医用生物功能材料及应用Word文件下载.docx
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对惰性材料而言，成纤维细胞会包裹在材料表面，将其与机体隔离开来，并有排斥异体现象出现，如果该层纤维组织较薄，我们则认为它是生物相容的C
感一原菌侵入机体，能克服机体的防御机能，在一定部位生长繁殖并引起病理生理过程。
体材料的植入能够使感染病原菌的数量从106降到102.
免疫反应——免疫反应是机体在进化过程中所获得的i°
识别自身、排斥异己i土的一种重要生理功能，在正常情况下，免疫系统通过细胞利（或）体液免疫机制以抵抗外界入侵的病原生物；
维持自身生理平衡；
以及消除突变细胞，起到保持机体的作用。
例如：
在同种异体组织、器官移植时，受者的免疫系统常对移植物产生排异反应（transplantrejection）,这是一个典型的免疫反应实例。
1.5材料反应及对机体的影响
金属腐蚀
聚合物老化
磨损
1.5.1金属腐蚀
金属腐蚀的类型
按机理可分为特理腐蚀、化学腐蚀与电化学腐蚀三种。
生活实际、工程实际中的金属腐蚀，绝大多数都属于电化学腐蚀。
对于医用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、腐蚀疲劳以及缝隙腐蚀等。
B：
腐蚀离子的特点
以金属合金为例，合金中的有些微量元素对人体的新陈代谢十分必要，微量Ni,Cr,Co,Fe有利于新陈代谢。
另外,一些金属如Ni,Co可通过肾脏排出，而6价Cr离子则会聚集在组织中，如果过多，则会产生毒性反应。
1.5.2聚合物老化
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，聚合物老化易形成的碎片、颗粒、小分子量单体物质，因此使用它时必须谨慎，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。
例如，医用缝合线降解时会产生酸性物质，如果量少，很容易被人体中的化学物质中利，如果老化产物较大，则会对周围组织产生损害。
1.5.3磨损
磨损危害例证：
人工关节常用材料为Ti6A14V,由于表面易氧化生成TiO2,其耐膳性差,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。
美国报道，美制钛合金人工全甑关节平均寿命一•般都低于10年。
目前，大量的人工骸关节是由坚硬的金属或陶逢的股骨头与超高分子聚乙烯的骸臼杯组合成，然而它的寿命也不超过25年。
长期随访资料显示，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。
这种磨损颗粒所导致的异物一巨细胞反应，乂称颗粒病，是晚期失败的最主要原因。
2.生物材料及其生物相容性
2.1生物相容性概念
生物相容性是生物医用材料与人体相互作用产生各种受杂的生物、物理、化学反应的一种概念，它用于表征材料在特定应用中与有机体相互作用的生物学行为。
2.2生物相容性的分类
根据材料接触部位分为两类：
1、血液相容性：
材料用于心血管系统与血液接触，主要考察与血液的相互作用；
2、与心血管外的组织和器官接触，组要考察与组织的相互作用，也称一般生物相容性；
此外，对于用于承裁的材料，还要考察
3、力学相容性
用作股骨的材料，如果弹性模量过高，会导致周围组织瘦化。
2.3生物材料的一般性能要求
1.力学性能：
