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1、Chapter8 Polymer,1,生物医用材料,Chapter8BiomedicalMaterials,Chapter8 Polymer,2,本章内容,8.1 生物医用材料概述8.2 生物医用材料发展简史8.3 生物医学材料的种类8.4 生物医用材料的特征与评价8.5 生物医用材料应用实例,ISO定义，生物医学材料(Biomedical Materials)即生物材料(Biomaterials)，指“以医疗为目的，用于与组织接触以形成功能的无生命的材料”另有定义：具有天然器官组织功能或天然器官部分功能的材料特征：用于与生命系统接触和发生相互作用的，并能对其细胞、组织和器官进行诊断治疗、替换
2、修复或诱导再生的一类特殊的功能材料,8.1 生物医用材料概述,生物材料是材料科学领域中正在发展的多种学科相互交叉渗透的领域，其研究内容涉及材料科学、生命科学、化学、生物学、解剖学、病理学、临床医学、药物学等学科，同时还涉及工程技术和管理学科的范畴。,生物材料发展历程,生物材料正在挽救和维持世界上成千上万心血管患者的生命；正广泛用于伤残人肢体形态和功能的恢复；正在计划生育、控制人口、提高人们健康水平方面发挥巨大作用 生物材料不是药物，其治疗途径是以生物机体直接结合和相互作用为基本特征的,8.2 生物医用材料发展简史,古代（利用天然物质和材料治病）BC5000 黄金修复失牙BC3500 古埃及，棉
3、花纤维、马鬃等缝合伤口 印第安人使用木片修补受伤的颅骨BC2500 中国、埃及，假牙、假手、假鼻、假耳等人工假体 隋末唐初，银膏补牙-成分是银、锡、汞、铜、锌，类似于现代牙齿填充材料汞齐合金,近 代最先应用于临床实践的金属材料是金、银、铂等贵重金属（良好的化学稳定性和易加工性）1588 用黄金板修复颚骨1755 用金属固定体内骨折1829 通过多种金属的系统动物实验，发现金属铂对机体组织刺激性最小1851 发明天然橡胶的硫化方法后，开始利用天然高分子硬橡木制作人工牙托和颚骨进行临床治疗1892 用硫酸钙填充骨缺损，这是陶瓷材料植入人体的最早实例,心脏起搏器19321933,人工心脏瓣膜1952
4、,现 代 生物医学材料取得实质性进展开始于20世纪20年代,不锈钢1926 含18%铬和8%镍，首先应用于骨科治疗，随后应用于口腔科1934 研制出高铬低镍单相组织的AISI 302和304，在体内生理环境下的耐腐蚀性显著提高1952 开发出耐蚀性更好的AISI316不锈钢，逐渐取代AISI 30220世纪60年代 为解决不锈钢晶间腐蚀问题，研制出超低碳不锈钢AISI 316L和317L钴镍合金铸造钴镍合金首先在口腔中得到应用20世纪30年代末 应用于制作接骨板、骨钉等内固定器械50年代 成功制成人工髋关节60年代 研制出锻造钴铬钨镍合金和锻造钴铬钼合金，提高力学性能，并应用于临床70年代 研
5、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，改善钴基合金抗疲劳性能，应用于临床,现 代 生物医学材料取得实质性进展开始于20世纪20年代,钛 金属钛，优异的耐蚀性、生物相容性、密度低；20世纪40年代 制作外科植入体 50年代 用纯钛制作接骨板和骨钉 70年代 Ti6A14V合金（强度比纯钛高，耐蚀性和密度与之相似）、TiSAl2.5Sn合金和钛钼锌锡等合金获得应用 从而使钛和钛合金成为继不锈钢和钴基合金之后的又一类重要医用金属材料 70年代后 NiTi系为代表的形状记忆合金逐渐在骨科和口腔科得到应用，并成为医用金属材料的重要组成部分,现 代 生物医学材料取得实质性进展开始于
6、20世纪20年代生物陶瓷 从20世纪60年代初开始应用于生物材料 多晶氧化铝陶瓷 低温各向同性碳 生物玻璃 羟基磷灰石（生物活性陶瓷）生物陶瓷复合材料 引入活体细胞或生长因子的生物陶瓷构架,Harold Ridley，二战后发明眼内透镜（人工晶状体）,现 代 生物医学材料取得实质性进展开始于20世纪20年代生物医用高分子 始于20世纪50年代有机硅聚物的发展 有机硅聚合物 聚甲基丙烯酸甲脂（骨水泥）生物医用高分子材料大发展，制作了人工心瓣膜、人工血管、人工骨、手术缝合线等,20世纪90年代后，借助于生物技术和基因工程的发展，由无生物存活性材料扩展到具有生物学功能的材料领域，其基本特征是具有促进
