第9章 生物医学功能材料

生物材料表面修饰学的研究； 生物相容性的表征及评价方法研究；生物活性材料、仿生材料、智能材料、生物/合成杂化材料的研究。
氧化铝生物陶瓷
单晶氧化铝c 轴方向具有相当高的抗弯强度，耐磨性能好，耐热性好，可以直接与骨固定。 已被用作人工骨、牙根、关节、螺栓。并且该螺栓不生锈，也不会溶解出有害离子，与金 属螺栓不同，勿需取出体外。 60年代后期，广泛用作硬组织修复。 70年代至80年代中期，世界许多国家如美国、日本、瑞士等国家，都对氧化物陶瓷，特别 是氧化铝生物陶瓷进行了广泛的研究和应用。 由于氧化铝陶瓷植入人体后表面生成极薄的纤维膜，界面无化学反应，多用于全臀复位修 复术及股骨和髋骨部连接。 通过火焰熔融法制造的单晶氧化铝，强度很高，耐磨性好，可精细加工，制成人工牙根、 骨折固定器等。多晶氧化铝，即刚玉，强度大，用于制作人工髋关节，人工骨，人工牙根 和关节。 单晶氧化铝陶瓷的机械性能更优于多晶氧化铝，适用于负重大、耐磨要求高的部位，但其 不足之处在于加工困难。中国陶瓷在实验室研究水准上完全可达到ISO 标准，但用于临床 仍有一定差距，材料未达到ISO 标准。
9.3 药物载体

药用功能材料的分类和基本性能要求
Байду номын сангаас


药物控制释放和载体材料
药物释放体系
9.3 药物载体
药物载体
是指能改变药物进入人体的方式和在体内的分布、控制药物的释放速度并将药 物输送到靶向器官的体系。 药用功能材料：即医药用仿生材料，又称为生物医药材料，用于与生物系统接 触并发生相互作用，能够对细胞、组织和器官进行诊断治疗、替换修复或诱导 再生的天然或人工合成的特殊功能材料。
生物材料发展趋势 筛选现有或新出现的材料；研究材料的相容性、机械性和老化性；表面 修饰的研究；材料的分子设计。
9.2人工器官与生物医学材料

人工器官概述


人工器官的种类及基本原理
人工器官的现状及发展
9.2人工器官与生物医学材料
人工器官是用人工材料制 成能部分或全部替代病损的自 然器官，以补偿、替代或修复 自然器官的功能的器件或装置。 除人脑外，几乎人体各个器 官都在进行人工仿真研制。
9.1 生物医学材料的特征与评价
9.1 生物医学材料的特征与评价
生物相容性评价：
体外试验：溶出物测定、溶血试验、细胞毒性试验等。 动物体内试验：急性全身毒性试验、刺激试验、致突变实验、肌肉埋植试验、致敏试验、 长期体内试验等。
生物材料研究现状：
多处于经验和半经验阶段，为满足应用要求。目前进入“生物医学材料分子设计学”的建立 积累数据和资料的阶段，个别性能的分子设计已被应用。 较活跃的生物医学材料主要有高抗凝血材料、生物活性陶瓷及玻璃、钛及钛合金、镍钛记 忆合金、生物活性缓释材料及靶向药物在体材料、生物粘合剂、可生物降解与可吸收性生物 材料、纳米生物材料、智能与杂化材料和血液净化材料。
9.2人工器官与生物医学材料
人工心脏瓣膜
指能使心脏血液单向流动而不返流，具有人体心脏 瓣膜功能的人工器官。 人工心脏瓣膜主要有两类：生物瓣和机械瓣。 机械瓣：最早使用的是笼架—球瓣，是在一金笼架内 有一球形阻塞体（阀体），制瓣材料一般包括：坚硬 材料(支架)、弹性材料(阻塞体)、织品类材料(瓣环)。 生物瓣：全部或部分使用生物组织，按取材来源不同， 分为自体、同种异体、异体三类；生物瓣的支架通常 采用金属合金或塑料支架，外导包绕涤纶编织物，生 物材料主要用作瓣叶。
9.1 生物医学材料的特征与评价
生物材料研究方向

