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生物材料学PPT课件

生物材料学PPT课件
1、高分子纳米生物材料。 2、陶瓷纳米生物材料。 3、纳米生物复合材料。 4、纳米组织工程支架材料。
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纳米生物材料的前景
随着纳米材料和纳米技术在生物材料研究领域的不断 发展,不同学科间的交叉和融合趋势也越来越明显, 目前已经成为整个生物医用材料研究的热点,不断有 新材料和新技术涌现出来。
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陶瓷纳米生物材料
生物陶瓷无毒副作用,具有良好的生物相容性和耐腐 蚀性,在生物医用材料的研究和临床应用中占有十分 重要的地位。但是由于常规陶瓷材料中气孔、缺陷的 影响,使得材料低温性能较差;弹性模量远高于人骨, 力学性能与人骨不匹配,易发生断裂破坏;强度和韧 性也不能完全满足临床上的要求, 致使其应用受到很 大的限制。纳米材料的出现和蓬勃发展,有助于提高 生物陶瓷材料的力学性能和生物学性能。
宏观量子隧道效应是指纳米粒子的一些宏观量(如磁 化强度)具有贯穿势垒的能力。这一效应限定了磁盘 、磁带等存储介质的存储时间极限,因为它不但是未 来微电子器件的发展基础,也是其进一步微型化的极 限。例如,在制造半导体集成电路时,当电路的尺寸 接近电子波长时,电子将通过隧道效应而穿透绝缘层 ,使器件无法正常工作。因此,宏观量子隧道效应已 成为微电子学、光电子学中的重要理论。
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纳米材料的发展历史
1981年 科学家发明研究纳米的重要工 具———扫描隧道显微镜,原子、分子 世界从此可见。
1991年 碳纳米管被人类发现,它的质 量是相同体积钢的六分之一,强度却是 铁的10倍,成为纳米技术研究的热点。
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纳米材料的发展历史
美国戴顿大学教授戴 黎明和佐治亚理工学院 教授王中林、曲良体博 士等合作,用纳米材料 研制出一种仿生壁虎脚 ,它们既能在垂直的表 面上轻松吸附重物,也 能从不同角度轻松取下 。这一最新成果发表在 10月10日出版的《科学 》杂志上。

生物医学材料简介 ppt课件

生物医学材料简介 ppt课件
用于糖尿病、心血管、癌症以及炎症等
2. 按材料来源分类
• 自体材料 • 同种异体器官及组织 • 异体器官及组织 • 人工合成材料 • 天然材料
3.分类、特性
3.分类、特性
3.按组成和性质分类
1.医用不锈钢
生物医用金属材料
2.钴基合金 3.医用钛和钛合金
4.银汞合金……
生物医用高分子:硬组织材料、软组织材料和生物降解材料
2.原理
生物工程学
生物工程学是70年代初,在分子生物学、细胞生物学等的基础上发展起来的,包括基 因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程等,他们互相联系,其中以基因工程为基础。 只有通过基因工程对生物进行改造,才有可能按人类的愿望生产出更多更好的生物产 品。而基因工程的成果也只有通过发酵等工程才有可能转化为产品。
3.分类、特性
常见缺陷(材料反应): (2)聚合物降解 • 聚合物在长期使用过程中,由于受到氧、热、紫外线、机械、水蒸气、酸碱及微生
物等因素作用,逐渐失去弹性,出现裂纹,变硬、变脆或变软、发粘、变色等,从 而使它的物理机械性能越来越差的现象。 • 聚合物老化易形成的碎片、颗粒、小分子量单体物质,因此使用它时必须谨慎,对 耐久性器件,必须保持一定强度和其它机械性能,老化产物不能对周围组织有毒害 作用。
3.分类、特性
特点(二):相容性 生物相容性
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)。 力学相容性 负荷情况下,材料与所处部位的生物组织的弹性形变相匹配的性质和能力。取决于组 织-界面的性质和所承受负荷的大小。
3.分类、特性
2聚合物降解聚合物在长期使用过程中由于受到氧热紫外线机械水蒸气酸碱及微生物等因素作用逐渐失去弹性出现裂纹变硬变脆或变软发粘变色等从而使它的物理机械性能越来越差的现象

