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1、生物医学工程基础生物医学工程基础主讲教师主讲教师 陈陈 俊俊 英英Email:ch3生物材料生物医学工程基础教案第第三三章章 生生物物材材料料3.1生物医学材料概述生物医学材料概述3.2生物医学材料的分类生物医学材料的分类3.3生物医学材料、生物体生物医学材料、生物体/（人体）以及二者的（人体）以及二者的相互作用相互作用3.4生物医学材料的消毒、灭菌、安全性评价与管生物医学材料的消毒、灭菌、安全性评价与管理理3.5有机生物材料有机生物材料3.6无机生物材料无机生物材料3.7其它生物材料其它生物材料3.8生物医学材料前沿生物医学材料前沿3.9生物医学材料发展趋势生物医学材料发展趋势ch3生物材料
2、生物医学工程基础教案第第三三章章 生生物物材材料料3.1生物医学材料概述生物医学材料概述一、生物医用材料发展概况一、生物医用材料发展概况起步很早。起步很早。公元前公元前5000年，用人工牙植入口腔颌骨来修复失牙；年，用人工牙植入口腔颌骨来修复失牙；公公元元前前3500年年，古古埃埃及及人人用用棉棉花花纤纤维维、马马鬃鬃作作缝缝合合线线缝缝合合伤口；伤口；公公元元前前2500年年，中中国国、埃埃及及的的墓墓葬葬中中发发现现有有假假牙牙、假假鼻鼻、假耳等；假耳等；1588年（文献记载），用黄金板修复颚骨；年（文献记载），用黄金板修复颚骨；ch3生物材料生物医学工程基础教案1755年，用金属固定体内
3、骨折年，用金属固定体内骨折1809年，用黄金制种植牙齿年，用黄金制种植牙齿1851年，有人报道使用硫化天然橡胶制人工牙托和颚骨；年，有人报道使用硫化天然橡胶制人工牙托和颚骨；1940年，年，人工器官人工器官临床使用开始临床使用开始人工胃人工胃1940年年人工尿道人工尿道1950年年人工关节人工关节1954年年人工肝人工肝1958年年人工血液人工血液1970年年人工心脏人工心脏1982年年人工关节仿真手臂仿真手臂ch3生物材料生物医学工程基础教案 进进入入2020世世纪纪，高高分分子子材材料料的的应应用用带带来来了了生生物物医医学学材材料料的的巨大发展。巨大发展。 1937 1937年，年， P
4、MMAPMMA用于牙科用于牙科 1940 1940s s，维尼龙用于血管修复维尼龙用于血管修复 1958 1958年，涤纶用于动脉修复年，涤纶用于动脉修复 1960 1960s s，PMMAPMMA、UHMPEUHMPE全髋关节全髋关节 自自2020世纪世纪5050年代，各种复杂人工器官的出现，标志着年代，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。医学材料学科与其它相关技术的交叉与渗透更趋深入。 ch3生物材料生物医学工程基础教案 近近2020年，生物医学材料及其制品
5、飞速发展并形成规模年，生物医学材料及其制品飞速发展并形成规模性产业，将成为性产业，将成为2121世纪国际经济的主要支柱产业之一。世纪国际经济的主要支柱产业之一。 社会需求量大，产品技术含量和产品附加值高。社会需求量大，产品技术含量和产品附加值高。 美国目前已有1100万人体内植入有一个人工器官，200万人体内有2个或2个以上人工器官。 近近5 5年生物材料和制品产值占医疗器械产值的比值由年生物材料和制品产值占医疗器械产值的比值由45%45%增加到约增加到约70%70%。 美国在美国在“先进材料加工计划先进材料加工计划”中，将生物医学材料列中，将生物医学材料列为第一位发展的材料为第一位发展的材料
6、。 日本将生物医学材料列入高技术新材料发展的前沿日本将生物医学材料列入高技术新材料发展的前沿。ch3生物材料生物医学工程基础教案ch3生物材料生物医学工程基础教案 美国几种医用植入体的市场估计美国几种医用植入体的市场估计* * * Frank.K.Ko, Engineering of Tendous and Ligaments, Frank.K.Ko, Engineering of Tendous and Ligaments, Croucher Advanced Study Institute, Hongkong, April 14- Croucher Advanced Study Insti
7、tute, Hongkong, April 14-18, 200018, 2000ch3生物材料生物医学工程基础教案 我国有我国有1313亿人口，医疗保健基数大，生物医学材料和人工亿人口，医疗保健基数大，生物医学材料和人工器官的需求量大。器官的需求量大。 肢体不自由患者约肢体不自由患者约15001500万，其中残疾约万，其中残疾约780780万，已有约万，已有约300300万截肢；万截肢； 每年骨缺损和骨损伤约每年骨缺损和骨损伤约300300万；万； 中国北方大骨节病患者约数百万；中国北方大骨节病患者约数百万； 牙缺损、牙缺失患者占总人口的牙缺损、牙缺失患者占总人口的1/51/51/31/3；
8、 约占人口总数约占人口总数0.80.8的人患有心脏瓣膜疾病，其中一半的人患有心脏瓣膜疾病，其中一半需进行换瓣手术；需进行换瓣手术； 大量血液病患者需人工肾；大量血液病患者需人工肾； 大量糖尿病患者需人工胰；大量糖尿病患者需人工胰； ch3生物材料生物医学工程基础教案 我国生物医学材料产业基础薄弱，绝大部分依靠进口，我国生物医学材料产业基础薄弱，绝大部分依靠进口，目前巨大的社会需求与薄弱的研究开发及产业基础形成尖锐目前巨大的社会需求与薄弱的研究开发及产业基础形成尖锐的矛盾。的矛盾。 1995 1995年，我国进口年，我国进口BMEBME产品注册仅产品注册仅6262种，外商种，外商3535家；家；
9、 1996 1996年增至产品年增至产品591591种，外商种，外商196196家；家； 1997 1997年已达产品年已达产品13221322种，外商种，外商558558家；家； 机遇与挑战并存机遇与挑战并存. 1999 1999年，国家制订年，国家制订“中国生物医学工程产业发展纲要中国生物医学工程产业发展纲要”。ch3生物材料生物医学工程基础教案ch3生物材料生物医学工程基础教案高档介入与植入器械的中国市场高档介入与植入器械的中国市场病例数（万例）需求量 （年）实用量（年）国产率 进口价人工心脏瓣膜 250 25万 2.5万 10% 1.5-2万起搏器 600 40万 2万 5% 2-3万
10、骨修复材料 300 200万 20万 30% 0.1-0.2万人工关节 1500 300万 3万 30% 2.5万人工晶体 2000 400万 40万 40% 0.08-0.15万血管支架 2000 100万 4万 5% 2-3万人工血管 150 100万 30万 10% 2万肾透析器 100万 100万 10万 10%ch3生物材料生物医学工程基础教案低档介入与植入器械的中国市场低档介入与植入器械的中国市场 产量产量 产值（元产值（元RMBRMB） 国产率国产率一次性产品一次性产品60亿亿80%敷料敷料50亿亿60%缝合线（针）缝合线（针）8-10亿亿60%避孕套避孕套12亿亿15亿亿80%
11、ch3生物材料生物医学工程基础教案二、生物医用材料的定义二、生物医用材料的定义生物材料生物材料 (Biomaterial)(Biomaterial)生物医学材料生物医学材料 (Biomedical Material) (Biomedical Material) 其定义随科学技术的发展而演变其定义随科学技术的发展而演变ch3生物材料生物医学工程基础教案生生物物材材料料 ( (Biomaterials) Biomaterials) -“植植入入活活体体内内或或与与活活体体结合而设计的与活体系统结合而设计的与活体系统不起药物反应不起药物反应的的惰性惰性物质物质” 19601960s s， Clems
12、on Clemson Univ., Univ., USA USA 无药物反应无药物反应生物材料与药物的区别生物材料与药物的区别 惰惰 性性化学稳定、生物稳定化学稳定、生物稳定特征特征：人造、非生命、医用、生物相容人造、非生命、医用、生物相容 随随着着生生物物材材料料的的发发展展，该该定定义义已已明明显显不不适适应应生生物物材料的功能与范畴的飞速发展。材料的功能与范畴的飞速发展。 比如：比如：载药生物材料载药生物材料、生物活性材料生物活性材料 ch3生物材料生物医学工程基础教案载载载载药药药药生生生生物物物物材材材材料料料料( ( ( (药药药药物物物物缓缓缓缓释释释释材材材材料料料料) ) )
13、 ) 在在在在材材材材料料料料( ( ( (最最最最常常常常见见见见的的的的是是是是修修修修复复复复材材材材料料料料) ) ) )中中中中复复复复合合合合治治治治疗疗疗疗药药药药物物物物，植植植植入入入入人体后缓慢释放，进行辅助治疗。人体后缓慢释放，进行辅助治疗。人体后缓慢释放，进行辅助治疗。人体后缓慢释放，进行辅助治疗。生物活性材料生物活性材料生物活性材料生物活性材料(Bio-active Material )(Bio-active Material )(Bio-active Material )(Bio-active Material ) 植植植植入入入入后后后后，按按按按照照照照预预预预
14、先先先先设设设设计计计计进进进进行行行行生生生生物物物物降降降降解解解解或或或或与与与与生生生生物物物物系系系系统统统统发发发发生生生生一一一一定定定定作作作作用用用用，促促促促使使使使生生生生理理理理功功功功能能能能的的的的恢恢恢恢复复复复，如如如如：BMP/TCPBMP/TCPBMP/TCPBMP/TCP骨骨骨骨修修修修复复复复材料材料材料材料 ( ( ( (特征：可降解、可诱导成骨特征：可降解、可诱导成骨特征：可降解、可诱导成骨特征：可降解、可诱导成骨) ) ) )ch3生物材料生物医学工程基础教案除医学中使用的生物材料外，还有大量应用于生物除医学中使用的生物材料外，还有大量应用于生物学
15、领域的材料，如细胞培养、蛋白质处理等，目前也将学领域的材料，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。其划入生物材料的范畴。“生物医学材料是用于取代、修复活体组织的人造或天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然的材料”1980s类别类别：人造：人造/天然，体内天然，体内/体外，活性体外，活性/惰性，长期惰性，长期/短期短期特征特征：医用、生物相容：医用、生物相容ch3生物材料生物医学工程基础教案BiomaterialsBiologicalMaterialsBiomedicalMaterials 特指医用材料特指医用材料 其它生物学应用材料其它生物学应用材料ch3
16、生物材料生物医学工程基础教案生生物物医医学学材材料料：是是一一类类具具有有特特殊殊性性能能、特特种种功功能能，用用于于人人工工器器官官、外外科科修修复复、理理疗疗康康复复、诊诊断断、检检查查、治治疗疗疾疾病病等等医医疗疗、保保健健领领域域，而而对对人人体体组组织织、血血液液不不致致产产生生不不良良影响的材料。影响的材料。生生物物材材料料学学：研研究究和和人人体体机机体体相相适适应应的的、以以诊诊断断治治疗疗或或替替换换体体内内组组织织、器器官官或或增增进进其其功功能能的的材材料料的的相相关关问问题题。它它主主要要根根据据近近代代医医学学以以及及材材料料化化学学、材材料料物物理理学学的的基基本本
17、原原理理与与理理论论，采采用用材材料料化化学学、材材料料物物理理学学以以及及近近代代医医学学的的研研究方法从事多方面的研究。究方法从事多方面的研究。ch3生物材料生物医学工程基础教案三、生物医用材料的研究内容三、生物医用材料的研究内容采采用用材材料料化化学学、材材料料物物理理学学以以及及近近代代医医学学的的方方法法从从事事如如下方面的研究：下方面的研究：1.生生物物体体生生理理环环境境、组组织织结结构构、器器官官生生理理功功能能及及其其替替代代方法的研究方法的研究；2.具具有有特特种种生生理理功功能能的的生生物物医医学学材材料料的的合合成成、改改性性、加加工成型以及材料的特种生理功能与其结构关
18、系的研究工成型以及材料的特种生理功能与其结构关系的研究；3.材材料料与与生生物物体体的的细细胞胞、组组织织、血血液液、体体液液、免免疫疫、内内分分泌泌等等生生理理系系统统的的相相互互作作用用以以及及减减少少材材料料毒毒副副作作用用的的对对策策研究研究；4.材材料料灭灭菌菌、消消毒毒、医医用用安安全全性性评评价价方方法法与与标标准准以以及及医医用材料与制品生产管理与国家管理法规的研究用材料与制品生产管理与国家管理法规的研究。ch3生物材料生物医学工程基础教案l材料制备和工艺优化l材料的组成、理化性能和微观结构研究l材料和生物体的相互作用 血液反应 组织反应 免疫反应l材料生物体界面研究 化学结合
19、界面 接触界面 纤维包裹界面等l材料在生物体内的代谢产物和途径。 放射性元素失踪法l材料的生物学评价亦即：ch3生物材料生物医学工程基础教案上上述述研研究究内内容容涉涉及及：化化学学、物物理理学学、高高分分子子化化学学、高高分分子子物物理理学学、无无机机材材料料学学、金金属属材材料料学学、生生物物化化学学、生生物物物物理理学学、生生理理学学、解解剖剖学学、病病理理学学、基基础础与与临临床床医医学学、药药物物学学、制制剂剂学学等等，此此外外，还还涉涉及及许许多多新新的的工工程学和管理学等。程学和管理学等。ch3生物材料生物医学工程基础教案3.2生物医学材料的分类生物医学材料的分类1.按材料组成和
20、性质分：按材料组成和性质分：（1）医用金属材料，如：）医用金属材料，如：Ti人工关节、血管支架人工关节、血管支架等；等；（2）医用高分子材料，如：硅橡胶）医用高分子材料，如：硅橡胶导管导管等；等；（3）生物陶瓷材料，如）生物陶瓷材料，如HA人工牙人工牙等；等；（4）生物医学复合材料；）生物医学复合材料；（5）天然生物材料，如牛心胞）天然生物材料，如牛心胞人心瓣；人心瓣；（6）杂化材料，如：肝素）杂化材料，如：肝素+金属，酶金属，酶+高分子等。高分子等。ch3生物材料生物医学工程基础教案人工关节人工关节血管支架血管支架ch3生物材料生物医学工程基础教案髁固定钢板髁固定钢板Co-Cr-Mo人工关节
