生物醫(yī)用與仿生材料課件

Chapter6BiomaterialsandBiomimeticMaterals生物材料與仿生材料Chapter6BiomaterialsandBi6.1生物醫(yī)用（復合）材料

6.2組織工程材料6.3生物陶瓷6.4仿生復合材料JJJJ本章主要內容6.1生物醫(yī)用（復合）材料JJJJ本章主要內容6.1生物醫(yī)用（復合）材料

6.1.1生物材料的定義與分類6.1.2生物醫(yī)用材料的性能與分類6.1.3醫(yī)用金屬材料

6.1.4醫(yī)用高分子材料6.1.5無機生物醫(yī)學材料JJJJJ6.1生物醫(yī)用（復合）材料6.1.1生物材料的定義6.1.1生物材料的定義與分類

生物材料（Biomaterials）泛指一切與生物體相關的應用性材料或由生物體合成的材料。按其應用可分為生物醫(yī)用材料（BiomedicalMaterials）和與生物合成有關的應用材料。而按生物材料來源可分為天然生物材料和人工生物材料；與此同時材料學的發(fā)展使有些材料兼具天然和人工合成的特性。狹義的生物材料指的是能夠用來制作各種人工器官和制造與人體生理環(huán)境相接觸的醫(yī)療用具和制品的材料，即生物醫(yī)用材料。

6.1.1生物材料的定義與分類生物材料（生物材料包括三部分，即生物醫(yī)用材料，仿生材料和生物模擬。生物醫(yī)用材料：最重要的是材料與人體相容性和材料本身的性能，通過組織工程、生長因子、DNA和自組裝技術，可生產(chǎn)出人類的各種器官。事實上，除神經(jīng)系統(tǒng)以外，人的各種器官都可制造。仿生材料：生物是多年演化的結果，有很多特性值得模仿，通過深入研究現(xiàn)有生物體和生物現(xiàn)象而進行仿造，對材料的發(fā)展將起到推動作用。

生物材料的另一種分類方法生物材料包括三部分，即生物醫(yī)用材料，仿生材料和生物模擬。生物

生物醫(yī)用材料（BiomedicalMaterials）用于人體組織和器官的診斷、修復或增進其功能的一類高技術材料，即用于取代、修復活組織的天然或人造材料，其作用藥物不可替代。生物材料能執(zhí)行、增進或替換因疾病、損傷等失去的某種功能，而不能恢復缺陷部位。日本北海道大學的科學家們利用從鮭魚皮中提取的膠原制造全球首例人造血管。

生物醫(yī)用材料（BiomedicalMaterials）生物醫(yī)用與仿生材料課件

生物醫(yī)用材料與工業(yè)材料的最大區(qū)別是在生理環(huán)境下使用。移植在生物體內的仿生材料，除了能達到補鈣的目的以外，對周圍組織和血液不應該有不良的影響，即應具有生物相容性。另外，植入人體的仿生材料，應有足夠的力學性能，不能發(fā)生脆性破裂、疲勞斷裂及腐蝕破壞等，即應具有力學相容性。

生物醫(yī)用材料是生物醫(yī)學科學中的最新分支學科，是生物、醫(yī)學、化學和材料科學交叉形成的邊緣學科。具體涉及到化學、物理學、高分子化學、高分子物理學、生物物理學、生物化學、生理學、藥物學、基礎與臨床醫(yī)學等很多學科。生物醫(yī)用材料與工業(yè)材料的最大區(qū)別是在生理環(huán)境生物（醫(yī)用）材料的發(fā)展史目前被詳細研究過的生物（醫(yī)用）材料已超過1000種，被廣泛應用的有90多種，1800多種制品。西方國家每年耗用生物（醫(yī)用）材料量以10~15%的速度增長，1980年全球醫(yī)用生物（醫(yī)用）材料及制品的銷售額為200億美元，1990年達500億美元，1995年近1000億美元。歷史上首個人造心臟Jarvik-7，是在1982年植入病人BarneyClark的體內。他共活了112天。另一名也植入Jarvik-7的病人WilliamSchrodedr則活了620天。

生物（醫(yī)用）材料的發(fā)展史目前被詳細研究過的生物（醫(yī)用）材料已生物醫(yī)用材料是研制人工器官及一些重要醫(yī)療技術的物質基礎，綜觀人工器官及醫(yī)療裝置的發(fā)展史，每一種新型生物材料的發(fā)現(xiàn)都引起了人工器官及醫(yī)療技術的飛躍。生物惰性醫(yī)用硅橡膠—人工耳、人工鼻、人工頜骨等血液相容性較好的各向同性碳被復材料—碟片式機械心臟瓣膜血液親和性及物理機械性能較好的聚氨酯嵌段共聚物—促使人工心臟向臨床應用跨越一大步可形成假生物內膜的編織滌綸管—人工血管向實用化飛躍。生物醫(yī)用材料是研制人工器官及一些重要醫(yī)療技術的物質基礎，綜觀硅橡膠制作的人造器官

聚氨酯制造的人工心臟碟片式機械心臟瓣膜人工心臟硅橡膠制作的人造器官聚氨酯制造的人工心臟碟片式機械心臟瓣膜6.1.2生物醫(yī)用材料的性能與分類

指生物醫(yī)用材料具備或完成某種生物功能時應該具有的一系列性能。根據(jù)用途主要分為:承受或傳遞負載功能。如人造骨骼、關節(jié)和牙等，占主導地位控制血液或體液流動功能。如人工瓣膜、血管等電、光、聲傳導功能。如心臟起博器、人工晶狀體、耳蝸等填充功能。如整容手術用填充體等一、生物功能性

6.1.2生物醫(yī)用材料的性能與分類指生物醫(yī)用材料具人工心臟人工關節(jié)人工腎臟人工血管人工心臟人工關節(jié)人工腎臟人工血管科學家已從生物高分子材料或合成高分子材料中制造出了一二十種人造皮膚。他們把這些材料紡織成帶微細孔眼的皮片，上面還蓋著一層層薄薄的、模仿“表皮”的制品。

人造皮膚加拿大發(fā)明骨骼打印機復制立體人骨

人造骨骼組織相當精細，可用于整形、重建和脊椎手術?？茖W家已從生物高分子材料或合成高分子材料中制造出了一二十種人

指生物醫(yī)用材料有效和長期在生物體內或體表行使其功能的能力。用于表征生物材料在生物體內與有機體相互作用的生物學行為。根據(jù)材料與生物體接觸部位分為：血液相容性。材料用于心血管系統(tǒng)與血液接觸，主要考察與血液的相互作用與心血管外的組織和器官接觸。主要考察與組織的相互作用，也稱一般生物相容性力學相容性?？疾炝W性能與生物體的一致性二、生物相容性

指生物醫(yī)用材料有效和長期在生物體內或體表行使其功生物體對生物醫(yī)用材料的響應－宿主反應

A:血液反應

1、血小板血栓；

2、凝血系統(tǒng)激活；

3、纖溶系統(tǒng)激活；

4、溶血反應；

5、白細胞反應；

6、細胞因子反應；

7、蛋白粘附；B:免疫反應

1、補體激活；

2、體液免疫反應（抗原－抗體反應）；

3、細胞免疫反應。C:組織反應

1、炎癥反應；

2、細胞粘附

3、細胞增殖（異常分化）

4、形成蘘膜

5、細胞質的轉變1、生物學反應生物體對生物醫(yī)用材料的響應－宿主反應A:血液反應2、生物體對生物反應的變化

1.急性全身反應過敏、毒性、溶血、發(fā)熱、神經(jīng)麻痹等2.慢性全身反應毒性、致畸、免疫、功能障礙等3.急性局部反應炎癥、血栓、壞死、排異等4.慢性局部反應致癌、鈣化、炎癥、潰瘍等2、生物體對生物反應的變化1.急性全身反應材料在生物體內的響應－材料反應金屬腐蝕聚合物降解磨損

生物機體作用于生物醫(yī)用材料－材料反應，其結果可導致材料結構破壞和性質改變而喪失其功能?？煞譃槿缦氯齻€方面：材料在生物體內的響應－材料反應金屬腐蝕生物機體作用于生1、金屬腐蝕

生物體內的腐蝕性環(huán)境：（1）含鹽的溶液是極好的電解質，促進了電化學腐蝕和水解；（2）組織中存在具有催化或迅速破壞外來成分能力的多種分子和細胞。將對生物金屬材料產(chǎn)生腐蝕。

對于生物材料而言多為局部腐蝕，具體包括應力腐蝕開裂、點腐蝕、晶間腐蝕、腐蝕疲勞以及縫隙腐蝕等，導致生物材料整體破壞。雖然金屬材料在生物體內保持惰性狀態(tài)，但仍然可能會有物質溶入生物組織中，并對生物體組織產(chǎn)生毒性反應，造成組織的損害。如不銹鋼溶出的Cr＋6生物組織的毒性。1、金屬腐蝕生物體內的腐蝕性環(huán)境：對于生物材料而言多2、聚合物降解