材料要有合适的强度、硬度、韧性、塑性等力学性能以满足耐磨、耐压、抗冲击、抗疲劳、弯曲等医用要求。
2.耐生物老化性能：
材料在活体内要有较好的化学稳定性，能够长期使用，即在发挥其医疗功能的同时要耐生物腐蚀、耐生物老化。
3.成形加工性能：
容易成形和加工，价格适中。
生物材料用于人体组织和器官的诊断、修夏或增进其功能的一类高技术材料，其作用药物不可替代。
1、生物材料可以是人工，也可以是天然材料；
2、生物材料可由全部或部分活体结构组成，也可是由执行、增进或替换失去的某种人体功能的医用装置构成；
3、生物材料只能执行、增进或替换因疾病、损伤等失去的某种功能，而不能恢复缺陷部位；
4、生物材料在各种材料中数量少，非纯医学专用，多来源于其它材料。
2.5生物材料分类
按材料功能划分：
1、血液相容性材料应不发生血栓利与血液不发生作用，如肝素化材料、骨胶原材料等，用于人工气管、人工心脏、血浆分离膜、血液灌流用吸附剂、细胞培养基材等；
2、软组织相容性材料如隐形眼睛片的高分子材料，聚硅氧烷、聚氛基酸等，用于人工皮肤、人工气管、人工食道、人工输尿管、软组织修补等领域；
3、硬组织相容性材料如医用金属、聚乙烯、生物陶瓷等，关节、牙齿、其它骨骼等；
4、生物降解材料如甲壳素、聚乳酸等，用于缝合线、药物载体、粘合剂等；
5、高分子药物多肽、胰岛素、人工合成疫苗等,用于糖尿病、心血管、癌症以及炎症等。
按材料来源分类：
1、自体材料
2、同种异体器官及组织；
3、异体器官及组织；
4、人工合成材料；
5、天然生物材料
2.2.1.1医用不锈钢
具有一定的耐腐蚀性和曳好的综合力学性能，且加工工艺简便，是生物医用金属材料中应用最多，最广的材料。
常用钢种有US304、316、316L、317、317L等。
医用不锈钢植入活体后，可能发生点蚀，偶尔也产生应力腐蚀利腐蚀疲劳。
医用不锈钢临床前消毒、电解抛光和钝化处理，可提高耐蚀性。
医用不锈钢在骨外科利齿科中应用较多°
2.2.2生物医用高分子
2.2.3生物医用无机非金属材料
生物无机材料主要包括生物陶瓷、生物玻璃和医用碳素材料。
按植入生物活体内引起的组织与材料反应，生物陶逢分为：
⑴近于惰性的生物陶瓷，如氧化铝生物陶瓷、氧化错生物陶瓷；
（2）表面活性生物陶瓷，如磷酸钙基生物陶瓷、生物活性玻璃陶瓷；
（3）可接收性生物陶瓷，如份磷酸三钙生物陶瓷、硫酸钙生物陶瓷°
生物活性玻璃陶瓷植入活体后，能够与体液发生化学反应，并在组织表面生成羚基磷灰石层，故可用于人工种植牙根、牙冠、骨充填料和涂层材料。
与自然骨比较，生物活性玻璃陶瓷虽然具有较高的强度，但韧性较差，弹性模量过高，易脆断，在生理环境中抗疲劳性能较差，目前还不能直接用于承力较大的人工骨。
医用碳素材料：
玻璃碳，低温和超低温各向同性碳、纤维碳及活性碳。
医用碳素材料的力学性能与其微观结构密切相关。
各向同性碳在保证断裂强度的同时，具有接近于日然骨的弹性模量。
医用碳素材料疲劳性能最优，强度不随循环载荷作用而卜降。
无序堆垛的碳材料耐磨性理想。
医用碳素材料在生理环境中较稳定，近于惰性，具有较好的生物相容性，不会引起凝血和溶血反应，特别适合于在生理环境中使用。
医用碳材料已大量用于心血管系统的修复，如人工心脏瓣膜、人工血管。
还可作为金属利聚合物的涂层材料。
2.3.4生物医用复合材料
生物医用夏合材料是由二种或二种以上不同材料夏合而成的。
按基材分为：
高分子基、陶瓷基、金属基等生物医用复合材料。
按增强体形态和性质分为纤维增强、颗粒增强、生物活性物质充填生物医用复合材料。
按材料植入体内后引起的组织与材料反应分为：