21、ch3生物材料生物医学工程基础教案ch3生物材料生物医学工程基础教案导管导管ch3生物材料生物医学工程基础教案人工牙人工牙ch3生物材料生物医学工程基础教案人工牙人工牙ch3生物材料生物医学工程基础教案ch3生物材料生物医学工程基础教案ch3生物材料生物医学工程基础教案人工牙与种植体人工牙与种植体ch3生物材料生物医学工程基础教案ch3生物材料生物医学工程基础教案2.按用途分：按用途分：（1）骨骨、牙牙、关关节节、肌肌腱腱等等骨骨骼骼-肌肌肉肉系系统统修修复复材材料料和和替替换材料；换材料；（2）皮肤、乳房、食道、呼吸道、膀胱等软组织材料；）皮肤、乳房、食道、呼吸道、膀胱等软组织材料；（3）人
22、人工工心心脏脏瓣瓣膜膜、血血管管、心心血血管管内内插插管管等等心心血血管管系系统统材料；材料；（4）血血液液净净化化膜膜、分分离离膜膜、气气体体选选择择性性透透过过膜膜、角角膜膜接接触镜等医用膜材料；触镜等医用膜材料；（5）组织粘合剂、缝线材料；）组织粘合剂、缝线材料；（6）药物释放载体材料；）药物释放载体材料；（7）临床诊断及生物传感器材料；）临床诊断及生物传感器材料；（8）齿科材料等。）齿科材料等。ch3生物材料生物医学工程基础教案ch3生物材料生物医学工程基础教案ch3生物材料生物医学工程基础教案ch3生物材料生物医学工程基础教案3.按材料在生理环境中的生物化学反应水平分：按材料在生理环
23、境中的生物化学反应水平分：（1）近于惰性的生物医学材料；）近于惰性的生物医学材料；（2）生物活性材料；）生物活性材料；（3）可生物降解和吸收的生物材料。）可生物降解和吸收的生物材料。ch3生物材料生物医学工程基础教案4.按医用材料来源分类：按医用材料来源分类：（1）人体自身组织：皮肤移植、静脉搭桥等。）人体自身组织：皮肤移植、静脉搭桥等。（2）同种器官与组织：尸体角膜再移植）同种器官与组织：尸体角膜再移植（3）异异种种同同类类器器官官与与组组织织：猪猪肾肾人人、牛牛、猪猪心心瓣瓣人等。人等。（4）天天然然生生物物材材料料的的提提取取与与改改性性：动动物物皮皮、胃胃胶胶原原提提取处理成缝合线；取
24、处理成缝合线；（5）合合成成材材料料：硅硅橡橡胶胶人人工工心心瓣瓣；聚聚氨氨酯酯人人工工心心脏；四氟乙烯脏；四氟乙烯人工血管等；人工血管等；ch3生物材料生物医学工程基础教案5.按医用材料的使用要求分类：按医用材料的使用要求分类：（1）非植入性材料和制品：如一次性注射器、手术器具）非植入性材料和制品：如一次性注射器、手术器具等；等；（2）植入性材料和制品：如人工关节、人工肾、人工角）植入性材料和制品：如人工关节、人工肾、人工角膜等；膜等；（3）血液接触性材料与制品：如人工心瓣、血管支架、）血液接触性材料与制品：如人工心瓣、血管支架、人工血管等；人工血管等；（4）降解和吸收性材料与制品：如手术缝
25、合线等；）降解和吸收性材料与制品：如手术缝合线等；（5）其它：如诊断用固定化酶载体等。）其它：如诊断用固定化酶载体等。ch3生物材料生物医学工程基础教案医用医用SiO2粉体材料粉体材料ch3生物材料生物医学工程基础教案 -磷酸三钙粉体材料磷酸三钙粉体材料ch3生物材料生物医学工程基础教案43 羟基磷灰石颗粒生物材料羟基磷灰石颗粒生物材料ch3生物材料生物医学工程基础教案磷酸钙生物陶瓷磷酸钙生物陶瓷ch3生物材料生物医学工程基础教案 氧化锆生物陶瓷氧化锆生物陶瓷ch3生物材料生物医学工程基础教案涂层类金刚石膜人工心瓣涂层类金刚石膜人工心瓣ch3生物材料生物医学工程基础教案钛合金基钛合金基/ /类
26、金刚石涂层人工心瓣类金刚石涂层人工心瓣ch3生物材料生物医学工程基础教案 等离子体表面改性硅橡胶接触镜等离子体表面改性硅橡胶接触镜ch3生物材料生物医学工程基础教案 聚氨酯外科敷料聚氨酯外科敷料ch3生物材料生物医学工程基础教案 BMP/TCP复合人工骨修复材料复合人工骨修复材料 ch3生物材料生物医学工程基础教案 可生物降解、可诱导成骨修复材料可生物降解、可诱导成骨修复材料ch3生物材料生物医学工程基础教案3.3生物医学材料、生物体生物医学材料、生物体/（人体）（人体）以及二者的相互作用以及二者的相互作用一、人体的生理环境、组织结构与性能一、人体的生理环境、组织结构与性能（一）机体与环境一）
27、机体与环境人体机体生活在人体机体生活在一定环境（后面多页）一定环境（后面多页）之中：之中：一方面一方面，机体生存与发展取决于环境；，机体生存与发展取决于环境；另一方面另一方面，机体会，机体会适应环境适应环境且环境同时受基体影响。且环境同时受基体影响。机体的机体的适应性适应性/调节机制调节机制：（1）神神经经调调节节：条条件件反反射射与与非非条条件件反反射射，如如见见酸酸物物品品唾唾液分泌液分泌-“望梅止渴望梅止渴”；（2）体体液液调调节节：如如激激素素水水平平改改变变，化化学学物物质质变变化化等等，汗汗液分泌等；液分泌等；（3）器官、组织细胞的自身调节器官、组织细胞的自身调节：受力：受力细胞收
28、缩。细胞收缩。ch3生物材料生物医学工程基础教案人体生理环境一、骨骼一、骨骼v v二、牙齿二、牙齿三、软骨三、软骨v v四、皮肤四、皮肤五、肌腱五、肌腱六、血管六、血管七、体液七、体液ch3生物材料生物医学工程基础教案一、骨骼l骨属于硬组织，由细胞、纤维和基骨属于硬组织，由细胞、纤维和基质组成。质组成。骨基质：无机盐骨基质：无机盐60%，有机物，有机物40%l人骨的无机成分（干燥骨的人骨的无机成分（干燥骨的%）总量总量约约74Ca25.6P12.3CO24.0Na0.13-0.6Mg0.39K0.05-0.4Cl0.17-0.19Ca/P2.03（摩尔比为摩尔比为1.6）ch3生物材料生物医学
29、工程基础教案1、骨组织构造l骨骨松松质质 分布于长骨的骨骺和骨干的内侧面。由平行排列的骨板和骨细胞构成针状或片状骨小梁，并连接成多孔隙网架结构，网孔即骨髓腔，其中充满红骨髓。 l骨骨密密质质 分布于长骨的骨干和骨骺的外侧面，其骨板排列很规则，按骨板的排列方式分为环骨板、骨单位和间骨板。 l骨骨膜膜 被覆于骨内、外面由纤维结缔组织构成的膜。分布于除关节面以外整个骨外面。衬于骨髓腔内面和骨松质腔隙内的称骨内膜。骨膜含有丰富的血管、神经和淋巴管，对骨的营养、生长或再生具有重要作用。 l骨髓骨髓 充满于长骨的髓腔和骨松质的腔隙内，分红骨髓和黄骨髓。 l血管神经血管神经ch3生物材料生物医学工程基础教案
30、2、骨组织组成l骨组织由大量钙化的骨组织由大量钙化的细胞间质细胞间质和和细胞细胞构成。构成。钙化的细胞间质称骨基质。钙化的细胞间质称骨基质。l骨基质由骨基质由有机质有机质和和无机质无机质构成。构成。有有机机质质包包括括大大量量骨骨胶胶纤纤维维，占占有有机机质质的的90%90%，呈呈凝凝胶胶状状主主要要含含有有中性和弱酸性糖胺多糖，还有多种糖蛋白。中性和弱酸性糖胺多糖，还有多种糖蛋白。无无机机质质又又称称骨骨盐盐，主主要要为为羟羟基基磷磷灰灰石石结结晶晶, ,细细针针状状, ,长长10102020nmnm，沿胶原原纤维长轴规则排列。沿胶原原纤维长轴规则排列。l有有机机质质和和无无机机质质的的紧紧
31、密密结结合合，使使骨骨既既坚坚硬硬又又有有韧韧性性。骨骨基基质质的的结结构构呈呈板板层层状状，称称骨骨板板，是是由由骨骨胶胶纤纤维维成成层层排排列列，且且与与骨骨盐盐晶晶体体和和基基质质紧紧密密结结合合。同同一一层层骨骨板板内内的的胶胶原原纤纤维维平平行行排排列列，相相邻邻两两层层骨骨板板的的纤纤维维相相互互垂直，纤维束还可有分支，并伸至相邻的一层，增加骨的支持力。垂直，纤维束还可有分支，并伸至相邻的一层，增加骨的支持力。细胞包括细胞包括骨原细胞骨原细胞、成骨细胞成骨细胞、骨细胞骨细胞和和破骨细胞破骨细胞4 4种。种。l骨细胞最多，位于骨基质内，其它三种均位于骨组织的边缘。骨细胞最多，位于骨基
32、质内，其它三种均位于骨组织的边缘。ch3生物材料生物医学工程基础教案3、骨组织细胞l成成骨骨细细胞胞 位位于于成成骨骨活活跃跃的的骨骨组组织织表表面面，常常成成层层排排列列，胞胞体体呈呈立立方方形形或或矮矮柱柱状状。细细胞胞表表面面有有许许多多细细小小突突起起，与与相相邻邻的的成成骨骨细细胞胞或或骨骨细细胞胞突突起起形形成成缝缝隙隙连连接接。细细胞胞核核大大而而圆圆，核核仁仁明明显显。胞胞质质嗜嗜碱碱性性。电电镜镜下下见见有有大大量量粗粗面面内内质质网网和和发发达达的的高高尔尔基基复复合合体体。成成骨骨细细胞胞可可分分泌泌有有机机质质的的骨骨胶胶纤纤维维和和基基质质，称称类类骨骨质质；同同时时
33、以以细细胞胞膜膜出出芽芽方方式式向向类类骨骨质质中中释释放放基基质质小小泡泡，小小泡泡内内含含钙钙、小小的的骨骨盐盐结结晶晶和和钙钙结结合合蛋蛋白白。基基质质小小泡泡是是使使类类骨骨质质钙钙化化的的重重要要结结构构。当当成成骨骨细细胞胞被被类骨质包埋后，便成为骨细胞。类骨质包埋后，便成为骨细胞。l骨骨原原细细胞胞 位位于于骨骨组组织织的的表表面面，体体积积小小，呈呈梭梭形形，细细胞胞核核椭椭圆圆，胞胞质质弱弱嗜嗜碱碱性。骨原细胞是一种干细胞，能分裂分化为成骨细胞。性。骨原细胞是一种干细胞，能分裂分化为成骨细胞。ch3生物材料生物医学工程基础教案l骨骨细细胞胞 单单个个分分布布于于骨骨板板内内或
34、或骨骨板板间间，胞胞体体较较小小，呈呈扁扁椭椭圆圆形形，有有许许多多细细长长突突起起，胞胞质质弱弱嗜嗜碱碱性性。骨骨细细胞胞的的胞胞体体位位于于骨骨陷陷窝窝内内，突突起起位位于于骨骨小小管管内内。相相邻邻骨骨细细胞胞的的突突起起以以缝缝隙隙连连接接相相连连。骨骨陷陷窝窝和和骨骨小小管管内内含含组组织织液液。骨骨细细胞胞对对骨骨基基质质的的更更新新和和维维持持有有重重要要作作用用。骨骨细细胞胞及及其其突突起起的的总总面面积积很很大大，与与骨骨基基质质相相接接触触，对对于于骨骨陷陷窝窝组组织织液液中中钙钙与与血血钙钙的的交交换换及及维维持持血血钙钙的恒定有一定作用。的恒定有一定作用。ch3生物材料
35、生物医学工程基础教案l破骨细胞破骨细胞 数量较少，常位于骨组织表面。数量较少，常位于骨组织表面。是一种多核的大细胞，直径是一种多核的大细胞，直径100100mm，含有含有2 25050个核。现认为它是由多个单核细胞个核。现认为它是由多个单核细胞触合而成。光镜下，破骨细胞的胞质呈泡触合而成。光镜下，破骨细胞的胞质呈泡沫状，多为嗜酸性，贴近骨基质的一侧有沫状，多为嗜酸性，贴近骨基质的一侧有纹状缘。电镜下，这一侧有许多不规则并纹状缘。电镜下，这一侧有许多不规则并分支的指状突起，称皱褶缘，皱褶缘周围分支的指状突起，称皱褶缘，皱褶缘周围的环形胞质区含许多微丝，而缺乏其它细的环形胞质区含许多微丝，而缺乏其
36、它细胞器，称为亮区。皱褶缘基部胞质内含大胞器，称为亮区。皱褶缘基部胞质内含大量初级溶酶体，吞饮泡和次级溶酶体。破量初级溶酶体，吞饮泡和次级溶酶体。破骨细胞有溶解和吸收骨基质的作用。在溶骨细胞有溶解和吸收骨基质的作用。在溶骨时，亮区紧贴骨基质表面。形成一道环骨时，亮区紧贴骨基质表面。形成一道环形围堤，使所包围的皱褶缘区成为封闭的形围堤，使所包围的皱褶缘区成为封闭的溶骨微环境，破骨细胞向该区释放多种蛋溶骨微环境，破骨细胞向该区释放多种蛋白酶，碳酸酐酶、柠檬酸和乳酸等，使骨白酶，碳酸酐酶、柠檬酸和乳酸等，使骨基质溶解。基质溶解。ch3生物材料生物医学工程基础教案4、骨组织再生l骨组织再生主要依靠骨膜
37、。骨组织再生主要依靠骨膜。骨受伤后，骨膜内层细胞分裂增生填充到伤口内，骨受伤后，骨膜内层细胞分裂增生填充到伤口内，相继形成相继形成l肉芽组织肉芽组织l致密结缔组织致密结缔组织l纤维软骨纤维软骨l松质骨松质骨l密质骨密质骨ch3生物材料生物医学工程基础教案5、骨组织移植l骨移植骨移植是将一部位之骨组织离体后移植于人体内另一骨骼是将一部位之骨组织离体后移植于人体内另一骨骼有缺损或需要加强或固定处的一种手段，是组织移植中有缺损或需要加强或固定处的一种手段，是组织移植中最常用的方法之一，骨组织的保存也要比皮肤、筋膜、最常用的方法之一，骨组织的保存也要比皮肤、筋膜、肌腱、血管以及其它移植组织容易的多。这
38、是因为被移肌腱、血管以及其它移植组织容易的多。这是因为被移植的骨组织不完全取决于它成活的细胞，而是需经过受植的骨组织不完全取决于它成活的细胞，而是需经过受区缓慢的爬行孕的有生命的骨组织，由于所产生的免疫区缓慢的爬行孕的有生命的骨组织，由于所产生的免疫排斥反应低，是最先移植成功的组织。排斥反应低，是最先移植成功的组织。ch3生物材料生物医学工程基础教案二、牙齿ch3生物材料生物医学工程基础教案l牙的功能牙的功能：对食物进行机械加工嚼碎，辅助发育及语言等：对食物进行机械加工嚼碎，辅助发育及语言等。l牙的外形牙的外形牙冠：暴露在口腔内的部分，其内腔称牙冠腔。牙冠：暴露在口腔内的部分，其内腔称牙冠腔。
39、牙颈：介于牙冠和牙根之间缩细的部分牙颈：介于牙冠和牙根之间缩细的部分。牙牙根根：嵌嵌入入上上、下下牙牙槽槽内内的的部部分分，其其内内腔腔称称牙牙根根管管，与与牙牙冠冠腔腔相相通通，管管末端细有根尖孔。末端细有根尖孔。l牙组织牙组织牙本质：构成牙的大部分。牙本质：构成牙的大部分。牙釉质：在牙冠部的牙本质外面覆盖的部分。牙釉质：在牙冠部的牙本质外面覆盖的部分。 牙骨质：在牙根部的牙本质外面包绕的部分。牙骨质：在牙根部的牙本质外面包绕的部分。牙牙 髓：位于牙腔内髓：位于牙腔内, ,由结缔组织、神经和血管共同组成。由结缔组织、神经和血管共同组成。l牙周组织牙周组织 牙周膜：介于牙根和牙槽骨之间的致密结
40、缔组织。牙周膜：介于牙根和牙槽骨之间的致密结缔组织。牙槽骨：属于上、下颌骨的牙槽突。牙槽骨：属于上、下颌骨的牙槽突。 牙牙 龈：是覆盖在牙颈和牙槽突表面的口腔粘膜。龈：是覆盖在牙颈和牙槽突表面的口腔粘膜。ch3生物材料生物医学工程基础教案l骨骼（股骨）：抗拉强度124MPa;抗压强度170MPa; 拉剪强度54MPa;拉伸弹性模量17GPa.牙齿（牙本质）：弹性模量12GPa;泊松比0.3;剪切模量4.8.ch3生物材料生物医学工程基础教案三、软骨l软骨是由软骨是由软骨组织软骨组织及及周围的软骨膜周围的软骨膜构成。构成。软骨组织则由软骨基质和软骨细胞构成。软骨组织则由软骨基质和软骨细胞构成。l
41、软软骨骨基基质质：即即为为细细胞胞间间质质，由由无无定定形形基基质质和和其其中中的的纤纤维维构构成成。基质内小腔为软骨陷窝，软骨细胞即位于此陷窝内。基质内小腔为软骨陷窝，软骨细胞即位于此陷窝内。l软软骨骨细细胞胞：软软骨骨细细胞胞核核圆圆或或卵卵圆圆形形，染染色色浅浅。细细胞胞质质弱弱嗜嗜碱碱性性。软骨细胞可合成和分泌基质和纤维。软骨细胞可合成和分泌基质和纤维。软软骨骨膜膜：软软骨骨组组织织周周围围的的致致密密结结缔缔组组织织。软软骨骨膜膜可可分分为为两两层层，外外层层为为较较致致密密的的胶胶原原纤纤维维，内内层层纤纤维维较较疏疏松松而而细细胞胞较较多多，其其中中有有些些梭形的小细胞，称骨原细
