材料科学与工程前沿生物医用材料
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北京航空航天大学
生物相容性
2、宿主反应：材料对活体系统的作用
➢由于材料中的元素、分子或其它降解产物在生理环境下 被释放而进入邻近的生物组织和整个活体系统，也可能是 源于材料制品对组织的机械、电化学或其它刺激作用。
宿主反应包括:局部反应、全身毒性反应、过敏反应、 致畸、致癌、致突反应和适应性反应。
➢两种反应的结果可能导致机体中毒和机体对材 料的排斥。
➢ 对生物体进行诊断、治疗和置换损坏的组 织、器官或增进其功能的材料。
俞耀庭，张兴栋，《生物医用材料》，2001
*生物材料可以是人造的，也可以是天然的 或者是它们相结合的功能材料
北京航空航天大学
➢人体中已经商业化的生物医用材料器件
Intraocular lenses 人工晶体： 硅凝胶\PMMA
髋关节：钛合金
✓2000万心血管病患者——每年需要24万套人工心瓣膜 ✓肾衰患者——每年需要12万个肾透析器
北京航空航天大学
二、生物相容性与生物医用材料
北京航空航天大学
生物相容性
➢ 生物相容性：生物医用材料与人体之间相互 作用产生各种复杂的生物、物理和化学反应 的一种概念。
引起生物材料变化的因素： 1）生理活动中骨骼、关节、肌肉的力学性动态运动； 2）细胞生物电、磁场、电解和氧化作用； 3）新陈代谢过程中的生物化学和酶催化反应； 4）细胞黏附和吞噬作用。 5）体液中的各种酶、细胞因子、蛋白质、氨基酸、
北京航空航天大学
发展历史
公元前5000年：古代人就尝试用黄金修复失牙；ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ公元前3500年，棉花纤维、马鬃作缝合线 1588年，黄金板修复颚骨 1775年，金属固定体内骨折 20世纪30年代：工业生产医用材料； 20世纪中后期：高分子工业推动生物医用材料的发展； 20世纪80年代后期：材料科学与现代生物技术相结合发
北京航空航天大学
生物相容性评价－中国国家标准
国家标准GB/T16886 系列医疗器械生物 学评价标准中表面 器械部分。
北京航空航天大学
生物材料分类
按材料组成和 性质
➢医用金属材料 ➢医用高分子材料 ➢生物陶瓷材料 ➢生物医学复合材料
按材料在生理 环境中的生物 化学反应水平
➢近惰性生物医学材料 ➢生物活性医学材料 ➢可生物降解和吸收材料
多肽、自由基对材料的生物降解作用。
北京航空航天大学
生物相容性
生物医用材料与生物系统直接结合，会产生两种 反应：材料反应和宿主反应
1、材料反应：活体系统对材料的作用，即材料在生物活体 中的响应。 ➢材料在生理环境中被腐蚀、吸收、降解、磨损、失效等， 从而使材料的功能特性发生改变，理化性质发生退变，最 后导致材料失效。
材料北科京学航与空航工天程大前学沿之生物医用材料
生物医用材料
Biomedical Materials
主要内容
一． 生物医用材料定义及发展 二． 生物相容性与生物医用材料 三． 典型疾病与生物医用材料
北京航空航天大学
一．生物医用材料定义及发展
北京航空航天大学
生物材料定义
➢ 生物医用材料（Biomedical Materials） 生物材料（Biomaterials）
北京航空航天大学
生物相容性
血液相容性 生物相容性
组织相容性
抗血小板血栓形成 抗凝血性 抗溶血性 抗白细胞减少性 抗补体系统亢进性 抗血浆蛋白吸附性 抗细胞因子吸附性
细胞黏附性 无抑制细胞生长性 细胞激活性 抗细胞原生质转化性 抗炎症性 无抗原性 无诱变性 无致癌性 无致畸性
北京航空航天大学
生物相容性评价
Al ：Al是唯一α稳定元素，同时是最主要的强化元素， 固溶强化作用显著。随Al量的增加，合金的强度提高， 而塑性无明显降低，当Al的质量分数超过7%后，由于 组织中出现脆性的Ti3Al化合物，使塑性显著降低，故 其质量分数不超过7%
V： 钒与 ß钛属于同晶元素，具有ß稳定化作用。钒在 ß钛中无限固溶， 而在α-Ti中也有一定的固溶度。钒具 有显著的固溶强化作用，提高合金强度同时，能保持良 好的塑性，还能提高钛合金的热稳定性。
北京航空航天大学
生物材料分类
按用途分类
➢骨骼－肌肉系统修复和替换材料 ➢软组织材料 ➢心血管系统材料 ➢医用膜材料 ➢组织粘合剂和缝线材料 ➢药物释放载体材料 ➢临床诊断及生物传感器材料 ➢可生物降解吸收材料 ➢齿科材料
北京航空航天大学
生物医用材料应用实例
北京航空航天大学
典型生物医用材料
➢生物医用金属材料
北京航空航天大学
生物医用材料
北京航空航天大学
生物医用材料
颅额面微型钛板
北京航空航天大学
生物医用材料