7、细胞分化、增殖、诱导组织再生、参与生命活动等功能。,生物医用材料是研制人工器官及一些重要医疗技术的物质基础。综观人工器官及医疗装置的发展史，每一种新型生物材料的发现都引起了人工器官及医疗技术的飞跃。,生物惰性医用硅橡胶人工耳、人工鼻、人工颌骨等血液相容性较好的各向同性碳被复材料碟片式机械心脏瓣膜血液亲和性及物理机械性能较好的聚氨酯嵌段共聚物促使人工心脏向临床应用跨越可形成假生物内膜的编织涤纶管人工血管向实用化飞跃,8.3 生物医学材料的种类,目前被详细研究过的生物医用材料已超过1000种，被广泛应用的有90多种材料，1800多种制品。,增长率26%,增长率45%,市场将达800亿美元,高速增长
8、,高速增长,其他医疗器械制品,其他生物材料和制品,药物缓释材料,人造皮肤、组织粘合剂及术后防粘连制品,矫形外科修复材料和制品,心血管系统修复材料、血液净化材料,工程化组织和器官,全球生物医用材料细分市场发展,全球生物医用材料细分市场发展,全球释药系统市场（单位：亿美元）,中国释药市场,2002年药品市场达140亿美元，按10%比例估算，其中释药市场为14亿美元随着人民购买力提高，保健意识增强，今后国内药品市场每年将以5000万美元幅度增加,全球生物医用材料细分市场发展,我国生物材料和制品所占世界市场份额不足1.5产品技术水平处于初级阶段，且产品单一同类产品与国外产品比，基本上属于仿制，自主知识
9、产权较少生物医用材料与制品70-80%要依靠进口产业处于起步阶段,我国生物医用材料产业现状,硬组织相容性材料 主要用于生物机体的关节、牙齿及其他骨组织软组织相容性材料 主要用于人工皮肤、人工气管、人工食道等 血液相容性材料 主要用于人工血管、人工心脏、血浆分离膜、血液灌流用吸附剂、细胞培养基材等 生物降解材料 主要用于吸收型缝合线、药物载体、愈合材料、粘合剂以及组织缺损用修复材料,按材料功能,生物医用材料分类,生物医用材料分类,按材料来源,自体组织 如人体听骨、血管等替代组织同种异体器官及组织 如不同人体之间的器官移植异种器官及组织 如动物骨、肾替换人体器官天然生物材料 如动物骨胶原、甲壳素、
10、珊瑚等人工合成材料 如各种人工合成的新型材料,生物医用材料分类,按材料使用部位,硬组织材料 骨、牙齿用材料 软组织材料 软骨、脏器用材料心血管材料 心血管及导管材料血液代用材料 人工红血球、血浆等分离、过滤、透析膜材料 血液净化、肾透析以及人工肺气体透过材料等,除了应具有必要的理化性能外，生物医用材料还需要满足在生理环境下的生物学要求，具有良好的生物相容性这是生物材料区别于其它材料的基本特征,生物医学材料的安全性评价指采用生物学方法来检测材料对受体的毒副作用，从而预测该材料在医学实际应用中的安全性；包括对局部组织、血液与整体反应及对受体的遗传效应,8.4 生物医用材料的特征与评价,玻璃钢人工颅
11、盖骨,生物医用材料的特征与评价,对生物医用材料的基本要求对于人体组织无刺激性、无毒副作用、无致癌性唾液、血液、间质液均含Cl-、Na+、K+离子。接触人体各种体液(唾液、淋巴液、血液)时，应有良好的耐蚀性不产生吸水膨润、软化变质自身不变化,高分子与钛合金人造髋骨,对生物医用材料的基本要求具有必要的强度、耐磨性、耐疲劳、润滑性能如髋关节在静止状态承受体重的1/2，水平步行时承受的重量为静止时的3.3倍，而跑步时则为4倍以上。此外，每步行1km约活动1000次，每年约承受(1 3)106次重复负荷的作用,生物医用材料的特征与评价,对生物医用材料的基本要求生物体组织、与血液有相容性 不引起溶血、凝血
12、，与软、硬组织有良好的粘接性，不产生吸收物和沉淀物 不产生局部或全身性反应，最好能与骨形成化学结合，具有生物活性,生物医用材料的特征与评价,对生物医用材料的基本要求其他要求 良好的空隙度，体液及软硬组织易于长入 易加工成形，使用操作方便 热稳定好，高温消毒不变质等性能,生物医用材料的特征与评价,常用硬组织替代材料,人工关节,1890 Gluck首先应用象牙制造下颌关节 1938 Wiles用不锈钢作髋臼与股骨头，而后 Moor开展了人工股骨节置换术 1940 Wder兄弟用合成树脂制造人工关节 1951 开始全髋人工关节置换术 1952 Habowsh用固定牙的丙烯酸脂固定人工髓关节，合成树脂