42、胞，可增殖分化为软骨细胞。梭形的小细胞，称骨原细胞，可增殖分化为软骨细胞。 l根据软骨基质所含纤维的不同，可将软骨分为透明软骨、根据软骨基质所含纤维的不同，可将软骨分为透明软骨、纤维软骨和弹性软骨三种。纤维软骨和弹性软骨三种。ch3生物材料生物医学工程基础教案透明软骨透明软骨l分布：如肋软骨、关节软骨、气管与支气管软骨等。分布：如肋软骨、关节软骨、气管与支气管软骨等。l透明软骨中的纤维：透明软骨中的纤维：胶原纤维胶原纤维，其折光率与基质相似。，其折光率与基质相似。l性质：有弹性，半透明。性质：有弹性，半透明。ch3生物材料生物医学工程基础教案纤维软骨纤维软骨l分分布布：椎椎间间盘盘、关关节节盘
43、盘、耻耻骨骨联联合合、股股骨头韧带、肌腱等部位骨头韧带、肌腱等部位 。l透透明明软软骨骨中中的的纤纤维维：大大量量平平行行或或交交织织排排列的胶原纤维束。列的胶原纤维束。 l性质：不透明，有伸展性。性质：不透明，有伸展性。弹性软骨弹性软骨l分布：耳廓、外耳道、咽鼓管、会厌以及喉等处，分布：耳廓、外耳道、咽鼓管、会厌以及喉等处，l结构特点：软骨基质中含大量交织的弹性纤维。结构特点：软骨基质中含大量交织的弹性纤维。 l性质：不透明，有明显的可屈性和弹性。性质：不透明，有明显的可屈性和弹性。ch3生物材料生物医学工程基础教案四、皮肤四、皮肤l结构：表皮真皮皮下组织ch3生物材料生物医学工程基础教案五
44、、肌腱五、肌腱l结构：平行排列的胶原纤维束。结构：平行排列的胶原纤维束。l功能：使肌肉附着在骨骼上，并骨骼和肌肉间的力功能：使肌肉附着在骨骼上，并骨骼和肌肉间的力ch3生物材料生物医学工程基础教案六、血管六、血管l结构：结构：内层内层内皮细胞内皮细胞基质膜基质膜内皮下层内皮下层中层中层平滑肌平滑肌胶原纤维胶原纤维+弹性纤维弹性纤维外层外层松散的结缔组织松散的结缔组织ch3生物材料生物医学工程基础教案（二）蛋白质二）蛋白质由由20余种余种氨基酸氨基酸组成：组成：氨基酸的三个特点：氨基酸的三个特点：（1）H2NCCOOH氨基酸侧键氨基酸侧键R基团不同，氨基酸就不同。基团不同，氨基酸就不同。（2）分
45、为分为L-型和型和D-型；（型；（2种立体异构体）种立体异构体）（3）旋光性（都含不对称）旋光性（都含不对称C原子）原子）RHch3生物材料生物医学工程基础教案氨基酸的分类：氨基酸的分类：中性氨基酸、碱性氨基酸、酸性氨基酸等。中性氨基酸、碱性氨基酸、酸性氨基酸等。氨基酸与蛋白质：氨基酸与蛋白质：氨基酸氨基酸氨基酸：氨基酸：构成蛋白质构成蛋白质肽键肽键是一种氨基酸分子中的是一种氨基酸分子中的 -氨基与另一氨基酸分子中的氨基与另一氨基酸分子中的 -羧基失水缩合而成酰胺键。羧基失水缩合而成酰胺键。NCCHROOHHHNCCHROOHHH+NCCHR OOHHHNCCHROH联结ch3生物材料生物医学
46、工程基础教案脱水脱水肽键肽键此式为此式为二肽二肽，多次联结后为，多次联结后为多肽多肽。ch3生物材料生物医学工程基础教案蛋白质三维结构图蛋白质三维结构图ch3生物材料生物医学工程基础教案ch3生物材料生物医学工程基础教案ch3生物材料生物医学工程基础教案ch3生物材料生物医学工程基础教案ch3生物材料生物医学工程基础教案ch3生物材料生物医学工程基础教案（三）聚糖三）聚糖许多同种或异种单糖通过失水缩合而成的生物高分子。许多同种或异种单糖通过失水缩合而成的生物高分子。人体组织中起重要作用的一类聚糖人体组织中起重要作用的一类聚糖糖胺聚糖。糖胺聚糖。（四）细胞与细胞膜（四）细胞与细胞膜细胞细胞：细胞
47、膜细胞质细胞核，是构成组织和器官的：细胞膜细胞质细胞核，是构成组织和器官的基本结构单位。基本结构单位。细胞膜细胞膜：磷酯双分子层蛋白：磷酯双分子层蛋白ch3生物材料生物医学工程基础教案ch3生物材料生物医学工程基础教案ch3生物材料生物医学工程基础教案ch3生物材料生物医学工程基础教案ch3生物材料生物医学工程基础教案ch3生物材料生物医学工程基础教案免免疫疫荧荧光光ch3生物材料生物医学工程基础教案细胞器免疫荧光细胞器免疫荧光ch3生物材料生物医学工程基础教案免疫荧光免疫荧光ch3生物材料生物医学工程基础教案细胞三维结构细胞三维结构ch3生物材料生物医学工程基础教案细胞三维模式图细胞三维模式
48、图ch3生物材料生物医学工程基础教案细胞三维模式图细胞三维模式图ch3生物材料生物医学工程基础教案细细胞胞三三维维模模式式图图ch3生物材料生物医学工程基础教案细胞与细胞粘附信号细胞与细胞粘附信号ch3生物材料生物医学工程基础教案细胞膜细胞膜ch3生物材料生物医学工程基础教案神经细胞神经细胞ch3生物材料生物医学工程基础教案（五）血液五）血液体液体液细胞内液细胞内液细胞外液细胞外液心血管系统内体液心血管系统内体液血浆血浆循环不停循环不停组织间隙内液组织间隙内液组织液组织液淋巴管内液淋巴管内液淋巴液淋巴液脑室内液脑室内液脑脊液脑脊液血液组成血液组成：血浆：容积的血浆：容积的55%血细胞：血细胞：
49、45% 血小板 红细胞 白细胞ch3生物材料生物医学工程基础教案血液功能血液功能：（1）运输功能（营养物质、）运输功能（营养物质、CO2、O2等）等）（2）调节功能）调节功能（3）保护防御）保护防御（4）维持内环境的相对恒定（酸碱度、渗透压等）维持内环境的相对恒定（酸碱度、渗透压等）（六）骨骼和牙齿（六）骨骼和牙齿（七）肌腱、软骨与皮肤（七）肌腱、软骨与皮肤（八）弹性组织（血管、韧带、肺组织）（八）弹性组织（血管、韧带、肺组织）（前已述）（前已述）ch3生物材料生物医学工程基础教案二、生物医学材料及与人体间的相互作用二、生物医学材料及与人体间的相互作用（一）生物医学材料（前已述）（一）生物医学
50、材料（前已述）（二）生物材料与人体的相互作用（二）生物材料与人体的相互作用ch3生物材料生物医学工程基础教案血小板血栓血小板血栓凝血系统激活凝血系统激活纤溶系统激活纤溶系统激活溶血反应溶血反应Leukopenia(一次性白血球减少一次性白血球减少)补体系统激活补体系统激活抗原抗原抗体反应抗体反应(体液性免疫体液性免疫)免疫细胞的激活（细胞性免疫）免疫细胞的激活（细胞性免疫）炎症反应炎症反应细胞粘附细胞粘附细胞增殖细胞增殖形成伪内膜形成伪内膜细胞质转变细胞质转变组织反应组织反应免疫反应免疫反应材料反应材料反应血液反应血液反应生物反应生物反应物理性质的变化物理性质的变化化学性质的变化化学性质的变化
51、材料与生物材料与生物体相互作用体相互作用ch3生物材料生物医学工程基础教案（一）（一） 宿主（生物机体）反应宿主（生物机体）反应（二）（二） 材料反应材料反应（三）（三） 材料与生物体的的界面材料与生物体的的界面ch3生物材料生物医学工程基础教案（一）（一） 宿主（生物机体）反应宿主（生物机体）反应l血液反应 组织反应 免疫反应l局部组织反应局部组织反应：组织对手术创伤的急性或炎性反应；：组织对手术创伤的急性或炎性反应；l全全身身毒毒性性反反应应：由由于于材材料料在在合合成成加加工工及及消消毒毒过过程程中中，吸收或形成的低分子产物造成的，有急性和慢性反应；吸收或形成的低分子产物造成的，有急性和
52、慢性反应；l过敏反应过敏反应：由于材料溶出或降解产生的毒物造成的；：由于材料溶出或降解产生的毒物造成的；l致致癌癌、致致畸畸、致致突突变变反反应应：由由于于材材料料中中或或降降解解产产物物中中的有害物质造成的；的有害物质造成的；l适应性反应适应性反应：慢性的、长期的、包括机械力的材料与：慢性的、长期的、包括机械力的材料与组织相互作用产生的影响。组织相互作用产生的影响。ch3生物材料生物医学工程基础教案（二）（二） 材料反应材料反应材料反应的结果可导致材料结构破坏和性质改变，材料反应的结果可导致材料结构破坏和性质改变，取决于材料的化学稳定性。取决于材料的化学稳定性。l生理腐蚀生理腐蚀：生理环境对
53、材料的化学侵蚀作用，致使材料：生理环境对材料的化学侵蚀作用，致使材料产生离解、氧化等，导致过敏等反应。产生离解、氧化等，导致过敏等反应。l吸收吸收：材料在生理环境里，可通过吸收过程使其功能改：材料在生理环境里，可通过吸收过程使其功能改变，也可导致材料的物理、机械性能改变。变，也可导致材料的物理、机械性能改变。l降解降解：在生理环境作用下材料可能被解体降解，导致材：在生理环境作用下材料可能被解体降解，导致材料失效。料失效。l其它失效反应其它失效反应：机械力也可引起失效，如磨损可使修复：机械力也可引起失效，如磨损可使修复体的结合部受损造成失效。体的结合部受损造成失效。ch3生物材料生物医学工程基础
54、教案生物相容性评价生物相容性评价l体外试验：用于分析、研究材料的性能以便筛选。体外试验：用于分析、研究材料的性能以便筛选。# # 材料溶出物测定：材料溶出物测定：# # 溶血溶血# # 细胞毒性试验：细胞毒性试验：l体内试验：急性全身毒性、刺激、致突变、肌肉埋置体内试验：急性全身毒性、刺激、致突变、肌肉埋置等试验。等试验。为减少与控制宿主反应与材料反应的发生，需要进行为减少与控制宿主反应与材料反应的发生，需要进行- -ch3生物材料生物医学工程基础教案（三）（三） 材料生物体界面材料生物体界面1.1.界面基本理论界面基本理论2.2.界面结合形式界面结合形式3.3.界面细胞关系界面细胞关系4.4
55、.界面酶化学关系界面酶化学关系5.5.界面材料力学界面材料力学6.6.材料的表面处理材料的表面处理ch3生物材料生物医学工程基础教案1 1 界面基本理论界面基本理论l1 界面润湿理论 材料（种植体）体液机体组织 （良好的润湿性） （良好的界面结合性能）l2 界面吸附理论 材料表面对各种离子、细胞、氨基酸、蛋白质等的吸附。l3 界面化学结合理论 材料与机体组织的各种键合。l4 界面分子结合理论 依靠材料表面的极性、活性基团等导致的氢键作用。l5 界面酸碱结合理论 酸性环境促进骨性结合。l6 机械结合理论 是材料与机体主要结合方式，可通过材料表面的粗糙化和微孔化实现。l7 界面应力传导理论ch3生
56、物材料生物医学工程基础教案2 2 面结合形式面结合形式l1 骨结合界面 材料与骨直接结合。是理想的结合形式。l2 骨接触界面 材料骨界面上有薄层纤维。是有效的界面结合方式。l3 纤维结合界面 材料骨界面上有厚纤维,常伴有炎症。是不良结合方式。l4 附着性界面 机体组织在材料表面短暂性附着。是失败的结合方式。ch3生物材料生物医学工程基础教案3 3 界面细胞关系界面细胞关系l1 1 一般细胞关系一般细胞关系 材料植入后发生各种细胞的吸附。材料植入后发生各种细胞的吸附。 亲水性高、化学稳定性好的材料细胞结合性能好。亲水性高、化学稳定性好的材料细胞结合性能好。 （磷灰石类、玻璃与玻璃陶瓷等材料的细胞
57、结合紧密。）（磷灰石类、玻璃与玻璃陶瓷等材料的细胞结合紧密。）l2 2 血液细胞关系血液细胞关系 材材料料血血液液界界面面上上发发生生材材料料与与血血浆浆蛋蛋白白、免免疫疫因因子子、细细胞胞成分、凝血因子、血小板等相互作用。是全身反应。成分、凝血因子、血小板等相互作用。是全身反应。l3 3 骨细胞关系骨细胞关系材料骨细胞界面骨引导作用骨结合骨诱导作用骨接触ch3生物材料生物医学工程基础教案4 4 酶化学关系酶化学关系l酶在新陈代谢中起重要催化作用l酶的活性与界面骨形成具有密切关系 酸性磷酸酶活性高预示骨吸收趋势； 碱性磷酸酶活性高预示骨形成趋势。5 5 力学关系力学关系l材料的力学性质应与机体
58、组织，特别是骨的相匹配。（弹性模量和刚性）ch3生物材料生物医学工程基础教案6 6 材料的表面处理材料的表面处理l1 表面净化、粗化、微孔化 净化：碱洗法、浸泡法、蒸气法、超声波法等。 粗化：喷砂、机械打磨、化学腐蚀等。 微孔化：涂层法、机械钻孔、化学腐蚀等。l2 表面亲水化l3 表面电极化l4 表面生物化ch3生物材料生物医学工程基础教案（三）生物医学材料的物性要求三）生物医学材料的物性要求1.溶溶出出物物及及可可渗渗出出物物含含量量低低，如如SS不不渗渗出出金金属属元元素素等等致致使炎症；使炎症；2.生物稳定性，如高分子导管不老化；生物稳定性，如高分子导管不老化；3.机械物理性能；机械物理
59、性能；如人工心瓣、工作如人工心瓣、工作1010年，年，7272次次/ /分钟计，分钟计，1010年共年共4 4亿次搏动。亿次搏动。4.成型加工性能；成型加工性能；5.灭菌性能。灭菌性能。金属金属可用于多种灭菌方法；可用于多种灭菌方法；高分子高分子灭菌方法要选择适当。灭菌方法要选择适当。ch3生物材料生物医学工程基础教案1 1 生物相容性生物相容性 l概概念念：在在生生理理环环境境中中，生生物物体体及及其其组组织织对对植植入入材材料料的的反反应应和和产产生生有有效效作作用用的的能能力力。用用于于表表征征材材料料在在特特定定应应用用状状态与生物体相互作用的生物学行为。态与生物体相互作用的生物学行为
60、。l内容：血液相容性内容：血液相容性 组织相容性组织相容性 力学相容性力学相容性l表现：表现：宿宿主主（生生物物机机体体反反应应：生生物物机机体体对对植植入入材材料料的的反反应应（组织反应、血液反应、免疫反应）（组织反应、血液反应、免疫反应） 。l评价：评价：体外试验：材料溶出物测定、溶血、细胞毒性等试验。体外试验：材料溶出物测定、溶血、细胞毒性等试验。体体内内试试验验：急急性性全全身身毒毒性性、刺刺激激、致致突突变变、肌肌肉肉埋埋置置等试验。等试验。 ch3生物材料生物医学工程基础教案2 2 化学稳定性化学稳定性l材材料料反反应应：是是材材料料对对生生物物机机体体的的作作用用产产生生的的反反
61、应（生理腐蚀、吸收、降解、失效等。应（生理腐蚀、吸收、降解、失效等。高高分分子子材材料料：易易产产生生单单体体、溶溶解解、老老化化，会会导导致致疼疼痛、刺激、感染等反应。可改进和防止。痛、刺激、感染等反应。可改进和防止。陶陶 瓷瓷 材材 料料 ： 可可 在在 机机 体体 中中 稳稳 定定 存存 在在 、 发发 生生 化化 学学 结结 合合 或或 降解吸收。降解吸收。金金 属属 材材 料料 ： 可可 发发 生生 腐腐 蚀蚀 和和 溶溶 解解 ， 通通 过过 表表 面面 改改 性性 提提 高高 稳定性。稳定性。3 3 功用性、可成型加工性能、消毒灭菌性能功用性、可成型加工性能、消毒灭菌性能ch3生
