生物医用复合材料
生物医用材料
生物医用材料生物医用材料是指用于医学领域的一类材料，广泛应用于医疗器械、医疗器具等领域。
生物医用材料具有生物相容性好、生物降解性以及生物仿生性等特点，可以与人体组织有效地进行交互作用，提供持久、安全和可靠的医疗效果。
生物医用材料一般可分为金属材料、聚合物材料、陶瓷材料和复合材料四大类。
其中，金属材料一般采用不锈钢、钛合金等；聚合物材料主要有聚乳酸、聚偏氟乙烯等；陶瓷材料则包括氧化铝、羟基磷灰石等；复合材料则可以是一种或多种材料的组合。
不同的材料在生物医用领域起到不同的作用，满足不同的医疗需求。
在生物医用器械中，金属材料常用于制作支架、骨板等。
金属材料具有强度高、硬度好的特点，可以有效承担人体部位的力学负荷。
常用的钛合金材料具有生物相容性好、不易引起过敏等优点，广泛应用于骨科和牙科领域。
聚合物材料则在生物医用领域中具有广泛的应用。
聚乳酸被广泛应用于可吸收缝合线、骨内固定器等器械中。
聚乳酸具有良好的生物降解性，可以在人体内自然降解，避免了二次手术取出材料的需要。
此外，聚合物材料还可以根据不同的需求进行修饰，如改变材料的表面形态，提高材料与人体组织的相容性。
陶瓷材料主要应用于牙科和骨科领域。
陶瓷材料具有优异的生物相容性和生物降解性能，可以模拟人体骨组织的结构和力学性能，实现与人体骨组织的良好结合。
羟基磷灰石是一种常用的陶瓷材料，被广泛使用于人工骨、缺损修复和牙科修复等领域。
复合材料则是将不同的材料进行组合，以达到更好的功能和性能。
复合材料可以包括金属与聚合物的组合，或是多种不同的金属的组合。
在生物医用领域中，复合材料常用于制作人工关节等器械。
复合材料在强度和生物相容性上可以兼具，提高了材料的性能。
总的来说，生物医用材料是一类专门用于医疗领域的材料，具有生物相容性、生物降解性和生物仿生性等特点。
不同的生物医用材料在医疗领域起到不同的作用，满足不同医疗需求。
随着科技的不断进步，生物医用材料的研究发展将为医学领域的发展提供更多可能性。
生物医用复合材料
第六章 生物医用复合材料
第一节 概述
一、生物医用复合材料的概念
生物医用复合材料是由两种或两种以上不同材料复合 而成的生物医用材料，它主要用于人体组织的修复、替换和 人工器官的制造。
二、生物医用复合材料的分类
根据复合材料的三要素分类如下：
（1）按基体材料分类，有陶瓷基生物医用复合材料、高分子 基生物医用复合材料、金属基生物医用复合材料。
（2）按材料植入体内后引起的组织材料反应分类，有近于生 物惰性的复合材料、生物活性复合材料和可吸收生物医用复 合材料，其具体分类和用途见表6-1。
（3）按增强体的形态和性质分为纤维增强生物医用复合材 料和颗粒增强生物医用复合材料。
纤维增强生物医用复合材料是以纤维为增强体而形成的一 类生物医用复合材料，作为增强体的纤维有碳纤维和其他陶瓷 纤维、玻璃纤维、金属纤维和高分子纤维，基体材料主要是医 用高分子材料和生物陶瓷等。纤维在基体中起组成成分和骨架 作用，基体起粘结纤维和传递力的作用，纤维的性能、纤维在 基体中的含量、分布以及与基体材料的界面结合情况对复合材 料的力学性能影响较大。纤维增强生物医用材料，由于其结构 与人体组织非常相似，因此具有较大的发展潜力。
2.抗疲劳性能好
疲劳是材料在循环应力作用下的性能。由长3mm的热解 碳纤维无规则地分布于超高分子质量聚乙烯基体中形成的复合 材料，含10%～15%体积碳纤维时，其强度、刚性、抗疲劳 和抗摩擦性能均显著地高于聚乙烯。碳纤维的抗疲劳强度很高， 基体材料塑性好，即使出现了裂纹，但塑性形变能使裂纹尖端 锐化，从而减缓扩展，增强相与基体间的界面也能有效地组织 疲劳裂纹的扩展。
生物材料复合材料
复合材料的破坏
