医用材料在医学中的应用ppt课件

医用材料在医学中的应用,1,个人介绍,张 洪 武汉大学人民医院药品试剂科主任 硕士研究生导师 研究方向:药物新剂型,2,生物材料在医学中的应用,生物材料：指生物体材料和各种医用、特别是对生 物体进行诊断、治疗、置换和增进某受 损组织和器官的功能性材料。其作用药 物不可替代 包括：生物体材料（biological material） 生物医用材料（biomedical material）,3,生物体材料一般都是具体组成某种细胞的成分，如纤维蛋白、胶原蛋白、磷脂和糖蛋白等 生物材料学是研究用于修复人体缺陷的各类材料的基本结构、基本特性、生物性能和人体组织及器官对材料的反应，从基本原理上探索生物材料与细胞间的相互作用，研究材料过程-材料结构-材料性能之间的关系,4,生物医学材料指的是一类具有特殊性能、特种功能，用于人工器官、外科修复、理疗康复、诊断、治疗疾患，而对人体组织不会产生不良影响的材料。现在各种合成和天然高分子材料、金属和合金材料、陶瓷和碳素材料以及各种复合材料，其制成产品已经被广泛地应用于临床和科研 即与医学诊断、治疗有关的一类功能性材料,5,随着科技发展，高分子材料在各行各业的应用日渐广泛，医学领域也不例外。医用材料包括: 高分子材料: 聚乙烯、聚丙烯等 金属材料： 不锈钢、钛合金等 陶瓷材料： 氧化铝、氧化钛等 复合材料： 金属-陶瓷复合材料等 生物衍生材料： 活性生物组织等,6,生物医用高分子材料:是生物医学材料中发展最早、应用最广泛、 用量最大的材料。既来源于天然，又可以人工合成。 分为非降解型和可降解型两类 非降解型：要求在生物环境中能长期保持稳定，不发生降解、 交联或物理磨损等，并具良好的物理机械性能。 包括聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸酯、芳香聚酯、聚硅 氧烷、聚甲醛等。主要用于人工脏器、骨和牙齿、肌 腱和韧带、血管、皮肤等组织及器官的修复和构造 可降解型：主要包括胶原、甲壳素、纤维素、氨基酸、聚乳酸、 聚乙醇酸等。主要用于组织工程支架材料和药物缓释 系统,7,生物医用金属材料：用于生物医学材料的金属或合金，又称 外科用金属材料，是一类惰性材料。具有高机械强度和 抗疲劳性能，是目前临床应用最广泛的一类材料，其应 用范围涉及硬组织、软组织、人工器官、外科辅助器材 等 问题：由于生理环境的腐蚀，会造成金属离子向周围组织扩散 及植入材料自身性质的蜕变，前者可能导致毒副作用， 后者导致植入失败 常用材料：不锈钢、钛合金、钴合金、钽、铌、锆等,8,生物医用陶瓷材料：此类材料性能稳定，具良好的生物相容性， 能耐高温、耐腐蚀、抗氧化性和很高的机械强度。主要 用于骨和牙齿、承重关节等硬组织的修复和替换，生物 碳可以用作血液接触材料，如人工心脏瓣膜等 问题：脆性大、韧性低 常用材料：氧化铝、氧化钛、生物碳、生物玻璃、羟基磷灰石、 磷酸钙陶瓷等,9,复合生物材料：由基体材料与增强材料或功能材料组成，它们之 间相互配合或组合，形成大量性质各异的复合生物材料。 复合材料的某些性能比各组成相的性能有较大程度的提 高，主要用于制成人工器官、修复或替换人体组织、器 官，增进或替代其功能 常用基体材料：医用高分子材料、医用碳素材料、生物玻璃、玻 璃陶瓷、医用不锈钢、钴基合金等 常用增强材料：碳纤维、不锈钢或钴基合金、生物玻璃陶瓷等,10,生物衍生材料：是天然生物组织经过特殊处理而 形成的医用材料，可取自同种或异种动物 体的组织细胞，可作为修复和替代材料 主要用于人工心脏瓣膜、血管修复、人工皮 肤、骨修复、鼻软骨种植体等,11,问题： 1.材料本身性质 化学稳定性、力学性能 2.与身体融合程度 生物相容性 3.