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1、第七章 生物医用材料*1生物医学材料(biomedical materials ) 是用于与生命系统接触和发生相互作用，并能对其细胞、组织和器官进行诊断治疗、替换修复或诱导再生的一类天然或人工合成的特殊功能材料，亦称生物材料。 Date2替代损害的器官或组织；如人造心脏瓣膜、假牙、人工血管等；改善或恢复器官功能；如隐型眼镜、心脏起搏器等；用于治疗过程；如介入性治疗血管内支架、用于血液透析的薄膜、药物载体等 一、生物医学材料的用途2018/8/163二、生物医学材料的基本要求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
2、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。Date4对人体无毒、无刺激、无致畸、致敏、致突变或 致癌作用； 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； 无溶血、凝血反应等。 (一)生物相容性Date5(二)化学稳定性 耐体液侵蚀，不产生有害降解产物； 不产生吸水膨润、软化变质； 自身不变化等。Date6(三)力学条件足够的静态强度，如抗弯、抗压、拉伸、剪切等；具有适当的弹性模量和硬度；耐疲劳、摩擦、磨损、有润滑性能。 Date7(四)其它要求良好的空隙度，体液及软硬组
3、织易于长入； 易加工成形，使用操作方便；热稳定好，高温消毒不变质等性能。 Date8三、生物医学材料的分类v按材料的物质属性划分：生物医学材料医用金属材料 医用生物陶瓷 医用高分子材料医用复合材料生物衍生材料(生物再生材料)Date9v按材料的用途进行分类：生物医学材料口腔医用材料 硬组织修复与替换材料(用于骨骼和关节等) 软组织修复与替代材料(用于皮肤、肌肉、心、肺、胃等) 医疗器械材料Date10不锈钢 钴基合金 钛基合金医用金属材料Date11（一）不锈钢 铁基耐蚀合金（一般由铁、铬、镍、钼、锰、硅 组成），易加工、价格低廉 。 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
4、裂。 一般不锈钢制成多种形体，如针、钉、髓内针、 齿冠、三棱钉等器件和人工假体而用于临床， 不锈钢还用于制作各种医疗仪器和手术器械。Date12（二）钴基合金 性能特点： 钝化膜更稳定，耐蚀性更好，而且其耐磨性是 所有医用金属材料中最好的，植入体内不会产 生明显的组织反应。 CoCrMo合金医用钴基合金更适用于体内承载条 件苛刻的长期植入件。Date13具有极为优异的耐腐蚀性（比不锈钢高40倍）和耐 磨性，综合力学性能和生物相容性良好，可通过精 密铸造成形状复杂的精密修复体，有硬、中、软三 种类型。临床上主要用于 人工关节（特别是人体中受载荷最大的髋关节） 人工骨及骨科内处固定器件的制造 齿科
5、修复中的义齿，各种铸造冠、嵌体及固定桥 的制造 心血管外科及整形科等由于其价格较高，加工困难，应用尚不普及。Date14（三）钛基合金 Ti为难熔稀有金属，熔点1762，密度小、比 强度高；Ti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学材料。 Ti合金的强度可达到很高的水平，比强度是不锈钢的3.5倍； Ti与氧反应形成的氧化膜致密稳定，有很好的钝 化作用，具有很强的耐蚀性。在生理环境下，Ti合金的均匀腐蚀很小，不会发 生点蚀、缝隙腐蚀和晶间腐蚀。 Ti合金的磨损与应力腐蚀较明显。Date15密排六方晶格-Ti882.5以下体心立方晶格-Ti882.5以上882.5
