生物材料

生物材料

本文将主要讲述有关生物材料的一些概念，发展情况并阐述其用途。

生物材料是一类具有特殊性能、特殊功能，用于人工器官、外科修复、理疗康复、诊断、检查、治疗疾患等医疗保健领域，而对人体无毒，无副作用，不凝血，不溶血，不引起人体细胞的突变，畸变和癌变，不引起免疫排异反应的材料。而第六届国际生物材料年会给生物材料定义为：生物材料是一种植入躯体活系统内或与活系统相结合而设计的物质，它与躯体不起药理反应。这一定义规定了生物材料是指置换或恢复活组织及其功能，对机体呈生理惰性的植入材料。

人的健康长寿依赖于医学的发展。而现代医学的进步已越来越依赖于生物材料和生物器械的发展,没有医用材料的医学诊断和治疗在现代医学中几乎是不可想象的。生物医用材料产业发展迅猛,主要动力来自于人口老龄化、中青年创伤的增多、疑难疾病患者的增加和高新技术的发展。

1.生物材料的研究

生物材料的研究主要分为以下几点：

（1）生物体生理环境、组织结构、器官生理功能及其替代方法的研究; （2）具有特种生理功能的生物医学材料的合成、改性、加工成型以及材料的特种生理功能与其结构的关系的研究；

（3）材料与生物体的细胞、组织、血液、体液、免疫内分泌等生理系统的相互作用以及减少材料毒副作用的对策研究

(4) 材料灭菌、消毒、医用安全评价方法与标准以及医用材料与制品生产管理与国家管理法规的研究。

2.生物医学材料的性能要求和分类

生物材料实质上是一种特殊的功能材料。是一类与人类生命和健康密切相关的新材料。凡是应用于人体的生物材料都应具有良好的生物性能，这是保证其临床安全有效应用的重要技术指标。生物功能性和生物相容性是评价生物医学材料最终能否应用于人体的两个最基本的标准。生物功能性：生物医学材料应具有良好的物理、化学和机械性能，以行使所替代、器官的生理功能。

对于其性能要求可归结为以下几点：

（1）生物相容性。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。

（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

根据用途可将生物材料性能分为:

*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

根据材料与生物体接触部位又可分为：

*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。

3.生物材料的发展

生物材料医学用途的发展过程：

一般认为，生物材料的发展大致经历了三代。

一般将第一次世界大战以前所使用的生物材料为第一代生物医学材料。代表材料有石膏、金属、橡胶以及棉花等物品。这一代的材料大都已被现代医学所淘汰。第二代生物医学材料的发展是建立在医学、材料科学（尤其是高分子材料学）、生物化学、物理学以及大型物理测试技术发展的基础上的, 研究人员也多由材料学家和医生来担任。代表材料有羟基磷灰石、磷酸三钙、聚羟基乙酸、聚甲基丙烯酸羟乙基醋、胶原、多肤、纤维蛋白等。这类材料与第一代生物医学材料一样, 其研究思路仍旧是从改善材料本身的力学性能和生化性能, 使其在生理环境下能够长期地替代生物组织。第三代生物医学材料是一类具有促进人体自身修复和再生作用的生物医学复合材料。它是在生物体内各种细胞组织、生长因子、生长抑素及生长机制的结构和性能的基础上建立的叫, 由具有生理“活性”的组元及控制载体的“非活性”组元构成, 有较理想的修复再生效果。它通过材料之间的复合、材料与活细胞的融合、活体组织和人工材料的杂交等手段, 赋予材料特异的靶向修复、治疗和促进作用, 从而使病变组织大部分甚至全部由健康的再生组织取代。其中

骨形态发生蛋白材料是第三代生物医学材料中的代表。

4.生物材料对人体的影响

生物材料植入人体内后，会对局部组织和全身产生作用和影响。主要包括局部的组织反应和全身的免疫反应。

（1）局部组织反应

①排异反应：生物材料植人体内后，可在植人物周围发生不同程度的炎症反应。

②钙化：生物材料表面形成钙化经常导致材料丧失功能。

③感染：感染是植入材料最常见的并发症。

④血液反应：主要是血栓形成，见于植入循环系统与血液密切接触的生物医学材料。因此，与血液接触的植入材料都必须有优良的抗凝血性能。

⑤肿瘤：生物材料的致癌性是一个引人注目的问题。尽管在临床极少见，但在动物实验中却屡见不鲜。可能与以下因素相关：植入材料在生物老化过程中释放致癌物质；植入材料被致癌物质污染l纤维包膜增厚，导致局部组织代谢障碍，代谢产物长期积蓄，细胞发生突变的可能性增加；植入物的表面形状、粉末状或海绵状的材料几乎不会发生恶性肿瘤，纤维状的材料也很少发生，只有表面光滑的材料才容易发生。因此在材料的选择和应用上，避免使用可能产生刺激性、乃至有毒可溶物质的材料，尽可能使用表面粗糙的材料，植入时尽量减少材料与组织的间隙等。

⑵免疫反应：有些生物材料植入后可导致全身性的免疫反应，包括体液免疫和细胞免疫反应。近来临床研究发现这种免疫反应的发生与补体的激活密切相关。例如高分子材料可通过补体系统经典途径的激活，涤纶人工血管材料

植入后可通过经典途径和旁路途径激活补体。

5．现状与前景

目前全球大量用于医疗器械的生物医学材料主要有20 种,其中医用高分子12 种,金属4 种,陶瓷2 种,其他2 种。利用现有的生物医学材料已开发应用的医用植入体、人工器官等近300 种,主要包括:起搏器、心脏瓣膜、人工关节、骨板、骨螺钉、缝线、牙种植体,以及药物和生物活性物质控释载体等。近年来,西方国家在医学上消耗的生物材料每年以10 %～20 %的速度增长,而国内也以20 %左右的速度迅速增长。随着现代科学技术的发展,尤其是生物技术的重大突破,生物材料的应用将更加广泛,需求量也随之越来越大。

生物材料的研究与开发被许多国家列入高技术关键新材料发展计划,并迅速成为国际高技术制高点之一。我国作为世界人口最多的国家,生物材料的市场潜力十分巨大。我国生物医用材料研制和生产迅速发展，初具规模，已经成为一个新兴产业，总产值的增长率远高于国民经济平均发展速度。可见，生物材料是一个巨大的产业，生物材料的不可缺少性，尤其是进口材料动辄上万元的价格决定了我国必须加强具有自主知识产权的生物材料的研究开发。

参考文献

（1）何天白,胡汉杰主编.功能高分子与新技术[M].北京:化学工业出版社（2）JS Temenoff,AG Mikos着，Wang Yuanliang等译，生物材料—生物学与材料科学的交叉，科学出版社，北京

（3）李佐臣.生物材料的研究现状[J].钛工业进展