脆性界面复合材料的破坏模式
延性界面复合材料的破坏模式
20
复合材料的界面
复合材料的性能与组分材料种类、性能、含以及体 积含量； 基体的结构和性能。
复合材料的性能还取决于复合材料的制造工艺条件、复合方法、 零件几何形状和使用环境条件。
成人的骨基质是以胶原纤维高度有规律地成层排列为特征，骨胶原
纤维由蛋白多糖粘合成层排列，骨盐沉积在每层的胶原纤维上，再
由基质粘合而成薄板状结构。
骨板
血管
每一层骨板厚约3~7微米 同一层骨板内的纤维相互平行 相邻骨板内的纤维则相互垂直
外环骨板 哈式骨 板骨膜
穿通纤 维
血管
伏氏管
5
哈式管
第一节 复合材料的特征及分类
11
复合材料的特点：
（2）可按对材料性能的需要进行材料的设计和制造 （3）可制成所需的任意形状的产品，避免多次加工 工序
12
一般材料的简单混合与复合材料的两点本质区别：
复合材料不仅保留了原组成材料的特点，而且通 过各组分的相互补充和关联可以获得原组分所没有的 新的性能； 复合材料的可设计性
1
特点
最坚硬的结缔组织，具有一定的韧性 作为全身的支架，保护内部器官 钙、磷贮存库 血细胞发生
2
骨组织由多种细胞和钙化的细胞外基质组成 骨基质:简称骨质，即钙化的细胞外基质，包括有机成分 和无机成分
有机成分
占骨干重35%，使骨基质有韧性 呈凝胶状，含胶原纤维（90%）、中性或弱酸性的糖胺多糖 含骨钙蛋白（可参与钙的运输和钙化） 含骨磷蛋白（可与胶原纤维相结合）
复合材料界面是仅次于材料特 性本身，决定材料整体性能的 关键因素。
21
生物医用材料
生物医用高分子材料课程总结一、生物医用材料定义生物医用材料：对生物系统的疾病进行诊断、治疗、外科修复、理疗康复、替换生物体组织或器官（人工器官），增进或恢复其功能，而对人体组织不会产生不良影响的材料。
生物医用材料本身并不必须是药物，而是通过与生物机体直接结合和相互作用来进行治疗;生物医用材料是一种植入躯体活系统内或与活系统相接触而设计的人工材料。
研究内容包括：各种器官的作用；生物医用材料的性能；组织器官与材料之间的相互作用分类方法：按材料的传统分类法分为：(1)合成高分子材料（如聚氨酯、聚酯、聚乳酸、聚乙醇酸、）(2)天然高分子材料（如胶原、丝蛋白、纤维素、壳聚糖）(3)金属与合金材料(4)无机材料(5)复合材料按材料的医用功能分为：(1)血液相容性材料(2)软组织相容性材料(3)硬组织相容性材料(4)生物降解材料(5)高分子药物二、生物相容性与安全性生物相容性，是生物医用材料与人体之间相互作用产生各种复杂的生物、物理、化学反应的一种概念。
生物医用材料必须对人体无毒、无致敏、无刺激、无遗传毒性、无致癌性，对人体组织、血液、免疫等系统不产生不良反应。
主要包括：1.组织相容性：指材料用与心血管系统外的组织和器官接触。
要求医用材料植入体内后与组织、细胞接触无任何不良反应。
典型的例子表现在材料与炎症，材料与肿瘤方面。
影响组织相容性的因素：1）材料的化学成分；2）表面的化学成分；3）形状和表面的粗糙度：2.血液相容性：材料用于心血管系统与血液直接接触，主要考察与血液的相互作用材料，影响因素：材料的表面光洁度；表面亲水性；表面带电性，具体作用机理表现在：血小板激活、聚集、血栓形成；凝血系统和纤溶系统激活、凝血机能增强、凝血系统加快、凝血时间缩短；红细胞膜破坏、产生溶血；白细胞减少及功能变化；补体系统的激活或抑制；对血浆蛋白和细胞因子的影响。
主要发生在凝血过程，生物材料与血小板，生物材料与补体系统的作用过程。
生物医用材料
生物医用材料1. 引言生物医用材料是指用于医学领域的材料，可以直接应用于人体的组织敷料、生物植入物或医疗设备中。
生物医用材料的研发和应用在现代医学中扮演着重要的角色。
本文将介绍生物医用材料的种类、特点以及应用领域。
