生物材料简单介绍

生物材料通常有两个定义：狭义的生物材料是指天然生物材料，也就是由生物过程形成的材料。广义的生物材料是指用于替代、修复组织器官的天然或人造材料。

2.生物材料学

生物材料学是涉及生物材料的组成结构、性能与制备相互关系和规律的科学。其主要目的是在分析天然生物材料微组装、生物功能及形成机理的基础上，发展仿生学高性能工程材料，及用于人体组织器官修复与替代的新型医用材料。其主要研究内容有：生物过程形成的材料结构、生物矿化原理，材料生物相溶性机理，生物材料自主组装、自我修复的原理。

3.原理

生物材料（Biological materials）又称生物工艺学或生物技术。应用生物学和工程学的原理，对生物材料、生物所特有的功能，定向地组建成具有特定性状的生物新品种的综合性的科学技术。生物工程学是70年代初，在分子生物学、细胞生物学等的基础上发展起来的，包括基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程等，他们互相联系，其中以基因工程为基础。只有通过基因工程对生物进行改造，才有可能按人类的愿望生产出更多更好的生物产品。而基因工程的成果也只有通过发酵等工程才有可能转化为产品。

4.生物材料分类

按材料功能划分：

*1、血液相容性材料如人工瓣膜、人工气管、人工心脏、血浆分离膜、血液灌流用吸附剂、细胞培养基材等；

*2、软组织相容性材料如隐形眼睛片的高分子材料，人工晶状体、聚硅氧烷、聚氨基酸等，用于人工皮肤、人工气管、人工食道、人工输尿管、软组织修补等领域；

*3、硬组织相容性材料如医用金属、聚乙烯、生物陶瓷等，关节、牙齿、其它骨骼等；

*4、生物降解材料如甲壳素、聚乳酸等，用于缝合线、药物载体、粘合剂等；

*5、高分子药物多肽、胰岛素、人工合成疫苗等，用于糖尿病、心血管、癌症以及炎症等。按材料来源分类：

*1、自体材料

*2、同种异体器官及组织；

*3、异体器官及组织；

*4、人工合成材料；

*5、天然材料

根据组成和性质分为：

* 1、生物医用金属材料

* 2、医用高分子材料

* 3、医用无机非金属材料

4.1宿主反应

⑴生物学反应

A: 血液反应

⒈血小板血栓；

⒉凝血系统激活；

⒊纤溶系统激活；

⒋溶血反应；

⒌白细胞反应；

⒍细胞因子反应；

⒎蛋白粘附；

B:免疫反应

⒈补体激活；

⒉体液免疫反应（抗原－抗体反应）；

⒊细胞免疫反应。

C:组织反应

⒈炎症反应；

⒉细胞粘附

⒊细胞增殖（异常分化）

⒋形成蘘膜

⒌细胞质的转变

⑵生物体对生物反应的变化

⒈急性全身反应

过敏、毒性、溶血、发热、神经麻痹等

⒉慢性全身反应

毒性、致畸、免疫、功能障碍等

⒊急性局部反应

炎症、血栓、坏死、排异等

⒋慢性局部反应

致癌、钙化、炎症、溃疡等

4.2材料反应

生物机体作用于生物材料－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

⑴金属腐蚀

生物体内的腐蚀性环境：⑴含盐的溶液是极好的电解质，促进了电化学腐蚀和水解；

⑵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。将对生物金属材料产生腐蚀。

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。如不锈钢中溶出的Cr+6生物组织的毒性。

⑵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。

聚合物老化易形成的碎片、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。

⑶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。

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。

5.问题回答

生物医用材料的力学相容性指的是什么？

力学相容性的材料主要是骨组织材料，人体发生骨折后安装在人体内的骨组织材料的力学性能要和原来骨头的接近，比如弹性模量，体积收缩率等等。像金属钛就具有这样的性质。

6.人造器官的应用与前景

浅谈人造器官的应用与前景

医学世家第五代刘勇，第六代刘怡辰

随着自然科学的不断进步，生物医学工程的发展前景不可估量。进入

上世纪80年代后,由于新材料、化学工程、电子技术及自动控制技术的发展和进步,人造器官的研制已经犹如雨后春笋般应运而生…….本文主要阐述人造器官的概念、种类、应用与前景。

