(高考生物)生物医用材料的发展

（生物科技行业）生物医用

材料的发展

生物医用材料的发展

应化0707田锐200761202 摘要：随着现代社会的发展及医疗水平的提升，生物医用材料得到了快速的发展，本文将从生物医用材料的基本知识入手，具体介绍其分类、作用及一些重要的应用，并对相关研究成果进行举例分析。同时，结合我国的发展情况作出讨论。

关键词：生物相容性、医用高分子材料、医用金属材料、医用无机材料、医用复合材料

一、生物医用材料概述：

1、发展状况：

随着社会文明进步、经济发展和生活水平日益提高，人类对自身的医疗康复事业格外重视。与此同时，社会人口剧增，交通工具大量涌现，生活节奏加快，疾病、自然灾害、交通事故、运动创伤和工伤等的频繁发生等，造成人们意外伤害剧增。因此，发展用于人体组织和器官再生与修复的生物医用材料具有重大社会效益。早在公元前3500年，埃及人就用棉花纤维、马鬃缝合伤口；墨西哥印第安人用木片修补受伤的颅骨；公元前500年的中国和埃及墓葬中发现假牙、假鼻和假耳；在1936年发明了有机玻璃后，很快用于制作假牙和补牙，至今仍在使用；1949年，美国首先发表了医用高分子的展望性论文，第一次介绍了利用PMMA作为人的头盖骨、关节和股骨，利用聚酰胺纤维作为手术缝合线的临床应用情况；50年代，有机硅聚合物被用于医学领域，加速了器官代替、整容等的发展。由此我们看出这些用于修复人体器官的材料具有久远的发展历史，它们统称为生物医用材料。

生物医用材料是一种新型材料，具有广泛的应用前景，仅高分子材料，全世界在医学上应用的就有90多个品种、1800余种制品，西方国家在医学上消耗的高分子材料每年以10％～20％的速度增长。随着现代科学技术的发展尤其是生物技术的重大突破，生物材料的应用将更加广泛。

2、定义：

由于生物医用材料是一个新发展起来的领域，并没有严格的定义。以下是一些解释：生物医学材料指的是能够植入生物体或与生物组织相结合的材料，可用于诊断、治疗，以及替换生物机体中的组织、器官或增进其功能。这些材料通过长期植入、短期植入、表面修复分别用于硬组织和软组织修复与替换。

3、分类：

①、按材料组成和性质：

医用高分子材料（聚乙烯、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、硅橡胶、聚乳酸、聚羟基乙酸）；

医用金属材料（不锈钢、钴基合金、钛和钛合金以及贵金属）；

医用陶瓷材料（羟基磷灰石材料）；

医用复合材料（金属基-陶瓷涂层体系等）。

②、按材料在生理环境中的生物化学反应水平：

惰性的生物医用材料、生物活性材料、可生物降解和吸收的生物材料

③、按用途：

骨骼-肌肉系统修复材料和替换材料（骨、牙、关节、肌腱）

软组织材料（皮肤、乳房、食道、呼吸道膀胱）

心血管系统材料（人工心瓣膜、血管、心血管内插管）

医用膜材料（血液净化膜和分离膜、气体选择性透过膜、角膜接触镜）

药物释放材料等。

4、基本要求：

（1）无急性毒性、致敏、致炎、致癌和其他不良反应；

（2）具有良好的耐腐蚀性能相应的生物力学性能和良好的加工性能；

（3）体内使用的医用材料，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

二、金属医用材料的介绍——硬组织修复

1、常见医用金属材料及其特点：

①、不锈钢：廉价、加工工艺简便，但容易缝隙腐蚀、摩擦腐蚀以及疲劳腐蚀破裂；

②、钴合金：耐腐蚀和力学性能综合衡量，它是最优良的材料之一；

③、贵金属：生物相容性好、化学稳定性好，抗腐蚀、价格昂贵

④、形状记忆合金：较硬富有弹性，可起到矫形和支撑作用，优良的生物相容性，耐腐蚀、耐磨、无毒

⑤、钛合金：无毒、质轻、强度好、生物相容性好。

2、钛合金：

钛合金具有很多其他金属无法比拟的优点。①质轻：20℃时密度为4.5g/cm3，仅为不锈钢的56%，植入人体内大幅度减轻了人体的负荷量，作为医疗器械也减轻了医务人员操作符合；②弹性模量为108500MPa，仅为不锈钢的53%，植入人体内与人体自然骨更接近，能够减少骨头对植入物的应力屏蔽效

应；③钛及钛合金是无磁性金属，不受电磁场和雷雨天气的影响，这有利于使用后的人体安全；④无毒性，作为植入物对人体无毒副作用；⑤在人体血液的浸泡环境中具有优异的耐腐蚀性，保证了与人体血液及细胞组织的相容性，作为植入物不产生人体污染，不会发生过敏反应；⑥长期留置于人体内，会受到人体的弯曲、扭转、挤压、肌肉收缩力等作用，要求植入物具有高的强度和韧性，钛合金完全满足这一点。