2. 生物医用材料的种类生物医用材料可以根据其来源和性质分为不同的种类。
2.1 天然材料天然材料是指直接来自自然界的材料，如动物组织、植物组织和矿物质等。
天然材料具有良好的生物相容性和生物活性，能够促进组织再生和修复。
常见的天然生物医用材料有骨灰、胶原蛋白和海藻酸等。
2.2 合成材料合成材料是指通过化学合成或改性的材料，通常是人工合成的高分子材料。
合成材料具有良好的物理和化学性能，可根据需要进行调整以满足具体应用的要求。
常见的合成生物医用材料有聚乙烯醇、聚乳酸和聚丙烯酸等。
2.3 复合材料复合材料是指由两种或两种以上的材料组合而成的材料系统。
通过组合不同的材料，可以在生物医用材料中获得更好的性能和功能。
常见的生物医用复合材料有生物活性玻璃复合材料、聚合物纤维增强复合材料和生物陶瓷复合材料等。
3. 生物医用材料的特点生物医用材料具有以下几个特点：3.1 生物相容性生物医用材料应具有良好的生物相容性，即能够与人体组织相容并不引起明显的免疫排斥反应或毒副作用。
3.2 生物活性生物医用材料应具有一定的生物活性，能够促进人体组织的再生和修复。
一些生物医用材料能够释放生长因子或其他生物活性物质，以刺激组织生长和修复。
3.3 机械性能生物医用材料应具有合适的机械性能，以保证其在应用过程中的稳定性和可靠性。
例如，用于骨修复的生物医用材料应具有一定的强度和刚度，能够承受人体重量的负荷。
3.4 可加工性生物医用材料应具有良好的可加工性，以方便制备成具有特定形状的敷料、植入物或医疗设备。
4. 生物医用材料的应用领域生物医用材料广泛应用于医学领域的各个方面，包括组织工程、创伤修复、人工器官和医疗设备等。
4.1 组织工程生物医用材料在组织工程中起到关键作用。
生物医用复合材料
生物医用复合材料生物医用复合材料(biomedical composite materials) 是由两种或两种以上的不同材料复合而成的生物医用材料，它主要用于人体组织的修复、替换和人工器官的制造［1］。
长期临床应用发现，传统医用金属材料和高分子材料不具生物活性，与组织不易牢固结合，在生理环境中或植入体内后受生理环境的影响，导致金属离子或单体释放，造成对机体的不良影响。
而生物陶瓷材料虽然具有良好的化学稳定性和相容性、高的强度和耐磨、耐蚀性，但材料的抗弯强度低、脆性大，在生理环境中的疲劳与破坏强度不高，在没有补强措施的条件下，它只能应用于不承受负荷或仅承受纯压应力负荷的情况。
因此，单一材料不能很好地满足临床应用的要求。
利用不同性质的材料复合而成的生物医用复合材料，不仅兼具组分材料的性质，而且可以得到单组分材料不具备的新性能，为获得结构和性质类似于人体组织的生物医学材料开辟了一条广阔的途径，生物医用复合材料必将成为生物医用材料研究和发展中最为活跃的领域。
1. 生物医用复合材料组分材料的选择要求生物医用复合材料根据应用需求进行设计，由基体材料与增强材料或功能材料组成，复合材料的性质将取决于组分材料的性质、含量和它们之间的界面。
常用的基体材料有医用高分子、医用碳素材料、生物玻璃、玻璃陶瓷、磷酸钙基或其他生物陶瓷、医用不锈钢、钻基合金等医用金属材料；增强体材料有碳纤维、不锈钢和钛基合金纤维、生物玻璃陶瓷纤维、陶瓷纤维等纤维增强体，另外还有氧化锆、磷酸钙基生物陶瓷、生物玻璃陶瓷等颗粒增强体。
植入体内的材料在人体复杂的生理环境中，长期受物理、化学、生物电等因素的影响，同时各组织以及器官间普遍存在着许多动态的相互作用，因此，生物医用组分材料必须满足下面几项要求：(1)具有良好的生物相容性和物理相容性，保证材料复合后不出现有损生物学性能的现象；(2)具有良好的生物稳定性，材料的结构不因体液作用而有变化，同时材料组成不引起生物体的生物反应；(3)具有足够的强度和韧性，能够承受人体的机械作用力，所用材料与组织的弹性模量、硬度、耐磨性能相适应，增强体材料还必须具有高的刚度、弹性模量和抗冲击性能；(4)具有良好的灭菌性能，保证生物材料在临床上的顺利应用。
