生物材料答案(华东理工)

该版本经过华东理工大学高材卓越110班和复材112班部分同学整理，整合了老师上课的ppt上的内容以及一些文献上的知识。

但非考试标准答案，仅供参考。

特别感谢SKH,SJW,LTY,WHJ等各位同学。

（1）“生物材料导论”这门课涉及了什么基本内容？生物材料学是一门新兴的边缘性和综合性学科，涉及到化学、物理、材料科学、生命科学和临床医学等各方问题。

本门课程中，涉及到了生物材料的基本概念和特点，生物材料的功能及其特性，材料的生物相容性及生物活性，并介绍了医用金属材料，生物陶瓷，医用高分子材料，医用复合材料，生体内吸收分解材料，以及当前研究热点和对生物材料发展的展望。

（2）请列出“生物材料”的定义，试举出医用生物材料的一些应用例子。

一般认为，能对机体的细胞、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的功能材料（及其终端产品）称为生物医用材料或生物材料。

其中还包括狭义和广义的定义。

狭义定义：只包括长期与生物体相接触的、或植入生物体内起某种生物功能的天然或人工合成材料。

广义定义：还包括用于医学治疗方面的生物材料，如医学诊断试剂、药物释放材料、一次性临床使用材料以及制造生物医药的各种原材料等。

比如人工关节、人工心脏等替代人体组织和内脏的修复和置换材料是生物材料，与眼角膜接触的隐形眼镜、缝合组织用的手术线、保存血浆用的输血袋、治疗骨折用的固定材料等也都归属于生物材料。

（3）与生物材料相关联的学科有哪些？生物材料学是一门新兴的边缘性和综合性学科。

除了与材料科学的基础理论相关外，它还涉及到机械工学、化学、物理、生物科学、病理学、药物学、解剖学等多门学科，综合运用于材料基础研究、医用组件相关研究、动物实验和临床应用研究，所以生物材料学的发展是各学科进步的结晶。

（4）试说明生物材料的研究与发展过程的特点。

研究特点：高性能、多功能、超复合；众多学科间的交叉与融合；高新技术及产业化的基石；改变生活质量与生活方式。

为保证生物材料在人体中使用的绝对安全性，考察周期的长年累月也是此类材料开发的一大特点。

同时，比起普通材料，除了要考虑材料的物化性能，可加工性能和耐药品性能，医用生物材料还需要注重生物相容性和血液适应性。

发展过程特点：第一代（1950s）生物材料特点：生物惰性。

获得合适的生理性能的组合来与被替换组织相匹配，同时对宿主有很小的毒性反应。

例如不锈钢及其合金，钛及其合金做人工关节，60年代初聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)作为骨水泥开始用于硬组织的修复，不降解；70年代起一些重要的医疗器械与器材，如人工心瓣膜、人工血管、人工肾用透析膜、心脏起搏器、植入型全人工心脏、人工肝、肾、胰、皮、骨、接触镜、角膜、人工晶体、手术缝合线等相继研制成功，在临床上得到了广泛应用。

第二代特点(1980s)：生物活性或生物可吸收性。

生物活性指在生理环境下能引起一种可控行为和反应。

如在人体硬组织修复和置换方面起了至关重要作用的生物陶瓷：生物活性玻璃(Hench)，生物活性微晶玻璃（小久保正）羟基磷灰石陶瓷等复合材料。

90年代后期，在生物陶瓷构架（支架材料）中引入活体细胞或生长因子，使生物陶瓷具有生物学功能成为生物陶瓷的一个重要研究方向。

可吸收性指：界面问题被解决了。

例如生物可降解缝线，可吸收骨折固定板等。

第三代特点(1990s)：生物活性和生物可吸收性结合了。

第三代生物医用材料在生物体内能被降解，最终为基体所吸收，同时材料本身又具有生物活性，能参与集体的生理活动，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，是细胞和基因的活化性材料（cell and gene-activating materials），例如骨形态发生蛋白（ＢＭＰ）生物活性复合材料。

（5）试述医用金属材料的种类及特点。

为提高金属钛及其合金的生物活性可采取什么方法？主要存在什么优缺点？目前所用的医用金属材料主要是：不锈钢、钴基合金、医用钛与钛合金、医用钽、铌、锆；医用贵金属及其合金（金、银和铂及其合金）；医用磁性材料；医用形状记忆合金（TiNi合金）。

