生物医学工程导论-生物材料

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1、1,生物材料,生物医学工程导论,2,生物材料,生物医学材料的发展概况 生物材料的分类及性能 医用金属材料 医用高分子材料 其他生物医学材料 生物医学材料的安全性 生物材料的发展趋势 纳米医学材料简介,3,4.1 生物医学材料的发展概况,生物医学材料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。具体涉及到化学、物理学、高分子化学、高分子物理学、生物物理学、生物化学、生理学、药物学、基础与临床医学等很多学科 。 ISO定义，生物材料（Biomaterials）即生物医学材料（Biomedical Materials），它是指“以医疗为目的，用于与组织接触以形成功能

2、的无生命的材料”。另有定义是：具有天然器官组织的功能或天然器官部分功能的材料。,4,生物材料的开发和利用可追溯到3500年前，那时的古埃及人就开始利用棉纤维、马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。2500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。1588年人们用黄金板修复颚骨。1775年就有用金属固定体内骨折的记载。1851年发明了天然橡胶的硫化方法后，有人采用硬胶木制作了人工牙托的颚骨。 器官移植取得巨大进展，但有难题：排异、器官来源、法律、伦理等。因此医学界对生物医学材料和人工器官的要求日益增加。,5,目前被详细研究过

3、的生物材料已超过1000种，被广泛应用的有90多种，1800多种制品。西方国家每年耗用生物材料量以1015%的速度增长，1980年全球医用生物材料及制品的销售额为200亿美元，1990年达500亿美元，1995年近1000亿美元。 我国生物材料的研究起步较晚（五十年代），但发展很快。,6,4.2 生物材料的分类及性能,两种分类方法 按应用性质来分类： 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。,7,按生物材料的属性分类： 天然生物材料再生纤维、胶原、透明质酸、甲壳素等。 合成高

4、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 医用金属材料不锈钢、钛及钛合金、钛镍记忆合金等 无机生物医学材料碳素材料、生物活性陶瓷、玻璃材料 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 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,8,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，综观人工器官及医疗装置的发展史，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。 生物惰性医用硅橡胶人工耳、人工鼻、人工颌骨等 血液相容性较好的各向同性碳被复材料碟片式机械心脏瓣膜 血液亲和性及物理机械性能较好

5、的聚氨酯嵌段共聚物促使人工心脏向临床应用跨越一大步 可形成假生物内膜的编织涤纶管人工血管向实用化飞跃。,9,4.3 医用金属材料,在生物医学材料中，金属材料应用最早，已有数百年的历史。唐代就用银汞合金（主要成份：汞、银、铜、锡、锌）来补牙。 医用金属材料是指一类用作生物材料的金属或合金，又称外科用金属材料。它是一类生物惰性材料，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 .,10,该材料是临床应用最广泛的承力植入材料，由于有较高的强度和韧性，已成为骨和牙齿等硬组织修复和替换、心血管和

6、软组织修复以及人工器官制造的主要材料。 化学周期表中的大部分金属不符合生物材料的要求，仅有小部分或经处理过的可用于临床。目前在临床使用的医用金属材料主要有不锈钢、钴基合金和钛基合金三大类，另外还有记忆合金、贵金属以及纯金属钽、铌和锆等。,11,常用医用金属材料 不锈钢 钴（Co）基合金 钛（Ti）基合金 形状记忆合金 贵金属 纯金属钽 纯金属铌 纯金属铬,12,4.3.1 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，

7、不锈钢还用于制作各种医疗仪器和手术器械。,13,器 械 包,14,4.3.2 钴（Co）基合金,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，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。,15,人造髋关节的头杆部分。从股骨上端插进金属杆，杆头有一个金属头，它嵌在粘于髋骨窝中的一个塑料臼中。,16,17,18

8、,19,4.3.3 钛（Ti）基合金,临床应用广泛，其质轻、比强度高、力学性质接近人骨、强度远低于纯钛，耐疲劳、耐蚀性均优于不锈钢和钴基合金，且生物相容性和表面活性好，是较为理想的一种植入材料。 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。 主要用于：修补颅骨，制成钛网或钛箔用于修复脑膜和腹膜、人工骨、关节、牙和矫形物、人工心脏瓣膜支架、人工心脏部件和脑止血夹、口腔颌面矫形颌修补、手术器械、医疗仪器颌人工假肢等。,20,头颅微型钢板,21,钛 板,22,4.3.4 形状记忆合金,自1951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

9、20多种记忆合金，其中以镍钛合金在临床上应用最大。它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。,23,24,25,形状记忆合金可以分为三种： 单程记忆效应 双程记忆效应 全程记忆效应,26,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。 应用： 管腔狭窄的治疗（喉气管狭窄、食管狭窄、胆道狭窄、尿道狭窄及闭锁等）：支架安入管腔狭窄的部位后，能将狭窄管腔撑开，并与管壁相贴紧，固定好；其生物相容性好，长期安放对黏膜无明

