生物醫(yī)用材料 課件

18.1生物醫(yī)用材料概述1第8章生物醫(yī)用材料18.1生物醫(yī)用材料概述1第8章生物醫(yī)用材料生物醫(yī)學材料的概念與分類

生物材料（biomedicalmaterials）包括生物醫(yī)學材料、生物模擬材料和仿生設(shè)計新材料。

生物醫(yī)學材料是用于生命系統(tǒng)接觸和發(fā)生相互作用，并能對其細胞、組織和器官進行診斷治療、替換修復(fù)或誘導(dǎo)再生的一類天然或人工合成的特殊功能材料。

生物醫(yī)學材料包括金屬生物醫(yī)學材料、無機非金屬生物醫(yī)學材料和高分子生物醫(yī)學材料。生物醫(yī)學高分子材料也稱醫(yī)用高分子（Biomedica1Polymer）材料，它是一類用于臨床醫(yī)學的高分子及其復(fù)合材料。2生物醫(yī)學材料的概念與分類生物材料（biomedica3人造心臟生物醫(yī)用功能材料涉及材料學、醫(yī)學、生物學諸方面領(lǐng)域的交叉邊緣科學。它直接影響著人們的身體健康與生命，所以引起各方面的極大注意。具有巨大的社會意義。3人造心臟生物醫(yī)用功能材料涉及材料學、醫(yī)學、生物學諸方面領(lǐng)域4

生物醫(yī)用材料的應(yīng)用已經(jīng)有很長的歷史了。早在公元前5000年，人類祖先就用了黃金來修補牙齒。公元前3500年，古埃及人用棉花纖維、馬鬃縫合傷口。公元前2500年的中國和埃及的墓葬里被挖掘出假牙、假鼻和假耳朵。我國的隋唐時期采用了銀、錫、汞合金來填補牙齒。1851年。當天然橡膠硫化法發(fā)明以后，人們用硬橡膠制作了人工牙托和鄂骨。生物醫(yī)用材料發(fā)展簡史4生物醫(yī)用材料的應(yīng)用已經(jīng)有很長的歷史了。早在公元前50005

20世紀20年代。隨著合成高分子材料的出現(xiàn)和發(fā)展，生物醫(yī)用材料也得到了快速的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了用高分子材料制取人體器官的歷史。20世紀70年代，人工晶體、角膜、骨、人工上肝、腎、心臟等相繼成功的誕生，隨后開始了極廣泛應(yīng)用。近十幾年來，生物醫(yī)用材料的研究與開發(fā)。已成為世界各國高新技術(shù)重點發(fā)展的項目之一。520世紀20年代。隨著合成高分子材料的出現(xiàn)和發(fā)展，生物6按材料來源分（1）醫(yī)用金屬和合金。主要用于承力的骨、關(guān)節(jié)和牙等硬組織的修復(fù)和替換。不銹鋼、鈷基合金、鈦及鈦合金是目前醫(yī)用合金的三大支柱。醫(yī)用合金還有鉭、鈮和貴金屬等。（2）醫(yī)用高分子生物材料。高分子化合物是構(gòu)成人體絕大部分組織和器官的物質(zhì)，醫(yī)用高分子生物材料包括合成（如：聚酯、硅橡膠）和天然高分子（如：膠原、甲殼素）。近來，生物降解高分子材料得到重視。（3）醫(yī)用生物陶瓷。有惰性生物陶瓷和活性生物陶瓷（羥基磷灰石陶瓷、可吸收磷酸三鈣陶瓷等）（4）醫(yī)用生物復(fù)合材料。如羥基磷灰石涂復(fù)鈦合金，炭纖維或生物活性玻璃纖維增強聚乳酸等高分子材料。（5）生物衍生材料。這類材料是將活性的生物體組織，包括自體和異體組織，經(jīng)處理改性而獲得的無活性的生物材料。生物醫(yī)用材料的分類6按材料來源分（1）醫(yī)用金屬和合金。主要用于承力的骨、關(guān)節(jié)7生物衍生材料①取自患者自體的組織

