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1、1,生物材料学,第五章 医用生物材料,2,医用生物材料,医用金属材料医用陶瓷材料医用高分子材料,3,5-1 医用金属材料,金属生物医用材料历史悠久，是人类最早使用的生物医用材料之一。例如，公元前400-公元前300年，用金属材料修复牙缺损，1546年纯金薄片修复缺损颅骨，1775年用铁丝固定断骨等。医用金属材料是指一类用作生物材料的金属或合金。它是一类生物惰性材料，除具有较高的机械强度和抗疲劳性能，具有良好的生物力学性能及相关的物理性质外，还必须具有优良的抗生理腐蚀性、生物相容性、无毒性和简易可行及确切的手术操作技术 。,4,医用金属材料,金属材料是临床应用最广泛的承力植入材料，由于有较高的强
2、度和韧性，已成为骨和牙齿等硬组织修复和替换、心血管和软组织修复以及人工器官制造的主要材料。化学周期表中的大部分金属不符合生物材料的要求，仅有小部分或经处理过的可用于临床。目前在临床使用的医用金属材料主要有不锈钢、钴基合金和钛基合金三大类，另外还有贵金属以及纯金属钽、铌和锆等。,5,6,生物相容性要求,毒性反应： 金属的毒性主要作用于细胞、可抑制酶的活动，阻止酶通过细胞膜的扩散和破坏溶酶体。不锈钢中含有毒性的铁、钴、镍，加入有毒的铍（2%）可减小毒性；加入铬（20%），则毒性消失，且抗腐蚀性增强。 金(Au),钽(Ta),铂(Pt)未发现毒性。化学稳定性： 抗化学性和电离性腐蚀； 可消毒性，消毒
3、后不引起材料性能的改变。 耐久性：在使用、贮存和消毒时不破坏，不因长期植入而丧失性能。生物相容性评价： 利用多种检验方法（如，细胞培养、过敏试验、溶血反应等），考察材料的生物相容性。,7,耐腐蚀性能要求,金属材料的主要缺点是腐蚀问题。长期浸泡在含有有机酸、碱金属或碱土金属离子（Na+、K+、Ca2+）、Cl-离子等构成的恒温（37）电解质的环境中，加之蛋白质、酶和细胞的作用，其环境非常复杂，会对金属材料产生腐蚀，腐蚀的产物可能是离子、氧化物、氯化物等。腐蚀不仅产生腐蚀产物，对人体有刺激性和毒性，还会降低或破坏金属材料的机械性能，甚至导致断裂引起植入失败。,8,力学性能要求,抗压强度、抗拉强度、
4、屈服强度、弹性模量、疲劳极限和断裂韧性等。弹性模量-(定义是：应力除以应变)是生物医用金属材料的重要物理性质之一，其值过高或过低都会呈现出生物力学不相容性。金属医用材料的弹性模量要稍高于人骨的弹性模量。,9,一、不锈钢,不锈钢外观呈微灰色或银白色。结构紧密，不易氧化生成氧化铁，故有不锈之称。不锈钢是能抵抗酸、碱、盐等腐蚀作用的合金钢的总称。在合金中以铬为主，有的还加入镍钼、钛等元素，以提高抗腐蚀性能。常见的铬不锈钢其含铬量在12%以上，镍铬不锈钢含铬为18%，含镍为8%，镍铬不锈钢的抗蚀性能较铬不锈钢更好。,10,按显微组织的特点可分为奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、沉淀硬化不锈钢等
5、类型；奥氏体型不锈钢因具有良好的耐蚀性能和综合的力学性能而得到广泛的临床应用；其中应用最多的是奥氏体超低碳 316L和317L不锈钢。铁素体和马氏体不锈钢的主要成分是Fe、Cr、C；马氏体不锈钢的耐蚀性随含碳量的降低和含铬量的增加而提高;马氏体不锈钢的强度、硬度、耐磨性随含碳量的增加而提高，而耐蚀性、焊接性却降低。目前铁素体和马氏体不锈钢用于医疗器械。,11,Cr：提高抗蚀能力的基本元素、能在钢表面形 成一层保护性的Cr2O3薄膜；提高钢的 电极电位；形成单相的铁素体组织。,Ni：使钢呈单相奥氏体组织，提高钢的塑性 和韧性，改善钢的焊接性能,Cu和Mo：提高钢的耐腐蚀作用,C： 对提高钢的抗腐
6、蚀作用不利，但能提高 钢的强度和硬度,不锈钢所含元素及作用：,Ti和Nb：优先与碳形成碳化物，避免晶界贫铬区， 从而减轻钢的晶间腐蚀倾向。,Mn和N：为了部分取代镍，以降低成本,12,奥氏体不锈钢的主加元素是Cr和Ni，具有高的塑性，易于加工变形制成各种型状，无磁性，韧性好；奥氏体不锈钢的生物相容性和综合力学性能较好，得到了大量应用；在骨科里用来制作各种人工关节和骨折内固定器；在口腔科常用于镶牙、矫正和牙根种植等各种器件的制作。,奥氏体不锈钢,13,与不锈钢相比，钴基合金的钝化膜更稳定，耐蚀性更好，植入体内不会产生明显的组织反应；最先在口腔科得到应用的是铸造钴铬钼合金，20世纪30年代末又被用