10、显损伤；其高回弹性能顺应管道的弯曲，对人体刺激小。 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。 骨科：人工关节，断骨连接、弯曲脊柱矫正。 血管外科：治疗主动脉瘤、冠状动脉和椎动脉狭窄等。,27,28,29,30,4.3.5 贵金属（noble metal）,是一种金属或合金，如金子具有极高的抗氧化性和抗腐蚀性。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。主要用于口腔科的齿科修复，也可用于小型植入式电子医疗器械。,31,4.3.6 纯金属钽（Ta）,具有良好的抗生理腐蚀性和可塑性，独特的表面负电性使其具有优良的抗血栓性

11、能和生物相容性，还有很高的抗缺口裂纹能力。植入骨内能和周围的新骨形成骨性结合；植入软组织中，肌肉等组织可依附在钽条上正常生长。 退火后的纯钽很软，可加工成板、带、箔、丝等使用。主要用作接骨板、颅骨板、骨螺钉、种植牙根、颌面修复体、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受损的神经、肌腱和血管；钽还可以用于血管内支架及人工心脏、植入型电子装置；钽的同位素可用于放射治疗。只是由于钽的资源少、价格较高，使其推广受很大限制。,32,4.3.7 纯金属铌（Nb）,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。但由于来源困难，价格昂贵，使用受到限制，主要用于制造

12、髓内钉等。,33,4.3.8 纯金属铬（Cr）,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，可加工成各种板、带、线材在临床上使用。医用铬可与钛等同使用，但其价格较贵，在临床中较难推广。,34,4.4 医用高分子材料,低分子：分子量低于一千,如煤、糖、油、水泥、和抗菌素等。 中分子：分子量在数千范围，如维生素B12等。 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。 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。 天然树脂：如松香。 合成树脂：由低分子量的化合物经过各种化学反应而制得的高分子量

13、的树脂状物质，如聚氯乙烯、聚乙烯。塑料主要成分就是合成树脂。,35,一些高分子与低分子化合物的分子量,一些高分子与低分子化合物的分子量,一些高分子与低分子化合物的分子量,36,命名： 通俗命名法，最简单的命名法，是根据制作高分子化合物的单体名称，前面冠以“聚”字而成。如聚乙烯、聚丙烯 习惯名称或商品名称来命名：如有机玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯）、涤纶（聚对苯二甲酸乙二醇酯）等。 医用高分子制品的研究，包括人工器官、医疗用品（输血输液用具、注射器、心导管、主动脉气囊反搏器、角膜接触镜、中心静脉插管、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 ）和药用高分子（作

14、为赋形剂 、合成新型药物 ）三大类。,37,4.4.1 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。,38,4.4.1.1 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

15、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，能促进细胞增殖，加快创口愈合并具有可降解性，可被人体吸收，降解产物也无毒副作用。 基本单位为原胶原蛋白，由三条肽链相互拧成的三股螺旋状结构的蛋白质，其分子量为30万左右。由不同种类的动物分离出来的胶原结构极其相似。,39,胶原分散体具有再生特性，可以将其加工成不同形状的制品而用于临床，并越来越受到人们重视。 胶原凝胶用作创伤敷料 粉末用于止血剂和药物释放系统 纺丝纤维用作人工血管、人工皮、人工肌腱和外科缝线 薄膜用于角膜、药物释放系统和组织引导再生材料 管用于人工血管、人工胆管和管状器

16、官 空心纤维用于血液透析膜和人工肺膜 海绵用于创伤敷料和止血剂等。,40,4.4.1.1 天然蛋白质材料 纤维蛋白,是纤维蛋白原在生理条件下凝固而成的一种材料。 纤维蛋白可用不同方法进行化学改性，其中包括放射性碘化法、与合成高分子进行接枝和在纤维蛋白上进行酶的固定等。 纤维蛋白主要来源于血浆蛋白，因此具有明显的血液和组织相容性，无毒副作用和其他不良影响。作为止血剂、创伤愈合剂和可降解生物材料在临床上已经应用很久；它的主要生理功能为止血，另外还可明显促进创伤的愈合；还可作为一种骨架，促进细胞的生长；并具有一定的杀菌作用。,41,纤维蛋白在临床上比较普遍使用的应用形式： 纤维蛋白原的就地凝固，用于眼科手术的组织粘合剂，肺切除后胸腔填充物和外科手术中的止血 纤维蛋白粉末，用作止血剂，可以与抗菌素共用，用作充填慢性骨炎和骨髓炎手术后的骨缺损 纤维蛋白海绵，用作止血剂、扁平瘢的治疗和唾液腺外科手术后的填充物 组织代用品，商品名Bioplast，主要用于关节成型术、视网膜脱离、眼外科治疗、肝脏止血及疝气修复等 纤维蛋白薄膜