生物材料第一章

生物材料的定义是根据它们的用途，而非它们的化学成份。
实例：眼内透镜 组成：聚甲基丙烯酸甲酯（简写 PMMA）
1949年，英国的一位医生率先将一枚PMMA人工晶体 植入患者眼内. 人工晶体或称假晶体，也叫作眼内眼镜。多用在白内 障手术后，代替摘除的自身混浊晶体
博士伦storz一体式 人工晶体
博士伦水凝胶折叠式 Alcon公司Acrysof蓝 人工晶体 光滤过型晶体
以尖端科技制成的机械手臂由20个微型马达驱动，空前 精确地模拟出活生生肢体的动作，使用者通过神经冲动 来控制它。手臂中甚至装入了记录触觉的传感器
阿曼达· 基茨的残肢经外科手术重新接驳神经后，肌肉仍可产生 运动，并被传感器阵列记录下来。下一代的义肢能听命于转接的肌 肉信号，行动越来越接近天生的血肉肢体。
化学组成： （1）胶原、弹性蛋白；（2）纤连蛋白、层粘蛋 白等；（3）蛋白聚糖等糖蛋白和透明质酸、硫 酸软骨素、硫酸皮肤素及硫酸类肝素等氨基聚糖 功能： 天然ECM在组织和器官中起骨架作用,使细胞聚集 ,构筑组织,控制组织结构,调控细胞表型； ECM也是生长因子的储存库,生长因子由此控制释 放至相邻细胞。 使组织具有弹性和抗压性
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3. 生物材料的发展史
生物材料的研究有着悠久的历史： 公元前3500年，古埃及人用棉花纤维、马鬃缝 合伤口；用木片修补受伤的颅骨。 公元前2500年的中国、埃及墓葬中发现有假牙、 假耳、假鼻等； 1588年人们用黄金板修复颚骨。1775年就有用 金属固定体内骨折的记载。1851年发明了天然橡 胶的硫化方法后，有人采用硬胶木制作了人工牙 托的颚骨。 以上材料主要来源于当时社会已有的各种材料，其 发展受制于免疫学知识和材料本身的毒副作用。
（1）高分子材料：聚乙烯、聚乳酸等 （2）金属材料：不锈钢、钴基合金等 （3）陶瓷材料：氧化铝、生物玻璃和羟基 磷灰石等 （4）复合材料：纤维增强聚合物和金属陶瓷复合材料等 （5）生物衍生材料：活性生物组织
生物衍生材料是由经过特殊处理的天然生物组织形 成的生物医用材料，也称为生物再生材料 。主要用于人 工心脏瓣膜、血管修复体、皮肤敷膜、纤维蛋白制品、 骨修复体、软膜修复体、鼻软骨种植体、血液透析膜等
生物材料
陈大柱 深圳大学材料学院
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第一章 绪论
1. 生物材料的概念
生物材料（Biomaterials）: 是指生物体材料和各种医用、特别是对机 体的细胞、组织和器官进行诊断、治疗、替代、 修复、诱导再生或增进其功能的特殊功能材料。
如隐形眼镜√，人造血管√，支撑材料？
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生物材料包括：
（1）生物体材料（Biological materials） 具 体组成某种组织细胞的成分，如纤维蛋白、胶原 蛋白、磷脂和糖蛋白等。 （2）生物医用材料(Biomedical materials) 是与 医学诊断、治疗有关的一类功能性材料，其研究 的最终目的主要是制成人工器官或医疗器械代替 和修复人体受损的组织、器官，以实现其生理功 能。
（2）碳素、氧化铝、氧化锆等生物惰性陶瓷材料 （3）硅橡胶、高分子量聚乙烯等有机高分子材料
缺点：材料本身不能促进或加速伤口的愈合；往往要进行二 次手术；植入体与生物主体之间存在界面问题
3.2 第二代生物材料：生物活性或生物可吸收的生物材料 （1） 生物活性材料：生物活性玻璃、陶瓷和玻璃陶 瓷等具有生物活性的硬组织植入材料 （2）生物可吸收的生物材料：生物可降解性医用 材料，包括可生物降解吸收的骨水泥、陶瓷及生物可降 解高分子 缺点：材料本身并不同时具有生物活性和生物降解特性
聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)作为人工晶体最佳材料，已在临床 上广泛使用。 近年来又推出一些新的人工晶体材料，如水凝胶、聚碳酸酯 、聚硅氧烷等。以硅凝胶、水凝胶为材料可制成折叠式人工晶体， 以便通过3.5mm的小切口植入眼内。
生物材料学参考书
（1）李世普. 生物医用材料导论. 武汉理工 大学出版社, 2006. （2）阮建明, 等. 生物材料学. 北京：科学 出版社, 2007. （3）王远亮等译. 生物材料－生物学与材料 科学的交叉. 北京：科学出版社，2009. （4）周长忍. 生物材料学（精）. 中国医药 科技出版社, 2004. （５）高长友. 医用高分子材料. 北京：化 学工业出版社，2006.