62、物材料生物医学工程基础教案（四）生物医学材料引起的感染、钙化和肿瘤四）生物医学材料引起的感染、钙化和肿瘤1.感染：感染：心血管系统材料心血管系统材料感染感染死亡死亡其它其它炎症等炎症等2.钙化：钙化：牛心胞牛心胞人工心瓣人工心瓣钙化钙化失效失效“生物瓣生物瓣”钙化问题钙化问题3.肿瘤：肿瘤：材料材料人体人体细胞细胞/组织增生组织增生肉瘤肉瘤肿瘤肿瘤（五）生物医学材料对人体补体系统的激活（五）生物医学材料对人体补体系统的激活 （了解）（了解） 导致导致可能植入导致恶性ch3生物材料生物医学工程基础教案3.4生物医学材料的消毒、灭菌、安生物医学材料的消毒、灭菌、安全性评价与管理全性评价与管理一、生
63、物医学材料的消毒与灭菌一、生物医学材料的消毒与灭菌 （一）灭菌与消毒（一）灭菌与消毒 灭菌灭菌：指杀灭物品中的一切微生物的过程。：指杀灭物品中的一切微生物的过程。包括：病原菌和非病原菌。包括：病原菌和非病原菌。如：细菌、芽胞，真菌、病毒等如：细菌、芽胞，真菌、病毒等消毒消毒：指杀灭（破坏）非：指杀灭（破坏）非芽胞芽胞型和增殖状态的致微生物型和增殖状态的致微生物过程。过程。 某些微生物在生命周期中的正常休眠状态，其封杀灭某些微生物在生命周期中的正常休眠状态，其封杀灭性要求比增殖状态高许多倍。性要求比增殖状态高许多倍。ch3生物材料生物医学工程基础教案ch3生物材料生物医学工程基础教案ch3生物材
64、料生物医学工程基础教案ch3生物材料生物医学工程基础教案二者关系二者关系：灭菌能达到消毒的目的，而消毒则达不到灭菌的要灭菌能达到消毒的目的，而消毒则达不到灭菌的要求求。如：消毒不能杀灭芽胞、肝炎病毒等。如：消毒不能杀灭芽胞、肝炎病毒等。生物医学材料的消毒与灭菌方法生物医学材料的消毒与灭菌方法：很多。常用三种：热灭菌、化学灭菌、辐射灭菌。很多。常用三种：热灭菌、化学灭菌、辐射灭菌。（二）微生物的灭杀二）微生物的灭杀包括细菌、放线菌、真菌、病毒、立克次氏体等。包括细菌、放线菌、真菌、病毒、立克次氏体等。灭菌时间存活菌数ch3生物材料生物医学工程基础教案（三）生物医学材料的（三）生物医学材料的热灭菌
65、法热灭菌法借助于高温使微生物细胞蛋白质凝固借助于高温使微生物细胞蛋白质凝固。临床常用的灭菌参数临床常用的灭菌参数（1）（2）（3）115 C121 C126 C0.7公斤公斤/厘米厘米2表压表压1公斤公斤/厘米厘米2表压表压1.4公斤公斤/厘米厘米2表表压压30min20min15min高压蒸气热灭菌法的特点：有效、简便、经济，但对于高压蒸气热灭菌法的特点：有效、简便、经济，但对于高分子材料可能不适用。高分子材料可能不适用。ch3生物材料生物医学工程基础教案（四）生物医学材料的四）生物医学材料的化学灭菌法化学灭菌法使化学药物渗入到微生物的细胞内而与其反应形成化合物，使化学药物渗入到微生物的细胞
66、内而与其反应形成化合物，影响蛋白质、酶系统的生理活性，从而破坏了细胞的生理机能影响蛋白质、酶系统的生理活性，从而破坏了细胞的生理机能而导致细胞以及细菌、病毒的死亡，达到灭菌效果。而导致细胞以及细菌、病毒的死亡，达到灭菌效果。临床常用两类剂：（临床常用两类剂：（1）液体与固体的水溶液；）液体与固体的水溶液；（2）气体）气体常用的化学消毒常用的化学消毒灭菌剂灭菌剂有：有：重金属及其化合物、醇类、过氧化物、卤族元素及其重金属及其化合物、醇类、过氧化物、卤族元素及其化合物、氧杂环化合物、醛类、酚和酚衍生物、季胺化化合物、氧杂环化合物、醛类、酚和酚衍生物、季胺化合物、表面活性剂、其它化学品。合物、表面活
67、性剂、其它化学品。环氧乙烷环氧乙烷是医院和工业上常使用的气体灭菌剂。它对各种类是医院和工业上常使用的气体灭菌剂。它对各种类型的微生物的杀灭作用都很强，包括细菌、结核菌、芽胞、真型的微生物的杀灭作用都很强，包括细菌、结核菌、芽胞、真菌和病毒等。菌和病毒等。ch3生物材料生物医学工程基础教案 （五）生物医学材料的五）生物医学材料的辐射灭菌法辐射灭菌法 对于“一次性”的高分子制品，使用它安全有效。 包括包括： 电离辐射：辐射使微生物中DNA发生诱导电离。 放射线辐照：r谢线。 （六）灭菌技术进展（六）灭菌技术进展（了解）（了解） 激光灭菌 超声协同灭菌 气体等离子体灭菌二、生物医学材料的安全性评价与
68、管理二、生物医学材料的安全性评价与管理（“人命关天人命关天”）（了解）（了解）ch3生物材料生物医学工程基础教案一一 有机生物材料定义有机生物材料定义3.5有机生物材料有机生物材料 用于修复损坏或发生病变而失去功能的人体组织和器官、以及在医疗诊断和治疗中使用的天然或合成的高分子材料，称有机生物材料有机生物材料，亦称高分子生物医学材料。高分子生物医学材料。 医用高分子材料是生物医学材料中发展医用高分子材料是生物医学材料中发展最早最早，种类繁种类繁多，应用最广泛多，应用最广泛，用量最大用量最大的材料，已有用材料的材料，已有用材料100100多种，多种，制品制品20002000多种。多种。ch3生物
69、材料生物医学工程基础教案二二 有机生物材料的发展有机生物材料的发展l公元前公元前35003500年，古埃及人用棉线、马鬃等缝合伤口，墨西年，古埃及人用棉线、马鬃等缝合伤口，墨西哥印第安人用木片修补受伤的颅骨；哥印第安人用木片修补受伤的颅骨；l18511851年发明了天然橡胶的硫化方法，开始采用天然高分子年发明了天然橡胶的硫化方法，开始采用天然高分子硬胶木制作人工牙托和颚骨；硬胶木制作人工牙托和颚骨；l19361936年有机玻璃用于临床；年有机玻璃用于临床；l19431943年赛璐路薄膜开始用于血液透析；年赛璐路薄膜开始用于血液透析；l高分子材料广泛应用于医学领域始于高分子材料广泛应用于医学领域
70、始于2020世纪世纪5050年代高分子年代高分子工业发展以后。工业发展以后。ch3生物材料生物医学工程基础教案l 50 50年代，有机硅聚合物开始用于人体组织的修复和替代；年代，有机硅聚合物开始用于人体组织的修复和替代； l 60 60年代初，年代初，PMMAPMMA开始用于髋关节的修复；开始用于髋关节的修复；l 到了到了7070年代，随着高分子化学工业的发展，出现了大量的年代，随着高分子化学工业的发展，出现了大量的医用新材料和人工装置，如人工瓣膜、人工血管、人工肾用透医用新材料和人工装置，如人工瓣膜、人工血管、人工肾用透析膜、软组织增强、心脏起博器等。析膜、软组织增强、心脏起博器等。l 70
71、 70年代后，由于生物医学工程、材料科学和生物技术的发年代后，由于生物医学工程、材料科学和生物技术的发展，医用高分子材料和其医疗装置又得到迅速发展，如植入型展，医用高分子材料和其医疗装置又得到迅速发展，如植入型全人工心脏、肝、胰、肾、膀胱、皮、骨、接触镜、角膜、晶全人工心脏、肝、胰、肾、膀胱、皮、骨、接触镜、角膜、晶体、内外耳修复、心瓣膜、各种尺寸的血管，以及缝合线等都体、内外耳修复、心瓣膜、各种尺寸的血管，以及缝合线等都获得了临床运用。例如下表。获得了临床运用。例如下表。ch3生物材料生物医学工程基础教案用于人工器官的高分子材料用于人工器官的高分子材料人工器官人工器官高分子材料高分子材料心脏
72、心脏嵌段聚醚氨酯弹性体，硅橡胶嵌段聚醚氨酯弹性体，硅橡胶肾脏肾脏醋酸纤维素，醋酸纤维素，PMMA，PAN，PS，EVA，PU，PP，PC，PMA，聚甲基丙烯酸聚甲基丙烯酸 羟羟乙酯乙酯（PHBMA)肝脏肝脏赛璐玢赛璐玢（cellophane)，聚甲基丙烯酸聚甲基丙烯酸 羟乙酯羟乙酯（PHBMA)胰脏胰脏丙烯酸共聚酯中空纤维丙烯酸共聚酯中空纤维肺肺硅橡胶，聚丙烯中空纤维，聚烷砜硅橡胶，聚丙烯中空纤维，聚烷砜关节，骨关节，骨超高相对分子质量聚乙烯超高相对分子质量聚乙烯（M300万）万），HDPE，PMMA，尼龙，聚酯尼龙，聚酯ch3生物材料生物医学工程基础教案人工器官人工器官高分子材料高分子材料皮
73、肤皮肤硝基纤维素，聚硅酮尼龙复合物，聚酯，硝基纤维素，聚硅酮尼龙复合物，聚酯，甲壳素甲壳素角膜角膜PMMA ，PHBMA，硅橡胶硅橡胶玻璃体玻璃体硅油硅油鼻、耳鼻、耳硅橡胶，硅橡胶，PE乳房乳房聚硅酮聚硅酮血管血管聚酯纤维，聚酯纤维，PTFE，嵌段聚醚氨酯嵌段聚醚氨酯人工红血球人工红血球全氟烃全氟烃人工血浆人工血浆羟乙基淀粉，聚乙烯吡咯酮羟乙基淀粉，聚乙烯吡咯酮ch3生物材料生物医学工程基础教案人工器官人工器官高分子材料高分子材料胆管胆管硅橡胶硅橡胶鼓膜鼓膜硅橡胶硅橡胶食道食道聚硅酮，聚酯纤维聚硅酮，聚酯纤维喉头喉头聚四氟乙烯，聚硅酮，聚乙烯聚四氟乙烯，聚硅酮，聚乙烯气管气管聚四氟乙烯，聚硅酮
74、，聚乙烯聚四氟乙烯，聚硅酮，聚乙烯血管血管聚四氟乙烯，聚硅酮，聚乙烯，聚酯纤维聚四氟乙烯，聚硅酮，聚乙烯，聚酯纤维腹膜腹膜聚硅酮，聚乙烯，聚酯纤维聚硅酮，聚乙烯，聚酯纤维尿道尿道硅橡胶，聚酯纤维硅橡胶，聚酯纤维ch3生物材料生物医学工程基础教案 三三 有机生物材料分类有机生物材料分类 高分子生物医学材料按照高分子生物医学材料按照来源来源分类，可以分为：分类，可以分为： (1) (1) 天然高分子材料及生物衍生材料天然高分子材料及生物衍生材料 ； (2) (2) 合成医用高分子材料；合成医用高分子材料； (3) (3) 复合高分子生物材料。复合高分子生物材料。根据根据稳定性稳定性可分为可分为（1
75、 1） 生物降解型医用高分子材料；生物降解型医用高分子材料；（2 2） 不可降解型生物医用高分子材料。不可降解型生物医用高分子材料。ch3生物材料生物医学工程基础教案根据其根据其应用应用，可以分为，可以分为：（1 1）人工脏器；）人工脏器；（2 2）固定材料；）固定材料；（3 3）缝合材料；）缝合材料；（4 4）药用高分子材料；）药用高分子材料；（5 5）诊断用高分子材料。）诊断用高分子材料。ch3生物材料生物医学工程基础教案四四 有机生物材料的研究范围有机生物材料的研究范围1. 1. 材料的合成与制备材料的合成与制备2. 2. 结构与性能的研究结构与性能的研究3. 3. 高分子材料的生物相容
76、性评价高分子材料的生物相容性评价三方面：三方面：ch3生物材料生物医学工程基础教案1.1. 材料的合成与制备材料的合成与制备材料的合成与制备材料的合成与制备l可选择合成满足医学方面的特点和要求，用高分子化可选择合成满足医学方面的特点和要求，用高分子化学的理论、方法和手段，通过分子设计和材料设计合学的理论、方法和手段，通过分子设计和材料设计合成适当的高分子材料。如聚乳酸、聚乙醇酸、嵌段聚成适当的高分子材料。如聚乳酸、聚乙醇酸、嵌段聚醚氨酯，聚砜、有机硅等。醚氨酯，聚砜、有机硅等。l对现有的高分子材料进行改性对现有的高分子材料进行改性共混，共聚，如接枝、共混，共聚，如接枝、嵌段、杂化、生物化等改性
77、或表面处理等方法。嵌段、杂化、生物化等改性或表面处理等方法。ch3生物材料生物医学工程基础教案 借助多种手段综合分析，研究生物医用高分子材料借助多种手段综合分析，研究生物医用高分子材料的化学结构和表面结构及其性能，从细胞水平和分子水的化学结构和表面结构及其性能，从细胞水平和分子水平解析多种影响因素。平解析多种影响因素。2. 2. 材料的结构与性能研究材料的结构与性能研究材料的结构与性能研究材料的结构与性能研究l组织相容性组织相容性l血液相容性血液相容性3. 生物医用高分子材料的生物相容性生物医用高分子材料的生物相容性ch3生物材料生物医学工程基础教案【组织相容性】【组织相容性】- 生物医用材料
78、与人体之间相互作用产生各种复杂的生物医用材料与人体之间相互作用产生各种复杂的生物、物理、化学反应的一种概念。生物、物理、化学反应的一种概念。 材料的生物相容性优劣是生物医用材料研究设计中材料的生物相容性优劣是生物医用材料研究设计中首先考虑的首先考虑的重要问题重要问题。ch3生物材料生物医学工程基础教案物理性质变化物理性质变化机械相互作用机械相互作用急性全身毒性急性全身毒性生生物物医医用用材材料料方方面面的的变变化化生生物物体体方方面面的的反反应应和和变变化化大小大小形状形状弹性弹性强度强度硬度硬度脆性脆性软化软化相对密度相对密度熔点熔点导电导电硬化硬化磨耗磨耗蠕变蠕变热传导热传导化学性质变化化
79、学性质变化亲水疏水亲水疏水PH吸附性吸附性溶出性溶出性渗透性渗透性反应性反应性摩擦摩擦冲击冲击曲绕曲绕物理化学相互作用物理化学相互作用溶出溶出吸收吸收渗透渗透降解降解化学相互作用化学相互作用分解分解修饰修饰过敏反应过敏反应毒性反应毒性反应溶血反应溶血反应发热反应发热反应神经麻痹神经麻痹慢性全身毒性慢性全身毒性毒性毒性致畸致畸免疫反应免疫反应功能障碍功能障碍急性局部反应急性局部反应炎症炎症血栓形成血栓形成坏死坏死排异排异慢性局部反应慢性局部反应致癌致癌钙化钙化炎症炎症溃疡溃疡ch3生物材料生物医学工程基础教案 对高分子材料而言，影响组织生物学行为的有以下几个对高分子材料而言，影响组织生物学行为的
80、有以下几个方面：方面：（1 1）高分子材料中的杂质高分子材料中的杂质 如残留单体、添加剂等，不仅会加速材料本身在体内的如残留单体、添加剂等，不仅会加速材料本身在体内的老化，而且会加剧组织的生物学反应。老化，而且会加剧组织的生物学反应。（2 2）物理力学性能物理力学性能 高分子材料的硬度、弹性等应与周围组织尽可能匹配。高分子材料的硬度、弹性等应与周围组织尽可能匹配。（3 3）形状形状 高分子材料的植入形状对癌症产生的影响较大。大体积高分子材料的植入形状对癌症产生的影响较大。大体积薄片出现的可能性比在薄片上穿大空时高出一倍左右；而当薄片出现的可能性比在薄片上穿大空时高出一倍左右；而当植入材料为海绵
81、状、纤维状和粉末状时，几乎不产生肿瘤。植入材料为海绵状、纤维状和粉末状时，几乎不产生肿瘤。ch3生物材料生物医学工程基础教案（4 4）表面的形状结构表面的形状结构 粗糙、不均匀的表面会加剧其周围组织的反应。粗糙、不均匀的表面会加剧其周围组织的反应。（5 5）高分子材料本体的化学结构高分子材料本体的化学结构 主要影响其在体内的老化稳定性，而对其组织生物学反主要影响其在体内的老化稳定性，而对其组织生物学反应的影响不明显。应的影响不明显。（6 6）材料表面的分子结构与性质材料表面的分子结构与性质 高分子材料表面与蛋白质等生物大分子及细胞之间的相互高分子材料表面与蛋白质等生物大分子及细胞之间的相互作用
82、是产生组织生物学反应的本质所在，也是生物医用高分作用是产生组织生物学反应的本质所在，也是生物医用高分子研究的重要内容。子研究的重要内容。ch3生物材料生物医学工程基础教案【血液相容性】【血液相容性】- 通通常常是是从从其其抗抗凝凝血血能能力力和和不不损损伤伤血血液液成成分分功功能能两两反反面面来来考考虑虑。前前者者即即为为材材料料表表面面抑抑制制血血管管内内血血液液形形成成血血栓栓的的能能力力，后后者者即即为为材材料料对对血血液液的的溶溶血血现现象象（红红细细胞胞破破坏坏）、血血小小板板机机能能降降低低、白白细细胞胞暂暂时时性性减减少少、白白细细胞胞功功能能下下降降以以及及补补体体激活等血液生