生物医用功能纤维材料
生物医用功能纤维材料一种常见的生物医用功能纤维材料是聚乳酸（PLA）和聚乳酸-羟基磷灰石（PLA-HA）复合材料。
PLA是一种可降解的聚合物，具有良好的生物相容性。
与PLA相比，PLA-HA复合材料不仅具有良好的生物相容性和可降解性，还具有磷灰石的生物活性，可以促进骨细胞的生长和骨再生。
因此，PLA-HA复合材料被广泛应用于骨修复和骨缺损修复领域。
除了PLA-HA复合材料，聚己内酯（PCL）也是一种常见的生物医用功能纤维材料。
PCL具有良好的拉伸强度和可降解性，因此被广泛用于组织工程和药物递送领域。
在组织工程方面，PCL纤维可以用来制造支架，用于修复组织缺损，并促进组织再生。
在药物递送方面，PCL纤维可以用来包裹药物，并通过逐渐降解的方式，控制药物的释放速率和时间，从而实现智能药物递送。
此外，胶原蛋白也是一种常见的生物医用功能纤维材料。
胶原蛋白是人体内最主要的结缔组织蛋白，具有良好的生物相容性和生物降解性。
胶原蛋白纤维可以用于细胞工程和组织工程领域。
在细胞工程方面，胶原蛋白纤维可以提供细胞生长所需的支撑结构，并模拟自然组织的生理环境。
在组织工程方面，胶原蛋白纤维可以用作组织工程支架，促进组织再生，如皮肤再生和软骨再生。
除了上述材料外，生物医用功能纤维材料还包括聚乳酸-果胶（PLA-Pectin）纤维、聚吡咯（PPy）纤维和聚乳酸-聚己六酸（PLA-PCL）纤维等。
这些材料在医学领域中的应用非常广泛，可以用于智能药物递送、细胞工程、组织再生以及其他生物医学应用。
总之，生物医用功能纤维材料在医学领域中具有重要的应用价值。
通过选择适当的纤维材料，并结合合适的制备工艺技术，可以开发出具有不同功能的纤维材料，用于满足不同的生物医学需求。
随着材料科学和生物技术的不断发展，生物医用功能纤维材料在医学领域的应用前景将更加广阔。
复合材料在医学中的应用
复合材料在医学中的应用复合材料是指由两种或两种以上不同的材料通过化学或物理方法组合而成的一种新型材料。
其特点是具有多种性能，如高强度、高韧性、耐热、耐腐蚀等，广泛应用于建筑、航空、新能源等领域。
而近年来，复合材料也逐渐被应用于医学领域，为医疗技术的进步和患者病情的治疗提供了新的可能。
一、1. 生物材料领域复合材料被广泛应用于生物医学领域中的生物材料方面。
复合材料能够与生物体相容性良好，可以被用来制造人工骨、人工心脏瓣膜和人造耳鼻喉等。
生物材料方面的复合材料，由于其特殊的材质组合，可以提高医疗器械的强度和稳定性，可以大大减少重复手术的情况，给患者的健康带来更多的保障。
2. 人工关节领域随着人口老龄化的加速，人工关节的需求量越来越大。
而很多复合材料可以用来制造人工关节，例如碳纤维等材料都可以用于人工关节的生产。
这些人工关节可以取代病毒性、感染性等伴随有病症的关节，提高老年人和需要多次关节手术的患者的生活质量。
3. 医疗设备方面复合材料还可以用于医疗设备的生产。
例如，复合材料可以制造医用镜头，因为它具有较高的抗撞性和抗污性，可以更好地保护医疗设备，减少设备的重复维修和更换。
此外，复合材料还可以用于制造心脏起搏器、除颤器等相关医疗设备，可以有效地帮助患者预防疾病和健康提升。
二、复合材料在医学领域的优势1. 高性能的稳定性复合材料具有高性能和稳定性，具有较高的强度和韧性，能应对人体多种情况，使人体在受到外伤时得以保护。
由于复合材料具有这些特点，因此它可以使医疗器械做到更好的长期性能稳定，延长医疗器械的使用寿命，减少医疗器械的损坏。