例如：采用自身隱靜脈作為冠狀動脈搭橋術(shù)的血管替代物②取自其他人的同種組織例如：利用他人角膜治療患者的角膜疾?、蹃碜云渌鼊游锏漠惙N組織例如：采用豬的心臟瓣膜代替人的心臟瓣膜，治療心臟病等。7生物衍生材料①取自患者自體的組織8聚四氟乙烯8聚四氟乙烯9人工關(guān)節(jié)例如：德國產(chǎn)品UHMWPE材料ISO5834-2ASTMF648可用為人工關(guān)節(jié)、人工骨骼植入人體極低的能耗……9人工關(guān)節(jié)例如：ISO5834-210人工心臟瓣膜10人工心臟瓣膜11組織工程人工骨缺損修復(fù)示意圖11組織工程人工骨缺損修復(fù)示意圖121213按用途:骨骼-肌肉系統(tǒng)修復(fù)和替換材料：骨、牙、關(guān)節(jié)、肌腱等軟組織材料：皮膚、乳房、食道、呼吸道、膀胱等心血管系統(tǒng)材料：人工心瓣膜、血管、心血管內(nèi)插管等醫(yī)用膜材料：血液凈化膜、分離膜、角膜接觸鏡等組織粘合劑和縫線材料臨床診斷及生物傳感器材料齒科材料藥物釋放載體材料13按用途:骨骼-肌肉系統(tǒng)修復(fù)和替換材料：骨、牙、關(guān)節(jié)、肌腱14按生物化學反應(yīng)性：可生物降解和吸收材料（如：聚乳酸）惰性生物醫(yī)學材料生物活性材料（如：聚四氟乙烯）（如：羥基磷灰石）14按生物化學反應(yīng)性：15材料表面改性方法包括化學和物理方法，通?；瘜W方法較為繁瑣，應(yīng)用大量有毒化學試劑，對環(huán)境造成污染，對人體也有極大危害。物理方法具有工藝簡單、操作方便、對環(huán)境無污染等優(yōu)點，日益受到重視。主要介紹材料表面接枝聚合物刷改性、等離子體技術(shù)、離子束技術(shù)的表面改性、電化學沉積技術(shù)、材料表面肝素化、微相分離結(jié)構(gòu)的形成、材料表面生物化、材料表面化學活性基團或活性物質(zhì)的結(jié)合、表面修飾等。8.2生物醫(yī)用材料表面改性15材料表面改性方法包括化學和物理方法，通?；瘜W方161材料表面接枝聚合物刷改性材料表面接枝：聚合物鏈的一端以共價鍵形式連接在材料表面上，另一端背向沿著垂直于材料表面的方向伸展而形成的排列緊密有序、類似于刷子狀的聚合物鏈集合。接枝聚合物刷的研究在過去的10余年中得到廣泛關(guān)注,原因：聚合物刷的結(jié)構(gòu)特性使得這類聚合物可以很好地控制和改變界面或表面的物性；通過改變聚合物刷的結(jié)構(gòu)或組成可以控制聚合物刷的聚集形態(tài)及其形態(tài)轉(zhuǎn)換(從球形到圓柱狀)。圖1聚合物刷微觀形態(tài)161材料表面接枝聚合物刷改性材料表面接枝：聚合物鏈的一端17“接枝到”法：定義：將具有端基活性基團的聚合物鏈與材料表面能與之反應(yīng)的基團作用，在材料表面上嫁接聚合物鏈。該法可以預(yù)先設(shè)計聚合物鏈，得到結(jié)構(gòu)明確、分子量分布窄的接枝鏈。缺點：在接枝反應(yīng)過程中，已接枝到材料表面的聚合物鏈會對表面活性點產(chǎn)生屏蔽和立體位阻作用，阻礙體系中的聚合物向膜表面擴散，妨礙端基活性基團聚合物對表面的密集覆蓋，接枝率一般不高?！坝杀砻娼又Α狈ǎ憾x：先在材料表面形成活性接枝點，再引發(fā)單體接枝聚合，從材料表面長出接枝聚合物鏈。這種方法有效地克服了“接枝到”法中聚合物鏈靠近膜表面時的立體障礙，可以形成共價鍵合、高接枝密度的聚合物刷。缺點：難于精確控制接枝鏈的結(jié)構(gòu)和分子量，同時體系中單體往往會發(fā)生均聚。17“接枝到”法：18活性自由基聚合方法：引發(fā)轉(zhuǎn)移終止劑法(iniferters)、氮氧自由基法(TEMPO)、可逆加成-裂解鏈轉(zhuǎn)移聚合(RAFT)、原子轉(zhuǎn)移自由基聚合(ATRP)等，其中尤以原子轉(zhuǎn)移自由基聚合的研究最為活躍。自由基是一種十分活潑的活性種，在自由基聚合中極易發(fā)生鏈終止和鏈轉(zhuǎn)移，所以要抑制副反應(yīng)，達到活性聚合。在ATRP反應(yīng)中，將可逆鏈終止和鏈轉(zhuǎn)移的概念引入自由基聚合，通過在活性種和休眠種之間建立一個快速交換的平衡反應(yīng)，解決低而恒定的自由基濃度與維持可觀的反應(yīng)速率(自由基濃度不能太低)得矛盾。18活性自由基聚合方法：引發(fā)轉(zhuǎn)移終止劑法(iniferter19根據(jù)接枝引發(fā)機理不同，“由表面接枝”法可分為等離子體處理、射線輻照、光引發(fā)、溶液自由基接枝和臭氧處理五種方法。等離子體處理等離子體：由離子、電子和中性粒子組成的電中性體系。等離子體富含的各種活性粒子通過化學反應(yīng)可在膜表面引入能夠生成表面自由基的活性基團。優(yōu)點：操作簡單、安全、不造成環(huán)境污染，改性僅涉及膜材料表面而不影響本體結(jié)構(gòu)和性能，因而日益受到人們的重視；缺點：需要真空環(huán)境，設(shè)備復(fù)雜，難于連續(xù)操作，效率低，目前只限于實驗室研究應(yīng)用，尚不具備實現(xiàn)工業(yè)化的條件。