生物医用材料课件

L/O/G/O生物医用材料生物医用材料定定义义1.定义定义：生物材料是一类具有特殊性能、特殊生物材料是一类具有特殊性能、特殊功能，用于功能，用于人工器官、外科修复、理人工器官、外科修复、理疗康复、诊断、检查、治疗疾患疗康复、诊断、检查、治疗疾患等医等医疗保健领域，而对人体疗保健领域，而对人体无毒，无副作无毒，无副作用，不凝血，不溶血，不引起人体细用，不凝血，不溶血，不引起人体细胞的突变，畸变和癌变，不引起免疫胞的突变，畸变和癌变，不引起免疫排异反应排异反应的材料。的材料。举例：形状记忆生物材料热弹热弹性性马马氏体形状氏体形状记忆记忆效效应应将一定形状的记忆合金试样冷却到Mf点以下，对之进行一定限度的变形，卸去载荷后，变形被保留下来；将变形了的试样加热到As以上，试样开始恢复，加热到Af点，试样恢复到变形前的形状。（图中Ms表示冷却时开始产生热弹性马氏体的转变温度，Mf表示冷却时转变的终止温度，As表示升温时逆转的温度，Af表示逆转完全的温度）。5医学医学应用用 血栓过滤器：血栓过滤器：将马氏体状态的将马氏体状态的将马氏体状态的将马氏体状态的NiTiNiTiNiTiNiTi合金丝通过导合金丝通过导合金丝通过导合金丝通过导管送到静脉中预定位置，去掉合金的束缚，在体温管送到静脉中预定位置，去掉合金的束缚，在体温管送到静脉中预定位置，去掉合金的束缚，在体温管送到静脉中预定位置，去掉合金的束缚，在体温下其恢复到母相的网状，从而将静脉中的血凝块打下其恢复到母相的网状，从而将静脉中的血凝块打下其恢复到母相的网状，从而将静脉中的血凝块打下其恢复到母相的网状，从而将静脉中的血凝块打碎，并阻止其流向心脏。碎，并阻止其流向心脏。碎，并阻止其流向心脏。碎，并阻止其流向心脏。uu血栓过滤器、脑动脉瘤夹、食道支架、鼻出血血栓过滤器、脑动脉瘤夹、食道支架、鼻出血血栓过滤器、脑动脉瘤夹、食道支架、鼻出血血栓过滤器、脑动脉瘤夹、食道支架、鼻出血的止血材料；的止血材料；的止血材料；的止血材料；uu脊柱矫形棒、牙齿矫形丝、颅骨成型板、接骨脊柱矫形棒、牙齿矫形丝、颅骨成型板、接骨脊柱矫形棒、牙齿矫形丝、颅骨成型板、接骨脊柱矫形棒、牙齿矫形丝、颅骨成型板、接骨板、人工股关节；板、人工股关节；板、人工股关节；板、人工股关节；uu心脏修补元件等。心脏修补元件等。心脏修补元件等。心脏修补元件等。预压缩 受热扩张后植入腔道内效果医用腔内支架的应用原理示意医用腔内支架的应用原理示意 消化道内支架 血管内支架 胆道内支架 腔腔内内支架支架临临床床应应用用实实例例 记忆合金支架经过预压缩变形后（a），能够经很小的腔隙安放到人体血管、消化道、呼吸道、胆道、前列腺腔道以及尿道等各种狭窄部位。支架扩展后形成如图（b）所示的记忆合金骨架，在人体腔内支撑起狭小的腔道，这样就能起到很好的治疗效果。8固定断骨的销和接骨板：固定断骨的销和接骨板：利用体温使合金发生相利用体温使合金发生相利用体温使合金发生相利用体温使合金发生相变，恢复到母相状态，形状改变，将两段骨固定变，恢复到母相状态，形状改变，将两段骨固定变，恢复到母相状态，形状改变，将两段骨固定变，恢复到母相状态，形状改变，将两段骨固定住，而且产生压力，迫使断骨很快愈合。住，而且产生压力，迫使断骨很快愈合。住，而且产生压力，迫使断骨很快愈合。住，而且产生压力，迫使断骨很快愈合。尺桡骨骨折尺桡骨骨折 术前术前术后术后9 操作简单、操作简单、操作简单、操作简单、取下方便取下方便、质轻、强度高、易做成、质轻、强度高、易做成、质轻、强度高、易做成、质轻、强度高、易做成复杂形状。复杂形状。复杂形状。复杂形状。代替传统石膏绷带用于代替传统石膏绷带用于创伤部位的固定材料创伤部位的固定材料。骨骨伤伤固定：固定：手术时，医生先用低温（05摄氏度）消毒盐水冷却记忆合金器械，然后根据需要改变其抱合部位的形状，安装于患者骨伤部位。待患者体温将其“加热”到设定的温度时，器械的变形部分便恢复到原来设计的形状，从而将伤骨紧紧抱合，起到固定与支撑的作用。这种新技术与传统的骨伤内固定术相比，大大降低了手术的难度，并可使手术时间缩短三分之二。由于材料自身的记忆功能十分稳定，良好的“抱合力”使病人手术的愈合期也大大缩短。医用细丝 牙齿弓丝（方）二、性二、性 能能 要要 求求 与与 分分 类：类：生物材料实质上是一种特殊的功能材料。是生物材料实质上是一种特殊的功能材料。是一类与人类生命和健康密切相关的新材料。凡是一类与人类生命和健康密切相关的新材料。凡是应用于人体的生物材料都应具有良好的生物应用于人体的生物材料都应具有良好的生物 性性 能，这是保证其临床安全有效应用的重要技术指能，这是保证其临床安全有效应用的重要技术指标。