人工材料和人工器官讲解

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1、生物材料和人工器官 主要内容 n生物医学材料 n定义、发展 n基本要求 n分类及介绍 n人工器官 n人工肾 n人工肝 n人工心脏 n人工肺 生物医学材料 n定义：生物材料（Biomaterials）即生物医学 材料（Biomedical Materials），指“以医疗为 目的，用于与组织接触以形成功能的无生命 的材料”。 n它是生物医学科学中的最新分支学科，是生 物、医学、化学和材料科学交叉形成的边缘 学科。 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技术的飞跃。 生物材料的发展概述 n3500年前，古埃及人就开始利用棉纤维、马

2、鬃作缝合线缝合伤口；印第安人则使用木片 修补受伤的颅骨。 n2500年前，中国和埃及的墓葬中就发现有假 牙、假鼻和假耳。人类很早就用黄金来修复 缺损的牙齿，并沿用至今。 n16世纪开始人们用黄金板修复颚骨，陶材做 齿根，用金属固定内骨板，以及用金属种植 牙齿等。 生物材料的发展概述 n生物医学材料在2010年的全球市场规模达 320.9亿美元。 n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，我国也以约20%的速度迅速增 长。 n我国生物医用材料产业取得很大进步，但是产 品结构不尽合理，细分程度低，一般、传统和 初级的产品占多数，高端产品仍以进口为主； 研究仍以仿制为主，缺少真

3、正具有自主技术的 创新产品；从事生物医学材料的大企业太少； 生物医学材料的主要原材料也依靠进口。 生物医学材料的基本要求 n材料与机体组织发生的两种反应： 活体系统 材料 材料反应 宿主反应 包括生物环境对材料的腐蚀、降解 、磨损和性质退化，甚至破坏。 包括局部和全身反应，如炎症、细胞毒性、凝血 、过敏、致癌、畸形和免疫反应等。 生物医学材料的基本要求 n（一）生物相容性 n对人体无毒、无刺激、无致畸、致敏、致 突变或致癌作用； n生物相容性好，在体内不被排斥，无炎症 ，无慢性感染，种植体不致引起周围组织产 生局部或全身性反应，最好能与骨形成化学 结合，具有生物活性； n无溶血、凝血反应等。

4、生物医学材料的基本要求 n(二)化学稳定性 n耐体液侵蚀，不产生有害降解产物； n不产生吸水膨润、软化变质； n自身不变化等。 n(三)力学条件 n足够的静态强度，如抗弯、抗压、拉伸、 剪 切等； n具有适当的弹性模量和硬度； n耐疲劳、摩擦、磨损、有润滑性能。 生物医学材料的基本要求 n(四)其它要求 n 良好的空隙度，体液及软硬组织易于长入 ； n 易加工成形，使用操作方便； n 热稳定好，高温消毒不变质等性能。 材料在生物体内的响应材料反应 n 生物机体作用于生物材料材料反应，其 结果可导致材料结构破坏和性质改变而丧 失其功能。可分为如下三个方面： n金属腐蚀 n聚合物降解 n磨损 金属

5、腐蚀 n生物体内的腐蚀性环境： n（1）含盐的溶液是极好的电解质，促进了电化学腐 蚀和水解； n（2）组织中存在具有催化或迅速破坏外来成分能力 的多种分子和细胞。 n多为局部腐蚀，具体包括应力腐蚀开裂、点腐 蚀、晶间腐蚀、腐蚀疲劳以及缝隙腐蚀等，导 致生物材料整体破坏。 n可能会有物质溶入生物组织中，并对生物体组 织产生毒性反应，造成组织的损害。 聚合物降解 n在长期使用过程中，由于受到氧、热、紫外 线、机械、水蒸气、酸碱及微生物等因素作 用，逐渐失去弹性，出现裂纹，变硬、变脆 或变软、发粘、变色等，从而使它的物理机 械性能越来越差的现象。 n聚合物老化易形成的碎片、颗粒、小分子量 单体物质。

6、对耐久性器件，必须保持一定强 度和其它机械性能，老化产物不能对周围组 织有毒害作用。 磨损 n人工关节由于表面易氧化生成TiO2，其耐磨性 差，植入人体后，磨损造成在关节周围组织形 成黑褐色稠物，从而引起疼痛。 n目前，大量的人工髋关节是由坚硬的金属或陶 瓷的股骨头与超高分子聚乙烯的髋臼杯组合成 ，然而它的寿命也不超过25年。 n假体失败的主要原因是超高分子聚乙烯磨损颗 粒所造成的界面骨溶解，从而导致假体松动。 这种磨损颗粒所导致的异物巨细胞反应，又 称颗粒病，是晚期失败的最主要原因。 生物医学材料的分类 n按材料的属性分类 生物医学材料 1）医用金属材料 2）高分子生物材料 3）无机生物医学