19根據(jù)接枝引發(fā)機理不同，“由表面接枝”法可分為等離子體處理20輻射接枝根據(jù)輻射與接枝程序的差異，可將輻射接枝主要分為共輻射接枝法和預(yù)輻射接枝法兩類。預(yù)輻射接枝法：單體不直接接受輻射能，從而減少了均聚反應(yīng)，并且輻射與接枝是兩個獨立的過程。共輻射接枝：將輻射與接枝過程一步完成，但此方法的最大缺點是單體均聚反應(yīng)嚴重，降低了接枝率。輻射接枝共聚反應(yīng)中的輻射劑量、單體濃度和溫度等都將影響到接枝率，進而影響改性效果。通常輻射接枝的接枝率正比于吸收劑量，但超過某一劑量范圍時接枝率的增加趨于緩慢。單體濃度過高會阻礙單體的接枝，。反應(yīng)溫度對接枝共聚的影響是復(fù)雜的，多方面的，如反應(yīng)在高粘度介質(zhì)中進行時常產(chǎn)生凝膠效應(yīng)、能量轉(zhuǎn)移與鏈轉(zhuǎn)移、側(cè)鏈長度變化、單體擴散速度改變以及相分離等，對輻射接枝來說提高反應(yīng)溫度通常對提高接枝率有利。20輻射接枝21光引發(fā)接枝光引發(fā)表面接枝聚合原理：利用紫外光照射材料表面產(chǎn)生自由基，引發(fā)單體在表面接枝聚合。用途：利用光接枝中以將強極性的親水基團引入聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)等工業(yè)包裝膜的表面，有效地改善包裝膜的印刷和粘接問題。利用光接枝在塑料薄膜上接枝不同的單體，可生產(chǎn)出具有防霧、保溫、生物降解、除草等性能的多功能地膜。在塑料薄膜上接枝親水性大的單體形成親水層，使膜具有永久防霧滴效果。利用光接枝，可以把不同性能但難于粘合的膜復(fù)合在一起，制成具有多種性能的復(fù)合膜。21光引發(fā)接枝22溶液自由基接枝（1）傳統(tǒng)自由基引發(fā)聚合：自由基引發(fā)聚合一般利用基質(zhì)上現(xiàn)有的基團或通過化學方法引入基團。傳統(tǒng)自由基引發(fā)聚合的步驟較多，致使基質(zhì)上引發(fā)基團的密度不夠高，影響了聚合鏈的密度，還會帶來較多的副反應(yīng)?；|(zhì)表面上由引發(fā)基團組成的引發(fā)層結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，現(xiàn)有的分析手段還不能對此做出精確的分析。自組裝單分子層(SAMs)引發(fā)的聚合：形成高密度的引發(fā)層，引發(fā)機制也較簡單可控制鏈的長度采用輻照的方法產(chǎn)生自由基或引入中介分子引發(fā)聚合單體的反應(yīng)，也是合成聚合刷很好的方法。22溶液自由基接枝23（2）可控自由基引發(fā)聚合：在聚合反應(yīng)后將聚合鏈的部分脫除，由此可計算出接枝與殘留分子的量。從相對分子質(zhì)量、接枝面積等，可以計算出單位面積上的接枝量以及相應(yīng)引發(fā)層的接枝率。上述方法現(xiàn)已發(fā)展為可控自由基聚合(CRP)，又稱為活性自由基聚合。優(yōu)點：彌補了傳統(tǒng)自由基聚合技術(shù)的缺陷，容易控制聚合鏈上的分子排列順序，能較好地分析聚合層的微觀結(jié)構(gòu)(聚合鏈的相對分子質(zhì)量和分布等)，以及合成新穎的層狀共聚物刷子。23（2）可控自由基引發(fā)聚合：24等離子體技術(shù)等離子體技術(shù)是20世60年代以來，在物理學、化學、電子學、真空技術(shù)等學科交叉基礎(chǔ)上發(fā)展形成的一門新興學科。等離子體作為物質(zhì)的第四態(tài)，是指部分或完全電離的氣體。低溫等離子體：在直流電弧放電、輝光放電、微波放電、電暈放電、射頻放電等條件下所產(chǎn)生的部分電離氣體。在低溫等離子體中包含有多種粒子：電離所產(chǎn)生的電子和離子，大量的中性粒子如原子、分子和自由基等.等離子體在材料科學方面的應(yīng)用：材料焊接、金屬熔化、材料合成及材料表面改性等方面.通常對材料表面改性的技術(shù)有濕法和干法，等離子體表面改性是一種干法技術(shù)。24等離子體技術(shù)等離子體技術(shù)是20世60年代以來，在物理學、25材料表面改性使用的是低溫等離子體，低溫等離子體可由紫外輻射、X射線、加熱、沖擊波、激光照射、氣體放電等方法產(chǎn)生，實驗室和工業(yè)上多采用氣體放電的方式。目前有以下幾種等離子體表面改性技術(shù)：1.等離子噴涂法等離子噴涂技術(shù)是較早用于鈦及鈦合金表面改性的，由高溫等離子火焰（溫度高達10000℃以上），將待噴涂的粉料瞬間熔化，然后高速噴涂在冷態(tài)的基體上形成涂層。涂層厚度通常約0.05～0.1mm。