生物材料的分类及性能教材
生物医学材料
生物医学材料1.引言生物医学材料是应用材料科学、生物医学、生物技术等多学科交叉的一种新型材料。
它与人体组织有良好的相容性，在医疗和生物技术领域中得到广泛应用。
本文将从生物医学材料的定义、分类、特点、应用等方面进行详细介绍。
2.生物医学材料的定义生物医学材料是指作为人工器械或医疗设备的一部分，在体内或与体液接触时不产生毒性和副作用，与生物体组织相容性好，适用于医学或生物学目的的材料。
3.生物医学材料的分类生物医学材料可分为以下几类：3.1 生物可降解材料生物可降解材料是指在体内可被生物降解的材料，当其逐渐分解后，无毒无害地排出体外。
常见的生物可降解材料有聚乳酸（PLA）、聚羟基磷酸酯（PHB）、聚己内酰胺（PGA）等。
3.2 生物惰性材料生物惰性材料是指在体内不具有活性和毒性，不与体内物质反应的材料。
常见的惰性材料有医用聚乙烯、聚四氟乙烯、银、钛等。
3.3 合成生物材料合成生物材料是指通过人工合成而得到的具有良好生物相容性的材料，常见的有聚胺酯（PU）、聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚己克隆（PCL）等。
3.4 天然生物材料天然生物材料是指来源于天然生物体内的材料，具有更好的生物相容性和生物活性。
常见的有胶原蛋白、明胶、海藻酸钠等。
4.生物医学材料的特点4.1 具有良好生物相容性生物医学材料在与人体组织接触时不会产生毒性和副作用，不会引起免疫反应和排异反应。
4.2 具有一定的生物学功能生物医学材料除了具备一般材料的功能外，还具备一定的生物学特性和功能，如支持细胞黏附和扩散、促进组织生长、刺激新生血管形成等。
4.3 具有良好的力学性能和可加工性生物医学材料应具有足够的强度和韧性，以承受来自体内外环境的力学负荷。
同时，应具有良好的加工性能，便于成型和制备成为医疗器械或人工组织修复材料。
4.4 可重复性好生物医学材料需要保证质量的可重复性和稳定性，确保生产的每一批次材料均满足医疗和生物学领域要求。
5.生物医学材料的应用生物医学材料以其在医疗和生物技术领域的应用而受到广泛关注。
材料学和生物材料的分类
展 。可 以这样认 为， 自从人类社会有历 史记载 以来， 材料都 一
直 是 人 类 社 会 各 个 历 史 时期 文 明 料是人类 自身和人类社会进化 的重要 的里程碑。诸如 历 史上 所 讲 述 的人 类社 会 历 史上 存 在 过 的石 器 时代 、 青铜 时代 、 铁 器时代 ， 这 些都 是 以“ 材 料 作 为 不同历 史时期 区别 的主要 标 志的。 那 么， 什 么是材料呢？ 通俗的说， 材料就是人类 自身用 于制 造 物 品 、 器件 、 构 件、 机 器 以及 其 他 物 品 的依 托 性 物质 。
、
生物材料
新 的世 纪， 放眼全球 ， 人类 自身对材 料的运用 出现 了新 的 征候 ， 一个鲜 明的标志就是传统型材料 的地位 日渐 削弱 ， 各 类 性 能特殊 、又具有优 异的使 用用途 的新 型材 料 日益成 为材 料 界 的宠 儿， 日益 崛起和壮 大。什么 又是新型材料？所谓新型材 料指 的是技 术密集、 知 识 密集、 资金 密 集， 具有 高附加 值 的各 类合成材料。新型材料具有 多种适用于不 同领 域的类型 ， 它与 人 类社会 最新 的科 学技术密切 关联 ，具有更新换代迅捷 的特 点； 它是一个 国家 多种学科 最新技术相互 交叉和 渗透的结 晶， 集 中 地 反 映 和 表 现 了一 个 国 家 的 工 业 生 产 水 平 和科 技 水 平 。 所 以， 当下无论欧 关 日还是 中俄等 ， 几乎所有的 国家都会把 对 材料 学的研 究和 突破放 到对新 型材料 的研 究上来 ，这 已经成 为一个历 史的趋势。本文在 此论述的基础 上， 重点论述新型材 料 中的一种—— 生物材料 。 生物材料也 可以称作 为生物工 艺学或生物技术 ，它是指 与有 生命 特征 的生物 活体相联 系的或者 移植 进入 某种 或某个 生命 的 活体 内进 而起 到 某种 生 物性 功 能 的材 料 。 具 体 分 类 的 话， 生物材料 包含三 大 类： 其一是 生物 医用材料 ； 其二是仿 生 材料 ； 其三是生物体 系模拟材料。 二、 生物材料的三种类型
生物陶瓷的分类和特性
生物陶瓷的分类和特性001、生物惰性陶瓷材料生物惰性陶瓷主要是指化学性能稳定，生物相溶性好的陶瓷材料。
这类陶瓷材料的结构都比较稳定，分子中的键力较强，而且都具有较高的机械强度，耐磨性以及化学稳定性，它主要有氧化铝陶瓷、单晶陶瓷、氧化锆陶瓷、玻璃陶瓷等。
