{生物科技管理}新材料概论生物材料

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1、生物医学材料,2020年8月3日,1,2,2.1. 生物医学材料概论,生物医学材料(Biomedical Materials) 生物医学工程的重要分支 生物学、医学、材料学的交叉学科 生物医学工程的物质基础,3,2.1.1 生物材料和生物医学材料的定义,生物材料 (Biomaterial) 生物医学材料 (Biomedical Material) 其定义随科学技术的发展而演变,4,生物材料 (Biomaterials) “植入活体内或与活体结合而设计的与活体系统不起药物反应的惰性物质” 1960s，Clemson Univ., USA 特征：人造、非生命、医用、生物相容,2.1.1 生物材料和

2、生物医学材料的定义,5,无药物反应生物材料与药物的区别 惰 性化学稳定、生物稳定 随着生物材料的发展，该定义已明显不适应生物材料的功能与范畴的飞速发展 载药生物材料、生物活性材料,2.1.1 生物材料和生物医学材料的定义,6,指用于替代、修复组织器官的天然或人造材料。,7,假肢,骨钉骨板,人造髋关节,8,载药生物材料(药物缓释材料) 在材料(最常见的是修复材料)中复合治疗药物，植入人体后缓慢释放，进行辅助治疗,2.1.1 生物材料和生物医学材料的定义,9,带药涂层心血管支架,经过膨胀后的带药支架,带药涂层在 0.9%NaCl溶液中的药物释放,10,生物活性材料(Bio-active Mater

3、ial ) 植入后，按照预先设计进行生物降解或与生物系统发生一定作用，促使生理功能的恢复 如：BMP/TCP骨修复材料 (特征：可降解、可诱导成骨),2.1.1 生物材料和生物医学材料的定义,11,“生物医学材料是用于取代、修复活体组织的人造或天然的材料” 1980s 不限制：人造/天然，体内/体外， 活性/惰性，长期/短期 范 围：医用、生物相容,2.1.1 生物材料和生物医学材料的定义,12,牙修复,假体硅胶,13,除医学中使用的生物材料外，还有大量应用于生物学领域的材料，如细胞培养、蛋白质处理等，目前也将其划入生物材料的范畴,2.1.1 生物材料和生物医学材料的定义,14,15,2.1.

4、1 生物材料和生物医学材料的定义,特指医用材料 其它生物学应用材料,16,世界上第一把100%可降解伞，使用特殊的生物降解材料制成,17,纳米机器人在清理血管中的有害堆积物,18,OMOM胶囊内镜系统,19,A、生物医学材料的历史,2.1.2 生物医学材料的发展,20,生物医学材料的应用特征： 生物医学材料很少单独使用，通常是结合在医学装置中替代发生病变或失去功能的生命体器官,2.1.2 生物医学材料的发展 A、生物医学材料的历史,21,最早的应用可追溯到公元前3500年 棉花纤维、马鬃缝合伤口 古埃及，BC.3500 木片修补颅骨缺损 墨西哥印地安人,2.1.2 生物医学材料的发展 A、生物

5、医学材料的历史,22,2.1.2 生物医学材料的发展 A、生物医学材料的历史,木质及石质的假牙、假鼻、假耳 中国、埃及， BC. 2500 黄金修补牙缺损 中国、埃及、罗马， BC. 2000,23,据文献记载 1588年，黄金板修复颚骨 1775年，金属内固定骨折 1809年，黄金种植牙 1851年，天然硫化橡胶制作人工牙托及颚骨,2.1.2 生物医学材料的发展 A、生物医学材料的历史,24,2.1.2 生物医学材料的发展 A、生物医学材料的历史,进入20世纪，高分子材料的应用带来了生物医学材料的巨大发展 1937年， PMMA用于牙科 1940s，维尼龙用于血管修复 1958年，涤纶用于动