生物材料学-第一章绪论ppt课件

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B. 材料在生物体内的响应-材料反应
生物机体作用于生物材料-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
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(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;(2) 组织中存在具有催化或迅速破坏外来成分能力的 多种分子和细胞。将对生物金属材料产生腐蚀。
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▪ 对于生物材料而言多为局部腐蚀,具体包括应 力腐蚀开裂、点腐蚀、晶间腐蚀、腐蚀疲劳以 及缝隙腐蚀等,导致生物材料整体破坏。
▪ 虽然金属材料在生物体内保持惰性状态,但仍 然可能会有物质溶入生物组织中,并对生物体 组织产生毒性反应,造成组织的损害。如不锈 钢中溶出的Cr+6生物组织的毒性。
例如,医用缝合线降解时会产生酸性物质, 如果量少,很容易被人体中的化学物质中和, 如果老化产物较大,则会对周围组织产生损害。
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(3) 磨损
人工关节常用材料为Ti6Al4V,由于表面易氧化生成TiO2, 其耐磨性差,植入人体后,磨损造成在关节周围组织形成 黑褐色稠物,从而引起疼痛。钛合金人工全髋关节平均寿 命一般都低于10年。
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生物材料性能评价
1. 生物材料机械性能评价 测试标准
ASTM(the American Society for Testing and Materials) 例如:拉伸强度测试标准
金属 ASTM E8 橡胶 ASTM D412 刚性塑料 ASTM D638
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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。

生物材料的表面与界面材料表界面ppt课件

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3.3 生物相容性的研究意义
生物相容性是生物材料极其重要的性能,是区 别于其他材料的标志,是生物医用材料能否安 全使用的关键性能。
控制和改善生物材料的表面性质,是促进材料 表面与生物体间的有利相互作用、抑制不利相 互作用的关键途径。
如何提高材料的生物相容性

生物材料的表面工程是一种非常重要的方法!
国内从事生物材料表界面研究的课题组
生物材料的表面改性与功能化;
蛋白质、细胞与材料表面的相互作用;
苏州大学陈红教授课题组
➢Combining surface topography wi生 polymer chemistry: exploring new interfacial biological phenomena. Polym. Chem., 2013, DOI: 10.1039/C3PY00739A ➢Aptamer-Modified Micro/Nanostructured Surfaces: Efficient Capture of Ramos Cells in Serum Environment. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2013, 5, 3816.
第一部分:生物材料表界面学科的诞生
1. 生物材料的概念(Biomaterials):
与生物体相接触的、或移入生物体内起某种取代、 修复活组织,增进或恢复其功能的特殊材料。
2. 生物材料的发展阶段
➢最初:一些临床应用的生物材料并不专门针对医用设计 (实现基本临床功能,也带来了不良的生物反应)
➢20世纪60-70年代:第一代生物材料(惰性生物材料) (物理性能适宜、对宿主反应较小;寿命延长5-25年)
其他领域的表面工 程技术和材料引入 生物材料领域或基 于体内物质的初步 模仿

生物材料与组织工程ppt课件

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由于裂纹扩展导致力学性能失稳(断裂) 几种断裂类型
延性断裂:有明显塑性变形,永久变形 脆性断裂:无或少量永久变形 疲劳断裂:交变载荷,低应力脆性断裂 蠕变断裂:恒应力下,变形不断发展
没有明确的价值取向和人生目标,实 现自我 人生价 值就无 从谈起 。人生 价值就 是人生 目标, 就是人 生责任 。每承 担一次 责任
弹性变形、塑性变形及蠕变、强度和断裂、硬度
惰性生物陶瓷和生物活性陶瓷
包括羟基磷灰石、生物活性玻璃和生物活性玻璃 陶瓷
没有明确的价值取向和人生目标,实 现自我 人生价 值就无 从谈起 。人生 价值就 是人生 目标, 就是人 生责任 。每承 担一次 责任
陶瓷材料的结构
多晶结构:由晶体相、玻璃相和气相组成
陶瓷材料的硬度
陶瓷材料的硬度一般很高,耐磨性远高于金属
没有明确的价值取向和人生目标,实 现自我 人生价 值就无 从谈起 。人生 价值就 是人生 目标, 就是人 生责任 。每承 担一次 责任
第5章 医用高分子材料
高分子材料的基本概念
单体、链节、聚合度、均聚物、共聚物
高聚物的分类 聚合反应的分类 高聚物的结构特点
面缺陷
二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷 主要出现在晶界和亚晶界处 面缺陷能提高金属的强度和塑性
没有明确的价值取向和人生目标,实 现自我 人生价 值就无 从谈起 。人生 价值就 是人生 目标, 就是人 生责任 。每承 担一次 责任
第4章 医用陶瓷材料
陶瓷材料的结构
晶相、玻璃相、气相
陶瓷材料的机械性能
没有明确的价值取向和人生目标,实 现自我 人生价 值就无 从谈起 。人生 价值就 是人生 目标, 就是人 生责任 。每承 担一次 责任
第1章 绪论