13、开始用于人工关节与骨的结合 1958 Charnhey根据重体环境滑润理论，用聚四氟乙烯髋臼 和金属股骨头制成低磨擦的人工关节 1962 Charnley把高密度聚乙烯髋臼和直径为22毫米的金属股骨头组成全髋人工关节，并用骨水泥（甲基丙烯酸脂）固定，获得较满意的效果 自此，人工关节置换术进入实际应用的新阶段。,8.5 生物医用材料应用实例,常用硬组织替代材料,人工关节,现已研制出膝、髋、肘、肩、指、趾关节假体用于临床 欧美等国家每年全髋置换超过80万例 我国人工关节置换术达25万例,髋关节,常用硬组织替代材料,人工关节磨损病因,无菌松动是人工关节置换后最常见的并发症和最终失效的主要因素 磨损产
14、物磨屑是导致无菌松动的原因,人工关节长期使用后，一方面磨损后影响置换关节的装配性能；更重要的是产生大量磨屑，其中较小的磨屑被组织细胞吞噬，较大的磨屑被组织细胞包绕。从而使组织细胞激活，并分泌大量溶滑性因子，引起骨溶解，导致人工关节松动。而松动的人工关节又加重了磨损，产生更多的磨屑，形成恶性循环，最终使置换关节失效,常用硬组织替代材料,常用硬组织替代材料,生物医用金属材料,是临床应用最广泛的承力植入材料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金属材料种类很多，但能在人体生理环境条
15、件下长期安全服役的却不多,外科用金属材料,不锈钢骨钉,常用硬组织替代材料,不锈钢成本低，但在体内有腐蚀和组织反应等 不锈钢中添加Mo可克服铬钝化膜在氧化环境中耐腐蚀性能,降低碳含量，可防止晶间腐蚀常用来制作各种人工关节和骨折内固定器、截骨连接器等，也用于牙科等各种器件(针、钉、髓内针、齿冠、三棱钉)制造,生物医用金属材料,常用硬组织替代材料,含Mo钴基合金，已用于生物体中Co-Cr-Ni-Fe-Mo合金耐腐蚀性是一般不锈钢如316的40倍，已用于牙科、整形外科,钴基铬钼合金的生物相容性超过铁铬镍和钴铬合金与不锈钢相比，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钴基合金的
16、耐磨性是所有医用金属材料中最好的，与不锈钢相比，更适于制造体内承载苛刻的长期植入件,生物医用金属材料,常用硬组织替代材料,含Mo钴基合金铸造钴铬钼合金最先在口腔科得到应用 20世纪30年代末 接骨板、骨钉等固定器械 20世纪50年代 人工髋关节20世纪60年代，为提高力学性能，研制出锻造钴铬钨镍合金和锻造钴铬钼合金20世纪70年代，为改善疲劳性能，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,生物医用金属材料,人工关节（特别是受载荷最大的髋关节）人工骨及骨科内处固定器件齿科修复中的义齿，各种铸造冠、嵌体及固定桥心血管外科及整形科等由于其价格较高，加工困难，应用尚不普及,应用于
17、,常用硬组织替代材料,含Mo钴基合金,生物医用金属材料,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，嵌在粘于髋骨窝中的一个塑料臼中,常用硬组织替代材料,钛合金强度不如钴合金，但耐腐蚀性好，与人体组织反应很弱，钛合金密度小，弹性模量低，接近于天然骨耐疲劳、耐蚀性均优于不锈钢和钴基合金，且生物相容性和表面活性好，是较为理想的一种植入材料Ti易形成致密稳定的氧化膜，有很好的钝化作用。Ti合金具有很强的耐蚀性缺点：Ti合金的磨损与应力腐蚀较明显,生物医用金属材料,广泛用于修补颅骨，制成钛网或钛箔用于修复脑膜和腹膜、人工心脏瓣膜支架、口腔颌面矫形颌修补，制作各种人工关节、接骨板、骨螺钉
18、与骨折固定针等，也用于制作牙根种植体等,头颅微型钢板,常用硬组织替代材料,生物医用金属材料,自1951年首次报道Au-Cd合金具有形状记忆效应以来，目前已发现20多种形状记忆合金其中以镍钛合金在临床上应用最大镍钛合金在不同的温度下表现为不同的金属结构相。如低温时为单斜结构相，柔软可随意变形；高温时为立方体结构相，刚硬，可恢复原来的形状，并在形状恢复过程中产生较大的恢复力特点：奇特的形状记忆功能、质轻、磁性微弱、强度较高、耐疲劳性能、高回弹性和生物相容性好等。用于管腔狭窄的治疗。支架安入管腔狭窄的部位后，能将狭窄管腔撑开，并与管壁相贴紧，固定好；其生物相容性好，长期安放对黏膜无明显损伤；其高回弹