➢ 生物医用陶瓷材料
① 生物惰性：植入人体后仍维持自身结构并不引起人体免疫反应。 ② 生物活性：可与人体组织形成结合。 ③ 生物降解：在被被生组织替代后在体内可以降解，化学副产物可通过代谢被分解吸收。
心血管支架
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生物医用材料
α-钛合金
钛合金 的分类
α+ß 钛合金 ß-钛合金
高温性能好 组织稳定 焊接性能好 常温强度低 塑性不够高
综合力学性能好 强度高 焊接性能好 塑性高 中等温度组织不稳定
常温强度好 塑性加工性能好 组织不稳定 冶金工艺复杂
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生物医用材料
Ti6Al4V合金 (TC4)
生物学评价标准 1）美（ASTM）、英、加三国标准：1986年 2）国际标准ISO ：1992 3）中国标准：1997年
评价依据： 1）接触部位：体表、体内组织、骨骼、牙和血液； 2）接触方式：直接、间接 3）接触时间：短暂≦24h,短中期<30天；长期>30天； 4）用途：一般功能、生殖与胚胎及生物降解。
展出组织工程材料、可降解生物材料。
北京航空航天大学
我国生物医用材料市场
➢ 我国生物医学材料的生物医学工程产业的市场增长率高达 28％(全 球市场增长率20%),居全球之首。
✓我国人工关节 替换年增长率高达30％，远高于美国的4％。
✓ 775万肢残患者和每年新增的300万骨损伤患者——需要大量骨修复 材料
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医用不锈钢
主要合金元素：铬、碳、镍和钛
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生物医用材料
铁素体和马氏体不锈钢
➢适合做医疗器械 ➢不适合植入
不锈钢针头
不锈钢药膏调刀
不锈钢持针钳 北京航空航天大学
生物医用材料
奥氏体不锈钢
奥氏体不锈钢是作 为医用金属植入材 料最重要的钢类， 如：316L不锈钢
（00Cr17Ni14Mo2 ）
生物相容性
2、宿主反应：材料对活体系统的作用
➢由于材料中的元素、分子或其它降解产物在生理环境下 被释放而进入邻近的生物组织和整个活体系统，也可能是 源于材料制品对组织的机械、电化学或其它刺激作用。
宿主反应包括:局部反应、全身毒性反应、过敏反应、 致畸、致癌、致突反应和适应性反应。
➢两种反应的结果可能导致机体中毒和机体对材 料的排斥。
➢ 对生物体进行诊断、治疗和置换损坏的组 织、器官或增进其功能的材料。
俞耀庭，张兴栋，《生物医用材料》，2001
*生物材料可以是人造的，也可以是天然的 或者是它们相结合的功能材料
北京航空航天大学
➢人体中已经商业化的生物医用材料器件
Intraocular lenses 人工晶体： 硅凝胶\PMMA
髋关节：钛合金
✓2000万心血管病患者——每年需要24万套人工心瓣膜 ✓肾衰患者——每年需要12万个肾透析器
北京航空航天大学
二、生物相容性与生物医用材料
北京航空航天大学
生物相容性
➢ 生物相容性：生物医用材料与人体之间相互 作用产生各种复杂的生物、物理和化学反应 的一种概念。
引起生物材料变化的因素： 1）生理活动中骨骼、关节、肌肉的力学性动态运动； 2）细胞生物电、磁场、电解和氧化作用； 3）新陈代谢过程中的生物化学和酶催化反应； 4）细胞黏附和吞噬作用。 5）体液中的各种酶、细胞因子、蛋白质、氨基酸、
北京航空航天大学
发展历史
公元前5000年：古代人就尝试用黄金修复失牙；ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ公元前3500年，棉花纤维、马鬃作缝合线 1588年，黄金板修复颚骨 1775年，金属固定体内骨折 20世纪30年代：工业生产医用材料； 20世纪中后期：高分子工业推动生物医用材料的发展； 20世纪80年代后期：材料科学与现代生物技术相结合发
北京航空航天大学
生物相容性评价－中国国家标准
国家标准GB/T16886 系列医疗器械生物 学评价标准中表面 器械部分。
北京航空航天大学
生物材料分类
按材料组成和 性质
➢医用金属材料 ➢医用高分子材料 ➢生物陶瓷材料 ➢生物医学复合材料
按材料在生理 环境中的生物 化学反应水平
➢近惰性生物医学材料 ➢生物活性医学材料 ➢可生物降解和吸收材料
多肽、自由基对材料的生物降解作用。
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生物相容性
生物医用材料与生物系统直接结合，会产生两种 反应：材料反应和宿主反应
