生物医用与仿生材料ppt
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《生物材料学》医用生物材料 ppt课件
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128
陶瓷材料的强度和断裂 陶瓷的结合键和晶体结构决定了陶瓷材料具有很高的抗压
强度，但抗拉强度和剪切强度却很低。
若设裂纹的长度为C，应力集中系数可根据Griffith公式得到：
c 2 C
r
式中，σ为垂直作用于此裂纹的平均应力；r为裂纹尖端处的曲
率半径；C为裂纹长度。由于裂纹尖端处的曲率半径很小。
5.1.5 其他医用金属材料
ppt课件
105
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第五章 生物医用材料
5.2 医用陶瓷材料
ppt课件
117
图4-2 萤石的点阵结构
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图4-3 刚玉的点阵结构
126
1.2 陶瓷的物理性能
• 陶瓷材料的机械性能
陶瓷材料的弹性变形 陶瓷材料的拉伸模量一般比金属的大得多，常相差数倍。
这主要是由于陶瓷材料由离子键和共价键组成有关。陶瓷材 料的弹性模量还与构成陶瓷材料的种类、分布比例、气孔率 和加工工艺等因素密切相关，尤其是陶瓷的工艺过程对陶瓷 材料的弹性模量有着很重要的影响。
等），考察材料的生物相容性。
ppt课件
5
耐腐蚀性能要求
金属材料的主要缺点是腐蚀问题。
长期浸泡在含有有机酸、碱金属或碱土金属离 子（Na+、K+、Ca2+）、Cl-离子等构成的恒温 （37℃）电解质的环境中，加之蛋白质、酶和 细胞的作用，其环境非常复杂，会对金属材料 产生腐蚀，腐蚀的产物可能是离子、氧化物、 氯化物等。
《生物医用药用材料》PPT课件
（2）无机有机复合是当前研究热点之一
（3）材料的多元复合是发展的重要方向
（4）具有特异性能的生物活性材料；
（5）力学相容性好又有促进组织生长功能的材 料；
（6）具有人体组织结医构学P的PT 复合材料
19
HAP的粉体制备方法 主要包括：固相反应法、 化学沉淀法、水热合成法、 溶胶—凝胶法、醇化合物 法等几种。
Ca10(PO4)6(OH)2
HAP系生物 材料的研究现状
（1）HAP的粉体制备工艺
（2）羟基磷灰石的成型与 烧结工艺
（3）HAP系复合材料目前 已达到的性能
（4）HAP系复合材料的应 用
医学PPTຫໍສະໝຸດ 201.2 生物材料的国（内A）外成研型工究艺 现状 常用的成型工艺主要有：注浆成型、 压制成型、等静压成型和凝胶浇注成型 等。
医学PPT
2
发展
❖ 公元前2500年在中国及埃及人的墓穴中已 发现有假手、假耳等人工假体，我国隋唐 时代就有了补牙用的银膏。
❖ 金银铂 ❖ 不锈钢 ❖ 纯钛的骨钉、骨板 ❖ Ti-Ni形状记忆合金
医学PPT
3
❖ 目前国外有数以百万计的人靠人工器官维持着生 命。仅在美国，每年约有100万人接受人工器官的 植入手术。其中，人工心脏瓣膜3.5万人，人工血 管18万人；人工髋骨12.5万人；人工膝盖605万人； 人工肾5万人。
（ B ） 一 般 报 道 的 整 体 HAP 的 弯 曲 强 度 在 30 ～ 177MPa之间，人体致密骨的弯曲强度在170MPa
左右。 （1）HAP的粉体制备工艺
（C）一般报道的整体HAP的断裂韧性在
0.7MPa ·m1/（2左2右），人羟体基骨磷的断灰裂石韧性的在成2-1型0 与 MPa · m1/2之烧间结。 工艺
生物医用材料ppt课件
正器具等。
可锻可铸，机械性能好 价格高，加工难、 常用来制作人工关节的金 硬度有硬，中，软之分 应用不够普及 属间华东联接。
USA Organogenesis Inc., Massa, USA
Intergra Life Science, NJ, USA Smith & Nephew, UK
Interpore Cross International Inc., USA
8
目录
生物医用材料市场发展概况 生物医用材料的基本特性及分类 金属生物医用材料 无机生物医用材料 有机高分子生物医用材料 杂化生物医用材料
13
三、生物医用材料的分类
按材料的用途进行分类：
生物医用材料
口腔医用材料 硬组织修复与替换材料(用于骨骼和
关节等) 软组织修复与替代材料(用于皮肤、
肌肉、心、肺、胃等) 医疗器械材料
14
按材料的组成进行分类：
金属生物医用材料:包括不锈钢、钴基合金，钛及合金等，广泛应用 于人工假体、人工关节、医疗器械等。 无机生物医用材料：分为惰性生物陶瓷、生物玻璃、碳素材料。 有机高分子生物医用材料：分为天然的和合成的，天然的如多糖类、 蛋白类，合成的聚氨酯、聚乙烯、聚乳酸、聚四氟乙烯等，用于人体 器官、组织、关节、药物载体等。 杂化生物医用材料：不同种材料的混合或结合，克服单一材料的缺点， 可获得性能更优的材料。
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
……
5
全球生物医用材料 细分市场发展
矫形外科修复材料 和制品
增长率26%
心血管系统修复材 料、血液净化材料
《生物医用材料课件》
常见的生物医用材料
骨科材料
心脏血管材料
用于修复断骨和进行骨重建手术的
用于血管扩张和支架植入等心脏血
材料，如人工髋关节和骨修复螺钉。 管手术的材料，如心脏支架。
人工器官材料
用于制造人工心脏、人工肝脏等器 官的材料，如生物相容性高的聚合 物。
生物医用材料的应用
医疗领域的需求