1．人造器官的概念：

人造器官（artificial organs）在生物材料医学上是指能植入人体或能与生物组织或生物流体相接触的材料，或者说是具有类似天然器官组织的结构、功能或天然器官部件功能的人造材料。

2.人造器官的种类：

到目前为止，人造器官的种类主要有三种：机械性人造器官、半机械性半生物性人造器官、生物性人造器官。

2.1机械性人造器官：是完全用没有生物活性的高分子材料仿造出来的器官，并

借助电池的电能作为器官的动力。

2.2半机械性半生物性人造器官：是将电子技术与生物技术结合起来，制造出的

既具有机械性能、又具有生物活性的器官。

2.3生物性人造器官：是利用动物身上的细胞或组织，“制造”出的一些具有生物

活性的人造器官或组织。生物性人造器官又根据来源不同分为异体人造器官和自体人造器官。

前两种人造器官和异体人造器官，移植到受者后会让患者产生排斥反应，影响移植成功率和效果，因此科学家最终的目标是使患者都能用上自体人造器官。

3. 人造器官的发展与应用：

1997年，美国南加州一家名为ATS的公司，首次使包皮细胞长成了人造皮肤，目前，人造皮肤已经成为个性化人造器官中最成熟的一个品种。

以后，人造器官品种不断涌现，比如，美国马萨诸塞大学的查尔斯·瓦坎蒂教授，在生物反应器里为两位被切掉拇指的机械师培育了拇指的指骨；一个由美国波士顿儿童医院的医生组成的医学小组，正计划把用胎儿细胞培育的膀胱植入人体；美国阿特丽克斯公司生产了一种掺有生长激素和药物的可吸收生物材料，它能促进牙龈组织再生。

近几年最新的成果则是德国的赫尔穆特·德雷克斯勒教授从心肌梗塞患者的骨髓中提取干细胞，经过一系列特殊处理后，这些病人的自体干细胞通过特制导管被植入发生梗塞的心脏冠状动脉中，不久，结果显示该干细胞在坏死梗塞病灶中再生了部分新的心肌组织，使接受此项治疗的病人心脏功能不同程度得到了康复。

而我们中国的曹谊林教授也在裸鼠身上成功地移植了人造耳，这是世界上第一个个性化人造动物耳；为了取得更多的人造器官，日本政府还将推行一项用纳米

技术开发人造器官的计划，该计划被称为“人体建筑”计划，以大阪大学产业科学研究所川合知二教授等人组建研究小组，全面推行此项计划，估计5年内将投入295亿日元。据悉，目前研究人员已经利用纳米技术研制出了个性化的人造皮肤和血管。

总之，目前的科技成就表明，世界上人造器官已经可以或即将替代几乎所有的人体器官：假牙、假发早已在市场普及，人造晶体也已使成百上千的盲人恢复了视力，仿生耳可以使听觉神经完全受损的人恢复听觉，越来越多的人更换了心脏内部的一个小零件，再如用合成纤维或金属制成的人造血管代替了发生动脉瘤或夹层的血管，用人造心脏瓣膜代替发生病变的心脏瓣膜。此外，还有人造五官、手足、脊椎和性器官等等。

4.人造器官的应用前景

根据科学家的预测，２０１９年，通过基因工程方法培植的活体器官和组织将广泛用于更换患者的器官和组织；差不多也是在这个时间，通过合成方法生产的人造器官和组织也将实现商业化供应。

在２０世纪，传统的异体器官移植已取得重大成就，但正如蜚声俄罗斯的器官移植专家瓦列里·舒马科夫院士所言，供移植的器官数量总是满足不了等待做移植手术者的需要，接受手术者不得不长时间等待，有的人往往尚未等到就死去了，因此，生物医学工程必将重点发展人造器官和再生器官，以弥补传统移植器官的巨大缺口！另一方面，直到目前机体组织的排异性的确仍未被攻克，尽管现在手术的成功率越来越高，药理学家与外科医生仍在寻找完善免疫抑制的方法。即便如此，我们仍然可以大胆地展望：２１世纪，人类将迎来人体器官可以全面更换的新时代，传统的更加成熟的异种器官移植、新型的干细胞再生、与机体更加相容的人造器官三大领域将并驾齐驱地为更多的患者带来福祉。