10-生物医学材料
生物医学材料
生物医学材料生物医学材料是指用于医学领域的材料，它们可以被用于医疗设备、诊断设备、药物传递系统等。
这些材料通常需要具有生物相容性、机械性能、化学稳定性等特性，以确保它们在人体内的安全和有效性。
生物医学材料的研究和发展对医学领域具有重要意义。
它们可以被用于修复和替代受损组织，促进组织再生，改善医疗设备的性能等。
因此，对生物医学材料的研究和开发具有重要的理论和实践意义。
在生物医学材料领域，目前有许多常见的材料被广泛应用，比如金属材料、聚合物材料、陶瓷材料等。
这些材料各自具有不同的特性和应用范围。
金属材料通常具有良好的机械性能和耐腐蚀性能，适用于制造骨科植入物和医疗器械。
聚合物材料具有良好的生物相容性和可塑性，适用于制造人工器官和药物传递系统。
陶瓷材料具有优异的耐磨性和生物相容性，适用于制造牙科修复材料和人工关节等。
除了常见的材料外，生物医学材料的研究还涉及到仿生材料、纳米材料、生物降解材料等新型材料。
这些材料具有独特的特性和潜在的应用前景，对医学领域的发展具有重要意义。
在生物医学材料的研究和开发过程中，需要考虑材料的生物相容性、力学性能、表面性能等方面的要求。
生物相容性是指材料与生物体相容的能力，它涉及到材料的毒性、免疫反应、细胞相容性等方面的考虑。
力学性能是指材料在生物体内的力学行为，它涉及到材料的强度、韧性、刚度等方面的考虑。
表面性能是指材料表面的特性，它涉及到材料的表面粗糙度、表面能、表面化学成分等方面的考虑。
总的来说，生物医学材料的研究和开发是一个跨学科的领域，它涉及到材料科学、生物学、医学等多个学科的知识。
通过不断地研究和创新，生物医学材料的应用范围将会更加广泛，对医学领域的发展将会产生积极的影响。
生物医学材料的研究和发展是一个复杂而又具有挑战性的领域，但它也是一个充满希望和机遇的领域。
相信随着科学技术的不断进步，生物医学材料将会为人类的健康和生活质量带来更多的福祉。
生物医学材料
生物医学材料生物医学材料是指能够与生物体相容性好、能够在生物体内发挥特定功能的材料。
随着生物医学技术的不断进步，生物医学材料在医学领域的应用越来越广泛。
本文将从生物医学材料的定义、分类以及应用等方面进行探讨。
一、定义生物医学材料是指能够与生物体相容性好、能够在生物体内发挥特定功能的材料。
它可以用于仿生学、组织工程、药物递送、诊断设备等医学领域。
生物医学材料具有生物相容性、生物活性、生物可降解性、生物力学性能和机械性能等特点。
二、分类根据应用领域的不同，生物医学材料可以分为仿生学材料、组织工程材料、药物递送材料和诊断设备材料等几大类。
1. 仿生学材料仿生学材料是通过模仿生物体的结构和功能特点，设计和制造出具有类似生物组织结构和特性的材料。
例如，仿生学材料可以用于制造义肢、基因组合体、人工关节等。
2. 组织工程材料组织工程材料是指为修复和再生人体组织而设计和制造的材料。
它可以用于细胞培养、人工器官和组织修复等方面。
通过将细胞和生物医学材料结合，可以帮助组织再生和器官重建。
3. 药物递送材料药物递送材料是指能够控制药物释放速率和位置的材料。
它可以将药物精确地传递到患者需要的部位，提高药物的疗效和减少副作用。
药物递送材料在肿瘤治疗、慢性病管理等方面具有广泛的应用前景。
4. 诊断设备材料诊断设备材料是指用于制造医学诊断设备的材料。
例如，X射线片、超声波探头、磁共振成像装置等都需要使用生物医学材料。
诊断设备材料的选择要求材料具有良好的穿透性、耐用性和生物相容性。
三、应用生物医学材料在医学领域的应用非常广泛。
下面列举了一些常见的应用领域：1. 骨科领域：生物医学材料可以作为骨修复材料，用于治疗骨折、骨缺损等。