離子噴涂后的真空熱處理技術(shù)：在600～800℃，熔融的非晶態(tài)的羥基磷灰石轉(zhuǎn)化為晶態(tài)，同時，基體與涂層間相互的離子熱擴散，使界面處形成了化學鍵結(jié)合，提高了涂層結(jié)合強度。25材料表面改性使用的是低溫等離子體，低溫等離子體可由紫外輻26圖2等離子噴涂設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖26圖2等離子噴涂設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖27離子注入表面改性離子注入：一個載能離子進入固體材料表面的過程，可以使靶材近表面區(qū)域的原子組成及其結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，能改變材料表面的性能。離子注入是一種新興的技術(shù)，該技術(shù)可以得到新型的表面合金，其耐磨性、耐蝕性和抗疲勞性都得到改善。離子注入金屬表面后，有助于析出金屬化合物和合金相、形成離散強化相、位錯網(wǎng)，可靈活地引入各種強化因子，即摻雜強化和固溶強化。通過離子注入，可減少粘著和互擴散，增強氧化膜,提高潤滑性。27離子注入表面改性離子注入：一個載能離子進入固體材料表面的28等離子聚合等離子體聚合方法可以有效地控制選擇性的表面處理。等離子體聚合膜的厚度約為納米級范圍，呈三維交聯(lián)結(jié)構(gòu)，其與基片間為共價鍵結(jié)合，因此非常穩(wěn)定，而且表面非常光滑。根據(jù)不同的需要可以在表面引入不同的功能團。等離子體聚合工藝主要有三種：1．等離子體聚合2．等離子體誘導(dǎo)接枝3．等離子體共接枝與聚合28等離子聚合等離子體聚合方法可以有效地控制選擇性的291．等離子體聚合有機單體在等離子體中的相關(guān)粒子碰撞下會形成各種碎片或功能團，這些碎片或官能團在基片表面形成三維網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)的新物質(zhì)。由于這種物質(zhì)是由很小的分子碎片甚至原子隨機組成的，因此也有人將這種聚合反應(yīng)稱為“原子聚合”。由于通常形成三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，等離子體聚合產(chǎn)物通常非常穩(wěn)定而堅固。它與基底材料表面之間是共價鍵結(jié)合，因此與基底之間的結(jié)合也非常穩(wěn)定。根據(jù)在等離子體中產(chǎn)生的功能團的性質(zhì)，可以獲得各種特定的表面特性，這可能是等離子體聚合材料最讓人感興趣的地方。291．等離子體聚合有機單體在等離子體中的相關(guān)粒子碰撞下會形302．等離子體誘導(dǎo)接枝等離子體誘導(dǎo)接枝技術(shù)是利用非聚合性氣體產(chǎn)生等離子體，在表面產(chǎn)生活性自由基，同時將功能團直接引入表面。通常的等離子體聚合物，其分子結(jié)構(gòu)有隨機性，其結(jié)果往往不可預(yù)測，由大量的工藝實驗和經(jīng)驗來尋找所希望的表面特性。等離子體誘導(dǎo)表面接枝是將選定的功能團接枝到表面，因此結(jié)果是可預(yù)知的。302．等離子體誘導(dǎo)接枝等離子體誘導(dǎo)接枝技術(shù)是利用非聚合性氣313．等離子體共接枝與聚合這種方法是將前兩種方法結(jié)合起來使用。先采用非聚合性氣體在材料表面引入特定的功能團，再用有機單體材料在表面上產(chǎn)生等離子體聚合薄膜，從而產(chǎn)生非常薄而光滑的表面；或先產(chǎn)生等離子體聚合薄膜，再用非聚合氣體在表面引入特定的功能團。313．等離子體共接枝與聚合這種方法是將前兩種方法結(jié)合起來使32離子束技術(shù)的表面改性基本原理：通過離子注入機使中性原子電離，通過引出電場和加速電場的作用，產(chǎn)生具有一定能量的帶電粒子束，照射各種材料的表面，根據(jù)產(chǎn)生離子能量的大小，可以沉積在材料表面，也可穿過表面進入材料內(nèi)部。離子束技術(shù)的應(yīng)用包括離子束注入、離子束沉積和離子束輔助沉積等。應(yīng)用離子束技術(shù)可實現(xiàn)對醫(yī)用生物陶瓷涂層材料表面的改性。生物陶瓷涂層分為氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷涂層。氧化物涂層材料：Al2O3、ZrO2、Al2O3-ZrO2、TiO2、TiO2-Al2O3等。非氧化物涂層：氮化物、碳化物、硅化物和硼化物等，采用離子注入技術(shù)可提高本體材料的抗磨損和腐蝕性。32離子束技術(shù)的表面改性基本原理：通過離子注入機使中性原子電33離子束輔助沉積技術(shù)：一種將離子注入與薄膜沉積融為一體的材料表面改性新技術(shù)。在氣相沉積鍍膜的同時，采用一定能量的離子束進行轟擊混合，從而形成單質(zhì)或化合物膜層。從廣義上講，IBAD技術(shù)包括下述三個方面：