不锈钢：不锈钢按其组织相的特点可分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、沉淀硬化型不锈钢和奥氏体不锈钢，后者因具有良好的耐蚀性能和综合的力学性能而得到广泛的临床应用。

不锈钢器件植入体内，其合金元素会通过生理腐蚀和磨蚀而导致金属离子溶出，后者进入组织液会引起机体的一些不良反应。

钴基合金：医用钴基合金包括钴铬钼合金、钴铬钨镍合金、钴镍铬钼钨铁合金和MP35N钴镍合金及其烤瓷合金。

医用钴基合金的耐磨性是所有医用金属材料中最好的，故钴基合金植入体内不会产生明显的组织反应。

合金植入体内后一般保持钝化状态。

与不锈钢相比，钴基合金的钝化膜更稳定，耐蚀性更好。

因此相对不锈钢而言，医用钴基合金更适于制造体内承载苛刻的长期植入件。

钴铬钼合金的点蚀倾向非常小，对应力腐蚀断裂也不敏感。

当钴基合金因摩擦造成磨损时会很快由强烈的局部腐蚀转化为全面的均匀腐蚀，并显示出光亮的斑疤。

医用钛与钛合金：与其他医用金属材料相比，医用钛合金的主要性能特点是密度较低、弹性模量值小(约为其他医用金属材料的一半)，与人体硬组织的弹性模量比较匹配。

纯钛与钛合金表面能形成一层稳定的氧化膜，具有很强的耐腐蚀性。

在生理环境下，钛与钛合金的均匀腐蚀甚微，也不会发生点蚀、缝隙腐蚀与晶间腐蚀。

当发生电偶腐蚀时，通常是与钛合金形成偶对的金属被腐蚀。

但是，钛与钛合金的磨损与应力腐蚀较明显，腐蚀疲劳也较为复杂。

钛对人体毒性小，有利于其临床应用。

钽具有优异的化学稳定性与耐蚀性。

钽植入骨内能与新生骨直接结合，但在软组织中引起的组织反应要比钛与钴基合金强些。

钽的氧化物基本上不被吸收，不呈毒性反应。

具有半导体性质，可用作刺激脑和肌肉组织的电极。

铌具有很强的耐蚀性、良好的加工性能与生物相容性。

锆具有很强的耐蚀性，良好的冷加工性能与生物相容性。

医用贵金属及其合金：金及其合金具有美丽的色泽和良好的生物相容性。

不耐磨。

金合金具有良好的加工性能与铸造性能，强度、耐蚀性与色泽均满足临床要求。

铂与铂合金具有优异的抗氧化性能与耐蚀性。

具有极佳的加工性能。

医用磁性材料：生物相容性良好，可用于靶向给药等。

总特点：优点：具有良好的化学和力学性质，低毒性，高强度，高韧性，高耐久性（抗疲劳、耐摩耗）。

缺点：不具有生物活性，难于和生物组织形成牢固的结合；长期植入人体后由于化学稳定性下降，会有杂质离子析出，对周围组织造成危害；而且金属材料的弹性模量要比人骨大得多，这会造成局部应力屏蔽现象，使材料易断裂和人体不适。

可以进行表面改性。

有电化学处理，高温氧化处理，等离子喷涂，化学沉积等方法。

优点：提高耐侵蚀性；提高耐磨损性；赋予金属生物活性；降低生物毒性。

缺点：需要确定膜厚度、膜与基材的结合力、对基材无进一步损害。

将羟基磷灰石热喷涂或化学沉积在钛金属和钛合金表面，可制成生物活性人工牙根和人工骨修复置换材料；（6）简述生物相容性的分类。

如何对一种新型骨修复材料进行综述性评价？请列出主要实验项目。

分为血液相容性（抗血小板血栓形成，抗凝血性，抗溶血性，抗白细胞减少性，抗补体形同亢进性，抗血浆蛋白吸附性，抗细胞因子吸附性）和组织相容性（细胞粘附性，无抑制细胞生长性，细胞激活性，抗细胞原生质转化性，抗炎症性，无抗原性，无诱变性，无致癌性，无致畸性）。