标。生物功能性生物功能性和和生物相容性生物相容性是评价生物医学是评价生物医学材料最终能否应用于人体的两个最基本的标准材料最终能否应用于人体的两个最基本的标准。生生 物物 功功 能能 性：性：生生物物医医学学材材料料应应具具有有良良好好的的物物理理、化化学学和和机机械械性性能能，以行使所替代、器官的生理功能。以行使所替代、器官的生理功能。制造人工心脏材料要考虑在心脏制造人工心脏材料要考虑在心脏 有节律的收缩与舒张压力有节律的收缩与舒张压力 变化变化 情况下应力老化。情况下应力老化。假牙材料必须具有与活体牙相近似的热膨胀系假牙材料必须具有与活体牙相近似的热膨胀系 数、低导数、低导 热性、高硬度以及优良的耐磨性。热性、高硬度以及优良的耐磨性。表表1-5.1 对材料所要求的生物医学功能对材料所要求的生物医学功能表表1-5.2 对材料所要求的生物医学功能对材料所要求的生物医学功能 生物相容性生物相容性 材料对机体产生的生物危害性材料对机体产生的生物危害性 机体组织对材料的影响机体组织对材料的影响 致癌性致癌性 致畸性致畸性 刺激性刺激性 毒性毒性 过敏性过敏性 溶血性溶血性 致突性致突性 老化老化 腐蚀腐蚀 降解降解 注意：注意：材料的降解和腐蚀不仅会材料的降解和腐蚀不仅会影响材料的生物功能性，其产物影响材料的生物功能性，其产物也会对机体产生潜在的生物危害也会对机体产生潜在的生物危害。v现详细被研究过的生物材料已超现详细被研究过的生物材料已超过一千多种，被广泛应用的也达过一千多种，被广泛应用的也达数十种。数十种。生物材料生物材料分类按医用材料的来源按医用材料的来源按医用材料的性质按医用材料的性质按医用材料在人体使用部位按医用材料在人体使用部位按医用材料的使用要求按医用材料的使用要求培养瓶内正在培养的人工表皮培养瓶内正在培养的人工表皮培养瓶内正在培养的人工表皮培养瓶内正在培养的人工表皮 人造皮肤人造皮肤人造皮肤人造皮肤人造人造皮肤是利用工程学和细胞生物学的原皮肤是利用工程学和细胞生物学的原理和方法，在体外人工研制的皮肤代用品，理和方法，在体外人工研制的皮肤代用品，用来修复、替代缺损的皮肤组织，按成分用来修复、替代缺损的皮肤组织，按成分不同，可分单纯人工真皮和具有表皮细胞不同，可分单纯人工真皮和具有表皮细胞层的活性复合皮。层的活性复合皮。人工皮肤人工皮肤人工皮肤人工皮肤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结构，上层由矽胶组成，似人体的上皮；下层为多孔状类真皮结构，主要成分为小牛的胶原蛋白及鲨鱼的软骨素交联而成L/O/G/O人造皮肤的结构及制作人造皮肤的结构及制作人造皮肤有两层：表层和里层。表层是由一种硅橡胶薄膜制成，能阻挡细菌的进攻。里层是一种特殊的培养基，能帮助受伤的皮肤生长。制作：第一种从病人身上提取胶原蛋白，然后放在培养皿上培养成一块皮肤。第二种则是从病人身上提取皮肤细胞，只培养细胞，然后把细胞喷在伤口上，让其生长成皮肤。前者的缺点是平均要等待21天才培养出皮肤。后者虽然可以快速在病人身上生成皮肤，但仍然在实验阶段。这是培养5周的人工复合皮肤组织切片，可见具有与正常皮肤类似的皮层结构L/O/G/O蚕丝人造皮肤蚕丝人造皮肤主要发明人：浙江大学动物科 学学院副教授闵思佳 由科研人员提取蚕丝中的蛋白质生产而成，这种人造皮肤就像用蚕丝做成的服装面料一样，具有丝绸般的光滑平整和柔韧特性。而且，与目前治疗大面积损伤时最常用的猪皮材料相比，它安全性更高。步骤步骤依据患者皮肤损伤的尺寸，裁剪合适的丝蛋白材料，依据患者皮肤损伤的尺寸，裁剪合适的丝蛋白材料，然后将干细胞植入然后将干细胞植入通过可控的技术，让多个干细胞在丝蛋白构成的材料通过可控的技术，让多个干细胞在丝蛋白构成的材料上生长上生长通过对丝蛋白材料的设计，干细胞可以在其中转化为通过对丝蛋白材料的设计，干细胞可以在其中转化为不同的功能细胞，如真皮层的成纤维细胞，表皮层的表不同的功能细胞，如真皮层的成纤维细胞，表皮层的表皮细胞等，最后生长成一块仿生人工皮肤。皮细胞等，最后生长成一块仿生人工皮肤。以上都是在一个生物反应器里完成的，时间大约以上都是在一个生物反应器里完成的，时间大约1212周，周，一块类似的人体皮肤就形成了，从而可以用于植皮手术一块类似的人体皮肤就形成了，从而可以用于植皮手术。L/O/G/O1.与其他干细胞制作人工皮肤与其他干细胞制作人工皮肤相比，丝蛋白不会轻易遭到人相比，丝蛋白不会轻易遭到人体排斥体排斥2.丝蛋白通过技术手段制作的丝蛋白通过技术手段制作的支架结构可以逐步在人体内降支架结构可以逐步在人体内降解，这才是仿生人工皮肤不被解，这才是仿生人工皮肤不被人体保卫系统侵蚀的最大秘密人体保卫系统侵蚀的最大秘密3.