生物医学材料.ppt

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1、Page 1关于生物医学材料关于生物医学材料现在学习的是第1页，共23页Page 21.1生物材料发展背景生物材料发展背景生物材料的定义生物材料的定义生物材料的发展生物材料的发展n一种与生物体组织接触，用以评估、治疗、置换生物体任何组织、器官，增进和恢复其功能的材料。n生物材料主要是应用在医用领域，它们很少单独的使用，通常是被制成医疗器械而使用。n事实上，生物材料通常是一种经过加工、消毒后被使用的材料。n早在公元前，就有采用青铜或黄铜作为骨取代物将断裂的骨连接起来的先例。n两千多年前的罗马人、中国人和阿兹特克人就会把金应用在牙齿的修补上。n到19世纪中期以后，随着医学的逐渐的发展，形成了相应的

2、科学体系。特别是新型高分子材料的研发，为生物材料的研究和应用创造了极大的机会。现在学习的是第2页，共23页Page 3n在具有良好的生物相容性这一研究路线指导下，人们采用了多种假体做成植入体，成功的进行了骨移植手术。n1884年，首次用金属插补术进行髋关节置换；n1936年，有机玻璃迅速被制成假牙及人工骨而应用与临床；n1943年，赛璐璐的问世使得透析膜能够制备成人工肾；n1938年，制备出合金假体；n20世纪60年代，聚乙烯得到了广泛的应用。n近年来研究人员已经应用改性的生物材料研制出人工器官，来替代和修复机体受损的组织和器官，发挥各项生理作用，已获得了较好的治疗效果，但是仍然存在一定的问题

3、，未能完全满足人们的要求。现在学习的是第3页，共23页Page 4随着生物技术发展和重大突破，生物医用材料己成为各国随着生物技术发展和重大突破，生物医用材料己成为各国 研究和开发研究和开发的热点。目前被详细研究过的生物材料已超过的热点。目前被详细研究过的生物材料已超过1000种，被广泛应用的种，被广泛应用的有有90多种，多种，1800多种制品。西方国家每年耗用生物材料量以多种制品。西方国家每年耗用生物材料量以1015%的的速度增长速度增长.近近10年来，全球生物医用材料和制品的市场一直保持年来，全球生物医用材料和制品的市场一直保持15%以上的年增以上的年增长率，正在成长为本世纪世界经济的一个长

4、率，正在成长为本世纪世界经济的一个支柱性支柱性产业。产业。近年来，全球生近年来，全球生物医用材料及其制品的产值以每年物医用材料及其制品的产值以每年58%的速度增长，的速度增长，2005年的产值约为年的产值约为2100亿美元亿美元，是药品产值的，是药品产值的7/10,而且比值还在增大，将成为本世纪经济的支而且比值还在增大，将成为本世纪经济的支柱性产业柱性产业。我国需求量大，近十年来市场年增长率却高达我国需求量大，近十年来市场年增长率却高达20%27%，占国际市场份，占国际市场份额不到额不到3%。二是从潜在需求来看，就医疗器械的人年均消耗额计，我国仅为。二是从潜在需求来看，就医疗器械的人年均消耗额

5、计，我国仅为7美元左右，美国则高达美元左右，美国则高达300美元以上。随着国民经济的发展、人民生活水平美元以上。随着国民经济的发展、人民生活水平的提高，以及人口老龄化，我国对生物医用材料及制品的需求越来越大的提高，以及人口老龄化，我国对生物医用材料及制品的需求越来越大现在学习的是第4页，共23页Page 51.2生物材料的分类生物材料的分类n生物材料主要有两种分类方法：按应用性质分类和按生物材料的属性分类。n按应用性质来分类主要有：n抗凝血材料（心血管材料）、齿科材料、骨科材料、眼科材料、吸附解毒材料（血液灌流用）、假体材料、缓释材料、生物粘合材料、透析及超滤用膜材料、一次性医用材料等等。n按

6、生物材料的属性可分为：n天然高分子生物材料再生纤维、胶原、透明质酸、甲壳素等。n合成高分子生物材料硅橡胶、聚氨脂及其嵌段共聚物、涤纶、尼龙、聚丙烯腈、聚烯烃。n医用金属材料不锈钢、钛及钛合金、钛镍记忆合金等。n无机生物医学材料碳素材料、生物活性陶瓷、玻璃材料。n杂化生物材料指来自活体的天然材料与合成材料的杂化，如胶原与聚乙烯醇的交联杂化等。n复合生物材料用碳纤维增强的塑料，用碳纤维或玻璃纤维增强的生物陶瓷、玻璃等。现在学习的是第5页，共23页Page 61.3生物材料的使用性能生物材料的使用性能n生物材料是研制人工器官及一些重要医疗技术的物质基础，每一种新型生物材料的发现都引起了人工器官及医疗