生物相容性的分子设计学研究； 血液相容性材料研究； 生物膜材料研究；



缓释材料研究；
天然生物材料中再生胶原及弹性纤维蛋白的稳定化和增强处理方法、甲壳素和透明质酸代替物的应用研究； 生物陶瓷和生物玻璃材料的研究；
医用钛及钛合金、镍钛合金材料表面与体液相互作用机理和生化反应及金属表面生物惰性化处理方法的研究；
公元前5000年，黄金修复失牙； 公元前3500年，古埃及，棉花纤维、马鬃等缝合伤口； 公元前2500年，中国、埃及，假手、假鼻、假耳等人工假体； 隋末唐初，银膏补牙--成分是银、锡、汞，与现代牙齿填充材料汞齐合金类似。
1851年发明天然橡胶的硫化方法后，开始利用天然高分子硬橡木制作人工牙托
和颚骨进行临床治疗； 1892年，用硫酸钙填充骨缺损，这是陶瓷材料植入人体的最早实例。 70年代后，医用复合材料研究开发。 90年代以后，借助于生物技术和基因工程的发展，由无生物存活性材料扩展到 具有生物学功能的材料领域，其基本特征是具有促进细胞分化、增殖、诱导组织再 生、参与生命活动等功能。
见课本的内容！！！
人造髋骨
玻璃钢人工颅盖骨
生物陶瓷听小骨
钛与钛合金
合金制股骨帽
羟基磷灰石生物活 性陶瓷人工骨
9.1 生物医学材料的特征与评价
生物医学材料的基本性能要求
（1）生物相容性 （2）化学稳定性 （3）力学条件 对于人体无毒，无刺激，无致畸、致敏、致癌，不排斥，无炎 耐体液侵蚀，不产生有害降解产物；不产生吸水膨润、软化变 足够的静态强度，如抗压、抗弯等；具有适当的弹性模量和硬度； 症，无溶血、凝血反应等。
生物医药材料学是多门学科的共同协作、互相借鉴、突破旧有学科的狭小范围而开创的一门新学科。
临床医学（Clinical Medicine） 主要是根据基础医学的基础，对病患的问题(有关身体或心理的疑问、不适或疾 病)加以诊断、治疗的学科。
医院内部分工来说，则分为临床、医技、行政、工勤等部门
9.1 生物医学材料的特征与评价
亚洲四大邪术：中国PS术，泰国变性术、日本化妆术，韩国整容术
生物医学材料是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，又称生 物材料。
9.1 9.2 9.3 9.4
生物医学材料的特征与评价 人工器官与生物医学材料 药物载体 组织工程材料
公元前5000年，黄金修复失牙； 公元前3500年，古埃及，棉花纤维、马鬃等缝合伤口； 公元前2500年，中国、埃及，假手、假鼻、假耳等人工假体； 隋末唐初，银膏补牙--成分是银、锡、汞，与现代牙齿填充材料汞齐合金类似。
1851年发明天然橡胶的硫化方法后，开始利用天然高分子硬橡木制作人工牙托
和颚骨进行临床治疗； 1892年，用硫酸钙填充骨缺损，这是陶瓷材料植入人体的最早实例。 70年代后，医用复合材料研究开发。 90年代以后，借助于生物技术和基因工程的发展，由无生物存活性材料扩展到 具有生物学功能的材料领域，其基本特征是具有促进细胞分化、增殖、诱导组织再 生、参与生命活动等功能。
生物惰性材料→生物降解材料 天然材料→合成材料
传统药物的药物载体大多是无机物质，而目前实用的药物载体材料大多是高分子材料。
9.3 药物载体
常用的药物载体高分子材料 生物降级高分子 （天然） 明胶 淀粉 白蛋白 胶原 甲壳素或壳聚糖 生物降级高分子 （合成） 藻酸盐 聚酸酐 聚酰胺 聚腈基丙烯酸烷基酯 脂肪族聚酯 非生物降级高分子 （合成） 聚乙烯醇 聚醋酸乙烯酯 聚苯乙烯 聚硅氧烷橡胶 聚丙烯酸酯 聚甲基丙烯酸酯 聚氨基甲酸酯 聚酰胺 聚酯 聚四氟乙烯
9.2人工器官与生物医学材料
9.2人工器官与生物医学材料
人工肾
将人体血液引出体外，利用透 析膜两侧溶质浓度的差别，血液中 高浓度溶质经过膜向透析液一侧传 递，排除体内过剩的含氮化合物、 代谢产物或愈量药物等溶质，并调 节电解质水平衡，然后再将净化的 血液引回体内的这种装置称为人工 肾。
如果说透析器是透析型人工肾的关键，那么透析膜可以说是关键中的关键
9.2人工器官与生物医学材料
9.2人工器官与生物医学材料
人工骨
用人工材料制造的人骨的替代品或者骨折固定的材料。 人工材料有：无机材料（烃基磷灰石结晶，还含有CO32-、Mg2+ 、Na2+、Cl-、F-）、 有机材料（纤维性蛋白骨胶原） 活性人工骨：通过合成纳米烃基磷灰石和计算机模拟对人工骨铸型，与生长因子合 成而获得。
