生命科學(xué)概論 第七章 生物材料

生物材料

.前言.天然生物材料.生物醫(yī)學(xué)材料.組織工程材料.仿生和智能材料當(dāng)前1頁，總共48頁。

生物材料的定義根據(jù)1972年以來國(guó)際會(huì)議上所廣泛接受的定義，認(rèn)為：

與活體相聯(lián)系的材料

植入活體內(nèi)能起某種生物體功能的材料

模仿生物功能的材料生物材料前言

當(dāng)前2頁，總共48頁。生物材料學(xué)的研究目的

在分析天然生物材料微裝配、生物功能及形成機(jī)制的基礎(chǔ)上，發(fā)展新型醫(yī)用材料以用于人體組織器官的修復(fù)與替代；發(fā)展仿生高性能工程材料。前言

當(dāng)前3頁，總共48頁。

生物材料研究?jī)?nèi)容

天然生物材料

生物醫(yī)學(xué)材料

仿生智能與組織工程材料

醫(yī)學(xué)工程學(xué)生物學(xué)材料科學(xué)前言

當(dāng)前4頁，總共48頁。

天然生物材料成分豐富元素C、H、O、N較豐富元素Ca、P、Cl、K等微量元素Fe、Cu、Zn、Mn、Mg等當(dāng)前5頁，總共48頁。天然生物材料水核苷酸氨基酸糖類生物礦物裝配結(jié)構(gòu)特征

天然生物材料當(dāng)前6頁，總共48頁。分類結(jié)構(gòu)蛋白結(jié)構(gòu)多糖生物軟組織生物復(fù)合纖維生物礦物天然生物材料當(dāng)前7頁，總共48頁。膠原絲心蛋白角蛋白彈性蛋白肌肉收縮蛋白

成纖維膠原的形成：多肽鏈

原膠原

微纖維

膠原纖維結(jié)構(gòu)蛋白天然生物材料當(dāng)前8頁，總共48頁。

多糖因其簡(jiǎn)單的化學(xué)合成和極其豐富的資源而在商業(yè)上極具價(jià)值。纖維素、殼多糖、角叉菜膠、瓊脂等可用于建筑、造紙、食物穩(wěn)定劑、紡織以及染織等。結(jié)構(gòu)多糖天然生物材料當(dāng)前9頁，總共48頁。

柔韌的生物復(fù)合材料可認(rèn)為是相對(duì)剛硬的纖維或粒子填充在柔軟的基質(zhì)中而形成。以?？墓羌転槔又莺０独夏旰？心z層的組成為：鹽5%膠原6.7%基質(zhì)2%水86%在較大的應(yīng)力下，膠原纖維取向變化，中膠層在應(yīng)力方向變硬；載荷消失后，中膠層又能彈性地恢復(fù)原形。生物軟組織天然生物材料當(dāng)前10頁，總共48頁。可承受彎曲和壓縮載荷的多組纖維組成，應(yīng)力可相互傳遞以蝗蟲腱為例：原纖維是幾丁質(zhì)，基體是蛋白幾丁質(zhì)是以很強(qiáng)的氫鍵結(jié)合的；蛋白塊體是球狀的，它們形成基體并分布在纖維之間，與其牢牢鍵合，從而增加了基體的剛度生物復(fù)合纖維天然生物材料當(dāng)前11頁，總共48頁。生物礦物由生命系統(tǒng)參與合成的天然的生物陶瓷和生物高分子復(fù)合材料，如骨骼、牙齒、珍珠、貝殼和鹿角等。天然生物材料當(dāng)前12頁，總共48頁。貝殼的結(jié)構(gòu):角質(zhì)層棱質(zhì)層珍珠層橫短面角質(zhì)層

最外層，很薄，由殼 質(zhì)蛋白構(gòu)成

棱柱層中層，由棱柱狀方解

石平行排列而成

珍珠層

最內(nèi)層，由小平板狀 結(jié)構(gòu)單元平行累積而 成，其中無機(jī)相占95%， 有機(jī)基質(zhì)是一些蛋白質(zhì) 和多糖

天然生物材料當(dāng)前13頁，總共48頁。生物醫(yī)學(xué)材料定義

指用于醫(yī)療的能植入生物體或能與生物組織相接合的天然或人造材料，如金屬、陶瓷、高分子、人工培養(yǎng)的活體細(xì)胞、組織等。當(dāng)前14頁，總共48頁。生物醫(yī)學(xué)材料性能的基本要求具有高度精確的生物學(xué)功能或模仿該功能具有生物相容性

無宿主反應(yīng)：

即生物材料在生理環(huán)境中

對(duì)機(jī)體不產(chǎn)生明顯而有害

的效應(yīng)