7、材料 4）杂化生物材料 5）复合生物材料 金属类原材料占36.2%，其次为陶 瓷类原料及高分子聚合物，分别 占24.7%及23.7%。最具成长潜力 的是高分子聚合物原料。 1）医用金属材料 n一类生物惰性材料，除具有较高的机械强度 和抗疲劳性能，具有良好的生物力学性能及 相关的物理性质外，还必须具有优良的抗生 理腐蚀性、生物相容性、无毒性和简易可行 及确切的手术操作技术。 n金属材料是临床应用最广泛的承力植入材料 ，已成为骨和牙齿等硬组织修护和替换、心 血管和软组织修复以及人工器官制造的主要 材料。 常用医用金属材料 n不锈钢 n钴（Co）基合金 n钛（Ti）基合金 n形状记忆合金 n贵金属

8、n纯金属钽、铌和铬等 医用金属材料：不锈钢 n 铁基耐蚀合金（一般由铁、铬、镍 、钼、锰、硅组成），易加工，价格低廉 。 n不锈钢的耐蚀性和屈服强度可以通过冷加 工而提高，避免疲劳断裂。 n 一般制成多种形状，如针、钉、髓 内针、齿冠、三棱钉等器件和人工假体而 用于临床，还用于制作各种医疗仪器和手 术器械。 优点 应用 医用金属材料：不锈钢 n按显微（金相）组织的特点可分为: n奥氏体不锈钢（300系） n铁素体不锈钢（400系） n马氏体不锈钢（200系） n沉淀硬化型不锈钢等 家用品不锈钢： 430：铁+12以上的铬 304（18-8）：铁+18铬+8镍 316（18-10）：铁+18铬+

9、12镍+2.5%钼 n3Cr13和 4Crl3型马氏体不锈钢用于医疗器械，如 刀、剪、止血钳、针头等。 n00Cr18Ni10型奥氏体不锈钢可制作各种人工关节 和骨折内固定器；在口腔科常用于镶牙、矫形 和牙根种植等器件的制作。 不锈钢骨固定螺钉和骨固定板 医用金属材料：钴基合金 n n含有较高的铬和钼，又称钴铬钼合金，具有 极为优异的耐腐蚀性（比不锈钢高40倍）和 耐磨性（在所有医用金属材料中，其耐磨性 最好） n通过精密铸造成形状复杂的精密修复体 n综合力学性能和生物相容性良好； n植入体内不会产生明显的组织反应，适合于 制造体内承载苛刻的长期植入件。 n 制造人工髋关节、膝关节以及接骨板

10、、骨钉、关节扣钉和骨针，及人工心脏瓣膜 等。 优点 应用 医用钴基合金更适用于体内承载条件苛 刻的长期植入件。 医用金属材料：钛基合金 nTi合金的强度可达到很高的水平，比强度 是不锈钢的3.5倍； n 耐疲劳、耐蚀性均优于不锈钢和钴基合金 。 nTi合金对人体毒性小，密度小，弹性模量 接近于天然骨，是较佳的金属生物医用材 料。 n缺点：抗断裂强度较低，耐磨性能不尽人 意，加工困难，冶炼及成型工艺复杂，要 求条件较高。 优点 广泛用于制作各种人工关节、牙床、人工心脏瓣 膜、头盖骨修复等方面。 EL1Ti6Al4V钛基合金制作的骨钉和骨板 应用 头颅微型钢板 医用金属材料：形状记忆合金 n自19

11、51年美国首次报道Au-Cd（金-镉）合金 具有形状记忆效应以来，目前已发现有20多 种记忆合金，其中以镍钛合金在临床上应用 最大。 n在不同的温度下表现为不同的金属结构相。 如低温时为单斜结构相，高温时为立方体结 构相，前者柔软可随意变形，如拉直式屈曲 ，而后者刚硬，可恢复原来的形状，并在形 状恢复过程中产生较大的恢复力。 形状记忆合金可分为三种 医用金属材料：形状记忆合金 n特点：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。 n n管腔狭窄的治疗（喉气管狭窄、食道狭窄等 ） n口腔科：用这种材料做成的种植牙具有齿槽 骨切口小，固定牢靠等优点。 n

