生物材料的分类及性能

（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
重。
用作人工骨 骼的钛或钛 合金生物医 学材料
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。
生物材料和纳米生物技术是国际化，跨 学科，英文出版的关于生物材料的制备， 性能和评价研究的原创性文献，由美国科 研出版社发行。涵盖物理，化学，毒物学， 电化学，机械和光学特性的纳米材料，生 物技术的应用（制药，药物输送系统，化 妆品，食品技术，生物转化，可再生能源 和能源储存，生物传感，纳米药物，组织 工程，植入式医疗设备，生物光子学，纳 米光动力疗法，肿瘤科）。
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。
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
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
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
生物医学材料； 生物包装材料； 其他生物应用材料。
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。
• 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
（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。
（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；
• 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。
2.1.4 根据材料的用途，这些材料又可以分 为：
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2.2.3 化学稳定性
耐生物老化性（特别稳定）或可生物降 解性（可控降解）。材料在活体内要有较 好的化学稳定性，能够长期使用。
2.2.4 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。
2.2.5 可加工性
能够成型、消毒（紫外灭菌、高压煮 沸、环氧乙烷气体消毒、酒精消毒等）。
料具有较差的气密性和防潮性能，因而除
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
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
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）。
2.3
生物材料机械性能评价
(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。
(2)人体骨的力学性能因年龄、部位而 异，评价骨和材料的机械性能最重要的指 标有：抗拉抗压强度、屈服强度、弹性模 量。疲劳极限和断裂韧性等；
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(PLa)细微颗 料。
• 这样制成的塑料薄膜可以制成保鲜袋和代
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。
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
弹性模量是生物材料的重要性质之一， 过高过低都不行。模量相对与骨过高，在 应力作用下，承受应力的金属和骨将产生 不同的应变，在金属与骨的接触面会出现 相对位移，从而造成界面处松动；长时间 下，还会造成应力屏蔽，引起骨组织的功 能退化和吸收。过低，变形较大，起不到 固定和支撑作用。
(3)对于摩擦部位的材料，一般用硬度 反映其耐磨性能。
2.4 金属、高分子和无机非金属生物 材料的比较：
2.5 生物功能无机非金属材料的种 类及临床应用
种类 Al2O3 ZrO2 碳 磷酸钙 羟基磷灰石 磷酸盐玻璃 氟磷酸盐玻璃 微晶玻璃 √ √ √ √ √ 临床应用 人工 人 骨 工 关 节 √ √ √ √ 人 工 牙 根 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ 人 工 牙 冠 骨 填 充 材 料 √ 骨 置 换 材 料 人造 人 心瓣 工 膜 肌 腱 人 工 气 官
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。
2.6 无机非金属生物材料基本条件 与要求
（1）良好的生物相容性 化学稳定性 降解产物无毒 （2）杂质元素及溶出物含量低 As，Cd、Hg、Pb等重金属 （3）有效性 抗压、耐磨、热膨胀
（4）成型加工性能 脆性 加工困难 不同模具 （5）耐消毒灭菌性 高压蒸汽消毒、辐射灭菌和环氧乙烷灭 菌
1.1.3 无机非金属生物材料分类