聚合物在長期使用過程中，由于受到氧、熱、紫外線、機械、水蒸氣、酸堿及微生物等因素作用，逐漸失去彈性，出現(xiàn)裂紋，變硬、變脆或變軟、發(fā)粘、變色等，從而使它的物理機械性能越來越差的現(xiàn)象。

聚合物老化易形成的碎片、顆粒、小分子量單體物質，因此使用它時必須謹慎，對耐久性器件，必須保持一定強度和其它機械性能，老化產(chǎn)物不能對周圍組織有毒害作用。例如，醫(yī)用縫合線降解時會產(chǎn)生酸性物質，如果量少，很容易被人體中的化學物質中和，如果老化產(chǎn)物較大，則會對周圍組織產(chǎn)生損害。2、聚合物降解聚合物在長期使用過程中，由于受到3、磨損

人工關節(jié)常用材料為Ti6Al4V，由于表面易氧化生成TiO2，其耐磨性差，植入人體后，磨損造成在關節(jié)周圍組織形成黑褐色稠物，從而引起疼痛。鈦合金人工全髖關節(jié)平均壽命一般都低于10年。目前，大量的人工髖關節(jié)是由堅硬的金屬或陶瓷的股骨頭與超高分子聚乙烯的髖臼杯組合成，然而它的壽命也不超過25年。長期隨訪資料顯示，假體失敗的主要原因是超高分子聚乙烯磨損顆粒所造成的界面骨溶解，從而導致假體松動。這種磨損顆粒所導致的異物－巨細胞反應，又稱顆粒病，是晚期失敗的最主要原因。

3、磨損人工關節(jié)常用材料為Ti6A三、生物醫(yī)用材料的分類三種分類方法1、按應用性質來分類：抗凝血材料（心血管材料）、齒科材料、骨科材料、眼科材料、吸附解毒材料（血液灌流用）、假體材料、緩釋材料、生物粘合材料、透析及超濾用膜材料、一次性醫(yī)用材料，等等。三、生物醫(yī)用材料的分類三種分類方法2、按材料功能劃分：

1、血液相容性材料如人工瓣膜、人工氣管、人工心臟、血漿分離膜、血液灌流用吸附劑、細胞培養(yǎng)基材等；

2、軟組織相容性材料如隱形眼睛片的高分子材料，人工晶狀體、聚硅氧烷、聚氨基酸等，用于人工皮膚、人工氣管、人工食道、人工輸尿管、軟組織修補等領域；

3、硬組織相容性材料如醫(yī)用金屬、聚乙烯、生物陶瓷等，關節(jié)、牙齒、其它骨骼等；

4、生物降解材料如甲殼素、聚乳酸等，用于縫合線、藥物載體、粘合劑等；2、按材料功能劃分：3、按生物材料的屬性分類：天然生物材料—再生纖維、膠原、透明質酸、甲殼素等。合成高分子生物材料—硅橡膠、聚氨脂及其嵌段共聚物、滌綸、尼龍、聚丙烯腈、聚烯烴醫(yī)用金屬材料—不銹鋼、鈦及鈦合金、鈦鎳記憶合金等無機生物醫(yī)學材料—碳素材料、生物活性陶瓷、玻璃材料雜化生物材料—指來自活體的天然材料與合成材料的雜化，如膠原與聚乙烯醇的交聯(lián)雜化等復合生物材料—用碳纖維增強的塑料，用碳纖維或玻璃纖維增強的生物陶瓷、玻璃等3、按生物材料的屬性分類：具有活性涂層的鈦合金人工齒示意圖Fig.Schematicdiagramofthescrew-shapedartificialtooth.人工齒種植示意圖具有活性涂層的鈦合金人工齒示意圖Fig.Schematic

6.1.3醫(yī)用金屬材料在生物醫(yī)學材料中，醫(yī)用金屬材料應用最早，已有數(shù)百年的歷史。唐代就用銀汞合金（主要成份：汞、銀、銅、錫、鋅）來補牙。醫(yī)用金屬材料是指一類用作生物材料的金屬或合金，又稱外科用金屬材料。它是一類生物惰性材料，除具有較高的機械強度和抗疲勞性能，具有良好的生物力學性能及相關的物理性質外，還必須具有優(yōu)良的抗生理腐蝕性、生物相容性、無毒性和簡易可行及確切的手術操作技術.6.1.3醫(yī)用金屬材料在生物醫(yī)學材料中，醫(yī)用金屬材料應該材料是臨床應用最廣泛的承力植入材料，由于有較高的強度和韌性，已成為骨和牙齒等硬組織修復和替換、心血管和軟組織修復以及人工器官制造的主要材料。化學周期表中的大部分金屬不符合生物材料的要求，僅有小部分或經(jīng)處理過的可用于臨床。目前在臨床使用的醫(yī)用金屬材料主要有不銹鋼、鈷基合金和鈦基合金三大類，另外還有記憶合金、貴金屬以及純金屬鉭、鈮和鋯等。

該材料是臨床應用最廣泛的承力植入材料，由于有較高的強度和韌性1、不銹鋼鐵基耐蝕合金（一般由鐵、鉻、鎳、鉬、錳、硅組成），易加工、價格低廉。不銹鋼的耐蝕性和屈服強度可以通過冷加工而提高，避免疲勞斷裂。一般不銹鋼制成多種形體，如針、釘、髓內針、齒冠、、三棱釘?shù)绕骷腿斯ぜ袤w而用于臨床，不銹鋼還用于制作各種醫(yī)療儀器和手術器械。1、不銹鋼鐵基耐蝕合金（一般由鐵、鉻、鎳、鉬、錳、硅組成），

常用鋼種有US304、316、316L、317、317L等。醫(yī)用不銹鋼植入活體后，可能發(fā)生點蝕，偶爾也產(chǎn)生應力腐蝕和腐蝕疲勞。醫(yī)用不銹鋼臨床前消毒、電解拋光和鈍化處理，可提高耐蝕性。醫(yī)用不銹鋼在骨外科和齒科中應用較多。常用鋼種有US304、316、316L、2、鈷（Co）基合金

含有較高的鉻和鉬，又稱鈷鉻鉬合金，具有極為優(yōu)異的耐腐蝕性（比不銹鋼高40倍）和耐磨性，綜合力學性能和生物相容性良好，可通過精密鑄造成形狀復雜的精密修復體，有硬、中、軟三種類型。臨床上主要用于人工關節(jié)（特別是人體中受載荷最大的髖關節(jié)）人工骨及骨科內處固定器件的制造齒科修復中的義齒，各種鑄造冠、嵌體及固定橋的制造心血管外科及整形科等由于其價格較高，加工困難，應用尚不普及。2、鈷（Co）基合金含有較高的鉻和鉬，又稱鈷鉻鉬合金，具

人造髖關節(jié)的頭桿部分。從股骨上端插進金屬桿，桿頭有一個金屬頭，它嵌在粘于髖骨窩中的一個塑料臼中。

人造髖關節(jié)的頭桿部分。從股骨上端插進金屬桿，桿頭有一個生物醫(yī)用與仿生材料課件3、鈦（Ti）基合金

臨床應用廣泛，其質輕、比強度高、力學性質接近人骨、強度遠低于純鈦，耐疲勞、耐蝕性均優(yōu)于不銹鋼和鈷基合金，且生物相容性和表面活性好，是較為理想的一種植入材料?？箶嗔褟姸容^低，耐磨性能不盡人意，加工困難。冶煉及成型工藝復雜，要求條件較高。主要用于：修補顱骨，制成鈦網(wǎng)或鈦箔用于修復腦膜和腹膜、人工骨、關節(jié)、牙和矯形物、人工心臟瓣膜支架、人工心臟部件和腦止血夾、口腔頜面矯形頜修補、手術器械、醫(yī)療儀器頜人工假肢等。3、鈦（Ti）基合金臨床應用廣泛，其質輕、比強度高、力學頭顱微型鋼板鈦板頭顱微型鋼板鈦板4、形狀記憶合金

自1951年美國首次報道Au-Cd（金-鎘）合金具有形狀記憶效應以來，目前已發(fā)現(xiàn)有20多種記憶合金，其中以鎳鈦合金在臨床上應用最大。它在不同的溫度下表現(xiàn)為不同的金屬結構相。如低溫時為單斜結構相，高溫時為立方體結構相，前者柔軟可隨意變形，如拉直式屈曲，而后者剛硬，可恢復原來的形狀，并在形狀恢復過程中產(chǎn)生較大的恢復力。4、形狀記憶合金自1951年美國首次1969年，那個被阿波羅登月艙帶到月球上的環(huán)形天線，就是用極薄的記憶合金材料先在正常情況下按預定要求做好，然后降低溫度把它壓成一團，裝進登月艙帶上天去。放到月面上以后，在陽光照射下溫度升高，當達到轉變溫度時，天線又“記”起了自己的本來面貌，變成一個巨大的半球形。