9.2人工器官与生物医学材料
人工器官的主要研究方向： 生物相容性表面技术：主要是梯度修饰，通过组装、修饰材料的表面，提高人工组 织与人工器官表面与整体的生物相容性。 精密加工技术：是人工器官在体内长期安全有效发挥功能的重要保证。如体内植入 支架、接入导管球囊与管体的连接，眼内人工晶体的成型等。 组织工程中的转基因技术：降低宿主免疫排斥反应. 组织工程网络构架的生物活性组装与表面修饰：调控细胞生长速度与构造，组装与 修饰分子层的厚度和生长因子表面与微环境的浓度，通过界面技术和生物降解等缓 释技术加以调控。 组织工程网络构架在低重力效应下细胞和组织三维培养技术和装置的研究。
质；自身不变化等。
耐疲劳、耐摩擦、耐磨损、有润滑性能。 （4）其他要求 良好的孔隙度，易加工成形， 热稳定性好。
9.1 生物医学材料的特征与评价
生物医学材料的生物相容性
生物相容性根据材料接触部位分为三类： （1）血液相容性：材料用于心血管系统与血液直接接触，主要考察材料与血液的相互作用； （2）组织相容性：材料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； （3）力学相容性：对于植入体内承受负荷，以及要求其弹性形变和植入部位的组织的弹性形 变相协调的生物材料的力学性能。 Ti-O薄膜表面血 Ti-O薄膜表面血小 材料与机体组织发生两种反应：材料反应和宿主反应。 小板的形态(差) 板的形态(好) 宿主反应：生物机体对植入材料的反应（局部组织反应， 全身毒性反应，过敏反应，致癌、致畸、致突变反应、适应性反应）。 材料反应：材料对生物机体作用产生的反应（生理腐蚀、吸收、 降解及失效）。
法国MedSpa， 法国Channel， 美国雅诗兰黛
化学名：β-(1→4)-2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖 分子式： (C6H11NO4)N 单元体的分子量为：161.2
9.2人工器官与生物医学材料
人工膀胱
替代膀胱功能的人工装置。 人工膀胱的类型有生物材料的、非生物材料的及 全置换体内植入型3种。 (1)生物材料的人工膀胱：自体组织移作、异体组织移作人工膀胱； (2)非生物材料的人工膀胱：体外留置型人工膀胱的移行上皮细胞再生型人工膀胱 (3)全置换体内植入型人工膀胱：由人工输尿管、 单向止逆瓣、集尿器、人工括约肌装置和 人工尿道五个部 分组成。 全置换人工膀胱使用的材料有硅橡胶、聚四氟乙烯、涤纶、聚丙烯、聚 氨酯、天然橡胶；再生型人工膀胱支架利用的不能降解材料有聚乙烯海绵、 白明胶海绵等，能降解的有聚α-氨基酸、戊二醛处理牛心包等。
9.2人工器官与生物医学材料
人工肺
又名氧合器或气体交换器，指用于血气 交换，调节血内CO2和O2含量，取代人体肺 的装置。应用于心脏手术的体外循环，和血 泵配合称为人工心肺机。 人工肺主要有静立垂屏式人工肺和膜式 人工肺，其中膜肺最接近人体肺生理功能。 第一个膜肺用的是聚氯乙烯。人工肺用 的薄膜主要有：无孔薄膜包括硅橡胶和聚烷 基砜；微孔薄膜包括聚四氟乙烯、聚丙烯、 聚砜；复合膜是微孔薄膜涂超薄膜。
9.2人工器官与生物医学材料
人工心脏
是推动血液循环完全替代或部分替代人体心脏功能的机械心脏。 人工心脏关键是血泵。 血泵：包括膜式血泵、囊型血泵、管型血泵、摆形血泵及螺形血泵五种，材料有硅 橡胶、甲基硅橡胶、嵌段硅橡胶、聚氨酯、聚醚氨酯、聚四氟乙烯织物、聚酯织物 复合物、聚烯烃橡胶、生物高分子材料以及高分子复合材料，其中聚氨酯性能最好。
9.1 生物医学材料的特征与评价

生物材料的研究内容、分类和基本性能要求


生物材料的生物相容性及生物学评价
生物材料的研究现状、研究方向和发展趋势
9.1 生物医学材料的特征与评价
研究内容
（1）生物体的生理环境、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、加工成形以及材料的特种 生理功能与其结构关系的研究。 （3）材料与生物体的细胞、组织、体液、免疫、内分泌等生理系的相互作用以及 减少材料毒副作用的对策和方法研究。 （4）生物医学材料的卫生处理和管理，及其医用安全性评价方法与标准的研究。