根据测算，要想制作巴掌大根据测算，要想制作巴掌大的一块仿生人工皮肤，所需要的一块仿生人工皮肤，所需要的丝蛋白不过在的丝蛋白不过在5克左右，差克左右，差不多不多18个蚕茧就能解决问题个蚕茧就能解决问题优 点L/O/G/O英国英国：ICX-SKN的人造皮肤的人造皮肤研制者：从事细胞疗法研究的Intercytex集团 名为ICX-SKN的人造皮肤，这种皮肤在28天后可完全与人体结合，封闭并愈合伤口。在初步的临床实验中，由于质地逼真，耐久性好，人造皮肤移植取得突破性成功。ICX-SKN是由自体皮肤细胞产生的一种基质，即结缔组织细胞构成的。结缔组织细胞能在天然皮肤中形成骨胶原。这些结缔组织细胞可构成类似于真实皮肤的组织结构。L/O/G/O白鼠体上移植的人造皮肤白鼠体上移植的人造皮肤+研制者：第四军医大学的研究人员+从新生或出生前的试验鼠身上取出少量皮肤组织，采用灭菌、消化、分离、培养等手段，获得了足够的细胞数量后，再用组织工程的办法将其重新组合，成功地研制出具有表皮组织和结缔组织的皮肤。这个过程用一个形象的比喻就是在器皿中“种皮肤”。试验人员将这些人造皮肤移植到白鼠身上，经过观察发现，人造皮肤不仅具有正常皮肤的部分功能，而且具有良好的修复皮肤创伤的作用，到目前为止并未发现有免疫排斥反应。可以说，目前人造“鼠皮”已研制成功。当然，这种皮肤与真正的皮肤还有差距，比如说没有汗腺和毛发等附属物我国第一个“人造皮肤”正式进入临床应用四军医大口腔医院研制的我国组织工程第一个产品实现产业化这项技术的先进性在于，国内目前的这项技术的先进性在于，国内目前的人造皮肤研究仅能进行表皮的复制，人造皮肤研究仅能进行表皮的复制，四军医大则发展出带有结缔组织第二四军医大则发展出带有结缔组织第二层的皮肤，这种技术目前在国际上只层的皮肤，这种技术目前在国际上只有美国掌握，在国内四军医大是第一有美国掌握，在国内四军医大是第一家。家。金岩教授展示金岩教授展示组织工程皮肤组织工程皮肤L/O/G/O俄罗斯以纳米材料制人造皮肤俄罗斯以纳米材料制人造皮肤俄罗斯的生物皮肤和外国的类似产品性质不同。它具有高度的相容性，疗效好。特点是用它进行的包扎无需更换。“吉阿马特里克斯”和恢复的皮肤结合。此外，它有再生的性能，在它上面能繁殖移殖的细胞。还有，俄罗斯的生物皮肤较便宜，这也很重要。斯坦福大学华裔女科学家鲍哲楠(Zhenan Bao，音译)在已取得人造电子皮肤科研成果的基础上，再接再厉，研发出更仿真的透明、超弹性的传感器皮肤，让人造电子皮肤拥有更接近自然皮肤的触觉。这项研究已于10月23日发表在自然纳米科技杂志上。由美国宇航局科学家研制的一种新型人造皮肤采用垂直碳纳米管层排列在整容手术所使用的橡胶聚合物上，就像是植入一块皮肤一样，碳纳米管通过金丝的串接固定在一起。这些碳纳米管分布在橡胶状的聚合物上，这种结合橡胶聚合物和碳纳米管的人造皮肤能够将接触表面的热量传递至传感器网络，就如同皮肤能够及时获取该信息一样。碳纳米管提取聚合物上的压电感应后，传感器能够向机器人大脑产生一种信号。机器人也需要敏感的皮肤产生一定的触感。L/O/G/O人工皮肤的发展人工皮肤的发展+人造皮肤在中国起步较晚，但经过几十年人造皮肤在中国起步较晚，但经过几十年的发展，其在各个领域上面都取得的发展，其在各个领域上面都取得 了巨大了巨大的成就。的成就。在美国、在美国、加拿大、加拿大、日本和欧共体日本和欧共体国家组织工程的研究和产业化得到迅速发国家组织工程的研究和产业化得到迅速发展，展，尤其是美国有尤其是美国有 50 余家公司从事组织工余家公司从事组织工程产品的产业化生产，已经形成价值程产品的产业化生产，已经形成价值 60 亿亿美元的产业，并以每年美元的产业，并以每年 25%的速度递增。的速度递增。初步估计，到初步估计，到 2020 年美国组织工程年美国组织工程 产品市产品市场可达每年场可达每年 180 亿美元。亿美元。L/O/G/O人造皮肤的最新研究人造皮肤的最新研究多伦多大学的科研人员通过把单个细胞放入凝胶状的薄片材料里，使其生长出一种全新的人造皮肤。值得一提的是，这种新的人造皮肤不仅能够根据实际需要被培育成字母等特殊的形状，其生长速度也大幅提高，从之前的一次生长几微米变成现在一次生长几厘米。为何能根据需要培育成特殊形状？L/O/G/O “马赛克凝胶”是一种薄皮状的物质，能够与活体组织的细胞生长兼容，进而确保各种不同的细胞能够在凝胶里进行精准的、可操控的生长繁殖。精确控制细胞生长具有非常重大的意义，如此一来，人造皮肤的细胞就能模拟活体组织细胞的自然生长，对烧伤患者的治疗十分有利。