19、性能顺应管道的弯曲，对人体刺激小,常用硬组织替代材料,形状记忆合金用于制作脊椎侧弯症矫形器械、牙科器件、血栓过滤器、血管扩张支架、血管栓塞器等,生物医用金属材料,常用硬组织替代材料,贵金属指金、银、铂及其合金，耐腐蚀、抗蠕变，对机体组织无毒，刺激性小，导电性好金合金主要用于口腔科,生物医用金属材料,骨和组织(兰色)长入多孔钽结构(黑色)中,多孔结构,常用硬组织替代材料,钽、铌、锆的耐蚀性、生物相容性好，无毒性可加工成板、带、丝等用于骨科、心血管方面的治疗,生物医用金属材料,牙根种植体,钽、铌、锆用于制作牙根种植体、义齿、牙床、托环、牙桥、牙冠等,常用硬组织替代材料,生物医用金属材料,银汞合金由
20、含银（65）、锡（25）、铜(6)、锌(2)的合金粉与汞按58的重量比，混合研磨而成。为一种具有可塑性的膏状物，15分钟后开始硬固，24小时后完全硬固。,常用硬组织替代材料,生物医用金属材料,牙槽骨内种植体,种植牙并不是真的种上一棵或几棵与天然牙一样的牙齿，而是以种植材料埋植到牙槽骨内（种植体），再在其上做假牙的一种“假牙”修复方法。它是一种以植入骨组织内的下部结构为基础来支持、固位上部牙修复体的缺牙修复方式。主要包括下部的支持种植体和上部的牙修复体两部分。,常用硬组织替代材料,根据生理环境下的化学活性和性质可分为四类生物惰性：Al2O3、氧化锆等氧化物生物陶瓷，Si3N4、钛酸钡等非氧化物生
21、物陶瓷、医用碳素等，生理环境下能长期保持稳定 生物活性：羟基磷灰石生物活性陶瓷和生物活性玻璃陶瓷，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”作用可吸收型：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，达到修复或替换病损组织目的复合型：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,生物医用陶瓷材料,常用硬组织替代材料,在临床上，生物医用陶瓷主要用于肌肉-骨骼系统的修复和替换，也可用于心血管系统的修复、制作药物释放和传递的载体复合型生物陶瓷还可
22、用于制造人工腱、韧带,生物医用陶瓷材料,能承受负载的矫形材料，用在骨科、牙科及颌面上：Al2O3陶瓷、稳定ZrO2陶瓷、生物活性玻璃、生物微晶玻璃等种植齿、牙齿增高：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、活性涂层材料等耳鼻喉代用材料：Al2O3陶瓷、生物活性玻璃、生物活性微晶玻璃、磷酸盐陶瓷人工肌键和韧带：PLA（聚乳酸）-碳纤维复合材料人工心脏瓣膜：热解碳涂层可供组织长入的涂层（心血管、矫形、牙、额面修复）：多用Al2O3陶瓷骨充填料：磷酸钙及磷酸钙盐粉末或颗粒脊椎外科：生物活性玻璃或生物活性玻璃陶瓷眼：生物玻璃、羟基磷灰石,生物陶瓷中耳通气引流
23、管,常用硬组织替代材料,生物陶瓷材料在生物体内极为稳定，与生物组织有良好的亲和性，特别适于作人体硬组织如骨和齿的替换修补材料，能与人体骨生长在一起，形成化学结合,生物陶瓷人工听小骨假体,生物医用陶瓷材料,常用硬组织替代材料,磷酸钙陶瓷具有生物降解性，并能被人体吸收羟基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2是骨组织与牙组织的无机组成部分，其单位晶胞与人体骨组织相同，具有非常好的生物活性，但性脆、强度不高，不能直接用于承受载荷大的种植体，可用于低载荷多孔种植体，当人骨组织长入羟基磷灰石孔洞中后可起加强作用羟基磷灰石与聚合物复合用于人造骨，效果更好，已有羟基磷灰石/聚乙烯复合材料羟基磷灰石作为金属种植
24、体表面涂层，能大大提高人体骨长入孔洞的速度,羟基磷灰石覆盖钛合金假牙,生物医用陶瓷材料,采用增强含微孔羟基磷灰石(HA)陶瓷制成人工听小骨假体，在语言频率范围，平均提高病人的听力2030dB，在特定语言频率范围提高4560dBHA中耳通气引流管界面润湿角小、毛细管力大、引流效果好，适用于分泌性中耳炎患者置管后患者鼓膜多自行愈合，且能明显改善听力，是一种较为理想的通气引流管,常用硬组织替代材料,生物医用陶瓷材料,常用硬组织替代材料,非活性生物玻璃及生物玻璃陶瓷将某些玻璃在适当高温进行晶化处理，玻璃中可析出大量微小晶体，这样的玻璃称为微晶玻璃、结晶化玻璃或玻璃陶瓷人工骨用生物医学玻璃，具有良好的耐
