生物医用材料课堂笔记资料

生物医用材料课堂笔记
一、生物医用材料定义
广义的生物材料：一是指用于生物体内的材料，达到治疗康复的目的，例如隐形眼镜、人工髋关节；二是指来源于生物体，可能用于或不再用于生物体内（这种不是本课程研究对象），例如动物皮革用于服装。

我们给生物医用材料明确的定义：对生物系统的疾病进行诊断、治疗、外科修复、理疗康复、替换生物体组织或器官（人工器官），增进或恢复其功能，而对人体组织不会产生不良影响的材料。

生物医用材料本身并不必须是药物，而是通过与生物机体直接结合和相互作用来进行治疗。

另一种说法是：生物医用材料是一种植入躯体活系统内或与活系统相接触而设计的人工材料
生物医用材料学科的研究内容
1.各种器官的作用；
2.生物医用材料的性能；
3.组织器官与材料之间的相互作用：在体内，生物医用材料如何影响活组织（称之为宿主反应）；活组织又如何影响生物材料的性能变化（称之为材料反应）。

重点研究化学（包括生物化学）和力学两方面。

（例如植入髋关节，磨损碎屑，炎症反应，以及金属离子的溶出）
二、生物医用材料简介
2.1 生物医用材料的分类：由于生物材料应用广泛，品种很多，所以会有不同角度的分类。

按材料的传统分类法分为：
(1) 合成高分子材料（如聚氨酯、聚酯、聚乳酸、聚乙醇酸、乳酸乙醇酸共聚物）
(2) 天然高分子材料（如胶原、丝蛋白、纤维素、壳聚糖）
(3) 金属与合金材料（如钛及钛合金）
(4) 无机材料（如生物活性陶瓷、羟基磷灰石）
(5) 复合材料（如碳纤维／聚合物、玻璃纤维／聚合物）
按材料的医用功能分为：
(1) 血液相容性材料
(2) 软组织相容性材料
(3) 硬组织相容性材料
(4) 生物降解材料
(5) 高分子药物
2.2 生物医用材料的生物相容性
2.1.1生物相容性概念和原理
生物医用材料必须对人体无毒、无致敏、无刺激、无遗传毒性、无致癌性，对人体组织、血液、免疫等系统不产生不良反应。

材料的生物相容性是生物医用材料研究设计中首先考虑的重要问题。

生物医用材料与组织、细胞、血液接触时，会产生各种反应，（包括宿主反应（即机体生物学反应）和材料反应）。

见下图。

2.1.2 生物相容性的分类
生物医用材料的生物相容性分为两类：
若材料用于心血管系统与血液直接接触，主要考察与血液的相互作用，称为血液相容性；
若与心血管系统外的组织和器官接触，主要考察与组织的相互作用，称为组织相容性或一般生物相容性。

2.3 组织工程材料与人工器官---软组织修复与重建
组织工程是指用生命科学与工程的原理构建一个生物装置来维护、增进人体细胞和组织的生长，以恢复受损组织或器官的功能。