控制“马赛克凝胶”里的细胞生长，令其排列成7个字母、组成单词“Toronto”。L/O/G/O未来人造皮肤未来人造皮肤+有触感+可拉伸+能防弹 可剥落的电子表皮可剥落的电子表皮人造心脏瓣膜的置换人造心脏瓣膜的置换 第一个可靠的人工心脏瓣膜，在1961年由美国俄勒冈州波特兰的外科医生史塔尔和他的合作者爱德华斯发明，是装在不锈钢罩中的塑料球。普通金属烤瓷牙普通金属烤瓷牙贵金属烤瓷牙贵金属烤瓷牙齿科材料科材料修修复复牙牙齿用用的的合合金金除除银之之外外主主要要有有镍铬、钴铬和和烤瓷合金烤瓷合金。镍铬合金（合金（软质）适于制作）适于制作齿冠、冠冠、冠桥等部件；等部件；钴铬合合金金（中中硬硬质）适适于于作作齿环、基基托托，硬硬质者者则适于作舌杆、整体部件适于作舌杆、整体部件烤烤瓷瓷合合金金是是用用于于制制造造烤烤瓷瓷固固定定修修复复体体的的底底层合合金金。先先用用紧密密铸造造制制成成帽帽状状冠冠，在在表表面面涂涂上上烤烤瓷瓷，高高温温烧结。强度度与与耐耐磨磨性性高高于于塑塑料料牙牙，又又能能按按牙牙齿色色调配制。配制。高高铜银合合金金粉粉系系用用于于龋齿治治疗。为了了解解决决银合合金金粉粉与与汞汞调和和中中汞汞蒸蒸气气的的危危害害，已已制制成成银汞汞胶胶囊囊，效效应更佳更佳。牙槽骨内种植体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。人工皮肤的材料分合成高分子和生物高分子两类產品及組織工程相關產業產品及組織工程相關產業產品及組織工程相關產業產品及組織工程相關產業PLGA：聚乳酸-羟基乙酸共聚物纤维蛋白纤维蛋白纤维蛋白纤维蛋白 Cusp：一端尖细的突出物，尤指心瓣的三角形段Vascular：血管的基于模塑的纤维蛋白凝胶载体的心脏瓣膜导管模型肌肌腱腱组组织织珊瑚羟基磷灰石人造骨Hydrogel，水凝胶；透明质酸(Hyaluronic acid HA)、德国DensplyDyractAp全功能复合体合体的所有优点，放氟功能更强耐磨性能更优异，表面更光滑。这种复合体在操作中简单、快速患者无痛苦，没有任何副作用，而修复质量又极好。德国DegussaDefinite新型齿科陶瓷材料具有很好的生物相容性，是汞合金、复合树脂和复合体等材料的代用品。适用于前牙和侧牙区的所有适应症德国DegussaDefinite flow流质型填充材料新型的流质标准这是一种新型产品，可流动，成形后又坚固无比。它适用于V类龋洞的填充、各类裂隙封闭、微小的龋坏控制以及用陶瓷、复合树脂作为修复材料的粘固德国Densply牙胶尖硬度大、弹性好、充填彻底、操作容易是本牙胶尖的优点。德国DMG树脂材料 各种比色，可适用于修补、充填，也可作为光固化材料。德国VIVADENTTetric瓷化树脂德国OMPOGLGS光固化玻璃离子2、国外的一些口腔材料、国外的一些口腔材料四种分类法特点四种分类法特点：1.较粗糙较粗糙,实际意义不大实际意义不大;2.缺乏对材料缺乏对材料 的个性认识的个性认识;3.前后重复前后重复;4.区分不明确。区分不明确。表表1-6.1 医用材料与制品分类表医用材料与制品分类表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生物医学高分子材料生物医学高分子材料按用途分按用途分类类手手术术治治疗疗用高分子材料用高分子材料 缝合线，黏胶剂，止血剂，各种导管，引流管，一次性输血输液器材缝合线，黏胶剂，止血剂，各种导管，引流管，一次性输血输液器材药药用及用及药药物物传递传递用高分子材料用高分子材料靶靶向性高分子向性高分子载载体（肝体（肝靶靶向性，向性，肿肿瘤瘤靶靶向性），高分子向性），高分子药药物（干物（干扰扰素，素，降胆敏），高分子控制降胆敏），高分子控制释释放放载载体（体（胶胶囊，水凝囊，水凝胶胶，脂，脂质质体）体）人造器官或人造器官或组织组织人造皮肤，血管，骨，关节，肠道，心脏，肾等人造皮肤，血管，骨，关节，肠道，心脏，肾等1.1.分分类类制制备备生物医用高分子材料？生物医用高分子材料？化化学学家家来来做第一步做第一步化化学学家合成原始材料家合成原始材料并检测并检测各各项项理化指理化指标标生物生物学学家家检测检测材料生物毒性及生物相容性材料生物毒性及生物相容性医学医学家做家做临临床床动动物物试验试验-人体人体试验试验化化学学工程工程师师制造生物制造生物医医用高分子材料用高分子材料临临床床应应用用材料 生物高分子材料发展史生物高分子材料发展史19431943年年 赛璐赛璐珞薄膜珞薄膜开开始用于血液透析始用于血液透析19491949年年 美美国国首先首先发发表了表了医医用高分子的展望性用高分子的展望性论论文。