生物材料学 PPT
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《生物材料学》医用生物材料 ppt课件
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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
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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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图4-2 萤石的点阵结构
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图4-3 刚玉的点阵结构
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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。
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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
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
生物活性材料PPT课件
在生物活性材料迅猛发展的同时，生物惰性材料也得到 了广泛的应用。生物惰性材料主要是指能在生物体内长期 稳定存在，且不与生物组织发生物化反应的一类材料，如 医用金属、烧结氧化铝、氧化锆等生物材料被埋入骨缺损 部位后，就被纤维性膜所包围，而与周围的骨组织隔离。
缺点
在于惰性材料仅仅是以机械锁合的方式进行骨 的替换与修复，而不能与活体组织有效键合。
Ancleregg 等 对15 例中度或重度牙周炎患者的30 处下磨牙根分 叉病变进行治疗, 随机分为实验组、对照组。实验组行根向复位瓣术加 生物玻璃(45S5 倍骼生)植入, 对照组仅用根向复位瓣术, 并以探诊出血 情况及探诊牙周袋深度作为评价标准。结果显示实验组效果明显优于 对照组。故认为生物玻璃是治疗I I 型根分叉病变的有效材料。
熔融法 制备钙磷微晶玻璃的试验方法
溶胶-凝胶法
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多孔微晶玻璃的制备方法
一是利用玻璃分相原理，经热处理在玻璃中获得可溶晶相， 再用酸侵蚀掉可溶相，形成多孔材料。 二是先合成玻璃粉末然后加入诸如CaCO3 、PMMA、淀粉 等作发泡剂，烧结发泡成为多孔材料。
（2）钙磷微晶玻璃的组成 目前生物玻璃主要被用作骨的替代材料，根据天然骨的成分
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D. Arcos, R. P.del Real, M. Vallet-Reg ì. A novel bioactive and magnetic biphasic material[J]. Biomaterials, 2002(23): 21512158.
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生物活性陶瓷
生物活性陶瓷包括表面生物活性陶瓷和生物降解陶瓷。这 类材料的组成中含有能够通过人体正常的新陈代谢进行转换 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。
缺点
在于惰性材料仅仅是以机械锁合的方式进行骨 的替换与修复，而不能与活体组织有效键合。
Ancleregg 等 对15 例中度或重度牙周炎患者的30 处下磨牙根分 叉病变进行治疗, 随机分为实验组、对照组。实验组行根向复位瓣术加 生物玻璃(45S5 倍骼生)植入, 对照组仅用根向复位瓣术, 并以探诊出血 情况及探诊牙周袋深度作为评价标准。结果显示实验组效果明显优于 对照组。故认为生物玻璃是治疗I I 型根分叉病变的有效材料。
熔融法 制备钙磷微晶玻璃的试验方法
溶胶-凝胶法
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多孔微晶玻璃的制备方法
一是利用玻璃分相原理，经热处理在玻璃中获得可溶晶相， 再用酸侵蚀掉可溶相，形成多孔材料。 二是先合成玻璃粉末然后加入诸如CaCO3 、PMMA、淀粉 等作发泡剂，烧结发泡成为多孔材料。
（2）钙磷微晶玻璃的组成 目前生物玻璃主要被用作骨的替代材料，根据天然骨的成分
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D. Arcos, R. P.del Real, M. Vallet-Reg ì. A novel bioactive and magnetic biphasic material[J]. Biomaterials, 2002(23): 21512158.