(1)靜態(tài)反沖技術(shù)：先沉積膜層，然后用其它載能離子(如Ar+、N+等)將沉積膜層與基體反沖共混；(2)離子束混合：預(yù)先交替沉積膜層，然后用載能離子將多層膜加以混合，得到均勻的新膜層；(3)動態(tài)混合技術(shù)：即沉積與注入同時進行。通常所說的IBAD技術(shù)多指最后一種方式。33離子束輔助沉積技術(shù)：一種將離子注入與薄膜沉積融為一體的材2023/8/17342023/8/53435電化學沉積技術(shù)電化學沉積技術(shù)：用電化學的方法，通過調(diào)節(jié)電解液的濃度、PH值、反應(yīng)溫度、電場強度，電流等來控制反應(yīng)的制備方法，包括電沉積技術(shù)和電泳沉積技術(shù)等。優(yōu)點：生物陶瓷涂層可在溫和條件下進行，基體和涂層界面不存在熱應(yīng)力問題，避免了高溫噴涂引起的相變和脆性斷裂，同時有利于增強基體和涂層之間的結(jié)合強度。電沉積過程實質(zhì)上就是電氧化還原過程。在水溶液、熔融鹽和非水溶劑中進行電沉積，可合成多種不同類型和聚集狀態(tài)的材料。主要有下列方面的應(yīng)用：1）電解鹽的水溶液和熔融鹽，制備金屬、某些合金和鍍層。2）C，B，Si，P，S，Se等二元或多元金屬陶瓷型化合物的合成。3）制備難于用其他方法合成的混合價態(tài)化合物、簇和物、嵌插型化合物、非計量氧化物等。35電化學沉積技術(shù)電化學沉積技術(shù)：用電化學的方法，通過調(diào)節(jié)電36電沉積過程受很多因素影響：1.溶液的組成溶液的組成必須符合以下幾個要求：①含有一定濃度的欲得金屬的離子并且性質(zhì)穩(wěn)定；②電導(dǎo)性能好；③具有合適在陰極析出金屬的PH值；④能出現(xiàn)金屬收率好的電沉積狀態(tài)；⑤盡可能少地產(chǎn)生有毒和有害氣體。2.溫度3.電流密度4.添加劑5.沉積電位6.其它因素（表面活性劑、分散劑等）36電沉積過程受很多因素影響：37材料表面生物化生物化：用天然生物材料制成人工器官或用諸如蛋白、多肽、明膠、細胞生長因子等大分子物質(zhì)固定于生物材料表面，充當臨近細胞、基質(zhì)、可溶性因子的受體，使表面形成一個能與生物活體相適應(yīng)過渡層。常用方法：吸附、鍵結(jié)合和復(fù)合涂層。37材料表面生物化生物化：用天然生物材料制成人工器官或用諸如38吸附最簡單的方法：在植入前把種植體浸于含該分子溶液中一定時間，讓生長因子自然附著于種植體。有學者用此方法將堿性磷酸酶固定于作了等離子噴涂處理的鈦種植體表面，然后植入兔子的股骨，結(jié)果發(fā)現(xiàn)顯著地促進了種植體周圍骨組織的形成。缺點：吸附效果受種植體表面結(jié)構(gòu)及個體差異影響較大，結(jié)果不易控制。因此，雖然在許多研究中，都有陽性結(jié)果發(fā)現(xiàn)，但目前仍然不能作為理想方法應(yīng)用于臨床。38吸附最簡單的方法：在植入前把種植體浸于含該分子溶液中39鍵結(jié)合缺點：相對吸附法而言較為復(fù)雜，被固定的分子不能直接釋放于種植體-組織界面優(yōu)點：固定于種植體表面的分子表現(xiàn)出與可溶解蛋白相同甚至更高的活力已被應(yīng)用于固定肽鏈、酶類及粘連蛋白于鈦合金種植材料表面。如果金屬表面缺乏固定所需基團，可通過等離子體處理或自聚體單分子層沉積等方法來處理金屬表面，從而增強固定蛋白的能力。39鍵結(jié)合缺點：相對吸附法而言較為復(fù)雜，被固定的分子不能40材料表面化學活性基團或活性物質(zhì)的結(jié)合利用基體材料本身具有的基團或通過某些反應(yīng)活性高的基團和原子，可以使材料表面產(chǎn)生功能基團，發(fā)揮其生物學作用。例如，在惰性生物材料表面引入活性藥物如肝素、尿激酶、前列腺素等或類肝素化。材料表面引入生物活性分子可以促進細胞的粘附和生長，因此將生物活性分子固定到材料表面是提高其細胞相容性的重要方法。蛋白質(zhì)在聚合物表面的固定主要有物理吸附和化學固定。物理吸附：通過靜電吸附作用可將含有多個負電荷的生物活性分子固定于材料中帶正電荷的部位；化學固定：將生物活性分子中的某些基團與基質(zhì)表面的反應(yīng)性基團通過化學鍵合使其牢固地固定于材料表面，可獲得長期的組織相容性。40材料表面化學活性基團或活性物質(zhì)的結(jié)合利用基體材料本身具有41表面修飾定義：在不改變材料本體性能的前提下，賦予其表面新的性能。作為在人體生理環(huán)境中使用的醫(yī)用材料，必須要求材料具有優(yōu)良的生物相容性。有效阻止蛋白質(zhì)的非特異性吸附非常有利于提高材料的生物相容性。對材料的表面修飾是提高材料生物相容性的重要手段。應(yīng)用精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸多肽對羥基磷灰石材料進行表面修飾處理用氟化物處理鈦表面TiO2涂層用噴砂聯(lián)合草酸酸蝕處理鈦種植體41表面修飾定義：在不改變材料本體性能的前提下，賦予其428.3醫(yī)用金屬材料在生物醫(yī)學材料中，金屬材料應(yīng)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（一般不用純金屬）或合金，又稱外科用金屬材料。它是一類生物惰性材料合金是由一種金屬跟其他一種或幾種金屬（或金屬跟非金屬）一起熔合而成的具有金屬特性的物質(zhì)428.3醫(yī)用金屬材料在生物醫(yī)學43人體環(huán)境特點體液是質(zhì)量分數(shù)約為1%的NaCl、少量其它鹽類及有機化合物的充氣溶液。有人說人體與溫暖的海水相似在人體的不同部位，甚至同一部位不同時刻，人體組織內(nèi)體液的成分不一樣電化學腐蝕的基本規(guī)律對人體環(huán)境中的植入材料的腐蝕完全適用人體體液環(huán)境由體液構(gòu)成多種多樣的電解質(zhì)溶液43人體環(huán)境特點體液是質(zhì)量分數(shù)約為1%的NaCl、少在人體的44還有其他的腐蝕形式，如晶間腐蝕（不銹鋼最易發(fā)生的腐蝕形式）、應(yīng)力腐蝕、微動腐蝕等均勻腐蝕點腐蝕電偶腐蝕縫隙腐蝕磨損腐蝕腐蝕疲勞醫(yī)用金屬材料人體環(huán)境可能發(fā)生的腐蝕形式：44還有其他的腐蝕形式，如晶間腐蝕（不銹鋼最易發(fā)生的腐蝕45均勻腐蝕是指接觸腐蝕介質(zhì)的金屬表面全部產(chǎn)生腐蝕的現(xiàn)象。大面積發(fā)生，以金屬離子形式進入人體組織里的量還是相當可觀，影響生物相容性，增加病人的痛苦甚至危及生命點腐蝕是一種腐蝕集中在金屬（合金)表面數(shù)十微米范圍內(nèi)且向縱深發(fā)展的腐蝕行式。形成條件：鈍化膜，特殊離子，電位差均勻腐蝕點腐蝕醫(yī)用金屬材料45均勻腐蝕是指接觸腐蝕介質(zhì)的金屬表面全部產(chǎn)生腐蝕的46