生物惰性、生物活性和可吸收性生物医用复合材料。
3、生物医用材料相容性评价
4.生物材料的机械性能及测试
4.1生物材料机械性能评价
4.1.1测试标准
ASTM（theAmericanSocietyfbrTestingandMaterials）
拉伸强度测试标准
金属ASTME8
橡胶ASTMD412
刚性塑料ASTMD638
4.1.2儿点说明
1、医用金属作为受力期间，在人体内服役，其受力状态及其复杂，如人工关节，每年要承受约3.6X106次、且数倍于人体重量的载荷冲击利磨损O
2、人体骨的力学性能因年龄、部位而异，评价骨和材料的机械性能最重要的指标有：
抗拉抗压强度、屈服强度、弹性模量。
疲劳极限和断裂韧性等；
3、对于摩擦部位的材料，一般用硬度反映其耐磨性能°
4、弹性模景是生物材料的重要性质之一，过高过低都不行°
模星相对与骨过高，在应力作用下，承受应力的金属和骨将产生不同的应变，在金属与骨的接触面会出现相对位移，从而造成界面处松动；
R时间卜一，还会造成应力屏蔽，引起骨组织的功能退化和吸收。
过低，变形较大，起不到固定和支撑作用。
目前已有的标准有：
1、TS010993.1-1992至ISO10993.12-1992；
2、美国ASTM（F748-82）标准;
3、美、英、加拿大三国标准；
4、我国在美国和FI本的基础上，1997年由卫生部颁布了我们自己的标准。
4.3生物材料装置设计原则
心瓣是心脏内防止血液倒流的瓣膜，是心脏内的重要组织之一。
村前国际上普遍采用的先进的stjude等全碳双叶人工心脏瓣膜，现在的人工心瓣最大的问题是当血球、血小板与人工心瓣接触后，会在表面黏附和坏死，最后凝结成血栓，影响人工心瓣的功能，受术者需用抗凝约物处理和严格监护，因而人工心瓣的应用受到限制，且致命性的并发症发生率高（12年内死亡率达58%）。
5生物医用材料的化学稳定性
5.1高分子材料
在合成与加工过程中产生低分子和单分子物质，对生物体产生不良反应.
交联与裂解
老化----高聚物
5.2无机材料
生物陶瓷
a生物惰性材料氧化物、非氧化物陶慌
B可降解生物活性陶瓷CaSiO4
P-Ca3（PO4）2
5.3材料的成型与加工技术
人工肺---透氧膜（聚丙烯薄膜）
支架材料------熔炼加工，特殊工艺
生物陶瓷关节---计算机辅助设计
5.4消毒灭菌
高温蒸汽灭菌115C以上
化学消毒灭菌
乙醇75%
过氧化物H2O203K3MnO4
卤素
醛类甲醛戊二醛
气体环氧乙烷
辐照；
Y射线
激光
低温气体等离子体
6.生物医用材料研究内容
6.1材料制备
6.1.1传统制备
A陶瓷材料
陶瓷成型
陶瓷烧结：
热压烧结无压烧结
反应烧结气氛烧结
重烧结等静压烧结
微波烧结爆炸烧结
高分子材料加工方法
注塑成型挤型成型
压延成型模压成型
层压成型浇注成型
冷压成型烧结成型
旋转成型吹型成型
6.1.2杂化材料
活体材料与非活体材料复合体
组织生长替代物
6.1.3聚合物/无机纳米复合材料
聚合物填充无机微粒复合材料
混合填充比例混合模压成型
嵌入纳米夏合材料溶胶凝胶法
6.1.4基因工程和细胞工程
分子水平DNA利RNA遗传物质:
重组
四步：
1制备DNA分子片段2.体外重组DNA3.基因转移4.筛选
例：
人工合成胰岛素
6.2生物医用材料的组成，理化性能,微观结构研究
手段:
仪器名称作用
6.3材料与生物体的相互作用
血液反应组织反应免疫反应
6.4材料与生物体的组织作用界面
6.5材料在生物体内的代谢产物和途径
