生物医用材料[119页]

Chapter8 Polymer1Chapter8 Polymer2本章内容8.1 8.1 生物医用材料概述生物医用材料概述8.2 8.2 生物医用材料发展简史生物医用材料发展简史8.3 8.3 生物医学材料的种类生物医学材料的种类8.4 8.4 生物医用材料的特征与评价生物医用材料的特征与评价8.5 8.5 生物医用材料应用实例生物医用材料应用实例 ISO定义，生物医学材料定义，生物医学材料(Biomedical Materials)即生物材料即生物材料(Biomaterials)，指，指“以医疗为目的，用于以医疗为目的，用于与组织接触以形成功以形成功能的无生命的材料能的无生命的材料”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和发生相互作用的的，并能对其细胞、并能对其细胞、组织和器官进行组织和器官进行诊断治疗、替换修复或诱导再生的一类特殊的的一类特殊的功能材料功能材料8.1 生物医用材料概述 生物材料是材料科学生物材料是材料科学领域中正在发展的多种学科领域中正在发展的多种学科相互交叉渗透的领域，其研相互交叉渗透的领域，其研究内容涉及材料科学、生命究内容涉及材料科学、生命科学、化学、生物学、解剖科学、化学、生物学、解剖学、病理学、临床医学、药学、病理学、临床医学、药物学等学科，同时还涉及工物学等学科，同时还涉及工程技术和管理学科的范畴。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John Charnley19581961心脏起搏器19321933人工心脏瓣膜1952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，自主知识产权较少同类产品与国外产品比，基本上属于仿制，自主知识产权较少 生物医用材料与制品生物医用材料与制品70-80%要依靠进口要依靠进口 产业处于起步阶段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、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盖骨生物医用材料的特征与评价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生物医用材料的特征与评价Ti-O薄膜表面血小板的形态(好)Ti-O薄膜表面血小板的形态(差)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，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生物医用材料的特征与评价常用硬组织替代材料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件下长期安全服役的却不多外科用金属材料经过长期研究和临床筛选而得到广泛应用的金属材料主要有不锈钢钴基合金钛及其合金形状记忆合金贵金属钽、铌、锆磁性合金不锈钢骨钉常用硬组织替代材料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常用硬组织替代材料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：缺点：Ti合金的磨损与应力腐蚀较明显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；其高回弹性能顺应管道的弯曲，对人体刺激小脊椎矫正植入体食管支架血管支架牙齿矫形丝血管和食管引导丝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物陶瓷、医用碳素等，生理环境下能长期保持稳定 生物活性生物活性：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管常用硬组织替代材料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、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、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 以固定酶为代表的功能性杂化材料以固定酶为代表的功能性杂化材料 杂化细胞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、人工胰脏、人工肝脏、人工胸腺、人工肾脏、人工皮和人工血管等人工肾脏、人工皮和人工血管等组织和器官损伤或缺陷的常规治疗组织和器官损伤或缺陷的常规治疗: :移植移植( (人或异种移植人或异种移植) )外科修复外科修复人工假体、机械装置人工假体、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、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、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，用于可吸收性缝合线，用于消化道和整形外科消化道和整形外科人工皮，用于人工皮，用于整形外科、烧伤皮肤外科整形外科、烧伤皮肤外科细胞培养，细胞培养，制备不同形状的微胶囊，培养高浓度细胞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如包封的是活细胞，则构成人工生物器官海绵，海绵，用于拔牙患、囊肿切除、齿科切除的保护材料用于拔牙患、囊肿切除、齿科切除的保护材料眼科敷料眼科敷料，可生成较多的成胶原和成纤维细胞，可生成较多的成胶原和成纤维细胞隐形眼镜隐形眼镜膜膜，用于药物释放系统和组织引导再生材料，用于药物释放系统和组织引导再生材料固相酶载体固相酶载体 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、肩等造各种膝、肘、肩等人造关节人造关节。此外，钛合金还用。此外，钛合金还用于于心血管系统心血管系统。钛合金耐磨性能不理想，且存在咬。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。合现象，限制了其使用范围。