1969年，那個被阿波羅登月艙帶到月球上的環(huán)形Ti-Ni記憶合金血管支架，用于管腔狹窄的治療Ti-Ni記憶合金血管支架，用于管腔狹窄的治療形狀記憶合金可以分為三種：單程記憶效應雙程記憶效應全程記憶效應形狀記憶合金可以分為三種：特點：奇特的形狀記憶功能、質輕、磁性微弱、強度較高、耐疲勞性能、高回彈性和生物相容性好等。應用：管腔狹窄的治療（喉氣管狹窄、食管狹窄、膽道狹窄、尿道狹窄及閉鎖等）：支架安入管腔狹窄的部位后，能將狹窄管腔撐開，并與管壁相貼緊，固定好；其生物相容性好，長期安放對黏膜無明顯損傷；其高回彈性能順應管道的彎曲，對人體刺激小。口腔科：用這種材料做成的種植牙具有齒槽骨切口小，固定牢靠等優(yōu)點。骨科：人工關節(jié)，斷骨連接、彎曲脊柱矯正。血管外科：治療主動脈瘤、冠狀動脈和椎動脈狹窄等。

特點：奇特的形狀記憶功能、質輕、磁性微弱、強度較高、耐疲勞性種植牙斷骨連接骨科用的形狀記憶合金種植牙斷骨連接骨科用的形狀記憶合金5、貴金屬（noblemetal）

是一種金屬或合金，如黃金具有極高的抗氧化性和抗腐蝕性。貴金屬具有獨特穩(wěn)定的物理和化學性能、優(yōu)異的加工特性、對人體組織無毒副作用、刺激小等優(yōu)良的生物學性能。主要用于口腔科的齒科修復，也可用于小型植入式電子醫(yī)療器械。純金屬鈮（Nb）

性能和應用范圍與鉭非常相似，用于修補顱骨和制作醫(yī)療器械。但由于來源困難，價格昂貴，使用受到限制，主要用于制造髓內釘?shù)取?、貴金屬（noblemetal）是一種金屬具有良好的抗生理腐蝕性和可塑性，獨特的表面負電性使其具有優(yōu)良的抗血栓性能和生物相容性，還有很高的抗缺口裂紋能力。植入骨內能和周圍的新骨形成骨性結合；植入軟組織中，肌肉等組織可依附在鉭條上正常生長。退火后的純鉭很軟，可加工成板、帶、箔、絲等使用。主要用作接骨板、顱骨板、骨螺釘、種植牙根、頜面修復體、義齒及外科手術縫線和縫合針；鉭網(wǎng)可用于肌肉缺損修補；鉭絲和箔用于縫合修補受損的神經(jīng)、肌腱和血管；鉭還可以用于血管內支架及人工心臟、植入型電子裝置；鉭的同位素可用于放射治療。純金屬鉭（Ta）具有良好的抗生理腐蝕性和可塑性，獨特的表面負電性使其具有優(yōu)良6.1.4醫(yī)用高分子材料醫(yī)用高分子材料：在醫(yī)學上應用的、尤其能在機體內使用的高分子材料。醫(yī)用高分子制品的研究，包括人工器官、醫(yī)療用品（輸血輸液用具、注射器、心導管、主動脈氣囊反搏器、角膜接觸鏡、中心靜脈插管、膀胱造瘺管、醫(yī)用粘合劑以及各種醫(yī)用導管、醫(yī)用膜、創(chuàng)傷包扎材料和各種手術、護理用品等）和藥用高分子（作為賦形劑、合成新型藥物）三大類。6.1.4醫(yī)用高分子材料醫(yī)用高分子材料：在醫(yī)學上應用的、尤一、天然高分子生物材料

人類機體的皮膚、肌肉、組織和器官都是由高分子化合物組成的，天然高分子生物材料是人類最早使用的醫(yī)用材料之一。天然材料具有不可替代的優(yōu)點：功能多樣性、與機體的相容性、生物可降解性以及對其進行改性與復合和雜化等研究。目前天然高分子生物材料主要有：天然蛋白質材料：膠原蛋白和纖維蛋白兩種天然多糖類材料：纖維素、甲殼素和殼聚糖等一、天然高分子生物材料人類機體的皮膚、肌肉、組織和器官都是1、天然蛋白質材料——膠原蛋白脊椎動物的主要結構蛋白，是支持組織和結構組織（皮膚、肌腱和骨骼的有機質）的主要組成成分。不同種類的動物的膠原結構極其相似。膠原與人體組織相容性好，不易引起抗體產(chǎn)生，植入人體后無刺激性．無毒性反應，能促進細胞增殖，加快創(chuàng)口愈合并具有可降解性，可被人體吸收，降解產(chǎn)物也無毒副作用?；締挝粸樵z原蛋白，由三條α—肽鏈相互擰成的三股螺旋狀結構的蛋白質，其分子量為30萬左右。三股螺旋狀結構1、天然蛋白質材料——膠原蛋白脊椎動物的主要結構蛋白，是支持膠原分散體具有再生特性，可以將其加工成不同形狀的制品而用于臨床，并越來越受到人們重視。膠原凝膠用作創(chuàng)傷敷料粉末用于止血劑和藥物釋放系統(tǒng)紡絲纖維用作人工血管、人工皮、人工肌腱和外科縫線薄膜用于角膜、藥物釋放系統(tǒng)和組織引導再生材料管用于人工血管、人工膽管和管狀器官空心纖維用于血液透析膜和人工肺膜海綿用于創(chuàng)傷敷料和止血劑等。膠原分散體具有再生特性，可以將其加工成不同形狀的制品而用于臨膠原蛋白的應用膠原蛋白的應用2、天然蛋白質材料——纖維蛋白

是纖維蛋白原在生理條件下凝固而成的一種材料。纖維蛋白可用不同方法進行化學改性，其中包括放射性碘化法、與合成高分子進行接枝和在纖維蛋白上進行酶的固定等。纖維蛋白主要來源于血漿蛋白，因此具有明顯的血液和組織相容性，無毒副作用和其他不良影響。作為止血劑、創(chuàng)傷愈合劑和可降解生物材料在臨床上已經(jīng)應用很久；它的主要生理功能為止血，另外還可明顯促進創(chuàng)傷的愈合；還可作為一種骨架，促進細胞的生長；并具有一定的殺菌作用。2、天然蛋白質材料——纖維蛋白是纖維蛋白原在生理條件下凝固纖維蛋白在臨床上普遍使用的應用形式：纖維蛋白原的就地凝固，用于眼科手術的組織粘合劑，肺切除后胸腔填充物和外科手術中的止血纖維蛋白粉末，用作止血劑，可以與抗菌素共用，用作充填慢性骨炎和骨髓炎手術后的骨缺損纖維蛋白海綿，用作止血劑、扁平瘢的治療和唾液腺外科手術后的填充物組織代用品，商品名Bioplast，主要用于關節(jié)成型術、視網(wǎng)膜脫離、眼外科治療、肝臟止血及疝氣修復等纖維蛋白薄膜，用于神經(jīng)外科：替代硬腦膜和保護末梢神經(jīng)縫線；用于燒傷治療：消除頜面竇和口腔間的穿孔。纖維蛋白在臨床上普遍使用的應用形式：3、天然多糖類材料多糖是由許多單糖分子經(jīng)失水縮聚，通過糖苷鍵結合而成的天然高分子化合物。均聚糖：多糖水解后只產(chǎn)生一種單糖，如纖維素、淀粉雜聚糖：水解產(chǎn)物是兩種或兩種以上的單糖，如菊粉等。自然界廣泛存在的多糖主要有：植物多糖，如纖維素、半纖維素、淀粉、果膠等；動物多糖，如甲殼素、殼聚糖、肝素、硫酸軟骨素等；瓊脂多糖，如瓊脂、海藻酸、角叉藻聚糖等；菌類多糖，如D—葡聚糖、D—半乳聚糖、甘露聚糖等；微生物多糖，如右旋糖酐、凝乳糖、出芽短梗孢糖等。研究較多的多糖類材料為纖維素、甲殼素和殼聚糖。3、天然多糖類材料多糖是由許多單糖分子經(jīng)失水縮聚，通過糖苷天然多糖類材料——纖維素葡萄糖經(jīng)由糖苷鍵連結的高分子化合物。它具有不同的構型和結晶形式，是構成植物細胞壁的主要成分，是存在于自然界中數(shù)量最多的碳水化合物。結構復雜，至今仍未被完全了解。天然的纖維素屬于纖維Ⅰ型，再生纖維素屬于纖維Ⅱ型，后者結構更為穩(wěn)定。不同的天然纖維素其結晶度有明顯差異，隨著結晶度的提高，其抗張強度、硬度、密度增加，但彈性、韌性、膨脹性、吸水性和化學反應性下降。