縫隙腐蝕是指連接處出現(xiàn)狹窄的縫隙，電解質(zhì)溶液進入，使縫內(nèi)金屬與縫外金屬構(gòu)成短路原電池，并且在縫內(nèi)發(fā)生強烈局部腐蝕。多零件植入裝置中，大約有50%遭受縫隙腐蝕電偶腐蝕是由于腐蝕電位不同，造成同一介質(zhì)中異種金屬接觸處的局部腐蝕。在多個零件構(gòu)成的植入裝置中，選用的材料不同就容易產(chǎn)生電偶腐蝕。手術(shù)時也要注意電偶腐蝕縫隙腐蝕醫(yī)用金屬材料46縫隙腐蝕是指連接處出現(xiàn)狹窄的縫隙，電解質(zhì)溶液進入47

腐蝕疲勞是指金屬材料在交變應(yīng)力的共同作用下產(chǎn)生的斷裂現(xiàn)象。腐蝕疲勞裂紋總是從植入器件表面發(fā)生，所以可以對植入器件噴丸處理提高疲勞壽命磨損腐蝕是由于植入器件之間反復(fù)的相對的滑動所造成的表面磨損與腐蝕環(huán)境的綜合作用結(jié)果。磨損腐蝕造成點蝕坑或顆粒形狀的斑疤磨損腐蝕腐蝕疲勞47腐蝕疲勞是指金屬材料在交變應(yīng)力的共同作用下48要求有足夠的力學強度和抗疲勞性能