《生物材料学》医用生物材料 ppt课件

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二维有限元法设计 40
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化学周期表中的大部分金属不符合生物材料的 要求,仅有小部分或经处理过的可用于临床。 目前在临床使用的医用金属材料主要有不锈钢、 钴基合金和钛基合金三大类,另外还有TiNi记 忆合金和贵金属等。
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生物相容性要求
毒性反应:
金属的毒性主要作用于细胞、可抑制酶的活动,阻止酶通
过细胞膜的扩散和破坏溶酶体。不锈钢中含有毒性的铁、
5.1.5 其他医用金属材料
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第五章 生物医用材料
5.2 医用陶瓷材料
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5.2 医用陶瓷材料
陶瓷结构与性能的关系
磷酸钙陶瓷
生物活性玻璃与生物微晶玻璃

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(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
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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
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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
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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

生物医学材料 ppt课件

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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
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两种基本元素形 成的固溶体
钴含量达到65% (质量分数) 其余主要是铬
添加Mo结构上 保持小晶粒
种类和组成
• 铸造Co-Cr-Mo合金
• Co-Ni-Cr-W合金, 热锻
• Co-Ni-Cr-Mo
锻造
• Co-Ni-Cr-Mo-W-Fe
Co基合金化学组成
Co基合金的机械力学性能
强度提高,塑性降低 弹性模量(220~234GPa)不随极限拉 伸强度变化而变化
第一种用于植入材料的不锈钢:18-8(标准牌号302) 强度较钒钢更高,抗蚀能力也强
50~60年代,18-8sMo不锈钢(标准牌号316) (Mo改善材料在生理盐水中的抗蚀性)
70 ~ 80年代,标准牌号316L不锈钢 (c含量从0.08%降低至0.03%,提高材料在氯化物
溶液中的抗蚀性)
组成和性能
• Ni 室温下稳定奥氏体相,提高抗蚀性能 Ni在不锈钢中的作用是在与Cr配合后才发
挥出来的
• Mo 提高了在盐水中的抗蚀性能,阻止了点蚀,
坑蚀
• 形成原因:碳钢中有三个基本相,即铁素 体、奥氏体和渗碳体。合金元素加入钢中 时,可以溶于此三相中形成合金铁素体、 合金奥氏体及合金渗碳体。当钢中加入 镍、锰、碳、氮等元素时,这些元素可使 A1和A3温度降低,使铁碳相图中S点、E点 向左下方移动,从而使奥氏体区域扩大。 其中与γ-Fe无限互溶的元素镍或锰的含 量较多时,可使奥氏体区域扩展到室温, 因此在室温下钢组织仍以奥氏体单相存在
锻造Co-Ni-Cr-Mo合金
• 最有名的钴基合金(MP35N) • 含有35%Ni(质量分数)
35%Co (质量分数)
• 冷加工可以大大提高提高强度,但也增加
了加工难度
• 采用热锻
Co-Ni-Cr-Mo合金冷加工变形量与极限拉伸强度
• 在压力下对海水(含Cl-)有很强的抗蚀性
• 具有很高的疲劳强度和极限拉伸强度
39、没有不老的誓言,没有不变的承 诺,踏 上旅途 ,义无 反顾。 40、对时间的价值没有没有深切认识 的人, 决不会 坚韧勤 勉。
• 医用金属植入材料所含的金属元素:
Fe、Cr、Co、Ni、Ti、Mo、W、V、Al
Fe有利于发挥细胞功能 Co促进维生素B12合成
V潜在的细胞毒性 Al神经毒性,增加老年痴呆症发病的几率 Ni毒性大,过敏反应,诱发有机体突变,发生癌变
• 含量过高,人体不能接受
不锈钢
• 耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质 • 20世纪初期,英国 • 按成分可分为:
Cr系(400系列) Cr-Ni系(300系列) Cr-Mn-Ni(200系列) 析出硬化系(600系列)
• Cr
影响奥氏体相的稳定性 抗蚀性能的主要因素 含量必须超过11%(质量分数),腐蚀性能大幅度提高 自然环境中是活性元素
髋关节替换假体
制造
Co-Cr-Mo合金 对加工硬化极其敏感。 铸造(密封铸造)的方法加工。
股骨关节假体的制造过程
a.蜡注入黄铜模中
• 植入体内很长时间后也不会发生断裂(人
工膝关节主体)
• 很大的优势(取出困难,修补后功能变差)
• 与铸造Co-Cr-Mo合金有相似的耐磨性能
• 耐磨性能为关节模拟测试中大约是每年
被磨损0.14mm
• 较差,不能作为制作关节假体的摩擦面
铸造Co-Cr-Mo合金
• 耐腐蚀性能非常好,比不锈钢高40倍;对
• ASTM(美国材料实验协会)推荐316L不锈