25、酸碱腐蚀特性、生物相容性和耐磨性能治疗用生物医学玻璃，可埋入肿瘤部位，通过在磁场下发热的特性或其内部的同位素放出的射线杀死癌细胞，也有良好的生物相容性人工齿冠用生物医学玻璃陶瓷，具有制作容易、审美性高、强度高、适应性好、生物相容性好、类似天然齿等优点,生物医用陶瓷材料,断在BGC侧,断在骨头侧,替换猴子部分骨骼的45S5玻璃陶瓷(BGC)受冲击扭转载荷断口,常用硬组织替代材料,生物活性玻璃通常要求SiO2含量60%，同时含有NaO及CaO/P2O5，生物相容性好，植入体内后能在界面上通过一系列离子交换和溶解-沉淀反应，在其表面形成磷灰石晶体，残留下的玻璃被巨嗜细胞侵蚀，玻璃表面被基质类物质覆盖
26、，玻璃附近的软骨芽细胞和造骨细胞的增殖趋于活跃，不久就形成了骨胶原纤维和磷灰石结晶，从而和软组织及组织成骨键合，骨组织和软组织很容易在其表面生长这种材料强度低，断裂韧性差，主要用于非承力的骨、指骨、牙齿等，也可作为钛合金牙种植体的表面涂层,生物医用陶瓷材料,45S5(45%SiO2、24.5%CaO、4.5%NaO、6%P2O5)与人体骨有非常高的界面结合强度,活性玻璃陶瓷组织,含有磁铁矿(Fe3O4)的新型生物活性玻璃陶瓷，具有高的饱和磁感应利用它在磁场中产生的热，可抑制骨瘤的重新生长这种陶瓷在种植8周后能在表面形成富Ca-P层，并与骨紧密结合,常用硬组织替代材料,生物活性玻璃陶瓷 含磷灰石
27、和硅灰石晶相的高强度生物活性玻璃陶瓷(4.6%MgO、44.7%CaO、34%SiO2、16.2%P2O5、0.5%CaF2，又称微晶玻璃，简称A/W)也与人骨有很高的界面结合强度，目前已用于充填骨瘤切除后的骨缺损由于含硅灰石相(CaOSiO2)，其力学强度远高于羟基磷灰石,生物医用陶瓷材料,常用硬组织替代材料,生物活性玻璃陶瓷采用高纯氧化铝生物陶瓷制备关节头、无钒钛合金制备关节柄，并在柄部涂覆生物活性陶瓷涂层，有效地解决了人工关节易磨损、生物相容性不佳、松动、下沉等问题，提高了其使用寿命,生物医用陶瓷材料,心脏瓣膜,常用硬组织替代材料,主要有玻璃碳、低温各向同性碳、超低温各向同性碳在生理环境
28、中化学性质稳定，不发生疲劳破坏，生物相容性非常好，惰性，具有极好的抗血栓性，血液相容性好主要用于制造心血管修复体、人工(软)骨、人工牙根、肌腱和人工韧带、人工中耳、人工关节运动磨损表面作为减磨涂层和血液净化等其较高的抗血栓性、耐磨性、低比重和长期使用不劣化等能，使碳素材料是目前唯一可选用的人工心脏瓣膜材料,生物医用碳素材料,玻璃碳是一种透明的碳，是由聚合物(如酚醛树脂)加热至2000裂解碳化而得其力学性能接近于人骨，有优良的抗血栓性及化学稳定性，可制作人工心瓣膜，人工齿根等,常用硬组织替代材料,可降解陶瓷药物载体 植入骨病灶区可持续缓慢释放药物，有效治疗骨结核、骨肿瘤等疾病，且兼有补骨作用,生
29、物医用陶瓷材料,采用羟基磷灰石和聚-DL-乳酸制备成可吸收内固定材料，抗弯强度120MPa，植入体内无需二次手术取出，对组织无刺激，能被人体完全吸收，最终代谢为二氧化碳、水、钙和磷矿物质排出体外，部分钙和磷参与成骨，无任何毒副作用适用于人体松质骨骨折、截骨术和关节融合术的骨块(段)固定,常用硬组织替代材料,生物医用复合材料,骨钉,Al2O3-金属组合全髋关节,常用软组织替代材料,非结合式 要求材料对周围组织无刺激性和毒副作用 如隐形眼睛材料结合性式 要求材料与周围组织有一定粘结性，并且不产生毒副反应 如人工皮肤、人工心脏等为了防止血液凝固，以前需要在原材料中添加抗凝固剂有机硅聚合物具有抗血栓性
30、，不引起血液凝固。同时，这种聚合物具有较高的强度、透气性和良好的耐久性，容易加工成薄膜或中空丝,常用软组织替代材料,人工皮肤 皮肤创伤修复材料和损伤皮肤的替代品；可以使皮肤大面积或深度烧伤的患者，在自体皮不够的情况下，进行修复治疗并使之恢复因皮肤创伤丧失的生理功能理想的皮肤修复材料 无毒、无刺激、不会引起免疫反应 具有相容性以及类似天然皮肤的透湿性、柔软性和润湿性 能与创面组织紧贴，起到防止创面的水分、体液损失和吸收创面渗出液的作用 易于在皮肤愈合后自动脱落、易于消毒的材料,常用软组织替代材料,人工皮肤最早的人工皮肤是从创伤敷料开始的，按其功能可分为吸收敷料：保护创面和吸收体液，使创伤不受细菌
31、的感染不粘敷料：包括不粘膜层和吸收衬垫，防止创面干燥和病原菌 进入创伤封闭和半封闭敷料：清洁创伤，减少体液渗出，促进创伤修复 水凝胶敷料：水凝胶吸水溶胀后对创面形成闭合吸收敷料，防 菌防毒并在创伤修复后易于去除，愈合率提高 含药敷料：加入使上皮再生和消炎以及抗生素等药物,常用软组织替代材料,人工皮肤,主要使用的材料分为合成高分子材料和生物高分子材料 合成高分子材料 尼龙、聚酯、聚丙烯等合成纤维 聚氨酯、聚四氟乙烯等多孔薄膜 生物高分子材料 一类是同种异体或异种组织，如人或动 物的羊膜、腹膜和皮肤 另一类是胶原蛋白（促进再生）,在胶原蛋白所做成的模皮上植入皮肤細胞，於体外培养后得到皮肤,人造皮肤