天然多糖類材料——纖維素葡萄糖經(jīng)由糖苷鍵連結的高分子化合在醫(yī)學上的應用形式主要是制造各種醫(yī)用膜：硝酸纖維素膜：用于血液透析和過濾，但由于制膜困難及不穩(wěn)定等缺點，已逐漸被其他材料取代粘膠纖維（人造絲）或賽珞玢（玻璃紙）管：用于透析，但由于含有磺化物及尿素、肌酐的透析性不好等原因，作為透析用的賽珞玢逐漸被淘汰再生纖維素（銅珞玢）：是目前人工腎使用較多的透析膜材料，對溶質的傳遞，纖維素膜起到篩網(wǎng)和微孔壁壘作用醋酸纖維素膜，主要用于血透析系統(tǒng)全氟代?；w維素：用于制造代膜式肺、人工心瓣膜、人工細胞膜層，各種導管、插管和分流管等在醫(yī)學上的應用形式主要是制造各種醫(yī)用膜：天然多糖類材料——甲殼素化學名稱為聚N-乙酰-D葡萄糖胺，分子式為（C3H13NO5）n，屬于氨基多糖，是僅有的具有明顯堿性的天然多糖。廣泛存在于低等植物及甲殼動物的外殼中，其每年生物合成資源最高達1000億噸，是地球上僅次于植物纖維的第二大生物資源。是一種來源于動物的天然多糖，普遍存在于蝦、蟹等低等動物及昆蟲等節(jié)肢動物的外殼中。將甲殼動物的外殼通過酸堿處理，脫去鈣、鹽和蛋白質，即得到甲殼質。

天然多糖類材料——甲殼素化學名稱為聚N-乙酰-D葡萄糖胺，被科學家譽為繼蛋白質、糖、脂肪、維生素、礦物質以外的第六生命要素。甲殼素有強化免疫、降血糖、降血脂、降血壓、強化肝臟機能、活化細胞、調節(jié)植物神經(jīng)系統(tǒng)及內分泌系統(tǒng)等功能，還可作為保健材料，用于健康無害煙、護膚產(chǎn)品、保健內衣等。作為醫(yī)用生物材料可用于：醫(yī)用敷料：甲殼素具有良好的組織相容性，可滅菌、促進傷口愈合、吸收傷口滲出物且不脫水收縮藥物緩釋劑：基本為中性，可與任何藥物配伍止血棉、止血劑：在血管內注射高粘度甲殼素，可形成血栓口愈合劑，使血管閉塞，從而在手術中達到止血目的，較注射明膠海綿等常規(guī)止血方法，操作容易，感染少。被科學家譽為繼蛋白質、糖、脂肪、維生素、礦物質以外的第六生命甲殼素縫線的電鏡照片甲殼素人工皮的電鏡照片

甲殼素縫線的電鏡照片甲殼素人工皮的電鏡照片天然多糖類材料——殼聚糖是甲殼素去除部分乙酸基后的產(chǎn)物（甲殼素的衍生物），甲殼素繼續(xù)用濃堿乙酸基化則得到殼聚糖，具有一定的粘度，無毒、無害、無副作用。不溶于水和堿液，但可溶于多種酸溶液中。它具有較多的側基官能團，可進行酯化、醚化、氧化、磺化以及接枝交聯(lián)等反應對其進行改性。特別是磺化產(chǎn)品，其結構與肝素極其相似，可作為肝素的代用品作抗凝劑。天然多糖類材料——殼聚糖是甲殼素去除部分乙酸基后的產(chǎn)物（甲適用廣，生物相容性良好的新型生物材料正在受到人們的普遍重視，目前在醫(yī)學多上用于：可吸收性縫合線，用于消化道和整形外科人工皮，用于整形外科、皮膚外科，用于Ⅱ、Ⅲ度燒傷，采皮傷和植皮傷等細胞培養(yǎng)，制備不同形狀的微膠囊，培養(yǎng)高濃度細胞，如包封的是活細胞，則構成人工生物器官海綿，用于拔牙患、囊腫切除、齒科切除部分的保護材料眼科敷料，可生成較多的成膠原和成纖維細胞隱形眼鏡膜，用于藥物釋放系統(tǒng)和組織引導再生材料固相酶載體適用廣，生物相容性良好的新型生物材料正在受到人們的普遍重視，生物醫(yī)用與仿生材料課件二、合成高分子生物材料合成高分子材料已經(jīng)迅速地取代了除了食品以外的許多寶貴天然資源。合成高分子生物材料是指利用聚合方法制備的一類生物材料。由于合成高分子可以通過組成和結構控制而具有多種多樣的物理和化學性質。醫(yī)用高分子材料科學是一門新興的邊緣學科，是生物醫(yī)學工程的一個主要分支，合成高分子材料已成為制造各種人工器官、軟硬組織修復體、醫(yī)用粘結劑、縫合線、人造血液等的最主要的也是用量最大的生物材料。二、合成高分子生物材料合成高分子材料已經(jīng)迅速地取代了除了食品合成高分子材料的組成物（單體，添加劑等）可能向生物環(huán)境釋放，有可能導致毒性反應。其彈性模量低和彈性常使其不能用于承受較大負荷的體位的修復。合成高分子生物材料可分為：生物不可降解的：硅橡膠、聚氨酯、環(huán)氧樹脂、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸酯水凝膠、α一氰基丙烯酸酯類、聚酸胺和飽和聚酯等。生物可降解的：聚乙烯醇、聚乳酸、聚乙內酯、乳酸一乙醇酸共聚物和聚β一羥基丁酸酯等。

合成高分子材料的組成物（單體，添加劑等）可能向生物環(huán)境釋放，1、聚乳酸（PLA）、乳酸和羥基乙酸共聚物（PLGA）、聚羥基乙酸（PGA）：手術縫線

2、聚羥基脂肪酸酯（PHA）：

手術縫線、心臟瓣膜、組織培養(yǎng)、血管移植、整形等3、聚二甲基硅氧烷（硅橡膠）：彈性硅樹脂

隆胸、心臟瓣膜

4、聚亞胺酯：

人工心臟

5、聚四氟乙烯（PTFE）：

心臟瓣膜、血管移植、面部整容、手術縫線

6、聚砜（PSu）：

心臟瓣膜

7、聚甲基甲基丙烯酸酯（PMMA）：

裂縫修補、隱形眼鏡膜、假牙

1、聚乳酸（PLA）、乳酸和羥基乙酸共聚物1、合成高分子生物材料——硅橡膠平均分子量>40萬，有機硅彈性體的主要成分，是含有硅原子的特種合成橡膠的總稱。它具有優(yōu)異的生理特性：無毒無味、生物相容性好、耐生物老化、較好的抗凝血性、長期植入體內物理性能下降甚微、耐高溫嚴寒（-90°－250°）良好的電絕緣性、耐氧老化性、耐光老化性以及防霉性、化學穩(wěn)定性等。在醫(yī)學上主要用于粘合劑、導管、整形和修復外科（人工關節(jié)、皮膚擴張、燒傷的皮膚創(chuàng)面保護、人工鼻梁、人工耳廓和人工眼環(huán)）、緩釋和控釋等。1、合成高分子生物材料——硅橡膠平均分子量>40萬，有機硅彈防噪音耳塞：佩戴舒適，阻隔噪音，保護耳膜。胎頭吸引器：操作簡便，使用安全，可根據(jù)胎兒頭部大小變形，吸引時胎兒頭皮不會被吸起，可避免頭皮血腫和顱內損傷等弊病。人造血管：具有特殊的生理機能，能做到與人體“親密無間”，人的機體也不排斥它，經(jīng)過一定時間，就會與人體組織完全相容，穩(wěn)定性極為良好。鼓膜修補片：其片薄而柔軟，光潔度和韌性都良好。是修補耳膜的理想材料，且操作簡便，效果頗佳。此外還有硅橡膠人造氣管、人造肺、人造骨、硅橡膠十二指腸管等，功效都十分理想。

防噪音耳塞：佩戴舒適，阻隔噪音，保護耳膜。2、合成高分子生物材料

——聚氨酯（Polyurethane）具有良好的延伸性和抗撓曲性，強度高、耐磨損，血液相容性、抗血栓性能好，且不損傷血液成分，使其在醫(yī)療領域得到廣泛應用。主要用于人工心臟搏動膜、心血管醫(yī)學元件、人工心臟、輔助循環(huán)、人工血管、體外循環(huán)血液路、藥物釋放體系、縫合線與軟組織粘合劑繃帶、敷料、吸血材料、人工軟骨和血液凈化器具的密封劑等。2、合成高分子生物材料

3、合成高分子生物材料

——聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）又稱有機玻璃，是目前塑料中透明度最好的一種。具有良好的生物相容性、耐老化性，機械強度較高。用于剜出后的植入物、隱形眼鏡、可植入透鏡、人工角膜和假牙、人工喉、食管和腕骨、閉塞器、喉支持膜、牙科夾板、氣管切開導管和吻合鈕、鼻竇的植入性引管、經(jīng)皮裝置和用于實驗的標本箱及人工器官外殼等；增補面部的軟和硬組織，特別是修補眼窩的爆裂骨折；顱骨缺損時的替代骨片；充填乳突切除后的遺留腔隙；聽小骨部分的替代物和脊椎鼓節(jié)段的固定，顱內動脈瘤的加固和充填靜脈瘤囊以使之穩(wěn)定，牙科某些直接充填樹脂的基礎等。