7、于制作接骨板、骨钉等固定器械；20世纪50年代又成功地制成人工髋关节；20世纪60年代，为了提高钴基合金的力学性能，又研制出锻造钴铬钨镍合金和锻造钴铬钼合金，并应用于临床；为了改善钴基合金抗疲劳性能，于20世纪70年代又研制出锻造钴铬钼钨铁合金和具有多相组织的MP35N钴铬钼镍合金，并在临床中得到应用。,二、钴（Co）基合金,14,含有较高的铬和钼，又称钴铬钼合金，具有极为优异的耐腐蚀性（比不锈钢高40倍）和耐磨性，综合力学性能和生物相容性良好，可通过精密铸造成形状复杂的精密修复体，有硬、中、软三种类型。临床上主要用于人工关节（特别是人体中受载荷最大的髋关节）人工骨及骨科内处固定器件的制造齿科
8、修复中的义齿，各种铸造冠、嵌体及固定桥的制造心血管外科及整形科等,15,人造髋关节的头杆部分。从股骨上端插进金属杆，杆头有一个金属头，它嵌在粘于髋骨窝中的一个塑料臼中：聚乙烯塑料臼、由钴铬钼合金的头（仿股骨头）、钴镍铬钼合金的杆（仿股骨颈） 。,16,17,三、金属-钛,钛是十分活泼的金属，能够很快地与氧气、氢气、氮气发生反应，但实际上在许多介质中钛都很稳定。因为，钛与氧具有很好的亲和力，能形成一层致密、附着力强、惰性大的氧化膜，即使受到机械磨损之后，也会很快再生。,电位 SCE/mV,纯钛植入在0.9% NaCl溶液中的再钝化曲线,18,金属-钛,钛主要用于制人造骨和关节、假牙材料。钛弹性模
9、量与人体骨骼的弹性模量最为接近，有利于降低或消除植入物与人体骨骼界面的应力屏蔽；钛的表面有一层致密的TiO2膜，降低表面锈蚀。钛无磁性，在很强的磁场下也不会磁化，用钛制人造骨和关节植入人体不会受到雷雨天气的影响。钛金属无毒、质轻、轻度高、抗腐蚀、抗疲劳，成为人工种植牙的重要材料。钛的纯度99.50%以下时，开始产生生物学不良影响，纯度越低，产生不良影响的趋势越大。,19,用金属钛制成的“人造骨骼”，将使骨科技术得到改观。在骨头损坏的地方，可以用钛片和钛螺丝钉固定。过几个月后，骨头就会生长在钛片的小孔和螺丝钉的螺纹里，新的肌肉包在钛片上。钛制成的“人造骨骼”就像真正的骨骼一样，与肌肉相连，因此，
10、钛被誉为“亲生物的金属”。,在外科接骨时用不锈钢，在接骨愈合以后，要把不锈钢再取出来，以免产生不良影响，这是一件十分痛苦的事。,20,钛镍合金矫形拉簧对牙进行矫正,21,四、医用贵金属-金,口腔科-牙科修复。金的延展性极好，有很好的导电性和导热性。具有极高的抗氧化性和抗腐蚀性，在任何温度下都不会与氧或硫发生反应。对人体组织无毒副作用、刺激小等优良的生物学性能。除口腔科外，还应用于颅骨修复、植入电极电子装置等方面。,22,卡铂,顺铂,铂类金属药物其抗癌作用机制：跨膜运输：带有氨或胺，整个分子为电中性，有一定的脂溶性，同时分子体积小，容易跨过脂质双层结构的细胞膜，进入细胞。水解：Pt(NH3)2(
11、H2O)22+。定向迁移：DNA位于细胞核，带有负电荷。通过静电作用，定向快速向细胞核迁移。与DNA的缩合：cis- Pt(NH3)2(H2O)22+的化学性质活泼，形成cis- Pt(NH3)2/DNA缩合物，引起DNA复制障碍，抑制癌细胞分裂。,五、医用贵金属-铂,23,具有良好的抗生理腐蚀性和可塑性，独特的表面负电性使其具有优良的抗血栓性能和生物相容性，还有很高的抗缺口裂纹能力。植入骨内能和周围的新骨形成骨性结合；植入软组织中，肌肉等组织可依附在钽条上正常生长。退火后的纯钽很软，可加工成板、带、箔、丝等使用。主要用作接骨板、颅骨板、骨螺钉、种植牙根、颌面修复体、义齿及外科手术缝线和缝合针
12、； 钽网可用于肌肉缺损修补；钽丝和箔用于缝合修补受损的神经、肌腱和血管；钽还可以用于血管内支架及人工心脏、植入型电子装置；钽的同位素可用于放射治疗。只是由于钽的资源少、价格较高，使其推广受很大限制。,六、纯金属-钽（Ta）,24,七、纯金属铌（Nb）,性能和应用范围与钽非常相似，用于修补颅骨和制作医疗器械。但由于来源困难，价格昂贵，使用受到限制，主要用于制造髓内钉等。,25,八、纯金属铬（Cr）,化学性能与金属钛相似，耐蚀性能、加工性能、稳定性和生物相容性都很好，主要用于人工骨和修补颅骨，可加工成各种板、带、线材在临床上使用。医用铬可与钛等同使用，但其价格较贵，在临床中较难推广。,26,5-2