图 1.3 PHBHV/HA的生物活性（SBF中浸泡50天后的SEM照片）
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组织工程(Tissue Engineering)
是应用细胞生物学和工程学的原理, 在正确认识哺乳动物正常及病理两种状态 下的组织结构与功能关系的基础上,研究和 开发关于修复、维护和促进人体各种组织 器官功能和形态的一门新学科
力学相容性：植入材料力学性能与人体组 织相适应
强度过低，断裂失稳 硬度过低，材料磨损，诱发炎症 强度或硬度过高，对周围组织也可能产生破 坏行为
生物相容性评价实验： 体外试验：溶出物测定，溶血实验，细胞毒性实 验； 动物体内实验：急性全身毒性实验，刺激实验等
生物材料的研究方向：
•生物材料的功能化：主动诱导、激发组织、器官再生
4.3 按材料的生物性能分类
（1）生物惰性材料 （2）生物活性材料 （3）生物降解材料 （4）生物复合材料
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4.4 按材料的医学用途分类
（1）硬组织材料：人工骨、人工关节和牙齿等 （2）软组织材料：人工皮肤、人工器官、人工食道等 （3）心血管材料：人工心脏、人工瓣膜、人工血管 （4）血液代用材料：右旋糖酐、羟乙基淀粉 （5）分离或透过性膜材料：人工肾、人工肝的透析膜 （6）黏合剂、缝合线、药物载体材料：线型脂肪酸聚 酯、聚乙 烯醇、胶原和纤维素等
修复功能的复合生物材料
•药物控制释放载体材料 •纳米生物材料Biblioteka Baidu•组织工程支架材料
•生物材料生物学的综合评价
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2001年8月21日，世界上第一个接受全植入 式人工心脏移植手术的病人罗伯特· 图尔斯通过 电视向记者们讲述自己的喜悦心情。
全植入式人工心脏”形如柚子，重约1公斤，其主体是一个以钛和塑料为 材料的泵，具有电子控制系统，能够根据身体需要调节泵的速度。
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生物衍生材料
所用生物组织主要取自动物体，也 取自人的尸 体 特殊处理包括维持组织原有构型，仅消 除其免 疫排斥反应的较轻微的处理，如经戊二醛处理 定型的猪心瓣膜、牛心包、牛颈动脉、人脐动脉 及冻干 的骨片等; 以及拆散原有构型 而重建新的物理形态的强烈 处理，如再生胶原、弹性蛋白、透明质酸、硫 酸软骨素和壳聚糖等构成的粉体、纤维、膜、海 绵体 等。 经过处理的生物组织已失去生命力，因此生物衍 生 材料是一类无生命的材料。
组织工程基本方法：
是将体外培养的高浓度组织细胞,扩增后粘附于一种生物 相容性好并可被人体逐步降解吸收的三维多孔人工细胞 外基质(支架材料) 上,细胞在该支架上可获取足够的营 养物质,进行新陈代谢,并按预制形态的三维支架生长、 增殖和组织分化; 然后将这种组织工程化细胞和生物材料的结构物(组织工 程构件) 植入到机体缺损或病变部位。 种植的细胞在支架逐渐被降解吸收过程中, 继续增殖并 进一步分化,最终组装成新的具有或部分具有原来特殊功 能和形态的组织和器官,从而达到创伤修复和功能重建的 目的。
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4.5 按生物材料与人体接触时间长短分类