3、合成高分子生物材料

——聚愛爾康一片式PMMA人工晶體

Acrysof丙烯酸酯折疊人工晶體愛爾康一片式Acrysof丙烯酸酯6.1.5無機生物醫(yī)學材料18世紀初開始應用。無毒、與生物體組織有良好的生物相容性、耐腐蝕。包括生物陶瓷、生物玻璃和碳素材料三大類，主要用于齒科、骨科修復和植入材料?；径际谴嘈圆牧?，容易破裂，發(fā)展方向應向開發(fā)復合（多相）生物材料以及在金屬基體上加涂無機生物陶瓷涂層（薄膜）材料的方面引導。6.1.5無機生物醫(yī)學材料18世紀初開始應用。無毒、與生物1、無機生物醫(yī)學材料——生物玻璃是經(jīng)特別設計的化學組成可誘發(fā)生物活性的含氧化硅化合物。如將某些玻璃在適當?shù)母邷剡M行晶化處理，則玻璃中可析出大量微小晶體，這樣的玻璃稱為微晶玻璃、結晶化玻璃或玻璃陶瓷。新型骨修復生物活性材料

1、無機生物醫(yī)學材料——生物玻璃是經(jīng)特別設計的化學組成可誘發(fā)生物玻璃材料大致可分為兩類：非活性的近似惰性的和生物活性的。在非活性生物玻璃及生物玻璃陶瓷中包括：人工骨用生物醫(yī)學玻璃，它具有良好的耐酸堿腐蝕特性、生物相容性和耐磨性能；治療用生物醫(yī)學玻璃，可埋入腫瘤部位，通過在磁場下發(fā)熱的特性或其內部的同位素放出的射線殺死癌細胞，也有良好的生物相容性；人工齒冠用生物醫(yī)學玻璃陶瓷，具有制作容易、審美性高、強度高、適應性好、生物相容性好、類似天然齒等優(yōu)點。生物玻璃材料大致可分為兩類：非活性的近似惰性的和生物活性的?；钚陨锊ＡЪ吧锊Ａ沾?，通常要求SiO2的含量低于60%，同時含有NaO以及CaO／P2O5。這種材料生物相容性好，植入體內后能在界面上通過一系列離子交換和溶解—沉淀反應，在其表面形成磷灰石晶體，殘留下的玻璃被巨嗜細胞侵蝕，玻璃表面被基質類物質覆蓋，玻璃附近的軟骨芽細胞和造骨細胞的增殖趨于活躍，不久就形成了骨膠原纖維和磷灰石結晶，從而和軟組織及組織成骨鍵合，骨組織和軟組織很容易在其表面生長，其生物活性主要與化學組成相關。這種材料強度低，斷裂韌性差，主要用于非承力的骨、指骨、牙齒等，也可作為鈦合金牙種植體的表面涂層。活性生物玻璃及生物玻璃陶瓷，通常要求SiO2的含量低于60%2、無機生物醫(yī)學材料——碳素材料指作為生物醫(yī)學使用的各種碳素及其復合材料具有極好的抗血栓性，作為生物醫(yī)學材料使用的主要有三種：玻璃碳、低溫各向同性碳和超低溫各向同性碳。這三種碳在生理環(huán)境中化學性質穩(wěn)定，也不發(fā)生疲勞破壞，是生物相容性非常好的一類惰性材料。它的最大優(yōu)點是血液相容性好，不可滲透性，再加上優(yōu)良的力學性能，使其在醫(yī)學上得到廣泛使用。2、無機生物醫(yī)學材料——碳素材料指作為生物醫(yī)學使用的各種碳素主要用于制造心血管修復體的重要材料、人工骨、人工牙根、肌腱和人工韌帶等，還可用于人工軟骨、人工中耳、人工關節(jié)運動磨損表面作為減磨涂層和血液凈化等。尤其是它的較高的抗血栓性、耐磨性、低比重和長期使用不劣化等性能，使碳素材料幾乎是目前唯一可選用的人工心臟瓣膜材料。碟片式機械心臟瓣膜主要用于制造心血管修復體的重要材料、人工骨、人工牙根、肌腱和6.2組織工程材料6.2.1基本概念6.2.2組織工程材料設計及制備6.2.3生物材料的表面工程6.2.4發(fā)展與挑戰(zhàn)JJJJ6.2組織工程材料6.2.1基本概念JJJJ6.2.1基本概念

組織工程（TissueEngineering)：應用工程學和生命科學的原理與方法,將在體外培養(yǎng)、擴增的功能相關的活細胞種植于多孔支架上,細胞在支架上增殖、分化,構建生物替代物,然后將之移植到組織病損部位,達到修復、維持或改善損傷組織功能一門科學核心：建立由細胞和生物材料構成的三維復合體

三要素：種子細胞、信號因子(細胞因子或生長因子)

支架材料

6.2.1基本概念組織工程（TissueEngi組織工程研究的三個方面是：（1）替換被分離除去的細胞或功能發(fā)揮所需要的細胞替代物；（2）產(chǎn)生或傳遞組織誘導物質，如生長因子、信號分子等；（3）結合細胞與生物材料，具體是在基質表面或內部接種細胞。人們研制了許多組織工程產(chǎn)品，包括皮膚組織、軟骨組織、腱組織、骨組織、心臟瓣膜、肝組織等。組織工程研究的三個方面是：

組織工程學將組織視同為一種復合材料，該復合材料由具有組織功能單元的細胞、細胞外基質(ECM)和支架構成。

組織工程的基本思路是在體外分離、培養(yǎng)細胞，將一定量的細胞種植到具有一定形狀的三維生物材料骨架內，并加以持續(xù)培養(yǎng)，最終形成具有一定結構的組織和器官。

膠原型人工皮膚產(chǎn)品是組織工程成功的第一例，它以患者的表皮細胞或真皮細胞為細胞源，運用工程化方法制備皮膚同等品，將其貼敷于皮膚缺損部位。真皮細胞可由生體側長入膠原片的微孔中，使皮膚再生，而膠原則在體內逐步降解并被吸收。

組織工程學將組織視同為一種復合材料，該復合材料由具有細胞外基質（ECM）成分膠原蛋白、蛋白多糖、糖胺聚糖、層連蛋白和彈性蛋白等作用

影響細胞形態(tài) 促進細胞遷移 調節(jié)細胞增殖和分化細胞外基質（ECM）成分生物醫(yī)用與仿生材料課件組織工程材料的要求符合生物安全性要求合適的可生物降解吸收性合適的孔尺寸、高孔隙率和相連的孔形態(tài)特定的三維外形高表面積和合適的表面理化性質與植入部位組織力學性能相匹配的結構強度材料設計及制備技術材料表面工程組織工程材料的要求符合生物安全性要求材料設計及制備技術材料表

組織工程材料是最富挑戰(zhàn)性的領域，組織工程的成功亦有賴于生物相容性和特定細胞響應性的生物材料的開發(fā)。

組織工程材料是最富挑戰(zhàn)性的領域，組織工程的成功亦有賴于生6.2.2組織工程材料設計及制備技術組織工程材料天然高分子材料合成降解聚合物生物陶瓷生物復合材料