13、 医用陶瓷材料,陶瓷是一种难熔的无机化合物，通常为多晶体。常见的陶瓷包括硅酸盐、金属氧化物、碳化物、各种难熔氢化物、硫化物以及磷酸盐等。其中，氧化物有Al2O3、MgO、SiO2等；离子盐类有NaCl、CsCl、ZnS等。此外，还有金刚石和碳质结构物质如石墨、碳化物等。影响陶瓷结构和性能的主要因素是原子半径比和阴、阳离子间的电负性差别。,27,有各种不同的化学成分，根据其在生理环境中的化学活性和性质可分为四类：近似于惰性：三氧化二铝、氧化锆等氧化物生物陶瓷，Si3N4、钛酸钡等非氧化物生物陶瓷以及医用碳素等，这类材料长期暴露于生理环境下能保持稳定。 表面活性：羟基磷灰石生物活性陶瓷和生物活性玻
14、璃陶瓷，在生理环境中可通过其表面发生的生物化学反应与组织形成化学键性的结合，起到了适合新生骨沉积的生理支架作用，也就是所谓的“骨引导”和“骨传导”作用。,28,可吸收性：如石膏、磷酸三钙陶瓷，在生理环境中可逐渐被降解吸收，诱导骨质生长，并随之被新组织所替代，从而达到修复或替换病损组织的目的 。复合型：生物陶瓷与生物陶瓷或与其他无机材料、有机材料复合而成的复合型材料。根据临床的不同要求可以制成不同类型的复合材料。,29,医用陶瓷材料的特点,其耐磨性也远高于金属，而且在高温、腐蚀环境下更显示出其独特的优越性。最重要的耐磨陶瓷材料是氧化铝、氧化锆和氮化硅陶瓷等。（1）减摩性与耐磨性（2）抗磨性,30
15、,医用陶瓷材料的特点,陶瓷材料硬度、刚度很高。陶瓷材料的塑性和韧性较低，这是陶瓷最大的弱点。陶瓷材料受到载荷时在不发生塑性变形的情况下，就发生断裂。,31,（1）能承受负载的矫形材料，用在骨科、牙科及颌面上。用于此用途材料有：Al2O3陶瓷、稳定ZrO2陶瓷、具有生物活性的表面涂层(生物微晶玻璃、生物活性玻璃)的相应材料等。 （2）种植齿、牙齿增高。用于这类用途的材料的有：Al2O3陶瓷、氟聚合物金属基复合材料、生物活性玻璃、自固化磷酸盐水泥和玻璃水泥、活性涂层材料等。 （3）耳鼻喉代用材料。用于这类用途的材料的有：Al2O3陶瓷、生物活性玻璃及生物活性微晶玻璃、磷酸盐陶瓷。 （4）人工肌腱和
16、韧带。用于这类用途的材料的有：PLA-碳纤维复合材料。,各种生物陶瓷在临床上有以下应用：,32,（5）人工心脏瓣膜。用于这类用途的材料的有：热解碳涂层(抗凝血，摩擦系数小)。 （6)可供组织长入的涂层(心血管、矫形、牙、额面修复)。用于此用途的材料的有：多孔Al2O3陶瓷。 （7）骨的充填料。用于这类用途的材料的有：磷酸钙及磷酸钙盐粉末或颗粒。 （8）脊椎外科。用于这类用途的材料的有：生物活性玻璃或生物活性玻璃陶瓷。 （9）义眼。用于这类用途的材料的有：生物玻璃、多孔羟基磷灰石。,33,(1) 近似于惰性陶瓷材料,近似于惰性生物陶瓷是一类暴露于生物环境中几乎不发生化学变化的生物陶瓷。其所引起的
17、组织反应主要表现在材料周围会形成厚度不同的包囊性纤维膜。属于此类的生物陶瓷主要有氧化铝生物陶瓷、氧化锆生物陶瓷和医用碳素材料，后者包括玻璃碳，低温各向同性(LTI)碳和超低温各向同性(ULTI)碳等。在临床得到广泛应用的是氧化铝生物陶瓷和医用碳素材料。,34,Al2O3陶瓷又称高铝陶瓷，主要成分是Al2O3和SiO2。主晶相为刚玉（Al2O3），随着SiO2质量百分数的增加，还出现莫来石和玻璃相。根据陶瓷坯中主晶相的不同，分为刚玉瓷、刚玉莫来石瓷和莫来石瓷。 氧化铝有十多种同素异构体，但常见的主要有三种：-Al2O3、-Al2O3 、-Al2O3 。 -Al2O3属于尖晶石型（立方）结构，高温
18、时不稳定，在1600转变为-Al2O3 。 -Al2O3 属于六方系，稳定性好，在熔点2050 之前不发生晶型转变。, 氧化铝陶瓷,35,在植入材料中氧化铝是一种一直使用的很满意的实用生物材料，氧化铝生物相容性良好，在人体内稳定性高，机械强度较大 视制造方法的不同，用于生物医学的氧化铝分为单晶氧化铝、多晶氧化铝和多空质氧化铝三种。就多晶氧化铝而言，只有高纯度(99.5 )、高密度(3.90 g/cm3)、晶粒细小且均匀(平均晶粒尺寸7m)的氧化铝陶瓷才能显示出Al2O3作为生物陶瓷的优越性，即优良的生物相容性，摩擦系数小、耐磨损、抗疲劳，耐腐蚀等特性。,36,氧化铝生物陶瓷制作的人体构件,37
19、,氧化铝也存在几个问题： 与骨不发生化学结合，时间一长，与骨的固定会发生松弛； 机械强度不十分高； 杨氏模量过高(380GPa)； 摩擦系数、磨耗速度不低。,38,采用多孔氧化铝则可较好地解决氧化铝陶瓷与骨头结合不好的问题。把氧化铝陶瓷制成多孔质形态，多孔氧化铝陶瓷可使骨组织长入其孔隙而使植入体固定，保证了植入物与骨头的良好结合。但这样会降低陶瓷的机械强度，多孔氧化铝陶瓷的强度随空隙率的增加而急剧降低。因此，只能用于不负重或负重轻的部位。,39,ZrO2陶瓷有三种晶型。常温下是单斜晶系，1000度以上转变为四方晶系，到2300度以上又转变成立方晶系。由单斜向四方的转变是可逆的，并伴随7的体积变
