生物材料和人工器官主要内容ppt课件

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1、生物材料和人工器官生物材料和人工器官主要内容主要内容n n生物医学材料n n定义、发展定义、发展n n基本要求基本要求n n分类及介绍分类及介绍n n人工器官n n人工肾人工肾n n人工肝人工肝n n人工心脏人工心脏n n人工肺人工肺生物医学材料生物医学材料n 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 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 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

2、起了人工器官及医疗技术的飞跃。生物材料的发展概述生物材料的发展概述n n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。16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生物材料的发展概述n n生物医学材料应用广泛，仅高分子材料，全世界生物医学材料应用广泛，仅高分子材料，全世界在医学上应用的就有在医学上应用的就有9090多个品种、多个品种、18001800余

3、种制品，余种制品，西方国家在医学上消耗的高分子材料每年以西方国家在医学上消耗的高分子材料每年以10%10%20%20%的速度增长。的速度增长。 n n我国生物医用材料产业取得很大进步，但是我国生物医用材料产业取得很大进步，但是产品产品结构不尽合理，细分程度低，一般、传统和初级结构不尽合理，细分程度低，一般、传统和初级的产品占多数的产品占多数，高端产品仍以进口为主；研究仍，高端产品仍以进口为主；研究仍以仿制为主，以仿制为主，缺少真正具有自主技术的创新产品缺少真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。的主

4、要原材料也依靠进口。 生物医学材料的基本要求生物医学材料的基本要求n n材料与机体组织发生的两种反应：活体系统活体系统材料材料材料反应材料反应宿主反应宿主反应包括生物环境对材料的腐蚀、降解、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。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。血、过敏、致癌、畸形和免疫反应等。生物医学材料的基本要求生物医学材料的基本要求n n（一）生物相容性n n对人体无毒、无刺激、无致畸、致敏、致突对人体无毒、无刺激、无致畸、致敏、致突变或致癌作用；变或致癌作用；n

5、 n生物相容性好，在体内不被排斥，无炎症，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，部或全身性反应，最好能与骨形成化学结合，具有生物活性；具有生物活性；n n无溶血、凝血反应等。无溶血、凝血反应等。 生物医学材料的基本要求生物医学材料的基本要求n n(二)化学稳定性n n耐体液侵蚀，不产生有害降解产物；耐体液侵蚀，不产生有害降解产物；n n不产生吸水膨润、软化变质；不产生吸水膨润、软化变质；n n自身不变化等。自身不变化等。n n(三)力学条件n n足够的静态强度，如抗弯、抗压、

6、拉伸、剪足够的静态强度，如抗弯、抗压、拉伸、剪切等；切等；n n具有适当的弹性模量和硬度；具有适当的弹性模量和硬度；n n耐疲劳、摩擦、磨损、有润滑性能。耐疲劳、摩擦、磨损、有润滑性能。 生物医学材料的基本要求生物医学材料的基本要求n n(四)其它要求n n 良好的空隙度，体液及软硬组织易于长入；良好的空隙度，体液及软硬组织易于长入；n n 易加工成形，使用操作方便；易加工成形，使用操作方便；n n 热稳定好，高温消毒不变质等性能。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在生物体内的响应材料反应材料反应n 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

7、而丧失其功能。可分为如下三个方面：n n金属腐蚀金属腐蚀n n聚合物降解聚合物降解n n磨损磨损金属腐蚀金属腐蚀n n生物体内的生物体内的腐蚀性环境腐蚀性环境：n n（1 1）含盐的溶液是极好的电解质，促进了电化学腐蚀）含盐的溶液是极好的电解质，促进了电化学腐蚀和水解；和水解；n n（2 2）组织中存在具有催化或迅速破坏外来成分能力的）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。多种分子和细胞。n n对于生物材料而言多为局部腐蚀，具体包括应力对于生物材料而言多为局部腐蚀，具体包括应力腐蚀开裂、点腐蚀、晶间腐蚀、腐蚀疲劳以及缝腐蚀开裂、点腐蚀、晶间腐蚀、腐蚀疲劳以及缝隙腐蚀等，导致

8、生物材料整体破坏。隙腐蚀等，导致生物材料整体破坏。n n可能会有物质溶入生物组织中，并对生物体组织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。产生毒性反应，造成组织的损害。聚合物降解聚合物降解n n聚合物在长期使用过程中，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 n聚合物老化易形成的碎片、颗粒、小分子量单体物质。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。磨损磨损n n人工关节由于表面易氧化生成人工关节由于表面易氧

9、化生成TiOTiO2 2，其耐磨性差，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。色稠物，从而引起疼痛。n n目前，大量的人工髋关节是由坚硬的金属或陶瓷目前，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而它的寿命也不超过2525年。年。n n假体失败的主要原因是超高分子聚乙烯磨损颗粒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磨损颗