2. 优秀的生物相容性复合材料可以与人体相容性良好，可以被广泛应用于医疗器械的制造等方面。
与普通材料不同的是，这种材料完全不会产生病毒、化学反应等有害物质，不会对人体产生害处，使人体更加健康和健康。
3. 制造革新与传统材料相比，复合材料可以制造更轻的医疗器械，提高医疗器械的防护能力和医疗器械的易操作性，这对医疗保健的推广足以起到重要的作用。
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目 录
图片展示 生物医用复合材料简介 生物医用复合材料的分类和应用
生物医用复合材料的性能特点
生物活性陶瓷与生物惰性陶瓷复合材料 HAP-ZrO2复合材料及其性能 参考文献
2
HAP-ZrO2推广应用面临的难题
人造血管
3
人工心脏瓣膜
4
人造韧带
HAP具有极好的生物相容性和生物活性，
被认为是最有前途的陶瓷人工齿和人工骨 置换材料 。 纯HAP陶瓷的机械性能比较差，作为人工 种植体其使用可靠性较差 。 人工合成方法如下：
14
HAP-ZrO2复合材料
HAP-ZrO2复合生物陶瓷的制备
将不同配比的原料按如下所示的工艺 流程进行加工，得到不同配比的二元体系 复合生物陶瓷。 配料→混料→造粒→预成形→等静压成形 →素烧→修坯→烧成→粗磨→抛光→检测
断裂韧性 1.1±0.1 2.8±0.2 2.9±0.1 >5 4.6±0.3 4.4±0.2 4.0±0.4 2.8-1.2
弹性模 骨结合 量 强度 100±10 15.5 270±12 6 238±10 约 10 210 6 385 约2 6
8-17
16
烧结温度对材料物理性能的影响
二元体系复合生物陶瓷材料抗折强度表
纤维增强医用复合材料
–碳纤维和其他陶瓷纤维、玻璃纤维、金属纤维和高
分子纤维
颗粒增强医用复合材料
–氧化锆、氧化铝、氧化钛等氧化物颗粒
–羟基磷灰石（HAP）等生物活性颗粒
7
生物医用复合材料的分类和应用
类别 基材 近 惰 聚乙烯等 性生 物 医 环氧树脂 用 复 聚酯等膜 合 材 不锈钢、钛合金 料 医用生物碳 例材 增强体或填料 碳纤维 用途
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密度 抗弯 材料 实测 计算 强度 HA 3.15 3.15 110 TiO2 4.21 4.23 426 85TiO2/ 4.02 4.07 252 15HA ZrO2 6.05 6.08 910 85ZrO2/ 5.64 5.64 860 15HA Al2O3 3.97 3.98 577 Al2O3/ 3.75 3.77 532 25HA 骨 70-100
2. 以生物活性陶瓷为基材，掺入氧化物等颗粒以补强 其力学性能
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HAP-ZrO2复合材料
HAP是羟基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2)
பைடு நூலகம்
的简称。 HAP广泛存在于人体和牛乳中，人体内高 达50%的骨骼都是由均匀成分的无机羟基 磷灰石构成主，牛乳内主要分布于酪蛋白 胶粒和乳清中。
13
HAP-ZrO2复合材料
20
参考文献
【1】张宏全，李世：《生物医用复合材料的研究进展及 趋势》，周口论文网，200材料的研究 ，中国生物医学工程学 报 ，2007-08-07 【5】王零森，特种陶瓷，中南工业大学出版社，1994
21
– 抗疲劳性能好 – 抗生理腐蚀性好 – 力学相容性能好
11
生物活性陶瓷与生物惰性陶瓷复合材料
– 生物惰性陶瓷