2. 眼科领域：生物医学材料可以用于制造人工晶状体、人工角膜等。
3. 心血管领域：生物医学材料可以用于制造血管支架、心脏瓣膜等。
4. 皮肤科领域：生物医学材料可以用于制造人工皮肤、烧伤敷料等。
5. 医学诊断领域：生物医学材料可以用于制造医学诊断设备和试剂盒等。
生物医学材料
生物材料的发展概述
生物医学材料应用广泛，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。
我国生物医用材料产业取得很大进步，但是产品 结构不尽合理，细分程度低，一般、传统和初级 的产品占多数，高端产品仍以进口为主；研究仍 以仿制为主，缺少真正具有自主技术的创新产品； 从事生物医学材料的大企业太少；生物医学材料 的主要原材料也依靠进口。
不锈钢的耐蚀性和屈服强度可以通过冷加 工而提高，避免疲劳断裂。 一般制成多种形状，如针、钉、髓内针、 齿冠、三棱钉等器件和人工假体而用于临 床，还用于制作各种医疗仪器和手术器械。
医用金属材料：不锈钢
按显微组织的特点可分为:
奥氏体不锈钢 铁素体不锈钢 马氏体不锈钢 沉淀硬化型不锈钢等
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
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。
②生物相容性好，在体内不被排斥，无炎症， 无慢性感染，种植体不致引起周围组织产生局 部或全身性反应，最好能与骨形成化学结合， 具有生物活性； ③无溶血、凝血反应等。
生物医学材料的基本要求
(二)化学稳定性
①耐体液侵蚀，不产生有害降解产物； ②不产生吸水膨润、软化变质； ③自身不变化等。
(三)力学条件
①足够的静态强度，如抗弯、抗压、拉伸、剪 切等； ②具有适当的弹性模量和硬度； ③耐疲劳、摩擦、磨损、有润滑性能。
生物矿化医学材料的分类
生物矿化医学材料的分类
生物矿化医学材料主要包括以下几类：
1. 生物陶瓷材料：如氧化铝、氧化锆、生物玻璃陶瓷等，它们具有稳定的物理化学性能。
这种材料主要用于修复或替换人体组织、器官或增进其功能。
2. 医用金属材料：如钛和钛合金、不锈钢、钴-铬合金和镁锌合金等，它们
具有较强的机械强度、抗疲劳性、耐腐蚀性和优异的生物相容性。
这些材料主要用于骨关节固定设备、人工关节、矫形、脊柱矫形、颅骨修复、人工心脏瓣膜、心血管支架等。
3. 医用复合材料：由两种或两种以上材料复合而成的生物医学材料，如复合金属材料、复合陶瓷材料和复合聚合物材料。
这种材料具有良好的生物相容性，主要用于人工器官或组织的制造和人体组织的修复或更换。
4. 生物医学衍生材料：经过特殊处理的天然生物组织形成的生物医学材料，如人工心脏瓣膜、巩膜修复体、骨骼修复体、血液透析膜和纤维蛋白制品等。
以上信息仅供参考，如有需要，建议查阅相关文献或咨询专业医生。
生物医学材料-第1章-概论
生物惰性材料 生物医用金属材 料
生物活性材料 生物医用高分子 材料 生物 材料 生物降解材料 生物医用陶瓷材 料 生物复合材料 生物医学衍生材 料
1.3.1 按材料的生物性能分类
(1) 生物惰性材料(bioinert material)：是指一类在生物环境 中能够保持稳定，不发生或仅发生微弱化学反应的生物医学材 料，主要是惰性生物陶瓷类和医用金属及合金类材料。
化学 力学
临床医学
1.2 生物材料学的发展简史
3500年前：利用棉纤维、马鬃作缝合线缝合伤口；使 用木片修补受伤的颅骨。 2500年前：中国和埃及的墓葬中就发现有假牙、假鼻 和假耳。 20世纪中后期：高分子工业的发展大大推动了生物材 料的发展。如透析膜，聚酯纤维，血管植入物，人工 心脏材料。 20世纪30年代：少量医用材料。