生物医用材料满足了医疗领域对安全、耐用、可降 解等特性的需求。
生物医用材料课件
生物医用材料是用于医疗及医学研究的特殊材料。本课件将带您了解生物医 用材料的概述、分类和应用领域，以及未来发展趋势。
材料概述
1 什么是生物医用材料
2 生物医用材料的分类
生物医用材料是指用于医疗目的的材料，如医疗 器械、植入材料等。
生物医用材料可分为可降解和不可降解两类，根 据其在人体内的降解速度和能力。
生物医用材料的未来趋势
1 新材料的研发与应用
不断研发新的生物医用材料，应用于更广泛的医疗领域。
2
生物医用材料的优势和局限性
生物医用材料具有生物相容性好、可塑性高等优势， 但也存在降解速度难以控制等局限性。
生物医用材料的研发与评价
1
生物相容性测试
通过体外和体内实验对材料进行生物相容性
材料性能评估
ห้องสมุดไป่ตู้
2
评估。
对材料的力学性能、生物活性等进行评估。
3
临床试验
将材料应用于临床实践中，评估其安全性和 有效性。
第八章-生物医用材料PPT
（3） 医用生物陶瓷。有惰性生物陶瓷和活性生物陶瓷（羟基磷灰石陶瓷、 可吸收磷酸三钙陶瓷等）
（4） 医用生物复合材料。如羟基磷灰石涂复钛合金，炭纤维或生物活性玻 璃纤维增强聚乳酸等高分子材料。
（5） 生物衍生材料。这类材料是将活性的生物体组织，包括自体和异体组 织，经处理改性而获得的无活性的生物材料。
缺点：在接枝反应过程中，已接枝到材料表面的聚合物链会 对表面活性点产生屏蔽和立体位阻作用，阻碍体系中的聚合 物向膜表面扩散，妨碍端基活性基团聚合物对表面的密集覆 盖，接枝率一般不高。
“由表面接枝”法：
定义：先在材料表面形成活性接枝点，再引发单体接枝聚合， 从材料表面长出接枝聚合物链。这种方法有效地克服了“接 枝到”法中聚合物链靠近膜表面时的立体障碍，可以形成共 价键合、高接枝密度的聚合物刷。
主要介绍材料表面接枝聚合物刷改性、等离子 体技术、离子束技术的表面改性、电化学沉积 技术、材料表面肝素化、微相分离结构的形成、 材料表面生物化、材料表面化学活性基团或活 性物质的结合、表面修饰等。
1 5
1 材料表面接枝聚合物刷改性
材料表面接枝：聚合物链的一端以 共价键形式连接在材料表面上，另 一端背向沿着垂直于材料表面的方 向伸展而形成的排列紧密有序、类 似于刷子状的聚合物链集合。
3
生物医用材料发展简史
生物医用材料的应用已经有很长的历史了。早在公 元前5000年，人类祖先就用了黄金来修补牙齿。公元前 3500年，古埃及人用棉花纤维、马鬃缝合伤口。公元前 2500年的中国和埃及的墓葬里被挖掘出假牙、假鼻和假 耳朵。我国的隋唐时期采用了银、锡、汞合金来填补牙 齿。1851年。当天然橡胶硫化法发明以后，人们用硬橡 胶制作了人工牙托和鄂骨。
9
人工心脏瓣膜
（4） 医用生物复合材料。如羟基磷灰石涂复钛合金，炭纤维或生物活性玻 璃纤维增强聚乳酸等高分子材料。
（5） 生物衍生材料。这类材料是将活性的生物体组织，包括自体和异体组 织，经处理改性而获得的无活性的生物材料。
缺点：在接枝反应过程中，已接枝到材料表面的聚合物链会 对表面活性点产生屏蔽和立体位阻作用，阻碍体系中的聚合 物向膜表面扩散，妨碍端基活性基团聚合物对表面的密集覆 盖，接枝率一般不高。
“由表面接枝”法：
定义：先在材料表面形成活性接枝点，再引发单体接枝聚合， 从材料表面长出接枝聚合物链。这种方法有效地克服了“接 枝到”法中聚合物链靠近膜表面时的立体障碍，可以形成共 价键合、高接枝密度的聚合物刷。
主要介绍材料表面接枝聚合物刷改性、等离子 体技术、离子束技术的表面改性、电化学沉积 技术、材料表面肝素化、微相分离结构的形成、 材料表面生物化、材料表面化学活性基团或活 性物质的结合、表面修饰等。
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1 材料表面接枝聚合物刷改性
材料表面接枝：聚合物链的一端以 共价键形式连接在材料表面上，另 一端背向沿着垂直于材料表面的方 向伸展而形成的排列紧密有序、类 似于刷子状的聚合物链集合。
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生物医用材料发展简史
生物医用材料的应用已经有很长的历史了。早在公 元前5000年，人类祖先就用了黄金来修补牙齿。公元前 3500年，古埃及人用棉花纤维、马鬃缝合伤口。公元前 2500年的中国和埃及的墓葬里被挖掘出假牙、假鼻和假 耳朵。我国的隋唐时期采用了银、锡、汞合金来填补牙 齿。1851年。当天然橡胶硫化法发明以后，人们用硬橡 胶制作了人工牙托和鄂骨。
9
人工心脏瓣膜
《生物医用材料》课件
案例二
总结词
药物载体的新选择
详细描述
可降解高分子材料具有良好的生物相容性和可降解性，是 药物载体的理想选择。这种材料可以在体内降解，减少了 对身体的副作用和不良反应。
总结词
材料的合成与改性
详细描述
为了提高可降解高分子材料的载药量、稳定性和靶向性， 需要进行合成和改性研究。通过化学修饰和共聚等手段， 可以改善材料的性能，提高药物的包覆率和释放效果。
系统生物学与生物医用材料
结合系统生物学的研究方法，深入探究生物医用材料与人体组织之间 的相互作用机制，为新材料的研发和应用提供理论支持。
05
案例分析
案例一
总结词
骨修复领域的创新应用
详细描述
生物活性玻璃陶瓷材料是一种新型的骨修复材料，具有良 好的生物相容性和骨传导性。它在骨修复领域的应用已经 得到了广泛认可，能够有效地促进骨组织的再生和修复。
某些生物医用材料具有诱导骨形成的特性，可通 过体内外实验验证其诱导骨生成的潜力。
生长因子活性