7、技术的飞跃。不同的生物材料具有不同的使用性能。n一般而言，临床医学对生物医学材料有以下基本的要求：1.无毒性，不致癌，不致畸，不引起人体细胞的突变和组织细胞的反应；无毒性，不致癌，不致畸，不引起人体细胞的突变和组织细胞的反应；2.化化学学性性质质稳稳定定，抗抗体体液液、血血液液及及酶酶的的作作用用（接接触触人人体体各各种种体体液液（唾唾液液、淋淋巴巴液液、血血液液）时时，应应有有良良好好的的耐耐蚀蚀性性。唾唾液液、血血液液、间间质质液液都都是是以以Cl、Na+、K+离离子子为为主主的的电电解解质质溶溶液液，生生物物材材料料在在这这种种溶溶液液中中应应不不发发生反应、腐蚀和变质）生反应、腐蚀和变

8、质）；玻璃钢人工颅盖玻璃钢人工颅盖骨骨高分子与钛合金人造髋骨高分子与钛合金人造髋骨现在学习的是第6页，共23页Page 73.与人体组织相容性好，不引起中毒、溶血凝血、发热和过敏等现象；与人体组织相容性好，不引起中毒、溶血凝血、发热和过敏等现象；4.具有与天然组织相适应的物理机械特性；具有与天然组织相适应的物理机械特性；5.针针对对不不同同的的使使用用目目的的具具有有特特定定的的功功能能。（如如髋髋关关节节在在静静止止状状态态承承受受体体重重的的二二分分之之一一，水水平平步步行行时时承承受受的的重重量量为为静静止止时时的的3.3倍倍，而而跑跑步步时时则则为为4倍倍以以上上。此此外外,每每步步行

9、行一一公公里里大大约约活活动动1000次次，按按照照一一般般的的生生活活情情况况,每每年年大大约约承承受受1106 3106次次重重复复负负荷荷的作用）。的作用）。Ti-O薄膜表面血小板的形态薄膜表面血小板的形态(好好)Ti表面血小板的形态表面血小板的形态(差差)现在学习的是第7页，共23页Page 8n医用金属材料医用金属材料n定义：定义：一类用作生物材料的金属或合金，又称外科用金属材料。n性质：性质：n生物惰性材料n较高的机械强度和抗疲劳性能n良好的生物力学性能及相关的物理性质n优良的抗生理腐蚀性、生物相容性、无毒性n种种类类：有钴合金（Co-Cr-Mo）、钛合金（Ti-6A1-4V）和不

10、锈钢的人工关节和人工骨。n镍钛形状记忆合金具有形状记忆的智能特性，能够用于矫形外科、心血管外科。n形状记忆合金具有奇特的形状记忆功能、质轻、磁性微弱、强度较高、耐疲劳性能、高回弹性和生物相容性好等，在管腔狭窄的治疗、骨科、口腔科和血管外科具有广泛的应用。现在学习的是第8页，共23页Page 9n1、不锈钢、不锈钢n不锈钢成本低，但在体内有腐蚀和组织反不锈钢成本低，但在体内有腐蚀和组织反应等应等,不锈钢中添加不锈钢中添加Mo可克服铬钝化膜在可克服铬钝化膜在氧化环境中耐腐蚀性能氧化环境中耐腐蚀性能,如加如加Mo的的316、317。降低碳含量，如使用超低碳。降低碳含量，如使用超低碳不不锈锈钢钢骨骨钉

11、钉 的的316L可防止晶间腐蚀可防止晶间腐蚀.常用来制作各种人工关节和常用来制作各种人工关节和骨折内固定器、截骨连接器骨折内固定器、截骨连接器等，也用于牙科等各种器件等，也用于牙科等各种器件制造。制造。骨吸收和骨小梁形成骨吸收和骨小梁形成现在学习的是第9页，共23页Page 10n2、钴基合金、钴基合金n加加Mo的钴基合金，已用于生物体中。例如的钴基合金，已用于生物体中。例如Co-Cr-Ni-Fe-Mo合合金用在牙科和整形外科，这种合金的耐腐蚀性是一般不锈金用在牙科和整形外科，这种合金的耐腐蚀性是一般不锈钢如钢如316的的40倍。倍。钴基铬钼合金的生物钴基铬钼合金的生物相容性超过铁铬镍和钴铬合

12、相容性超过铁铬镍和钴铬合金。钴基合金的耐磨性是所金。钴基合金的耐磨性是所有医用金属材料中最好的，有医用金属材料中最好的，与不锈钢相比，更适于制造与不锈钢相比，更适于制造体内承载苛刻的长期植入件体内承载苛刻的长期植入件.CoCrMoCoCrMo合金合金合金合金制股骨帽制股骨帽制股骨帽制股骨帽现在学习的是第10页，共23页Page 11n3、钛与钛合金、钛与钛合金n以以纯纯钛钛和和TC4(Ti-6Al-4V)为为主主，这这类类合合金金强强度度不不如如钴钴合合金金,但但耐耐腐腐蚀蚀性性好好，与与人人体体组组织织反反应应很很弱弱，钛钛合合金金的的密密度度小小，弹弹性性模模量量低低，接接近于天然骨。近于