具有较高的强度和化学稳定性， 但与生物组织为机械结合；
– 生物活性陶瓷
具有良好的生物相容性可与生物组织形成牢固的 化学结合，
但其脆性和低抗疲劳强度限制其应用。
1. 以高强度氧化物为基材，掺入羟基磷灰石等生物活 性陶瓷颗粒，以赋予生物活性
ZrO2(wt %)
σ(MPa) HAP∶ZrO2=90∶1 HAP∶ZrO2=80∶2 0 0 55 60 71 78 HAP∶ZrO2=70∶ 30 65 93
1300℃ 1350℃
1400℃
1450℃
57
56
87
83
110
120
17
生物相容性测试
急性毒性与亚急性毒性实验表明，注药后动 物生命活跃，进食消化代谢正常，血液常规检查 除红细胞增高外，其余指标与注药前无明显差别， 也未见陶瓷材料微粒的沉积。
5
简 介
生物医用复合材料——是由两种或两种以上 不同材料复合而成的生物医用材料 分类：复合材料一般有基体材料和增强材 料组成
– 按基体：陶瓷基医用复合材料、高分子基医 用复合材料、金属基医用复合材料 – 按组织反应：生物惰性医用复合材料、生物 活性医用复合材料、可吸收医用复合材料
6
按增强体的形态和性质
人工关节臼、骨水 泥、人工骨 碳纤维、 氧化铝/不锈钢 骨水泥、人工骨 LTIC、ULTIC 涂层 人工血管 LTIC、氧化铝、氧化锆 人工心瓣膜、人工 等涂层 关节股骨头和柄 碳纤维、碳化硅晶须 人工骨、人工牙根
8
生物医用复合材料的分类和应用
类 别 生 物 活 性 复 合 材 料 例材 基材 增强体或填料 生物玻璃 不锈钢纤维、钛纤维 生物活性玻璃陶瓷 氧化锆颗粒、 碳化硅晶须 HA 生物活性陶瓷 聚乳酸、胶原、氨基酸、 骨髓细胞 羟基磷灰石/胶原 明胶/对苯二酚/甲醛 聚乙烯、胶原 羟基磷灰石颗粒 聚甲基丙烯酸甲酯 磷酸盐/硅酸盐/磷灰石/ 玻璃纤维 钛合金、钴合金、 羟基磷灰石/生物活性玻 不锈钢 璃陶瓷涂层 用途 人工骨 人工骨、骨填料 人工骨 注入固化骨填料 人工骨、骨填料 骨水泥 人工关节、人工 种植牙、接骨板
9
生物医用复合材料的分类和应用
例材 基材 增强体或填料 可 吸 收 聚乳酸 碳纤维 生 物 医 聚乳酸/乙醇酸 聚乳酸/乙醇酸纤维、 用复合 羟基磷灰石 材料 明胶/水杨酸盐 β-磷酸三钙 硫酸钙（石膏） 羟基磷灰石 类别 用途 人工韧带、肌腱 骨填料等 骨水泥 骨填料
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性能特点
– 比强度、比模量高
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HAP-ZrO2推广应用面临的难题
复合的优点是使HAP材料的韧性和强度提
高。不过，在HAP基体中引入第二相往往 会导致生物相容性的下降，并有可能加速 HAP的分解。一般说来，用生物惰性材料 增强的HAP材料的生物活性会比纯HAP低。 尽管通过增韧补强可使HAP材料的机械性 能提高，但是由于生物相容性的和生物活性 的降低，工艺复杂等原因，在现阶段还未发 现HAP基陶瓷复合材料广泛的用途。
在偏光显微镜下观察大白兔左大腿根部切片的组织学变化
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从大白兔中取出二元体系材料后，可见肌
组织紧紧包裹住复合陶瓷材料表面，两者 界面接触紧密，肌组织颜色鲜红，同正常 肌组织一样。复合生物陶瓷周围为一层薄 薄的纤维组织包绕。在偏光显微镜下观察， 肌组织与复合生物陶瓷接触面形成一层薄 薄的纤维结缔组织，肌组织细胞结构正常， 未见淋巴细胞，巨噬细胞浸润，亦未见肌 组织细胞溶解、坏死迹象，即无排斥及毒 性反应，具有较好的生物相容性。