某些生物医用材料能够吸附和释放生长因子，促 进组织再生，可通过实验验证其生长因子活性。
抗菌性能
某些生物医用材料具有抗菌性能，可抑制微生物 的生长，可通过实验验证其抗菌效果。
体内植入实验
短期植入
功能评价
将生物医用材料植入动物体内，观察 短期内的组织反应和材料性能变化。
总结词
应用范围与限制
详细描述
可降解高分子材料在药物载体领域的应用已经得到了广泛 的研究和探索。然而，其应用仍受到一些限制，如材料的 降解速度和药物的释放速度需要精确控制，同时也需要进 一步研究其长期稳定性和安全性。
案例三
总结词
癌症治疗的新突破
仿生智能材料--ppt课件
在机翼结构中使用磁致伸缩致动器，可使机翼 阻力降低85%。
ppt课件
37
智能材料与住宅智能化
ppt课件
38
（1）多功能砖
具有变通性和智能性。 主要由四个分层构成： 第一层是功能层，能感受来自周围的声能、热能、光能， 并能控制这些能量的输出；
第二层是通讯层，能为居住者提供内外通信联系的通道；
第三层是输送通道，可以用来输送水和其它材料；
ppt课件
10
ppt课件
11
仿生材料（Bio-inspired）： 受生物启发或者模拟生物的各种特性而
开发的材料。 材料的仿生包括模仿天然生物材料的成
分和结构特征的成分、结构仿生、模仿生 物体中形成材料的过程和加工制备仿生、 模仿生物体系统功能的功能仿生。
ppt课件
12
二、 智能材料
1、什么是智能材料？
仿生学是一门生命科学、物质科学、信息 科学、数学和工程技术等学科相互渗透而结合 成的一门边缘科学。
ppt课件
7
2、生物材料和仿生材料 自然界存在的天然生物材料有着人工材
料无可比拟的优越性能。
生物材料通常有两个定义，一是有生命过 程形成的材料，如结构蛋白（蚕丝等）和 生物矿物（骨、牙、贝壳等），另一个是 指生物医用材料(Biomedical materials), 其定义随医用材料的发展不断发展，指用 于取代、修复活组织的天然或人造材料。
材料一般分为结构材料和功能材料两大类。对 结构材料主要要求其机械强度，而对功能材料 侧重于其特有的功能。
功能材料
对来自外界或内部的各种信息具有感知能力的 敏感材料
在外界环境或内部状态发生变化时能对之作出 适当的反应并产生相应动作的驱动材料
ppt课件
ppt课件
37
智能材料与住宅智能化
ppt课件
38
（1）多功能砖
具有变通性和智能性。 主要由四个分层构成： 第一层是功能层，能感受来自周围的声能、热能、光能， 并能控制这些能量的输出；
第二层是通讯层，能为居住者提供内外通信联系的通道；
第三层是输送通道，可以用来输送水和其它材料；
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ppt课件
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仿生材料（Bio-inspired）： 受生物启发或者模拟生物的各种特性而
开发的材料。 材料的仿生包括模仿天然生物材料的成
分和结构特征的成分、结构仿生、模仿生 物体中形成材料的过程和加工制备仿生、 模仿生物体系统功能的功能仿生。
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二、 智能材料
1、什么是智能材料？
仿生学是一门生命科学、物质科学、信息 科学、数学和工程技术等学科相互渗透而结合 成的一门边缘科学。
ppt课件
7
2、生物材料和仿生材料 自然界存在的天然生物材料有着人工材
料无可比拟的优越性能。
生物材料通常有两个定义，一是有生命过 程形成的材料，如结构蛋白（蚕丝等）和 生物矿物（骨、牙、贝壳等），另一个是 指生物医用材料(Biomedical materials), 其定义随医用材料的发展不断发展，指用 于取代、修复活组织的天然或人造材料。
材料一般分为结构材料和功能材料两大类。对 结构材料主要要求其机械强度，而对功能材料 侧重于其特有的功能。
功能材料
对来自外界或内部的各种信息具有感知能力的 敏感材料
在外界环境或内部状态发生变化时能对之作出 适当的反应并产生相应动作的驱动材料
ppt课件
生物医药材料PPT课件
也可在无光情况下进行氧化磷酸化，进行细菌的生长繁 殖。 应用：光能转换机理研究，作为纳米生物材料。
美国康纳尔大学：纳米直升机 利用ATP酶为分子马达的一种可以进入人体细胞
的纳米机电设备。 生物分子组件将人体的生物燃料ATP转化为机械
能量，使得金属推进器的运转速率达到每秒8圈。 有可能完成在人体细胞内发放药物等医疗任务。
2021/7/22
17
4. 纳米智能药物
适时准确地释放药物。
a. 微型药房（硬币大小，＋智能化传感器）
2021/7/22
5
仿生材料与生物分子纳米器件
2021/7/22
6
仿生，biomimetics，1960年，T. Stelle： 指模仿或利用生物体结构，生化功能和生化过
程的技术。 目的：
获得接近或超过生物天然材料优异性能的新材 料，或用天然生物合成的方法获得所需材料。
纤维：具有蜘蛛牵引丝强度 陶瓷：具有海洋贝类韧性等
2021/7/22
7
制备仿生的硬组织材料
目的：替换、修复损伤的天然硬组织。 无机/高分子复合材料最受关注。
2021/7/22
8
生物分子与纳米器件
1. 生物纳米材料
2.
纳米：10-9 m
3.
细胞：10-6 m
4.
生物大分子：纳米量级
5.
亚细胞结构：几十～几百纳米
6.
核酸、蛋白质、病毒、细胞器：1～
成多种生物活性，仅用微量生理或生物采样，既
可以检测不同的生物细胞、生物分子和DNA的特
性，以及它们之间的相互作用，获得生命微观活
动的规律。
d.
