生物材料课件1
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生物材料学
Biomaterials Science
目录
1：绪论 2：金属植入材料 3：陶瓷植入材料 4：医用高分子植入材料 5：人体组织对植入材料的反应 6：软组织替代与植入 7：硬组织替代与修复
本课程目的：
为从事生物工程、临床医学、基础研究的 人们，建立起材料科学与工程的基础理论、 基本概念、材料过程基本方法、材料性能 与结构、以及应用的基础知识。
CoCrMo合金：强度高，耐磨性好， 重、耐腐蚀 人工关节
有机高分子材料
又叫高分子化合物。是由一种或几种结 构单元多次重复连接起来的化合物。它 们的组成元素不多，主要是碳、氢、氧、 氮等，但是相对分子质量很大
尼龙：弹性好，强度低 手术线、导管各种
橡胶：易塑性加工，易老化 软组织替代、软性垫高
无机非金属材料
核心是建立由细胞和生物构成的三维空 间复合体
引入生物支架—活性细胞
利用生物要素和功能去构建所希望的材 料
核心是建立由细胞和生物构成的三维空 间复合体
生物材料发展背景
早在5000年前，就有应用 早期外科手术失败原因：感染
19世纪60年代，李斯特，无菌外科手术
生物材料获得实际应用
植入导致免疫组织相容性较差
涂层）
20世纪80年代：生物玻璃（骨头结合剂的填料，
牙齿的填充，涂层）
20世纪90年代：硅橡胶（隐形眼镜，隆鼻）
世纪支交：纳米技术
21世纪：组织工程材料（具有全面生理功能的
人工器官和组织）
生物陶瓷材料的临床应用范围
材料
人 人工 人 骨填 心脏 人工 人工 人工
工 关节 骨
工 齿 根
充材 料
瓣膜
血管
-TCP生物降解陶瓷 降解性高分子生物材料（聚乳酸、聚酰胺等）
生物复合材料
又称生物医用复合材料，它是有两种或 两种以上不同材料复合而成的生物医学 材料
主要用于修复及替换人体组织，器官或增进其功能 根据不同基材分为：高分子基；金属基；陶瓷基 生物医用复合材料的发展为获得真正仿生的生物材料 开辟了广阔途径
与组织结合是机械啮合 主要是惰性生物陶瓷类和医学金属及合金类材料 应用最广泛
生物活性材料
由材料表面/界面引起特殊生物或化学 反应，促进或影响组织和材料之间的 连接，诱发细胞活性或新组织再生的 生物材料。
羟基磷灰石材料 磷酸钙生物活性材料 磁性生物陶瓷材料 生物玻璃等
生物降解材料
植入人体后，能够不断发生降解，解产 物能够被生物体所吸收或排出体外的一 类材料
没有真正意义上的药物作用，但可以是载体。 如现在的纳米药物载体材料。
根据纳米颗粒表面和药物表面之间电位差异或 化学位差异，使两者之间产生电学性质的结合 或共价键性质的结合，将药物包裹在载体之间 或吸附在表面，同时也在颗粒表面偶联特异性 的靶向分子。通过靶向分子与细胞表面特异性 受体结合，使颗粒进入细胞内，实现安全有效 的靶向性药物治疗。
感染问题趋向恶化
20世纪初：金属骨骼板；钒钢
20世纪30年代：不锈钢和钴铬合金（固 定骨折，人工关节）
第二次世界大战时期：高分子聚合物材 料；有机玻璃（眼角膜，受损头骨部分 的植入）
20世纪50年代：血管植入
20世纪60年代：心脏瓣膜；骨水泥固定 人工关节的植入
20世纪70年代：羟基磷灰石（人体骨，牙齿，
第一章、绪论
生物材料学：
研究用于修复人体缺陷的各类材料的基 本结构、基本特征和人体组织及器官对 材料的反应，从基本原理上探索生物材 料与细胞间的相互作用，研究材料过程 - 材料结构 - 材料性能之间的关系。
生物材料：
植入人体体内，且与体内组织直接接 触并起到某一特定作用的材料，是一种 无药理学和无生命性质的物质
与体内组织直接接触
体外部分： 助听器、框架眼镜、假肢（指为皮肤隔开）
体内部分
（应用不同功效）
取代身体某一部分：眼角膜 长期进入身体部分：骨钉 短期进入身体部分：注射器、导管
传统意义生物材料功能非常有限：
如不可能
有肝的生化功能 有神经网络的电化学功能
简单的机械、结构、视觉和化学的作用
组织工程 ：
生物性材料 ：结构匹配性好
骨修复材料 牛骨、猪骨、人骨、 骨库（异体骨置换） 丝蛋白等（人工皮肤，硬脑膜修复） 猪心包等（心脏瓣膜） 骨形态发生蛋白（新鲜骨折，骨缺损，
股骨头缺血性坏死）
材料在体内的应用
与材料在工程上的应用不同的是，发生在生 物材料中失败的因素主要是：
定义：应用工程材料学和生命科学原理、 方法，研究哺乳动物正常组织或病理组 织结构和功能的关系，开发对器官和组 织功能有保存、维持、提高作用的生物 学替代物的科学 器官移植 制造组织和器官 目标:利用细胞与生物支架材料的复合培 养再生组织与器官,达到修复的作用.