10、粒所导致的异物巨细胞反应异物巨细胞反应，又称颗粒，又称颗粒病，是晚期失败的最主要原因。病，是晚期失败的最主要原因。 生物医学材料的分类生物医学材料的分类n n按材料的属性分类生物医学材料医用金属材料无机生物医学材料高分子生物材料杂化生物材料复合生物材料医用金属材料医用金属材料n 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 n该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。常用医用金属材料常用

11、医用金属材料n n不锈钢n n钴（Co）基合金n n钛（Ti）基合金n n形状记忆合金n n贵金属n n纯金属钽、铌和铬等医用金属材料：不锈钢医用金属材料：不锈钢n 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 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 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。医用金属材料：不锈钢医用金属材料：不锈钢n n按显微组织的特点可分为:n n奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢n n铁素体不锈钢铁素体不锈钢n n马氏体不锈钢马氏体不锈钢n n沉淀硬化型不锈钢

12、等沉淀硬化型不锈钢等n n3Cr133Cr13和和 4Crl34Crl3型型马氏体不锈钢马氏体不锈钢用于医疗器械，如用于医疗器械，如刀、剪、止血钳、针头等。刀、剪、止血钳、针头等。 n n00Cr18Ni1000Cr18Ni10型型奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢可制作各种人工关节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。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

13、不锈钢高优异的耐腐蚀性（比不锈钢高4040倍）和耐磨性，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、软三种造成形状复杂的精密修复体，有硬、中、软三种类型。类型。在所有医用金属材料中，其耐磨性最好在所有医用金属材料中，其耐磨性最好；植入体内不会产生明显的组织反应，适合于制造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。体内承载苛刻的长期植入件。n n临床上主要用于用于制造人工髋关节、膝关节以临床上主要用于用于制造人工髋关节、膝关节以及接骨板、骨钉、关节扣钉和骨针，及人工心脏及接骨板、骨

14、钉、关节扣钉和骨针，及人工心脏瓣膜等。瓣膜等。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：钛基合金医用金属材料：钛基合金n 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 n 耐疲劳、耐蚀性均由于不锈钢和钴基合金。n n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。n 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。 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头颅微型钢板医用金属材料：形状记忆合金医用金属材料：形状记忆合金n n自

15、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20多种记忆合金，其中以镍钛合金在临床上应用最大。n 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形状记忆合金可分为三种医用金属材料：形状记忆合金医用金属材料：形状记忆合金n 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应用n n管腔狭窄的治疗（喉气管狭窄、食道狭窄等）管腔狭窄的治疗（喉气管狭窄、食道狭

16、窄等）n n口腔科：用这种材料做成的种植牙具有齿槽骨口腔科：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。切口小，固定牢靠等优点。n n骨科：人工关节，断骨连接，弯曲脊柱矫正。骨科：人工关节，断骨连接，弯曲脊柱矫正。n n血管外科：治疗主动脉瘤、冠状动脉和椎动脉血管外科：治疗主动脉瘤、冠状动脉和椎动脉狭窄等。狭窄等。医用金属材料：贵金属医用金属材料：贵金属n 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。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

17、器械。医用金属材料：纯金属钽（医用金属材料：纯金属钽（Ta）n n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能和生物相容性，还有很高的抗缺口裂纹能力。n n主要用作接骨板、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 n由于钽的资源少、价格较高，使其推广受很大限制。医用金属材料：纯金属铌医用金属材料：纯金属铌n 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。但由于来源困难，价格昂贵，使用受到限制，主要用于制造髓内钉等。医用金属材料：纯金属铬医用金属材料：纯金属铬n n

18、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。心血管支架医用高分子材料医用高分子材料n n高分子：分子量在几万至几百万，如蛋白质、棉、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。毛、木材、松香、橡胶、塑料、合成纤维。n n医用高分子材料：在医学上应用的、尤其能在机医用高分子材料：在医学上应用的、尤其能在机体内使用的高分子材料。体内使用的高分子材料。n n医用高分子制品的研究，包括医用高分子制品的研究，包括人工器官人工器

19、官、医疗用医疗用品品（输血输液用具、心导管、角膜接触镜、膀胱（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、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、护理用品等创伤包扎材料和各种手术、护理用品等 ）和）和药用药用高分子高分子（作为赋形剂（作为赋形剂 、合成新型药物、合成新型药物 ）三大类。）三大类。 天然高分子材料天然高分子材料n n人人类类机机体体的的皮皮肤肤、肌肌肉肉、组组织织和和器器官官都都是是由由高高分分子子化化合合物物组组成成的的，天天然然高高分分子子生生物物材材料料是是人人类类最最早使用的医用材料之一。早使用的医用材料之

20、一。n n天天然然材材料料具具有有不不可可替替代代的的优优点点：功功能能多多样样性性、与与机机体体的的相相容容性性、生生物物可可降降解解性性以以及及对对其其进进行行改改性性与复合和杂化等研究。与复合和杂化等研究。n n目前天然高分子生物材料主要有：目前天然高分子生物材料主要有：n n天然蛋白质材料天然蛋白质材料：胶原蛋白胶原蛋白和和纤维蛋白纤维蛋白两种两种n n天然多糖类材料天然多糖类材料：纤维素、甲壳素：纤维素、甲壳素和壳聚糖等和壳聚糖等n n它它们们由由于于结结构构和和组组成成的的差差异异，表表现现出出不不同同的的性性质质，应用于不同的方面。应用于不同的方面。合成高分子生物材料合成高分子生