广义上讲应该从物理性能、化学性能、生物学性能及临床研究等四方面进行评价。

步骤：材料力学性能测试，表征，包括拉伸强度、剪切强度、压强、冲击强度、弹性模量、摩擦系数、断裂韧性、抗疲劳和磨损性等材料的力学参数都是很重要的。

毒性实验。

体外模拟试验（于SBF，人体模拟液中模拟），体内模拟实验，动物实验，一期临床实验，二期临床实验（7）生物活性陶瓷可作为硬组织修复材料。

请说明A-W生物微晶玻璃、羟基磷灰石陶瓷、 磷酸三钙的组成、合成工艺、性能特点及这三种材料的主要应用。

1982年由日本京都大学小久保正教授发明。

生物微晶玻璃成分的系统为CaO-MgO-P2O5-SiO2-F合成工艺：粉末原料（以Ca与P原子比为1.67）→高温熔融→冷却成型→热处理→微晶玻璃具有很高的抗折强度，断裂韧性和优异的生物活性。

是迄今为至最好的生物微晶玻璃材料，在临床中已用作为脊椎骨和肠骨等的修复和置换材料。

羟基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2，制备方法：烧结如以Ca与P原子比为1.67的磷灰石粉末为原料，可得到HAP陶瓷；沉淀反应法：此法用Ca(NO3)2与(NH4)2HPO4进行反应，得到白色的羟基磷灰石沉淀。

固相反应法根据配方将原料磨细混合，在高温下进行合成; 水热法：将CaHPO4与CaCO3按6：4的摩尔比进行配料，然后进行24h湿法球磨。

将球磨好的浆料倒入容器中，加入足够的蒸馏水，在80100℃恒温情况下进行搅拌，反应完毕后，放置沉淀得到白色的羟基磷灰石沉淀物。

Sol-gel 法。

是构成骨、齿的主要无机质，不仅具有良好的生物相容性，而且生物活性好，可以诱导骨生长并和生物组织形成牢固的键合；机械强度较差。

可作为骨填充和骨的置换材料，人工齿根等，也可与陶瓷、金属、聚合物复合制成复合材料。

β-磷酸三钙β-Ca3(PO4)2制备方法：可采用化学共沉淀法；烧结以Ca与P原子比为1.5的粉末为原料，则可得到β-TCP陶瓷。

在800℃左右要经历一个由磷灰石向β-TCP的相变过程。

比起羟基磷灰石更易于在体内被吸收降解，这类材料的组成中含有能够通过人体正常的新成代谢途径进行置换的钙（Ca）、磷（P）等元素，或含有能与人体组织发生键合的羟基（OH）等基团，使材料在人体内能与组织表面发生化学键合，表现出极好的生物相容性。

作为骨的修复材料（8）要实现生物材料的特定功能，生物材料应满足怎样的基本特性？人工关节制品由哪些材料?组合而成对材料有何要求？如何改善人工关节制品的使用寿命？(1) 无毒性、无致癌作用、无变态反应，对周围生物组织无刺激和对人体无其他有害的副作用。

(2) 与生物组织亲和性好。

物理和化学性能与所替代的组织相近。

(3) 在生物体内材料的物理、化学性能稳定，经过长期使用不会发生变质和力学性能降低的现象。

(4) 在杀菌、消毒过程中性质不发生变化。

容易进行加工，材料的性质具有很好的重复再现性。

人工关节制品由钛合金、氧化铝陶瓷、超高分子量聚乙烯组成但使用由于长期摩擦，会掉下损耗的材料细粉，造成周围组织的发炎和肿痛，故需要材料抗磨损如何改善：使用力学性能更好的氧化锆陶瓷代替氧化铝陶瓷以及合成更耐磨高分子材料。

（9）试述医用金属材料、生物陶瓷、医用高分子材料、医用复合材料的各自优缺点及应用，可举例说明。

医用金属材料优点：低毒性、高强度、高韧性（不锈钢）、高耐久性（抗疲劳、耐磨耗）（钴基合金）、优异的加工性（如医用不锈钢加工性能好）缺点：无生物活性，难于和生物组织形成牢固的结合；由于生理腐蚀和磨蚀而造成的金属离子向周围组织扩散以及植入材料自身性质的退变，前者可能导致毒副作用，后者可能导致植入失效（不锈钢中离子的溶出，但量大时会引起水肿、感染、组织坏死或过敏反应。