32、,水凝胶类人工皮又称冻胶，是亲水性聚合物或水溶胀性聚合物，其粘附性能较好例如,氧化乙烯-氧化丙烯的共聚物凝胶可先制成溶液；将溶液涂在创面上于体温下固化为人工皮肤这种凝胶含水量达80%，能帮助维持体液平衡，加入消炎药和维生素等药物后还能促进创面愈合,常用软组织替代材料,人工皮肤,1980年哈佛大学的二位教授Yannas及Burke发展二层结构的人工皮肤,人造皮肤,人类机体的皮肤、肌肉、组织和器官都是由高分子组成的，天然高分子生物材料是人类最早使用的医用材料之一天然材料具有不可替代的优点：功能多样性、与机体的相容性、生物可降解性目前天然高分子生物材料主要有：天然蛋白质材料：胶原蛋白和纤维蛋白两种天
33、然多糖类材料：纤维素、甲壳素和壳聚糖等,常用软组织替代材料,天然高分子生物材料,常用软组织替代材料,天然高分子生物材料,脊椎动物的主要结构蛋白是胶原蛋白，是支持组织和结构组织（皮肤、肌腱和骨骼的有机质）的主要组成成分基本单位为原胶原蛋白，由三条-肽链相互拧成的三股螺旋状结构的蛋白质，分子量约为30万胶原与人体组织相容性好，不易引起抗体产生，植入人体后无刺激性、无毒性反应，能促进细胞增殖，加快创口愈合并具有可降解性，可被人体吸收，降解产物也无毒副作用,胶原凝胶用作创伤敷料胶原粉末用于止血剂、药物释放系统胶原纤维用于人工血管、人工皮、人工肌腱、外科缝线胶原薄膜用于角膜、药物释放系统、组织引导再生材
34、料胶原管用于人工血管、人工胆管、管状器官胶原空心纤维用于血液透析膜、人工肺膜胶原海绵用于创伤敷料和止血剂等,胶原分散体具有再生特性，临床应用越来越受重视,常用软组织替代材料,天然高分子生物材料,纤维蛋白是纤维蛋白原在生理条件下凝固而成的一种材料 主要来源于血浆蛋白，具有明显的血液和组织相容性，无毒副作用主要生理功能为止血，还可明显促进创伤的愈合；作为支架促进细胞生长；并具有一定的杀菌作用,纤维蛋白原就地凝固，用于眼科手术的组织粘合剂，肺切除后胸腔填充物和外科手术中的止血纤维蛋白粉末，用作止血剂，可与抗菌素共用，用作充填慢性骨炎和骨髓炎手术后的骨缺损纤维蛋白海绵，用作止血剂、扁平瘢的治疗和唾液腺
35、外科手术后的填充物组织代用品，商品名Bioplast，主要用于关节成型术、视网膜脱离、眼外科治疗、肝脏止血及疝气修复等纤维蛋白薄膜，用于神经外科：替代硬脑膜和保护末梢神经缝线；用于烧伤治疗：消除颌面窦和口腔间的穿孔,纤维蛋白在临床上比较普遍使用的应用形式,常用软组织替代材料,天然高分子生物材料,多糖是由许多单糖分子经失水缩聚、通过糖苷键结合而成的天然高分子 均聚糖：多糖水解后只产生一种单糖，如纤维素、淀粉 杂聚糖：水解产物是两种或两种以上的单糖，如菊粉等自然界广泛存在的多糖主要有 植物多糖，如纤维素、半纤维素、淀粉、果胶 动物多糖，如甲壳素、壳聚糖、肝素、硫酸软骨素 琼脂多糖，如琼脂、海藻酸、
36、角叉藻聚糖 菌类多糖，如D葡聚糖、D半乳聚糖、甘露聚糖 微生物多糖，如右旋糖酐、凝乳糖、出芽短梗孢糖研究较多的多糖类材料为纤维素、甲壳素、壳聚糖,常用软组织替代材料,天然高分子生物材料,纤维素是葡萄糖经由糖苷键连结的高分子，具有不同构型和结晶形式，是植物细胞壁的主要成分，是自然界中数量最大的碳水化合物,硝酸纤维素膜：用于血液透析和过滤，但由于制膜困难及不稳定等缺点，已逐渐被其他材料取代粘胶纤维(人造丝)或赛珞玢(玻璃纸)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，作为透析用的赛珞玢逐渐被淘汰再生纤维素(铜珞玢)：是目前人工肾使用较多的透析膜材料，对溶质的传递，纤维素膜起到筛网
37、和微孔壁垒作用醋酸纤维素膜，主要用于血透析系统全氟代酰基纤维素：用于制造代膜式肺、人工心瓣膜、人工细胞膜层，各种导管、插管和分流管等,主要以医用膜应用,甲壳素与壳聚糖 甲壳素是一种的线性多糖。昆虫壳皮、虾蟹壳中均含有丰富的甲壳素。壳聚糖为甲壳素的脱乙酰衍生物，由甲壳素在4050浓度的氢氧化钠水溶液中110120下水解24h得到。,常用软组织替代材料,甲壳素能为肌体组织中的溶菌酶所分解，已用于制造吸收型手术缝合线。其抗拉强度优于其他类型的手术缝合线。在兔体内试验观察，甲壳素手术缝合线4个月可以完全吸收。甲壳素还具有促进伤口愈合的功能，可用作伤口包扎材料。甲壳素膜用于覆盖外伤或新鲜烧伤的皮肤创伤面