21、物材料n n合成高分子材料已经迅速地取代了除了食品以外的许多宝贵天然资源。n n合成高分子生物材料是指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 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。合成高分子材料合成高分子材料n n合合成成高高分分子子材材料料的的组组成成物物（单单体体，添添加加剂剂等等）可可能向生物环境释放，有可能导致毒性反应。能向生物环境释放，有可能导致毒性反应。n n其其弹弹性性模模量量低低和和弹弹性性常常使使其其不不能能用用于于承承受

22、受较较大大负负荷的体位的修复。荷的体位的修复。n n合成高分子生物材料可分为：合成高分子生物材料可分为：n n生生物物不不可可降降解解的的：硅硅橡橡胶胶、聚聚氨氨酯酯、环环氧氧树树脂脂、聚聚氯氯乙乙烯烯、聚聚四四氟氟乙乙烯烯、聚聚乙乙烯烯、聚聚丙丙烯烯、聚聚甲基丙烯酸甲酯甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸酯水凝胶等。、丙烯酸酯水凝胶等。n n生生物物可可降降解解的的：聚聚乙乙烯烯醇醇、聚聚乳乳酸酸、聚聚乙乙内内酯酯、乳酸一乙醇酸共聚物和聚乳酸一乙醇酸共聚物和聚 一羟基丁酸酯等。一羟基丁酸酯等。合成高分子材料：硅橡胶合成高分子材料：硅橡胶n n平均分子量平均分子量4040万，有机硅弹性体的主要成分，是万，有

23、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。含有硅原子的特种合成橡胶的总称。n n它具有优异的生理特性：无毒无味、生物相容性它具有优异的生理特性：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（内物理性能下降甚微、耐高温严寒（ -90C-90C 250C250C）良好的电绝缘性、耐氧老化性、耐光老化）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。性以及防霉性、化学稳定性等。n n在医学上主要用于粘合剂、导管、整形和修复外在医学上主要用于粘合剂、导管、整形和修复外科（人工关节、皮

24、肤扩张、烧伤的皮肤创面保护、科（人工关节、皮肤扩张、烧伤的皮肤创面保护、人工鼻梁、人工耳廓和人工眼环）、胎头吸引器，人工鼻梁、人工耳廓和人工眼环）、胎头吸引器，人造血管，鼓膜修护片等。人造血管，鼓膜修护片等。合成高分子材料：聚氨酯合成高分子材料：聚氨酯n n是聚醚、聚酯和二异氰酸酯的总称。是聚醚、聚酯和二异氰酸酯的总称。n n具具有有良良好好的的延延伸伸性性和和抗抗挠挠曲曲性性，强强度度高高、耐耐磨磨损损，血血液液相相容容性性、抗抗血血栓栓性性能能好好，且且不不损损伤伤血血液液成成分分，使其在医疗领域得到广泛应用。使其在医疗领域得到广泛应用。n n主主要要用用于于人人工工心心脏脏搏搏动动膜膜、

25、心心血血管管医医学学元元件件、人人工工心心脏脏、辅辅助助循循环环、人人工工血血管管、体体外外循循环环血血液液路路、药药物物释释放放体体系系、缝缝合合线线与与软软组组织织粘粘合合剂剂绷绷带带、敷敷料料、吸吸血血材材料料、人人工工软软骨骨和和血血液液净净化化器器具具的的密密封封剂等。剂等。合成高分子材料：环氧树脂合成高分子材料：环氧树脂n n基本特性是所用单体中至少含有一个环氧基团。环氧基可与含有“活泼氢”的化合物发生反应，因此可用适当的胺或某些酸类催化作均聚反应。n n主要用途：与玻璃布一起用于骨折的开放性复位和固定，粘合骨头加强氧化铝的髋关节髁，牙科充填材料，电子起搏器与体液分开的保护层（灌封

26、）。眼睑修补术和加固颅动脉瘤和脑电极探针的绝缘等。合成高分子材料：聚氯乙烯合成高分子材料：聚氯乙烯n n是由单体氯乙烯聚合而成的合成树脂，是用量最是由单体氯乙烯聚合而成的合成树脂，是用量最大的医用高分子材料。大的医用高分子材料。n n原料丰富、聚合容易、抗凝血性能良好，但耐热原料丰富、聚合容易、抗凝血性能良好，但耐热性不高（性不高（7070）。通过添加物的应用可使改变为）。通过添加物的应用可使改变为具有可屈挠性能。具有可屈挠性能。n n在医学中用量最大的是制作塑料输血输液袋，可在医学中用量最大的是制作塑料输血输液袋，可提高红细胞和血小板的生存率；还可用于医用导提高红细胞和血小板的生存率；还可用