其他 手术技术、患者健康状况等,12,生物医用材料必须满足以下的基本要求： （1）与组织短期接触无急性毒性、无致敏作用、无致炎作用、无致癌作用和其他不良反应 （2）具有良好的耐腐蚀性能以及相应的生物力学性能和良好的加工性能 （3）对于体内使用的医用材料，除了必须满足以上的基本要求外，还必须具有良好的组织相容性、血液适应性和适宜的耐生物降解性,13,生物材料的性能 生物功能性 生物相容性,14,生物功能性,指生物材料具备或完成某种生物功能时应该具有的一系列性能 根据用途主要分为: 承受或传递负载功能。如人造骨骼、关节和牙等，占主导地位 控制血液或体液流动功能。如人工瓣膜、血管等 电、光、声传导功能。如心脏起博器、人工晶状体、耳蜗等 填充功能。如整容手术用填充体等,15,生物相容性,生物相容性(biocompatibility)指生物材料与生物体间的相互作用结果以及生物体对这种结果的忍受程度 国际标准化组织(ISO)提出，生物相容性指生命组织对非活材料产生合乎要求反应的一种性能 药用高分子材料因伴随药物进入体内，有些暂停留于体内，有些则在体内降解、吸收，因此药用高分子材料生物相容性要求更加苛刻,16,包括： 血液相容性 有无溶血、凝血、破坏血液成分等 组织相容性 能否对周围组织产生毒性、致畸、癌变等 力学相容性 植入材料的强度、硬度与组织的适应性等,生物相容性,17,生物相容性评价体系 国际标准ISO10093 题目“医疗器械生物学评价”，共12部分 我国国家标准GB/T16886 题目“医疗器械生物相容性评价体系”，共16项,生物相容性,18,生物体对生物材料的响应宿主反应,（1）生物学反应,A: 血液反应 1、血小板血栓 2、凝血系统激活 3、纤溶系统激活 4、溶血反应 5、白细胞反应 6、细胞因子反应 7、蛋白粘附,B: 免疫反应 1、补体激活 2、体液免疫反应（抗原抗体反应） 3、细胞免疫反,C: 组织反应 1、炎症反应； 2、细胞粘附 3、细胞增殖（异常分化） 4、形成蘘膜 5、细胞质的转变,19,（2）生物体对生物反应的变化,1.急性全身反应 过敏、毒性、溶血、发热、神经麻痹等 2. 慢性全身反应 毒性、致畸、免疫、功能障碍等 3. 急性局部反应 炎症、血栓、坏死、排异等 4. 慢性局部反应 致癌、钙化、炎症、溃疡等,20,材料在生物体内的响应材料反应,材料反应，其结果可导致材料结构破坏和性质改变而丧失其功能。可分为如下三个方面： 金属腐蚀 聚合物降解 磨损,21,金属腐蚀,生物体内的腐蚀性环境：（1）含盐的溶液是极好的电解质，促进了电化学腐蚀和水解；（2）组织中存在具有催化或迅速破坏外来成分能力的多种分子和细胞，对生物金属材料产生腐蚀,22,金属腐蚀,对于生物材料而言多为局部腐蚀，具体包括应力腐蚀开裂、点腐蚀、晶间腐蚀、腐蚀疲劳以及缝隙腐蚀等，导致生物材料整体破坏 虽然金属材料在生物体内保持惰性状态，但仍然可能会有物质溶入生物组织中，并对生物体组织产生毒性反应，造成组织的损害,23,聚合物降解,聚合物在长期使用过程中，由于受到氧、热、紫外线、机械、水蒸气、酸碱及微生物等因素作用，逐渐失去弹性，出现裂纹，变硬、变脆或变软、发粘、变色等，从而使它的物理机械性能越来越差的现象,24,聚合物降解,聚合物老化易形成碎片、颗粒、小分子量单体物质，因此使用它时必须谨慎，对耐久性器件，必须保持一定强度和其它机械性能，老化产物不能对周围组织有毒害作用 例如，医用缝合线降解时会产生酸性物质，如果量少，很容易被人体中的化学物质中和，如果老化产物较大，则会对周围组织产生损害,25,磨 损,人工关节常用材料为Ti6Al4V，由于表面易氧化生成TiO2，其耐磨性差，植入人体后，磨损造成在关节周围组织形成黑褐色稠物，从而引起疼痛。钛合金人工全髋关节平均寿命一般都低于10年 目前，大量的人工髋关节是由坚硬的金属或陶瓷的股骨头与超高分子聚乙烯的髋臼杯组合成，然而它的寿命也不超过25年。长期随访资料显示，假体失败的主要原因是超高分子聚乙烯磨损颗粒所造成的界面骨溶解，从而导致假体松动。这种磨损颗粒所导致的异物巨细胞反应，又称颗粒病，是晚期失败的最主要原因,26,一、医用金属材料,在生物医学材料中，金属材料应用最早，已有数百年的历史。