机械作⽤⼒。

(4)具有良好的灭菌性能，保证⽣物材料在临床上的顺利应⽤。

(5)⽣物材料要有良好的成型、加⼯性能，不因成型加⼯困难⽽使其应⽤受到限制。

3. ⽣物医⽤复合材料的种类
1）、陶瓷基⽣物医⽤复合材料
2）、⾼分⼦基⽣物医⽤复合材料
3）、⾦属基⽣物医⽤复合材料
4.⽣物医⽤复合材料的研究趋势与展望
1）、整体材料性能按梯度变化
2）、⽣物医⽤复合材料研究与⽣物材料的⽣理活化研究相结合
3)、⽣物医⽤复合材料研究与仿⽣材料研究相结合
4)、⽣物医⽤复合材料研究与组织⼯程材料研究相结合
六、⼈⼯⼼瓣膜
瓣膜相当于单向阀门，⼈的⼼脏中有四个⼼瓣膜，保证⾎液向⼀个⽅向流动。

在这四个⼼瓣膜中，左⼼室的两个瓣膜容易失效，其中⼜以主动脉瓣最易失效。

这类病例可以通过置换⼈⼯⼼瓣膜继续⽣存。

临床上使⽤机械型和⽣物型两种⼈⼯⼼瓣
机械式瓣膜的特点：
（1）使⽤寿命长，适合年轻的患者使⽤；
（2）尽管瓣膜涂层有较好的⾎液相容性，但是瓣膜的抗凝⾎能⼒仍然低，患者需要长期服⽤抗凝⾎药物以抵抗表⾯凝⾎。

机械式瓣膜材料选⽤⾦属钛、聚合物、碳纤维等制作，表⾯有涂层
⽣物瓣膜的特点和适应症：
(1) ⽣物瓣膜使⽤寿命较短，⾎液回流⽐机械瓣⼤；
(2) 相对来讲，⽣物瓣膜抗凝⾎性能优于机械瓣，因此适合于年⽼的患者，或不能长期服⽤抗凝⾎药物的患者。

⽣物瓣膜⽤猪或⽜⼼包，采⽤⽣物固定技术，经交联处理后制得。

未来⽅向：机械式瓣膜需要进⼀步开发优良涂层，⽣物瓣膜需要更好的交联剂，第三个⽅向就是⽤组织⼯程制备⼼脏瓣膜
七、组织⼯程材料与⼈⼯器官---软组织修复与重建
1、组织⼯程的基本原理
将体外培养的组织细胞吸附扩增于⼀种⽣物相容性良好并可被⼈体逐步降解吸收的⽣物材料上，形成细胞／⽣物材料复合物。

这种具有⽣命⼒的活体组织能对病损组织进⾏形态、结构、功能的重建并达到⽔久性替代。

2、组织⼯程材料——软组织修复与重建
组织⼯程材料按件质和应⽤⼤致分为⽣物降解材料、组织引导材料、组织诱导材料和组织隔离材料。

1) ⽣物降解材料通常分为天然⽣物降解材料与合成⽣物降解材料。

天然⽣物降解材料：与细胞的相容性⽐较好，但⼒学强度较差，性能随批次不同有差异。

主要包括：aⅠ型胶原b氨基葡聚糖c壳聚糖d聚羟基烷基酸酯
e发展中的可降解材料
主要是利⽤多肽化合物和⼯程菌，合成⼀些有类似弹性蛋⽩结构的聚合物。

其共聚物⼰⽤于肌⾻骼修复。

这类具有重复多肽结构的蛋⽩质聚合物是⼀类新兴的材料。

合成⽣物降解材料：合成降解材料则具有强度⾼、来源充⾜、易于加⼯
主要包括：a聚羟基⼄酸及其共聚物b聚ε-⼰内酯c聚原酸酯和聚酐d聚磷腈e聚氨基酸2) 组织引导材料
组织引导材料主要是引导组织的再⽣，例如⽪肤创伤的修复和神经的再⽣。

3) 组织诱导材料
⽣物活性的⽣物医⽤材料可以对这些反应起诱导作⽤从⽽促进细胞和组织的应答反应。

4) 组织隔离材料
利⽤⽣物材料将细胞与宿主隔离，解决⽣物材料的异体排斥难题
3、组织⼯程⽀架的研究与制备⽅法
组织⼯程制成的器官常常需要制备⼀个临时的多孔⽀架。