27、于医用导管、人工输尿管、胆管和心脏瓣膜、血泵隔膜、管、人工输尿管、胆管和心脏瓣膜、血泵隔膜、增补面部组织、青光眼引流管和中耳孔等。软质增补面部组织、青光眼引流管和中耳孔等。软质PVCPVC的毒性问题仍有争议，目前只能用于制造与的毒性问题仍有争议，目前只能用于制造与人体短期接触的制品。人体短期接触的制品。合成高分子材料：聚甲基丙烯酸甲酯合成高分子材料：聚甲基丙烯酸甲酯n n又称又称有机玻璃有机玻璃，属于丙烯酸类塑料，是目前塑料，属于丙烯酸类塑料，是目前塑料中透明度最好的一种。具有良好的生物相容性、中透明度最好的一种。具有良好的生物相容性、耐老化性，机械强度较高。耐老化性，机械强度较高。n n用于

28、剜出后的植入物、隐形眼镜、可植入透镜、用于剜出后的植入物、隐形眼镜、可植入透镜、人工角膜和假牙、人工喉、食管和腕骨、闭塞器、人工角膜和假牙、人工喉、食管和腕骨、闭塞器、喉支持膜、牙科夹板、气管切开导管和吻合钮、喉支持膜、牙科夹板、气管切开导管和吻合钮、鼻窦的植入性引管、经皮装置和用于实验的标本鼻窦的植入性引管、经皮装置和用于实验的标本箱及人工器官外壳等；增补面部的软和硬组织；箱及人工器官外壳等；增补面部的软和硬组织；颅骨缺损时的替代骨片；充填乳突切除后的遗留颅骨缺损时的替代骨片；充填乳突切除后的遗留腔隙；听小骨部分的替代物和脊椎鼓节段的固定，腔隙；听小骨部分的替代物和脊椎鼓节段的固定，牙科某些

29、直接充填树脂的基础等。牙科某些直接充填树脂的基础等。无机生物医学材料无机生物医学材料n n18世纪初开始应用。无毒、与生物体组织有良好的生物相容性、耐腐蚀。n n包括生物陶瓷、生物玻璃和碳素材料三大类，主要用于齿科、骨科修复和植入材料。n n基本都是脆性材料，容易破裂，发展方向应向开发复合（多相）生物材料以及在金属基体上加涂无机生物陶瓷涂层（薄膜）材料的方面引导。 n n有各种不同的化学成分，根据其在生理环境中的有各种不同的化学成分，根据其在生理环境中的化学活性和性质可分为四类：化学活性和性质可分为四类：n n近似于惰性近似于惰性：长期暴露于生理环境下能保持稳定。：长期暴露于生理环境下能保持稳

30、定。 n n表面活性表面活性：起到了适合新生骨沉积的生理支架作用。：起到了适合新生骨沉积的生理支架作用。n n可吸收性可吸收性：诱导骨质生长，并随之被新组织所替代。：诱导骨质生长，并随之被新组织所替代。n n复合型复合型：生物陶瓷与生物陶瓷或与其他复合而成：生物陶瓷与生物陶瓷或与其他复合而成n n在临床上生物陶瓷主要用于肌肉一骨骼系统的修在临床上生物陶瓷主要用于肌肉一骨骼系统的修复和替换，也可用于心血管系统的修复、制作药复和替换，也可用于心血管系统的修复、制作药物释放和传递的载体。复合型的生物陶瓷还可以物释放和传递的载体。复合型的生物陶瓷还可以用于制造人工腱和韧带等。用于制造人工腱和韧带等。无

31、机生物医学材料：生物陶瓷无机生物医学材料：生物陶瓷无机生物医学材料：生物玻璃无机生物医学材料：生物玻璃n n是经特别设计的化学组成可诱发生物活性的含氧化硅化合物。n n人人工工骨骨用用生生物物医医学学玻玻璃璃，它它具具有有良良好好的的耐耐酸酸碱碱腐蚀特性、生物相容性和耐磨性能；腐蚀特性、生物相容性和耐磨性能；n n治治疗疗用用生生物物医医学学玻玻璃璃，可可埋埋入入肿肿瘤瘤部部位位，通通过过在在磁磁场场下下发发热热的的特特性性或或其其内内部部的的同同位位素素放放出出的的射线杀死癌细胞，也有良好的生物相容性；射线杀死癌细胞，也有良好的生物相容性；n n人人工工齿齿冠冠用用生生物物医医学学玻玻璃璃陶

32、陶瓷瓷，具具有有制制作作容容易易、审审美美性性高高、强强度度高高、适适应应性性好好、生生物物相相容容性性好好、类似天然齿等优点。类似天然齿等优点。无机生物材料：碳素材料无机生物材料：碳素材料n n主要有三种：玻璃碳、低温各向同性碳和超低温主要有三种：玻璃碳、低温各向同性碳和超低温各向同性碳。各向同性碳。n n在生理环境中化学性质稳定，也不发生疲劳破坏，在生理环境中化学性质稳定，也不发生疲劳破坏，是生物相容性非常好的一类惰性材料。它的最大是生物相容性非常好的一类惰性材料。它的最大优点是血液相容性好，优点是血液相容性好，具有极好的抗血栓性具有极好的抗血栓性，不，不可渗透性，再加上优良的力学性能，使