有極好的耐腐蝕性能,無磁性必須無毒、無致癌性與過敏反應(yīng)具有良好的光潔度4123材料易于制造,價格適當5醫(yī)用金屬材料48要有足夠的力學強度和抗疲勞性能有極好的耐腐蝕性能,無磁49常見醫(yī)用金屬材料及特點（優(yōu)點）純鈦和鈦合金

不銹鋼

鈷基合金

形狀記憶合金

貴金屬

良好的穩(wěn)定性和加工性能。因其價格較貴,廣泛應(yīng)用受到限制較硬富有彈性,可起到矯形或支撐作用.其優(yōu)良的生物相容性、耐腐蝕、耐磨性、無毒無毒、質(zhì)輕、強度高、生物相容性好優(yōu)點良好的耐腐蝕性能和綜合力學性能,且加工工藝簡便耐腐蝕和力學性能綜合衡量,它是最優(yōu)良的材料之一醫(yī)用金屬材料在諸多生物材料中,由于具有較高強度和韌性,適用于修復(fù)和置換人體硬組49常見醫(yī)用金屬材料及特點（優(yōu)點）純鈦和不銹鋼鈷基50該材料是臨床應(yīng)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(fù)和替換、心血管和軟組織修復(fù)以及人工器官制造的主要材料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50該材料是臨床應(yīng)用最廣泛的承力植入51醫(yī)用金屬材料常用醫(yī)用金屬材料：不銹鋼鈷（Co）基合金鈦（Ti）基合金形狀記憶合金貴金屬純金屬鉭純金屬鈮純金屬鉻51醫(yī)用金屬材料常用醫(yī)用金屬材料：52不銹鋼

1926年，不銹鋼（18Cr-8Ni）作為第一種不銹鋼植入材料用于外科，替代了較易腐蝕的鋼，1943年，美國又推薦302型不銹鋼用于骨折固定，后來加入鉬的18-8sMo不銹鋼（316）的應(yīng)用，進一步改善了材料的抗腐蝕性能。1950年，將不銹鋼中所含的碳量最大限度地降低至0.08%-0.03%，從而研制出具有較好抗腐蝕性能的316L不銹鋼（L代表低碳含量）52不銹鋼1926年，不銹鋼（18Cr-853不銹鋼種類鐵素體不銹鋼：含鉻量從13%-30%，含碳量低于0.25%，一般用于耐腐蝕性高而強度較低的構(gòu)建，所以不適合作為生物材料應(yīng)用馬氏體不銹鋼：含鉻量為12%-15%，并加入0.15%-1.0%的碳，由于含碳量增加，可經(jīng)熱處理以提高其硬度和強度，但易引起晶間腐蝕，抗腐蝕性不如鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼，故作為生物材料應(yīng)用受到一定限制奧氏體不銹鋼：是在鐵-鉻系統(tǒng)中再加入8%以上的鎳形成鐵-鉻-鎳三元合金，鎳的加入可以提高抗腐蝕性，常作為生物材料選用沉淀硬化不銹鋼：是含有多種元素（如鋁、銅、鈦、鉬等）的合金53不銹鋼種類鐵素體不銹鋼：含鉻量從13%-30%，含碳量低54不銹鋼的應(yīng)用