在文章文。在文章 中，第一次介中，第一次介绍绍了了利用利用PMMAPMMA作作为为人的人的头头盖骨、盖骨、关关 节节和股骨和股骨，利用聚利用聚酰胺纤维酰胺纤维作作为为手手术缝术缝合合线线的的临临床床 应应用情用情况况。5050年代，有机硅聚合物被用于年代，有机硅聚合物被用于医学领医学领 域域，使人工器官的，使人工器官的应应用范用范围围大大大大扩扩大，包括器官替大，包括器官替 代和整容等代和整容等许许多方面。多方面。Drug controlled releaseDrug controlled releaseTissue engineeringTissue engineeringGene therapyGene therapy 此后，一大批人工器官在此后，一大批人工器官在50年代试用于临床。如年代试用于临床。如人工人工尿道（尿道（1950年）年）、人工血管（人工血管（1951年）年）、人工食道人工食道（1951年）年）、人工心脏瓣膜（人工心脏瓣膜（1952）、人工心肺（人工心肺（1953年）年）、人工关节（人工关节（1954年）年）、人工肝（人工肝（1958年）年）等。进等。进入入60年代，医用高分子材料开始进入一个崭新的发展时年代，医用高分子材料开始进入一个崭新的发展时期。期。1960s 可生物降解聚合物，如：可生物降解聚合物，如：Polylactide(PLA)1970-80s 隐形眼镜（隐形眼镜（Contact lens），药物控制释放），药物控制释放(drug controlled release)1990s-1990s-聚合物在生物医用材料中的占有率超过一聚合物在生物医用材料中的占有率超过一半半2023/8/6材料 高分子材料虽然不是万能的，不可能指望它解高分子材料虽然不是万能的，不可能指望它解决一切医学问题，但决一切医学问题，但通过分子设计的途径通过分子设计的途径，合成出，合成出具有生物医学功能的理想医用高分子材料的前景是具有生物医学功能的理想医用高分子材料的前景是十分广阔的。有人预计，在十分广阔的。有人预计，在21世纪，医用高分子将世纪，医用高分子将进入一个全新的时代。除了大脑之外，人体的所有进入一个全新的时代。除了大脑之外，人体的所有部位和脏器都可用高分子材料来取代。仿生人也将部位和脏器都可用高分子材料来取代。仿生人也将比想象中更快地来到世上。比想象中更快地来到世上。2023/8/6材料（Requirements for biomedical polymers）Basic requirements安全性安全性 Biocompatibility/Biostability/Biodegradability灭菌性灭菌性 Sterilizability医用高分子材料的要求医用高分子材料的要求医用高分子材料的要求医用高分子材料的要求2023/8/6材料Requirements for biomedical polymersRequirements for biomedical polymersOther requirements according to specific Other requirements according to specific applicationsapplications加工成型性加工成型性 machine-shaping properties机械性能机械性能与稳与稳定性定性 Mechanical properties环环境敏感性境敏感性 Environmental sensitivity表面性能表面性能与结构与结构多空性多空性 Surface properties/Porosity亲亲疏水性疏水性 Hydrophilicity/hydrophobicity 2023/8/6材料 不不会会致癌致癌 根据根据现现代代医学医学理理论认为论认为，人体致癌的原因是，人体致癌的原因是由于由于正常正常细细胞胞发发生了生了变异变异。当这当这些些变异细变异细胞以胞以极极其迅速的速度增其迅速的速度增长并扩长并扩散散时时，就形成了癌，就形成了癌。而引。而引起起细细胞胞变异变异的因素是多方面的，有化的因素是多方面的，有化学学因素、物因素、物理因素，也有病毒引起的原因。理因素，也有病毒引起的原因。安全性安全性具有良好的血液相容性具有良好的血液相容性 当高分子材料用于人工脏器植入人体后，必然要长时当高分子材料用于人工脏器植入人体后，必然要长时间与体内的血液接触。因此，间与体内的血液接触。因此，应用高分子对血液的相容性应用高分子对血液的相容性是所有性能中最重要的是所有性能中最重要的。