33、其在医学可渗透性，再加上优良的力学性能，使其在医学上得到广泛使用。上得到广泛使用。n n主要用于制造心血管修复体的重要材料、人工骨、主要用于制造心血管修复体的重要材料、人工骨、人工牙根、肌腱和人工韧带等，还可用于人工软人工牙根、肌腱和人工韧带等，还可用于人工软骨、人工中耳、人工关节运动磨损表面作为减磨骨、人工中耳、人工关节运动磨损表面作为减磨涂层和血液净化等。涂层和血液净化等。杂化生物材料杂化生物材料n n是是由由活活体体材材料料和和非非活活体体材材料料组组成成的的复复合合体体。它它主主要要包包括括合合成成材材料料与与生生物物体体高高分分子子材材料料或或与与细细胞胞的的杂杂化化。从从广广义义上

34、上讲讲，它它包包括括所所有有的的人人工工材材料料与与生生物体高分子和生理活性物质的杂化。物体高分子和生理活性物质的杂化。n n杂化生物材料主要包括三类：杂化生物材料主要包括三类：n n用于组织结构材料的多糖类等生理活性物质杂化材料用于组织结构材料的多糖类等生理活性物质杂化材料n n以固定酶为代表的功能性杂化材料以固定酶为代表的功能性杂化材料n n杂化细胞杂化细胞n n杂杂化化生生物物材材料料主主要要用用于于人人工工胰胰脏脏、人人工工肝肝脏脏、人人工胸腺、人工肾脏、人工皮和人工血管等。工胸腺、人工肾脏、人工皮和人工血管等。生物复合材料生物复合材料n n由两种或两种以上不同材料复合而成的生物医学由

35、两种或两种以上不同材料复合而成的生物医学材料。材料。制备此类材料的目的就是进一步提高或改制备此类材料的目的就是进一步提高或改善某一种生物材料的性能。此类材料主要用于修善某一种生物材料的性能。此类材料主要用于修复及替换人体组织、器官或增进其功能。复及替换人体组织、器官或增进其功能。n n根据不同的基材根据不同的基材，可分为高分子基、金属基和陶，可分为高分子基、金属基和陶瓷基复合材料三类。它们之间的相互搭配或组合瓷基复合材料三类。它们之间的相互搭配或组合形成了大量性质各异的生物医学复合材料。形成了大量性质各异的生物医学复合材料。n n根据材料植入体内后引起的根据材料植入体内后引起的组织反应类型和程

36、度组织反应类型和程度，生物复合材料又可分为生物惰性的、生物活性的、生物复合材料又可分为生物惰性的、生物活性的、可生物降解的和吸收的复合材料等类型。可生物降解的和吸收的复合材料等类型。刀锋战士：刀锋战士：奥斯卡皮斯托瑞斯价值1.5万英镑、由全碳素纤维和部分钛合金制造的名为“飞豹”的义肢 人工器官的概述人工器官的概述n n定义：人工器官主要研究模拟人体器官的结构和功能，用人工材料和电子技术制成部分或全部替代人体自然器官功能的机械装置和电子装置。当人体器官病损而用常规方法不能医治时，有可能给病人使用一个人工制造的器官来取代或部分取代病损的自然器官，补偿或修复或辅助其功能。人工器官的概述人工器官的概述

37、n n发展：20世纪80年代以来，人工器官的研究和应用迅速发展，可以说，人体除大脑尚无人工大脑替代外，几乎人体各个器官都在进行人工模拟研制中，其中有不少人工器官已成功地用于临床。人工器官分类人工器官分类n n（1 1）支支持持运运动动功功能能的的人人工工器器官官，如如人人工工关关节节、人人工工脊脊椎椎、人人工工骨骨、人人工工肌肌腱腱、肌肌电电控控制制人人工工假假肢肢等。等。n n（2 2）血血液液循循环环功功能能的的人人工工器器官官，如如人人工工心心脏脏及及其其辅辅助助循循环环装装置置、人人工工心心脏脏瓣瓣膜膜、人人工工血血管管、人人工工血液等。血液等。n n（3 3）呼呼吸吸功功能能的的人人

38、工工器器官官，如如人人工工肺肺（人人工工心心肺肺机）、人工气管、人工喉等。机）、人工气管、人工喉等。n n（4 4）血血液液净净化化功功能能的的人人工工器器官官，如如人人工工肾肾（血血液液透析机）、人工肺等。透析机）、人工肺等。n n（5 5）消消化化功功能能的的人人工工器器官官，如如人人工工食食管管、人人工工胆胆管、人工肠等。管、人工肠等。人工器官分类人工器官分类n n（6 6）排排尿尿功功能能的的人人工工器器官官，如如人人工工膀膀胱胱、人人工工输输尿管、人工尿道等。尿管、人工尿道等。n n（7 7）内内分分泌泌功功能能的的人人工工器器官官，如如人人工工胰胰、人人工工胰胰岛细胞。岛细胞。n