83、理功能的影响。激活等血液生理功能的影响。ch3生物材料生物医学工程基础教案人体生理环境下的血液凝固过程：人体生理环境下的血液凝固过程：人体生理环境下的血液凝固过程：人体生理环境下的血液凝固过程：【血液凝固】【血液凝固】-指血浆由流动状态转变为胶冻状态的全过指血浆由流动状态转变为胶冻状态的全过程，是一个复杂的生物化学变化的过程。程，是一个复杂的生物化学变化的过程。主要由三个主要步骤：主要由三个主要步骤：1.凝血酶原激活物形成凝血酶原激活物形成2.凝血酶原转化成凝血酶凝血酶原转化成凝血酶3.纤维蛋白的形成纤维蛋白的形成ch3生物材料生物医学工程基础教案 内源性凝固系统内源性凝固系统 外源性凝固系统
84、外源性凝固系统 血浆凝血因子血小板因子血浆凝血因子血小板因子血浆凝血因子组织因子血浆凝血因子组织因子Ca2+Ca2+血浆凝血酶原激活物血浆凝血酶原激活物组织凝血酶原激活物组织凝血酶原激活物第一步第一步第二步第二步凝血酶原凝血酶原Ca2+凝血酶凝血酶纤维蛋白原纤维蛋白原纤维蛋白纤维蛋白Ca2+网罗血细胞网罗血细胞凝血快血清凝血快血清第三步第三步ch3生物材料生物医学工程基础教案正常心血管系统中的血液抗凝因素正常心血管系统中的血液抗凝因素正常心血管系统中的血液抗凝因素正常心血管系统中的血液抗凝因素 1. 1.血管内膜的多相结构使它具有亲水、光滑、荷电等特点，血管内膜的多相结构使它具有亲水、光滑、荷
85、电等特点，从而不破坏血小板，也不使血浆蛋白变性，激活凝血因子；从而不破坏血小板，也不使血浆蛋白变性，激活凝血因子； 2. 2.血流速度快，血小板不易在血管壁大量粘附，血浆中的凝血流速度快，血小板不易在血管壁大量粘附，血浆中的凝血因子不易在局部聚集而相互作用；血因子不易在局部聚集而相互作用； 3. 3.人体内含有抑制血液凝固的物质，如肝素；人体内含有抑制血液凝固的物质，如肝素； 4. 4.血浆中还由一种纤维蛋白溶酶，它能使纤维蛋白重新断裂血浆中还由一种纤维蛋白溶酶，它能使纤维蛋白重新断裂而溶解。而溶解。ch3生物材料生物医学工程基础教案高分子材料与血液接触导致的凝血过程高分子材料与血液接触导致的
86、凝血过程高分子材料与血液接触导致的凝血过程高分子材料与血液接触导致的凝血过程高分子材料高分子材料蛋白吸附蛋白吸附红细胞粘附红细胞粘附血小板粘附血小板粘附血小板释放聚集血小板释放聚集溶血溶血XIIXII活化活化凝血因子活化凝血因子活化血纤维蛋白沉积血纤维蛋白沉积血栓形成血栓形成血小板血栓形成血小板血栓形成ch3生物材料生物医学工程基础教案五五合成高分子生物医学材料合成高分子生物医学材料目前世界上使用的高分子材料约有目前世界上使用的高分子材料约有100多种，制品有多种，制品有2000余种。余种。（一）血液相容性高分子材料（一）血液相容性高分子材料例如：例如：聚四氟乙烯：聚四氟乙烯：人工血管材料等；
87、人工血管材料等；硅橡胶：硅橡胶：人工心脏的泵管、深静脉插管、人工心脏的泵管、深静脉插管、血液透析型人工肾引流管等；血液透析型人工肾引流管等；聚氨脂：聚氨脂：人工血管、人工心脏、辅助循环材料、人工软骨等；人工血管、人工心脏、辅助循环材料、人工软骨等；涤纶：涤纶：人工血管、心瓣缝合环等。人工血管、心瓣缝合环等。ch3生物材料生物医学工程基础教案（二）人工器官中应用的高分子材料二）人工器官中应用的高分子材料人工器官和医疗器具中使用的高分子材料表 用途用途功能功能主要使用的高分子材料主要使用的高分子材料人工血管人工血管置换病变血管或进行搭桥手术置换病变血管或进行搭桥手术聚酯纤维、真丝、膨体聚四氟乙烯、
88、聚氨酯聚酯纤维、真丝、膨体聚四氟乙烯、聚氨酯人工瓣膜人工瓣膜置换病变的瓣膜置换病变的瓣膜低低温温同同性性碳碳、聚聚氨氨酯酯、硅硅橡橡胶胶、聚聚四四氟氟乙乙烯烯、聚酯纤维聚酯纤维人人工工心心脏脏及及心心脏辅助装置脏辅助装置置置换换心心脏脏或或加加强强病病变变心心脏脏功能功能聚聚氨氨酯酯、聚聚氯氯乙乙烯烯、硅硅橡橡胶胶、天天然然橡橡胶胶、Avcothane-51心脏补片心脏补片心脏修复手术心脏修复手术聚四氟乙烯、聚酯纤维聚四氟乙烯、聚酯纤维人工血浆人工血浆代替血浆、血液增容代替血浆、血液增容葡葡聚聚糖糖（右右旋旋糖糖酐酐）、羟羟乙乙基基淀淀粉粉、聚聚乙乙烯烯基吡咯烷酮、聚基吡咯烷酮、聚N-羟丙基丙
89、烯酰胺羟丙基丙烯酰胺人工血红蛋白人工血红蛋白代替红血球输运氧气代替红血球输运氧气全全氟氟三三丁丁胺胺、全全氟氟三三丙丙胺胺、环环氧氧乙乙烷烷与与环环氧氧丙烷共聚物乳液丙烷共聚物乳液人工玻璃体人工玻璃体填充眼球玻璃体腔填充眼球玻璃体腔硅橡胶海绵、聚四氟乙烯海绵、骨胶原硅橡胶海绵、聚四氟乙烯海绵、骨胶原ch3生物材料生物医学工程基础教案人工血管人工血管人工瓣膜人工瓣膜ch3生物材料生物医学工程基础教案人工心脏人工心脏ch3生物材料生物医学工程基础教案用途用途功能功能主要使用的高分子材料主要使用的高分子材料人工晶状体人工晶状体矫治白内障矫治白内障四四基基丙丙烯烯酸酸甲甲酯酯、甲甲基基丙丙烯烯酸酸羟羟
90、乙乙酯酯共共聚聚物物、聚丙烯、聚有机硅氧烷凝胶聚丙烯、聚有机硅氧烷凝胶人工角膜人工角膜提提供供光光线线传传递递到到视视网网膜膜的的途径途径甲甲基基丙丙烯烯酸酸酯酯类类共共聚聚物物水水凝凝胶胶、共共聚聚涤涤纶纶、硅橡胶硅橡胶人工泪管人工泪管短治泪道慢性阴塞短治泪道慢性阴塞硅橡胶、聚甲基两烯酸酯硅橡胶、聚甲基两烯酸酯隐形眼镜隐形眼镜矫正视力，治疗角膜疾患矫正视力，治疗角膜疾患聚聚甲甲基基丙丙烯烯酸酸羟羟乙乙酯酯及及其其与与乙乙烯烯基基吡吡咯咯烷烷酮酮的的共共聚聚物物、硅硅橡橡胶胶、聚聚氨氨基基酸酸、甲甲壳壳素素衍衍生生物物人工中耳骨人工中耳骨替替代代病病变变中中耳耳骨骨，康康复复听听力力聚聚四四氟
91、氟乙乙烯烯与与碳碳纤纤维维复复合合物物Froplest、聚聚甲甲基基丙丙烯烯酸酸羟羟乙乙酯酯与与羟羟基基磷磷灰灰石石共共混混物物Ceravial、甲甲基基丙烯酸甲酯与苯乙烯共聚多孔骨水混、聚乙烯丙烯酸甲酯与苯乙烯共聚多孔骨水混、聚乙烯耳鼓膜耳鼓膜康复听力康复听力硅橡胶硅橡胶人工食道人工食道食道根除术后重建食道食道根除术后重建食道硅硅橡橡胶胶涤涤纶纶复复合合物物、聚聚乙乙烯烯、聚聚四四氟氟乙乙烯烯、天然橡胶天然橡胶ch3生物材料生物医学工程基础教案人工角膜人工角膜ch3生物材料生物医学工程基础教案人工食道人工食道ch3生物材料生物医学工程基础教案用途用途功能功能主要使用的高分子材料主要使用的高分
92、子材料人工喉人工喉喉喉头头切切除除后后发发音音功功能能恢复恢复硅硅橡橡胶胶涤涤纶纶织织物物复复合合物物、膨膨体体聚聚四四氟氟乙乙烯烯、聚聚氨氨酯、聚乙烯、尼龙、聚甲基丙烯酸甲酯酯、聚乙烯、尼龙、聚甲基丙烯酸甲酯人工肾人工肾肾肾功功能能衰衰竭竭患患者者肾肾功功能的替代能的替代醋醋酸酸纤纤维维素素、铜铜氨氨纤纤维维素素、聚聚丙丙烯烯腈腈、聚聚甲甲基基丙丙烯烯酸酸甲甲酯酯、聚聚乙乙烯烯醇醇、乙乙燃燃一一乙乙燃燃醇醇共共聚聚物物、聚聚砜砜、聚聚碳碳酸酸酯酯、丙丙烯烯腈腈苯苯乙乙烯烯共共聚聚物物、聚聚氨氨脂脂、聚聚四四氟氟乙乙烯烯、聚聚氯氯乙乙烯烯、硅硅橡橡胶胶、吸吸附附树树脂脂、炭炭化化树树脂脂、火火
93、棉棉胶胶、聚聚甲甲基基丙丙烯烯酸酸甲酯甲酯人工肝人工肝急急性性肝肝功功能能衰衰竭竭治治疗疗，血液解毒净化血液解毒净化活活性性炭炭、炭炭化化树树脂脂、吸吸附附树树脂脂、聚聚丙丙烯烯酰酰胺胺、环环氧氧氯氯丙丙烷烷交交联联琼琼脂脂糖糖、火火棉棉胶胶、白白蛋蛋白白、硅硅橡橡胶胶、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚丙烯聚氨酯、聚四氟乙烯、聚丙烯人工肺人工肺替替代代肺肺进进行行血血液液气气体体交换交换聚聚氟氟乙乙烯烯、硅硅橡橡胶胶、聚聚丙丙烯烯空空心心纤纤维维、聚聚砜砜空空心心纤维纤维人工胰人工胰替替代代胰胰脏脏功功能能，释释放放胰胰岛素，控制血糖水平岛素，控制血糖水平海藻酸、聚丙烯腈、聚氨基酸海藻酸、聚丙烯腈、聚氨
94、基酸人工胆道人工胆道替代摘除的胆道替代摘除的胆道聚氨酯、硅橡胶聚氨酯、硅橡胶ch3生物材料生物医学工程基础教案人工肺人工肺人工肝人工肝ch3生物材料生物医学工程基础教案人工胰腺人工胰腺ch3生物材料生物医学工程基础教案用途用途功能功能主要使用的高分子材料主要使用的高分子材料人工输尿管人工输尿管替代摘除输尿管替代摘除输尿管聚聚氨氨酯酯、硅硅橡橡胶胶、涤涤纶纶织织物物、毡毡、聚聚甲甲基基丙丙烯酸羟乙酯涂料烯酸羟乙酯涂料人工乳房人工乳房乳房修复、整容乳房修复、整容硅橡胶、硅凝胶、氟硅橡胶硅橡胶、硅凝胶、氟硅橡胶人工睾丸人工睾丸睾丸修复睾丸修复硅橡胶硅橡胶人工阴茎人工阴茎治疗器质性阳痿治疗器质性阳痿硅
95、橡胶、聚氨脂、聚甲基丙烯酸酯硅橡胶、聚氨脂、聚甲基丙烯酸酯各各种种医医用用插插管管治治疗疗过过程程中中引引流流、输输液扦查液扦查聚聚乙乙烯烯、聚聚氯氯乙乙烯烯、硅硅橡橡胶胶、天天然然橡橡胶胶、聚聚氨酯、聚四氟乙烯氨酯、聚四氟乙烯注射器注射器向向人人体体输输送送液液体体、药药物物聚聚丙丙烯烯、聚聚乙乙烯烯、聚聚苯苯乙乙烯烯、聚聚氟氟乙乙烯烯、天天然橡胶然橡胶输输液液输输血血代代、输液输血器输液输血器向人体输液、输血向人体输液、输血聚聚氯氯乙乙烯烯、聚聚丙丙烯烯、聚聚乙乙烯烯、ABS树树脂脂、尼尼龙龙医医 用用 手手 套套 、指套指套扦扦查查疾疾患患、手手术术时时医医生使用生使用天然胶乳天然胶乳c
96、h3生物材料生物医学工程基础教案人工尿道人工尿道ch3生物材料生物医学工程基础教案人工乳房人工乳房ch3生物材料生物医学工程基础教案用途用途功能功能主要使用的高分子材料主要使用的高分子材料避孕套避孕套避孕避孕在然胶孔在然胶孔宫内节育器宫内节育器妨碍受精卵着床妨碍受精卵着床硅橡胶环、聚乙烯、铜丝硅橡胶环、聚乙烯、铜丝长效避孕药具长效避孕药具缓释避孕药缓释避孕药硅橡胶、聚乳酸硅橡胶、聚乳酸绷带绷带固定、包括伤口固定、包括伤口反反式式聚聚异异二二烯烯、水水固固化化聚聚氨氨酯酯、泡泡沫沫聚聚苯苯乙乙烯、氨纶弹力丝织带烯、氨纶弹力丝织带手术覆盖膜手术覆盖膜代代替替手手术术圆圆孔孔巾巾、防防止汗液感染止汗
97、液感染聚乙烯膜、聚甲基丙烯酸酯压敏胶聚乙烯膜、聚甲基丙烯酸酯压敏胶人工膀胱人工膀胱膀膀胱胱全全切切后后，替替代代膀膀胱集尿、排尿功能胱集尿、排尿功能硅硅橡橡胶胶、聚聚氨氨酯酯、天天然然橡橡胶胶乳乳液液、涤涤纶纶织织物物、毡、聚丙烯毡、聚丙烯人工括约肌人工括约肌控制排尿控制排尿硅橡胶硅橡胶人工皮人工皮保保护护创创伤伤面面，防防感感染染，透气有助于新皮生长透气有助于新皮生长硅硅橡橡胶胶骨骨胶胶原原无无纺纺布布、离离子子型型聚聚酯酯复复合合物物、聚聚氨基酸、聚甲基丙烯酸羟乙酯氨基酸、聚甲基丙烯酸羟乙酯ch3生物材料生物医学工程基础教案人工皮肤人工皮肤ch3生物材料生物医学工程基础教案用途用途功能功能
98、主要使用的高分子材料主要使用的高分子材料人工骨人工骨骨替代骨替代羟羟基基磷磷灰灰石石、多多孔孔聚聚四四氟氟乙乙烯烯、超超高高分分子子量量聚乙烯、聚砜碳纤维复合物聚乙烯、聚砜碳纤维复合物人工颅骨人工颅骨颅骨替代颅骨替代聚聚四四基基丙丙烯烯酸酸甲甲酯酯、甲甲基基丙丙烯烯酸酸甲甲酯酯与与苯苯乙乙烯共聚物、聚碳酸酯烯共聚物、聚碳酸酯人工关节人工关节置置换换变变病病及及损损伤伤的的关关节节钛钛-钻钻镍镍合合金金和和高高分分子子量量高高密密度度聚聚乙乙烯烯、甲甲基基丙丙烯烯酸酸甲甲酯酯与与苯苯乙乙烯烯共共聚聚物物、多多孔孔聚聚四四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯碳纤维复合物氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯碳纤维复合物骨骨
99、板板、骨骨钉钉、脊脊椎椎钉钉Harrington杆杆骨骨折折修修复复，排排列列错错位位校校正正，矫矫正正慢慢性性脊脊柱柱弯曲弯曲聚聚砜砜碳碳纤纤维维复复合合材材料料、聚聚孔孔酸酸、聚聚乙乙烯烯醇醇复复合材料合材料齿料材料齿料材料齿修补、替代齿修补、替代尼尼龙龙、聚聚甲甲基基丙丙烯烯酸酸甲甲酯酯、聚聚碳碳酸酸脂脂、氧氧乙乙烯烯与与醋醋酸酸乙乙烯烯共共聚聚物物、硅硅橡橡胶胶、环环氧氧树树脂脂、聚苯乙烯、聚砜、吸水树脂聚苯乙烯、聚砜、吸水树脂止血海绵止血海绵伤口及刀口止血伤口及刀口止血聚乙烯醇、明胶聚乙烯醇、明胶组织粉合剂组织粉合剂用粘合代替缝合用粘合代替缝合聚氨酯聚物聚氨酯聚物ch3生物材料生物医
100、学工程基础教案人工骨人工骨ch3生物材料生物医学工程基础教案人工关节人工关节ch3生物材料生物医学工程基础教案（三）智能性药物释放体系三）智能性药物释放体系即即：需需用用药药时时释释放放，无无必必要要时时，药药停停止止释释放放。该该体体系系特点：特点：（1）药药需需要要与与否否可可由由药药剂剂本本身身判判断断，而而集集传传感感器器、处处理理及及执行功能于一体，为新一代的药剂。执行功能于一体，为新一代的药剂。（2）可可感感知知疾疾病病所所引引起起的的化化学学物物质质及及物物理理量量变变化化的的信信号号，药药剂剂则则可可依依据据对对此此类类信信号号的的响响应应自自反反馈馈而而释释放放药药物物或或终
101、终止止其释放。其释放。例如例如：糖尿病患者：糖尿病患者血中葡萄糖高血中葡萄糖高胰胰脏脏分分泌泌胰胰岛岛素素促促进进组组织织吸吸收收血血中中葡葡萄萄糖糖。如如降降低低太多，又引起血中低血糖，危及生命。太多，又引起血中低血糖，危及生命。自调节胰岛素释放体系自调节胰岛素释放体系。治疗指征体内响应ch3生物材料生物医学工程基础教案（四）高分子微胶襄四）高分子微胶襄由高分子制成的微型容器。由高分子制成的微型容器。功功能能：保保护护物物质质免免受受环环境境条条件件的的影影响响，屏屏蔽蔽味味道道、颜颜色色和和气气味味，降降低低物物质质的的毒毒性性，改改变变物物质质的的性性质质或或性性能能，延延长长挥挥发发性
102、物质的储存时间，持续释放物质进入外界环境等。性物质的储存时间，持续释放物质进入外界环境等。ch3生物材料生物医学工程基础教案六六天然高分子生物医学材料天然高分子生物医学材料在体内很容易降解，降解产物对人体无毒且可为人体所在体内很容易降解，降解产物对人体无毒且可为人体所吸收，参与人体代谢循环。吸收，参与人体代谢循环。（一）天然（一）天然多糖多糖类材料类材料多糖多糖：由许多单糖分子经失水缩聚，通过糖苷键结合由许多单糖分子经失水缩聚，通过糖苷键结合而成的高分子化合物而成的高分子化合物。分类：分类：均聚糖均聚糖：多糖水解后只产生一种单糖；如纤维素、淀粉等。杂聚糖杂聚糖：最终水解产物是二种或二种以上的单