血液相容性血液相容性就是指血液对与它接触的非存活材料和器件产生合乎要求的反应的一种性能；具体来说应具备以下性质：不凝血、不溶血、不破坏血细胞、不致使血浆蛋白变性及酶系统破坏，不扰乱电解质平衡。其中，不凝血是血液相容性最重要，也是最不易做到的要求。2023/8/6材料通常，当人体的表皮受到损伤时，流出的血液会通常，当人体的表皮受到损伤时，流出的血液会自动凝固，称为自动凝固，称为血栓血栓。血液相容性指材料在体内与血液接触后不发生凝血、溶血现象，不形成血栓。实际上，血液在受到下列因素影响时，都可能发实际上，血液在受到下列因素影响时，都可能发生血栓：生血栓：血管壁特性与状态发生变化；血管壁特性与状态发生变化；血液血液的性质发生变化；的性质发生变化；血液的流动状态发生变化血液的流动状态发生变化。2023/8/6材料 具有良好的组织相容性具有良好的组织相容性 有些高分子材料本身对人体有害，不能用作有些高分子材料本身对人体有害，不能用作医用材料。而有些高分子材料本身对人体组织并医用材料。而有些高分子材料本身对人体组织并无不良的影响，但在合成、加工过程中不可避免无不良的影响，但在合成、加工过程中不可避免地会残留一些单体，或使用一些添加剂。当材料地会残留一些单体，或使用一些添加剂。当材料植入人体以后，这些单体和添加剂会慢慢从内部植入人体以后，这些单体和添加剂会慢慢从内部迁移到表面，从而对周围组织发生作用，迁移到表面，从而对周围组织发生作用，引起炎引起炎症或组织畸变症或组织畸变，严重的可引起全身性反应。，严重的可引起全身性反应。2023/8/6材料灭菌性灭菌性灭菌性灭菌性 高分子材料在植入体内之前，都要经过严格的高分子材料在植入体内之前，都要经过严格的灭菌消毒。目前灭菌处理一般有三种方法：灭菌消毒。目前灭菌处理一般有三种方法：蒸汽灭蒸汽灭菌、化学灭菌、菌、化学灭菌、射线灭菌射线灭菌。国内大多采用前两种。国内大多采用前两种方法。因此在选择材料时，要考虑能否耐受得了。方法。因此在选择材料时，要考虑能否耐受得了。能能经经受必要的受必要的清洁清洁消毒措施而不消毒措施而不产产生生变变性性生物生物生物生物医医医医用高分子材料用途用高分子材料用途用高分子材料用途用高分子材料用途手手术缝术缝合合线线骨固定材料骨固定材料组织组织修修补补材料材料药药物控制物控制释释放材料放材料2023/8/6材料人工心脏瓣膜人工心脏瓣膜人工心脏瓣膜人工心脏瓣膜组织工程人工骨缺损修复示意图组织工程人工骨缺损修复示意图组织工程人工骨缺损修复示意图组织工程人工骨缺损修复示意图2023/8/6材料1 1、天然可降解高分子材料、天然可降解高分子材料、天然可降解高分子材料、天然可降解高分子材料胶胶原蛋白，原蛋白，纤维纤维蛋白蛋白甲甲壳壳素、素、壳壳聚糖、淀粉、聚糖、淀粉、纤维纤维素海藻酸素海藻酸钠钠衍生物衍生物可吸收可吸收缝线缝线药药物控物控释载释载体体人工皮人工皮肤肤天然可降解高分子材料的优点天然可降解高分子材料的优点天然可降解高分子材料的优点天然可降解高分子材料的优点 原料原料来来源丰富，便宜易得源丰富，便宜易得 可用常可用常规规方法加工成型方法加工成型 具有良好的生物相容性具有良好的生物相容性 不引起不引起异异体反体反应应（1 1）胶原蛋白）胶原蛋白）胶原蛋白）胶原蛋白 胶原是人体组织中最基本的胶原是人体组织中最基本的蛋白质类蛋白质类物质，至今已经鉴别出物质，至今已经鉴别出13种胶原，其种胶原，其中中 IIII、V和和 XI 型胶原为成纤维胶型胶原为成纤维胶原。原。I 型胶原在动物体内含量最多，已型胶原在动物体内含量最多，已被广泛应用于生物医用材料和生化试被广泛应用于生物医用材料和生化试剂。剂。结构：结构：结构：结构：由由各各种种物物种种和和肌肌体体组组织织制制备备的的胶胶原原差差异异很很小小。最最基基本本的的胶胶原原结结构构为为由由三三 条条 分分 子子 量量 大大 约约 为为1105的的肽肽链链组组成成的的三三股股螺螺旋旋绳绳状状结结构构，直直径径为为11.5nm，长长约约300nm。制备来源：制备来源：制备来源：制备来源：牛和猪的肌腱、生皮、骨骼是生产胶原的牛和猪的肌腱、生皮、骨骼是生产胶原的主要原料。主要原料。生产：生产：生产：生产：医用胶原制备的医用胶原制备的主要目的主要目的是除去组织中的是除去组织中的非胶原成分和抗原物质，获得高纯度的胶非胶原成分和抗原物质，获得高纯度的胶原肽、胶原纤维或胶原组织。原肽、胶原纤维或胶原组织。胶原在应用时必须胶原在应用时必须交联交联，以控制其物理性，以控制其物理性质和生物可吸收性。同时也必须考虑所用质和生物可吸收性。同时也必须考虑所用交联方法的强度、稳定性、毒性、趋钙化交联方法的强度、稳定性、毒性、趋钙化以及抗酶降解性能等。