6、脉修复 1960s，PMMA、UHMPE全髋关节,25,自20世纪50年代，各种复杂人工器官的出现，标志着生物医学材料及人工关节的发展进入了新的阶段生物医学材料学科与其它相关技术的交叉与渗透更趋深入 人工心脏瓣膜、人工肺、人工肾、人工心脏、人工胰 ,2.1.2 生物医学材料的发展 A、生物医学材料的历史,26,B、生物医学材料的典型应用举例-人体的“发动机”与支架,2.1.2 生物医学材料的发展,人体的“发动机”,27,心脏是一个强壮的、不知疲倦、努力工作的强力泵。心脏之于身体，如同发动机之于汽车。 如果按一个人心脏平均每分钟跳70次、寿命70岁计算的话，一个人的一生中，心脏就要跳动近26亿次

7、。一旦心脏停止跳动而通过抢救不能复跳，那就意味着，一个人的生命终止了。,人体的“发动机”,28,心脏的跳动定义着人类生命的存在，可以说是人类的生命之根。 心脏病是人类健康的头号杀手。全世界1/3的人口死亡是因心脏病引起的，而我国，每年有几十万人死于心脏病。,人体的“发动机”,29,心脏病与冠心病,心脏病（heart disease）： 是心脏疾病的总称，包括缺血性心脏病、风湿性心脏病、高血压性心脏病、先天性心脏病、心肌炎等各种心脏病。,30,心脏病与冠心病,冠心病全称：冠状动脉粥样硬化性心脏病。 冠心病定义：是指冠状动脉粥样硬化使血管腔狭窄或阻塞，导致心肌缺血缺氧或坏死而引起的心脏病。又名缺血

8、性心脏病。 冠心病，是一种最常见的心脏病。,31,冠心病图片,32,冠心病的治疗,目前，冠心病的治疗分为药物治疗、外科手术和介入治疗三大类。 药物治疗-基础 外科手术-传统 介入治疗-新型,33,支架与搭桥,搭桥：就是在冠状动脉狭窄的近端和远端之间建立一条通道，使血液绕过狭窄部位而到达远端。这种手术称为冠状动脉旁路移植术，是在充满动脉血的主动脉根部和缺血心肌之间建立起一条畅通的路径，犹如在山壑江河之上搭起一座大桥而畅通无阻一样，因此有人形象地将其称为在心脏上架起了“桥梁”，俗称“搭桥”。,34, 搭桥图片,35,支架与搭桥,血管支架： 一种用金属等材料制成的血管内支撑体，它具有良好的可塑性和几

9、何稳定性，送达血管中重度狭窄的病变部位后可以起到支撑血管、保障血液畅通流动的作用。,36,血管支架图片,37,血管支架的应用与开发,随着治疗冠心病的方法日益完善，创伤小的支架治疗成为很多心脏病患者的首选。 目前常用于制作支架的材料有医用不锈钢、金属钽及镍钛合金等。 镁合金支架的研制已成为血管支架开发的重点项目。,38,血管支架的植入方法,通常支架被安装在球囊导管上，通过球囊导管输送到血管病变处，由压力泵注入液体使球囊扩张，进而撑开支架及病变狭窄处的血管，撤出球囊导管，支架永久置于病变处，达到扩张狭窄血管、保持管腔血流通畅的目的。,39,球囊的工作过程,40,血管支架的介入过程,41,血管支架介

10、入前后的对比,42,血管支架介入前后的对比,43,心脏病高发人群,年龄大于45岁的男性、大于55岁的女性 吸烟者 高血压患者 糖尿病患者 高胆固醇血症患者 有家族遗传病史者 肥胖者 缺乏运动或工作紧张者,44,心脏病认识的三个误区,瘦人不会得心脏病 -引发心脏病的因素很多 不吃肉就不会得心脏病 -荤素菜搭配、粗细粮结合 预防心脏病是中老年人的事 -许多心脏病患者在儿童时期在动脉血管 内壁上会出现一些紫色条纹，就是日后 形成动脉粥样硬化斑块的基础。,45,预防心脏病 大家要牢记,减肥-平衡饮食和锻炼 少吃蛋黄-胆固醇高 多运动-快走的效果最好 戒烟-戒烟23年后风险正常 注意饮食-低脂饮食 适量

11、饮酒-1周喝39杯酒为宜 当心糖尿病-糖尿病患者是普通人的4倍。 控制情绪特别是突发事件,46,47,2.1.3 生物医学材料的基本性能要求,48,A、生物功能性 (Biofunctionability) B、生物相容性 (Biocompatibility) C、生物安全性 (Biological Safety),2.1.3 生物医学材料的基本性能要求,49,A、生物医学材料的生物功能性,2.1.3 生物医学材料的基本性能要求,50,生物医学材料的生物功能性是指生物医学材料在植入后行使功能的能力，或为执行功能，其自身和植入位置应当满足的适当的物理化学要求,2.1.3 生物医学材料的基本性能要求