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生物活性陶瓷
生物活性陶瓷包括表面生物活性陶瓷和生物降解陶瓷。这 类材料的组成中含有能够通过人体正常的新陈代谢进行转换 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。
生物材料概述_PPT幻灯片
• 目前被详细研究过的生物材料已超过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材料量以 10~15%的速度增长，1980年全球医用生物 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。
• 我国生物材料的研究起步较晚（五十年 代），但发展很快。
• 江苏宜兴紫砂壶 (紫砂泥由粘土、云母、赤铁矿等组 成，其中Fe2O3含量约7％-10％，TiO2＞1％) 制造技 术精湛，色泽淳朴，造型独特，别具一格。
兵马俑
唐三彩马
方韵紫砂壶
猪纹陶盆
商 陶酒尊
唐 三彩俑
➢陶的出现，人类可吃煮熟的谷物，喝煮开的水，可 长时间储存食物，促进人类进化。
➢陶器也是最初的耐火材料，为以后的铜、铁冶炼提 供物质条件。
1.1 简介
生物材料通常有两个定义：狭义的生 物材料是指天然生物材料，也就是由生物 过程形成的材料。广义的生物材料是指用 于替代、修复组织器官的天然或人造材料
1.1.1 海洋生物材料
1.1.2 医学用生物材料
1.1.3 生物材料生活用品
生物材料的喷涂工艺
皓淀粉基生物降解材 料
这些材料有史以来一直得到广泛应用， 其中一部分因为特殊性能而用作生物材料。
目前可以说从人体天灵盖到脚趾骨、从 内脏到皮肤，从血液到五官，除了脑以及 大多数内分泌器官外， 都可用人工器官来 代替。生物材料发展三阶段
最早的生物材料的应用——镶牙
1、惰性生物材料（无害阶段）
• 惰性生物材料是指对人体组织化学惰性， 其物理机械和功能特性与组织匹配，使 材料在应用过程中不致产生不利于功能 发挥和对其它组织影响的反应，特别是 与组织接触或短(长)时间不产生炎症或凝 血现象，无急性毒性或刺激反应，一般 无补体激活产生的免疫反应的一类功能 材料。
生物材料的表面与界面材料表界面ppt课件
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
纤维基材料-生物质材料及应用 课件
与纤维素有关的几个概念
1、综纤维素：指植物纤维原料中的全部碳水化合物，即纤维素与 半纤维素之和。故又称全纤维素（Holocellulose） 制样步骤：取样 原料粉碎 40目-60目之间的试样 有机溶剂抽提 无酯试料 除木素 各种方法制纤维素
综纤维素制备四法: ⑴、氯化法：(1937年Ritter（里特）提出)
2、纤维素大分子的葡萄糖基间的连接都
是β -苷键连接
将纤维素试样甲基化，然后水解为各个基本结 构单元，在水解分离出的单元中，甲基化的位置 是纤维素分子内游离羟基的位置，在此条件下得 到2,3,6-三氧甲基D葡萄糖。 所以，纤维素葡萄糖基环中游离羟基是处于2, 3, 6位，因此，1,4,5位是由化学键连接的。进一步 通过酸水解试验得知相邻单元之间的联结为1-4 连接。
无抽提物试料
氯气 木素被氧化 乙醇胺的乙醇溶液 抽提
氯化木素
+
（白色） 综纤维素
⑵、亚氯酸纳法（1942年Jayme(杰姆)提出）
无抽提物试料
NaClO2 HAc 6% pH=4.5
综纤维素 （白色）
⑶、二氧化氯法：（1921年Schmitlt(施密特)提出）
无抽提物试料
ClO2 （饱和溶液） NaHCO3
一、纤维素的化学结构 纤维素是β-D葡萄糖基通过1,4－苷键连接而成的 线型高分子化合物。
纤维素大分子化学结构特点： 1、纤维素大分子的基本结构单元是D-吡喃式葡 萄糖基（C6H10O5)
CHO H C OH
HO C H
H C OH H C OH CH2OH
D-葡萄糖直链式结构
D-葡萄糖在水溶液中存在开链式和氧环式的动态 平衡
CHO CH2OH H C OH CH2OH
生物医用材料系列4--生物医学金属材料ppt课件
.
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金属的毒性主要作用于细胞，可抑制酶的活动， 阻止酶通过细胞膜扩散和破坏溶酶体。
利用测定乳酸脱氢酶(LDH)和6~磷酸葡萄糖脱氢 酶(G~6~PD)活性法检测植入金属对鼠类吞噬细胞的 影响，可以表明；
✓ 有毒金属如钴镍和钴铬合金能损伤细胞，释放 LDH， 降低G~6~PD的活性，
✓ 但钛、铬、钼则能为吞噬细胞所耐受。
.
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提高金属的抗蚀性能措施：
主要依靠其表面保护层和光洁度。 表面保护层借助钝化来实现。铬有最佳的钝化性 能，故合金中含铬量高越易钝化。 金属表面抛光越细，表面活化中心出现越晚，耐 蚀性也随之提高。 除金属材料必须具有良好的钝化性能、合适的成 分与结构外，技术人员必须有正确的操作技术。
– 静力下股骨头负荷压力从头凸面呈放射状向内 传递，应力增高，股骨近端内侧承受的后应力 较大。如股骨头负荷为45.36kg 时，股骨近端内 侧骨皮质应力高达8.27Mpa. 由强大肌力牵拉， 实际应力比理论值还要大三倍。
.
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人工股骨头每年还要经受3.65106次交变载荷（ 每日一万步计），故材料必须具有高抗疲劳和耐磨损 性能。
+++ 100
0
±
钨W 183.5 1.25
+++ 100
0
-
Te
3
1.28
0
127.6
Ⅶ
锰Mn 054.94 0.52
100 稍抑制 18
+
Ⅷ
铁Fe 55.85 0.55 0.00 -
100 抑制
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++
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
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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；
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3、对于摩擦部位的材料，一般用硬度反映其耐磨 性能。
4、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。
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磷灰石
胶原质
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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。生物相容性主要包 括血液相容性、组织相容性。材料在人体内要求无 不良反应，不引起凝血、溶血现象，活体组织不发 生炎症、排拒、致癌等。
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.