20、化。导致陶瓷在烧结时容易开裂，为此，要加入适量的稳定剂，如Y2O3。,ZrO2（氧化锆）陶瓷的特点是热导率小，是理想的高温绝热材料。化学稳定性好，能抵抗酸性或中性熔渣的侵蚀，可用作特种耐火材料；硬度高，可制作冷成型工具、整形模、切削工具、剪刀等；强度高、韧性好，可制作发动机构件等。,ZrO2陶瓷,40,部分稳定化的氧化锆和氧化铝一样，生物相容性良好，在人体内稳定性高，而且比氧化铝的断裂韧性值更高，耐磨性也更为优良，用作生物材料有利于减小植入物的尺寸和实现低摩擦、磨损，因而在人工牙根和人工股关节制造方面的应用引人注目。,41,碳素材料 碳材料在1967年被开发并用做生物材料，虽历史不长，但因其独
21、特的优点，发展迅速。碳素材料质轻而且具有良好的润滑性和抗疲劳特性，弹性模量与致密度与人骨的大致相同。碳材料的生物相容性好，特别是抗凝血性佳，与血细胞中的元素相容性极好，不影响血浆中的蛋白质和酶的活性。在人体内不发生反应和溶解，生物亲和性良好，耐蚀，对人体组织的力学刺激小，因而是一种优良的生物材料。,42,玻璃碳材：是通过加热预先成型的固态聚合物使易挥发组分挥发掉而制得。材料的断面厚度一般小于7mm。 热解碳(LTI碳)：是将甲烷、丙烷等碳氢化合物通入硫化床中，在10002400热解、沉积而得。沉积层的厚度一般为1mm。 低温气相沉积碳(ULTI碳)：是用电弧等离子体溅射或电子束加热碳源而制取的
22、各向同性的碳薄膜，其膜厚一般在lm左右。,根据不同的生产工艺，可得到不同结构的碳素材料，主要的类型有三种：,43,碳素材料是用于心血管系统修复的理想材料，至今世界上已有近百万患者植入了LTI碳材的人工心脏瓣膜。碳纤维与聚合物相复合的材料可用于制作人工肌键、人工韧带、人工食道等。玻璃碳、热解碳可用于制作人工牙根和人工骨等。碳素材料的缺点是在机体内长期存在会发生碳离子扩散，对周围组织造成染色，但至今尚未发现由此而引发的对机体的不良影响。,44,(2) 可吸收生物陶瓷,生物吸收材料是一种暂时性的骨代替材料。植入人体后材料逐渐被吸收，同时新生骨逐渐长入而替代之，这种效应称之为降解效应，具有这种降解效应
23、的陶瓷材料称之为可吸收生物陶瓷。生物降解可吸收生物陶瓷在生物医学上的主要应用为脸部和额部的骨缺损，填补牙周的空洞，还可作为药物的载体。,45,所谓生物降解材料必须是能被微生物完全消化，并产生自然副产物(二氧化碳、甲烷、水、生物质等)的材料。美国ASTM（美国材料与试验协会）关于生物降解材料的定义如下：“一类由自然界存在的微生物，如细菌、霉菌和藻类的作用起降解的材料。生物降解材料是指那些可由体液、酶或微生物的作用而引起分解的材料，用于缝线、人体植入、控释药物等。,46,(3) 表面活性生物陶瓷,生物活性陶瓷是指在生理环境中能与组织细胞界面形成化学键组合的陶瓷材料。 生物活性陶瓷材料包括各种生物活
24、性玻璃及羟基磷灰石等磷酸盐材料。这些材料中含有能通过人体新陈代谢途经置换的钙、磷等元素，或含有能与人体键合的羟基，它们可以与人体组织发生键合，从而形成骨性界面的结合；具有骨引导作用，可促进骨缺损的修复和重建。,47,羟基磷灰石的分子式为Ca10(PO4)6(OH)2, 简称HA或HAP,因为HA占人体骨组成的70%97，所以修复骨组织HA较金属和聚合物具有更好的效果。20世纪80年代初，雅奇(Jarch)研究了HA和骨的结合过程，发现HA植入骨组织后，通过外延生长和骨产生牢固的化学键结合，即骨性结合。,生物陶瓷人工听小骨假体,48,生物活性陶瓷的突出特点在于随着修复时间的延长，种植体表面发生动
25、态变化，表面形成与骨组织能够化学键结合的生物羟基磷灰石(HCA)，这种羟基磷灰石中的部分PO43+被CO32+取代，还含有其它矿物质和微量元素，其化学式可以表示为(Ca，M)10(PO4，CO3，X)6(OH，F，Cl)2。其中M代表Mg、Na、K及微量元素Sr、Pb、Ba等，X为HPO42-、SO42-、硼酸盐和矾酸盐等。在种植体上形成的HCA，矾酸盐等在化学组成和微观结构上与骨的无机组成相同，在与骨的界面结合中发挥作用。在生物体中，与骨组织形成紧密的化学键结合层，这种键结合层能阻挡种植体材料被腐蚀，具有极好的耐久力和抗疲劳性能。,49,(4) 生物陶瓷复合材料,生物陶瓷复合材料种类较多，以