唐代就用银汞合金（主要成份：汞、银、铜、锡、锌）来补牙 医用金属材料是指一类用作生物材料的金属（一般不用纯金属）或合金，又称外科用金属材料。它是一类生物惰性材料 合金是由一种金属跟其他一种或几种金属（或金属跟非金属）一起熔合而成的具有金属特性的物质,27,人体环境特点,体液是质量分数约为1%的NaCl、少 量其它盐类及有机化合物的充气溶液。 有人说人体与温暖的海水相似,在人体的不同部位，甚至同一部位不同时刻，人体组织内体液的成分不一样,电化学腐蚀的基本规律对人体环境中的植入材料的腐蚀完全适用,人体体液环境,由体液 构成,多种多样的,电解质溶液,28,还有其他的腐蚀形式，如晶间腐蚀（不锈钢最易发生的腐蚀形式）、应力腐蚀、微动腐蚀等,医用金属材料,人体环境可能发生的腐蚀形式：,29,均匀腐蚀是指接触腐蚀介质的金属表面全部产生腐蚀的现象 。大面积发生，以金属离子形式进入人体组织里的量还是相当可观，影响生物相容性，增加病人的痛苦甚至危及生命,点腐蚀是一种腐蚀集中在金属（合金)表面数十微米范围内且向纵深发展的腐蚀行式。形成条件：钝化膜，特殊离子，电位差,均匀腐蚀,点腐蚀,医用金属材料,30,缝隙腐蚀是指连接处出现狭窄的缝隙，电解质溶液进入，使缝内金属与缝外金属构成短路原电池，并且在缝内发生强烈局部腐蚀。多零件植入装置中，大约有50%遭受缝隙腐蚀,电偶腐蚀是由于腐蚀电位不同，造成同一介质中异种金属接触处的局部腐蚀 。在多个零件构成的植入装置中，选用的材料不同就容易产生电偶腐蚀。手术时也要注意,电偶腐蚀,缝隙腐蚀,医用金属材料,31,腐蚀疲劳是指金属材料在交变应力的共同作用下产生的断裂现象。腐蚀疲劳裂纹总是从植入器件表面发生，所以可以对植入器件喷丸处理提高疲劳寿命,腐蚀疲劳,32,要 求,医用金属材料,33,常见医用金属材料及特点（优点）,良好的稳定性和加工性能。因其价格较贵,广泛应用受到限制,较硬富有弹性,可起到矫形或支撑作用.其优良的生物相容性、耐腐蚀、耐磨性、无毒,无毒、质轻、强度高、生物相容性好优点,良好的耐腐蚀性能和综合力学性能,且加工工艺简便,耐腐蚀和力学性能综合衡量,它是最优良的材料之一,医用金属材料在诸多生物材料中 ,由于具有较高强度和韧性 ,适用于修复和置换人体硬组,34,医用金属材料,该材料是临床应用最广泛的承力植入材料，由于有较高的强度和韧性，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 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，另外还有记忆合金、贵金属以及纯金属钽、铌和锆等,35,医用金属材料,常用医用金属材料： 不锈钢 钴（Co）基合金 钛（Ti）基合金 形状记忆合金 贵金属 纯金属钽 纯金属铌 纯金属铬,36,不 锈 钢,1926年，不锈钢（18Cr-8Ni）作为第一种不锈钢植入材料用于外科，替代了较易腐蚀的钢，1943年，美国又推荐302型不锈钢用于骨折固定，后来加入钼的18-8sMo不锈钢（316）的应用，进一步改善了材料的抗腐蚀性能。1950年，将不锈钢中所含的碳量最大限度地降低至0.08%-0.03%，从而研制出具有较好抗腐蚀性能的316L不锈钢（L代表低碳含量）,37,不锈钢组成,主要由铁、铬、镍、钼和锰等合金元素组成，铬是不锈钢具有抗蚀性能的主要因素，它起作用的含量应超过11%（质量分数），铬是一种活性元素，在不锈钢表面很容易形成氧化铬，具有优异的抗腐蚀能力 奥氏体不锈钢的组成（余额铁%） 类型 C/% Cr/% Ni/% Mn/% 其他元素/% 301 0.15 16-18 6-8 2.0 1.0Si 304 0.07 17-19 8-11 2.0 7.0Si 316，18-8sMo 0.07 16-18 10-14 2.0 2-3Mo，1.0Si 316L 0.03 16-18 10-14 2.0 2-3Mo，0.75Si 430F 0.08 16-18 1.0-1.5 