制造方法和过程
冷加工对302不锈钢极限拉伸强度和屈服强度的影响
• 没有中间热处理过程,不能进行冷加工
• 热处理注意事项:
防止晶界上形成CCr4,点腐蚀 控制加热的均匀性和合理的热处理工艺,防止成分的变化 防止表面氧化层的形成;化学、酸蚀或机械喷沙去除
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36、“不可能”这个字(法语是一个字 ),只 在愚人 的字典 中找得 到。--拿 破仑。 37、不要生气要争气,不要看破要突 破,不 要嫉妒 要欣赏 ,不要 托延要 积极, 不要心 动要行 动。 38、勤奋,机会,乐观是成功的三要 素。(注 意:传 统观念 认为勤 奋和机 会是成 功的要 素,但 是经过 统计学 和成功 人士的 分析得 出,乐 观是成 功的第 三要素 。
• 制造方式采用机械加工,一般不采用焊接
焊缝处易产生腐蚀 高温使晶界或焊缝处CCr4析出,点腐蚀
材料制备完成后 去除氧化层
清洗表面,去除油污 在硝酸中形成表面钝化层 在包装和杀菌前再清洗一次
直径2~3mm,长度2~10cm 网孔尺寸:1~2×1.5~2.5mm 良好的可塑性、几何稳定性、理化稳定性 血管开通性高、生物相容性好、成本低
组织几乎完全惰性,稳定性高
• 机械性能低于不锈钢 • 加工困难,产量低、价格贵 • 骨骼固定、人工关节连接杆等长期使用的
植入材料
锻造Co-Ni-Cr-W合金
• 比铸造Co-Cr-Mo合金易于加工 • 机械性能接近316L不锈钢 • 耐腐蚀性能介于铸造Co-Cr-Mo合金和316L
不锈钢之间
• 关节替换假体连接杆的主干,如膝关节和
①铬使铁基固溶体的电极电位提高
②铬吸收铁的电子使铁钝化
原因是用铬对钢进行合金化处理时,把表面氧化物的类 型改变成了类似于纯铬金属上形成的表面氧化物。这种 紧密粘附的富铬氧化物保护表面,防止进一步的氧化。 而且,如果损坏了表层,所暴露出的钢表面会和大气反 应进行自我修理,重新形成这种"钝化膜",继续起保护 作用。
医用球囊扩张不锈钢血管内支架
1-不锈钢丝 2-圆筒形支架网孔
圆周错位 紧缩方式
可调式不锈钢骨科外固定器
1-连杆; 2-万向固定器; 3-骨针(防滑螺纹)
别是膝关节 • 国际20世纪60年代临床应用 • 耐磨损,抗腐蚀力较强,目前金属医用材
料中最优良的一种
Co-Cr合金相图
316和316L奥氏体不锈钢的成分
316和316L不锈钢材料的力学性能
通过热处理和冷加工可以在大范围内调 节材料力学性能
这组不锈钢是非磁性的,比其他不锈钢 具有更好的抗蚀性能
较好的机械性质
价格低廉,易于加工
• 较大的局部腐蚀敏感性
• 在特定环境(高压或缺氧区域)中,腐蚀
程度较大
• 短期使用:骨折固定板、固定螺钉或销子
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