7.生物医用材料的研究现状，研究方向和发展趋势
研究现状:
八个方面
研究方向；
十个方向
发展趋势:
筛选新材料研究相容性建立评价方法和标准加强表面光饰界面研究合成新材料
1.概述
整形外科
牙科
2.生物医用金属材料特性与生物相容性
金属毒性
耐生理腐蚀性
机械性能与生物相容性
3.常见生物医用金属材料
a.医用不锈钢
组成、生产工艺与性质：
316L（0Crl7Nil2Mo2）317L
合金元素作用Cr提高电极电位，抗蚀
Ni、Cr稳定奥氏体结构单一奥氏体组织
金属是由多晶体组成的,它的多晶体结构是在金属结晶过程中形成的。
组成铁碳合金的铁具有两种晶格结构：
910°
C以下为具有体心立方晶格结构的。
——失,910°
C以上为具有面心立方晶格结构的丫——铁。
材料基础知识
如果碳原子挤到铁的晶格中去，而乂不破坏铁所具有的晶格结构，这样的物质称为固溶体。
碳溶解到。
——铁中形成的固溶体称铁素体，它的溶碳能力极低，最大溶解度不超过0.02%。
而碳溶解到Y——铁中形成的固溶体则称奥氏体，它的溶碳能力较高，最高可达2%。
奥氏体是铁碳合金的高温相。
钢在高温时所形成的奥氏体，过冷到727°
C以下时变成不稳定的过冷奥氏体。
如以极大的冷却速度过冷到230°
C以卜,这时奥氏体中的碳原子已无扩散的可能，奥氏体将直•接转变成一种含碳过饱和的a固溶体，称为马氏体。
由于含碳量过饱和，引起马氏体强度利硬度提高、塑性降低，脆性增大。
不锈钢的耐蚀性主要来源于铭。
实验证明，只有含格量超过12%时钢的耐蚀性能才会大大提高，因此，不锈钢中的含格量一•般均不低于12%.由于含铝量的提高，对钢的组织也有很大影响，当倍含星高而碳含量很少时，倍会使铁碳平衡，图上的丫相区缩小，甚至消失，这种不锈钢为铁素体组织结构，加热时不发生相变，称为铁素体型不锈钢。
当含铭量较低（但高于12%）,碳含量较高，合金在从高温冷却时，极易形成马氏体，故称这类钢为马氏体型不锈钢。
锲可以扩展Y相区，使钢材具有奥氏体组织。
如果锲含量足够多，使钢在室温下也具有奥氏体组织结构，则称这种钢为奥氏体型不锈钢制作方法；
真空熔炼——纯化生物相容性
a.均匀腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、磨损、疲芳腐蚀临床应用
人工关节、骨折内固定器械
镶牙、齿科矫形、牙根种植、辅助器械
心血管植入电极、传感器、人工心脏瓣膜、血管支架眼科固定环、人工眼导线、眼眶填充避孕环、输卵管栓堵
b.钻基合金
Co-Cr-Mo奥氏体
耐蚀性比不锈钢高10倍、硬度高1/3人造甑关节，抗磨损锻造、抗疲劳生物相容性差
临床应用：
关节齿科
c.钛及钛合金
生物亲利性坡好、生物活性和骨结合力好易氧化TiO2钛合金TC4
钛表面处理渗氮、离子氮化、钝化加工工艺
d.医用贵金属
Au、Ag、Pt
牌\钮\错
骨板、修复颅骨、替代钛
f.记忆合金超弹性支架
g.磁性合金体内、体外固定作用
4.医用金属材料的研究进展
新合金开发表面改性多孔合金材料的配伍设计
第三部分:
生物医用无机材料
1.概况
无机材料是广义上的包括陶瓷、水泥、耐火材料、搪瓷、磨料以及新型无机材料等。
无机非金属材料是相对于金属材料而言的.金属材料一般是金属键原子相互作用；
无机非金属一般是共价键和离子键原子共同作用的结果。
非金属材料的原子组织结构要比金属材料复杂的多。
无机非金属材料的名目繁多，用途各异，月前尚没有统一而完善的分类方法。
通常把它们分为传统（普通）无机非金属材料和新型（特种）无机非金属材料两大类。
