生物医用复合材料的发展和应用

生物医用复合材料的发展和应用

班级：材料科学与工程1103班

姓名：李海涛（2011010400）史赛赛（2011010410）

吴海泉（）董朝力（）

李昂（）

摘要：生物医用复合材料(biomedical composite materials)是由两种或两种以上的不同材料复合而成的生物医用材料它主要用于人体组织的修复、替换和人体器官的制造。长期临床应用发现，传统医用金属材料和高分子材料不具生物活性，与组织不易牢固结合，在生理环境中或植入体内后受生理环境的影响，导致金属离子或单体释放，造成对机体的不良影响。而生物陶瓷材料虽然具有良好的化学稳定性和相容性、高的强度和耐磨、耐蚀性，但材料的抗弯强度低、脆性大，在生理环境中的疲劳与破坏强度不高，在没有补强措施的条件下，它只能应用于不承受负荷或仅承受纯压应力负荷的情况。因此，单一材料不能很好地满足临床应用的要求。利用不同性质的材料复合而成的生物医用复合材料，不仅兼具组分材料的性质，而且可以得到单组分材料不具备的新性能，为获得结构和性质类似于人体组织的生物医学材料开辟了一条广阔的途径，生物医用复合材料必将成为生物医用材料研究和发展中最为活跃的领域。

关键词: 陶瓷基;、金属基、高分子基;、碳纤维、生物相容性、医用高分子材料、医用金属材料、医用无机材料、医用复合材料

一、生物医用复合材料概述：

1、发展状况：

随着社会文明进步、经济发展和生活水平日益提高，人类对自身的医疗康复事业格外重视。与此同时，社会人口剧增，交通工具大量涌现，生活节奏加快，疾病、自然灾害、交通事故、运动创伤和工伤等的频繁发生等，造成人们意外伤害剧增。因此，发展用于人体组织和器官再生与修复的生物医用材料具有重大社

会效益。早在公元前3500年，埃及人就用棉花纤维、马鬃缝合伤口；墨西哥印第安人用木片修补受伤的颅骨；公元前500年的中国和埃及墓葬中发现假牙、假鼻和假耳；在1936年发明了有机玻璃后，很快用于制作假牙和补牙，至今仍在使用；1949年，美国首先发表了医用高分子的展望性论文，第一次介绍了利用PMMA作为人的头盖骨、关节和股骨，利用聚酰胺纤维作为手术缝合线的临床应用情况；50年代，有机硅聚合物被用于医学领域，加速了器官代替、整容等的发展。由此我们看出这些用于修复人体器官的材料具有久远的发展历史，它们统称为生物医用材料。

生物医用材料是一种新型材料，具有广泛的应用前景，仅高分子材料，全世界在医学上应用的就有90多个品种、1800余种制品，西方国家在医学上消耗的高分子材料每年以10％～20％的速度增长。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。

2、定义：

由于生物医用材料是一个新发展起来的领域，并没有严格的定义。以下是一些解释：生物医学材料指的是能够植入生物体或与生物组织相结合的材料，可用于诊断、治疗，以及替换生物机体中的组织、器官或增进其功能。这些材料通过长期植入、短期植入、表面修复分别用于硬组织和软组织修复与替换。

3、分类：

①、按材料组成和性质：

医用高分子材料（聚乙烯、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、硅橡胶、聚乳酸、聚羟基乙酸）；

医用金属材料（不锈钢、钴基合金、钛和钛合金以及贵金属）；

医用陶瓷材料（羟基磷灰石材料）；

医用复合材料（金属基-陶瓷涂层体系等）。

②、按材料在生理环境中的生物化学反应水平：

惰性的生物医用材料、生物活性材料、可生物降解和吸收的生物材料

③、按用途：

骨骼-肌肉系统修复材料和替换材料（骨、牙、关节、肌腱）

软组织材料（皮肤、乳房、食道、呼吸道膀胱）

心血管系统材料（人工心瓣膜、血管、心血管内插管）

医用膜材料（血液净化膜和分离膜、气体选择性透过膜、角膜接触镜）

药物释放材料等。

4、生物医用复合材料的选择要求

由于人体复杂的生理环境，植入体内的医用材料将会受到长期的物理、化学等生物因素的影响以及各生物组织或器官间普遍存在着很多的动态的相互作用，所以生物医用材料需要满足以下要求:

①具有优良的组织和物理相容性;

②具有优良的化学稳定性，即医用材料的结构或性质不因生物环境的作用而发生变化，同时医用材料不能引起生物体的排斥反应;

③具有优良的机械性能，即医用材料要有足够的力学强度和柔韧性，能够承受生物的机械作用力，选用的医用材料要与生物组织的拉伸弯曲强度和模量、硬度以及耐磨性能相一致;

④具有优良的防菌性能、工艺成型性能，不会因加工困难而使其应用受到限制【1】。

二、生物医用复合材料研究现状

根据基体材料的不同，可将生物医用复合材料大致分为金属基、陶瓷基和高分子基复合材料三类。通过相应的工艺成型方法将各类材料制作成不同医学应用领域的生物复合材料。

1 、金属基生物医用复合材料

金属基生物医用复合材料，例如不锈钢、钛合金等，与传统医学材料相比，金属基医用复合材料的力学强度高、柔韧性优良、耐疲劳性能好、成型工艺优异。但单一的金属材料在生理环境的应用中面临着腐蚀的重要问题，金属离子若向生物组织扩散将会引起毒副作用，而自身性质的退化易导致植入失效。因此一种即不易腐蚀又有很好的生物相容性的金属基生物医用复合材料是科研人员所要研发的新型材料。

谈到金属医用材料，首当其冲人们会想起钛基材料。金属钛医用材料由于其高的强度、韧性以及良好的工艺成型而被广泛用于人工骨、人工关节、齿根材料等。对钛进行表面改性获得的钛基涂层复合材料，既具有足够的强度和韧性，又具有良好的生物相容性，被认为是目前综合金属材料和其它材料各自优点的最有效途径之一。Milella 等【2】采用溶胶-凝胶技术，通过在钛酸酯的醇溶液中加入少量水，使酯水解聚合成聚合胶体。在此溶液中浸提试样，干燥并经高温热处理，在钛和钛合金表面制备钛凝胶。如果在二氧化钛溶胶中加入钙盐和磷酸酯，可制得含钙和磷的复合涂层。选用不同的Ca/P/Ti 配比，多次浸提，涂层各成分则呈梯度分布。涂层与基体间是磷酸钙与钛胶的中介层，钙磷的浓度由外到里逐渐减少，而钛的含量正好相反。在植入人体以后表现出良好的生物相容性。朱明刚等【3】同样采用溶胶-凝胶法，由质量比为 2. 86∶1的硝酸钙和磷酸三甲脂配制的溶胶液，通过多次涂敷、烧结，在金属钛表面支撑了孔隙率为12%的HA 生物涂层。层间形成一个Ti、Ca、P 的成分过渡区，拉伸实验表明，界面结合强度为28MPa。

同时，医用钛合金在临床上也得到了广泛应用。苏向东等【4】对NiTi 合金的生物相容性进行的研究表明，pH 值在酸性、中性及弱碱范围内，0. 9% NaCI 生理液、Hank's 模拟体液、Tyrode's 模拟血液的氧化还原电位不同使NiTi 合金中Ni 离子释放量呈现出差异，其中Tyrode's 模拟血液中Ni 离子的释放量较高; NiTi 合金Ni 离子释放量的影响表现为随着模拟体液pH 值的增大而降低，随Cl－浓度增加而增大;NiTi 合金在生理液中表现出较强的Ni 元素选择性腐蚀行为，Ti 则腐蚀微弱，点蚀是其主要的腐蚀。

2、陶瓷基生物医用复合材料

以陶瓷、玻璃作为基体材料的陶瓷基复合材料是一种具有广阔应用前景的医用材料，它是通过将晶片、晶须、颗粒、纤维等不同的增强材料引入陶瓷中而获得的一类复合材料。有文献数据显示人体骨骼中钙、磷的总含量达到了58%，因此许多科研人员就将钙磷陶瓷当做一种骨骼移植材料来开发。早期使用的陶瓷材料在植入生命体内后不能与骨组织形成键，例如氧化铝陶瓷，到70 年代就出现了一些具有生物亲和性的活性陶瓷。随着临床应用，生物活性陶瓷作为一种骨骼修复材料逐渐开始应用。但生物陶瓷材料本身同时具有弯曲强度较低、弹性性