鉴于钛合金的诸多优势，其有广泛的用途，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多个方面。

然而，作为一种金属材料，钛合金仍然存在一些不足之处。它虽然具有足够的强度和韧性，但是它属于生物惰性材料与骨头的结合是一种机械锁和。利用表面改性技术可提高金属表面的稳定性和耐磨性，同时可赋予其生物活性。下面介绍一种在金属材料表面涂覆HA层的技术。与HA陶瓷一样，HA涂层植入体内后与生物环境作用，表面层会溶解，然后在涂层表面重新沉积一层类骨磷灰石，其成分和结构都与天然骨组织十分类似。新骨不但生长在周围骨组织表面，也在HA涂层表面生长，即形成双向成长。这种生长方式加快了新骨生长，并促使植入体与骨组织间形成直接的化学键性结合，有利于植入体早期稳定，缩短手术后的愈合期。当它与骨组织接触时，新骨可沿涂层表面生长，即具有骨传导性。HA 涂层还有良好的桥接作用，当它与骨组织的间隙宽2mm时，仍能激发骨的生长，充满这一间隙。HA涂层还可以提高植入体-骨界面的结合强度，在HA涂层表面粗糙度与钛表面相等或略小的情况下，界面结合强度要大得多。

三、医用材料在我国的发展：

我国是一个拥有近13亿人口和6000万残疾人的大国。据民政部门报告，我国现有的肢体不自由患者已超过1500万，其中残肢者约800万，由类风湿引发的大骨节病患者有数百万，冠心病患者已超过1000万，白内障盲人约500万，牙缺损和牙缺失患者高达3亿～4亿人，约占全国人口的1/4～1/3。此外，我国正步入老年人社会，60岁以上的老年人口已达1.39亿，约占全国人口的10.69%。年老体迈不断引发机体组织和器官病变，需要及时治疗。为此要提供大量优质的生物医用材料及器件以供临床诊治的需要。

然而在世界市场上，生物相容性材料及制品中，美国占了49.7%，欧洲占了24.1%，日本占了17.2%，而剩下的其他国家所占市场份额只有9%，我国医用器械市场及产业与国外差距较大，占世界市场的份额不足3%。看到医用材料如此广阔的前景，我国应在如下几个方面重点开发研究：

一是生物结构和生物功能的设计和构建原理研究。着重研究具有诱导组织再生的骨、软骨及肌腱等基底材料和框架结构的设计及其仿生装配；

二是表面／界面过程-材料与机体之间的相互作用机制研究。从细胞和分子水平深入研究材料与特定细胞、组织之间的表面／界面作用，揭示影响生物相容性的因素及本质；

三是生物导向性及生物活性物质的控释机理研究。研究可自控或靶向释放蛋白、基因等特异性生物活性物质的材料的设计以及生物导向性原理；用于组织细胞和基因治疗的半渗透聚合物膜的设计、自装配及特异性细胞密封技术；

四是生物降解／吸收的调控机制研究。研究生物降解／吸收材料的分子结构和生物环境对其降解的影响、降解／吸收速度的调控、降解／吸收及代谢机制，以及

降解产物对机体的影响。其目标是为组织工程化人工器官生物材料及药物控释材料的自成、改性方法提供理论基础，实现材料参与生命过程和构建生命组织的目的；

五是材料的制备方法学和质量控制体系研究。主要研究生物医用材料及修复体的计算机辅助设计。

四、未来发展趋势

近几年来人工器官的研究和应用迅速发展，用人工材料制成能部分或全部替代人体自然器官功能的装置，几乎对人体各个器官（除大脑外）都在进行人工模拟研制。不远的将来，科学家有可能借助于生物材料设计和制造整个人体器官，生物医用材料和制品产业将发展成为本世纪世界经济的一个支柱产业。

以下是医用材料未来的发展趋势：

1、组织工程材料面临重大突破：

由于传统的人工器官（如人工肾、肝）不具备生物功能（代谢、合成），只能作为辅助治疗装置使用，研究具有生物功能的组织工程人工器官已在全世界引起广泛重视。最近，由于干细胞具有分化能力强的特点，将其用作"种子"细胞进行构建人工器官成为热点。组织工程学已经在人工皮肤、人工软骨、人工神经、人工肝等方面取得了一些突破性成果，展现出美好的应用前景。

2、生物医用纳米材料初见端倪：

纳米技术在90年代获得了突破性进展，在生物医学领域的应用研究也不断得到扩展。目前的研究热点主要是药物控释材料及基因治疗载体材料。

3、血液净化材料重在应用

采用滤过沉淀或吸附的原理，将体内内源性或外源性毒物（致病物质）专一性或高选择性地去除，从而达到治病的目的，是治疗各种疑难病症的有效疗法。尿毒症、各种药物中毒、免疫性疾病（系统性红斑狼疮、类风湿性关节炎）、高脂血症等，都可采用血液净化疗法治疗，其核心是滤膜、吸附剂等生物材料。

4、复合生物材料仍是开发重点

作为硬组织修复材料的主体，复合生物材料受到广泛重视。它具有强度高、韧性好的特点，目前已广泛应用于临床。通过具有不同性能材料的复合，可以达到"取长补短"的效果，有效解决材料的强度、韧性及生物相容性问题。

5、材料表面改性是永久性课题

生物相容性包括血液相容性和组织相容性，是生物材料应用的基本要求。除了设计、制造性能优异的新材料外，通过对传统材料进行表面化学处理（表面接枝大分子或基团）、表面物理改性（等离子体、离子注人或离子束）和生物改性是有效途径。材料表面改性的新方法和新技术被认为是生物材料研究的永久性课题。

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