26、羟基磷灰石或磷酸钙的复合材料研究应用最为广泛。这类复合材料兼有两种或两种以上单组分材料的特性，具有可调性，通过选择合适的复合组分或结构，提供复合材料性能，如降解性能、组织亲和力、生物相容性和力学性能等。生物陶瓷复合材料有金属/磷酸钙复合生物材料、有机/磷酸钙复合生物材料和有机/活性玻璃复合生物材料等。,50,羟基磷灰石与聚合物复合用于人造骨，效果更好，已,有聚乙烯与它复合的材料。羟基磷灰石作为金属种植体表面涂层，能大大提高人体骨长入孔洞的速度。,51,低分子：分子量低于一千,如煤、糖、油、水泥、和抗菌素等。 中分子：分子量在数千范围，如维生素B12等。高分子：分子量在几万至几百万，如蛋白质、棉
27、、毛、木材、松香、橡胶、塑料、合成纤维。医用高分子材料：在医学上应用的、尤其能在机体内使用的高分子材料。天然树脂：如松香。合成树脂：由低分子量的化合物经过各种化学反应而制得的高分子量的树脂状物质，如聚氯乙烯、聚乙烯。塑料主要成分就是合成树脂。,5-3 医用高分子材料,52,医用高分子材料具有优异的生物相容性，较少受到排斥，可以满足人工器官对材料的苛刻要求。如：人造心脏、人造关节、人造鼻等。,人造心脏,53,人造关节,54,人工心脏瓣膜,55,人造肾脏,56,人造膝关节,57,高分子材料是以高分子化合物为主要组分的材料。常称聚合物或高聚物。高分子化合物的分子量一般104 。高分子化合物有天然的，
28、也有人工合成的。工业用高分子材料主要是人工合成的。高分子化合物分为：天然高分子化合物：棉花、淀粉(starch)、丝绸(silk)、纤维素(cellulose)、蛋白质(protein)等合成高分子化合物：聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚四氟乙烯(PFE)、尼龙(nylon)、涤纶(terylene)等,5-3-1 高分子材料的合成,一、 基本概念,58,聚合物(polymer)由许多小分子结合而成小分子化合物被称为单体(monoers),Monomer,Monomer,Monomer,Monomer,Monomer,Monomer,Monomer,Monomer,Monomer,Mon
29、omer,Monomer,Monomer,Monomer,Monomer,Monomer,聚合物,polyethylene,59,聚合物大分子中以共价键相互连接的、重复出现的、小而简单的结构单位。,“重复单元”似大分子链的一个环节。, 重复单元(structural repeating unit)和链节,链节:,重复结构单元:,60,聚苯乙烯的结构式为,聚氯乙烯的结构式为,聚乙烯的结构式为,聚合物的结构式：,聚丁二烯的结构式为,61,聚醋酸乙烯酯的结构式为,聚乙烯-醋酸乙烯共聚物的结构式为,聚甲基丙烯酸甲酯的结构式为,62,结构单元的结构与单体的结构除电子结构改变 外, 化学组成相同。 n为重
30、复单元的数量，称为聚合度, 结构单元(constitutional unit)和单体单元,涤纶树脂(由对苯二甲酸和乙二醇聚合而成的聚对苯二甲酸乙二酯)大分子的结构式为,结构单元：,单体单元：,重复单元中包括的最小的不能再分的结构单位。,63, 平均聚合度(average degree of polymerizition) 平均聚合度: 一个大分子中“结构单元”的(平均)数目。 记作Xn 。 对于聚氯乙烯一类大分Xn = n 对于尼龙、涤纶一类大分子 Xn = 2n 聚合物的数均相对分子质量Mn可由下式计算 Mn = M0.n= Xn.M 式中 M0重复单元的相对分子质量； M结构单元的相对分子
31、质量的平均值； n重复单元的数目； Xn结构单元的数目,即平均聚合度。,64,二、 聚合物的基本特征 相对分子质量方面的特征 相对分子质量巨大 聚合物的相对分子质量一般为104106 相对分子质量具有多分散性 即使对于一个纯粹的聚合物,它也是由化学组成相同而相对分子质量不等的、同一系列的聚合物的混合物所构成。 平均相对分子质量 聚合物是由相对分子质量不等的同系物组成的混合物，存在多分散性。因此常用平均相对分子质量来表示。 根据统计方法不同，平均相对分子质量可分为数均分子量、质均分子量、Z均分子量、粘均分子量。其中尤以数均分子量最为常用。,65, 结构方面的特征聚合物存在着多重结构,即所谓一次结