优点：集成、并行和快速检测。
2021/7/22
美国康纳尔大学：纳米直升机 利用ATP酶为分子马达的一种可以进入人体细胞
的纳米机电设备。 生物分子组件将人体的生物燃料ATP转化为机械
能量，使得金属推进器的运转速率达到每秒8圈。 有可能完成在人体细胞内发放药物等医疗任务。
2021/7/22
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4. 纳米智能药物
适时准确地释放药物。
a. 微型药房（硬币大小，＋智能化传感器）
2021/7/22
5
仿生材料与生物分子纳米器件
2021/7/22
6
仿生，biomimetics，1960年，T. Stelle： 指模仿或利用生物体结构，生化功能和生化过
程的技术。 目的：
获得接近或超过生物天然材料优异性能的新材 料，或用天然生物合成的方法获得所需材料。
纤维：具有蜘蛛牵引丝强度 陶瓷：具有海洋贝类韧性等
2021/7/22
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制备仿生的硬组织材料
目的：替换、修复损伤的天然硬组织。 无机/高分子复合材料最受关注。
2021/7/22
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生物分子与纳米器件
1. 生物纳米材料
2.
纳米：10-9 m
3.
细胞：10-6 m
4.
生物大分子：纳米量级
5.
亚细胞结构：几十～几百纳米
6.
核酸、蛋白质、病毒、细胞器：1～
成多种生物活性，仅用微量生理或生物采样，既
可以检测不同的生物细胞、生物分子和DNA的特
性，以及它们之间的相互作用，获得生命微观活
动的规律。
d.
优点：集成、并行和快速检测。
2021/7/22
《生物医用材料》幻灯片
• （2）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。
• 3）耐生物老化性能
• 材料在活体内要有较好的化学稳定性，能够长期使用，即在发挥 其医疗功能的同时要耐生物腐蚀、耐生物老化。
• （4）成形加工性能
• 容易成形和加工，价格适中。
1
其他医疗器械制品
矫形外科修复材料 和制品
增长率 26%
心血管 料、血
系统修 液净化
复材 材料
高速增长
工程化组织和器官市80场0亿将美达元
人 合
造皮肤、组 剂及术后防
织 粘粘 连增长率
制品
45%
药物缓释材料 高速增长
其他生物材料和制 品
人造器官
人工器官是生物医学工程专业中一门新的学科。它主要研究模拟人体 器官的结构和功能，用人工材料和电子技术制成部分或全部替代人体 自然器官功能的机械装置和电子装置。当人体器官病损而用常规方法 不能医治时，有可能给病人使用一个人工制造的器官来取代或部分取 代病损的自然器官，补偿或修复或辅助其功能。
3、生物降解吸收性
生物降解吸收性指材料在活体环境中可发生速度能控制的降解，并能被活体在 一定时间内自行吸收代谢或排泄。
按照在生物体内降解方式可分为水解型和酶解型两种。
4、具备效果显示功能
具有显示其医用效果的功能，即生物功能性。 1.可检查、诊断疾病 2．可辅助治疗疾病如注射器、缝合线和手套等手术用品材料 3.可分别满足各脏器对维持或延长生命功能的性能要求 4.具备支持活体、保护软组织、脑和内脏的功能等。 5.具备可改变药物吸收途径，控制药物释放速度、部位，并满足疾病治
——是用于与生命系统接触和发生相互作用，并能对其细胞、 组织和器官进行诊断治疗、替换修复或诱导再生的一类天然 或人工合成的特殊功能材料，亦称生物材料
• 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。
• 3）耐生物老化性能
• 材料在活体内要有较好的化学稳定性，能够长期使用，即在发挥 其医疗功能的同时要耐生物腐蚀、耐生物老化。
• （4）成形加工性能
• 容易成形和加工，价格适中。
1
其他医疗器械制品
矫形外科修复材料 和制品
增长率 26%
心血管 料、血
系统修 液净化
复材 材料
高速增长
工程化组织和器官市80场0亿将美达元
人 合
造皮肤、组 剂及术后防
织 粘粘 连增长率
制品
45%
药物缓释材料 高速增长
其他生物材料和制 品
人造器官
人工器官是生物医学工程专业中一门新的学科。它主要研究模拟人体 器官的结构和功能，用人工材料和电子技术制成部分或全部替代人体 自然器官功能的机械装置和电子装置。当人体器官病损而用常规方法 不能医治时，有可能给病人使用一个人工制造的器官来取代或部分取 代病损的自然器官，补偿或修复或辅助其功能。
3、生物降解吸收性
生物降解吸收性指材料在活体环境中可发生速度能控制的降解，并能被活体在 一定时间内自行吸收代谢或排泄。
按照在生物体内降解方式可分为水解型和酶解型两种。
4、具备效果显示功能
具有显示其医用效果的功能，即生物功能性。 1.可检查、诊断疾病 2．可辅助治疗疾病如注射器、缝合线和手套等手术用品材料 3.可分别满足各脏器对维持或延长生命功能的性能要求 4.具备支持活体、保护软组织、脑和内脏的功能等。 5.具备可改变药物吸收途径，控制药物释放速度、部位，并满足疾病治
——是用于与生命系统接触和发生相互作用，并能对其细胞、 组织和器官进行诊断治疗、替换修复或诱导再生的一类天然 或人工合成的特殊功能材料，亦称生物材料
生物医用材料PPT课件
需用材料
止血材料 抗凝血材料 人工瓣膜材料 人工血管材料 人工血浆 人工红血球 人工肺 人工骨 人工关节 人工肌腱、人工肌肉 人工浆膜
2.