2、生物活性陶瓷材料生物活性陶瓷包括表面生物活性陶瓷和生物吸收性陶瓷，又叫生物降解陶瓷。
生物表面活性陶瓷通常含有羟基，还可做成多孔性，生物组织可长入并同其表面发生牢固的键合;生物吸收性陶瓷的特点是能部分吸收或者全部吸收，在生物体内能诱发新生骨的生长。
生物活性陶瓷有生物活性玻璃(磷酸钙系)，羟基磷灰和陶瓷，磷酸三钙陶瓷等几种。
一、玻璃生物陶瓷玻璃陶瓷也称微晶玻璃或微晶陶瓷。
1、玻璃陶瓷的生产工艺过程为:配料制备→配料熔融→成型→加工→晶化热处理→再加工玻璃陶瓷生产过程的关键在晶化热处理阶段:第一阶段为成核阶段，第二阶段为晶核生长阶段，这两个阶段有密切的联系，在A阶段必须充分成核，在B阶段控制晶核的成长。
玻璃陶瓷的析晶过程由三个因素决定。
第一个因素为晶核形成速度;第二个因素为晶体生长速度;第三个因素为玻璃的粘度。
这三个因素都与温度有关。
玻璃陶瓷的结晶速度不宜过小，也不宜过大，有利于对析晶过程进行控制。
为了促进成核，一般要加入成核剂。
一种成核剂为贵金属如金、银、铂等离子，但价格较贵，另一种是普通的成核剂，有TiO2、ZrO2、P2O5、V2O5、Cr2O3、MoO3、氟化物、硫化物等。
2、玻璃陶瓷的结构与性能及临床应用玻璃陶瓷是由结晶相和玻璃相组成的，无气孔，不同于玻璃，也不同于陶瓷。
其结晶相含量一般为50%-90%，玻璃相含量一般为5%-50%，结晶相细小，一般小于1-2/μm，且分布均匀。
因此，玻璃陶瓷一般具有机械强度高，热性能好，耐酸、碱性强等特点。
国内外就SiO2-Na2O-CaO-P2O5系统玻璃陶瓷，Li2O-Al2O3-SiO2系统玻璃陶瓷，SiO2-Al2O3-MgO-TiO2-CaF系统玻璃陶瓷等进行了生物临床应用。
生物材料学-第一章绪论ppt课件
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B. 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
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（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。
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▪ 对于生物材料而言多为局部腐蚀，具体包括应 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。
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。
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（3） 磨损
人工关节常用材料为Ti6Al4V，由于表面易氧化生成TiO2， 其耐磨性差，植入人体后，磨损造成在关节周围组织形成 黑褐色稠物，从而引起疼痛。钛合金人工全髋关节平均寿 命一般都低于10年。
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生物材料性能评价
1. 生物材料机械性能评价 测试标准
ASTM（the American Society for Testing and Materials） 例如：拉伸强度测试标准
金属 ASTM E8 橡胶 ASTM D412 刚性塑料 ASTM D638
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1、医用金属作为受力期间，在人体内服 役，其受力状态及其复杂，如人工关节，每 年要承受约3.6×106次、且数倍于人体重量 的载荷冲击和磨损。
生物材料简介ppt课件
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• 形状记忆合金可以分为三种：
– 单程记忆效应 – 双程记忆效应 – 全程记忆效应
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• 特点：奇特的形状记忆功能、质轻、磁性微弱、强 度较高、耐疲劳性能、高回弹性和生物相容性好等。
• 应用：
– 管腔狭窄的治疗（喉气管狭窄、食管狭窄、胆道狭窄、 尿道狭窄及闭锁等）：支架安入管腔狭窄的部位后，能 将狭窄管腔撑开，并与管壁相贴紧，固定好；其生物相 容性好，长期安放对黏膜无明显损伤；其高回弹性能顺 应管道的弯曲，对人体刺激小。