根據(jù)硬和軟組織工程的需要，可用生物陶瓷、化學修飾植入金屬、生物降解聚合物進行組織工程研究，提供的許多解決組織損傷與器官衰竭的新途徑。6.2.2組織工程材料設計及制備技術組織工程材料天然高分子材料蛋白質支架膠原明膠多糖支架海藻酸鹽殼聚糖透明質酸蛋白質－多糖支架天然高分子材料蛋白質支架冷凍干燥LieMa,etal.Collagen/chitosanporousscaffoldswithimprovedbiostabilityforskintissueengineering.Biomaterials2003;24:4833–41參數(shù)：溶液濃度、冷凍溫度、冷凍時間和冷凍速率等冷凍干燥LieMa,etal.Collagen/chi浸沒沉淀相轉化堿性介質殼聚糖溶液上層（致密）下層（多孔）Fwu-LongMi,etal.Fabricationandcharacterizationofasponge-likeasymmetricchitosanmembraneasawounddressing.Biomaterials2001;22:165-73浸沒沉淀相轉化堿性介質殼聚糖溶液上層（致密）下層（多孔）Fw冷凍－凝膠Ming-HuaHo,etal.Preparationofporousscaffoldsbyusingfreeze-extractionandfreeze-gelationmethods.Biomaterials2004;25:129–38溶液冷凍凝膠溫度低于溶液凝結點Morphologyofthechitosanandalginatescaffolds冷凍－凝膠Ming-HuaHo,etal.Prepar合成聚合物材料聚丙烯酸及其衍生物聚乙二醇及其共聚物聚乙烯醇聚交酯聚乳酸（PLA）聚（D,L-乳酸-co-乙醇酸）（PLGA）聚乙交酯（PGA）等合成聚合物材料聚丙烯酸及其衍生物致孔劑致孔形成氣體的鹽致孔水溶性致孔劑致孔冰晶致孔GuopingChen,etal.Developmentofbiodegradableporousscaffoldsfortissueengineering.MaterialsScienceandEngineering,2001;C17:63–9Morphologyofcross-sectionsofPLLAsponges致孔劑致孔形成氣體的鹽致孔GuopingChen,eta熱致相分離（TIPS）均向聚合物溶液：高溫低溫淬火熱力學狀態(tài)參數(shù)：聚合物濃度、溶劑/非溶劑組成、淬火過程及添加劑Fig.2.SEMimagesofthecrosssectionofmorphousPLGAfoamsasafunctionofcoarseningtime.Thefoamswerepreparedbycoarsening9%(w/v)polymersolutionat43Cfor0min(a),2min(b),10min(c),andthenquenchingbyliquidnitrogen.熱致相分離（TIPS）均向聚合物溶液：高溫低溫Fig.2乳液冷凍干燥WhangK,etal.Anovelmethodtofabricatebioabsorbablescaffolds.Polymer1995,36:837-42真空干燥液氮去離子水乳液聚合物去離子水冷凍干燥乳液冷凍干燥WhangK,etal.Anovelme6.2.3生物材料的表面工程1、生物材料表面對細胞的影響表面自由能表面蛋白質吸附能力表面親水—疏水平衡表面荷電性能表面拓撲結構表面生物活性

6.2.3生物材料的表面工程1、生物材料表面對細胞的影響表2、生物材料與細胞相互作用

粘著于固體基質的細胞的行為和功能取決與基質的特性。研究表明，中等潤濕性表面對細胞粘連最多。這可能和纖維蛋白在表面吸附相關。成纖細胞在聚合物表面的生長速率與其表面化學隱性相關，但細胞移動速率則取決于聚合物表面化學構成。由成纖細胞與聚合物基質接觸角相關性研究確認，大多數(shù)疏水表面上單位細胞的細胞外基質合成速率較高。

2、生物材料與細胞相互作用粘著于固體基質的細3、生物材料的表面工程

仿生表面工程：工程化生物材料表面引發(fā)特定的細胞生理響應，給細胞創(chuàng)造一個良好的人工ECM環(huán)境。 要求：良好的生物相容性；適宜的表面親水－疏水平衡；具有較強的細胞識別功能；適宜的表面拓撲結構；可消除非特異性識別；易于加工和成型3、生物材料的表面工程仿生表面工程：工程化生物材料表1）生物大分子的表面固定化A將具有生物活性的大分子通過物理吸附、包埋或化學鍵合的方法固定在材料的表面。具有生物活性大分子：ECM黏附蛋白（纖連蛋白、層連蛋白）ECM多糖及其類似物（透明質酸、殼聚糖）細胞黏附多肽（RGD）細胞活性因子B引發(fā)特異性生物反應的表面C抗非特異性吸附的表面1）生物大分子的表面固定化A將具有生物活性的大分子通過物生物大分子的表面固定化Giemsastainingofhumanchondrocytesafter1hattachmentonsurfacewithout(a),with0.1mm(b)orwith1000mm(c)cyclicthiolRGD-peptide.BrigitteJeschke,et,al.RGD-peptidesfortissueengineeringofarticularcartilage.Biomaterials2002;23:3455–63生物大分子的表面固定化Giemsastainingof2）生物材料表面拓撲結構化

光刻蝕表面拓撲結構生物材料表面圖案化物理－化學性能不同的圖案化表面刺激響應高分子圖案化表面多糖圖案化表面細胞黏附因子圖案化表面2）生物材料表面拓撲結構化光刻蝕表面拓撲結構6.2.4發(fā)展與挑戰(zhàn)

天然生物材料的優(yōu)點是其所含的信息(如特定氨基酸序列)利于細胞附著，或保持分化功能。而其缺點是許多天然材料每批不同或批量大小有差異。

合成聚合物則能精確控制分子量，降解時間、疏水性等，但它們與細胞/組織的相互作用不夠理想。利用天然聚合物的重要序列接枝到合成聚合物，將天然與合成聚合物優(yōu)點集成是較好的解決方法。

聚合物加工問題也很重要。許多植入物由復合材料或高度孔隙結構材料，此類植入物制備的重復性對其成功甚為重要。持續(xù)控制釋放體系的開發(fā)對調控許多組織誘導因子、生長因子和血管生成刺激因子很有意義。

6.2.4發(fā)展與挑戰(zhàn)天然生物材料的優(yōu)點是其6.3生物陶瓷Bioceramics有各種不同的化學成分，根據(jù)其在生理環(huán)境中的化學活性和性質可分為四類：近似于惰性：三氧化二鋁、氧化鋯等氧化物生物陶瓷，Si3N4、鈦酸鋇等非氧化物生物陶瓷以及醫(yī)用碳素等，這類材料長期暴露于生理環(huán)境下能保持穩(wěn)定。表面活性：羥基磷灰石生物活性陶瓷和生物活性玻璃陶瓷，在生理環(huán)境中可通過其表面發(fā)生的生物化學反應與組織形成化學鍵性結合，起到了適合新生骨沉積的生理支架作用，也就是所謂的“骨引導”和“骨傳導”作用。6.3生物陶瓷Bioceramics有各種不同的化學成可吸收性：如石膏、磷酸三鈣陶瓷，在生理環(huán)境中可逐漸被降解吸收，誘導骨質生長，并隨之被新組織所替代，從而達到修復或替換病損組織的目的。復合型：生物陶瓷與生物陶瓷或與其他無機材料、有機材料復合而成的復合型材料。根據(jù)臨床的不同要求可以制成不同類型的復合材料。在臨床上生物陶瓷主要用于肌肉一骨骼系統(tǒng)的修復和替換，也可用于心血管系統(tǒng)的修復、制作藥物釋放和傳遞的載體。復合型的生物陶瓷還可以用于制造人工腱和韌帶等?？晌招裕喝缡?、磷酸三鈣陶瓷，在生理環(huán)境中可逐漸被降解吸收

陶瓷成型容易，可以根據(jù)使用要求，制成各種形態(tài)和尺寸，如顆粒型、柱形、管形；致密型或多孔型，也可制成骨螺釘、骨夾板；制成牙根、關節(jié)、長骨、顱骨、顱骨等。陶瓷成型容易，可以根據(jù)使用要求，制成各種形態(tài)和置于人體后會漸溶解而被其周圍組織取代可吸收性生物陶瓷CompletelyAbsorbableBioceramics三鈣磷酸鹽[Ca3(PO4)2，TCP]無定形磷酸鹽(amorphouscalciumphosphates，ACP)貧鈣磷酸鹽(Calciumdeficientapatites，CDA)在體內的吸收速率為ACP>TCP>CDA

燒石膏是再吸收速率很高的陶瓷材料，在狗的動物實驗中比天然的骨移植還快；而且植入后引起的組織反應溫和，不會引來巨大細胞。缺點在吸收速率變化大和機械強度欠佳，使用途大受限制，近年來有人研究其與氫氧基磷灰石混合后植入兔子脛骨中，發(fā)現(xiàn)吸受性良好。置于人體后會漸溶解可吸收性生物陶瓷三鈣磷酸鹽[Ca3(PO4近惰性生醫(yī)陶瓷NearlyInertBioceramics置于體液中非常穩(wěn)定，幾乎不會釋出離子或與組織產(chǎn)生反應，又分為非孔隙性與孔隙性陶瓷氧化鋯陶瓷醫(yī)療套管

氧化鋁生物陶瓷近惰性生醫(yī)陶瓷置于體液中非常穩(wěn)定，氧化鋯陶瓷醫(yī)療套管氧化鋁置于體液中會和組織形成化學鍵結合

表面活性生醫(yī)陶瓷Surface-ActiveBioceramicsJ羥基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2生物玻璃，如Na2O-CaO-P2O5-SiO2置于體液中表面活性生醫(yī)陶瓷J羥基磷灰石Ca10(PO4)羥基磷灰石/聚乳酸復合材料

有聚乳酸浸漬涂層的多孔羥基磷灰石(HA)復合材料。將多孔珊瑚狀的HA陶瓷浸入DL-聚乳酸的丙酮溶液中(丙酮：聚乳酸=3:1～30:1)，取出干燥8～12h而制得。該復合材料較之未涂層材料，其壓縮強度提高近4倍，壓縮剛性提高30％，斷裂吸收也提高30％左右。動物實驗結果表明，這種復合材料已具有類似于來涂層的多孔HA陶瓷的成骨性能，但其初始強度已大大提高。