引入生物支架—活性细胞
利用生物要素和功能去构建所希望的材 料
气管
肌腱
羟基磷灰石 √ √ √ √
氧化铝 √ √ √
碳
√√
√√√√
磷酸钙 √
√√
磷酸盐骨水
√
泥
P2O5系生物
√
√
玻璃
氧化锆
√√
生物材料的分类与基本性质
根据材料的生物性能
生物惰性材料 生物活性材料 生物降解材料 生物复合材料
生物惰性材料
在生物环境中能够保持稳定，不 发生或仅发生微弱化学反应的生 物医学材料
金属材料、有机高分子材料、 无机非金属材料的性能比较
性能 生物相容性 化学稳定性
耐热性 热膨胀系数 热传导性
硬度 拉伸系数 可成形性 压缩系数
金属材料 中等 低 中等 中等 好 中等 大 中等 中等
有机高分子材料 中等 中等 差 大 差 低 中等 易 大
无机非金属材料 良好 高 好 小 中等 高 中等 难 小
根据材料的属性
金属材料 有机高分子材料 无机非金属材料 以上几种材料的复合材料
金属材料
金属材料是指金属元素或源自文库金属元素为 主构成的具有金属特性的材料的统称。 包括纯金属、合金、金属材料金属间化 合物和特种金属材料等
不锈钢：强度高，存在腐蚀作用 人工关节、接骨板
钛合金：韧性好，比强度高 牙根种植体、颅骨
是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化 物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、 铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的 材料。是除有机高分子材料和金属材料 以外的所有材料的统称
Al2O3：
最早使用的陶瓷材料 生物性能好，相容性好 强度低、脆性 牙、损伤骨的固定材料
复合材料
部分克服上述缺点，不容易制造 涂层材料、复合材料
Biomaterials Science
目录
1：绪论 2：金属植入材料 3：陶瓷植入材料 4：医用高分子植入材料 5：人体组织对植入材料的反应 6：软组织替代与植入 7：硬组织替代与修复
本课程目的：
为从事生物工程、临床医学、基础研究的 人们，建立起材料科学与工程的基础理论、 基本概念、材料过程基本方法、材料性能 与结构、以及应用的基础知识。
CoCrMo合金：强度高，耐磨性好， 重、耐腐蚀 人工关节
有机高分子材料
又叫高分子化合物。是由一种或几种结 构单元多次重复连接起来的化合物。它 们的组成元素不多，主要是碳、氢、氧、 氮等，但是相对分子质量很大
尼龙：弹性好，强度低 手术线、导管各种
橡胶：易塑性加工，易老化 软组织替代、软性垫高
无机非金属材料
核心是建立由细胞和生物构成的三维空 间复合体
引入生物支架—活性细胞
利用生物要素和功能去构建所希望的材 料
核心是建立由细胞和生物构成的三维空 间复合体
生物材料发展背景
早在5000年前，就有应用 早期外科手术失败原因：感染
19世纪60年代，李斯特，无菌外科手术
生物材料获得实际应用
植入导致免疫组织相容性较差
涂层）
20世纪80年代：生物玻璃（骨头结合剂的填料，
牙齿的填充，涂层）
20世纪90年代：硅橡胶（隐形眼镜，隆鼻）
世纪支交：纳米技术
21世纪：组织工程材料（具有全面生理功能的
人工器官和组织）
生物陶瓷材料的临床应用范围
材料
人 人工 人 骨填 心脏 人工 人工 人工
工 关节 骨
工 齿 根
充材 料
瓣膜
血管
-TCP生物降解陶瓷 降解性高分子生物材料（聚乳酸、聚酰胺等）
生物复合材料
又称生物医用复合材料，它是有两种或 两种以上不同材料复合而成的生物医学 材料
主要用于修复及替换人体组织，器官或增进其功能 根据不同基材分为：高分子基；金属基；陶瓷基 生物医用复合材料的发展为获得真正仿生的生物材料 开辟了广阔途径
与组织结合是机械啮合 主要是惰性生物陶瓷类和医学金属及合金类材料 应用最广泛
生物活性材料
由材料表面/界面引起特殊生物或化学 反应，促进或影响组织和材料之间的 连接，诱发细胞活性或新组织再生的 生物材料。
羟基磷灰石材料 磷酸钙生物活性材料 磁性生物陶瓷材料 生物玻璃等
生物降解材料