1.5 1.0Si，0-6Mn,38,不锈钢种类,铁素体不锈钢：含铬量从13%-30%，含碳量低于0.25%，一般用于耐腐 蚀性高而强度较低的构建，所以不适合作为生物材料应用 马氏体不锈钢：含铬量为12%-15%，并加入0.15%-1.0%的碳，由于含 碳量增加，可经热处理以提高其硬度和强度，但易引起晶间 腐蚀，抗腐蚀性不如铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢，故作为 生物材料应用受到一定限制 奥氏体不锈钢：是在铁-铬系统中再加入8%以上的镍形成铁-铬-镍三元 合金，镍的加入可以提高抗腐蚀性，常作为生物材料选用 沉淀硬化不锈钢：是含有多种元素（如铝、铜、钛、钼等）的合金,39,不锈钢的应用,医用不锈钢具有良好的生物相容性，力学性能较好，广泛应用于矫形外科、骨科和齿科的修复，如接骨板、骨螺钉、人工关节（髋关节、膝关节）、齿冠、齿科矫形等。 医用不锈钢耐腐蚀性及强度都不如钴基合金，在植入人体以后，由于腐蚀或磨损等原因造成表面的钝化层或保护层发生破坏，其中金属离子很容易富集于植入物附近的组织中，影响生物体的正常代谢。同时其密度和弹性与人体硬组织相差较大，长期植入稳定性不好。另外，镍离子是一种潜在的致敏因子，镍离子在生物体内植入物附近的富集可能诱发毒性效应，发生细胞破坏和发炎反应，对生物体有致畸、致癌的危害性，西方许多国家针对镍的危害早已制定和颁布相关文件和标准来限制生物医用金属中的镍含量 基于上述原因，不锈钢作为医用材料应用的比例呈下降趋势,40,41,钴基合金,由65%的钴（Co）和35%的铬（ Cr ）组成，在合金中加入其他不同的元素如碳、钼、镍、钨、铁性能不同，弹性模量不同，但都与316不锈钢大致相同，是钛的2倍。目前，Co-Cr-Mo合金已纳入ISO5582/4标准，我国于1990年将其列入GB12417-90标准。 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,42,钴基合金,钴基合金生物相容性好，临床长期应用无明显不良副反应，其物理和化学性能均能满足医学需要 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 由于其价格较高，加工困难，应用尚不普及 钴基合金中的Co、Ni等离子在体内会溶出， 引起皮肤过敏和毒性反应，造成组织坏死和植入 物的松动,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,43,钛（Ti）基合金,临床应用广泛，其质轻、比强度高、力学性质接近人骨、强度远低于纯钛，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 抗断裂强度较低，耐磨性能不尽人意，加工困难。冶炼及成型工艺复杂，要求条件较高 主要用于：修补颅骨，制成钛网或钛箔用于修复脑膜和腹膜、人工骨、关节、牙和矫形物、人工心脏瓣膜支架、人工心脏部件和脑止血夹、口腔颌面矫形颌修补、手术器械、医疗仪器颌人工假肢等,44,钛制金属件（有上百种）,45,研发现状：,据报道，世界上每年有近千吨医用型钛及钛合金材料用于制 造人体植入物，其中 80%的是Ti-6Al-4V钛合金,随着医用型 Ti-6Al-4V钛合金应用发展，开发出具有高断裂韧性，低裂纹扩展的低间隙元素型Ti-6Al-4V ELI钛合金,材料学界专家积极开发无铝、钒的新型钛合金，如：Ti-13Nb-13Zr钛合金（ ASTM F1713-1996）、Ti-12Nb-6Zr-2Fe钛合金（ASTM F1813-1996）、Ti-5Al-2.5Fe钛合金、Ti-6Al-7Nb钛合金,未证明 Ti-6Al-4V钛合金制品在人体中的危害作用，从综合性能、 良好的变形加工与价格定位上看，Ti-6Al-4V合金仍然是至今为 止最理想的人体植入物金属材料,46,形状记忆合金,记忆合金是形状记忆，形状记忆合金（SMA）是指经过一定塑性变形后，能在一定条件下自动恢复其原始形状的一种新型的功能材料 目前已发现有20多种记忆合金，其中以镍钛合金在临床上应用最大,47,形状记忆合金,形状记忆合金可以分为三种: （1）单程记忆效应 形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。 （2）双程记忆效应 某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。 （3）全程记忆效应 加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。 目前已开发成功的形状记忆合金有Ti-Ni基形状记忆合金、铜基形状记忆合金、铁基形状记忆合金等,48,形状记忆合金,镍钛记忆合金具有优异的生物相容性、较好的力学性能，具有抗蚀性、耐磨性，抗疲劳性高，弹性模量与人骨较相近，因此，镍钛记忆合金已成为医学领域中一种理想的生物材料 医用记忆合金应用于临床时，一般将临界转变温度控制在体温或室温附近。临界转变温度可以通过改变记忆合金的组分来调节（合金形变成为易于手术操作植入人体内的形状，以利于进行植入手术，当植入固定后，记忆合金在体内逐渐到达临界转变温度（37）时，合金就恢复到原来预先设计好的固定形状，并体现出其功能）,49,形状记忆合金,医学应用： Ti-Ni合金的生物相容性很好，利用其形状记忆效应和超弹性的医学实例相当多。如血栓过滤器、脊柱矫形棒、牙齿矫形丝、脑动脉瘤夹、接骨板、髓内针、人工关节、避孕器、心脏修补元件、人造肾脏用微型泵等,50,形状记忆合金,由胆管癌、肝癌、胰腺癌及转移癌等恶性肿 瘤所致的恶性胆道梗阻，发病率较高，发现时常常 已是晚期。将支架植入到狭窄或阻塞部位是目前治 疗胆道梗阻的较好方法，目前应用最广泛的胆道支 架钛和镍形状记忆合金制成的编织网状，形状为直 圆柱和一端或两端为喇叭口。胆道支架术治疗恶性胆道梗阻,属于微创治疗，可 重复，能有效地解除恶性胆道梗阻，其效果可与外科分流术相媲美,胆道支架,51,形状记忆合金,记忆合金在常温下会恢复原记忆形状，对骨折自动抱合，无需螺钉、钢丝等辅助材料，减少手术步骤及强度,抓握式接骨板,聚髌爪,52,二、医用陶瓷材料,由离子键或共价键结合、含有金属与非金属元素的复杂化合物和固溶体。 具有良好的化学稳定性及物理、化学和力学性能 表现为硬度高、熔点高、导电性及导热性较低，是很好的绝缘材料 缺点为韧性差，脆性极大，抵抗内部裂纹扩展的能力很低，易发生脆性断裂,53,医用陶瓷材料,生物医用陶瓷材料的稳定性和生物相容性非常好，与医用金属材料、医用高分子材料相比，具有优良的耐高温、抗氧化性和很高的机械强度等 因工艺原因，材料中不可避免地存在气孔和微小裂纹，使得材料的弹性模量高、脆性大、韧性低，容易发生断裂 根据植入生物体内的反应情况分为：惰性生物陶瓷、生物活性陶瓷、生物降解陶瓷、生物陶瓷复合材料,54,惰性生物陶瓷,分子结合键较强，结构比较稳定，具有较高的机械强度、耐磨性和化学稳定性，不易降解，植入体内基本不发生化学反应 氧化物陶瓷：如Al2O3、ZrO2、TiO2等及其复合材料主要制成人工关节、人工骨等 缺点：与组织间的结合主要是组织长入其粗糙不平的表面形成一种不紧密的机械嵌合，因而会产生微小的滑动，引起植入体的磨损,生物陶瓷听小骨置换假体（听小骨）,55,生物活性陶瓷,生物活性陶瓷指在生理环境中能与组织细胞界面形成化学键结合的陶瓷材料 材料中含有能通过人体新陈代谢途径置换的钙、磷等元素，或含有能与人体组织发生键合的羟基，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 包括：羟基磷灰石陶瓷、磷酸三钙陶瓷、生物活性玻璃陶瓷（P2O5系）等,56,羟基磷灰石,羟基磷灰石(Hydroxyapatite, HAP)是自然骨无机质（高达50%的骨骼、牙齿中高达97% ）的主要成分，具有良好的生物相容性和生物活性，引导骨的生长。