13、天然骨。广广泛泛用用于于制制作作各各种种人人工工关关节节、接接骨骨板板、骨骨螺螺钉钉与与骨骨折折固固定定针针等等，也也用用于于制制作作牙牙根根种种植植体体等等，呈呈现现出出良良好好的的耐耐疲疲劳性能。劳性能。现在学习的是第11页，共23页Page 12金刚石涂覆的膝关节和髋关节金刚石涂覆的膝关节和髋关节现在学习的是第12页，共23页Page 13n4、形状记忆合金、形状记忆合金n用于制作脊椎侧弯症矫形器械、牙科器件、血栓过滤用于制作脊椎侧弯症矫形器械、牙科器件、血栓过滤器、血管扩张支架、血管栓塞器等。器、血管扩张支架、血管栓塞器等。脊脊椎椎矫矫正正植植入入体体食管支架食管支架血管支架血管支架牙

14、齿矫形丝牙齿矫形丝血管和食管引导丝血管和食管引导丝现在学习的是第13页，共23页Page 14n5、贵金属、贵金属n通常是指通常是指金、银、铂及其合金、银、铂及其合金。金。贵金属耐腐蚀、抗蠕变贵金属耐腐蚀、抗蠕变,对机体组织无毒，刺激性小对机体组织无毒，刺激性小,导电性好。金合金导电性好。金合金主要用于口腔科，主要用于口腔科，贵金属合金还可用贵金属合金还可用于植入形电极与电于植入形电极与电子装置等子装置等.现在学习的是第14页，共23页Page 15n生物医学高分子材料生物医学高分子材料n生物医学高分子材料有天然的和合成的两种。n医用天然高分子材料：n具有优越的血液和组织相容性n不易引起抗体产

15、生，植入人体后无刺激性n无毒性反应，能促进细胞增殖，加快创口愈合并具有可降解性n可被人体吸收，降解产物也无毒副作用n主要用于伤口敷料、药物缓释剂、止血棉止血剂等。n合成高分子生物材料：利用聚合方法制备的一类生物材料。n软性材料常用来作为人体软组织如血管、食道和指关节等的代用品；n合成的硬材料可以用来作人工硬脑膜、笼架球形的人工心脏瓣膜的球形阀等；n液态的合成材料如室温硫化硅橡胶可以用来作注入式组织修补材料。n合成高分子材料有可能导致毒性反应，其弹性模量低和弹性低常使其不能用于承受较大负荷的体位的修复。n目前合成高分子生物材料主要用作防噪音耳塞、人造血管、人工晶体、鼓膜修补片等。表1-1中列举了

16、几种合成的或改性的天然材料的医学应用。现在学习的是第15页，共23页Page 16n凝胶型高分子材料：n特殊的三维网络结构n优良的力学性能，如可承受较大形变能力、生物相容性好、化学性能稳定及良好的可成型性n广泛应用于关节软骨、椎间盘髓核缺损的修复和角膜接触镜等的研制。n无机生物医学材料：n无毒、与生物体组织有良好的生物相容性、耐腐蚀。n包括生物陶瓷、生物玻璃和碳素材料三大类，主要用于齿科、骨科修复和植入材料。n惰性生物陶瓷（如氧化铝、医用碳素材料等）：较高的强度，耐磨性能良好，分子中的键力较强。n生物活性陶瓷（如羟基磷灰石和生物活性玻璃等）：能在生理环境中逐步降解和吸收，或与生物机体形成稳定的

17、化学键结合的特性。n无机生物材料基本都是脆性材料，容易破裂，发展方向应向开发复合生物材料以及在金属基体上加涂无机生物陶瓷涂层（薄膜）材料的方面引导。现在学习的是第16页，共23页Page 17n生物医学复合材料：n生物医学复合材料是由两种或两种以上不同材料复合而成的生物医学材料，主要用于修复或替换人体组织、器官或增进其功能以及人工器官的制造。n钴合金和聚乙烯组织的假体常用作关节材料；碳-钛合成材料是临床应用良好的人工股骨头；高分子材料与生物高分子（如酶、抗源、抗体和激素等）结合可以作为生物传感器。n生物医学衍生材料：n经过特殊处理的天然生物组织形成的生物医学材料n无生物活力的材料，但是由于具有