（图中Ms表示冷却时开始产生热弹性马氏体的转变温度，Mf表示 冷却时转变的终止温度，As表示升温时逆转的温度，Af表示逆转完全 的温度）。
医学应用
血栓过滤器、脑动脉瘤夹、食道支架、鼻出血
未来人造皮肤
+ 有触感
+ 可拉伸 + 能防弹
可剥落的电子表皮
人造心脏瓣膜的置换
• 第一个可靠的人工心 脏瓣膜，在1961年由 美国俄勒冈州波特兰 的外科医生史塔尔和 他的合作者爱德华斯 发明，是装在不锈钢 罩中的塑料球。
普通金属烤瓷牙
贵金属烤瓷牙
齿科材料
• 修复牙齿用的合金除银之外主要有镍铬、钴铬和 烤瓷合金。
“马赛克凝胶”是一 种薄皮状的物质，能 够与活体组织的细胞 生长兼容，进而确保 各种不同的细胞能够 在凝胶里进行精准的、 可操控的生长繁殖。 精确控制细胞生长 具有非常重大的意义， 如此一来，人造皮肤 的细胞就能模拟活体 组织细胞的自然生长， 对烧伤患者的治疗十 分有利。
控制“马赛克凝胶” 里的细胞生长，令 其排列成7个字母、 组成单词“Toronto”。
人工皮肤的发展
+ 人造皮肤在中国起步较晚，但经过几十年
的发展，其在各个领域上面都取得 了巨大 的成就。 在美国、 加拿大、 日本和欧共体 国家组织工程的研究和产业化得到迅速发 展， 尤其是美国有 50 余家公司从事组织工 程产品的产业化生产，已经形成价值 60 亿 美元的产业，并以每年 25%的速度递增。 初步估计，到 2020 年美国组织工程 产品市 场可达每年 180 亿美元。
生物材料PPT课件
（天然）
（合成）
（合成）
（合成）
明胶
藻酸盐
聚乙烯醇
聚甲基丙烯酸酯
淀粉
聚酸酐
聚醋酸乙烯酯
聚氨基甲酸酯
白蛋白
聚酰胺
聚苯乙烯
聚酯
胶原
聚腈基丙烯酸烷基酯 聚硅氧烷橡胶
聚乙烯
甲壳素或壳聚糖
脂肪族聚酯
聚丙烯酸酯
聚四氟乙烯
纤维素
聚酰胺
16
天然及合成高分子材料对比
天然高分子材料 优点：生物相容性好，无毒副作用 缺点：力学性能较差，药物释放速度不可调控
20世纪中后期---高分子材料迅猛发展，推动了生 物医用材料的发展，例如：透析膜、人工心脏材料、 血管植入物、缝合线等。
20世纪80年代后---组织工程产生：在材料结构及 功能设计中引入生物支架--活性细胞，构建所希望 的生物材料。
---药物缓释材料、靶向药物以及智能仿生材料 的出现
3
2 生物医用材料分类
1) Bryan Jeun;Hyukjin Lee;Saurabh Aggarwal;Hailin Wang; Qiang Li;Sukyeon Hwang. “Application of Collagen in Drug Delivery” 2) “Recombinant collagen and gelatin for drug delivery” Journal Metadata Search: Elsevier - Advanced Drug Delivery Reviews
按材料组成和性质：
医用高分子材料
生物陶瓷材料
医用金属材料
生物医学复合材料
4
按用途:
骨骼-肌肉系统修复和替换材料：骨、牙、关节、肌腱等 软组织材料：皮肤、乳房、食道、呼吸道、膀胱等 心血管系统材料：人工心瓣膜、血管、心血管内插管等 医用膜材料：血液净化膜、分离膜、角膜接触镜等 组织粘合剂和缝线材料 临床诊断及生物传感器材料 齿科材料 药物释放载体材料
仿生材料ppt课件
1997 年德国植物学家Barthlott 发现荷叶表面的自清洁效 应和超疏水现象。 所谓超疏水表面一般是指与水滴的接触角大于 150°且 滚动角小于10°的表面, 这种表面在工农业生产及日常 生活中有着广泛的应用, 例如, 集水功能、微流体装置、 抗结冰等. 研究发现, 这些超疏水性生物表面的微纳米结构对其超 疏水性起着至关重要的作用。 超疏水材料一般可以通过两种方法来制备: 一种是在粗 糙表面修饰低表面能物质;另一种是在疏水材料(一般其 接触角大于90°)表面构筑粗糙结构. 目前, 已经报道了许多比较成熟的制备技术, 如电化学 沉积法、等离子体和激光刻蚀法、交替沉积法、电纺丝 法、模板法、溶胶-凝胶法等.