6、钛合金类：Al,Sn,Zr等 (使同素异构转变温度提高）类：Cu,V,Nb,Cr,Mo,Fe等（ 作用相反） 类：Al,Sn,Zr,Mo,V等优良的塑性，易加工Date16几种主要的Ti基合金的组成与性能Date17EL1Ti6Al4V钛基合金制作的骨钉和骨板钛基合金的医学应用：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。Date18生物陶瓷主要是用于人体硬组织修复和重建 的生物医学陶瓷材料。 生物陶瓷的类型和特点 惰性生物陶瓷材料 可吸收生物材料 生物活性陶瓷 可治疗癌症的生物陶瓷Date19生物 陶瓷活性生物陶瓷：可被吸收的生 物降解陶瓷：在生物体内与组织几乎不发生反
7、应 或反应很小。 如：氧化铝陶瓷、碳、氧化锆陶瓷、氮化硅陶瓷等。在生理环境下与组织界面发生作用， 形成化学键结合。 如：羟基磷灰石等陶瓷及生物活性玻璃，生物活性微晶玻璃。在生物体内可被逐渐降解，被骨组 织吸收，是一种骨的重建材料。 如：磷酸三钙等。惰性生物陶瓷：Date20各类生物医用材料性能比较Date21(一)氧化铝陶瓷 优点：生物相容性良好，在人体内稳定性高，机械强度较大。惰性生物陶瓷材料缺点： 与骨不发生化学结合，长时间后与骨的固定 会发生松弛； 机械强度不高； 杨氏模量过高(380GPa)； 摩擦系数、磨耗速度较大。Date22措施：采用多孔氧化铝把氧化铝陶瓷制成多孔质形态，使骨组织
8、长入其孔隙而使植入体固定，保证植入物与骨头的良好结合。改善：将金属与氧化铝复合在金属表面形成多孔性氧化铝薄层缺点：降低陶瓷的机械强度，多孔氧化铝陶瓷的强度随空隙率的增加而急剧降低。只能用于不负重或负重轻的部位。Date23(二)碳素材料(玻璃碳材、热解碳、低温气相沉积碳)优点：l质轻且具有良好的润滑性和抗疲劳特性； l弹性模量和致密度与人骨大致相同； l生物相容性好，特别是抗凝血性佳，与血细胞中 的元素相容性极好，不影响血浆中的蛋白质和酶的活性。l在人体内不发生反应和溶解，生物亲和性良好，耐蚀，对人体组织的力学刺激小。 Date24三种主要类型的碳素材料： 1)玻璃碳材：通过加热预先成型的固态
9、聚合物使易挥发组分挥发掉而制得。玻璃碳制品特点： 密度低，耐磨性和化学稳定性好，但强度与韧性较低， 只能用于力学性能要求不高的场合。Date252)热解碳(LTI碳)：将甲烷、丙烷等碳氢化合物通入硫化床中，在1000-2400热解、沉积而得。沉积层的厚度一般为1mm。 全热热解碳双叶瓣人工心脏脏瓣膜弹性模量为20GPa， 抗弯强度高达275-620MPa， 韧性好，韧性比氧化铝陶瓷 高25倍。Date263)低温气相沉积碳(ULTI碳)：用电弧等离子体溅射或电子束加热碳源制取的 各向同性的碳薄膜，其膜厚一般在1m左右。特点： 高密度和高强度，但仅作为薄的涂层材料使用。 UTLI涂层与金属的结合
10、强度高，涂层的耐磨性良好 ，成为制造人工机械心脏瓣膜的理想材料。Date27可吸收生物陶瓷降解效应植人人体后材料逐渐被吸收，同时新生骨逐渐长入而替代之，该效应称为降解效应。具有降解效应的陶瓷材料可吸收生物陶瓷。主要应用：脸部和额部的骨缺损，填补牙周的空洞，还可作为药物的载体。Date28石膏 石膏的相容性虽好，但吸收速度太快，通常在新骨 未长成就消耗殆尽而造成塌陷。-TCP移植后手术后8年-磷酸三钙 化学式为Ca3(PO4)2，简称-TCP。Date29-TCP的降解过程一般主要分为以下几个方面:材料的晶界被侵蚀，使其变成粒子被吸收。 材料天然溶解形成新的表面相。 新陈代谢的因素，如吞噬细胞的
11、作用，导致材料 的降解吸收。Date30生物活性陶瓷各种生物活性玻璃及羟基磷灰石等磷酸盐材料。1、羟基磷灰石： 分子式为Ca10(PO4)6(OH)2，简称HA。因为HA占人体骨组成的70-97，所以修复骨组 织HA较金属和聚合物具有更好的效果： HA植入骨组织后，通过外延生长和骨产生牢固的 化学键结合，即骨性结合。Date31生物活性陶瓷的突出特点： 随着修复时间的延长，种植体表面形成与骨组织能 够化学键结合的生物羟基磷灰石(HCA)。HCA在化学组成和微观结构上与骨的无机组成相 同， HCA结合层能阻挡种植体材料被腐蚀，具有 极好的耐久力和抗疲劳性能，从而在与骨的界面 结合中发挥作用。化学