以及抗酶降解性能等。特点：特点：特点：特点：优点：胶原材料具有优点：胶原材料具有生物力学性能好生物力学性能好,免疫免疫原性低原性低等优点等优点,被制造成为各种生物医学材被制造成为各种生物医学材料料,在医疗器械产品制造领域有着不可替代在医疗器械产品制造领域有着不可替代的优势和相当广泛的应用。的优势和相当广泛的应用。缺点：缺点：要通过对实际生产过程的要通过对实际生产过程的严格控制严格控制才能达到动物源性胶原的人用标准才能达到动物源性胶原的人用标准。胶原可以用于制造胶原可以用于制造心脏瓣膜、支架、心脏瓣膜、支架、血管修复材料、止血海绵、创伤辅料、血管修复材料、止血海绵、创伤辅料、明胶、化妆品、人工皮肤、手术缝合线、明胶、化妆品、人工皮肤、手术缝合线、组织工程基质组织工程基质等。等。应用：应用：应用：应用：2023/8/6材料 纤维蛋白纤维蛋白 纤维蛋白是纤维蛋白原的聚合产物纤维蛋白是纤维蛋白原的聚合产物。纤维蛋。纤维蛋白原是一种血浆蛋白质，存在于动物体的血白原是一种血浆蛋白质，存在于动物体的血液中。液中。纤维蛋白原在人体内的主要功能是参纤维蛋白原在人体内的主要功能是参与凝血过程与凝血过程。2023/8/6材料2023/8/6材料 纤维蛋白具有良好的生物相容性，具有纤维蛋白具有良好的生物相容性，具有止血、止血、促进组织愈合促进组织愈合等功能，在医学领域有着重要用途。等功能，在医学领域有着重要用途。纤维蛋白的降解包括酶降解和细胞吞噬两种过纤维蛋白的降解包括酶降解和细胞吞噬两种过程，程，降解产物可以被肌体完全吸收降解产物可以被肌体完全吸收。降解速度随产。降解速度随产品不同从几天到几个月不等。通过交联和改变其聚品不同从几天到几个月不等。通过交联和改变其聚集状态是控制其降解速度的重要手段。集状态是控制其降解速度的重要手段。2023/8/6材料甲壳素与壳聚糖甲壳素与壳聚糖 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，由甲壳素在衍生物，由甲壳素在4050浓度的氢氧化钠水浓度的氢氧化钠水溶液中溶液中110120下水解下水解24h得到。得到。甲壳素能为肌体组织中的溶菌酶所分解，已用于制造甲壳素能为肌体组织中的溶菌酶所分解，已用于制造吸吸收型手术缝合线收型手术缝合线。其抗拉强度优于其他类型的手术缝合线。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。个月可以完全吸收。甲壳素还具有促进伤口愈合的功能，可用作甲壳素还具有促进伤口愈合的功能，可用作伤口包扎材伤口包扎材料料。甲壳素膜用于覆盖外伤或新鲜烧伤的皮肤创伤面时，具甲壳素膜用于覆盖外伤或新鲜烧伤的皮肤创伤面时，具有减轻疼痛和促进表皮形成的作用，因此是一种良好的有减轻疼痛和促进表皮形成的作用，因此是一种良好的人人造皮肤材料造皮肤材料。甲壳质缝线2.2.药用高分子材料药用高分子材料高分子化合物主要的三个方面：（1 1）作为控制释放药物的载体。）作为控制释放药物的载体。（2 2）作为药物使用。）作为药物使用。（3 3）作为药物制剂的辅助材料。）作为药物制剂的辅助材料。特别是采用智能高分子材料，可使药物释放体系特别是采用智能高分子材料，可使药物释放体系 （DDSDDS）智能化。此体系的特点是药物是否需要可由药剂）智能化。此体系的特点是药物是否需要可由药剂本身判断，它可感知疾病引起的化学物质及物理量变化的本身判断，它可感知疾病引起的化学物质及物理量变化的信号，药剂能对信号响应并自主地控制药物的释放。信号，药剂能对信号响应并自主地控制药物的释放。高分子药物高分子药物高分子药物高分子药物1.高分子骨架本身具有药理活性高分子骨架本身具有药理活性 聚乙聚乙烯烯N-氧吡啶氧吡啶是一是一种种具有具有药药理活性理活性 的高分子，能溶于水的高分子，能溶于水中。注射其水溶液或吸入其烟中。注射其水溶液或吸入其烟雾雾剂剂，对对于治于治疗疗因大量吸入含游离因大量吸入含游离二二氧氧化硅粉化硅粉尘尘所引起的急性和慢所引起的急性和慢性矽肺病有性矽肺病有较较好效果好效果并并有有较较好好的的预预防效果。防效果。2023/8/6材料 将青霉素与乙烯醇将青霉素与乙烯醇-乙烯胺共聚物以酰胺键相结乙烯胺共聚物以酰胺键相结合，得到水溶性的药物高分子。这种高分子青霉素合，得到水溶性的药物高分子。这种高分子青霉素在人体内停留时间比低分子青霉素长在人体内停留时间比低分子青霉素长30-40倍倍。