無材料反應(yīng)：

即機(jī)體對(duì)材料也不產(chǎn)生明

顯而有害的影響生物醫(yī)學(xué)材料當(dāng)前15頁，總共48頁。

材料方面：材料類型和形態(tài)、表面和組成，

物理、

化學(xué)及力學(xué)性質(zhì)等

影響生物相容性的因素生物系統(tǒng)方面：動(dòng)物種類、植入部位、受

體狀況、存留時(shí)間和使用

環(huán)境等生物醫(yī)學(xué)材料當(dāng)前16頁，總共48頁。生物醫(yī)用材料類型

生物醫(yī)用金屬材料生物醫(yī)用高分子材料生物陶瓷生物醫(yī)用復(fù)合材料生物衍生材料

生物醫(yī)學(xué)材料當(dāng)前17頁，總共48頁。生物醫(yī)用金屬材料是一類用作生物醫(yī)用材料的金屬和合金，是一類生物惰性材料，是臨床應(yīng)用最廣泛的承力植入材料主要用于骨和牙等硬組織修復(fù)和替換，心血管和軟組織修復(fù)以及人工器官制造中的結(jié)構(gòu)元件已用于臨床的醫(yī)學(xué)金屬材料主要有不銹鋼、基合金、鈦基合金和多孔金屬四大類生物醫(yī)學(xué)材料當(dāng)前18頁，總共48頁。骨水泥型金屬關(guān)節(jié)，其中：4.金屬柄,4a.金屬寬臼杯植入口腔的葉片狀帶孔金屬植入體生物醫(yī)學(xué)材料當(dāng)前19頁，總共48頁。是用作生物醫(yī)學(xué)材料的高分子及其復(fù)合材料，可來自人工合成，也可來自天然產(chǎn)物按性質(zhì)可分為非降解型和可生物降解型生物醫(yī)用高分子材料生物醫(yī)學(xué)材料當(dāng)前20頁，總共48頁。高分子聚合物做成的鼻狀骨架可生物降解的聚合物載體生物醫(yī)學(xué)材料當(dāng)前21頁，總共48頁。是作為生物醫(yī)學(xué)材料的陶瓷，通常由在生理環(huán)境中存在的離子（Ca、P、K、Na等）或?qū)θ梭w只有極小毒性的離子（Al、Ti等）所構(gòu)成生物陶瓷包括:

近惰性生物陶瓷：氧化鋁、氧化鋯生物陶瓷等

表面活性生物陶瓷：羥基磷石灰生物活性陶瓷、

生物活性玻璃陶瓷等

可吸收生物陶瓷：石膏、磷酸三鈣陶瓷等主要用于肌肉-骨骼系統(tǒng)的修復(fù)和替換，也可用于心血管系統(tǒng)的修復(fù)和制作藥物釋放與傳遞載體生物醫(yī)學(xué)材料當(dāng)前22頁，總共48頁。用生物陶瓷制成的插入式軟骨生物醫(yī)學(xué)材料當(dāng)前23頁，總共48頁。由兩種或兩種以上不同材料復(fù)合而成的生物醫(yī)學(xué)材料。如醫(yī)用高分子材料、醫(yī)用金屬和合

金以及生物陶瓷既可作為生物醫(yī)用復(fù)合材料的基材，又可作為其增強(qiáng)體或填料主要用于修復(fù)或替換人體組織、器官或增進(jìn)其功能以及人工器官的制造

生物醫(yī)用復(fù)合材料生物醫(yī)學(xué)材料當(dāng)前24頁，總共48頁。由經(jīng)過特殊處理的天然生物組織形成的生物醫(yī)學(xué)材料，這是一種無生命活力的材料特殊處理包括：A、維持組織原有構(gòu)型的輕

微處理

B、拆散原有構(gòu)型，重建新

的物理形態(tài)的強(qiáng)烈處理生物衍生材料主要用做人工心瓣膜、血管修復(fù)體、皮膚掩膜、纖維蛋白制品、骨修復(fù)體、鞏膜修復(fù)體、鼻種植體、血液唧筒、血漿增強(qiáng)劑和血液透析膜等生物醫(yī)學(xué)材料當(dāng)前25頁，總共48頁。人工心瓣膜生物醫(yī)學(xué)材料當(dāng)前26頁，總共48頁。生物醫(yī)學(xué)材料的應(yīng)用合成高分子可吸收性縫線這種縫線由對(duì)人體無害的可被生物降解的高分子聚合材料制成聚合釋放藥物體系

1.生物可侵蝕體系

2.擴(kuò)散/生物可侵蝕體系

3.生物降解聚合物由共價(jià)鍵與藥物活

性因子結(jié)合，經(jīng)水解作用而被釋放生物醫(yī)學(xué)材料當(dāng)前27頁，總共48頁。所謂人工器官是用以暫時(shí)或永久代替人體某個(gè)器官功能的人工裝置。如人工肺、人工腎、人工心臟等