荷叶粗糙表面上有微米结构的乳突，平均直径为5-9um， 单个乳突又是由平均直径约为124.3nm的纳米结构分支组 成，乳突虎脚掌
水黾腿
蝴蝶翅膀
蚊子复眼
沙漠甲壳虫背部
2.2超疏油仿生界面材料
荷叶上表面的微纳复合结构与表面植 物蜡的协同作用赋予了荷叶“出淤泥而不 染”的超疏水自清洁特性，这一点已经广 为人知。但是荷叶下表面的性质却被人忽 视。 Cheng等对荷叶的上表面和下表面的浸润 性进行了深入的研究。如左图（a）所示， 水滴在荷叶的上表面呈圆形;在水中，油 滴(染色的正己烷)也以球形停留在在荷叶 的下表面，表明荷叶的上下表面分别具有 超疏水和超疏油的特性。通过环境扫描电 镜(ESEM)和原子力显微镜(AFM)对荷叶下 表面进行形貌表征，发现下表面由无数个 扁形乳突组成，每个乳突的长度为30～ 50μ m，宽为10～30μ m，高为4μ m，且上 面覆盖着长度为200～500nm的纳米突起。 另外，荷叶的下表面覆盖着一层亲水的类 水凝胶化合物，正是荷叶下表面的这种特 殊微纳结构和化学组成造就了天然的稳定 水下超疏油表面。这一发现也从侧面反映 了荷叶下表面是抗生物粘附的性质。
生物医学材料 ppt课件
用电弧等离子体溅射或电子束加热碳源而制取的 各向同性的碳薄膜，其膜厚度一般在1μm左右
应用
碳素材料是用于心血管系统修复的理想材料， 至今世界上已有近百万患者植入了LTI碳材的人 工心脏瓣膜。 碳纤维与聚合物相复合的材料可用于制作人工 肌键、人工韧带、人工食道等； 玻璃碳、热解碳可用于制作人工牙根和人工骨 等。
➢主要应用为脸部和额部的骨缺损、填补牙周 的空洞，还可作为药物的载体；
➢最早应用的生物降解材料是石膏，石膏的相 容性虽好，但吸收速度太快，通常在新骨未 长成就消耗殆尽而造成塌陷。
第三节 陶瓷生物医学材料
生物活性陶瓷
钛基合金
✓Ti密度小，比强度（强度／密度之比）高， 是不锈钢的3.5倍； ✓Ti与氧反应形成的氧化膜致密稳定，有很好的 钝化作用，因此， Ti合金具有很强的耐蚀性； ✓对人体毒性小，密度小，弹性模量接近于天然 骨，纯钛与钛合金植入物很少与周围组织反应， 采用钛基合金则有利于进一步提高植入金属材料 的性能。
※ 提高含碳量，形成马氏体组 织，有利于提高硬度；
※ 目前主要用于医疗器械。
第二节 金属生物医学材料
奥氏体不锈钢
性能
➢较好的耐蚀性； ➢具有高的塑性，易于加工变形制成各种形 状，无磁性，韧性好； ➢较好的生物相容性和综合力学性能，得到 广泛应用。
➢ 骨科：各种人工关节和骨折内固定器； ➢ 口腔科：镶牙、矫正和牙根种植等各种器件; ➢ 心血管科：传感器的外壳与导线、介入性治疗导丝
生物医学材料的定义 用于与生命系统接触和发生相互作用 的，并能对其细胞、组织和器官进行诊 断治疗、替换修复或诱导再生的一类天 然或人工合成的特殊功能材料，亦称生 物材料。
第一节 生物医学材料的用途、基 本特性及分类
生物医用材料 ppt课件
灰石
由此可构成类似于硅酸盐水泥样的磷酸钙水泥，用与人 体骨的修复，故称磷酸钙骨水泥
新型CPC的研究
1. 药物控释骨水泥
2. 注射型骨水泥
3. 生物活性骨水泥
ppt课件
10
第三章 医用金属材料
定义：是一种用作生物医用材料的金属 或合金，又称作外科用金属材料或医 用金属材料，是一类生物惰性材料。
ppt课件
生物陶瓷人工听小骨假体
气
引
流
管
ppt课件
9
第一代 PMMA骨水泥:优点：易成型和粘结性能
好
缺点：材料化学成份与人体骨成份完全不同，生物相容 性差；单体放热剧烈；细胞毒性；引起过敏
第二代 磷酸钙骨水泥 CPC
20世纪80年代中期，E.brown和chow发现由几种磷酸 钙盐组成的混合物能在人体环境和温度下自行固化，水 化硬化过程基本不放热，其水化成分最终转化为羟基磷
(3) 镁具有独特的体内降解性能 。
(4) 镁资源丰富，价格低廉。
ppt课件
16
材料——是由两种或两种以上不同材料复合而成 的生物医用材料
1. 分类：复合材料一般有基体材料和增强材料组成
(1)按基体：陶瓷基医用复合材料、高分子基医 用复合材料、金属基医用复合材料
要方法)a.热喷涂b.脉冲激光融覆c.离子溅射d.喷 砂法e.电结晶法f.电化学法g.离子注入
ppt课件
15
医用金属材料研究进展
医用镁及镁合金材料的研究
镁合金具备作为可降解骨植入材料的多方面优点：
(1) 镁是人体内含量最多的阳离子之一，几乎参 与人体内所有的新陈代谢过程。
(2) 镁及镁合金的弹性模量约为45GPa，更接近 人骨的弹性模量，能有效降低应力遮挡效应； 镁与镁合金的密度约为1.7g/cm3，与人骨密度 (1.75g/cm3)接近，符合理想接骨板的要求。
由此可构成类似于硅酸盐水泥样的磷酸钙水泥，用与人 体骨的修复，故称磷酸钙骨水泥
新型CPC的研究
1. 药物控释骨水泥
2. 注射型骨水泥
3. 生物活性骨水泥
ppt课件
10
第三章 医用金属材料
定义：是一种用作生物医用材料的金属 或合金，又称作外科用金属材料或医 用金属材料，是一类生物惰性材料。
ppt课件
生物陶瓷人工听小骨假体
气
引
流
管
ppt课件
9
第一代 PMMA骨水泥:优点：易成型和粘结性能
好
缺点：材料化学成份与人体骨成份完全不同，生物相容 性差；单体放热剧烈；细胞毒性；引起过敏
第二代 磷酸钙骨水泥 CPC
20世纪80年代中期，E.brown和chow发现由几种磷酸 钙盐组成的混合物能在人体环境和温度下自行固化，水 化硬化过程基本不放热，其水化成分最终转化为羟基磷
(3) 镁具有独特的体内降解性能 。
(4) 镁资源丰富，价格低廉。
ppt课件
16
材料——是由两种或两种以上不同材料复合而成 的生物医用材料
1. 分类：复合材料一般有基体材料和增强材料组成
(1)按基体：陶瓷基医用复合材料、高分子基医 用复合材料、金属基医用复合材料
要方法)a.热喷涂b.脉冲激光融覆c.离子溅射d.喷 砂法e.电结晶法f.电化学法g.离子注入
ppt课件
15
医用金属材料研究进展
医用镁及镁合金材料的研究
镁合金具备作为可降解骨植入材料的多方面优点：