103、糖，如菊粉。ch3生物材料生物医学工程基础教案目前自然界存在的多糖：目前自然界存在的多糖：1.植物植物多糖，如：纤维素、半纤维素、淀粉、果胶等；多糖，如：纤维素、半纤维素、淀粉、果胶等；2.动物动物多糖，如：甲壳素、壳聚糖、肝素、硫酸软骨素等；多糖，如：甲壳素、壳聚糖、肝素、硫酸软骨素等；3.琼脂琼脂多糖，如：琼脂、海藻酸、角叉藻聚糖等；多糖，如：琼脂、海藻酸、角叉藻聚糖等；4.菌类菌类多糖，如：多糖，如：D-葡聚糖、葡聚糖、D-半乳聚糖等；半乳聚糖等；5.微生物微生物多糖，如：右旋糖酐、黄原胶、凝乳糖等等。多糖，如：右旋糖酐、黄原胶、凝乳糖等等。上述多糖中，上述多糖中，应用较为广泛应用较为广
104、泛的有：的有：1.纤维素；纤维素；2.甲壳素；甲壳素；3.壳聚糖。壳聚糖。（二）天然蛋白质材料（二）天然蛋白质材料如：胶原、纤维蛋白、弹性硬蛋白等。如：胶原、纤维蛋白、弹性硬蛋白等。ch3生物材料生物医学工程基础教案3.6无机生物材料无机生物材料一一 生物医用金属材料生物医用金属材料( (biomedical metallic materials)biomedical metallic materials) 是人类最早利用的生物医用材料之一是人类最早利用的生物医用材料之一。1546年，纯金薄片用于修复颅骨缺损；1880年，银用于膝盖骨缝合；1896年，镀镊钢钉用于骨折治疗；30年代，钴铬合金、
105、不锈钢、钛及合金得到广泛应用。70年代，Ni-Ti形状记忆合金、金属表面涂层的应用。近20年，发展较慢，但在临床仍占据重要地位。ch3生物材料生物医学工程基础教案 应用领域：整形外科、牙科等领域。在临床仍占据重要地位，是承受较高载荷部位的首选植入材料，占医用材料45。 性能要求：无毒性，耐生理腐蚀性。组织反应要求埋置6个月后，纤维包膜厚度小于0.03mm。 主要材料：不锈钢、钴合金、钛及其合金、贵金属、形状记忆合金等。具有高强度、耐疲劳和易加工等优良性能具有高强度、耐疲劳和易加工等优良性能。ch3生物材料生物医学工程基础教案（一）（一）（一）（一） 生物医用金属材料的特性生物医用金属材料的特性
106、生物医用金属材料的特性生物医用金属材料的特性1 1、金属材料的毒性、金属材料的毒性毒性来源毒性来源：金属表面离子或原子因腐蚀或磨损进入周围生物组织。毒毒性性作作用用：作用于细胞，抑制酶的活动，阻止组织酶的扩散和破坏溶酶体。具体可表现为与体内物质生成有毒化合物、金属离子进入组织液引起水肿、栓塞、感染和肿瘤等。降毒方法降毒方法：合金化（如不锈钢中加入2铍可减小毒性，加入20铬可消除毒性。提高耐蚀性提高光洁度表面涂层等基本无毒的金属单质基本无毒的金属单质： Al, Ga, In, Sn, Ti, Zr, Mo, W, Au, Ta, Pt常用合金组元常用合金组元：Fe，Co，Cr，Ni，V，Mn等，
107、如Cr-Ni-Mo-Mn-Fe 不锈钢、Co-Cr-Ni-Mn-W-Fe钴合金。ch3生物材料生物医学工程基础教案2 2 2 2、耐生理腐蚀性、耐生理腐蚀性、耐生理腐蚀性、耐生理腐蚀性 生生理理腐腐蚀蚀是是决决定定材材料料植植入入后后成成败败的的关关键键，其其产产物物对对生生物物机机体体的的影影响响决决定定植入器件的使用寿命。植入器件的使用寿命。l腐蚀环境腐蚀环境电解质：含有机酸、碱金属或碱土金属离子、氯离子电解质：含有机酸、碱金属或碱土金属离子、氯离子多种机制协同作用：恒温多种机制协同作用：恒温3737，蛋白质、酶和细胞的作用，应力与磨损，蛋白质、酶和细胞的作用，应力与磨损l腐蚀种类腐蚀种类
108、均均匀匀腐腐蚀蚀：腐腐蚀蚀产产物物及及进进入入机机体体的的金金属属离离子子总总量量较较大大，影影响响材材料料生生物物相相容容性性点腐蚀点腐蚀：微电池作用使阳极部位严重腐蚀，医用不锈钢发生的可能性较大：微电池作用使阳极部位严重腐蚀，医用不锈钢发生的可能性较大界面腐蚀界面腐蚀: :电电偶偶腐腐蚀蚀：多多见见于于两两种种不不同同材材料料的的组组合合件件，甚甚至至引引入入机机体体的的其其它它微微粒粒屑屑缝缝隙隙腐腐蚀蚀：多多发发生生在在界界面面部部位位如如接接骨骨板板和和骨骨螺螺钉钉，不不锈锈钢钢植植入入器器件件更更为常见为常见晶间腐蚀晶间腐蚀：发生在材料晶界上，可导致材料力学性能严重下降，：发生在材
109、料晶界上，可导致材料力学性能严重下降，磨磨蚀蚀：表表面面磨磨损损与与腐腐蚀蚀协协同同作作用用，钴钴基基合合金金耐耐磨磨蚀蚀的的能能力力优优良良，不不锈锈钢钢较较差差疲劳腐蚀疲劳腐蚀：疲劳与腐蚀协同作用，提高表面光洁度可获改善：疲劳与腐蚀协同作用，提高表面光洁度可获改善应应力力腐腐蚀蚀：应应力力协协同同作作用用下下的的加加速速腐腐蚀蚀，钛钛合合金金和和不不锈锈钢钢对对此此敏敏感感，钴钴合合金不敏感金不敏感ch3生物材料生物医学工程基础教案3 3 3 3、力学性能、力学性能、力学性能、力学性能1 1）、）、足够的强度和塑性足够的强度和塑性. .人体股骨头人体股骨头：抗压强度：抗压强度143143M
110、PaMPa，纵向弹性模量纵向弹性模量13.813.8GPaGPa（径向径向13.8/313.8/3）髋关节髋关节：3.63.6x10x106 6次冲击载荷次冲击载荷( (数倍于人体体重数倍于人体体重) )对对人人工工髋髋关关节节金金属属材材料料的的要要求求是是：屈屈服服强强度度450450Mpa.Mpa.抗抗拉拉强强度度800800Mpa.Mpa.疲劳强度疲劳强度400400Mpa.Mpa.延伸率延伸率88. .ch3生物材料生物医学工程基础教案2 2）、）、适宜的弹性模量，接近或稍高于人骨的弹性模量适宜的弹性模量，接近或稍高于人骨的弹性模量 通通常常生生物物材材料料的的弹弹性性模模量量大大于
111、于骨骨。如如骨骨10104040GPa,GPa,纯纯钛钛110110Gpa.Gpa.弹性模量过高弹性模量过高：材料与骨应变不同，界面处的相对位移造成界面松动材料与骨应变不同，界面处的相对位移造成界面松动应力屏蔽，引起骨组织的功能退化或吸收应力屏蔽，引起骨组织的功能退化或吸收弹性模量过低弹性模量过低：低应力变形，起不到固定与支撑的功能。低应力变形，起不到固定与支撑的功能。3 3）、）、力学相容性与金属与骨组织的界面结合问题力学相容性与金属与骨组织的界面结合问题通常生物金属材料均不具备生物活性；通常生物金属材料均不具备生物活性；弹性模量差异造成的界面松动；弹性模量差异造成的界面松动；钛及其合金表面
112、活化可改善界面结合问题。钛及其合金表面活化可改善界面结合问题。ch3生物材料生物医学工程基础教案4 4）、）、耐磨性耐磨性：影响影响：植入摩擦器件的寿命；植入摩擦器件的寿命；产生有害的金属微粒或微屑，导致周围组织的炎性、产生有害的金属微粒或微屑，导致周围组织的炎性、毒性反应。毒性反应。改善措施改善措施：提高硬度，提高硬度，表面处理，表面处理，合理配伍摩擦副合理配伍摩擦副ch3生物材料生物医学工程基础教案（二）（二）（二）（二） 常用生物医用金属材料常用生物医用金属材料常用生物医用金属材料常用生物医用金属材料1 1、医用不锈钢、医用不锈钢（Stainlesssteelasbiomedicalma
113、terials）1 1）、）、化学成分化学成分（316316，316316L,317L)L,317L)Cr:Cr:形形成成氧氧化化铬铬钝钝化化膜膜，提提高高抗腐蚀能力；稳定奥氏体。抗腐蚀能力；稳定奥氏体。Ni:Ni:稳稳定定奥奥氏氏体体。Ni%12%Ni%12%时时，可得到单相奥氏体。可得到单相奥氏体。316316L317L耐蚀性强ch3生物材料生物医学工程基础教案2）、加工工艺加工工艺真空熔炼（真空电弧炉重熔；冷加工：提高强度；抛光：提高表面光洁度消除腐蚀和应力集中隐患。3）、生物相容性生物相容性点腐蚀和界面腐蚀导致长期稳定性差；设计不合理导致应力集中及磨损；磨损和腐蚀产物引起不良组织反应(
114、水肿、感染、组织坏死等),导致疼痛和过敏反应；溶出的镍离子可能诱发肿瘤形成；密度和弹性模量与人体组织差别大,导致力学相容性差；无生物活性，难于和生物组织形成牢固结合。ch3生物材料生物医学工程基础教案2 2 2 2、 医医医医 用用用用 钴钴钴钴 基基基基 合合合合 金金金金 （ Cobalt Cobalt alloy alloy as as biomedical biomedical materialmaterial）1 1）、）、化学成分化学成分（ Co-Cr-Mo Co-Cr-Mo 、Co-Cr-W-NiCo-Cr-W-Ni、 Co-Cr-Mo-W-Fe Co-Cr-Mo-W-Fe、Co
115、-Ni-Cr-Mo Co-Ni-Cr-Mo ）Co在室温下是六方密排结构，高温稳定相是面心立方结构，通过合在室温下是六方密排结构，高温稳定相是面心立方结构，通过合金化微调整，可使合金在室温下得到上述两相的复相组织提高力学性能。金化微调整，可使合金在室温下得到上述两相的复相组织提高力学性能。ch3生物材料生物医学工程基础教案2 2）、）、制造工艺制造工艺精密铸造精密铸造：多用于制造形状复杂的制品，可采用固溶退火、：多用于制造形状复杂的制品，可采用固溶退火、锻造、热等静压来改善组织缺陷，提高疲劳强度等力学性锻造、热等静压来改善组织缺陷，提高疲劳强度等力学性能；能；形变加工（热轧、轧制、挤压和冲压）
116、：可改善铸态组织，形变加工（热轧、轧制、挤压和冲压）：可改善铸态组织，提高力学性能。如锻造钴基合金的人工关节疲劳断裂的概提高力学性能。如锻造钴基合金的人工关节疲劳断裂的概率大大减少；率大大减少；粉末冶金粉末冶金：可采用热等静压烧结工艺提高烧结体的密度，：可采用热等静压烧结工艺提高烧结体的密度，但成本亦随之提高；但成本亦随之提高；焊接焊接：一般采用电子束焊或钨极氩弧焊。：一般采用电子束焊或钨极氩弧焊。3 3）、）、生物相容性生物相容性钝化膜稳定，耐腐蚀性好，耐蚀性比不锈钢高数十倍；钝化膜稳定，耐腐蚀性好，耐蚀性比不锈钢高数十倍；一般无明显的组织反应；一般无明显的组织反应；人工髋关节界面松动率较高
117、，因人工髋关节界面松动率较高，因Co、Ni离子的释放，引起离子的释放，引起细胞与组织的坏死；细胞与组织的坏死；Co、Ni、Cr还可引起皮肤过敏反应，其中还可引起皮肤过敏反应，其中Co最为严重。最为严重。ch3生物材料生物医学工程基础教案4 4）、）、力学性能力学性能具有优异的耐磨性能，硬度比不锈钢高具有优异的耐磨性能，硬度比不锈钢高1/31/3。承载能力较强。承载能力较强。 ch3生物材料生物医学工程基础教案3 3 3 3、医用钛及其合金、医用钛及其合金、医用钛及其合金、医用钛及其合金（Titanium and titanium alloy as Titanium and titanium a
118、lloy as medical materialmedical material）1 1）、）、组织结构组织结构纯纯Ti：882882以下为密排六方以下为密排六方 单相组织。单相组织。Ti6Al4V（TC4）： + + 双相组织。双相组织。2 2）、）、化学成分化学成分3 3）、）、性能特点性能特点密度小，密度小，4.54.5g/cmg/cm3 3, ,仅为铁基和钴基合金的一半仅为铁基和钴基合金的一半; ;比强度高比强度高, ,弹性模量低；弹性模量低；耐腐蚀性和抗疲劳性能优于不锈钢和钴合金；耐腐蚀性和抗疲劳性能优于不锈钢和钴合金；硬度低、耐磨性差；硬度低、耐磨性差；生物相容性好。生物相容性好。
119、ch3生物材料生物医学工程基础教案4 4）、）、生物相容性生物相容性 钛钛是是目目前前已已知知的的生生物物亲亲和和性性最最好好的的金金属属之之一一，其其表表面面易易形形成成致致密的二氧化钛钝化膜，组织反应轻微。密的二氧化钛钝化膜，组织反应轻微。 凝凝胶胶状状态态的的二二氧氧化化钛钛膜膜具具有有诱诱导导体体液液中中钙钙、磷磷离离子子沉沉积积生生成成磷磷灰石的能力，表现出一定的生物活性和骨性结合能力。灰石的能力，表现出一定的生物活性和骨性结合能力。 弹性模量较低，力学相容性好。弹性模量较低，力学相容性好。根据种植体根据种植体周围周围假性膜厚度假性膜厚度分类分类微弱反应微弱反应严重反应严重反应Ti合
120、金、不锈钢、钴铬合金、不锈钢、钴铬合金合金Fe,Co,Cr,Ni,Mo,V,Mn根据反应类根据反应类型分类型分类(细胞炎性、细胞炎性、纤维性质纤维性质)活性反应活性反应包囊性反应包囊性反应毒性反应毒性反应Ti,Zr,Nb,Ta,Pt,Ti合金合金Al,Fe,Mo,Ag,Au,不锈钢、钴不锈钢、钴铬合金铬合金Co,Ni,Cu,V 双双真真空空或或惰惰性性气气体体保保护护自自耗耗电电极极熔熔炼炼，需需严严格格控制杂质元素含量。控制杂质元素含量。 精精密密铸铸造造、精精密密锻锻造造或采用轧制材料。或采用轧制材料。 固固溶溶处处理理和和时时效效处处理理改善力学性能。改善力学性能。5 5）、）、加工工艺
121、加工工艺（钛的冶炼和成型加工比其它金属材料困难）（钛的冶炼和成型加工比其它金属材料困难）ch3生物材料生物医学工程基础教案针对钛合金疲劳和断裂韧性不甚理想，弹性模量偏高，含有毒针对钛合金疲劳和断裂韧性不甚理想，弹性模量偏高，含有毒性元素钒等问题，开发了具有更好生物相容性和综合力学性能的新性元素钒等问题，开发了具有更好生物相容性和综合力学性能的新型医用钛合金。型医用钛合金。ch3生物材料生物医学工程基础教案医用不锈钢、钴合金、钛及其合金的临床应用医用不锈钢、钴合金、钛及其合金的临床应用医用不锈钢、钴合金、钛及其合金的临床应用医用不锈钢、钴合金、钛及其合金的临床应用人工关节人工关节和和骨折内固定器
122、械骨折内固定器械；牙科牙科修复、矫形、修复、矫形、牙根种植牙根种植等；等；心血管系统心血管系统植入植入电极电极、传感器外壳传感器外壳、人工心脏瓣膜人工心脏瓣膜、血管扩张支架血管扩张支架等；等；五官科五官科修复及修复及节育器械节育器械等其它方面。等其它方面。 其中钴合金适用于承载较大、耐磨性高的长期植入件。其中钴合金适用于承载较大、耐磨性高的长期植入件。 由由于于钛钛及及钛钛合合金金的的生生物物相相容容性性，成成为为目目前前应应用用最最多多的的植植入金属生物材料。入金属生物材料。ch3生物材料生物医学工程基础教案钛基金属牙种植体钛基金属牙种植体ch3生物材料生物医学工程基础教案髁（髁（ke）固定
123、钢板固定钢板髁固定钢板Co-Cr-Mo人工关节ch3生物材料生物医学工程基础教案ch3生物材料生物医学工程基础教案4 4 4 4、其它医用金属材料、其它医用金属材料、其它医用金属材料、其它医用金属材料1 1）、）、医用贵金属（金、银、铂及其合金）医用贵金属（金、银、铂及其合金）性能特点性能特点：具有稳定的物理和化学性质，抗腐蚀性优良；具有稳定的物理和化学性质，抗腐蚀性优良；表现生物惰性；表现生物惰性；导电性优良；导电性优良；可合金化调整性能。可合金化调整性能。临床应用临床应用：金及金合金金及金合金齿科修复、颅骨修复、植入电极和电子检测设备；齿科修复、颅骨修复、植入电极和电子检测设备；银及银合金