38、时，具有减轻疼痛和促进表皮形成的作用，因此是一种良好的人造皮肤材料。,常用软组织替代材料,合成高分子生物医用材料,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,不用于承受较大负荷体位的修复合成高分子生物材料可分为生物不可降解的：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、-氰基丙烯酸酯类、聚酸胺、饱和聚酯等生物可降解的：聚乙烯醇、聚乳酸、聚乙内酯、乳酸-乙醇酸共聚物、聚-羟基丁酸酯等。,常用软组织替代材料,合成高分子生物医用材料,硅橡胶平均分子量40万，是含有硅原子的特种合成橡胶的总称具有优异的生理特性：无
39、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（-90250C）良好的电绝缘性、耐氧老化性、耐光老化性以及防霉性、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,硅橡胶医用导管类,防噪音耳塞：佩戴舒适，阻隔噪音，保护耳膜人造血管：具有特殊的生理机能，与人体“亲密无间”，无排异反应鼓膜修补片：柔软，光洁度和韧性良好，是修补耳膜的理想材料人造气管、人造肺、人造骨、十二指肠管等,常用软组织替代材料,合成高分子生物医用材料,聚氨酯是聚醚、聚酯和二异氰酸酯的总称具有
40、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、血液净化器具的密封剂等。,常用软组织替代材料,合成高分子生物医用材料,聚氯乙烯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，耐热性不高(70C),通过增塑可赋予可屈挠性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
41、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,常用软组织替代材料,合成高分子生物医用材料,聚四氟乙烯，又名泰氟隆(Teflon)，是耐高温最好的热塑性塑料，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、
42、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,常用软组织替代材料,合成高分子生物医用材料,聚甲基丙烯酸甲酯，又称有机玻璃，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,用于隐形眼镜、可植入透镜、人工角膜和假牙、人工喉、食管和腕骨、闭塞器、喉支持膜、牙科夹板、气管切开导管和吻合钮、鼻窦的植入性引管增补面部软硬组织，特别是修补眼窝的爆裂骨折颅骨缺损时的替代骨片充填乳突切除后的遗留腔隙听小骨部分的替代物和脊椎鼓节段的固定，颅内动脉瘤的加固和充填静脉瘤囊以使之稳定，牙科某些直接充填树脂的基础等,医学应用的部分高分子材料,常用软组织替代材料,组织工程是近年来一门
43、新兴的多学科交叉生命科学，其目的是修复和再生受损组织或器官，帮助病人恢复受损组织的功能，解决器官短缺和免疫抑制等问题组织工程领域的研究包括新型聚合物的合成、信号传导、培养细胞的基因调节和移植有关的免疫问题等,组织工程用生物杂化材料,组织工程,组织工程利用工程学和生命科学的基本原理，开发能恢复、维持或改善受损组织或器官功能的生物替代物它综合了细胞生物学、工程学、材料学和临床医学领域，用活细胞和细胞外基质或骨架构造一个新的功能化组织或器官 组织工程的内涵（1）替换被分离除去的细胞或功能发挥所需要的细胞替代物（2）产生或传递组织诱导物质，如生长因子、信号分子等（3）结合细胞与生物材料，具体是在基质表
44、面或内部接种细胞 组织工程的方法以天然、合成或半合成的组织和器官进行模仿，赋予其功能现已研制了许多组织工程产品，包括皮肤组织、软骨组织、腱组织、骨组织、心脏瓣膜、肝组织等,组织工程用生物杂化材料,组织工程,组织工程用生物杂化材料,异体细胞异体组织,合成材料生体源材料,免疫隔离膜,自体细胞人工细胞外基质生长因子载体,器官移植,人工器官,杂化人工器官,组织重建,置换外科重建外科,组织工程,再生医学,组织工程,组织工程用生物杂化材料,组织工程,由活体材料和非活体材料组成的复合体主要包括合成材料与生物体高分子材料或与细胞的杂化杂化材料主要包括三类 用于组织结构材料的多糖类等生理活性物质杂化材料 以固定