（1）长期植入材料：如人工血管、软硬组织材料 （2）短期植入材料：心室辅助装置、透析器等 （3）生物降解材料：黏合剂、手术缝合线、药物载 体材料等（暂时替代组织器官功能或作缓释体） （4）一次性使用医疗用品材料：注射器、输液袋等
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5. 生物相容性 生物相容性：生物材料与生物体的相互适应性 血液相容性：与血液接触的材料应无溶血作用、 不能破坏血液组成、不能有凝血作用和形成血栓 组织相容性：（1）植入材料不能对周围组织产 生毒副作用，不能诱发基因病变和组织致畸；（ 2）植入体周围组织不能对材料产生强烈腐蚀和 排斥反应
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3.3 第三代生物材料：生物活性和生物可吸收的生物材料 第三代生物医用材料在生物体内能被降解, 最终为机 体所吸收, 同时材料本身又具有生物活性, 能参与机体 的生理活动, 在分子水平上激活基因, 刺激相关细胞产 生响应, 从而诱导组织和器官的形成,是细胞和基因的活 性化材料。 目前, 第三代生物医用材料已成为国际上材料前沿领 域一个十分活跃的研究方向, 在组织工程中已开始有广 泛的临床应用。
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发展阶段：
第三代 （1990’s>） 特点：生物活性和 生物可吸收性
第二代 （1980’s>） 特点：生物活性或 生物可吸收性 第一代 （1950’s>） 特点：生物惰性
生物材料发展的三个不同阶段 及其特点
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3.1 第一代生物材料： 惰性生物材料 （1）不锈钢、钛及其合金、以及钴基合金等金属材 料
4. 生物材料的分类
4.1 按材料来源分类： （1）天然材料 天然高分子材料：纤维素、天然橡胶、胶原、明胶、 纤维蛋白和甲壳素等 自体组织 同种异体组织 生物组织材料 异体组织 异种异体组织 （2）合成材料 无机材料：合金、陶瓷等 高分子材料：塑料、橡胶和纤维等
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4.1 按生物材料的成分和性质来分类：
第三代生物医用材料作为人工细胞外基质 ECM的另一种方法是原位组织再生法: 即将生物活性药物、生物活性物质、细胞 生长因子或发育诱导调节因子等生理活性物质或 生物分子通过物理方法直接包埋在生物降解性材 料中(复合) ,然后将这种生物活性材料直接移植 或注射到人体病变或受损部位。 其他方法？（粘附、共价键连）
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2. 生物材料学与其它学科的关系
生物材料学：生命科学和材料科学相交叉的一 门综合性的新兴学科，主要研究生物材料的微 观结构和宏观机能，制备技术、以及生物医用 材料与人体组织器官相互作用的生物理化特性。 研究内容涉及材料学、医学、生物学、力学 和工程学等诸多领域。
随着材料科学、生命科学和临床医学的不断 发展， 生物医用材料的研究已取得了很大的进展，在组织工程 的诸多领域已有了相当广泛的临床应用。
细胞外基质
细胞外基质(Extracellular Matrix , ECM)：是 在机体发育过程中由细胞分泌到细胞外空间的各 种生物大分子,组装形成高度水合的凝胶或纤维性 网络。 分布：细胞和组织之间、细胞周围，或形成细胞 的基膜，将细胞与细胞、细胞与基膜互相联系， 构成组织与器官，使其形成有机整体。