32、构、二次结构和三次结构。 一次结构 一次结构是指与聚合物的结构单元有关的结构。 结构单元的化学组成 由于结构单元的化学组成不同,才构成了品种繁多的聚合物,聚合物的种类就是以结构单元的化学组成为基础而划分的。 结构单元的序列结构 指结构单元之间的键接次序。在自由基聚合过程中,由于连接几率的关系,虽然大部分结构单元是以“头-尾” “头-尾”连接,但也有部分结构单元是以“头-头”或“尾-尾”连接。,66,全同立构体、间同立构体和无规立构体。, 结构单元的构型(configuration),以聚丙烯为例,67,全同立构体,间同立构体,无规立构体,68, 二次结构 聚合物的二次结构是涉及单个大分子的构像
33、(conformation)的结构。构像和构型不同,构型属于一次结构的范畴, 构像是属于二次结构的范畴。 二次结构的运动单元不是单个重复单元,也不是整个大分子,而是由若干重复单元形成的链段。 线型大分子可以处于伸展的链、无规线团、折叠链和螺旋链；支化交联大分子可以是支化链、星型链、梳型链和交联的链。 三次结构 三次结构亦称为高次结构。在单个大分子的二次结构的基础上,许多大分子聚集成聚合物材料产生了三次结构。,69,a-无规线团；b-伸展链；c-折叠链；d-螺旋链；e-星型链； f-支化链;g-梳型链；h-轻度交联的链；i-重度交联的链 聚合物的二次结构,70,a-折叠链结晶;b-二重螺旋;c-
34、无规线团微胞; d-粉条状;e-流苏状 聚合物的三次结构,71,常用聚合物英文缩写符号,72,一、 医用高分子 医用高分子材料则是生物医用材料中的重要组成部分，主要用于人工器官、外科修复、理疗康复、诊断检查、患疾治疗等医疗领域。众所周知，生物体是有机高分子存在的最基本形式，有机高分子是生命的基础。动物体与植物体组成中最重要的物质蛋白质、纤维素、淀粉、生物酶和果胶等都是高分子化合物。因此，可以说，生物界是天然高分子的巨大产地。高分子化合物在生物界的普遍存在，决定了它们在医学领域中的特殊地位。在各种材料中，高分子材料的分子结构、化学组成和理化性质与生物体组织最为接近，因此最有可能用作医用材料。,5
35、-3-2 医用高分子材料,73,合成高分子生物材料,合成高分子材料已经迅速地取代了除了食品以外的许多宝贵天然资源。合成高分子生物材料是指利用聚合方法制备的一类生物材料。由于合成高分子可以通过组成和结构控制而具有多种多样的物理和化学性质。医用高分子材料科学是一门新兴的边缘学科，是生物医学工程的一个主要分支，合成高分子材料已成为制造各种人工器官、软硬组织修复体、医用粘结剂、缝合线、人造血液等的最主要的也是用量最大的生物材料。,74,合成高分子材料的组成物（单体，添加剂等）可能向生物环境释放，有可能导致毒性反应。其弹性模量低和弹性常使其不能用于承受较大负荷的体位的修复。合成高分子生物材料可分为：生物
36、不可降解的：硅橡胶、聚氨酯、环氧树脂、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸酯水凝胶、一氰基丙烯酸酯类、聚酸胺和饱和聚酯等。生物可降解的：聚乙烯醇、聚乳酸、聚乙内酯、乳酸一乙醇酸共聚物和聚一羟基丁酸酯等。,75,硅橡胶,硅橡胶用于医疗保健开始于1964年。硅橡胶为生物惰性材料，可长期埋植于体内也可以用作体外循环用品。平均分子量40万，有机硅弹性体的主要成分，是含有硅原子的特种合成橡胶的总称。它具有优异的生理特性：无毒无味、生物相容性好、耐生物老化、较好的抗凝血性、长期植入体内物理性能下降甚微、耐高温严寒（ -90 250）良好的电绝缘性、耐氧老化性、耐光老化性以及防霉性
37、、化学稳定性等。在医学上主要用于粘合剂、导管、整形和修复外科（人工关节、皮肤扩张、烧伤的皮肤创面保护、人工鼻梁、人工耳廓和人工眼环）、缓释和控释等。,76,（1）硅橡胶的一般性能,硅橡胶制品的外观是无色透明的。硅橡胶具有有机硅高聚物的一般特性：良好的耐温性、优异的抗氧化性、耐辐射性、耐老化性、极高的疏水性及低的极性。适用于医用材料最重要的方面是其良好的生物相容性，硅橡胶的血液相容性可能缘于其极强的疏水性，而良好的组织相容性可能是由于硅橡胶低的极性。聚硅氧烷无毒，选择适当的无毒的硫化剂和补强剂制备的硅橡胶制品也是无毒的。硅橡胶已在医用领域使用多年，但其安全性问题的争论一直没有停止过，已有过一些毒
38、副作用的例子，已有建议不在生物使用体内硅橡胶材料。因此，医用硅橡胶的研究是一个长期的课题。,77,（2）硅橡胶的制备,聚硅氧烷有下列主链结构：聚硅氧烷R可以是-CH3、-CH2CH3、-CH=CH2等。乙基的引入是为了得到可硫化的聚硅氧烷。聚硅氧烷是由单体二氯硅烷经水解后生成硅醇，硅醇经由缩聚反应制备的。不仅仅用二氯硅烷，缩聚单体可以是一氯硅烷、三氯硅烷，经水解、缩聚可以得到不同结构、不同分子量、不同物理力学性能的聚合产物。,78,硅橡胶的制备反应,79,防噪音耳塞：佩戴舒适，阻隔噪音，保护耳膜。胎头吸引器：操作简便，使用安全，可根据胎儿头部大小变形，吸引时胎儿头皮不会被吸起，可避免头皮血肿和