前者指以硅酸盐为主要成分的材料并包括一些生产工艺相近的非硅酸盐材料，如碳化硅、氧化铝陶瓷、硼酸盐、硫化物玻璃、镁质或铭质耐火材料和碳素材料等。
这一类材料通常生产历史较长、产量较高、用途也很广。
后者主要指20世纪以来发展起来的、具有特殊性质和用途的材料，如压屯、导体、半导体、磁性、超硬、高强度、超高温、生物工程材料以及无机夏合材料等。
1.医用无机材料的发展
1808年陶牙
1892年熟石膏（硫酸钙）填充骨缺损
1963年多孔铝酸盐
最近研究热点:
多孔氧化铝
玻璃碳
热解碳
羟基磷灰石
单晶氧化铝纳米生物医用无机材料
2.生物医用无机材料基本条件与要求
a电好的生物相容性
化学稳定性降解产物无毒
b杂质元素及溶出物含量低
As、Cd、Hg、Pb、重金属
C有效性
抗压、耐磨、热膨胀
d成型加工性能脆性
e耐消毒灭菌性
3.生物医用材料分类
按成分性质分：
单晶、多晶氧化铝、羟基磷灰石
生物玻璃
生物玻璃陶瓷
医用骨水泥
复合无机材料
按来源分：
天然钙化物贝壳、珍珠
合成无机材料人工骨（复合无机材料）
衍生材料冻干骨片
按照生物环境中发生的生物化学反应水平分类
生物惰性材料
微化铝热解碳就化倍氧化硅
生物活性无机材料
羟基磷灰石生物玻璃活性玻璃陶瓷
生物可降解无机材料
可溶性铝酸钙P-TCP陶瓷
生物医用无机纳米材料
纳米氧化铁羟基磷灰石超微粉
无机非金属材料的基本属性
•化学健主要是离于键、共价健以及它们的混合键；
•硬而脆、韧性低、抗压不抗拉、对缺陷敏感；
•焰点高，具有优良的耐高温和化学稳定性；
•一般自由电子数目少、导热性和导屯性较小；
•耐化学腐蚀性好；
•耐暗损°
2.生物惰性医用材料
化学性能稳定、生物相容性好
1.氧化物陶瓷与非氧化物陶瓷
2.碳质材料
热解碳、玻璃碳、沉积碳碳纤维
3.惰性生物玻璃陶瓷
玻璃中加入形核剂
4.其他生物惰性无机材料
3.生物活性医用无机材料
生物活性：
生物医用材料与骨组织之间的键合力，生物活性陶流，在人体内有一定的溶解，释放无害的离子，参与体内代谢，促进缺损组织的修复，显示有生物活性。
1.生物玻璃
1970年，Florida大学45S5生物玻璃
途径1.对生物活性键合机理研究
途径2.听小骨临床应用
途径3.骨增殖再生机理研究
途径4.骨再生的临床应用
2.羟基磷灰石（HAP）
人体和动物骨骼的主要无机成分
HAP的制备
湿法（水溶液反应法）
干法
水热合成法
熔解法
3.活性生物玻璃陶瓷
研究概况
1971年开始，美国，我国1984年
口腔应用
特点与应用：
MgSiO3-CaSiO3-Ca10（PO4）6三元人工骨微晶玻璃
Na2O-K2O-MgO-CaO-P2O5系玻璃陶瓷
A-W玻璃陶瓷
Biocrit玻璃陶瓷
3.其他生物活性医用无机材料
磷酸钙水泥
浆体易于成型
在环境中日行凝固
优度的生物活性
良好的机械性能
无毒具有免疫性
4.生物可降解医用无机材料
材料通过体液溶解吸收或被代谢系统排除体外，最终使受损部位完全被新生的骨组织取代，植入的可降解材料只起临时支架作用。
P-TCP陶祀
生物相容性与生物降解性
骨移植材料治疗骨缺损
5.纳米生物医用无机材料
磁性纳米粒子
定性治疗生物导弹
材料制备
材料性能
应用前景
6.医用无机材料的发展趋势
材料利植入体的日身改进和发展
科学的质虽控制和管理体系的建立临床诊断材料
药物缓释系统
组织衍生材料
•.概述高分子材料:
高分子材料是由相对分子质星较高的化合物构成的材料。
我们接触的很多天然材料通常是高分子材料组成的，如天然橡胶、棉花、人体器官等。