12、式(Ca,M)10(PO4,Co3,X)6(OH,F,Cl)2M: Mg, Na, K或Sr, Pb, Ba X: HPO42-, SO42-, 硼酸盐等Date32羟基磷灰石生物陶瓷羟基磷灰石涂层钛基牙种植体是一种安全、方便的听小骨缺 损替代品，适用于因炎症(如慢 性化脓性中耳炎)或外伤等病症 造成听小骨缺损、畸形的患者 作听小骨置换手术。 HA生物陶瓷听小骨置换假体Date332、生物活性玻璃(生物活性微晶玻璃)：是含有磷灰石微晶相的陶瓷材料。Na2O-CaO-SiO2-P2O5系列玻璃能与自然骨形成化 学键结合，这是首次发现人造材料能与自然骨形成 键结合。在临床实践上，生物玻璃已成功地用
13、于做听骨、胯 骨脊椎及骨的填充物。Date34生物活性材料的本质：通过磷灰石层与骨结合人造磷灰石与生物骨的磷灰石的结构较为相近，使新 生骨与生物活性陶瓷材料直接相连，当骨内的磷灰石 与种植体表面磷灰石直接接触时，两者形成化学键， 从而减少了生命材料与非生命材料之间的界面能，使 界面结合良好。Date35可治疗癌症的生物陶瓷 如：由LiFe3O5和a-Fe2O3与Al2O5-SiO2-P2O5玻璃 体复合材料制得的高密度玻璃，具有热磁性。具有耐腐蚀又能发射射线的生物陶瓷也可用 于治疗癌症。 如：Al2O5-SiO2-P2O5玻璃体复合材料，可以被激发或发射射线。Date36各种生物陶瓷在临床上的
14、应用： 1)能承受负载的矫形材料，用在骨科、牙科及颌面上如：Al2O3陶瓷、稳定ZrO2陶瓷、具有生物活性的表面涂层(生物微晶玻璃、生物活性玻璃)的相应材料等 2)种植齿、牙齿增高如：Al2O3陶瓷、氟聚合物金属基复合材料、生物活性玻璃、自固化磷酸盐水泥和玻璃水泥、活性涂层材料等3)耳鼻喉代用材料如：Al2O3陶瓷、生物活性玻璃及生物活性微晶玻璃、磷酸盐陶瓷4)人工肌腱和韧带如：PLA-碳纤维复合材料Date375)人工心脏瓣膜如：热解碳涂层(抗凝血，摩擦系数小)6)可供组织长人的涂层(心血管、矫形、牙、额面修复)如：多孔Al2O3陶瓷7)骨的充填料如：磷酸钙及磷酸钙盐粉末或颗粒8)脊椎外科如
15、：生物活性玻璃或生物活性玻璃陶瓷9)义眼如：生物玻璃、多孔羟基磷灰石Date38人工髋关节 其中髋臼用超高分子量聚乙烯制成，股骨多为金属制 品，这种塑料与金属的配合 ，使其耐磨性较金属与金 属的配合强10倍。Date39生物医用高分子材料用于生物体或治疗过程的高分子材料。常见的可生物降解聚合物生物医用高分子材料天然高分子材料人工合成高分子材料Date40优点： 强度与硬度较低，作软组织替代物的优势是金属和 陶瓷不能比拟的；不发生生理腐蚀；高分子材料易 于成型。缺点： 易于发生老化，可能会因体液或血液中的多种离子、 蛋白质和酶的作用而导致聚合物断链、降解； 抗磨损、蠕变等性能也不如金属材料。Da
16、te411、天然高分子生物材料 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 材料之一。 天然材料具有不可替代的优点：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。 目前天然高分子生物材料主要有： 天然蛋白质材料：胶原蛋白和纤维蛋白两种 天然多糖类材料：纤维素、甲壳素和壳聚糖等 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。Date42（1）天然蛋白质材料 胶原蛋白脊椎动物的主要结构蛋白，是支持组织和结构组织 （皮肤、肌腱和骨骼的有机质）的主要组成成分。 胶原来源广泛，被广泛应用。 由于胶原与人体组织相容性好，不易引起抗体产生 ，植入人体后无刺激性无毒性反应，能促