Joint 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，较注射明胶海绵等常规止血方法，操作容易，感染少 To fix implants in body:ImplantsBoneBoneImplantsBone cementThin apatite layer, or bone bonding Mechanical, indirect fixation Insufficient interfacial strength Wear Difficult to dispose of Chemical, direct bonding Higher interfacial strength Easy to dispose of钛丝网和周围骨组织的紧密结合钛丝网和周围骨组织的紧密结合钛钛骨组织骨组织SBF approach to evaluate the bioactivity in vitroBioactivity defines the“Interfacial bonding of an implant to tissue by means of formation of a biologicallyactive hydroxyapatite (HA, Ca10(PO)6(OH)2) layer on the implant surface”- L. L. Hench, “Biomaterials: a forecast for the future,” Biomaterials 19 (1998) 1419-23.Simulated body fluid) Metastable calcium phosphate solution similar in inorganic ion composition to human blood plasmaIon concentrations (mM) of Simulated Body Fluid (SBF) and human blood plasmaApatite deposition from SBF:10Ca26PO432OH Ca10(PO4)6(OH)2G=-RTlnS S=(IP/Ksp)1/9IP=(Ca2+)5(PO43-)3(OH-) 25 C, Ksp=4.710-59 36.5 C, G = -13.2 KJ/mol Factors contribute to the apatite deposition ability of titania gel:Ti-OH functional groupsNegatively charged surface1.Crystalline structureH2O2 solution treatment of Ti: H2O2/TaCl5, H2O2/SnCl2, 60 C24 h Amorphous titania gel, induce apatite deposition in SBF for 7 d-C. Ohtsuki, H. Iida, S. Hayakawa, A. Osaka, “Bioactivity of titanium treated with hydrogen peroxide solutions containing metal chlorides,” J. Biomed. Mater. Res., 35, 39-47 (1997). H2O2/TaCl5, 80 C1 h, 400 C1 h Anatase, induce apatite deposition in SBF for 1 d-X. X. Wang, S. Hayakawa, K. Tsuru, A. Osaka, “Improvement of the bioactivity of H2O2/TaCl5-treated titanium after a subsequent heat treatment,” J. Biomed. Mater. Res., 52, 171-76 (2000). H2O2/TaCl5, 80 C72 h Anatase+Rutile, induce apatite deposition in SBF for 12 h-J. M. Wu, S. Hayakawa, K. Tsuru, A. Osaka, “Low-temperature preparation of anatase and rutile layers on titanium substrates and their ability to induce in vitro apatite deposition,” J. Am. Cerm. Soc., 87, 1635-42 (2004). Low-temperature Ti-H2O2 Approach: as-depositedSBF 12 hSBF 1 dSBF 2 d20253035402-theta / degreeX-ray Intensity /arb. unit24 h48 hTi0 h12 hAApRApRR203040502 /degreeIntensity /arb. unit72h24h16h8h4h1hAnataseRutileTiPhase evolution during the soaking:Solution: 30 wt. %H2O2/3mM TaCl5Temperature: 80 CEffects of the phase composition on the apatite deposition:20253035402-theta /degreeX-ray Intensity /arb. unit0.5910.895ATiAp0.023RRW =In SBF for 1 dRutile exhibits similar ability to induce apatite deposition as Anatase)/8 . 01/(1RARIIWJ. M. Wu, et al., J. Am. Ceram. Soc, 87 (2004) 1635-1642.Applicability to complicated shapes 钛钛表面表面热喷热喷涂多孔涂多孔钛钛金相金相钛钛表面表面热喷热喷涂多孔涂多孔钛钛扫扫描描电镜观电镜观察察 动动物物试验试验种植种植试验试验试验组：多孔钛表面，双氧水活化处理试验组：多孔钛表面，双氧水活化处理对照组：光滑表面钛棒对照组：光滑表面钛棒试验组对照组 动动物物试验试验结结合强度合强度测测定定界面界面结结合强度合强度测测定定结结果果界面结合强度比对照组明显提高界面结合强度比对照组明显提高实验组对照组负荷位移曲线050100150200250300350400450-0.500.511.522.5位移（mm)负荷（N)12340.00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.5Shear strength/ MPaDurations /month Control Porous Ti界面界面观观察，能察，能谱谱分析分析骨组织长入多孔钛的孔隙骨组织长入多孔钛的孔隙TiPCa