124、银及银合金植入电极和电子检测设备；银汞合金用于口腔填植入电极和电子检测设备；银汞合金用于口腔填充材料；充材料；铂及铂合金铂及铂合金神经系统检测微探针（耳蜗神经刺激装置等）、神经系统检测微探针（耳蜗神经刺激装置等）、心脏起搏器电极。心脏起搏器电极。ch3生物材料生物医学工程基础教案性能特点性能特点：具有良好的化学稳定性、抗蚀性和生物相容性。：具有良好的化学稳定性、抗蚀性和生物相容性。临床应用临床应用：修复颅骨和骨髓内钉等外科植入器件；修复颅骨和骨髓内钉等外科植入器件；钽丝、网、箔钽丝、网、箔缝合神经、肌腱、肌肉和血管；缝合神经、肌腱、肌肉和血管；镀钽金属血管支架可明显提高抗血栓性。镀钽金属血管支
125、架可明显提高抗血栓性。材料材料密度密度(g/cm3)弹性模弹性模量量(GPa)冷加工冷加工退火退火抗拉强抗拉强度度(MPa)延伸率延伸率硬度硬度(MPa)抗拉强抗拉强度度(MPa)延伸率延伸率硬度硬度(MPa)Ta16.6186-191400-10001%-25%1200-3000200-30020-50%800-1100Nb8.5103-116300-10001100-1800275-35010%-25%600-1100Zr6.499312 2）、医用钽、铌、锆材料）、医用钽、铌、锆材料ch3生物材料生物医学工程基础教案成分：成分：Ti44%-46%Ti44%-46%，Ni54%-56%Ni
126、54%-56%性能特点性能特点：机械性能明显优于不锈钢，机械性能明显优于不锈钢，耐磨性优于不锈钢和钴合金，耐磨性优于不锈钢和钴合金，兼有高耐蚀性兼有高耐蚀性形状记忆功能形状记忆功能：记忆恢复温度记忆恢复温度362362C C，接近人的体温，接近人的体温，逆转变温度：延性高，在逆转变温度：延性高，在70-14070-140MPaMPa应力下塑性变形，应力下塑性变形，逆转变温度：坚硬逆转变温度：坚硬抗拉强度抗拉强度（MPa）剪切强度剪切强度（MPa）疲劳强度疲劳强度-1（MPa）延伸率（延伸率（%）断面收缩率断面收缩率（%）弹性模量弹性模量（MPa）980980725-92155810720206
127、1740密度（密度（g/cm3）熔点（熔点（C C）电阻率电阻率（cm）热导率热导率（W/Mk）硬度硬度（HRC）恢复温度恢复温度（C C）6.451270-13508010-512.853530-4030-403 3）、医用形状记忆合金）、医用形状记忆合金镍钛形状记忆合金的力学、物理性能镍钛形状记忆合金的力学、物理性能ch3生物材料生物医学工程基础教案l永磁体永磁体：稀土合金：稀土合金钐钴合金（钐钴合金（SmCo5，SmCo7）、）、钕铁硼磁体（钕铁硼磁体（NdFeB）l软磁体软磁体：铁镍合金、铁铬合金：铁镍合金、铁铬合金l临床应用临床应用：体内用体内用主要应用于口腔义齿固位、肠道和食道吻主
128、要应用于口腔义齿固位、肠道和食道吻合，治疗尿失禁、矫正骨和脊柱畸形，制作无缝合伤合，治疗尿失禁、矫正骨和脊柱畸形，制作无缝合伤口恢复器械；口恢复器械；要求有良好的生物相容性和耐生理腐蚀性；要求有良好的生物相容性和耐生理腐蚀性；体外用体外用磁穴治疗等；磁穴治疗等；l对于生物相容性不佳的磁性合金，若需长期植入体内要求对于生物相容性不佳的磁性合金，若需长期植入体内要求对其表面做生物相容性涂层处理或防腐蚀包封。对其表面做生物相容性涂层处理或防腐蚀包封。4 4）、医用磁性材料）、医用磁性材料ch3生物材料生物医学工程基础教案1 1 1 1、医用金属材料表面处理医用金属材料表面处理医用金属材料表面处理医用
129、金属材料表面处理l表面处理方法表面处理方法等等离离子子喷喷涂涂涂涂层层：涂涂层层厚厚度度50-10050-100m m，虽虽然然存存在在涂涂层层结结合合强强度度不不足足等等弊弊端端，仍仍是是目目前前应应用用最最广广泛泛的的方方法法。用用于于牙牙根根种种植植体体和和人人工工关关节节柄柄部部等等医医疗疗器器件件的的表表面面改改性性，如如钛钛及及钛钛合合金金表表面面喷喷涂涂生生物物相相容容性性优良的羟基磷灰石，提高植入体与骨组织的结合强度。优良的羟基磷灰石，提高植入体与骨组织的结合强度。烧烧结结涂涂层层：涂涂层层厚厚度度200-350200-350m m，除除保保留留了了等等离离子子喷喷涂涂涂涂层层
130、的的优优点点外外，结合强度高，可实现涂层性能的梯度变化。结合强度高，可实现涂层性能的梯度变化。溶溶胶胶凝凝胶胶涂涂覆覆烧烧结结涂涂层层：由由于于涂涂层层溶溶液液的的流流变变特特性性，凝凝胶胶在在干干燥燥和和烧烧结过程中无裂纹发生，涂层有很高的致密度。结过程中无裂纹发生，涂层有很高的致密度。表表面面活活化化处处理理：采采用用NaOHNaOH处处理理钛钛金金属属，可可在在体体内内诱诱导导磷磷灰灰石石沉沉积积，与与骨骨组织实现骨性结合。组织实现骨性结合。电电泳泳沉沉积积法法（钛钛作作为为阴阴极极）：可可在在钛钛金金属属表表面面沉沉积积均均匀匀的的三三斜斜磷磷灰灰石石等等非非生生物物活活性性磷磷酸酸钙
131、钙，然然后后可可在在生生理理环环境境下下转转化化成成生生物物活活性性的的形形式式。该方法有利于实现复杂形状制品表面的均匀涂层。该方法有利于实现复杂形状制品表面的均匀涂层。离离子子束束辅辅助助沉沉积积：借借助助离离子子束束的的轰轰击击作作用用，大大大大改改善善涂涂层层的的结结合合强强度度（近（近2 2倍），但涂层过薄。倍），但涂层过薄。（三）（三） 生物医用金属材料的表面改性生物医用金属材料的表面改性ch3生物材料生物医学工程基础教案水热反应法水热反应法：可在钛金属表面形成磷酸氢钙和羟基磷灰石薄膜，：可在钛金属表面形成磷酸氢钙和羟基磷灰石薄膜，热热分分解解法法：可可制制备备出出比比等等离离子子喷
132、喷涂涂层层更更薄薄（3030m m）的的羟羟基基磷磷灰灰石石涂涂层。层。电电化化学学沉沉积积法法：可可在在金金、铂铂、钛钛、铝铝、铁铁和和铜铜金金属属以以及及不不锈锈钢钢、Ti6Al4VTi6Al4V、Ni-TiNi-Ti和和Co-CrCo-Cr合金上沉积磷酸钙，改善生物相容性。合金上沉积磷酸钙，改善生物相容性。激激光光熔熔覆覆涂涂层层：以以其其它它方方法法制制备备的的涂涂层层为为预预制制涂涂层层，利利用用大大功功率率激激光光器器对预制涂层进行快速融化和凝固，使集体与涂层结合更牢固。对预制涂层进行快速融化和凝固，使集体与涂层结合更牢固。表面修饰表面修饰：钙钙离离子子注注入入：在在钛钛金金属属表
133、表面面外外延延生生长长钛钛酸酸钙钙（CaTiOCaTiO3 3），提提高高磷酸钙沉积速度，加快植入后骨组织形成。磷酸钙沉积速度，加快植入后骨组织形成。含含钙钙离离子子的的溶溶液液浸浸泡泡：可可形形成成氢氢氧氧化化钙钙和和钛钛酸酸钙钙修修饰饰层层，具具有有加速磷酸钙沉积和提高骨性结合能力。加速磷酸钙沉积和提高骨性结合能力。ch3生物材料生物医学工程基础教案ch3生物材料生物医学工程基础教案多孔金属：生物组织可长入，提高界面机械固定作用。降低弹性模量，提高力学相容性。ch3生物材料生物医学工程基础教案RIBBED（Ti6AI4V)关节面有微孔型和HA喷涂ch3生物材料生物医学工程基础教案ch3生物
134、材料生物医学工程基础教案（四）（四）（四）（四） 生物医用金属材料研究与发展生物医用金属材料研究与发展生物医用金属材料研究与发展生物医用金属材料研究与发展 与高分子材料和陶瓷材料相比较，金属材料获得广泛应用的原因主要是其较高的强度、韧性和加工性能；而其临床失效的原因则大部分由于其不佳的生物相容性、耐腐蚀性和耐磨性。ch3生物材料生物医学工程基础教案材料特性材料特性金属金属高分子高分子陶瓷陶瓷生物相容性生物相容性不太好不太好较好较好很好很好耐腐蚀性耐腐蚀性多数不耐侵蚀（除多数不耐侵蚀（除贵金属外）表面易贵金属外）表面易变质变质耐侵蚀耐侵蚀化学性能稳定，耐化学性能稳定，耐侵蚀，不易氧化、侵蚀，不易
135、氧化、水解或降解。水解或降解。耐热性耐热性较好，耐热冲击较好，耐热冲击受热易变形，易老受热易变形，易老化化热稳定性好，耐热热稳定性好，耐热冲击冲击强度强度很高很高差差高高耐磨性耐磨性不太好，磨屑易污不太好，磨屑易污染周边组织染周边组织不耐磨不耐磨耐磨性好，脆性大，耐磨性好，脆性大，无延展性无延展性弹性模量弹性模量较高较高低低高高韧性韧性高高高高低低加工与成型加工与成型性性非常好，可加工成非常好，可加工成任意形状，延展性任意形状，延展性良好良好可加工性好，有一可加工性好，有一定韧性定韧性差差ch3生物材料生物医学工程基础教案（一）、存在问题体内离子释放与人体组织的力学性能差异（二）、发展方向1、
136、材料的表面改性2、材料的构造改型（多孔金属）3、材料的成分改型4、材料设计ch3生物材料生物医学工程基础教案二二 生物医用无机非金属材料生物医用无机非金属材料（一）（一） 发展概况发展概况 无机材料很早就应用于人体，但70年代以前大部分是生物惰性材料。之后以生物玻璃（ 1969年，L. Hench，美国Florida大学）为发端的生物活性材料成功地应用于临床，可吸收陶瓷（70年代）等生物降解材料亦开发成功并应用于临床（80年代），目前，随着纳米材料与技术的发展，纳米生物医用无机材料正在引起人们的重视。ch3生物材料生物医学工程基础教案 生物陶瓷除用于测量、诊断治疗等外，主要是用作生物生物硬组织
137、的代用材料硬组织的代用材料。可用于骨科、整形外科、牙科、口腔外科、心血管外科、眼外科、耳鼻喉科及普通外科等方面。如人工牙齿（根）、人工骨、人工关节、骨折固定器具、人工眼等。ch3生物材料生物医学工程基础教案（二）（二）（二）（二） 性能特点性能特点性能特点性能特点l良好的化学稳定性；良好的化学稳定性；但在制备过程会引入有害的杂质元素，需严格控制。但在制备过程会引入有害的杂质元素，需严格控制。可降解材料要考虑降解产物的影响。可降解材料要考虑降解产物的影响。l良好的生物相容性；良好的生物相容性；l良好的消毒灭菌性能；良好的消毒灭菌性能；l较难成型加工；较难成型加工；l力学性能：脆性较大。力学性能：
138、脆性较大。ch3生物材料生物医学工程基础教案（三）（三）（三）（三） 材料分类材料分类材料分类材料分类l按按材料性质材料性质生物陶瓷生物陶瓷如单晶和多晶氧化铝陶瓷、羟基磷灰石陶瓷等如单晶和多晶氧化铝陶瓷、羟基磷灰石陶瓷等生物玻璃生物玻璃如如45S5玻璃玻璃生物玻璃陶瓷生物玻璃陶瓷如如DICOR玻璃陶瓷玻璃陶瓷无机骨水泥无机骨水泥如如-TCP-TCP骨水泥骨水泥生物复合无机材料生物复合无机材料羟基磷灰石羟基磷灰石+-TCP-TCP复合材料、碳纤维复合材料、碳纤维增强无机骨水泥增强无机骨水泥l按按来源来源天然生物矿物天然生物矿物钙化的贝壳和珍珠钙化的贝壳和珍珠合成的无机材料合成的无机材料羟基磷灰石
139、陶瓷、羟基磷灰石陶瓷、-TCP-TCP人工骨人工骨生物衍生材料生物衍生材料冻干骨片冻干骨片ch3生物材料生物医学工程基础教案l按按生理环境中的反应水平生理环境中的反应水平生物惰性无机材料生物惰性无机材料氧化铝、氧化锆、氧化硅陶瓷，热解碳氧化铝、氧化锆、氧化硅陶瓷，热解碳生物活性无机材料生物活性无机材料羟基磷灰石陶瓷、羟基磷灰石陶瓷、4545S5S5玻璃、生物活性玻玻璃、生物活性玻璃陶瓷璃陶瓷生物可降解无机材料生物可降解无机材料可溶性铝酸钙陶瓷、可溶性铝酸钙陶瓷、 -TCP-TCP陶瓷等陶瓷等 （后续内容按该分类进行介绍）（后续内容按该分类进行介绍）l按按临床应用临床应用肌肉肌肉骨骼系统用材：热
140、解碳纤维骨骼系统用材：热解碳纤维软组织用材：碳纤维软组织用材：碳纤维跟腱跟腱硬组织用材：磷酸钙陶瓷、生物玻璃及生物玻璃陶瓷硬组织用材：磷酸钙陶瓷、生物玻璃及生物玻璃陶瓷骨、牙骨、牙心血管系统用材：碳质材料心血管系统用材：碳质材料药物释放载体材料：药物释放载体材料：-TCP-TCP等等临床诊断及生物传感器材料临床诊断及生物传感器材料陶瓷温度传感器陶瓷、羟基磷灰陶瓷温度传感器陶瓷、羟基磷灰石经皮装置石经皮装置ch3生物材料生物医学工程基础教案（四）（四）（四）（四） 生物惰性无机材料生物惰性无机材料生物惰性无机材料生物惰性无机材料结构稳定，具有较高化学稳定性，在体内耐氧化、耐腐结构稳定，具有较高化
141、学稳定性，在体内耐氧化、耐腐蚀、不降解、不变性。蚀、不降解、不变性。分子中的键力较强，都具有较高的机械强度和耐磨性等。分子中的键力较强，都具有较高的机械强度和耐磨性等。不参与体内代谢过程，与骨组织不能产生化学结合，被不参与体内代谢过程，与骨组织不能产生化学结合，被纤维结缔组织膜包围，形成纤维骨性结合界面。纤维结缔组织膜包围，形成纤维骨性结合界面。主要有氧化物（氧化铝、氧化锆等）陶瓷、非氧化物陶主要有氧化物（氧化铝、氧化锆等）陶瓷、非氧化物陶瓷、碳质材料、惰性玻璃陶瓷、以及长石类陶瓷等。瓷、碳质材料、惰性玻璃陶瓷、以及长石类陶瓷等。主要用于人工关节、人工骨和口腔种植材料。主要用于人工关节、人工骨
142、和口腔种植材料。主要是指化学性能稳定，生物相溶性好的无机材料。主要是指化学性能稳定，生物相溶性好的无机材料。ch3生物材料生物医学工程基础教案1 1、氧化物、非氧化物陶瓷、氧化物、非氧化物陶瓷、氧化物、非氧化物陶瓷、氧化物、非氧化物陶瓷( (一）氧化物陶瓷一）氧化物陶瓷 1 1、氧化铝陶瓷：、氧化铝陶瓷：（1 1）多多晶晶氧氧化化铝铝陶陶瓷瓷：是是指指主主晶晶相相为为刚刚玉玉（ -Al-Al2 2O O3 3) )的的陶陶瓷瓷材材料料（45%45%）。）。l性能特点：机械强度高，耐高温、耐化学腐蚀、生物相容性好。性能特点：机械强度高，耐高温、耐化学腐蚀、生物相容性好。性能指标性能指标Al2O3
143、含量（含量（%）60809099抗压强度抗压强度(MPa)4006609401200抗弯强度抗弯强度(MPa)83134187247弹性模量弹性模量(GPa)108230318400ch3生物材料生物医学工程基础教案高纯氧化铝陶瓷的物理性能高纯氧化铝陶瓷的物理性能密度密度(g/cm3)3.93导热系数导热系数(W/mK29.30抗压强度抗压强度(MPa)4000比热比热(kJ/KgK)1.05抗弯强度抗弯强度(MPa)400熔融温度熔融温度(C)2050弹性模量弹性模量(MPa)350电阻率电阻率(m)1013硬度硬度(HV)2200介电常数介电常数9.2热膨胀系数热膨胀系数(10-6K-1)