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➢ 2 生物学评价标准 生物材料的生物学评价一般按用途、
接触方式、接触人体部位和接触时间等划 分，但标准还未完全实现统一，且随着新 一般生物相容材料向智能生物材料（如组 织工程材料）转变，标准还在完善。
目前各国在已基本统一的国际标准 化组织提出的生物标准上，保留了各自的 特点。
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目前已有的标准有： 1、ISO10993.1－1992至ISO10993.12－
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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。
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
▪ 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。
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（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。
▪ 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。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。
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A. 生物体对生物材料的响应－宿主反应
（1）生物学反应
A: 血液反应 B: 免疫反应
1992； 2、美国ASTM（F748－82）标准； 3、我国在美国和日本的基础上，1997年由
卫生部颁布了我们自己的标准。
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➢ 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。
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。
目前，大量的人工髋关节是由坚硬的金属或陶瓷 的股骨头与超高分子聚乙烯的髋臼杯组合成，然而它的寿 命也不超过25年。长期随访资料显示，假体失败的主要原 因是超高分子聚乙烯磨损颗粒所造成的界面骨溶解，从而 导致假体松动。这种磨损颗粒所导致的异物－巨细胞反应， 又称颗粒病，是晚期失败的最主要原因。
生物材料学
1
生物材料应用实例之一
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聚丙稀
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聚乙烯
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生物材料应用实例之二
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生物材料应用实例之三
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生物材料应用实例之四
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生物材料的性能
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。 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。
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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。
A.急性全身反应 过敏、毒性、溶血、发热、神经麻痹等
B. 慢性全身反应 毒性、致畸、免疫、功能障碍等
C. 急性局部反应 炎症、血栓、坏死、排异等
D. 慢性局部反应 致癌、钙化、炎症、溃疡等
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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：
1、血小板血栓； 1、补体激活；
2、凝血系统激活； 2、体液免疫反应 3、纤溶系统激活； （抗原－抗体反
4、溶血反应；
应）；
5、白细胞反应；
3、细胞免疫反
6、细胞因子反应； 应。
7、蛋白粘附；
C: 组织反 应
1、炎症反应； 2、细胞粘附 3、细胞增殖 （异常分化） 4、形成蘘膜
5、细胞质的
转变
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（2）生物体对生物反应的变化
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3、对于摩擦部位的材料，一般用硬度反映其耐磨 性能。
4、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。
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磷灰石
胶原质
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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。生物相容性主要包 括血液相容性、组织相容性。材料在人体内要求无 不良反应，不引起凝血、溶血现象，活体组织不发 生炎症、排拒、致癌等。
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.
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➢ 2 生物学评价标准 生物材料的生物学评价一般按用途、
接触方式、接触人体部位和接触时间等划 分，但标准还未完全实现统一，且随着新 一般生物相容材料向智能生物材料（如组 织工程材料）转变，标准还在完善。
目前各国在已基本统一的国际标准 化组织提出的生物标准上，保留了各自的 特点。
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目前已有的标准有： 1、ISO10993.1－1992至ISO10993.12－
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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。
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
▪ 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。
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（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。
▪ 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。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。
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A. 生物体对生物材料的响应－宿主反应
（1）生物学反应
A: 血液反应 B: 免疫反应
1992； 2、美国ASTM（F748－82）标准； 3、我国在美国和日本的基础上，1997年由
卫生部颁布了我们自己的标准。
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➢ 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。
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。
目前，大量的人工髋关节是由坚硬的金属或陶瓷 的股骨头与超高分子聚乙烯的髋臼杯组合成，然而它的寿 命也不超过25年。长期随访资料显示，假体失败的主要原 因是超高分子聚乙烯磨损颗粒所造成的界面骨溶解，从而 导致假体松动。这种磨损颗粒所导致的异物－巨细胞反应， 又称颗粒病，是晚期失败的最主要原因。
生物材料学
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生物材料应用实例之一
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聚丙稀
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聚乙烯
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6
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8
生物材料应用实例之二
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生物材料应用实例之三
10
生物材料应用实例之四
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生物材料的性能
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。 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。
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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。
A.急性全身反应 过敏、毒性、溶血、发热、神经麻痹等
B. 慢性全身反应 毒性、致畸、免疫、功能障碍等
C. 急性局部反应 炎症、血栓、坏死、排异等
D. 慢性局部反应 致癌、钙化、炎症、溃疡等
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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：
1、血小板血栓； 1、补体激活；
2、凝血系统激活； 2、体液免疫反应 3、纤溶系统激活； （抗原－抗体反
4、溶血反应；
应）；
5、白细胞反应；
3、细胞免疫反
6、细胞因子反应； 应。
7、蛋白粘附；
C: 组织反 应
1、炎症反应； 2、细胞粘附 3、细胞增殖 （异常分化） 4、形成蘘膜
5、细胞质的
转变
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（2）生物体对生物反应的变化