39、颅内损伤等弊病，能大大减轻难产孕妇分娩时的痛苦。人造血管：具有特殊的生理机能，能做到与人体“亲密无间”，人的机体也不排斥它，经过一定时间，就会与人体组织完全适应起来稳定性极为良好。 鼓膜修补片：其片薄而柔软，光洁度和韧性都良好。是修补耳膜的理想材料，且操作简便，效果颇佳。 此外还有硅橡胶人造气管、人造肺、人造骨、硅橡胶十二指肠管等，功效都十分理想。,80,硅橡胶医用导管类,81,聚氨酯（PU，Polyurethane）,聚氨酯是一类由二元异氰酸酯与多元醇经逐步加成反应制备的物理性能变化非常宽广的合成高分子。合成聚氨酯的主要组分有芳香族、脂肪族二元异氰酸酯，聚酯/聚醚多元醇及扩链剂。聚氨酯可以是
40、弹性体、纤维状物质、泡末体及软质、硬质塑料。具有良好的延伸性和抗挠曲性，强度高、耐磨损，血液相容性、抗血栓性能好，且不损伤血液成分，使其在医疗领域得到广泛应用。主要用于人工心脏搏动膜、心血管医学元件、人工心脏、辅助循环、人工血管、体外循环血液路、药物释放体系、缝合线与软组织粘合剂绷带、敷料、吸血材料、人工软骨和血液净化器具的密封剂等。,82,环氧树脂（Epoxy Resin）,基本特性是所用单体中至少含有一个环氧基团。环氧基可与含有“活泼氢”的化合物发生反应，因此可用适当的胺或某些酸类催化作均聚反应。主要用途：与玻璃布一起用于骨折的开放性复位和固定，粘合骨头加强氧化铝的髋关节髁，牙科充填材料，
41、电子起搏器与体液分开的保护层（灌封）。眼睑修补术和加固颅动脉瘤和脑电极探针的绝缘等。,83,聚氯乙烯（PVC，氯纶）,是由单体氯乙烯聚合而成的合成树脂，是用量最大的医用高分子材料。原料丰富、聚合容易、抗凝血性能良好，但耐热性不高（70）。通过添加物的应用可使改变为具有可屈挠性能。在医学中用量最大的是制作塑料输血输液袋，可提高红细胞和血小板的生存率；还可用于医用导管、人工输尿管、胆管和心脏瓣膜、血泵隔膜、增补面部组织、青光眼引流管和中耳孔等。软质PVC的毒性问题仍有争议，目前只能用于制造与人体短期接触的制品。,84,聚四氟乙烯（PTFE）,又名泰氟隆（Teflon），热塑性塑料，最好的耐高温塑料
42、，结晶熔点高达327，几乎完全是化学惰性的，具有自润滑性或非粘性，不易被组织液浸润。主要用于人工输尿管、胆管、气管、喉、韧带和肌腱人工血液、人工心脏瓣膜、下颌骨、髋关节和皮肤、增强皮肤、修复眼眶骨、组织引导再生材料、人工血管、涤纶缝线和涂层、外科用引流管及插管、巩膜的系扣和在耳鼻手术上作为插入的薄膜以防止粘连；食管扩张器、心脏瓣膜的缝合环、血液相容性丝绒、修补肺动脉和室间隔的缺损、血管闭塞物、缝线及动脉修补、包裹动脉癌及内淋巴液分流器等。,85,聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）,又称有机玻璃，属于丙烯酸类塑料，是目前塑料中透明度最好的一种。具有良好的生物相容性、耐老化性，机械强度较高。自1936年
43、发明有机玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯）后，即被用于制作假牙及补牙等医用高分子材料。1950年开始用作人工股骨。,86,聚乳酸及其共聚物,聚乳酸及其共聚物是可完全生物降解高分子材料中的一大类别。在医学领域他们可用作手术缝合线、骨内固定（骨夹板、骨螺钉等）、组织修复、细胞培养。在药学领域是制备药物控制释放体系的重要材料。聚乳酸是由乳酸（LA）经缩合聚合反应制备的。乳酸的化学名称是-羟基丙酸，乳酸有两种旋光异构体，D-乳酸（DLA）、L-乳酸（LLA）。乳酸存在于酸乳、血液和尿中，分子式CH3CHOHCOOH，为无色或略带黄色的糖浆状液体。纯的D-乳酸、L-乳酸缩聚后生成的聚D-乳酸（PDLA）、聚L-乳
44、酸（PLLA）具有与单体DLA、LLA相同的旋光性；聚LA有良好的生物相容性，其中PLLA生物相容性更好。聚乳酸在体内可发生水解反应而降解，降解产物为乳酸，乳酸可参加体内生化代谢，最终生成二氧化碳和水。因此聚乳酸是完全可生物降解型高分子。,87,各类生物材料比较,88,第五章 知识点,1、生物医学金属材料、陶瓷材料有那几种？举例说明。2、试比较金属、聚合物和陶瓷材料的优缺点。3、为什么必须严格控制医用不锈钢在体内的金属离子溶出？4、 为什么Ti金属是较佳的金属生物医学材料。 5、氧化铝生物陶瓷、医用碳素材料、可吸收生物陶瓷、生物活性陶瓷、硅橡胶、聚氨酯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯的