39、n（8 8）生生殖殖功功能能的的人人工工器器官官，如如人人工工子子宫宫、人人工工输输卵管、人工睾丸等。卵管、人工睾丸等。n n（9 9）神神经经传传导导功功能能的的人人工工器器官官，如如心心脏脏起起搏搏器器、膈起搏器等。膈起搏器等。n n（1010）感感觉觉功功能能的的人人工工器器官官，如如人人工工视视觉觉、人人工工听听觉觉（人人工工耳耳蜗蜗）、人人工工晶晶体体、人人工工角角膜膜、人人工工听骨、人工鼻等。听骨、人工鼻等。n n（1111）其他其他类，人工硬脊膜、人工皮肤等。类，人工硬脊膜、人工皮肤等。 人工肾的概述人工肾的概述n n定义：又称人工透析机，是用人工方法模仿人体肾小球的过滤作用，在

40、体外循环的情况下，去除人体血液内过剩的含氮化合物、新陈代谢产物或逾量药物等，调节水和电解质平衡，以使血液净化的一种高技术医疗仪器。人工肾的概述人工肾的概述n n发展发展：n n19131913年英国的阿黛尔用硝棉胶膜作为透析膜，生理盐年英国的阿黛尔用硝棉胶膜作为透析膜，生理盐水作为透析液为肾病患者进行透析。这就是人工肾的水作为透析液为肾病患者进行透析。这就是人工肾的前驱研究。前驱研究。n n19351935年黑斯首次将透析技术用于临床。年黑斯首次将透析技术用于临床。n n19431943年荷兰医生科尔夫制成了第一个人工肾，首次以年荷兰医生科尔夫制成了第一个人工肾，首次以机器代替人体的重要器官。

41、机器代替人体的重要器官。n n19601960年，美国外科医生斯克里布纳发明了一种塑料连年，美国外科医生斯克里布纳发明了一种塑料连接器，可永久装进病人前臂，连接动脉和静脉，与人接器，可永久装进病人前臂，连接动脉和静脉，与人工肾极容易连接，不会损伤血管，这样就能够为病人工肾极容易连接，不会损伤血管，这样就能够为病人长期进行血液透析治疗。长期进行血液透析治疗。德国贝朗全电脑控制血液透析仪人工肾原理人工肾原理n n需需从从病病人人动动脉脉将将血血液液引引流流出出来来，在在人人工工肾肾经经过过透透析后再从静脉输入病人体内。析后再从静脉输入病人体内。n n核核心心部部分分是是一一种种用用高高分分子子材材

42、料料（称称为为膜膜材材料料）制制成成的的透透析析器器。这这种种膜膜材材料料具具有有半半通通透透特特性性，可可代代替替肾肾小小球球以以实实现现其其毛毛细细血血管管壁壁的的滤滤过过功功能能，达达到到血血液液净净化化的的目目的的。当当今今世世界界上上有有300300多多种种产产品品的的人人工肾，所用透析膜材料有工肾，所用透析膜材料有3030多种。多种。n n 透透析析型型人人工工肾肾由由三三部部分分组组成成：血血液液净净化化系系统统（透透析器）、析器）、透析液供给系统透析液供给系统和和自动控制系统自动控制系统。人工肝人工肝n n概念：又称人工肝支持系统(Artificial Liver suppor

43、t system,ALSS)。就是借助人工干预使肝脏功能得以暂时替代，从而为患者自身细胞再生及功能恢复创造较好的内环境及宝贵的时间。n n人工肝与其它内科治疗的主要区别在于前者主要通过“功能替代”治病，后者主要通过“功能加强”治病。n n人工肝的研究始于20世纪50年代人工肝的应用人工肝的应用n n国内主要用于急慢性肝功能衰竭的支持治疗，为自身肝细胞功能再生及功能恢复创造条件。在国外主要作为肝移植前的暂时维持手段及移植后的肝脏最初无功能状态时的暂时替代。n n主要适应症有：重症肝炎、肝衰竭、血小板减少性紫癜、多发性骨髓瘤、高血脂、全身性红斑狼疮、重症肌无力、药物中毒、重度血型不合妊娠等。人工肝

44、的分类人工肝的分类n n根据其组成和性质主要可分三类：（1 1）非非生生物物型型：又又称称物物理理型型，主主要要通通过过物物理理或或机机械械的的方方法法进进行行治治疗疗，如如血血浆浆置置换换、胆胆红红素素吸吸附等。附等。（2 2）生生物物型型：将将生生物物部部分分如如同同种种及及异异种种肝肝细细胞胞与与合合成成材材料料相相结结合合组组成成特特定定的的装装置置，患患者者的的血血液液或或血血浆浆通通过过该该装装置置进进行行物物质质交交换换和和解解毒毒转转化化等。等。（3 3）混混合合型型：由由生生物物及及非非生生物物型型组组成成的的具具有有两两者功能的人工肝支持系统。者功能的人工肝支持系统。人工肺