以人工血管、心臟起搏器為例

人工器官生物醫(yī)學(xué)材料當(dāng)前28頁，總共48頁。由各種原因?qū)е卵芷屏鸦虮磺谐欢魏?，血液循環(huán)通路被破壞；人工血管就是一根特制的管子可連接血管的兩斷端，使血液循環(huán)得以恢復(fù)。人工血管的發(fā)展象牙管玻璃管、金屬管合成纖維管人工血管生物醫(yī)學(xué)材料當(dāng)前29頁，總共48頁。人工血管的放大剖面圖生物醫(yī)學(xué)材料當(dāng)前30頁，總共48頁。各種人工血管纖維編織法編帶編織平織生物醫(yī)學(xué)材料當(dāng)前31頁，總共48頁。下腔靜脈狹

窄手術(shù)示意腹主動(dòng)脈狹窄手術(shù)示意肝靜脈腎靜脈腹腔靜脈腸系膜上動(dòng)脈腎動(dòng)脈腸系膜下動(dòng)脈

人造人工血管生物醫(yī)學(xué)材料當(dāng)前32頁，總共48頁。左腿股動(dòng)脈

破裂修補(bǔ)術(shù)

腸系膜下動(dòng)脈栓塞手術(shù)示意人工血管生物醫(yī)學(xué)材料當(dāng)前33頁，總共48頁。用脈沖電流刺激心肌，使心肌收縮，來治療心動(dòng)過緩并伴有急性新源性腦缺氧綜合癥等患者，使其心率增快，心排血量增加到正常范圍，這就叫做心臟起搏，所用的儀器即為心臟起搏器。心臟起搏器生物醫(yī)學(xué)材料當(dāng)前34頁，總共48頁。

機(jī)身脈沖發(fā)生器和電池能源，分為體外佩帶和體內(nèi)埋植兩種類型。

電極導(dǎo)線電極通常用鉑金制作，分為單極和雙極導(dǎo)線，安置在心臟內(nèi)；導(dǎo)線做成螺旋式，外包硅橡膠材料。心臟起搏器的結(jié)構(gòu)生物醫(yī)學(xué)材料當(dāng)前35頁，總共48頁。三、組織工程材料組織工程學(xué)組織工程學(xué)是一門涉及應(yīng)用工程學(xué)和生命科學(xué)原理和方法來了解正常和病理的哺乳類組織的結(jié)構(gòu)功能關(guān)系，以及研制生物代用品以恢復(fù)、維持或改善其功能的一門學(xué)科。組織工程材料組織工程材料就是應(yīng)用于組織工程的活體或人造材料。當(dāng)前36頁，總共48頁。組織工程基本過程細(xì)胞組織器官組織工程材料當(dāng)前37頁，總共48頁。

研究用于直接移植或制造體外器官的干

細(xì)胞培養(yǎng)體外生成所需的細(xì)胞品系、細(xì)胞襯里和

器官研制用于細(xì)胞或器官包裹的生物相容性

材料組織工程材料研究?jī)?nèi)容組織工程材料當(dāng)前38頁，總共48頁。干細(xì)胞培養(yǎng)獲得目的器官干細(xì)胞：主要源于脊髓能產(chǎn)生各類成熟細(xì)胞的細(xì)胞，分為專能干細(xì)胞和多能干細(xì)胞。目前已分離出能產(chǎn)生所有其他各種類型細(xì)胞的干細(xì)胞（主要是胚胎干細(xì)胞），這有助于培養(yǎng)和修復(fù)各種器官和組織。組織工程材料當(dāng)前39頁，總共48頁。人工誘導(dǎo)生成目的器官原理與方法方法1將特定分子（如生長(zhǎng)因子）注入或植入傷口或需再生器官之中，使患者自身的細(xì)胞移向受傷處，引起組織的再生。方法2將特定細(xì)胞和可生物降解的聚合物載體植到目的位置而進(jìn)行組織修復(fù)或再生，隨后人工聚合物降解，新器官留在人體內(nèi)。組織工程材料當(dāng)前40頁，總共48頁。方法1舉例生長(zhǎng)因子刺激血管向內(nèi)生長(zhǎng)細(xì)胞植入物引起血管向外生長(zhǎng)組織工程材料當(dāng)前41頁，總共48頁。方法2舉例耳形聚合物正進(jìn)行肉化處理成為身體替代部件以膠原為載體的人造皮膚的培養(yǎng)組織工程材料當(dāng)前42頁，總共48頁。仿生和智能材料仿生材料仿制天然生物材料或具有生物功能，甚至是真正有生物活性的材料。仿珍珠層材料

人工酶人工生物膜信息轉(zhuǎn)換膜

能量轉(zhuǎn)換膜

運(yùn)輸膜當(dāng)前43頁，總共48頁。智能材料定義指模仿生物系統(tǒng)中同時(shí)具有感知和驅(qū)動(dòng)雙重功能的材料，又稱機(jī)敏材料。感知、反饋和響應(yīng)是智能材料的三大要素仿生和智能材料當(dāng)前