144、6.6磁化系数磁化系数(10-6)-1.45l氧化铝用作生物材料始于70年代初，目前已广泛用于制作人工牙根、人工关节和人工骨。ch3生物材料生物医学工程基础教案纯刚玉金属人工关节ch3生物材料生物医学工程基础教案（2 2）单晶氧化铝陶瓷）单晶氧化铝陶瓷l氧化铝单晶也称宝石，添加剂不同，制得单晶材料颜色不同，如红宝氧化铝单晶也称宝石，添加剂不同，制得单晶材料颜色不同，如红宝石、蓝宝石等。石、蓝宝石等。l性能特点：性能特点：机械强度、硬度、耐磨性、耐腐蚀性都优于多晶氧化铝陶瓷机械强度、硬度、耐磨性、耐腐蚀性都优于多晶氧化铝陶瓷单晶结构完整，无脆弱晶间相。单晶结构完整，无脆弱晶间相。生物相溶性也优于
145、多晶氧化铝陶瓷生物相溶性也优于多晶氧化铝陶瓷单晶体性能单晶体性能单晶体单晶体多晶体多晶体外观外观抗压强度抗压强度(MPa)抗拉强度抗拉强度(MPa)抗弯强度抗弯强度(MPa)弹性模量弹性模量(GPa)硬度硬度(HV)冲击韧性冲击韧性(MPacm)影响因素影响因素加工性能加工性能无色透明无色透明5000650130040021007.6晶格缺陷、表面伤痕、裂纹晶格缺陷、表面伤痕、裂纹直线状、棒状直线状、棒状白色（黄白色）白色（黄白色）500025050038018005.4纯度、密度、晶粒大小纯度、密度、晶粒大小可加工成任意形状可加工成任意形状ch3生物材料生物医学工程基础教案l可以用作生物医用
146、材料的氧化物陶瓷主要是铝、镁、钛、锆等的氧化物，如：氧化锆陶瓷由于其高强度和断裂韧性用于人工关节，氧化锆更多还用作复合材料的增强剂或等离子体喷涂材料。l非氧化物陶瓷临床应用较少，主要是用作硬组织的替换材料。非氧化物陶瓷主要是硼化物、氮化物、碳化物、硅化物等陶瓷。如：碳化硅陶瓷，硬度大，具有高强度，导热、导电性好，是一种耐蚀、耐磨材料。氮化硅陶瓷，具有高断裂韧性和抗弯强度，用它替代氧化锆陶瓷作人工关节，有更好的使用寿命。ch3生物材料生物医学工程基础教案生物陶瓷人工关节生物陶瓷人工关节ch3生物材料生物医学工程基础教案2 2、碳质材料、碳质材料碳质材料应用广泛，在外科植入物中主要包括热解碳、玻璃
147、碳、碳纤碳质材料应用广泛，在外科植入物中主要包括热解碳、玻璃碳、碳纤维和蒸汽沉积碳。维和蒸汽沉积碳。碳质材料结构特点碳质材料结构特点：l金刚石结构、石墨结构、无定形层状结构。金刚石结构、石墨结构、无定形层状结构。l无定形层状结构点阵无序排列、各向同性，是医学领域主要应用无定形层状结构点阵无序排列、各向同性，是医学领域主要应用的碳质材料。的碳质材料。碳质材料的类型与制备碳质材料的类型与制备：1、热解碳：目前国内外应用最多的碳质材料。、热解碳：目前国内外应用最多的碳质材料。1000-2400C，碳氢化合物在流化床内热解，使碳沉积于石墨碳氢化合物在流化床内热解，使碳沉积于石墨基材上。基材上。1500
148、C，低温各向同性碳（低温各向同性碳（LTI-Carbon）可加入合金元素（如硅）提高其硬度可加入合金元素（如硅）提高其硬度2、玻璃碳：、玻璃碳：控制加热预成型高分子材料（如酚醛树脂等），使之挥发而余下玻控制加热预成型高分子材料（如酚醛树脂等），使之挥发而余下玻璃状剩余物。璃状剩余物。横截面厚度横截面厚度360130.75.34、碳纤维增强复合材料1）碳纤维增强）碳纤维增强PMMA复合材料复合材料颅骨修复颅骨修复ch3生物材料生物医学工程基础教案（三）（三）（三）（三） 生物无机与金属复合材料生物无机与金属复合材料生物无机与金属复合材料生物无机与金属复合材料 涂层种类应用范围1.氧化物陶瓷涂层2
149、.非氧化物陶瓷涂层3.生物玻璃和生物玻璃陶瓷涂层4.碳质涂层5.羟基磷灰石涂层1.齿根、关节骨柄、骨头、臼、人工骨2.关节摩擦部位、股骨头、杯3.齿根、关节骨柄、臼座4.心脏瓣膜、血管修补材、股骨头、齿根5.齿根、关节骨柄、人工骨RIBBED（Ti6AI4V)关节面微孔型和HA喷涂ch3生物材料生物医学工程基础教案（一）（一）（一）（一） 概述概述概述概述1、分类按用途：l治疗用生物敏感材料：自身能感知外界环境的细微变化，并能产生相应的物理结构和化学性质的改变甚至是突变。以响应凝胶为主，以此为基础制成智能型药物体系。l检测用敏感材料l主要用作传感器中的敏感材料，感知人体的物理量。按敏感特性：l
150、磁敏、电敏、光敏、热敏、压电材料2、性能要求良好的生物相容性极高的敏感度稳定、可靠、长寿命四四 无机生物敏感材料无机生物敏感材料ch3生物材料生物医学工程基础教案（二）（二）（二）（二） 无机非金属生物敏感材料无机非金属生物敏感材料无机非金属生物敏感材料无机非金属生物敏感材料1、生物医用磁敏材料利用热磁效应进行医疗检测或控制释药、治疗2、生物医用光敏材料光纤生物传感器测定血清中的自由胆固醇含量3、生物医用压电材料主要用于人体血压检测；心音、颈动脉和颈静脉静波检测；血流量测定；呼吸系统计量等。常用材料：l压电石英单晶微重力免疫生物传感器、超声波诊断仪l压电陶瓷4、生物医用热敏材料1）热敏电阻陶瓷
151、用于测量人体深部体温变化2）温度响应性材料：形状记忆合金卤化银光纤CO2激光手术刀ch3生物材料生物医学工程基础教案（一（一（一（一 ）概）概）概）概 述述述述l组织工程组织工程（Tissue Engineering）是近年来正在兴起的一门新兴学科，组织工程一词最早是由美国国家科学基金会1987年正式提出和确定的。它是应用生命科学和工程学的原理与技术，在正确认识哺乳动物的正常及病理两种状态下结构与功能关系的基础上，研究、开发用于修复、维护、促进人体各种组织或器官损伤后的功能和形态生物替代物的科学。l组织工程的核心组织工程的核心就是建立细胞与生物材料的三维空间复合体，即具有生命力的活体组织，用以
152、对病损组织进行形态、结构和功能的重建并达到永久性替代。其基本原理和方法基本原理和方法是将体外培养扩增的正常组织细胞，吸附于一种生物相容性良好并可被机体吸收的生物材料上形成复合物，将细胞-生物材料复合物植入机体组织、器官的病损病分，细胞在生物材料逐渐被机体降解吸收的过程中形成新的在形态和功能方面与相应器官、组织相一致的组织，而达到修复创伤和重建功能的目的。 五五 组织工程与无机生物材料组织工程与无机生物材料ch3生物材料生物医学工程基础教案（二）（二）（二）（二） 组织工程支架材料组织工程支架材料组织工程支架材料组织工程支架材料 l生物相容性好、可被人体降解吸收的组织工程支架材料称为细胞外基细胞
153、外基质（质（ECMECM），其功能是为细胞提供生存空间，使细胞获足够的营养物质，进行气体交换，并使细胞按预制形态的三维支架生长，其形态和功能直接影响所构成的组织形态和功能。在细胞和生物材料的复合体植入机体病损部位后，生物支架被降解吸收，但种植的细胞继续增殖繁殖，形成新的具有原来特殊功能和形态的相应组织器官。 l用于组织工程的生物材料组织工程支架材料是组织工程的基础，是组织工程领域中的一个不可或缺的环节，因此组织工程支架材料组织工程支架材料自然形成了组织工程的一大分支。ch3生物材料生物医学工程基础教案l组织工程支架材料是根据材料用于不同人体组织，并根据具体替代组组织工程支架材料是根据材料用于不
154、同人体组织，并根据具体替代组织具备的功能所设计的。组织工程支架材料织具备的功能所设计的。组织工程支架材料包括包括：骨、软骨、血管、：骨、软骨、血管、神经、皮肤和人工器官，如肝、脾、肾、膀胱等的组织支架材料。神经、皮肤和人工器官，如肝、脾、肾、膀胱等的组织支架材料。l理想的理想的ECMECM应具有以下特点应具有以下特点：生物相容性好生物相容性好，在体内不引起炎症反应和毒性反应；，在体内不引起炎症反应和毒性反应；有可吸收性有可吸收性，能彻底地被自身组织所取代；，能彻底地被自身组织所取代；有可塑性有可塑性，可塑为任意的三维结构，植入后在体内仍可保持特定，可塑为任意的三维结构，植入后在体内仍可保持特定
155、形状；形状；表面化学特性和表面微结构表面化学特性和表面微结构利于细胞的粘附和生长；利于细胞的粘附和生长；降解速率降解速率可根据不同细胞的组织再生速率而进行调整。可根据不同细胞的组织再生速率而进行调整。 l目前组织工程所应用的材料很多，其中有可降解无机材料及无机材料目前组织工程所应用的材料很多，其中有可降解无机材料及无机材料与有机材料的复合物，如羟基磷灰石与有机材料的复合物，如羟基磷灰石- -甲壳素的复合物，羟基磷灰石甲壳素的复合物，羟基磷灰石- -PLAPLA的复合物等。多用于骨组织支架材料。的复合物等。多用于骨组织支架材料。ch3生物材料生物医学工程基础教案（三）（三）（三）（三） 无机生物
156、材料在骨组织工程中的应用无机生物材料在骨组织工程中的应用无机生物材料在骨组织工程中的应用无机生物材料在骨组织工程中的应用1骨组织构建骨组织构建组织工程骨的构建组织工程骨的构建又可以分为体内构建和体外构建两种形式又可以分为体内构建和体外构建两种形式体内构建是将成骨细胞体内构建是将成骨细胞-支架复合物植入体内，修复骨缺损。支架复合物植入体内，修复骨缺损。体外构建则是通过体外组织培养的方法应用水降解支架材料，体外构建则是通过体外组织培养的方法应用水降解支架材料，接种成骨细胞，构建骨组织。体外构建虽然具有一些在体内接种成骨细胞，构建骨组织。体外构建虽然具有一些在体内构建难以实现的优点，但是在传统的静态
157、培养条件下不能建构建难以实现的优点，但是在传统的静态培养条件下不能建造出厚度大于造出厚度大于0.7cm的骨组织。生物反应器和灌注培养系统的的骨组织。生物反应器和灌注培养系统的先后出现，改善了细胞、组织在体外培养的条件，有助于模先后出现，改善了细胞、组织在体外培养的条件，有助于模拟体内环境、获得营养、排除代谢产物和物质交换，和促进拟体内环境、获得营养、排除代谢产物和物质交换，和促进组织工程产品实现商品化。组织工程产品实现商品化。构建组织工程骨的方式有几种构建组织工程骨的方式有几种：支架材料与成骨细胞；支架材料与成骨细胞；支架材料与生长因子；支架材料与生长因子；支架材支架材料与成骨细胞加生长因子。
158、料与成骨细胞加生长因子。ch3生物材料生物医学工程基础教案l生长因子通过调节细胞增殖、分化过程并改变细胞产物的生长因子通过调节细胞增殖、分化过程并改变细胞产物的合成而作用于成骨过程，因此，在骨组织工程中有广泛的合成而作用于成骨过程，因此，在骨组织工程中有广泛的应用前景。应用前景。常用的生长因子有：成纤维细胞生长因子（常用的生长因子有：成纤维细胞生长因子（FGF）、）、转化生长因转化生长因子（子（TGF-）、）、胰岛素样生长因子（胰岛素样生长因子（IGF）、）、血小板衍化生长因子血小板衍化生长因子（PDGF）、）、骨形态发生蛋白（骨形态发生蛋白（BMP）等。它们不仅可单独作用，等。它们不仅可单独
159、作用，相互之间也存在着密切的关系，可复合使用。相互之间也存在着密切的关系，可复合使用。目前国外重点研究的项目之一，就是计算机辅助设计并复合生长目前国外重点研究的项目之一，就是计算机辅助设计并复合生长因子的组织工程生物仿真下颌骨支架。有人采用因子的组织工程生物仿真下颌骨支架。有人采用rhBMP-胶原和珊胶原和珊瑚羟基磷灰石（瑚羟基磷灰石（CHA）复骨诱导性的骨移植、修复大鼠颅骨缺损，复骨诱导性的骨移植、修复大鼠颅骨缺损，证实了复合人工骨具有良好的骨诱导性和骨传导性，可早期与宿证实了复合人工骨具有良好的骨诱导性和骨传导性，可早期与宿主骨结合，并促进宿主骨长大及新骨形成。用主骨结合，并促进宿主骨长大
160、及新骨形成。用rhBMP-胶原和珊瑚胶原和珊瑚复合人工骨修复兔下颌骨缺损，结果显示：复合人工骨修复兔下颌骨缺损，结果显示：2个月时，复合人个月时，复合人工骨修复缺损的效果优于单纯珊瑚工骨修复缺损的效果优于单纯珊瑚3个月时，与自体骨个月时，与自体骨移植的修复交果无明显差异。移植的修复交果无明显差异。ch3生物材料生物医学工程基础教案目目前前，用用组组织织工工程程骨骨修修复复骨骨缺缺损损的的研研究究，已已从从取取材材、体体外外培培养养、细细胞胞到到支支架架材材料料复复合合体体形形成成等等都都得得到到了了成成功功。有有人人用用自自体体骨骨髓髓、珊珊瑚瑚和和rhBMP-2复复合合物物修修复复兔兔下下颌
161、颌骨骨缺缺损损，结结果果表表明明：术术后后3个个月月，单单独独珊珊瑚瑚组组及及空空白白对对照照组组缺缺损损未未完完全全修修复复；珊珊瑚瑚-骨骨髓髓组组和和珊珊瑚瑚-rhBMP-2组组及及单单独独骨骨髓髓组组已已基基本本修修复复了了缺缺损损；而而骨骨髓髓、珊珊瑚瑚和和rhBMP-2复复合合物物组组在在2个个月月时时缺缺损损即即可可得得到到修修复复。用用骨骨基基质质成成骨骨细细胞胞与与松松质质骨骨基基质质复复合合物物自自体体移移植植修修理理工工复复颅颅骨骨缺缺损损的的动动物物实实验验，也也取取得得了了满满意意的的治疗效果。治疗效果。带带血血管管蒂蒂的的骨骨组组织织工工程程是是将将骨骨细细胞胞种种植
162、植于于预预制制带带管管蒂蒂的的生生物物支支架架材材料料上上，将将它它作作为为一一种种细细胞胞传传送送装装置置。我我们们将将一一定定形形状状的的thBMP-2、胶胶原原、珊珊瑚瑚复复合合物物植植入入狗狗髂髂骨骨区区预预制制骨骨组组织织瓣瓣，3个个月月时时，复合物已转变成血管化骨组织。复合物已转变成血管化骨组织。ch3生物材料生物医学工程基础教案3.7其它生物材料其它生物材料自学自学ch3生物材料生物医学工程基础教案3.8生物医学材料前沿生物医学材料前沿自学自学ch3生物材料生物医学工程基础教案3.9生物医学材料发展趋势生物医学材料发展趋势自学自学ch3生物材料生物医学工程基础教案作业：作业：1、
163、简述生物医用材料的含义及其演变过程。、简述生物医用材料的含义及其演变过程。2、生物医用材料的研究内容有哪些？、生物医用材料的研究内容有哪些？3、简述生物医用材料的分类方法及其相关类别？、简述生物医用材料的分类方法及其相关类别？4、人体的生理环境包括哪些范畴？、人体的生理环境包括哪些范畴？5、阐述生物医学材料与人体的相互作用情况。、阐述生物医学材料与人体的相互作用情况。6、剖析材料、剖析材料-生物体界面。生物体界面。7、简述生物医用材料的性能要求。、简述生物医用材料的性能要求。8、何为灭菌？何为消毒？简述二者的异同点。、何为灭菌？何为消毒？简述二者的异同点。9、有机生物材料植入人体时，其哪些特征会影响到组织的生、有机生物材料植入人体时，其哪些特征会影响到组织的生物学行为？并简述有机生物材料的应用情况。物学行为？并简述有机生物材料的应用情况。10、简述无机生物材料的种类、特点及其应用。、简述无机生物材料的种类、特点及其应用。11、简述生物医学材料前沿和发展趋势。（自学补充）、简述生物医学材料前沿和发展趋势。（自学补充）ch3生物材料生物医学工程基础教案