45、人工肺n n人工肺人工肺指用血气交换，调节血内氧气和二氧化碳指用血气交换，调节血内氧气和二氧化碳含量，取代人体肺功能的装置，又称氧合器。含量，取代人体肺功能的装置，又称氧合器。n n人工心肺机人工心肺机就是由氧合器和血泵及辅助设备组成就是由氧合器和血泵及辅助设备组成的，能进行体外循环的机械装置。人工心肺机用的，能进行体外循环的机械装置。人工心肺机用于心脏手术的体外循环、肺移植的辅助呼吸、急于心脏手术的体外循环、肺移植的辅助呼吸、急性呼吸衰竭的辅助治疗等。性呼吸衰竭的辅助治疗等。n n当代人工心肺机结构已十分复杂，由微机控制。当代人工心肺机结构已十分复杂，由微机控制。自动控制流量，实时检测动、静

46、脉压力及血氧饱自动控制流量，实时检测动、静脉压力及血氧饱和度和度、二氧化碳分压并显示，具有血位报警及气二氧化碳分压并显示，具有血位报警及气泡报警系统，并具有自动停止装置。泡报警系统，并具有自动停止装置。人工心脏人工心脏n n定义：人工心脏是利用机械的方法把血液输送到全身各器官以代替心脏的功能的装置。人工心脏可分为暂时性，即部分取代心脏的辅助性人工心脏；长期性，即取代整个心脏的全人工心脏。人工心脏的发展人工心脏的发展n n1895年，试制人工心脏泵对机体的组织和器官进行灌流。n n本世纪30年代，研制出世界上第一个人工心脏。暂时的辅助性人工心脏，实际上是一种体外循环机。n n1957年美国开始完

47、全人工心脏的研究。1958年制成塑料的人工心脏，并进行了以人工心脏置换狗心脏的试验，但这只狗只活了90分钟。n n1969年，人工心脏用于人体。全人工心脏全人工心脏n n20012001年年7 7月月2 2日，世界上第一例日，世界上第一例全植入式全植入式人工心脏人工心脏植入手术在美国获得成功。名为植入手术在美国获得成功。名为AbioCorAbioCor。n n重约两磅，呈柚子状，材料是塑料和钛。重约两磅，呈柚子状，材料是塑料和钛。151151天身亡。天身亡。n n 完全代替心室功能并能完整植入体内的人工心脏，不完全代替心室功能并能完整植入体内的人工心脏，不依赖体外的机器工作，能给病人更多活动能

48、力。依赖体外的机器工作，能给病人更多活动能力。n n由由4 4部分构成：金属钛的部分构成：金属钛的心脏本体心脏本体、微型锂电池微型锂电池、控制控制系统系统以及以及外接电池组外接电池组。人造心脏本体取代患者心脏的。人造心脏本体取代患者心脏的左右心室，微型锂电池和控制系统将植入患者的腹腔，左右心室，微型锂电池和控制系统将植入患者的腹腔，外接电池组不植入人体，而是外接电池组不植入人体，而是通过安装在腹部表皮下通过安装在腹部表皮下的插座向植入的微型锂电池充电。的插座向植入的微型锂电池充电。n n锂电池能量耗尽的时候由外挂电池组充电。锂电池能量耗尽的时候由外挂电池组充电。有两个替代左右心室的腔室，有两个

49、替代左右心室的腔室，4 4个接口，分别连接左个接口，分别连接左右心房、主动脉、肺动脉。两个腔室中间是电动机和右心房、主动脉、肺动脉。两个腔室中间是电动机和泵，在心脏与血管的接口部分装有活塞，以代替心脏泵，在心脏与血管的接口部分装有活塞，以代替心脏瓣膜的功能。瓣膜的功能。人工心脏人工心脏结构与材料学进展结构与材料学进展n n1. 1. 泵泵的进展的进展n n理论上讲理论上讲搏动性血流搏动性血流更适于人体生理特点，但是它必更适于人体生理特点，但是它必须有活瓣、弹性隔膜以及巨大的心室容量。须有活瓣、弹性隔膜以及巨大的心室容量。n n非搏动性非搏动性人工心脏需要高效的能源与轴承密封或电磁人工心脏需要高

50、效的能源与轴承密封或电磁轴承以减少血栓形成，维持正常器官功能，它需要更轴承以减少血栓形成，维持正常器官功能，它需要更高的血管内压，并能造成器官血流和生化特点的变化。高的血管内压，并能造成器官血流和生化特点的变化。从全人工心脏的永久性应用来看进一步发展非搏动性从全人工心脏的永久性应用来看进一步发展非搏动性泵更有利于人工心脏解决血栓和全置入人体的问题。泵更有利于人工心脏解决血栓和全置入人体的问题。n n从从泵血的方式泵血的方式来看，传统的气动泵正由可携带性、可来看，传统的气动泵正由可携带性、可置入性、可压缩性好的电动泵代替。置入性、可压缩性好的电动泵代替。人工心脏人工心脏结构与材料学进展结构与材料