生物玻璃：主要指微晶玻璃，包括生物活性微晶玻璃和可加工 生物活性微晶玻璃两类。
(3) 生物降解材料(biodegradable material)：生物降解材 料是指那些被植入人体以后，能够不断发生降解，降解产物能 够被生物体所吸收或排出体外的一类材料，主要包括β-TCP 生物降解陶瓷和降解性高分子生物材料两类。
1.4 生物材料学相关学科
一级学科：材料学(代码：430) 二级学科：生物材料学(代码：43060)
一级学科：自然科学相关工程与技术(代码：416) 二级学科：生物医学工程学(代码：41660) 三级学科：人工器官与生物医学材料学 (代码：4166050)
基础医学 生物学
工程学
材料学 物理学
生物材料学
人造髋关节示意图
(2) 生物医用高分子材料(biomedical polymer)：它既可以来源 于天然产物，又可以人工合成。此类材料除应满足一般的物理、 化学性能要求外，还必须具有足够好的生物相容性。按照不同的 性质，医用高分子材料可分为非降解型和可降解型两类。 (3) 生物医用陶瓷材料(biomedical ceramic)：生物医用陶瓷材 料又称生物医用无机非金属材料，包括陶瓷、玻璃、碳素等无机 非金属材料。此类材料化学性能稳定，具有良好的生物相容性。 (4) 生物衍生材料(biologically derived material)：它是由经过 特殊处理的天然生物组织形成的生 物医用材料，也称为生物再生材料， 主要用于人工心脏瓣膜、血管修复 体、皮肤敷膜、纤维蛋白制品、软 膜修复体、鼻软骨种植体，血液透 析膜等。
生物医用药用材料
（C）一般报道的整体HAP的断裂韧性在 0.7MPa · 1/2左右，人体骨的断裂韧性在2-10 m （2）羟基磷灰石的成型与 1/2之间。 MPa · m
（1）HAP的粉体制备工艺 烧结工艺
（3）HAP系复合材料目前 已达到的性能 （4）HAP系复合材料的应 用
HAP基复合材料主要应用在颌面骨、牙槽脊、 听小骨等非承重材料以及一些骨缺损的修复等方 面，而在承重材料方面尚没有应用。
发展
公元前2500年在中国及埃及人的墓穴中已
发现有假手、假耳等人工假体，我国隋唐 时代就有了补牙用的银膏。 金银铂 不锈钢 纯钛的骨钉、骨板 Ti-Ni形状记忆合金
目前国外有数以百万计的人靠人工器官维持着生 命。仅在美国，每年约有100万人接受人工器官的 植入手术。其中，人工心脏瓣膜3.5万人，人工血 管18万人；人工髋骨12.5万人；人工膝盖605万人； 人工肾5万人。 每年以20%—30%的速度递增。1980年世界销售 额达200亿美元，1990年增加到500亿美元。
金属纤维+生物活性玻璃 HA+PE
注：G—生物活性玻璃 HA—羟基磷灰石 P—金云母 W—硅灰石 PE—聚乙烯 A—磷灰石
生物材料的国内外研究现状
主要是指利用骨的压电效应能刺激骨 惰性生物陶瓷是指一类在生物环 随着生物陶瓷材料研究的深入 活性生物陶瓷是一类在生理环境中可 折愈合的特点，人们试图利用压电陶瓷与 境中能保持稳定，不发生或仅发生微 和越来越多医学问题的出现，对生 通过其表面发生的生物化学反应与生 生物活性陶瓷复合，在进行骨置换的同时， 弱化学反应的生物医学材料。主要包 物陶瓷材料提出了更高的要求。原 体组织形成化学键性结合的材料。其 利用生物体自身运动对置换体产生的压电 括氧化铝、氧化锆等陶瓷以及医用碳 先的生物陶瓷材料无论是生物惰性 发展始于1969年Hench等人首次发现 该类材料是将天然有机物 效应来刺激骨损伤部位的早期硬组织生长。 素材料。