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纯金属钽（Ta）
• 具有良好的抗生理腐蚀性和可塑性，独特的表面负电性使 其具有优良的抗血栓性能和生物相容性，还有很高的抗缺 口裂纹能力。植入骨内能和周围的新骨形成骨性结合；植 入软组织中，肌肉等组织可依附在钽条上正常生长。
• 退火后的纯钽很软，可加工成板、带、箔、丝等使用。主 要用作接骨板、颅骨板、骨螺钉、种植牙根、颌面修复体、 义齿及外科手术缝线和缝合针； 钽网可用于肌肉缺损修 补；钽丝和箔用于缝合修补受损的神经、肌腱和血管；钽 还可以用于血管内支架及人工心脏、植入型电子装置；钽 的同位素可用于放射治疗。只是由于钽的资源少、价格较 高，使其推广受很大限制。
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• 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
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不锈钢
• 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。
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• 纤维蛋白在临床上比较普遍使用的应用形式：
– 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
生物材料学课件讲解
Chapter 7：仿生和组织工程材料
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Chapter 4：生物复合纤维
柔性组织材料 = 柔软的基体+硬的纤维 纤维的作用：引入各向异性
（例如海葵的中胶层）
承受由内压产生的负荷（如软骨细胞） 承受沿长度方向上的载荷（如腱） 柔性组织材料不能承受弯曲和压缩载荷 → 纤维会发生取向或位移
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Chapter 4：生物复合纤维
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4.0 材料的基本力学性能
承载能力：
在结构承受载荷或机械传递运动时，为保证各 构件或机械零件能正常工作，构件和零件必须符 合如下要求：具有足够的强度,具有足够的刚度,构 件不会失去稳定性.
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4.0 材料的基本力学性能
强度 (Strength)：构件承受载荷作用而不发生塑性变形或
断裂的能力。（抵御破坏的能力）
模型计算所得数据：
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4.1 生物复合纤维的实例与机理
4.1.1 蝗虫腱
纤维增强复合材料的行为
几丁质刚度的估计值与纤维素刚度值吻合 得较好 蛋白质基体刚度的估计值与其经典值吻合 几丁质纤维长度的估计与利用凝胶技术从 表皮中得到的数据非常接近
模型推导和计算可以证明蝗虫腱与纤维增强复合材料的行为一致
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生物材料
•结构蛋白 •结构多糖 •生物软组织 •生物复合纤维 •生物矿物
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Chapter 3 结构多糖及生物软组织
3.1 糖
3.3 粘液
3.7 皮肤
3.9 泊松比
3.2 蛋白质与多糖的混合 3.8 应力-应变性质
3.4 柔性基质
3.5 海葵的骨架
3.10 断裂
3.11水产生的刚化
3.6 雌性蝗虫的节间膜
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生物材料的性能和用途
生物材料的性能和用途随着科技的发展，生物材料在人类社会中的应用越来越广泛。
生物材料是指能被生物体接受和合成的材料，其性能和用途得到了越来越多的关注。
下面我们将介绍生物材料的性能和用途。
一、生物材料的基本性能生物材料具有优异的生物相容性，即能与生物组织良好地结合。
这是因为生物材料能够与生物体中的细胞、生物分子等进行相互作用，进而达到一定的目的，如进行组织修复、种植假肢等。
其次，生物材料还具有优良的可降解性。