传统材料如金属、陶瓷、高分子，植入体内存在着磨损、性能下降、安全性等问题；即使是暂时性植入材料，也存在着力学性能匹配、生物相容性、代谢途径等问题。

组织工程学的出现，为人们寻找更为理想的体内植入材料开辟了一条新的途径。

器官移植会产生排斥作用，必须服用药物，这样又会破坏人体的免疫平衡，可能导致肿瘤。

组织工程给组织器官的替代修复带来了新的曙光。

2.4 硬组织修复与骨组织工程材料
迄今为止，用于硬组织修复与替换的材料，仍然首推金属与合金，其次是生物陶瓷、聚合物、复合材料、人和动物的骨骼衍生物。

不仅要求修复材料无毒副作用、有生物安全性，还要在骨和关节复杂的应力条件下，有足够的力学强度，并且能与原骨牢固结合。

硬组织修复与重建材料是生物医学材料中发展最早、最成熟的领域。

这不仅表现在临床中被广泛接受与使用，还表现在形成了“生物活性”这个核心概念，这就是要有利于植入材料与活体组织形成键合。

而非生物活性的材料在植入材料与活体组织界面处则会形成非粘附的纤维组织层。

2.5 生物医用材料表面改性
生物材料必须具有良好的生物相容性：不引起生物体发生毒性、致敏、炎症、致癌、血栓等的不良生物反应。

生物相容性取决于材料表面性质：材料表面成分、表面结构、表面形貌、表面能量状态、表面亲水性、表面电荷、表面导电性等。

2.6 生物玻璃
生物玻璃是由SiO2, Na2O, CaO, P2O5等氧化物组成的玻璃系列，改变比例，可以得到活性程度不同的生物玻璃。

生物玻璃的最大优点是具有很高的生物活性，快速与骨组织结合；但它的缺点是强度太低，弯曲强度仅为30-50MPa，无法承受应力的作用。

因此它的应用受到了限制，目前仅用于涂层、颗粒和不受力的场合。

生物玻璃是软的玻璃，最后的形状尺寸由机械加工得到。

常用的机械加工手段都可以用于加工生物玻璃。

2.7 人工心瓣膜
瓣膜相当于单向阀门，人的心脏中有四个心瓣膜，保证血液向一个方向流动。

在这四个心瓣膜中，左心室的两个瓣膜容易失效，其中又以主动脉瓣最易失效。

（？）
这类病例可以通过置换人工心瓣膜继续生存。

目前，临床上使用机械型和生物型两种人工心瓣，各有特点和适应症。

机械式瓣膜的特点：
（1）使用寿命长，适合年轻的患者使用；
（2）尽管瓣膜涂层有较好的血液相容性，但是瓣膜的抗凝血能力
仍然低，患者需要长期服用抗凝血药物以抵抗表面凝血。

三、生物医用材料的研究现状
目前，世界各国对生物材料的研究大多处于经验和半经验的阶段，材料与活组织之间的相互作用机理还有许多不清楚的地方，一般以现有材料为对象，凡性质基本能满足使用要求者，则进行适当纯化，包括配方上减少有害助刑、工艺上减少单体残留量和低聚物，然后加以利用；性能不满足要求者，进行适当改性后再加以利用；还有的则把两种材料的性质结合起来以实现一定的功能。

至今，真正建立在分子设计基础上，依据生物相容性，按照材料结构与性能的关系，来设计新型生物材料的研究尚不多见。

因此，目前应用的生物材料，尤其是用于人工器官的材料，只是处于“勉强可用”或“仅可使用”的状态，还未满足应用的要求。

四、生物医用材料的研究方向
(1) 生物相容性的分子设计学研究，重点研究材料的一次结构及表面高次结构与活体的组织相容性、血液相容性及体内耐老化性的关系，深入探讨生物材料分子设计的理论与方法，并用于指导新材料的开发。

(2) 血液相容性材料研究，特别是对仿肝素结构材料和表面生物化处理材料的研究。

(3) 生物膜材料的研究，重点是人工肺膜用气体透析材料，血液
净化用透析膜、超滤膜尤其是可分离分子物质的透析膜材料。

(4) 缓释材料研究，重点是研究植入型可吸收性缓释材料及生物粘附型缓释材料。

(5) 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。

(6) 生物陶瓷和生物玻璃材料研究，重点是提高生物陶瓷表面生物相容性和力学相容性及表面修饰与处理方法的研究，生物陶瓷表面与机体组织、体液相互作用的机理研究，以及具合各种功能的生物陶瓷、生物玻璃的应用研究。

(7) 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。

(8) 生物材料表面修饰学的研究，发展各种生物梯度材料，通过对材料表面的合理修饰，使其表面形成一个能与生物活体相适应的过渡层。

从而提高材料的生物相容性，这种过波层应具有生物相容性和力学相容性。

(9) 生物材料的生物相容性表征及评价方法的研究，制定不同应用场合的生物相容性要求，研究准确可靠、简便快速的评价方法，并使评价标准统一和规范化。

(10) 生理活性材料、仿生材料、智能材料、生物／合成杂化材料的研究，包括应用仿生没计，仿制具有某些器官或组织的物性和生物活性的生物材料，用共价键合或物理交联方法将某些生物功能物牢固地固定在合成聚合物表面或内部，制造杂化生物材料
系统，用于人工器官、药物释放、亲合分离系统和生物传感器，研究能保持细胞活力的细胞载体材料和接载方法。

(11) 生物降解／吸收的调控机制研究。

研究生物降解／吸收材料的分子结构、生物环境对生物降解／吸收材料降解的影响、降解／吸收速度的调控、降解／吸收及代谢机制、降解产物对机体的影响。

目标是为组织工程化人工器官生物材料及药物控释材料提供理论基础，实现材料参与生命过程、构建生命组织的目的。

(12) 生物结构和生物功能的设计和构建原理研究。

着重研究具有诱导组织再生的骨、软骨及肌腱等基底材料和框架结构的设计及其仿生装配；
(13) 继续筛选现有或新出现的材料，注意材料结构与性能关系的研究，积累数据资料，逐步发展生物材料的分子设计，在改性和分子设计基础上合成新的生物材料。