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1、 生 物 材 料 前言 天然生物材料 生物医学材料 仿生和组织工程材料生物材料前 言生物材料定义：根据1972年以来国际 会议上所广泛接受的定义，认为：与活体相联系的材料植入活体内能起某种生物体功能的材料 模仿生物功能的材料生物材料学研究目的：在分析天然生物材料微组装、生物 功能及形成机理的基础上，发展新型医 用材料以用于人体组织器官的修复与替 代；发展仿生高性能工程材料。前 言医学工程学生物学材料科学生物材料研究内容天然生物材料 生物医学材料 仿生智能与组织工程材料前 言一、天然生物材料一、天然生物材料成分丰富元素 C、H、O、N较丰富元素 Ca、P、Cl、K等微量元素 Fe、Cu、Zn、
2、Mn、Mg等原子、分子间作用力强相互作用：离子键、共价键弱相互作用：静电作用、色散力、氢键、疏水作用力天然生物材料水 核苷酸 氨基酸 糖 生物矿物组 装结 构 特 征分 类结构蛋白结构多糖复合纤维矿化材料胶原、丝心 蛋白、角蛋 白、弹性蛋 白和肌肉收 缩蛋白生物纤维、 固溶胶、透 明质酸、蛋 白聚糖蛋白昆虫表皮 各类角 木材等骨髓 牙齿 珍珠 贝壳成纤维胶原： 多肽链原胶原微纤维胶原纤维1.结构蛋白柔韧的生物复合材料可认为是相对刚硬的纤维 或粒子填充在柔软的基质中。以海葵的骨架为例：加州海岸老年海葵中胶层的组成为：盐 5% 胶原 6.7% 基质 2% 水 86%在较大的应力下，胶原纤维取向变化
3、，中胶层在应 力方向变硬；载荷消失后，中胶层又能弹性地恢复 原形。2.生物软组织可承受弯曲和压缩载荷以蝗重腱为例：原纤维是几丁质，基体 是蛋白。几丁质是以很强的氢键结合的；蛋白块 体是球状的，它们形成基体并分布在纤 维之间，与其牢牢键合，从而增加了基 体的刚度。3.生物复合纤维:贝壳的结构 角质层 最外层，很薄，由壳质蛋白构成棱柱层 中层，由棱柱状方解石平行排列而成珍珠层 最内层，由小平板状结构单元平行累积而成其中无机相占95%，有机基质是一些蛋白和多糖4.天然生物矿物贝壳结构图角质层棱质层珍珠层横短面珍珠层层面TEM形貌贝壳的一些机械性能水合状态S/D韧性（J.M-2) 延展性(%)刚度(G
4、 Pa)烘 干干湿4264016 4352464162964-821645871240445556-72二、生物医学材料二、生物医学材料 定义：指用于医疗的能植入生物体或能与生 物组织相接合的材料。如金属、陶瓷、 高分子等。生物医学材料性能的基本要求 具有高度精确的生物学功能或模仿该功能 具有生物相容性无宿主反应：即生物材料在生理环境中对机体不产生明显而有害的效应。无材料反应：即机体对材料也不产生明显而有害的影响。材料方面：材料类型和形态，表面和组成 ，物理、 化学及力学性质等生物系统方面：动物种类，植入部位，受体状况、存留时间和使用环境等影响生物相容性的因素生物医用材料类型生物医用金属材料
5、生物医用高分子材料 生物陶瓷 生物医用复合材料 生物衍生材料1.生物医用金属材料 是一类用作生物医用材料的金属和合金 ，是一类生物惰性材料，是临床应用最 广泛的承力植入材料。 已用于临床的医学金属材料主要有不锈 钢、鈷基合金和钛基合金三大类。 是用作生物医学材料的高分子及其复 合材料，可来自人工合成，也可来自天 然产物。按性质可分为非降解型和可生物降解 型。2.生物医用高分子材料生物医用高分子材料的分类可生物降解型非降解型包括要求用途高分子 聚乙烯、聚丙烯、芳香高分子胶原、纤维素、聚氨酸脂、聚硅氧烷等长期 保持稳定，不发生降解 具有良好的机械性能氨基酸、甲壳素等降解产物 能被机体正常吸收、利用
6、或 排出体外人体软、硬组织修复体 ，人工器官粘合剂，管 腔等的制造药物释放、送达载体、非永 久性植入装置 是作为生物医学材料的陶瓷。通常由在生理环境中 存在的离子（Ca、P、K、Na等） 或对人体只有极小 毒性的离子（Al、Ti等）所构成。可用于制造体内修 复器械和人工器官。包括:1、近惰性生物陶瓷：氧化铝、氧化锆生物陶瓷等2、表面活性生物陶瓷：羟基磷石灰生物活性陶瓷 、生物活性玻璃陶瓷等3、可吸收生物陶瓷：石膏、磷酸三钙陶瓷等3.生物陶瓷由两种或两种以上不同材料复合而成的生 物医学材料。5.生物衍生材料由经过特殊处理的天然生物组织形成的生 物医学材料，又称生物再生材料。特殊处理包括：A、维持