12、 A、生物医学材料的生物功能性,51,生物医学材料能否有效行使功能，除与其自身物理化学性质相关外，还和其所处的生物环境相关,2.1.3 生物医学材料的基本性能要求 A、生物医学材料的生物功能性,52,物理、化学性能要求 人工心脏瓣膜耐磨、耐蚀 颅骨修复材料强度、导热性 齿科修复材料硬度、耐磨、导热性 血管修复材料柔性、化学稳定性 骨修复材料 硬度、强度、弹性模量 ,2.1.3 生物医学材料的基本性能要求 A、生物医学材料的生物功能性,53,54,B、生物医学材料的生物相容性,2.1.3 生物医学材料的基本性能要求,55,生物相容性是指生命体组织与非生命材料产生合乎要求的反应(生物学行为)的一种

13、性能，决定于材料与活体间的相互作用,2.1.3 生物医学材料的基本性能要求 B、生物医学材料的生物相容性,56,2.1.3 生物医学材料的基本性能要求 B、生物医学材料的生物相容性,57,宿主反应： 包括局部和全身反应，其结果导致对机体的毒副作用和机体对材料的排斥,2.1.3 生物医学材料的基本性能要求 B、生物医学材料的生物相容性,炎症、细胞毒性、凝血、溶血、刺激性、致敏、致癌、致诱变、致畸、免疫反应等,58,材料反应： 主要来自生物环境对材料的腐蚀和降解，可能使材料性质腐蚀变化，甚至破坏,2.1.3 生物医学材料的基本性能要求 B、生物医学材料的生物相容性,59,生物医学材料植入人体后，其

14、宿主反应和材料反应必须保持在可接受的水平,2.1.3 生物医学材料的基本性能要求 B、生物医学材料的生物相容性,60,材料的生物相容性与其使用的环境和条件密切相关 与血液直接接触的材料主要考察其与血液的相互作用，称为血液相容性 与肌肉、骨骼、皮肤等长期接触材料的生物相容性，称为组织相容性,2.1.3 生物医学材料的基本性能要求 B、生物医学材料的生物相容性,61,C、生物医学材料的生物安全性,2.1.3 生物医学材料的基本性能要求,62,采用生物学方法检测材料对受体的毒副作用，从而预测该材料在医学实际应用中的安全性 包括：材料对受体局部组织、血液和整体的反应，对受体的遗传效应等,2.1.3 生

15、物医学材料的基本性能要求 C、生物医学材料的生物安全性,63,1992年，ISO制定颁布了医用装置的生物学评价标准 ISO109931992 1997年，中国医疗器械生物学评价标准GB/T16886采用了国际标准,2.1.3 生物医学材料的基本性能要求 B、生物医学材料的生物相容性,64,2.1.4 生物医学材料的分类,65,A、按材料化学组份划分 B、按材料来源划分 C、按使用要求划分 D、按应用部位及功能划分,2.1.4 生物医学材料的分类,66,(1)、无机生物医学材料 (2)、金属及合金生物医学材料 (3)、高分子生物医学材料 (4)、复合生物医学材料 (5)、生物功能材料,2.1.4

16、 生物医学材料的分类 A、按材料化学组份划分,67,无机生物医学材料( Inorganic Biomedical Materials )又称为生物陶瓷( Bioceramics ) 如生物玻璃、生物玻璃陶瓷、氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、碳素材料、羟基磷灰石、磷酸钙陶瓷等,2.1.4 生物医学材料的分类 A、按材料化学组份划分,68,金属及合金生物医学材料 ( Metallic Biomedical Materials ) 主要为不锈钢、钴基合金、钛及钛合金等,2.1.4 生物医学材料的分类 A、按材料化学组份划分,69,高分子生物医学材料(Polymeric Biomedical Materials)亦称为医用高分子材料(Polymers for Medical Uses) 如聚硅氧烷、聚氨酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚醚、聚