⽀架的功能是指导种植的细胞或者迁移到⽀架周围的细胞⽣长或增殖。

具体⽅法：1)纤维连结法2)溶剂浇铸和孔隙制取法3)层压膜法4)熔融膜压法5)纤维增强法6)相分离法7)原位聚合法
4、细胞与材料的界⾯反应
通常以在细胞培养条件下测定细胞粘附、扩散、⽣存、功能、死亡等参数的⽅法来评价细胞与聚合物界⾯的反应状况。

具体研究包括
1)、材料化学表⾯对细胞的影响
2)、降解材料及⼀般聚合物表⾯修饰对细胞的影响
3)、材料物理表⾯对细胞的影响
4)、细胞与悬浮聚合物的影响
5、组织与细胞的微环境
构建完善的组织⼯程装置，不仅要研究聚合物材料的性质，还需给细胞提供⼀个能够⽣长、增殖、分化的良好环境。

组织微环境主要涉及三个⽅⾯，即：细胞要素、可溶性⽣长因⼦、胞外基质。

胞外基质（ECM）是由蛋⽩质和糖胺聚糖经化学和物理交联形成的复合物。

它的主要成分是1)蛋⽩多糖和糖胺聚糖2)⾎⼩板反应蛋⽩3)纤维结合素4)胶原蛋⽩
6、组织⼯程中的⼈⼯器官
组织⼯程可以分为两个⽅⾯：在体外⽤分离的细胞建造⼈⼯组织；在体内调整细胞的⽣长和功能，例如植⼊聚合物导管促使损伤的神经细胞⽣长并连接。

⼋、硬组织修复与⾻组织⼯程材料
硬组织修复与重建材料是⽣物医学材料中发展最早、最成熟的领域。

⽤于硬组织修复与替换的材料，仍然⾸推⾦属与合⾦，其次是⽣物陶瓷、聚合物、复合材料、⼈和动物的⾻骼衍⽣物。

不仅要求修复材料⽆毒副作⽤、有⽣物安全性，还要在⾻和关节复杂的应⼒条件下，有⾜够的⼒学强度，并且能与原⾻牢固结合。

下⾯介绍集中重要的应⽤：
1.⽣物活性陶瓷
⽣物活性陶瓷，是指能与活体⾻组织、活体软组织形成化学键合的陶瓷材料。

其键合主要是由羟基磷灰⽯在界⾯处的沉积⽽实现。

典型的⽣物活性陶瓷主要包括两类：⼀类是⽣物活性玻璃和玻璃陶瓷，另⼀类是磷酸钙基⽣物陶瓷。

1) ⽣物活性玻璃陶瓷及其⾻键合机制
a⽣物玻璃是SiO2—P2O5—CaO—Na2O四元体系。

玻璃陶瓷与活体⾻组织键合，是通过在体内环境中玻璃陶瓷表⾯形成的磷灰⽯层实现的，玻璃陶瓷体相中的磷灰⽯相在键合形成中不起作⽤。

在体内环境中形成表⾯磷灰⽯相，是通过玻璃陶瓷体相中的硅灰⽯和玻璃相降解，释放的Ca2+和HSIO3-间的反应完成的
2）羟基磷灰⽯⽣物活性陶瓷及其⾻键合
羟基磷灰⽯⽣物活性陶瓷是由羟基磷灰⽯构成的⼀种磷酸钙基⽣物陶瓷。

它主要⽤于⼈体硬组织(⾻、⽛)的修复和替换，也⽤
于⼈⼯⾎管、⽓管等软组织及药物控释和送达载体，还是⼀种优良的⽣物化学吸附剂。

羟基磷灰⽯⽣物活性陶瓷具有良好的⽣物相容性，植⼊体内不仅安全、⽆毒，还能传导⾻⽣长，典型⽣物活性陶瓷，植⼊体内后能与组织在界⾯上形成化学键结合。

密羟基磷灰⽯陶瓷植⼊⾻内后，由成⾻细胞在其表⾯直接分化形成⾻基质，产⽣⼀个宽为3---5微⽶的⽆定形电⼦密度带羟基磷灰⽯⽣物陶瓷和⾻键接的机制通过这个很窄的键接带实现的
3）可降解⽣物陶瓷及其降解机制
⽣物降解是指在⽣命体系中材料从形态上由整体分化成部分和化学成分上由复杂变成简单的
过程。