18、类似天然组织的构型和功能，在人体组织的修复和替换中具有重要作用，主要用作皮肤掩膜、血液透析膜、人工心脏瓣膜（如图1-2所示）等。n杂化生物材料：n由活体材料和非活体材料组成的复合体n主要包括合成材料与生物体高分子材料或与细胞的杂化。杂化生物材料主要用于人工胰脏、人工肝脏、人工胸腺、人工肾脏、人工皮和人工血管等。现在学习的是第17页，共23页Page 18应用材料种类骨骼系统关节置换体（髋关节、膝关节）固定骨折部位的骨板骨水泥 骨缺损修复 人工肌腱和韧带 用于补牙的牙科植入体心血管系统 血管弥补 心脏瓣膜 导尿管器官 人工心脏 皮肤修复样板人工肾脏心-肺机感觉器官耳蜗置换眼内镜角膜接触镜角膜绷带

19、Ti、Ti-Al-V合金、不锈钢、聚乙烯不锈钢、Co-Cr合金聚甲基丙烯酸甲酯羟基磷灰石Teflon,DacronTi、Al、Ca、磷酸盐涤纶,特氟隆(聚四氟乙烯),聚氨酯再生组织、不锈钢、C硅橡胶、聚四氟乙烯、聚氨酯聚氨酯硅-胶原质复合材料纤维素、聚丙烯腈硅橡胶铂电极聚甲基丙烯酸甲酯、硅橡胶、水凝胶硅-丙烯酸树脂、水凝胶胶原质、水凝胶表1-1 合成材料和改性的天然材料的医学应用现在学习的是第18页，共23页Page 19图1-1 生物材料在人体各部位的具体应用生物材料涵盖了各生物材料涵盖了各生物材料涵盖了各生物材料涵盖了各类材料：类材料：类材料：类材料：金属材料；金属材料；金属材料；金属材料

20、；陶瓷材料；陶瓷材料；陶瓷材料；陶瓷材料；聚合物材料聚合物材料聚合物材料聚合物材料 现在学习的是第19页，共23页Page 201.4生物材料与组织工程学生物材料与组织工程学n1984年华人学者冯元桢首次提出了组织工程的概念。n美国化学工程师Robert Langer教授和麻省理工大学医学院的临床医生Joseph P Vcanti正式提出了组织工程的概念。n1987年，美国国家科学院基金会（National Science Foundation，NSF）在加利福尼亚的Lake Tahoe举行的专家讨论会上明确了组织工程的定义：“组组织织工工程程是是运运用用工工程程科科学学和和生生命命科科学学的

21、的原原理理及及方方法法，从从根根本本上上认认识识正正常常和和病病理理的的哺哺乳乳动动物物组组织织和和结结构构功功能能的的关关系系，并并研研究究生生物物学学的的替替代代物物，以以恢恢复复、维维持持和和改改进进组组织织的的生生物物替替代代物物”其其目目标标是是利利用用细细胞胞与与生生物物支支架架材材料料的的复合培养再生组织与器官复合培养再生组织与器官,达到修复目的达到修复目的n组组织织工工程程的的基基本本原原理理是是从从机机体体内内获获得得少少量量的的活活体体组组织织，用用特特殊殊的的酶酶或或其其他他方方法法将将细细胞胞（又又称称种种子子细细胞胞）从从组组织织中中分分离离出出来来并并在在体体外外进

22、进行行培培养养扩扩增增，然然后后将将扩扩增增的的细细胞胞与与具具有有良良好好生生物物相相容容性性、可可降降解解和和可可吸吸收收的的生生物物材材料料按按一一定定的的比比例例混混合合，使使细细胞胞粘粘附附在在生生物物材材料料上上形形成成细细胞胞-材材料料复复合合物物。将将该该复复合合物物植植入入机机体体的的组组织织或或器器官官病病损损部部位位，随随着着生生物物材材料料在在体体内内逐逐渐渐被被降降解解和和吸吸收收，植植入入的的细细胞胞在在体体内内不不断断增殖并分泌细胞外基质，最终形成相应的组织或器官，达到修复创伤和重建功能的目的。增殖并分泌细胞外基质，最终形成相应的组织或器官，达到修复创伤和重建功能

23、的目的。现在学习的是第20页，共23页Page 21 组织工程血管组织工程血管 组织工程气管组织工程气管 人耳人耳科学意义：n为解除病人痛苦提供了一种新的治疗方法n提出了复制“组织”、“器官”的新思想n标志着“生物科技人体时代”的到来，是“再生医学的新时代”，是“一场深远的医学革命”。现在学习的是第21页，共23页Page 22习题习题n1.简述生物材料的发展历史。简述生物材料的发展历史。n2.生物材料可以分为哪几类？试简述其性能。生物材料可以分为哪几类？试简述其性能。n3.常用的生物医用高分子材料有哪些，它们具有哪些性能常用的生物医用高分子材料有哪些，它们具有哪些性能？现在学习的是第22页，共23页Page 23感谢大家观看现在学习的是第23页，共23页