高分子高分子载载体体药药物物2023/8/6材料高分子高分子药药物物缓释缓释材料材料药物控制释放目的：药物控制释放目的：使药物以最小的剂量在特定部位产生疗效；使药物以最小的剂量在特定部位产生疗效；优化药物释放速率以提高疗效，降低毒副作用；优化药物释放速率以提高疗效，降低毒副作用；口服缓释制剂：新康泰克口服缓释制剂：新康泰克2023/8/6材料纳纳米米树树形高分子形高分子（纳纳米在米在药药物物输输运中的运中的应应用）用）作作为药为药物物载载体的体的树树状高分子状高分子把把树树形高分子形高分子设计设计得只在得只在适当的触适当的触发发分子存在的情分子存在的情况下自况下自动动地膨地膨胀胀并并释释放出放出药药物物使定制的使定制的树树形高分子恰好形高分子恰好在需要治在需要治疗疗的的组织组织或器官或器官内内释释放出其运放出其运载载的的药药物物。生物医学金属材料 生物医学金属材料 金属材料是生物医学材料中应用最早的。由金属具有较高的强度和韧性，适用于修复或换人体的硬组织，早在一百多年前人们就已用贵金属镶牙。随着抗腐蚀性强的不锈钢、弹性模量程骨组织接近铜铁合金，以及记忆合金材料、复合材料等新型生物医学金属材料的不断出现，其应用范围也在扩大。生物医学金属材料的特殊要求和考虑 生物生物医学医学金金属属材料有一些特殊要求及需要注材料有一些特殊要求及需要注意和考意和考虑虑的的问题问题。（1 1）抗腐）抗腐蚀蚀性性（2 2）毒性低或无毒性）毒性低或无毒性（3 3）高机械性能）高机械性能名称名称优点优点缺点缺点应用领域应用领域贵金属贵金属及其合金的耐腐蚀和机械性能优良生物相容性差牙科修复材料，制作植入体内的器件的电极和导线材料，磁性铂用于眼脸功能的修复。不锈钢易加工，价格低不锈钢耐腐蚀性和机械性能不如钴基合金体内植入的阴性对照材料，接骨板、骨螺钉、齿冠、齿科矫正器具等。钴基合金可锻可铸，机械性能好硬度有硬，中，软之分价格高，加工难、应用不够普及常用来制作人工关节的金属间华东联接。钛和钛合金质轻强度高，生物相容性好及记忆效应，抗疲劳性及耐腐蚀性好价格高昂用于齿科、骨科。人工齿龈，人工下颚骨、颅骨修复网支撑、心脏瓣膜支架等众多领域多孔材料和复合材料性能固定牢靠，减少关节的磨损制备困难，成本高用于人工假肢、估损修复，修复肌腱、神经和血管的钽丝常见生物医学金属材料无机生物医学材料 无机生物医学材料 无机生物医学材料从主要成分来看，包括无机生物医学材料从主要成分来看，包括生生物陶瓷物陶瓷、生物玻璃生物玻璃和和碳素材料碳素材料。18081808年就已用陶年就已用陶瓷来镶牙，近瓷来镶牙，近2020年来由于无机生物学材料性能的年来由于无机生物学材料性能的改善及复合材料发展的需要，这类材料的研制和改善及复合材料发展的需要，这类材料的研制和应用都有了较大的发展应用都有了较大的发展生物陶瓷生物陶瓷 生物陶瓷由多种氧化物等烧结而成。一般可把生物陶瓷分为普通生物陶瓷、生物活性陶瓷及特殊加工生物陶瓷3类。（1）普通生物陶瓷多用于假牙制作，硬度及耐磨性优于树脂制品。材料的化学性质差，生物相容性好（2）生物活性陶瓷主要成分为磷酸钙，植入人体后可以降解吸收，由于被怀疑会引起淋巴结增生，现已停止对其研究（3）特殊加工生物陶瓷掺入荧光物质的陶瓷贴片可以贴在牙齿外表增加美观生物医学玻璃和玻璃陶瓷生物医学玻璃和玻璃陶瓷（1）非活性生物玻璃（2）活性生物玻璃（3）羟磷灰石（HAP）材料 多用于制作人工股骨、人工多用于制作人工股骨、人工齿齿冠、冠、齿桥齿桥，还还用于强磁性的玻璃陶瓷埋入用于强磁性的玻璃陶瓷埋入肿肿瘤附近，瘤附近，通通过过材料在交材料在交变变磁磁场场作用下磁作用下磁场场下磁下磁滞损滞损耗耗发热发热而而杀杀死癌死癌细细胞，或用胞，或用经经中子照射中子照射产产生生 射射线线源的生物陶瓷的埋入治源的生物陶瓷的埋入治疗疗癌症等。癌症等。这种这种材料生物相容性好，和骨材料生物相容性好，和骨组织结组织结合好，成骨合好，成骨过过程快、有利于植入物早期固程快、有利于植入物早期固定，定，种种植成功率高。植成功率高。国内国内外也生外也生产产了可了可进进行切削加工的生物玻璃陶瓷，行切削加工的生物玻璃陶瓷，国国外也有制外也有制成柔成柔顺顺性强的生物玻璃性强的生物玻璃纤维纤维的的研研究工作究工作报报告。告。HAP是人牙和骨骼的主要无机成分，是人牙和骨骼的主要无机成分，1976年年开开始始AI合成合成HAP材料。材料。HAP材料具材料具有吸收和聚集体液中有吸收和聚集体液中钙钙离子的作用，离子的作用，参与参与体体内钙内钙代代谢谢，能起到适合于新生骨沉，能起到适合于新生骨沉积积的生的生理搭理搭桥桥作用，即起着股作用，即起着股传传送作用，常制作送作用，常制作复复合人工骨，合人工骨，与与高分子材料制成的混合材料高分子材料制成的混合材料常用做人工中耳骨等。常用做人工中耳骨等。END