其表面具有极性机体组织，有较强的亲和力，与骨组织形成牢固的骨性结合，是公认的性能良好的骨修复替代材料 其生物相容性良好，无毒、无致畸、致敏及致癌等副作用 目前广泛应用于齿科、颅颌面外科或骨缺损修复,57,羟基磷灰石,缺点： 1.不易塑形 由于脆性高，可塑性差，不易塑造成复杂的形状，有时无法满足临床的要求 2.强度不足、易碎 迄今为止，块状HA只能用于修复不直接受力的局部颅骨及下颌骨缺损 3.生物降解性较差 不能诱导间充质细胞转化为成骨母细胞，进而增加成骨量，因此材料与骨结合强度便不能进一步提高，且HA生物降解性较差，骨组织只能长入HAP微粒间隙而不能最终取代它，当达到一个骨组织量和HAP比例相对稳定的状态后，骨组织便不再长入，这在一定程度上限制了两者界面之间的化学性结合作用 4.特定形状的大块HAP制作成本高，不易推广,58,羟基磷灰石,羟 基 磷 灰 石 涂 层 髋 关 节,珊瑚羟基磷灰石义眼台,羟基磷灰石钛基牙种植体,羟基磷灰石交叉韧带直接固定可吸收螺钉,59,羟基磷灰石,纳米HAP陶瓷克服了材料的脆性，提高了强度与韧性，在一定程度上模仿了骨的超微结构，而且还具有抑制肿瘤细胞生长的作用 纳米人工骨是国家“”“”支持的攻关项 目，它与原有传统人工骨材料的最大区别在于，修 复后的骨头和人体骨完全一样，不会在体内留下植 入物。它仿照人类的骨头生成的机理，采用自组装 方法制备纳米晶羟基磷灰石或胶原复合的生物硬组织修复材料，使复合材料具有纳米级别的天然骨分级结构和天然骨的多孔结构,纳米人工骨颗粒,60,生物活性玻璃,概念：生物活性玻璃 （bioactive glass，BG）指含有硅、 钠、钙、磷四种元素氧化物的无机活性材料，它能引 导骨生长，并能与周围的骨组织形成良好的键合作用 组成：一般为Ca-SiO2-P2O5系统，部分含有MgO、K2O、Na2O、 Al2O3、TiO2等 是一种新型人工合成的骨替代材料,生物活性玻璃修复材料,61,生物活性玻璃,特点：与HAP比较 通过调整其组成、结构和相的成分，使材料获得新的性能（生物活性、可降解性、自凝固性、可切削性等） 化学稳定性好，可长期发挥功能 机械强度高，微晶化处理后，比母体玻璃强度提高数倍或数十倍 含适量玻璃相，易加工成各种形态的医疗器件，满足临床需要 制造工艺成熟，产品性能稳定，易于批量生产,突出特点是具有成骨迅速，不仅可以和骨组织结合，还可以和软组织结合,62,生物活性玻璃,优点: 1.高度生物相容性、良好的止血效果及抗菌潜力 2.骨形成迅速 3.与骨和软组织有良好的结合性 4.具有降解性。颗粒可被吸收，最终形成骨样结构而不是异 种材料的复合骨 不足: 最大的问题是其易脆性和高度的可溶性，这就影响了它的机 械性能和长期稳定性,广泛应用于口腔种植与骨修补领域,63,生物降解陶瓷,指那些被植入体内之后，能够不断发生分解，形成的分解产物又可参与机体的新陈代谢，最终被机体组织吸收或排出体外的一类生物陶瓷材料 具有良好的生物相容性和生物降解性，并可诱导机体骨组织的生长 当生物降解陶瓷材料植入人体后，降解的钙、磷能够进入机体血液循环形成新生骨，随后种植材料可被新生的骨组织所替代 主要包括：磷酸三钙（TCP，有-TCP、-TCP）、羟基磷灰石及其混合物 降解速率： -TCP-TCPHAP,64,生物降解陶瓷,例：-磷酸三钙生物陶瓷在体内能被完全生物降解吸收。它主要通过以下二种方式降解：1）体液溶解，2）细胞吞噬消化。陶瓷降解后释放的钙和磷，能直接参与新骨矿化，或进入体内的钙磷库被利用，或排出体外,实验组术后12周有岛状软骨修复，材料孔隙完全被软骨组织填充，伴有明显材料降解（图9-a和9-b）；20周完全被新生的软骨覆盖（图9-c和9-d）。但是对照组20周仍未有软骨修复（图9-e和9-f）。