12、骨科：人工关节，断骨连接，弯曲脊柱矫正 。 n血管外科：治疗主动脉瘤、冠状动脉和椎动 脉狭窄等。 应用 特点 形状记忆合金的应用举例形状记忆合金的应用举例支架的类型按照在血管内展开 的方式： 1）自展式（弹性材料） 2）球囊扩张式 心血管支架（球囊扩张式） 医用金属材料：贵金属 n 一类金属（金，银，铂，钯等）或合金，如 金子具有极高的抗氧化性和抗腐蚀性。 n 贵金属具有独特稳定的物理和化学性 能、优异的加工特性、对人体组织无毒副作 用、刺激小等优良的生物学性能。 n 口腔科的齿科修复，也可用于小型植 入式电子医疗器械。 应用 优点 医用金属材料：纯金属钽（Ta） n 良好的抗生理腐蚀性和可塑

13、性，独特 的表面负电性使其具有优良的抗血栓性能和 生物相容性，还有很高的抗缺口裂纹能力。 n 接骨板、种植牙根、义齿及外科手术 缝线和缝合针； 钽网可用于肌肉缺损修补； 钽丝和箔用于缝合修补神经、肌腱和血管； 还用于血管内支架及人工心脏。 n 资源少、价格较高，使其推广受很大 限制。 优点 缺点 应用 医用金属材料：纯金属铌 n性能和应用范围与钽非常相似，用于修补 颅骨和制作医疗器械。 n 由于来源困难，价格昂贵，使用受 到限制，主要用于制造髓内钉等。 缺点 医用金属材料：纯金属铬 n化学性能与金属钛相似，耐蚀性能、加工 性能、稳定性和生物相容性都很好，主要 用于人工骨和修补颅骨，可加工成各种

14、板 、带、线材在临床上使用。医用铬可与钛 等同使用. n 价格较贵，在临床中较难推广。缺点 2）医用高分子材料 n高分子：分子量在几万至几百万，如蛋白质、 棉、毛、木材、松香、橡胶、塑料、合成纤维 。 n医用高分子材料：在医学上应用的、尤其能在 机体内使用的高分子材料。 n n人工器官 n医疗用品（输血输液用具、心导管、角膜接触镜、膀 胱造瘘管、医用粘合剂以及各种医用导管、医用膜、 创伤包扎材料和各种手术、护理用品等 ） n药用高分子（作为赋形剂 、合成新型药物 ） 应用 天然高分子材料 n人类机体的皮肤、肌肉、组织和器官都是由高 分子化合物组成的，天然高分子生物材料是人 类最早使用的医用材料

15、之一。 n 功能多样性、与机体的相容性、生物可 降解性以及对其进行改性与复合和杂化等研究 。 n分类： n天然蛋白质材料：胶原蛋白和纤维蛋白两种 n天然多糖类材料：纤维素、甲壳素和壳聚糖等 n它们由于结构和组成的差异，表现出不同的性 质，应用于不同的方面。 优点 合成高分子生物材料 n定义：利用聚合方法制备的一类生物材料。 由于合成高分子可以通过组成和结构控制而 具有多种多样的物理和化学性质。 n这是一门新兴的边缘学科，已成为制造各种 人工器官、软硬组织修复体、医用粘结剂、 缝合线、人造血液等的最主要的也是用量最 大的生物材料。 合成高分子材料 n n合成高分子材料的组成物（单体，添加剂等）可

16、 能向生物环境释放，有可能导致毒性反应。 n其弹性模量低和弹性常使其不能用于承受较大负 荷的体位的修复。 n分类： n生物不可降解的：硅橡胶、聚氨酯、环氧树脂、 聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚甲 基丙烯酸甲酯、丙烯酸酯水凝胶等。 n生物可降解的：聚乙烯醇、聚乳酸、聚乙内酯、 乳酸一乙醇酸共聚物和聚一羟基丁酸酯等。 缺点 合成高分子材料：硅橡胶 n平均分子量40万，有机硅弹性体的主要成分， 是含有硅原子的特种合成橡胶的总称。 n 无毒无味、生物相容性好、耐生物老化 、较好的抗凝血性、长期植入体内物理性能下 降甚微、耐高温严寒（ -90C 250C）良好的 电绝缘性、耐氧老化性、耐光老化性以及防霉 性、化学稳定性等。 n