羥基磷灰石/聚乳酸復合材料有聚乳酸浸漬涂層的6.4仿生復合材料一、仿生學

仿生學（bionics）是研究生物系統(tǒng)的結構、特質、功能、能量轉換、信息控制等各種優(yōu)異的特征，并把它們應用到技術系統(tǒng)，改善已有的技術工程設備，并創(chuàng)造出新的工藝過程、建筑構型、自動化裝置等技術系統(tǒng)的綜合性科學。

仿生學的任務就是要研究生物系統(tǒng)的優(yōu)異能力及產(chǎn)生的原理，并把它模式化，然后應用這些原理去設計和制造新的技術設備。

6.4仿生復合材料一、仿生學仿生學（bionics）生物體生物模型數(shù)學模型技術模型技術裝置仿生學的研究方法生物體生物模型數(shù)學模型技術模型技術裝置仿生學的研究方法

仿生學的研究范圍可包括電子仿生、機械仿生、建筑仿生、化學仿生等。隨著現(xiàn)代工程技術的發(fā)展，學科分支繁多，在仿生學中相應地開展對口的技術仿生研究。

航海部門對水生動物運動的流體力學的研究；

航空部門對鳥類、昆蟲飛行的模擬、動物的定位與導航；

工程建筑對生物力學的模擬；

無線電技術部門對于人神經(jīng)細胞、感覺器宮和神經(jīng)網(wǎng)絡的模擬；

計算機技術對于腦的模擬似及人工智能的研究等。

仿生學的研究范圍可包括電子仿生、機械仿生、建筑仿生、青蛙與電子蛙眼神經(jīng)節(jié)細胞有4種：“邊緣偵察器”“昆蟲偵察器”、“事件偵察器”、“光強減弱感受器”青蛙的視覺系統(tǒng)青蛙與電子蛙眼神經(jīng)節(jié)細胞有4種：青蛙的視覺系統(tǒng)“水母耳”風暴預測儀水母耳與電子耳“水母耳”風暴預測儀水母耳與電子耳蛇田鼠熱血動物身體向外散熱蛇通過感受器探測到熱源蛇的紅外探測蛇田鼠熱血動物身體蛇通過感受器蛇的紅外探測飛行中的蝙蝠超聲波聲音反射波蛾蝙蝠的捕食蝙蝠與超聲波飛行中的蝙蝠超聲波聲音反射波蛾蝙蝠的捕食蝙蝠與超聲波擬態(tài)仿生動物的擬態(tài)與保護色擬態(tài)仿生動物的擬態(tài)與保護色核潛艇

力學仿生核潛艇力學仿生仿生材料（BiomimeticMaterals）指模仿生物的各種特點或特性而開發(fā)的材料。

仿生材料的研究內容：就是以闡明生物體的材料構造與形成過程為目標,用生物材料的觀點來思考人工材料,從生物功能的角度來考慮材料的設計與制作。

二、仿生材料仿生材料（BiomimeticMaterals）指模仿生物仿生材料之一——模仿天然纖維

人們模仿蠶吐絲的過程研制了各種化學纖維的紡絲方法,此后又模仿生物纖維的吸濕性、透氣性等服用性能研制了許多新型纖維。

人造絲

天然蠶絲

仿生材料之一——模仿天然纖維人們模仿蠶吐絲的過程研制仿生材料之二——模仿超疏水表面這種超疏水的性質是荷葉表面的微米/納米復合結構與其表面的植物蠟所產(chǎn)生的共同作用的結果。

仿生材料之二——模仿超疏水表面這種超疏水的性質是荷葉表面的微仿生材料之三——模仿螢火蟲人們對螢火蟲的發(fā)光機制作了研究,其發(fā)光原因是由于化學能高效率地轉化為光能。

仿生材料之三——模仿螢火蟲人們對螢火蟲的發(fā)光機制作了研究,其西瓜是一種含水量極高的水果,在它的啟發(fā)下,人們研制了一種與西瓜纖維素構造相似的超吸水性樹脂,它是用特殊設計的高分子材料制造的,能夠吸收超越自身重量數(shù)百倍到數(shù)千倍的水份。

仿生材料之四——模仿西瓜西瓜是一種含水量極高的水果,在它的啟發(fā)下,人們研制了一種與西三、仿生復合材料

在自然界中，存在著大量的復合材料，如竹子、木材、貝殼、動物的肌肉和骨骼等。從力學的觀點來看，天然復合材料結構往往是很理想的結構，它們?yōu)榘l(fā)展人工纖維增強復合材料提供了仿生學依據(jù)。例如，從竹子的斷面來看,一種稱之為纖維束的組織密布在竹子的表皮,竹子的內部卻很稀少,這樣的結構形成了一種高強度的復合材料。

三、仿生復合材料在自然界中，存在著大量的復仿生復合材料之一——人造骨仿生復合材料之一——人造骨仿生復合材料之二——人造肌肉這種最接近商業(yè)運用的，由燃料驅動的人工肌肉外表是由細金屬線縛上的，通過這種金屬線，人工肌肉可以在受熱時收縮并在遇冷時伸長。此項新研究刊登在最新一期的《科學》雜志上。

仿生復合材料之二——人造肌肉這種最接近商業(yè)運用的，由燃料驅動仿生復合材料之三——人造貝殼

貝殼的化學組成與珍珠類似，含碳酸鈣為86%～92%，殼角蛋白為5%～11%，水為0.69%～0.97%。另外含微量元素和10多種氨基酸。

生物礦化指的是在生物體內形成無機礦物質的過程。通過特定的有機模板的調控使無機物在無機-有機界面處成核并緩慢生長，最終得到具有一定形狀和結構的無機-有機復合材料。

Ozin所領導的研究小組利用磷酸和癸胺在四聚乙二醇(TEG)溶液中所形成的雙相層,制得了與貝殼十分相似的磷酸鋁鹽。

仿生復合材料之三——人造貝殼貝殼的化學組成與珍本章小結1、生物（醫(yī)用）材料的定義與分類2、生物（醫(yī)用）材料的性能3、幾種常見的醫(yī)用金屬材料、醫(yī)用高分子材料、無機生物醫(yī)學材料4、組織工程材料的定義與類型5、生物陶瓷的組成與分類6、仿生材料與仿生復合材料本章小結1、生物（醫(yī)用）材料的定義與分類Chapter6BiomaterialsandBiomimeticMaterals生物材料與仿生材料Chapter6BiomaterialsandBi6.1生物醫(yī)用（復合）材料

6.2組織工程材料6.3生物陶瓷6.4仿生復合材料JJJJ本章主要內容6.1生物醫(yī)用（復合）材料JJJJ本章主要內容6.1生物醫(yī)用（復合）材料

6.1.1生物材料的定義與分類6.1.2生物醫(yī)用材料的性能與分類6.1.3醫(yī)用金屬材料

6.1.4醫(yī)用高分子材料6.1.5無機生物醫(yī)學材料JJJJJ6.1生物醫(yī)用（復合）材料6.1.1生物材料的定義6.1.1生物材料的定義與分類

生物材料（Biomaterials）泛指一切與生物體相關的應用性材料或由生物體合成的材料。按其應用可分為生物醫(yī)用材料（BiomedicalMaterials）和與生物合成有關的應用材料。而按生物材料來源可分為天然生物材料和人工生物材料；與此同時材料學的發(fā)展使有些材料兼具天然和人工合成的特性。狹義的生物材料指的是能夠用來制作各種人工器官和制造與人體生理環(huán)境相接觸的醫(yī)療用具和制品的材料，即生物醫(yī)用材料。

6.1.1生物材料的定義與分類生物材料（生物材料包括三部分，即生物醫(yī)用材料，仿生材料和生物模擬。生物醫(yī)用材料：最重要的是材料與人體相容性和材料本身的性能，通過組織工程、生長因子、DNA和自組裝技術，可生產(chǎn)出人類的各種器官。事實上，除神經(jīng)系統(tǒng)以外，人的各種器官都可制造。仿生材料：生物是多年演化的結果，有很多特性值得模仿，通過深入研究現(xiàn)有生物體和生物現(xiàn)象而進行仿造，對材料的發(fā)展將起到推動作用。

生物材料的另一種分類方法生物材料包括三部分，即生物醫(yī)用材料，仿生材料和生物模擬。生物

生物醫(yī)用材料（BiomedicalMaterials）用于人體組織和器官的診斷、修復或增進其功能的一類高技術材料，即用于取代、修復活組織的天然或人造材料，其作用藥物不可替代。生物材料能執(zhí)行、增進或替換因疾病、損傷等失去的某種功能，而不能恢復缺陷部位。日本北海道大學的科學家們利用從鮭魚皮中提取的膠原制造全球首例人造血管。

生物醫(yī)用材料（BiomedicalMaterials）生物醫(yī)用與仿生材料課件

生物醫(yī)用材料與工業(yè)材料的最大區(qū)別是在生理環(huán)境下使用。移植在生物體內的仿生材料，除了能達到補鈣的目的以外，對周圍組織和血液不應該有不良的影響，即應具有生物相容性。另外，植入人體的仿生材料，應有足夠的力學性能，不能發(fā)生脆性破裂、疲勞斷裂及腐蝕破壞等，即應具有力學相容性。