这类材料的发展期在上世纪 的还是生物活性的，强调的是材料 Na2 （如骨胶原、纤维蛋白以及骨 70年代以前。它们结构都比较稳定， 另外，将铁氧体与生物活性陶瓷复合，填 -CaO-SiO2-P2O5系统中的玻璃45S5 在生物体内的组织力学环境和生化 具有生物活性。目前主要包括羟基磷 形成因子等）和无机生物材料 充在因骨肿瘤而产生的骨缺损部位，利用 分子中的键力较强，而且都具有较高 环境的适应性，而现在组织电学适 灰石、磷酸三钙、石膏等可降解吸收 复合，以改善材料的力学性能 外加交变磁场，充填物因磁滞损耗而产生 的强度、耐磨性及化学稳定性。现在 应性和能参与生物体物质、能量交 陶瓷。它们在生理环境中可被逐渐的 和手术的可操作性，并能发挥 局部发热，杀死癌细胞，又不影响周围正 换的功能已成为生物材料应具备的 它们在临床上得到了广泛的应用[5-7]。 降解吸收，并随之为新生组织替代， 天然有机物的促进人体硬组织 常组织，也是研究方向之一。现在，功能 条件。因此，又提出了功能活性生 活性生物陶瓷的研究还处于探索阶段，临 物材料的概念[2]。 1.2.1生长的特性。 从而达到修复或替换被损坏组织的目 惰性生物陶瓷 的。 （1）模拟人体 床应用鲜有报道，但其发展应用前景是很 硬组织成分和 光明的。 结构的生物陶 生物陶瓷 1.2.2 活性生物陶瓷 瓷材料
生物材料课件---10纳米生物材料-PPT课件
液相法主要包括沉淀法,水解法,喷雾法,乳液法,溶胶-凝胶法等, 其中应用最广的是溶胶-凝胶法和沉淀法。
沉淀法
沉淀法是指包括一种或多种离子的可溶性盐溶液,当加入沉 淀剂 ( 如 OH-,C2O42- 等 ) 于一定温度下使溶液发生水解 , 形成 不溶性的氢氧化物、水合氧化物或盐类从溶液中析出,将溶剂 和溶液中原有的阳离子洗去,经热解或热脱即得到所需的氧化 物粉料。沉淀法包括共沉淀法、 直接沉淀法、均相沉淀法等。
为固相法、液相法和气相法。
固相法
固相法主要包括物理粉碎法、固相物质热分解法、旋转涂
层法和机械合金法等。固相反应不使用溶剂 ,具有高选择性、
高产率、低能耗、工艺过程简单等特点。
液相法
液相法是目前实验室和工业上最为广泛采用的合成纳米材 料的方法，与固相法相比，液相法的特点主要表现在：可控 制化学组成；颗粒的表面活性好、易控制颗粒形状和粒径； 工业化成本较低。
§10.2 高分子纳米生物材料
高分子纳米生物材料也称为高分子纳米微粒或者高分子超微
粒，主要通过微乳液聚合的方法得到。由于高分子纳米生物材 料具有良好的生物相容性和生物可降解性，已经成为非常重要 的纳米生物医学材料，在靶向药物、控释剂以及疑难病的介入 诊断方面有着广阔的应用前景。
10.2.1 靶向药物载体中使用的高分子纳米生物 材料
图7-1 粒子粒径与表面原子占总原子数比例的关系
量子尺寸效应
【最新】常用的生物医学材料
（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
生物陶瓷制作的听小骨
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特别是采用智能高分子材料，可使药物释放体系 （DDS）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 信号，药剂能对信号响应并自主地控制药物的释放。
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3.天然高分子生物医学材料
天然高分子生物医学材料是人类最早使用的医学材料之一。 由于它具有多功能性、生物相容性、生物可降解性，仍然不失为 重要的生物医学材料，主要包括糖类和蛋白质材料两大类