这使得生物材料被广泛应用于医学上的创伤修复和生物组织支架等领域，因为它能在体内逐渐被降解吸收，避免在人体内残留塑料等，减少了感染和炎症等风险。
此外，生物材料还有很高的强度和韧性，能够承受一定的外部压力和拉力。
如当生物材料被用于修复骨骼时，能够承受外界自然、肌肉、骨头等产生的压力，减轻疼痛，加速伤口愈合。
二、生物材料的应用1.医学领域：生物材料为医学领域提供了新的机会，用于各种组织修复、手术器具、病理实验室设备等。
比如，生物材料可以用于人工肝、心脏瓣膜的植入、器官移植等。
同时，也可以应用于生物组织支架、医用植入材料、敷料等。
这些医用设备具有优异的生物相容性和可降解性，能够减少感染和炎症等不良反应。
2.医疗工程领域：生物材料在医疗工程领域应用广泛。
它可以制作出适合患者的人工器官，逐渐取代了传统的手工制作器官。
3.环境领域：生物材料能降解并与环境中的生物体产生化学反应，在环境领域中具有重要的应用。
比如，利用高分子复合材料制造生物降解塑料、利用生物材料处理污水等。
这些应用有助于保护环境，避免塑料等垃圾对环境的影响。
4.光电子信息领域：随着微电子技术的发展，生物材料在光电子信息领域中的应用也越来越广泛。
利用生物材料制作出生物传感器、荧光染料、药物成像和传递领域等含有生物材料的产品。
5.生物科技领域：生物材料在生物科技领域中的应用也不断扩展。
比如，生物材料可以制造出纳米材料、生物布置植入物等，用于研究和开发生物技术领域的新产品。
生物材料课件2
医用球囊扩张不锈钢血管内支架
1-不锈钢丝 2-圆筒形支架网孔
圆周错位 紧缩方式
可调式不锈钢骨科外固定器
1-连杆； 2-万向固定器； 3-骨针（防滑螺纹）
钴基合金
• 临床用作关节：大承载力，特别是膝关节
• 国际20世纪60年代临床应用 • 耐磨损，抗腐蚀力较强，目前金属医用材
料中最优良的一种
两种基本元素形 成的固溶体 钴含量达到65％ （质量分数） 其余主要是铬 添加Mo结构上 保持小晶粒 Co-Cr合金相图
• 制造方式采用机械加工，一般不采用焊接
焊缝处易产生腐蚀
高温使晶界或焊缝处CCr4析出，点腐蚀
材料制备完成后
去除氧化层 清洗表面，去除油污
在硝酸中形成表面钝化层 在包装和杀菌前再清洗一次
直径2～3mm，长度2～10cm 网孔尺寸：1～2×1.5～2.5mm 良好的可塑性、几何稳定性、理化稳定性 血管开通性高、生物相容性好、成本低
• Ni 室温下稳定奥氏体相，提高抗蚀性能 Ni在不锈钢中的作用是在与Cr配合后才发 挥出来的 • Mo 提高了在盐水中的抗蚀性能，阻止了点蚀， 坑蚀
• 形成原因：碳钢中有三个基本相，即铁素 体、奥氏体和渗碳体。合金元素加入钢中 时，可以溶于此三相中形成合金铁素体、 合金奥氏体及合金渗碳体。当钢中加入 镍、锰、碳、氮等元素时，这些元素可使 A1和A3温度降低，使铁碳相图中S点、E点 向左下方移动，从而使奥氏体区域扩大。 其中与γ－Fe无限互溶的元素镍或锰的含 量较多时，可使奥氏体区域扩展到室温， 因此在室温下钢组织仍以奥氏体单相存在
第二章 金属植入材料
•应用
承受重载荷部位 骨头、骨关节、纯金属薄片修复损坏的 颅骨、金属丝缝合破碎的骨、骨夹板、 骨螺钉、支架等等
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非是干货，一般很少用来作为外包装材料。
改性的纤维素和纤维素衍生物材料，主要 是聚碳酸酯等聚合物用于这一方面还是有 些昂贵
世界上第一把 100%可降解伞， 使用特殊的生 物降解材料制 成
（2） 产品多样
聚乳酸(PLA)是人工合成的可生物降解包装
材料的范例。PLA由乳酸单体聚合而成，在
生物破坏高分子材料，如添加淀粉的聚苯 乙烯、聚乙烯等。
不可降解的生物无机材料，如具有生物亲 和作用的生物金属材料和生物陶瓷材料， 具有生物惰性陶瓷、生物活性陶瓷，生物 活性陶瓷在生物体内基本不被吸收，但能 促进种植生物体周围新骨生成，并与骨组 织形成牢固的化学键。
2.1.3 按其应用可分为
聚乳酸100% 生物可分解聚 乳酸（PLA） 是一種可生物 降解的新型高 分子材料，以 玉米為原料
• 最后，这些小颗料被制成包装袋、泡沫塑 料或餐具。国外公司已看好这种新的环保 材料，如可口可乐公司在盐湖城冬奥会上 用了50万只一次性杯子，全部是用玉米塑 料制成的，这种杯子只需40天就在露天环 境下消失得无影无踪。
被广泛用于制造甜味剂和动物饲料。
• 随着技术的进步，将玉米中的糖分提炼出
来，经过发酵、蒸馏、萃取，得到制造塑 料和纤维的基础材料，基础材料再被加工 成直径只有4．57mm的聚交酯(PL鲜袋和代