可降解⽣物陶瓷是⼀种暂时性的替代材料。

其降解机制：a⽣理化学溶解，b物理解体c⽣物因素的作⽤主要是细胞介导过程，如吞噬或迁移被解体的陶瓷颇粒。

4）磷酸钙基⾻⽔泥
主要选⽤特定的磷酸钙盐以类似⽔泥固化的常温湿法合成羟基磷灰⽯
它的主要特点是；对软、硬组织有良好的⽣物相容性和⽣物活性；起始的糊状物可以经预固化成型、注射等多种⽅式使⽤；制备过程条件温和、简便；固化产物有较⼤的⽐表⾯积；可⽤于药物控制释放。

5）⽣物活性陶瓷复合增强
a⾦属纤维加到增强⽣物活性玻璃中可⽤于临床负荷部位的⾻修复。

b将⽣物活性羟基磷灰⽯颗粒掺⼊氧化物陶瓷，赋予陶瓷以⽣物活性获得⾼强度的⽣物活性复合陶瓷材料
2.钛合⾦的表⾯⽣物活化
⾦属材料常称⾦属植⼊材料，是应⽤最早的⽣物医⽤材料。

⾦属与合⾦虽然具有⾜够的强度和韧性，但属于⽣物惰性材料。

利⽤表⾯改性技术不仅可提⾼⾦属表⾯的稳定性和耐磨性，⽽且可赋予⽣物活性，即可使新⾻直接沉积于⾦属表⾯，⽽⽆纤维结缔组织的中间隔层。

1）医⽤全属表⾯⽣物活化原理
⾻替换材料与⾻组织间的理想结合⽅式是⾻键合。

医⽤⾦属材料的结构和性质与⾻组织相差很⼤，通常不能像⽣物活性材料那样与⾻组织发⽣化学键性结合，即它不是⽣物活性材料所以需要表⾯活性化处理
3、⾦属植⼊材料的功能涂层
⾦属材料和⾻组织在组成和性质上差异很⼤，⾦属植⼊体内后与⾻组织间往往形成纤维组织膜，使⾦属／⾻界⾯不能稳定结合。

所以在植⼊体⾦属表⾯制作⼀层⽣物活性陶瓷涂层，新⽣⾻与涂层直接形成化学键性结合达到固定。

具体⽅法有a等离⼦喷涂羟基磷灰⽯涂层b电化学沉积磷酸钙涂层⽅法c多孔钛涂层和⽣物
固定
4.聚台物基⾻替换复合材料
⾻可视为复合材料，⾻的组元主要是有机的胶原和⽆机的羟基磷灰⽯⽬前的应⽤主要有1）、纤维增强⾼分⼦复合材料
2）、钙磷增强⾼分⼦复合材料
5.⾻衍⽣材料
天然⾻具有优异的⽣物、⼒学等多种特性，合成材料难以满⾜要求，需要研究天然⾻的衍⽣材料
1）、⾻⽀架材料
2）、⾻基质材料⾻基质中除以胶原纤维为主外还含有⾮胶原蛋⽩，
⽬前主要以a脱钙⾻基质(DBM) 、b脱蛋⽩⾻基质、c重组合异种⾻基质
6、⾻组织⼯程
⾻组织⼯程，利⽤⼯程和⽣命科学的原理与⽅法，再⽣新的⾻组织，以修复、替代病变缺损⾻组织，或增进其功能的技术。

⾻组织⼯程的发展与两个因素有关：
1）优化和发展⾻组织再⽣所要依托的⽀架材料和模板。

2）体外培养⼲细胞、⾻组织细胞。

九、⼝腔材料
⼝胶材料中的⾼分⼦复合材料，⼀般是指⽛科复合树脂。

它是⼀种颗粒增强型复合材料，即在树脂基质中混⼊⼤量的⽆机填料，以增加材料的强度和弹性模量。

主要包括：1)树脂基质2)固化体系3)⽆机填料
⼗、仿⽣智能材料
1、智能材料需具备以下内涵：
（1）具有感知功能，能够检测并且可以识别外界（或者内部）的刺激强度，如电、光、热等；（2）具有驱动功能，能够响应外界变化；
（3）能够按照设定的⽅式选择和控制响应；
（4）反应⽐较灵敏、及时和恰当；
（5）当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始状态。

2、智能材料由基体材料、敏感材料、驱动材料和信息处理器四部分构成。

3、与现代医学相联系的智能材料：⼈造⽪肤⼈造肌⾁⾃动给药。