(1) 镁是人体内含量最多的阳离子之一，几乎参 与人体内所有的新陈代谢过程。
(2) 镁及镁合金的弹性模量约为45GPa，更接近 人骨的弹性模量，能有效降低应力遮挡效应； 镁与镁合金的密度约为1.7g/cm3，与人骨密度 (1.75g/cm3)接近，符合理想接骨板的要求。
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具有力学相容性。
生物医用材料是生物医学科学中的最新分支 学科，是生物、医学、化学和材料科学交叉形 成的边缘学科。具体涉及到化学、物理学、高 分子化学、高分子物理学、生物物理学、生物 化学、生理学、药物学、基础与临床医学等很 多学科 。
生物（医用）材料的发展史
• 目前被详细研究过的生物（医用）材料已超过 1000种，被广泛应用的有90多种，1800多种制 品。西方国家每年耗用生物（医用）材料量以 10~15%的速度增长，1980年全球医用生物（医 用）材料及制品的销售额为200亿美元，1990 年达500亿美元，1995年近1000亿美元。
2、细胞粘附 3、细胞增殖（异 常化） 4、形成蘘膜
5、细胞质的转变
2、生物体对生物反应的变化
• 1.急性全身反应
•
过敏、毒性、溶血、发热、神经麻痹等
• 2. 慢性全身反应
•
毒性、致畸、免疫、功能障碍等
• 3. 急性局部反应
•
炎症、血栓、坏死、排异等
• 4. 慢性局部反应
• 致癌、钙化、炎症、溃疡等
碟片式机械心脏瓣膜
6.1.2 生物医用材料的性能与分类
一、 生物功能性
指生物医用材料具备或完成某种生物功能时应该 具有的一系列性能。 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
指生物医用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。 根据材料与生物体接触部位分为： ▪ 血液相容性。材料用于心血管系统与血液接触， 主要考察与血液的相互作用 ▪ 与心血管外的组织和器官接触。主要考察与组织 的相互作用，也称一般生物相容性 ▪ 力学相容性。考察力学性能与生物体的一致性
日本北海道大学的科 学家们利用从鲑鱼皮 中提取的胶原制造全 球首例人造血管。
生物医用材料与工业材料的最大区别是在生 理环境下使用。移植在生物体内的仿生材料，除 了能达到补钙的目的以外，对周围组织和血液不 应该有不良的影响，即应具有生物相容性。另外， 植入人体的仿生材料，应有足够的力学性能，不 能发生脆性破裂、疲劳断裂及腐蚀破坏等，即应
Chapter 6 Biomaterials and Biomimetic Materals
生物材料与仿生材料
本章主要内容
J 6.1 生物医用（复合）材料 J 6.2 组织工程材料 J 6.3 生物陶瓷 J 6.4 仿生复合材料
6.1 生物医用（复合）材料
J 6.1 .1 生物材料的定义与分类 J 6.1.2 生物医用材料的性能与分类 J 6.1.3 医用金属材料 J 6.1.4 医用高分子材料 J 6.1.5 无机生物医学材料
– 生物惰性医用硅橡胶—人工耳、人工鼻、人工 颌骨等
– 血液相容性较好的各向同性碳被复材料—碟片 式机械心脏瓣膜
– 血液亲和性及物理机械性能较好的聚氨酯嵌段 共聚物—促使人工心脏向临床应用跨越一大步
– 可形成假生物内膜的编织涤纶管—人工血管向 实用化飞跃。
硅橡胶制作的人造器官
人工心脏
聚氨酯 制造的 人工心 脏
材料在生物体内的响应－材料反应
生物机体作用于生物医用材料－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
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；
• 历史上首个人造心脏Jarvik-7，是在1982年植入 病人Barney Clark的体内。他共活了112天。另 一名也植入Jarvik-7的病人William Schrodedr则 活了620天。
• 生物医用材料是研制人工器官及一些重要医疗技 术的物质基础，综观人工器官及医疗装置的发展 史，每一种新型生物材料的发现都引起了人工器 官及医疗技术的飞跃。
狭义的生物材料指的是能够用来制作各种人 工器官和制造与人体生理环境相接触的医疗用具
和制品的材料，即生物医用材料。
生物材料的另一种分类方法
生物材料包括三部分，即生物医用材料，仿生材料 和生物模拟。 生物医用材料：最重要的是材料与人体相容性和材 料本身的性能，通过组织工程、生长因子、DNA和 自组装技术，可生产出人类的各种器官。事实上， 除神经系统以外，人的各种器官都可制造。 仿生材料：生物是多年演化的结果，有很多特性值 得模仿，通过深入研究现有生物体和生物现象而进
生物体对生物医用材料的响应－宿主反应
1、生物学反应
A: 血液反应
1、血小板血栓； 2、凝血系统激活； 3、纤溶系统激活； 4、溶血反应； 5、白细胞反应； 6、细胞因子反应； 7、蛋白粘附；
B: 免疫反应 C: 组织反应
1、补体激活；
1、炎症反应；
2、体液免疫反应 （抗原－抗体反 应）；
3、细胞免疫反应。
行仿造，对材料的发展将起到推动作用。
生物医用材料（Biomedical Materials）用于 人体组织和器官的诊断、修复或增进其功能的一 类高技术材料，即用于取代、修复活组织的天然 或人造材料，其作用药物不可替代。生物材料能 执行、增进或替换因疾病、损伤等失去的某种功 能，而不能恢复缺陷部位。
6.1 .1 生物材料的定义与分类
生物材料（Biomaterials）泛指一切与生物体 相关的应用性材料或由生物体合成的材料。
按其应用可分为生物医用材料（Biomedical Materials）和与生物合成有关的应用材料。而按 生物材料来源可分为天然生物材料和人工生物材 料；与此同时材料学的发展使有些材料兼具天然 和人工合成的特性。
人工心脏
人工关节
人工肾脏
人工血管
人造皮肤