醫(yī)用不銹鋼具有良好的生物相容性，力學性能較好，廣泛應(yīng)用于矯形外科、骨科和齒科的修復(fù)，如接骨板、骨螺釘、人工關(guān)節(jié)（髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)）、齒冠、齒科矯形等。醫(yī)用不銹鋼耐腐蝕性及強度都不如鈷基合金，在植入人體以后，由于腐蝕或磨損等原因造成表面的鈍化層或保護層發(fā)生破壞，其中金屬離子很容易富集于植入物附近的組織中，影響生物體的正常代謝。同時其密度和彈性與人體硬組織相差較大，長期植入穩(wěn)定性不好。另外，鎳離子是一種潛在的致敏因子，鎳離子在生物體內(nèi)植入物附近的富集可能誘發(fā)毒性效應(yīng)，發(fā)生細胞破壞和發(fā)炎反應(yīng)，對生物體有致畸、致癌的危害性，西方許多國家針對鎳的危害早已制定和頒布相關(guān)文件和標準來限制生物醫(yī)用金屬中的鎳含量基于上述原因，不銹鋼作為醫(yī)用材料應(yīng)用的比例呈下降趨勢54不銹鋼的應(yīng)用醫(yī)用不銹鋼具有良好的生物相容555556鈷基合金由65%的鈷（Co）和35%的鉻（Cr）組成，在合金中加入其他不同的元素如碳、鉬、鎳、鎢、鐵性能不同，彈性模量不同，但都與316不銹鋼大致相同，是鈦的2倍。目前，Co-Cr-Mo合金已納入ISO5582/4標準，我國于1990年將其列入GB12417-90標準。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(fù)雜的精密修復(fù)體，有硬、中、軟三種類型56鈷基合金由65%的鈷（Co）和35%的鉻（57鈷基合金鈷基合金生物相容性好，臨床長期應(yīng)用無明顯不良副反應(yīng)，其物理和化學性能均能滿足醫(yī)學需要臨床上主要用于：人工關(guān)節(jié)（特別是人體中受載荷最大的髖關(guān)節(jié)）人工骨及骨科內(nèi)處固定器件的制造齒科修復(fù)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(yīng)用尚不普及鈷基合金中的Co、Ni等離子在體內(nèi)會溶出，引起皮膚過敏和毒性反應(yīng)，造成組織壞死和植入物的松動

人造髖關(guān)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57鈷基合金鈷基合金生物相容性好，臨床長期應(yīng)用58鈦（Ti）基合金臨床應(yīng)用廣泛，其質(zhì)輕、比強度高、力學性質(zhì)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抗斷裂強度較低，耐磨性能不盡人意，加工困難。冶煉及成型工藝復(fù)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(fù)腦膜和腹膜、人工骨、關(guān)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(shù)器械、醫(yī)療儀器頜人工假肢等58鈦（Ti）基合金臨床應(yīng)用廣泛，59髖關(guān)節(jié)鈦制金屬件（有上百種）股骨頭肱骨顱骨肘關(guān)節(jié)肩關(guān)節(jié)掌指關(guān)節(jié)頜骨心辨膜腎辨膜血管擴張器夾板假體緊固螺釘膝關(guān)節(jié)59髖關(guān)節(jié)鈦制金屬件（有上百種）股骨頭肱骨顱骨肘關(guān)節(jié)肩60研發(fā)現(xiàn)狀：據(jù)報道，世界上每年有近千噸醫(yī)用型鈦及鈦合金材料用于制造人體植入物，其中80%的是Ti-6Al-4V鈦合金隨著醫(yī)用型Ti-6Al-4V鈦合金應(yīng)用發(fā)展，開發(fā)出具有高斷裂韌性，低裂紋擴展的低間隙元素型Ti-6Al-4VELI鈦合金

材料學界專家積極開發(fā)無鋁、釩的新型鈦合金，如：Ti-13Nb-13Zr鈦合金（ASTMF1713-1996）、Ti-12Nb-6Zr-2Fe鈦合金（ASTMF1813-1