碳素材料制作的高夫球棍
碳是构成生物体的重要 组成元素，由于它具有极好 的抗血栓性，因而碳素材料 被认为是最佳的人工心脏瓣 膜材料。碳纤维束有利于生 物组织依附生长，经聚乳酸 浸制成人工韧带和肌腱已用 于临床。碳纤维与高分子材 料制成的复合材料用于制作 假牙、人工软骨、人工中耳 骨及用于胫骨骨折固定板、 颌面修复等。活性炭常用于 血液净化材料等。
蚀和机械性能优良
的器件的电极和导线材料，磁
性铂用于眼脸功能的修复。
易加工，价格低
不锈钢耐腐蚀性 体内植入的阴性对照材料，接
和机械性能不如 骨板、骨螺钉、齿冠、齿科矫
钴基合金
正器具等。
可锻可铸，机械性能好 价格高，加工难、 常用来制作人工关节的金 硬度有硬，中，软之分 应用不够普及 属间华东联接。
钛和钛合金
常用的抗凝措施是：材料表面的肝素化、亲水化、负电荷化、 化学惰性化和生物活性化：也有采取假内膜或培育一层内皮细胞的 技术措施的。对高分子材料进行分子设计改性也望可取得较好的血 液相容性。
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生物医用高分子的应用领域
• 医疗器械与用品 • 人工脏器 • 修复性医用高分子材料 • 可生物吸收外科手术材料 • 药物缓释材料与高分子药物
医疗器械与用品——医用导管
心脏导管 输尿导管
呼吸导管
医疗器械与用品——高分子绷带材料
• 如果这些材料是非降解材料，会对患者肌体产生持 续影响。如果另外进行手术取出会对患者带来二次 痛苦。
• 可生物吸收（降解）高分子材料可以有效解决这个 问题。随着材料的使用功能结束，这些材料会逐渐 降解为对人体无害的小分子化合物，并被人体吸收 或代谢排出。因而越来越受到研究者的重视。
可生物吸收高分子材料的种类
•手术缝合线
药用高分子材料
• 我国是医药文明古国，在天然药用高分子的使用方 面非常悠久。
张仲景 （A.D. 142～219）
药用高分子材料
• 20世纪以来，随着药学和有机合成的高速发展，有 机低分子药物由于其疗效高，使用方便，为人类的 医疗卫生起到了巨大的推动作用，在医学史上有着 不可磨灭的贡献。
• 传统的人工骨是以金属材料 做骨骼，高分子材料为臼。
• 骨水泥是近年来受到重视的人工骨材料，是由单 体，聚合物微粒、阻聚剂、促进剂等组成。
高分子假牙
银汞合金假牙
高分子假牙
美容高分子材料
硅橡胶等高分子材料可用于面部整容与皮肤修复
可生物吸收外科手术材料
• 在外科手术中，通常会植入一些修复用的材料，这 些材料只是起到暂时替代作用，当肌体愈合后其作 用即告结束。
角膜
聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸-β-羟乙基、硅橡胶
鼻、耳
硅橡胶、聚乙烯
乳房
聚硅酮
血管
聚酯纤维、聚四氟乙烯、聚醚氨酯
人工血液
全氟烃、羟乙基淀粉、聚乙烯基吡咯烷酮
胆管、尿道
硅橡胶
气管、腹膜
聚乙烯、聚四氟乙烯、聚硅酮、聚酯纤维
人工心脏
• 人工心脏需要具有良好的血液相容性和优良的抗血 栓性，目前常用的是具有微相分离特性的聚醚型聚 氨酯。
– 与人体相容性好，不引起中毒、溶血、凝血、发 热和过敏等现象。
– 具有与天然组织相适应的力学性能。 – 针对不同的使用目的而具有特定的功能。
• 生物医用材料直接与生物系统相作用，除了各种理
化性质外，还必须具有良好的生物或组织相容性。
生物医用材料的分类
• 按与活体组织作用的方式分类 – 生物惰性材料：在生物体内能保持稳定，几乎不 发生化学反应的材料。 – 生物活性材料：指能在材料－组织界面上诱导出 特殊生物或化学反应的材料，这种反应导致材料 和组织间形成化学键合。