7、组织原有构型的轻微处理B、 拆散原有构型，重建新的物理形态的强烈处理4.生物医用复合材料材料在生物体内的反应材料在生物体内的反应 （材料反应）（材料反应）1.膨胀浸析2.腐蚀和溶解3.生物分子与材料表面的反应1.膨胀浸析膨胀：物质从组织进入材料，使完全致密的材料体积增大的过程。 浸析：液体进入材料内部或材料的某些成分溶解在组织液相中，使材料产生孔隙的过程。有害吸收例子变形的心脏瓣膜阀阀式心脏瓣膜简图约束框架球芯环性阀座缝纫环药品浓度剂量123治疗效果 时间次优的优的有毒的计划浸析的例子 药物释放这是生物医用金属材料在机体内的重要 反应。腐蚀实质上是一种电子迁移、电化学 反应。均匀腐蚀电蚀缝隙腐
8、蚀点蚀晶间腐蚀浸析腐蚀冲蚀应力和疲劳腐蚀腐蚀的类型2.腐蚀和溶解植入物的组成成分 制造因素 运送和植入过程中的操作 解剖学位置 植入区的化学变化 磨损条件的改变影响腐蚀的因素影响腐蚀的因素A、变性B、有机金属化合物的形成C、界面发生分子粘附D、带电界面的影响3.生物分子与材料表面的反应致癌性测试：1、化学结构和功能方面2、体外测试3、动物长期生物检定宿宿 主主 反反 应应1、宿主反应的类型局部反应；全身反应2、植入材料的致肿瘤作用生物医学材料的应用生物医学材料的应用（一）合成高分子可吸收性缝线（二）聚合释放药物体系1、含有药物的非生物可侵蚀胶囊2、生物可侵蚀体系3、扩散/生物可侵蚀体系4、生物
9、降解聚合物由共价键与药物活性因子结合，经水解作用而被释放 所谓人工器官是用以暂时或永久代替人 体某个器官功能的人工装置。如人工肺、 人工肾、人工心脏等。以人工血管、心脏起搏器为例（三）人工器官由各种原因导致血管破裂或被切 除一段后，血液循环通路被破坏；人 工血管就是用一根特制的管子来连接 血管的两断端，使血液循环得以恢复 。人工血管的发展：象牙管 玻璃管、金属管 合成纤维管1.人工血管人 工 血 管各种人工血管纤维编织法编带编织平织主动脉弓瘤切除修补手术示意135246下腔静脉狭 窄手术示意腹主动脉狭 窄手术示意肝静脉肾静脉腹腔静脉 肠系膜上动脉肾动脉 肠系膜下动脉左腿股动脉 破裂修补术肠系膜
10、下动 脉栓塞手术 示意用脉冲电流刺激心肌，使心肌收缩 ，来治疗心动过缓并伴有急性新源性 脑缺氧综合症等患者，使其心率增快 ，心排血量增加到正常范围，这就叫 做心脏起搏。所用的仪器即为心脏起 搏器。2.心脏起搏器 固定频率型所发出的频率是固定的， 不受自主心跳影响。只能用于完全性房室 传导阻滞患者。 同步按需型能根据患者的不同需要作 出反应，避免心室负担过重。心脏有正常传导时：起搏器不起作用；发生完全性传导阻滞时：A、起搏脉冲高于自主心率，则起搏器起作用 ；B、 起搏脉冲低于自主心率，则起搏器被抑制 。心脏起搏器分类固定频率型起博器作用原理固定频率起搏器作用原理1、完全型房室传导阻滞图解2、固定
11、频率起搏器作用图解窦房结房室连接处心室自主 起博点固定率起博器心室自主 起博器R波抑制型起搏器作用原理1、装有R波抑制型起搏器的心脏图解2、完全阻滞时， R波抑制型起搏器的作用R波抑制型起搏器作用原理12R波探测器放大器不应期 延缓装置窦房结房室结 机身脉冲发生器和电池能源， 分为体外佩带和体内埋植两种类型。 电极导线电极通常用铂金制作 ，分为单极和双极导线，安置在心脏 内。导线做成螺旋式，外包硅橡胶材 料。心脏起搏器的结构三、仿生和组织工程材料三、仿生和组织工程材料仿生材料1、仿珍珠层材料2、人工酶3、人工生物膜信息转换膜能量转换膜运输膜智 能 材 料 定义：指模仿生物系统中同时具有感知 和
12、驱动双重功能的材料，又称机敏材料 。 感知、反馈和响应是智能材料的三大要 素。主动智能材料：材料本身具有选择性 、变形性、自恢复、开关性等功能被动智能材料：材料本身不具备感知 、驱动等功能，需外加一反馈系统才能实现这些功能智能材料分类有如变色玻璃、形状记忆合金 、增韧氧化锆陶瓷、正温度系数热 敏陶瓷、陶瓷变阻器以及合成弹性 多肽等。智能材料有哪些？1.能自诊断断裂的飞机机翼2.控制湍流和噪声的机械蒙皮3.人工肌肉和皮肤4.定向投药等正在研究的智能材料和系统有组织工程材料定义 ：是以应用工程学和生命科学的原理 和方法来了解正常和病理的哺乳类组织 的结构功能关系，从而研制生物代用品 以恢复、维持或改善其功能的一门学科 。 研究用于直接移植或制造体外器官的干细胞培养；体外生成所需的细胞品系、细胞衬里和器官；研制用于细胞或器官包囊的生物相容性材料。组织工程材料研究内容小 结 天然生物材料 生物医学材料 仿生和组织工程材料返回总目录