51、学进展n n2.能源的演变n n从应用的功能设置来看可分为外置型与内置型从应用的功能设置来看可分为外置型与内置型和固定型与可移动型，从实用性来看，和固定型与可移动型，从实用性来看，可移动可移动内置电源内置电源最为理想。最为理想。n n主要有三个研究方向：高能电池（核能电池）、主要有三个研究方向：高能电池（核能电池）、高效储电瓶（代表产品为锂电）、经皮充电高效储电瓶（代表产品为锂电）、经皮充电（研究最热、最有希望的技术之一）。（研究最热、最有希望的技术之一）。人工心脏人工心脏结构与材料学进展结构与材料学进展n n3. 3. 选用选用材料材料n n高分子材料高分子材料一直是人工循环的主要应用材料。

52、针对人一直是人工循环的主要应用材料。针对人工心脏的特点聚脂类有较好的应用前途。今后还有可工心脏的特点聚脂类有较好的应用前途。今后还有可能利用人工材料的特点体外塑行以微创手术将人工心能利用人工材料的特点体外塑行以微创手术将人工心脏置入人体，或者将人工材料做成人体可降解材料，脏置入人体，或者将人工材料做成人体可降解材料，使其在一定时期后功能完成后自然降解，以免除二次使其在一定时期后功能完成后自然降解，以免除二次手术。手术。n n人工合金人工合金对人工心脏也做出了较大的贡献，如镍钛对人工心脏也做出了较大的贡献，如镍钛合金曾经作为人工心脏瓣膜、心室，其坚固性、轻质、合金曾经作为人工心脏瓣膜、心室，其坚

53、固性、轻质、表面光滑性非常适于人工心脏。近来有人做成镍钛表面光滑性非常适于人工心脏。近来有人做成镍钛锆合金其优越性更为突出。锆合金其优越性更为突出。人工心脏人工心脏结构与材料学进展结构与材料学进展n n4.人工心脏的调节n n人工心脏的人工心脏的可调节性可调节性是其又一突出进展。将人是其又一突出进展。将人工心脏与集成电路芯片结合起来根据自体适时工心脏与集成电路芯片结合起来根据自体适时需要控制人工心脏的做功。如需要控制人工心脏的做功。如LDLDPACE PACE 左左室辅助循环可以根据病人的心电图按室辅助循环可以根据病人的心电图按1 1：1 1到到1 1：8 8调节心脏做功。预计将来可以结合生物

54、传感器调节心脏做功。预计将来可以结合生物传感器根据更多血流动力学指征进行自身调节。根据更多血流动力学指征进行自身调节。人工心脏的临床应用人工心脏的临床应用n n短期心室支持主要用于辅助心脏渡过其急性期病变的可逆性心脏疾病和部分短期内可以等到供心的心脏移植患者。前者见于急性心肌炎、心室部分切除、骨髂肌心肌成形、心脏人工瓣膜置换术后等。n n人工心脏长期应用主要用于等待同种心脏移植或永久携带全人工心脏患者，见于终末期心脏病患者。人工心脏的展望人工心脏的展望n n在中国每年有在中国每年有10001000万心脏衰竭的患者，其中万心脏衰竭的患者，其中200 200 300300万人因心衰而死亡，但每年却

55、只有万人因心衰而死亡，但每年却只有5050个患者有个患者有机会接受心脏移植手术。机会接受心脏移植手术。n n近近1010年，国外在人工心脏的研究与临床应用进展年，国外在人工心脏的研究与临床应用进展迅速，许多产品已商业化、性能良好，在临床运迅速，许多产品已商业化、性能良好，在临床运用中抢救了许多重症心力衰竭病人的生命，但是用中抢救了许多重症心力衰竭病人的生命，但是诸如术后出血、血栓栓塞、感染、肾功能衰竭、诸如术后出血、血栓栓塞、感染、肾功能衰竭、多器官功能衰竭等并发症发生率仍较高，严重影多器官功能衰竭等并发症发生率仍较高，严重影响患者的生存率。响患者的生存率。n n研制研制小型化、高功能、少并发症小型化、高功能、少并发症、为病人提供高、为病人提供高生活质量的完全植入式人工心脏成为人工心脏领生活质量的完全植入式人工心脏成为人工心脏领域的发展方向。域的发展方向。本章小结本章小结n n生物医学材料生物医学材料n n定义、发展定义、发展n n基本要求基本要求n n分类及介绍（医用金属材料，无机生物医学材料，高分类及介绍（医用金属材料，无机生物医学材料，高分子生物材料，杂化生物材料，复合生物材料）分子生物材料，杂化生物材料，复合生物材料）n n人工器官人工器官n n人工肾人工肾n n人工肝人工肝n n人工肺人工肺n n人工心脏人工心脏