人工合成的化学纤维、塑料和橡胶等也是如此。
一般称在生活中大量采用的,已经形成工业化生产规模的高分子为通用高分子材料，称具有特殊用途与功能的为功能高分子。
高分子是生命存在的形式。
所有的生命体都可以看作是高分子的集合
按用途一般将通用高分子材料分为五类，即塑料、橡胶、纤维、涂料和黏合剂
槊料溯料根据加热后的情况乂可分为热型性朝料和热固性型料。
加热后软化，形成高分子熔体的型料成为热型性槊料,主要的热塑性型料有聚乙烯（PE［1］）、聚丙烯（PP⑵）、聚苯乙烯（PS［3］）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA,俗称有机玻璃［4］）、聚氯乙烯（PVC［5］）、尼龙（Nylon［6］）、聚碳酸酯（PC［7］）、聚氨酯（PU［8］）、聚四氟乙烯（特富龙,PTFE［9］）、聚对苯二甲酸乙二幅酯（PET,PETE［10］）、加热后固化，形成交联的不熔结构的塑料称为热固性型料：
常见的有环氧树脂［11］,酚醛塑料，聚酰亚胺，三聚机氨甲醛树脂等。
浏料的加工方法包括注射，挤出，膜压，热压，吹福等等。
橡胶：
橡胶乂可以分为犬然橡胶和合成橡胶。
天然橡胶的主要成分是聚异戊二烯。
合成橡胶的主要品种有丁基橡胶、顺「橡胶、氯丁橡胶、三元乙丙橡胶、丙烯酸酯橡胶、聚纸酯橡胶、硅橡胶、氟橡胶等等。
纤维：
合成纤维是高分子材料的另外一个重要应用。
常见的合成纤维包括尼龙、涤纶、腊纶聚酯纤维，芳纶纤维等等°
涂料:
涂料是涂附在工业或「I用产品表面起美观或这保护作用的一层高分子材料。
常用的工业涂料有环氧树脂，聚氨酯等。
黏合剂：
黏和剂是另外一类重要的高分子材料。
人类在很久以前就开始使用淀粉,树胶等天然高分子材料做黏合剂。
现代黏合剂通过其使用方式可以分为聚合型，如环氧树脂；
热融型，如尼龙，聚乙烯；
加压型，如天然橡胶：
水溶型，如淀粉。
生物医用高分子材料，以医用为目的，用于和活体组织接触，具有诊断，治疗或替换机体中组织、器官增进其功能的无生命高分子材料
人工器官
习惯上；
药物缓释体系、医用黏合剂、活性物质、诊断及层析分离用的固定化酮、抗原体、生物传感器，归为医用高分子材料
分类：
天然、合成（来源）
生物降解不可降解（稳定性）
人工脏器、固定、缝合材料、药用、诊断血液净化（用途）
研究范围
材料的合成：
通过共聚、共混、接枝、杂化、生物化改性
结构与性能研究
化学结构、表面结构及性能
生物相容性
短期急性组织反应：
毒性实验
中期：
发热原实验、溶血实验:
、细胞培养
长期：
皮下包埋、体内移植、材料老化实验、降解性实验
2.高分子材料的生物相容性
组织相容性
高分子材料中的杂质
物理力学性能
形状
表面形状结构
化学结构
分子结构与性质
血液相容性
血栓与抗凝血高分子材料
高分子材料的生物相容性
生物相容性是指植入生物体内的材料与肌体之间的适应性。
对生物体来说，植入的材料不管其结构、性质如何，都是外来异物。
出于本能的自我保护，一般都会出现排斥现象。
这种排斥反应的严重程度，决定了材料的生物相容性。
因此提高应用高分子材料与肌体的生物相容性，是材料和医学科学家们必须面对的课题。
医用高分子材料研发过程中遇到的-•个巨大难题是材料的抗血栓问题。
当材料用于人工器官植入体内时，必然要与血液接触。
由于人体的自然保护性反应将产生排异现象，其中之一即为在材料与肌体接触表面产生凝血，即血栓，结果将
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