45、基本特征及其在医学上的应用。,89,生物材料学,第六章 纳米生物材料,90,纳米生物材料,纳米技术金纳米晶的标记及检测应用荧光量子点的标记及检测应用磁性纳米材料在生物医学中的应用免疫层析技术,91,There is a plenty of rooms at the bottom,Why cannot we write the entire 24 volumes of the Encyclopedia Brittanica on the head of a pin?,1个针尖 1.6 毫米,R.P. Feynman（1965诺贝尔物理学奖）,92,wang zl, materialstoday
46、2004 26-33,93,6-1 纳米技术,纳米粒子,纳米粒子和生物分子的尺寸范围,94,纳米材料的基本特性,表面效应：由于表面原子和内部原子所处化学环境不同而引起的特殊效应统称表面效应。,表面原子其化学键具有不饱和性，同时表面原子电子云具有很强的方向性，呈现出很强的化学活性。这使纳米粒子在催化、吸附等方面具有特出的优势。,95,小尺寸效应： 由于纳米粒子体积极小，所包含的原子数很少。粒子的周期性和边界条件将发生改变，这将导致纳米粒子的光吸收性显著增强、吸收峰偏移、熔点降低、电磁性及化学特性等发生变化。量子尺寸效应： 当粒子尺寸在接近或小于玻尔量子半径时，粒子的费米能级附近的电子能级由连续能
47、级变为分立能级。量子隧道效应： 纳米粒子的宏观量如磁通量穿越宏观系统势垒的能力。,96,48个铁原子在铜（111）表面。,97,量子海市蜃楼,98,纳米生物材料的基本要求,单分散性在水溶液中稳定，不产生絮凝无生物毒性具有特殊的光学或磁学性质,99,纳米材料的生物学应用,在临床医学诊断和疾病检测中的应用-生物标记技术在分子水平上研究和理解病变机理实现可定向输送和释放的靶向性药物,生物示踪，揭示生物体内和细胞内生理过程方法。,100,生物标记和标记物,生物标记技术的原理是将具有标志性信号的材料，如不同颜色的染料分子、能发射强荧光的分子、具有磁性或放射性的分子等，通过化学键或非共价键和待识别的生物组
48、织连接起来，从而直观地观察和分析被标记物的存在和变化。标记物分为：放射性标记物、显色标记物、酶标记物、荧光标记物等。,101,常见标记物及其检测方式,102,免疫生物标记,标记物与目标分子间建立适当的偶联方式，使标记物能够牢固与被标记生物成份结合成一体，同时避免与体系内其它组分的非特异性结合。免疫生物标记技术：将生物标记技术的高度灵敏性和免疫反应的高度特异性结合在一起而发展出的一种生物检测技术。这一分析方法不仅灵敏度高、特异性强、重复性好、准确性高，而且操作简单，易于商品化和自动化。,103,纳米粒子和生物标记,提高检测信号的灵敏度延长标记时间增强多指标同时标记检测的能力发展活体内检测的方法,
49、104,电镜下普通胶体金标记(左)和免疫胶体金标记(右)观察到的细胞纺锤形微管。,105,纳米粒子和生物分子的偶联,106,6-2 金纳米晶的标记及检测应用,金纳米晶溶液,黄金,107,6-2-1金纳米粒子及其光学特性,Wavelength (nm),金纳米粒子的表面等离子体共振：电子云在电场的作用下偏离电荷中心，发生位移，产生振荡。在光照下，金属中的电子被电场驱使在某一共振频率下产生振荡。这个共振频率下，入射光被吸收,球形金纳米粒子的表面等离子体共振峰在520nm左右，所以溶液呈酒红色。,108,金纳米晶的电镜照片,109,金纳米粒子聚集的光谱,当金纳米粒子之间的距离小于其粒径时，金纳米粒子
50、的表面等离子体共振发生偶合，使得吸收光谱会发生明显的改变。根据偶合程度的不同，溶液呈现不同的颜色。,110,6-2-2 光学比色分析,111,DNA连接的金纳米粒子在260 nm和700 nm处的吸收值随温度的变化,112,利用该方法杂交后DNA的熔解温度范围明显变窄。从图中可以看到在58时，溶液为蓝色，而59时DNA解链溶液变为红色。而同样序列没有金纳米粒子标记的DNA变性、复性的温度变化范围超过30，说明金纳米粒子标记后DNA变复性对温度的敏感性明显增强，这也使检测限达到10 fmol。,113,用于选择性分析的几种靶核苷酸和DNA修饰的金探针的碱基序列及对应的Northwestern斑点