生物醫(yī)用材料是生物醫(yī)學科學中的最新分支學科，是生物、醫(yī)學、化學和材料科學交叉形成的邊緣學科。具體涉及到化學、物理學、高分子化學、高分子物理學、生物物理學、生物化學、生理學、藥物學、基礎與臨床醫(yī)學等很多學科。生物醫(yī)用材料與工業(yè)材料的最大區(qū)別是在生理環(huán)境生物（醫(yī)用）材料的發(fā)展史目前被詳細研究過的生物（醫(yī)用）材料已超過1000種，被廣泛應用的有90多種，1800多種制品。西方國家每年耗用生物（醫(yī)用）材料量以10~15%的速度增長，1980年全球醫(yī)用生物（醫(yī)用）材料及制品的銷售額為200億美元，1990年達500億美元，1995年近1000億美元。歷史上首個人造心臟Jarvik-7，是在1982年植入病人BarneyClark的體內。他共活了112天。另一名也植入Jarvik-7的病人WilliamSchrodedr則活了620天。

生物（醫(yī)用）材料的發(fā)展史目前被詳細研究過的生物（醫(yī)用）材料已生物醫(yī)用材料是研制人工器官及一些重要醫(yī)療技術的物質基礎，綜觀人工器官及醫(yī)療裝置的發(fā)展史，每一種新型生物材料的發(fā)現(xiàn)都引起了人工器官及醫(yī)療技術的飛躍。生物惰性醫(yī)用硅橡膠—人工耳、人工鼻、人工頜骨等血液相容性較好的各向同性碳被復材料—碟片式機械心臟瓣膜血液親和性及物理機械性能較好的聚氨酯嵌段共聚物—促使人工心臟向臨床應用跨越一大步可形成假生物內膜的編織滌綸管—人工血管向實用化飛躍。生物醫(yī)用材料是研制人工器官及一些重要醫(yī)療技術的物質基礎，綜觀硅橡膠制作的人造器官

聚氨酯制造的人工心臟碟片式機械心臟瓣膜人工心臟硅橡膠制作的人造器官聚氨酯制造的人工心臟碟片式機械心臟瓣膜6.1.2生物醫(yī)用材料的性能與分類

指生物醫(yī)用材料具備或完成某種生物功能時應該具有的一系列性能。根據(jù)用途主要分為:承受或傳遞負載功能。如人造骨骼、關節(jié)和牙等，占主導地位控制血液或體液流動功能。如人工瓣膜、血管等電、光、聲傳導功能。如心臟起博器、人工晶狀體、耳蝸等填充功能。如整容手術用填充體等一、生物功能性

6.1.2生物醫(yī)用材料的性能與分類指生物醫(yī)用材料具人工心臟人工關節(jié)人工腎臟人工血管人工心臟人工關節(jié)人工腎臟人工血管科學家已從生物高分子材料或合成高分子材料中制造出了一二十種人造皮膚。他們把這些材料紡織成帶微細孔眼的皮片，上面還蓋著一層層薄薄的、模仿“表皮”的制品。

人造皮膚加拿大發(fā)明骨骼打印機復制立體人骨

人造骨骼組織相當精細，可用于整形、重建和脊椎手術?？茖W家已從生物高分子材料或合成高分子材料中制造出了一二十種人

指生物醫(yī)用材料有效和長期在生物體內或體表行使其功能的能力。用于表征生物材料在生物體內與有機體相互作用的生物學行為。根據(jù)材料與生物體接觸部位分為：血液相容性。材料用于心血管系統(tǒng)與血液接觸，主要考察與血液的相互作用與心血管外的組織和器官接觸。主要考察與組織的相互作用，也稱一般生物相容性力學相容性?？疾炝W性能與生物體的一致性二、生物相容性

指生物醫(yī)用材料有效和長期在生物體內或體表行使其功生物體對生物醫(yī)用材料的響應－宿主反應

A:血液反應

1、血小板血栓；

2、凝血系統(tǒng)激活；

3、纖溶系統(tǒng)激活；

4、溶血反應；

5、白細胞反應；

6、細胞因子反應；

7、蛋白粘附；B:免疫反應

1、補體激活；

2、體液免疫反應（抗原－抗體反應）；

3、細胞免疫反應。C:組織反應

1、炎癥反應；

2、細胞粘附

3、細胞增殖（異常分化）

4、形成蘘膜

5、細胞質的轉變1、生物學反應生物體對生物醫(yī)用材料的響應－宿主反應A:血液反應2、生物體對生物反應的變化

1.急性全身反應過敏、毒性、溶血、發(fā)熱、神經(jīng)麻痹等2.慢性全身反應毒性、致畸、免疫、功能障礙等3.急性局部反應炎癥、血栓、壞死、排異等4.慢性局部反應致癌、鈣化、炎癥、潰瘍等2、生物體對生物反應的變化1.急性全身反應材料在生物體內的響應－材料反應金屬腐蝕聚合物降解磨損

生物機體作用于生物醫(yī)用材料－材料反應，其結果可導致材料結構破壞和性質改變而喪失其功能?？煞譃槿缦氯齻€方面：材料在生物體內的響應－材料反應金屬腐蝕生物機體作用于生1、金屬腐蝕

生物體內的腐蝕性環(huán)境：（1）含鹽的溶液是極好的電解質，促進了電化學腐蝕和水解；（2）組織中存在具有催化或迅速破壞外來成分能力的多種分子和細胞。將對生物金屬材料產(chǎn)生腐蝕。

對于生物材料而言多為局部腐蝕，具體包括應力腐蝕開裂、點腐蝕、晶間腐蝕、腐蝕疲勞以及縫隙腐蝕等，導致生物材料整體破壞。雖然金屬材料在生物體內保持惰性狀態(tài)，但仍然可能會有物質溶入生物組織中，并對生物體組織產(chǎn)生毒性反應，造成組織的損害。如不銹鋼溶出的Cr＋6生物組織的毒性。1、金屬腐蝕生物體內的腐蝕性環(huán)境：對于生物材料而言多2、聚合物降解

聚合物在長期使用過程中，由于受到氧、熱、紫外線、機械、水蒸氣、酸堿及微生物等因素作用，逐漸失去彈性，出現(xiàn)裂紋，變硬、變脆或變軟、發(fā)粘、變色等，從而使它的物理機械性能越來越差的現(xiàn)象。

聚合物老化易形成的碎片、顆粒、小分子量單體物質，因此使用它時必須謹慎，對耐久性器件，必須保持一定強度和其它機械性能，老化產(chǎn)物不能對周圍組織有毒害作用。例如，醫(yī)用縫合線降解時會產(chǎn)生酸性物質，如果量少，很容易被人體中的化學物質中和，如果老化產(chǎn)物較大，則會對周圍組織產(chǎn)生損害。2、聚合物降解聚合物在長期使用過程中，由于受到3、磨損

人工關節(jié)常用材料為Ti6Al4V，由于表面易氧化生成TiO2，其耐磨性差，植入人體后，磨損造成在關節(jié)周圍組織形成黑褐色稠物，從而引起疼痛。鈦合金人工全髖關節(jié)平均壽命一般都低于10年。目前，大量的人工髖關節(jié)是由堅硬的金屬或陶瓷的股骨頭與超高分子聚乙烯的髖臼杯組合成，然而它的壽命也不超過25年。長期隨訪資料顯示，假體失敗的主要原因是超高分子聚乙烯磨損顆粒所造成的界面骨溶解，從而導致假體松動。這種磨損顆粒所導致的異物－巨細胞反應，又稱顆粒病，是晚期失敗的最主要原因。

3、磨損人工關節(jié)常用材料為Ti6A三、生物醫(yī)用材料的分類三種分類方法1、按應用性質來分類：抗凝血材料（心血管材料）、齒科材料、骨科材料、眼科材料、吸附解毒材料（血液灌流用）、假體材料、緩釋材料、生物粘合材料、透析及超濾用膜材料、一次性醫(yī)用材料，等等。三、生物醫(yī)用材料的分類三種分類方法2、按材料功能劃分：

1、血液相容性材料如人工瓣膜、人工氣管、人工心臟、血漿分離膜、血液灌流用吸附劑、細胞培養(yǎng)基材等；

2、軟組織相容性材料如隱形眼睛片的高分子材料，人工晶狀體、聚硅氧烷、聚氨基酸等，用于人工皮膚、人工氣管、人工食道、人工輸尿管、軟組織修補等領域；

3、硬組織相容性材料如醫(yī)用金屬、聚乙烯、生物陶瓷等，關節(jié)、牙齒、其它骨骼等；

4、生物降解材料如甲殼素、聚乳酸等，用于縫合線、藥物載體、粘合劑等；2、按材料功能劃分：3、按生物材料的屬性