植入人体后，能够不断发生降解，解产 物能够被生物体所吸收或排出体外的一 类材料
没有真正意义上的药物作用，但可以是载体。 如现在的纳米药物载体材料。
根据纳米颗粒表面和药物表面之间电位差异或 化学位差异，使两者之间产生电学性质的结合 或共价键性质的结合，将药物包裹在载体之间 或吸附在表面，同时也在颗粒表面偶联特异性 的靶向分子。通过靶向分子与细胞表面特异性 受体结合，使颗粒进入细胞内，实现安全有效 的靶向性药物治疗。
感染问题趋向恶化
20世纪初：金属骨骼板；钒钢
20世纪30年代：不锈钢和钴铬合金（固 定骨折，人工关节）
第二次世界大战时期：高分子聚合物材 料；有机玻璃（眼角膜，受损头骨部分 的植入）
20世纪50年代：血管植入
20世纪60年代：心脏瓣膜；骨水泥固定 人工关节的植入
20世纪70年代：羟基磷灰石（人体骨，牙齿，
第一章、绪论
生物材料学：
研究用于修复人体缺陷的各类材料的基 本结构、基本特征和人体组织及器官对 材料的反应，从基本原理上探索生物材 料与细胞间的相互作用，研究材料过程 - 材料结构 - 材料性能之间的关系。
生物材料：
植入人体体内，且与体内组织直接接 触并起到某一特定作用的材料，是一种 无药理学和无生命性质的物质
与体内组织直接接触
体外部分： 助听器、框架眼镜、假肢（指为皮肤隔开）
体内部分
（应用不同功效）
取代身体某一部分：眼角膜 长期进入身体部分：骨钉 短期进入身体部分：注射器、导管
传统意义生物材料功能非常有限：
如不可能
有肝的生化功能 有神经网络的电化学功能
简单的机械、结构、视觉和化学的作用
组织工程 ：
生物性材料 ：结构匹配性好
骨修复材料 牛骨、猪骨、人骨、 骨库（异体骨置换） 丝蛋白等（人工皮肤，硬脑膜修复） 猪心包等（心脏瓣膜） 骨形态发生蛋白（新鲜骨折，骨缺损，
股骨头缺血性坏死）
材料在体内的应用
与材料在工程上的应用不同的是，发生在生 物材料中失败的因素主要是：
定义：应用工程材料学和生命科学原理、 方法，研究哺乳动物正常组织或病理组 织结构和功能的关系，开发对器官和组 织功能有保存、维持、提高作用的生物 学替代物的科学 器官移植 制造组织和器官 目标:利用细胞与生物支架材料的复合培 养再生组织与器官,达到修复的作用.
引入生物支架—活性细胞
利用生物要素和功能去构建所希望的材 料
气管
肌腱
羟基磷灰石 √ √ √ √
氧化铝 √ √ √
碳
√√
√√√√
磷酸钙 √
√√
磷酸盐骨水
√
泥
P2O5系生物
√
√
玻璃
氧化锆
√√
生物材料的分类与基本性质
根据材料的生物性能
生物惰性材料 生物活性材料 生物降解材料 生物复合材料
生物惰性材料
在生物环境中能够保持稳定，不 发生或仅发生微弱化学反应的生 物医学材料
金属材料、有机高分子材料、 无机非金属材料的性能比较
性能 生物相容性 化学稳定性
耐热性 热膨胀系数 热传导性
硬度 拉伸系数 可成形性 压缩系数
金属材料 中等 低 中等 中等 好 中等 大 中等 中等
有机高分子材料 中等 中等 差 大 差 低 中等 易 大
无机非金属材料 良好 高 好 小 中等 高 中等 难 小
根据材料的属性
金属材料 有机高分子材料 无机非金属材料 以上几种材料的复合材料
金属材料
金属材料是指金属元素或源自文库金属元素为 主构成的具有金属特性的材料的统称。 包括纯金属、合金、金属材料金属间化 合物和特种金属材料等
不锈钢：强度高，存在腐蚀作用 人工关节、接骨板
钛合金：韧性好，比强度高 牙根种植体、颅骨
是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化 物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、 铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的 材料。是除有机高分子材料和金属材料 以外的所有材料的统称
Al2O3：
最早使用的陶瓷材料 生物性能好，相容性好 强度低、脆性 牙、损伤骨的固定材料
复合材料
部分克服上述缺点，不容易制造 涂层材料、复合材料