45、酶为代表的功能性杂化材料 杂化细胞,杂化生物材料主要用于人工胰脏、人工肝脏、人工胸腺、人工肾脏、人工皮和人工血管等,组织和器官损伤或缺陷的常规治疗:移植(人或异种移植)外科修复人工假体、机械装置,组织工程用生物杂化材料,组织工程用生物杂化材料,与生理活性物质杂化的典型材料 表面肝素化材料，主要用于抗凝血材料 固定化前列腺素材料，可防治血小板减少和血栓形成 固定化肝素+前列腺素材料，可同时发挥抑制凝血系统和抑制血小板系统的功效，达到理想的抗凝血效果 固定化肝素+抗菌素材料，可防止血栓形成，同时避免感染 固定化肝素+尿激酶材料，可阻止血栓形成，又可溶解血栓核与生物体高分子杂化的典型材料 与酶、抗体
46、、抗原、激素和细胞等的杂化 可作为人体组织、器官的结构材料 可利用其情报机能作为信息转换的手段，制备有用的物质以及制造药物 可用于生物传感器、细胞培养材料、诊断治疗、免疫隔离等方面细胞杂化材料是在人工器官上培养活体细胞，有利于人工器官的植入；除了作为人体组织和器官的结构材料外，利用细胞本身的信息功能可得到的功能性控制材料，亦可促进细胞更快地生长,生物医用杂化材料,合成聚合物制成的一个鼻状支架,新种软骨细胞，体外培养育出的人造鼻植入物,培养出的组织工程化的人耳,人造鼻骨组织,人造神经组织,培养组织,常用软组织替代材料,天然高分子生物材料,壳聚糖是甲壳素经浓碱部分脱乙基的产物，具有一定的粘度，无毒
47、、无害、无副作用不溶于水和碱液，但可溶于多种酸溶液中具有较多的侧基官能团，可进行酯化、醚化、氧化、磺化以及接枝交联等反应对其进行改性。特别是磺化产品，其结构与肝素极其相似，可作为肝素的代用品作抗凝剂,壳聚糖的生物医学应用,可吸收性缝合线，用于消化道和整形外科人工皮，用于整形外科、烧伤皮肤外科细胞培养，制备不同形状的微胶囊，培养高浓度细胞，如包封的是活细胞，则构成人工生物器官海绵，用于拔牙患、囊肿切除、齿科切除的保护材料眼科敷料，可生成较多的成胶原和成纤维细胞隐形眼镜膜，用于药物释放系统和组织引导再生材料固相酶载体,牙科粘接材料,从材料学角度来说，骨是由无机矿物与生物大分子规则排列所组成的复合材
48、料。骨的有机成分主要是型胶原纤维，约占总重量的24%，是由三股螺旋结构的多肽链相互缠绕而形成，无机成分主要是磷酸钙盐，约占总重量的65%；其余为水。骨中的矿物质呈片状，尺寸约为5nm20nm40nm，位于原胶原分子的间隙孔之内，晶体的c轴平行与胶原纤维，这样就构成骨的基本结构。,常用硬组织替代材料,各类生物材料比较,钛金属表面生物活化技术,钛和钛合金不仅具有良好的力学性能，而且在生理环境下具有良好的生物相容性。由于其比重小，弹性模量较其他金属更接近天然骨，故广泛应用于制造各种膝、肘、肩等人造关节。此外，钛合金还用于心血管系统。钛合金耐磨性能不理想，且存在咬合现象，限制了其使用范围。,Joint
49、 Replacements,常用软组织替代材料,天然高分子生物材料,甲壳素化学名称为聚N-乙酰-D葡萄糖胺，是仅有的碱性天然多糖广泛存在于低等植物、甲壳动物(虾、蟹)、昆虫等节肢动物的外壳中，其生物合成资源最高达1000亿吨/年，是地球上仅次于植物纤维的第二大生物资源 将甲壳动物的外壳通过酸碱处理，脱去钙、盐和蛋白质，即得到甲壳质甲壳,甲壳素的生物医学应用,医用敷料：甲壳素具有良好的组织相容性，可灭菌、促进伤口愈合、吸收伤口渗出物且不脱水收缩药物缓释剂：基本为中性，可与任何药物配伍止血棉、止血剂：在血管内注射高粘度甲壳素，可形成血栓口愈合剂，使血管闭塞，从而在手术中达到止血目的，较注射明胶海绵
50、等常规止血方法，操作容易，感染少,To fix implants in body:,Cement fixation,Implants,Bone,Bone,Implants,Bone cement,Thin apatite layer,Bioactive fixation,or bone bonding,Mechanical,indirect fixation Insufficient interfacial strength Wear Difficult to dispose of,Chemical,direct bonding Higher interfacial strength Easy