,65,生物陶瓷复合材料,该类材料兼有两种或以上单组分材料的特性，具有可调节性，通过选择合适的复合组分或结构，提高复合材料性能（降解性能、组织亲和力、生物相容性、力学性能等） 包括：金属/磷酸钙复合生物材料、有机/磷酸钙复合生物材料、有机/活性玻璃复合生物材料等,66,金属/磷酸钙复合生物材料,通过物理或化学方法，在金属材料表面形成一层磷酸钙盐，大大改善金属材料的生物相容性，并与周围的骨组织形成良好的骨性结合，而且又保持了基体金属材料的强度和韧性，克服了羟基磷灰石生物陶瓷的脆性，同时阻止了金属离子向周围组织的释放,羟基磷灰石涂层髋关节,67,有机/磷酸钙复合生物材料,结合有机组分的韧性和无机组分的刚性，同时充分利用无机组分和部分有机组分的生物活性和降解性能，形成了具有综合使用性能的骨修补复合材料，用于修复和重建人体的硬组织 例：合成高分子材料与磷酸钙复合（L-乳酸和脂肪族聚酯共聚物与TCP） 天然生物材料与磷酸钙复合（纳米HAP/胶原纤维）,68,有机/活性玻璃复合生物材料,生物活性玻璃最大的问题是其易脆性和高度的可溶性，这就影响了它的机械性能和长期稳定性 与可降解高分子材料进行复合，制成具有三维结构的骨架材料。使材料整体降解速率下降，同时减缓了材料的机械强度随降解过程的衰减 例：生物活性玻璃与聚乳酸和聚乙醇酸共聚物复合骨架材料,69,树脂绷带,树脂绷带是采用聚己内酯树脂为主要原料而制成的一种网状热敏树脂绷带 应用范围：适用于身体各部位的骨折、矫形手术的外固定；也可用于制作托板、假肢辅助工具以及各种支撑工具的辅助物,70,树脂绷带,特点: 重量轻，仅为石膏绷带的1/3 强度高，抗冲强度是石膏绷带的20倍 透气性好，有利于皮肤代谢 X光透视性好，透视摄片图象清晰 不怕水，易清洗及护理 在50-60热水处理可使得绷带恢复原状，反 复塑型、重复使用 无过敏反应 容易剪切，容易拆除,71,软组织替代与植入,软组织植入体与其他相关工程学的应用一样，在体内的行为由所用的材料与植入体装置的设计共同决定 软组织植入体的成功应用主要依赖于人工合成高分子聚合物的发展 要求：尽量具有与人体软组织相同的物理性能 植入后性能不随时间而改变 不引起不良的组织反应 无毒、无过敏反应、无免疫性、无致癌作用 易于进行杀菌处理 制造成本较低,72,三、生物材料,生物医学材料研究的最终目的是研制人工器官和医疗器械应用于临床，替代和修复人体受损的组织器官，并实现其生理功能 人体器官指能代替人体器官结构和功能的人工装置，并发挥生理功能 细胞支架是为细胞增殖提供三维空间和新陈代谢的环境，并可决定新生组织器官的形状和大小,73,人工心脏,广义：指人造血泵及各种心脏辅助装置，不论其功能 大小或植入的解剖部位，也不论体内或体外，凡 能替代心脏的部分功能都包括在内 狭义：指心脏全部摘除后，能够替代心脏的全部功 能，即原位植入胸腔的人造血泵,以聚氨酯为主,以高分子聚氨酯为主,起搏器,74,人工血管,目前应用广泛的人工血管主要由高分子材料制成，常用的有涤纶和膨化聚四氟乙烯，对于重建大、中动脉效果较好 问题：移植后不能形成富含有内皮细胞的新生血管内皮层（内皮层 在凝血系统和纤溶系统中起重要作用） 展望：利用血管组织工程构建人工血管。其基本构件由血管支架和 种子细胞组成 支架材料：天然高分子材料有胶原蛋白、多聚氨基酸、多肽、透明 质酸及其复合物 合成高分子材料有聚乳酸、聚乙醇酸及其共聚物 种子细胞：血管内皮细胞、平滑肌细胞、成纤维细胞,75,人工角膜,角膜移植同种异体角膜；人工角膜 同种异体角膜：效果好，来源少 人工角膜：来源广，由光柱和支架两部分 光柱：构成了光学透 明的中心。材料主要有甲基丙烯酸甲酯、硅 橡胶、聚乙烯醇共聚体水凝胶等 支架：多孔聚四氟乙烯、氟碳化合物、碳纤维、涤纶等 同种异体角膜来源有限，人工角膜应用并发症不断出现，从 而限制使用，组织工程角膜孕育而生（角膜细胞与生物材料支架构成），目前处于动物试验阶段,76,人工晶状体,人工晶状体是指人工合成材料制成的一种特殊透镜， 它的成分包括硅胶、聚甲醛丙烯酸甲酯、水凝胶等 一、人工晶状体光学部材料 1.