1、材料反应：活体系统对材料的作用，即材料在生物活体 中的响应。 ➢材料在生理环境中被腐蚀、吸收、降解、磨损、失效等， 从而使材料的功能特性发生改变，理化性质发生退变，最 后导致材料失效。
材料北科京学航与空航工天程大前学沿之生物医用材料
生物医用材料
Biomedical Materials
主要内容
一． 生物医用材料定义及发展 二． 生物相容性与生物医用材料 三． 典型疾病与生物医用材料
北京航空航天大学
一．生物医用材料定义及发展
北京航空航天大学
生物材料定义
➢ 生物医用材料（Biomedical Materials） 生物材料（Biomaterials）
北京航空航天大学
生物相容性
血液相容性 生物相容性
组织相容性
抗血小板血栓形成 抗凝血性 抗溶血性 抗白细胞减少性 抗补体系统亢进性 抗血浆蛋白吸附性 抗细胞因子吸附性
细胞黏附性 无抑制细胞生长性 细胞激活性 抗细胞原生质转化性 抗炎症性 无抗原性 无诱变性 无致癌性 无致畸性
北京航空航天大学
生物相容性评价
Al ：Al是唯一α稳定元素，同时是最主要的强化元素， 固溶强化作用显著。随Al量的增加，合金的强度提高， 而塑性无明显降低，当Al的质量分数超过7%后，由于 组织中出现脆性的Ti3Al化合物，使塑性显著降低，故 其质量分数不超过7%
V： 钒与 ß钛属于同晶元素，具有ß稳定化作用。钒在 ß钛中无限固溶， 而在α-Ti中也有一定的固溶度。钒具 有显著的固溶强化作用，提高合金强度同时，能保持良 好的塑性，还能提高钛合金的热稳定性。
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生物材料分类
按用途分类
➢骨骼－肌肉系统修复和替换材料 ➢软组织材料 ➢心血管系统材料 ➢医用膜材料 ➢组织粘合剂和缝线材料 ➢药物释放载体材料 ➢临床诊断及生物传感器材料 ➢可生物降解吸收材料 ➢齿科材料
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生物医用材料应用实例
北京航空航天大学
典型生物医用材料
➢生物医用金属材料
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生物医用材料
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生物医用材料
颅额面微型钛板
北京航空航天大学
生物医用材料
➢ 生物医用陶瓷材料
① 生物惰性：植入人体后仍维持自身结构并不引起人体免疫反应。 ② 生物活性：可与人体组织形成结合。 ③ 生物降解：在被被生组织替代后在体内可以降解，化学副产物可通过代谢被分解吸收。
心血管支架
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生物医用材料
α-钛合金
钛合金 的分类
α+ß 钛合金 ß-钛合金
高温性能好 组织稳定 焊接性能好 常温强度低 塑性不够高
综合力学性能好 强度高 焊接性能好 塑性高 中等温度组织不稳定
常温强度好 塑性加工性能好 组织不稳定 冶金工艺复杂
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生物医用材料
Ti6Al4V合金 (TC4)
生物学评价标准 1）美（ASTM）、英、加三国标准：1986年 2）国际标准ISO ：1992 3）中国标准：1997年
评价依据： 1）接触部位：体表、体内组织、骨骼、牙和血液； 2）接触方式：直接、间接 3）接触时间：短暂≦24h,短中期<30天；长期>30天； 4）用途：一般功能、生殖与胚胎及生物降解。
展出组织工程材料、可降解生物材料。
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我国生物医用材料市场
➢ 我国生物医学材料的生物医学工程产业的市场增长率高达 28％(全 球市场增长率20%),居全球之首。
✓我国人工关节 替换年增长率高达30％，远高于美国的4％。
✓ 775万肢残患者和每年新增的300万骨损伤患者——需要大量骨修复 材料
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医用不锈钢
主要合金元素：铬、碳、镍和钛
北京航空航天大学
生物医用材料
铁素体和马氏体不锈钢
➢适合做医疗器械 ➢不适合植入
不锈钢针头
不锈钢药膏调刀
不锈钢持针钳 北京航空航天大学
生物医用材料
奥氏体不锈钢
奥氏体不锈钢是作 为医用金属植入材 料最重要的钢类， 如：316L不锈钢
（00Cr17Ni14Mo2 ）