替涂有聚乙烯和防水蜡的包装材料，最大
优点是可以分解为对环境无害的乳酸。
不同的食品包装领域提供不同的性能。
•
PLA可以制成结晶或是透明的形态，可以吹
膜、注塑以及涂层，既可以单独使用也可 以与其它天然原料制成的聚合物混合使用。 例如，PLA经常与淀粉混合以提高降解性能、 降低成本。
第三类的可生物降解包装材料用微生物制 成，包括多羟基链烷酸酯(PHAs)，而聚羟 基丁酸酯(PHB)最为普遍。PHAs目前的价格 仍比较高，但是从技术角度来看，用途会 非常广泛，吹塑、注塑、拉膜、涂层都可 以。也可以与热塑性淀粉等可生物降解材 料混合。PHAs用于食品包装有个有趣的特 性那就是水汽透过率非常低，与低密度聚 乙烯接近。
按照生物环境中发生的生物化学反应水平分 类： • 生物惰性材料 氧化铝 热解碳 氧化锆 氧化 硅 • 生物活性无机材料 羟基磷灰石 生物玻璃 活性玻璃陶 瓷
• 生物可降解无机材料 可溶性铝酸钙陶瓷、β -TCP陶瓷 • 生物医用无机纳米材料 纳米氧化铁 羟基磷灰石超微粉
2.1.6 分类特点
（1）更好的防水性能 以淀粉为原料的主要问题是其容易吸水。 为了达到更好的防水效果，需要与其它天 然或是合成的可降解聚合物混合，或者添 加不同来源的添加剂。
通过改性和添加剂的作用，这些混合物质 具有更高或是更低的水汽敏感度和气密性。 热塑性淀粉含有70%-90%的淀粉，但是其中 40%-60%的淀粉却是许多混合物，添加剂的 使用提高了原料的成本。因而，这方面的 研究主要是减少添加剂的用量，例如使用 新的纳米组分而不是淀粉或是改性粘土颗 粒。
• 例如纸张或是卡纸等未经改性的纤维素材
重。
用作人工骨 骼的钛或钛 合金生物医 学材料
2.1.5 无机非金属生物材料分类
按成分性质分： • 生物陶瓷材料，如单晶/多晶氧化铝、羟基 磷灰石 • 生物玻璃，如45S5玻璃 • 生物玻璃陶瓷 • 医用骨水泥，-TCP • 复合无机材料, HA+ -TCP，碳纤维增强 无机骨水泥
按来源分： 天然钙化物 钙化的贝壳、珍珠 合成无机材料 如-TCP人工骨（复合无机 材料） 衍生材料 冻干骨片
生物医学材料； 生物包装材料； 其他生物应用材料。
• 生物医学材料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、治疗疾患，而对人体组织 不会产生不良影响的材料。
• 现在各种合成材料和天然高分子材料、金 属和合金材料、陶瓷和碳素材料以及各种 复合材料，其制成产品已经被广泛地应用 于临床和科研。
2.2 性能
2.2.1 生物功能性 指生物材料具备或完成某种生物功能 时应该具有的一系列性能。 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
2.2.2 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。 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）。
• 美国一家研究所利用土豆和乳清制成了一
种能生物降解的塑料薄膜。其制法是：
（1）先用酶将制酪时形成的乳清和废
弃的土豆转化为葡萄糖浆，
（2）然后用细菌发酵成含乳酸的液体。
液体中的乳酪经电渗析分离出来后，加热 使水分蒸发，留下的便是可以制薄膜和涂 层的聚乳酸分子。
• 玉米是一种美味又有营养的淀粉食物，还
2.1.4 根据材料的用途，这些材料又可以分 为：
（1）生物惰性（bioinert）、 （2）生物活性（bioactive）或生物降解 （biodegradable）材料。
• 这些材料通过长期植入、短期植入、表面 修复分别用于硬组织和软组织修复与替换。 生物医用材料由于直接用于人体或与人体 健康密切相关，对其使用有严格要求。
第二节
生物材料的分类及性能
2.1 分类
2.1.1 根据用途主要分为:
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
2.1.2 根据生物材料的降解性，可分为： 全生物降解高分子材料，如聚羟基丁酸酯 （PHB)、聚环己内酯（PCL)、蛋白质、微 生物多糖等。
（1）首先，生物医用材料应具有良好 的血液相容性和组织相容性； （2）要求耐生物老化。即对长期植入 的材料，其生物稳定性要好；
（3）对于暂时植入的材料，耍求在确定 时间内降解为可被人体吸收或代谢的无毒 单体或片断； （4）还要求物理和力学性质稳定； （5）易于加工成型、价格适当； （6）便于消毒灭茵、无毒无热源、不 致癌不致畸也是必须考虑的。 对于不同用途的材料，其要求各有侧