• 胶原蛋白：构成动物体最基本的蛋白质类物质 • 明胶：经高温加热变性后的蛋白质 • 淀粉、葡聚糖 • 甲壳素与壳聚糖：来源于昆虫、虾、蟹等的壳、皮 • 纤维素：来源于植物 • 合成高分子：
– 脂肪族聚酯、脂肪族聚碳酸酯 – 聚酸酐、聚磷酸酯、聚原酸酯
可生物吸收高分子材料的应用
• 骨科固定材料
•抗粘连膜
官的研究起了促进作用。 • 这一时期的生物医用材料主要是根据需求从已有材
料中筛选，不是专门为生物医用目的设计和制备， 在应用中发现了许多问题。
生物医用材料的发展
• 克隆技术是生物医用材料最好的解决方案，但目前 还无法实现临床应用。
生物医用材料的要求
• 生物医用材料的特殊和基本要求如下：
– 材料无毒、不致癌、不致畸，不引起人体细胞的 突变和不良组织反应。
生物医用材料的历史
• 公元前约3500年古埃及人就利用棉花纤维、马鬃作 缝合线缝合伤口。
生物医用材料的历史
• 墨西哥的印第安人(阿兹台克人)使用木片修补受伤 的颅骨
生物医用材料的历史
• 1588年人们就用黄金板修复鄂骨。 • 1775年出现了用金属固定体内骨折的记载。 • 1800年开始有大量有关应用金属板固定骨折的报道。 • 1809年开始有人用黄金制成种植牙齿。 • 1851年有人报道使用硫化天然橡胶制成的人工牙托
部分用于人工器官的高分子材料
人工器官
高分子材料
心脏
聚醚氨酯弹性体、硅橡胶
肾 脏 纤维素、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯睛、聚砜、聚氨酯、聚碳酸酯
肝脏
赛璐酚，聚甲基丙烯酸-β-羟乙基
肺
硅橡胶、聚丙烯中空纤维、聚烷砜
关节、骨
超高分子量聚乙烯、聚甲基-尼龙复合物、聚酯、甲壳素
和鄂骨。
生物医用材料的历史
• 进入20世纪后，随着高分子科学的出现和发展，生 物医用材料也取得了飞速的发展。
• 1936年发明了有机玻璃后，很快就用于制作假牙和 补牙；
• 1943年，赛璐珞薄膜开始用于血液透析； • 1950年，开始用有机玻璃做人工骨头， • 50年代，有机硅聚合物开始应用于医学，对人工器
高分子与社会发展
生物医用功能高分子 生命科学中的高分子
生物医用材料的概念
• 生物医学材料：是和生物系统相作用，用以诊断、
治疗、修复或替换肌体中的组织、器官或增进其功 能的材料。 • 近三十年来，生物医学材料的研究与开发取得了令 人瞩目的成就，使得数以百万计的患者获得康复， 大大提高了人类的生命质量。 • 人口老龄化进程的加速和人类对健康与长寿的追求， 进一步激发了对生物医学材料的需求。 • 生物医学材料的研究与开发对国民经济和社会的发 展具有十分重要的意义。
人工肾与人工肺
• 高分子选择性透过分离膜已被 应用于人工肾和人工肺中
修复性医用高分子材料
人工角膜 人工骨 齿科材料 美容材料
人工角膜
• 基于高透明性高分子（如聚甲基丙烯酸甲酯等）的 网络状两亲性聚合物由于其特殊的亲和性和透过性 被应用于人工角膜和隐形眼镜。
人工骨
• 人工骨是高分子材料在人工 器官中最早的应用。
• 用于骨折治疗
传统石膏绷带
高分子绷带
一次性高分子医疗用品
高分子材料在人工器官中的应用
• 高分子材料作为人工脏器、人工血管、人工骨骼、 人工关节等医用材料，正越来越广泛地得到应用。
• 人工器官的应用从大型化向小型化，从体外使用向 内植型，从单一功能向多功能化转变。
• 人工器官包括： 1、永久性植入，完全替代原器官的功能； 2、体外使用的大型人工器官装置、主要用于手术 中暂时替代人体器官的功能； 3、暂时性植入器官，只能部分替代原器官功能； 4、整容修复材料，不具备器官功能，但能修复人 体的残缺部位。