科学家已从生物高分子 材料或合成高分子材料 中制造出了一二十种人 造皮肤。他们把这些材 料纺织成带微细孔眼的 皮片，上面还盖着一层 层薄薄的、模仿“表皮”
的制品。
加拿大发明骨骼打印机复制 立体人骨
人造骨骼组织相当精细，可用于整 形、重建和脊椎手术。
二、 生物相容性
生物医用材料是生物医学科学中的最新分支 学科，是生物、医学、化学和材料科学交叉形 成的边缘学科。具体涉及到化学、物理学、高 分子化学、高分子物理学、生物物理学、生物 化学、生理学、药物学、基础与临床医学等很 多学科 。
生物（医用）材料的发展史
• 目前被详细研究过的生物（医用）材料已超过 1000种，被广泛应用的有90多种，1800多种制 品。西方国家每年耗用生物（医用）材料量以 10~15%的速度增长，1980年全球医用生物（医 用）材料及制品的销售额为200亿美元，1990 年达500亿美元，1995年近1000亿美元。
2、细胞粘附 3、细胞增殖（异 常化） 4、形成蘘膜
5、细胞质的转变
2、生物体对生物反应的变化
• 1.急性全身反应
•
过敏、毒性、溶血、发热、神经麻痹等
• 2. 慢性全身反应
•
毒性、致畸、免疫、功能障碍等
• 3. 急性局部反应
•
炎症、血栓、坏死、排异等
• 4. 慢性局部反应
• 致癌、钙化、炎症、溃疡等
碟片式机械心脏瓣膜
6.1.2 生物医用材料的性能与分类
一、 生物功能性
指生物医用材料具备或完成某种生物功能时应该 具有的一系列性能。 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
指生物医用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。 根据材料与生物体接触部位分为： ▪ 血液相容性。材料用于心血管系统与血液接触， 主要考察与血液的相互作用 ▪ 与心血管外的组织和器官接触。主要考察与组织 的相互作用，也称一般生物相容性 ▪ 力学相容性。考察力学性能与生物体的一致性
日本北海道大学的科 学家们利用从鲑鱼皮 中提取的胶原制造全 球首例人造血管。
生物医用材料与工业材料的最大区别是在生 理环境下使用。移植在生物体内的仿生材料，除 了能达到补钙的目的以外，对周围组织和血液不 应该有不良的影响，即应具有生物相容性。另外， 植入人体的仿生材料，应有足够的力学性能，不 能发生脆性破裂、疲劳断裂及腐蚀破坏等，即应
Chapter 6 Biomaterials and Biomimetic Materals
生物材料与仿生材料
本章主要内容
J 6.1 生物医用（复合）材料 J 6.2 组织工程材料 J 6.3 生物陶瓷 J 6.4 仿生复合材料
6.1 生物医用（复合）材料
J 6.1 .1 生物材料的定义与分类 J 6.1.2 生物医用材料的性能与分类 J 6.1.3 医用金属材料 J 6.1.4 医用高分子材料 J 6.1.5 无机生物医学材料
– 生物惰性医用硅橡胶—人工耳、人工鼻、人工 颌骨等
– 血液相容性较好的各向同性碳被复材料—碟片 式机械心脏瓣膜
– 血液亲和性及物理机械性能较好的聚氨酯嵌段 共聚物—促使人工心脏向临床应用跨越一大步
– 可形成假生物内膜的编织涤纶管—人工血管向 实用化飞跃。
硅橡胶制作的人造器官
人工心脏
聚氨酯 制造的 人工心 脏
材料在生物体内的响应－材料反应
生物机体作用于生物医用材料－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
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；
• 历史上首个人造心脏Jarvik-7，是在1982年植入 病人Barney Clark的体内。他共活了112天。另 一名也植入Jarvik-7的病人William Schrodedr则 活了620天。
• 生物医用材料是研制人工器官及一些重要医疗技 术的物质基础，综观人工器官及医疗装置的发展 史，每一种新型生物材料的发现都引起了人工器 官及医疗技术的飞跃。
狭义的生物材料指的是能够用来制作各种人 工器官和制造与人体生理环境相接触的医疗用具
和制品的材料，即生物医用材料。
生物材料的另一种分类方法
生物材料包括三部分，即生物医用材料，仿生材料 和生物模拟。 生物医用材料：最重要的是材料与人体相容性和材 料本身的性能，通过组织工程、生长因子、DNA和 自组装技术，可生产出人类的各种器官。事实上， 除神经系统以外，人的各种器官都可制造。 仿生材料：生物是多年演化的结果，有很多特性值 得模仿，通过深入研究现有生物体和生物现象而进
生物体对生物医用材料的响应－宿主反应
1、生物学反应
A: 血液反应
1、血小板血栓； 2、凝血系统激活； 3、纤溶系统激活； 4、溶血反应； 5、白细胞反应； 6、细胞因子反应； 7、蛋白粘附；
B: 免疫反应 C: 组织反应
1、补体激活；
1、炎症反应；
2、体液免疫反应 （抗原－抗体反 应）；
3、细胞免疫反应。
行仿造，对材料的发展将起到推动作用。
生物医用材料（Biomedical Materials）用于 人体组织和器官的诊断、修复或增进其功能的一 类高技术材料，即用于取代、修复活组织的天然 或人造材料，其作用药物不可替代。生物材料能 执行、增进或替换因疾病、损伤等失去的某种功 能，而不能恢复缺陷部位。
6.1 .1 生物材料的定义与分类
生物材料（Biomaterials）泛指一切与生物体 相关的应用性材料或由生物体合成的材料。
按其应用可分为生物医用材料（Biomedical Materials）和与生物合成有关的应用材料。而按 生物材料来源可分为天然生物材料和人工生物材 料；与此同时材料学的发展使有些材料兼具天然 和人工合成的特性。
人工心脏
人工关节
人工肾脏
人工血管
人造皮肤
科学家已从生物高分子 材料或合成高分子材料 中制造出了一二十种人 造皮肤。他们把这些材 料纺织成带微细孔眼的 皮片，上面还盖着一层 层薄薄的、模仿“表皮”
的制品。
加拿大发明骨骼打印机复制 立体人骨
人造骨骼组织相当精细，可用于整 形、重建和脊椎手术。
二、 生物相容性