聚甲基丙烯酸甲酯：性能稳定，有较高的抗老化和抗环境变 化，抗酸、碱、盐和有机溶剂 2.硅凝胶：是软性人工晶状体的主要材料之一，在临床上得到广 泛的应用。其主要成分是二甲基乙烯基硅氧基聚甲基 硅氧烷，简称甲基乙烯基硅酮，即硅凝胶,77,人工晶状体,3.亲水性丙烯酸酯：即聚羟基乙基甲基丙烯酸甲酯，具有网状空 间结构，由于有羟基，具有吸水性。既具有良好的机械 性能和光学性能，又有良好的弹性和亲水性，柔软、折 叠时不易产生划痕 4.疏水性丙烯酸酯：Acrylic 是由苯乙基丙烯酸甲酯（MMA）、苯 乙基丙烯酸酯（HEMA）及其他交联体聚合而成的一类多 聚物，可简称为丙烯酸酯 。有极好的稳定性和生物性相 容性，无毒性，植入眼内安全,78,人工晶状体,5.记忆性材料（Memory materials）：记忆材料为甲基丙烯酸 甲酯、羟乙基甲基丙烯酸甲酯、甲基丙 烯酸酯羟基苯酚及乙烯乙二醇二丙烯酸 酯交联聚合而成的三维共价网状结构。 通过小切口植入眼内，经体温加热，凭 “记忆”缓慢恢复致原来形态。记忆材料 为亲水性材料,79,牙科材料,种类繁多，根据用途可分为： 填充材料、印模材料、模型材料、义齿材料 黏结材料、修复材料、衬层材料、包埋材料等,80,牙科材料,常用牙科材料 用途 功能 生物医用材料 下颌牙、牙槽骨 修补或重建 生物陶瓷、磷酸三钙、羟基磷灰石、生物玻璃 人工牙根 种植假牙 钛合金、钛表面喷涂羟基磷灰石 镶牙材料 聚甲基丙烯酸甲酯自凝塑胶、陶瓷 金属烤瓷、黄金、不锈钢 牙托 固定假牙 聚甲基丙烯酸甲酯、环氧树脂 硅橡胶、丙烯酸酯共聚物 填充材料 填充龋齿裂沟 聚甲基丙烯酸甲酯自凝塑胶、丙烯酸 系复合树脂、银汞合金、牙水泥 防龋齿酸涂料 牙齿保护涂层 紫外光固化丙烯酸酯类涂料 齿科矫形 不锈钢丝、镍钛记忆合金,81,组织工程,概念：是运用工程科学和生命科学的原理和方法，研究和开发生物替代物，进而恢复、维持和改进人体组织功能的一门新兴学科 实质：是研究开发具有生理功能的组织器官，然后植入机体作为修复、维持或改善受损组织器官的替代物,82,组织工程,基本方法：将正常组织细胞扩增后在体外培养，随后吸附于一种生物相容性良好、可生物降解吸收的生物材料上，形成具有三维空间结构的复合体，然后将细胞-生物材料复合体植入体内受损的部位，细胞在生物材料逐渐被机体降解吸收的过程中仍然继续生长繁殖，形成新的具有相应形态和功能的组织器官，达到修复创伤和重建的目的,83,组织工程,美国生物学家诺贝尔奖获得者吉尔伯特认为：“用不了五十年，人类将能够培育出人体的所有器官。” 世界器官移植大会提出，克隆人类早期胚胎，比基因工程更方便，今后在人刚降生时，取其脐带血和胚胎血，冷冻起来，必要时从中提取细胞，克隆出早期胚胎，再从胚胎中提取未完全发育的干细胞，进而培养出他本人所需要的组织或器官，用来替换本人已衰老或废用的脏器用来治疗本人的某些疾病。用相同的方法亦可克隆出成人的组织或器官,84,组织工程,我国组织工程的研究已经受到国家科技部、国家自然科学基金会等部门的高度重视，科技部已经将组织工程研究列为国家重大基础项目(973) 上海第九人民医院曹谊林教授成功地在裸鼠体内培育出人耳廓样软骨，在国际上引起了强烈反响,85,组织工程,关键点：构建细胞与细胞支架结合的复合体 种子细胞、生物材料所构成的细胞支架及组织器官的形成和再生是组织工程的三大要素，它们相互配合，缺一不可 核心内容：合适的种子细胞来源 可供细胞贴附生长的生物支架 用于促进组织再生的生长因子 组织的相容性,86,组织工程,支架材料： 天然无机材料羟基磷灰石、珊瑚、磷酸钙等 天然高分子材料胶原蛋白、明胶、琼脂、壳聚糖、透 明质酸等 合成高分子材料脂肪族聚酯、聚酸酐、聚原酸酯等 目前应用最多的是合成高分子材料是脂肪族聚酯类，主要有聚羟基乙酸、聚乳酸、聚己内酯以及它们之间的共聚物,87,组织工程,目前组织工程的研究主要集中在人工软骨、瓣膜、肌腱、血管、皮肤等组织器官,组织工程在未来发展前景良好,人工软骨,人工皮肤,小鼠背上的人耳形状软骨,88,