生物医学材料重点

生物医学材料：
一、我们给生物医用材料明确的定义：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。

另一种说法是：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。

二、生物医用材料的分类：由于生物材料应用广泛，品种很多，所以会有不同角度的分类。

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、乳酸乙醇酸共聚物）
(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（如钛及钛合金）
(4)无机材料（如生物活性陶瓷、羟基磷灰石）
(5)复合材料（如碳纤维／聚合物、玻璃纤维／聚合物）
按材料的医用功能分为：
(1)血液相容性材料
用于人工血管、人工心脏、血浆分离膜、血液灌流用的吸附剂、细胞培养基材。

因为与血液接触，所以不可以引起血栓、不可以与血液发生相互作用。

主要包括聚氨酯／聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯／聚甲基丙烯酸羟乙酯、含聚氧乙烯醚的聚合物、肝素化材料、尿酶固定化材料、骨胶原材料等。

(2)软组织相容性材料
如果用作与组织非结合性的材料，必须对周围组织无刺激、无毒副作用，如软性隐形眼镜片；如果用作与组织结合性的材料，要求材料与周围组织有一定粘结性、不产生毒副反应，主要用于人工皮肤、人工气管、人工食道、人工输尿管、软组织修补材料。

这样的材料有聚硅氧烷、聚酯、聚氨基酸、聚甲基丙烯酸羟乙酯、改性甲壳素。

(3)硬组织相容性材料
硬组织生物材料主要用于生物机体的关节、牙齿及其他骨组织。

包括生物陶瓷、生物玻璃、钛及合金、碳纤维、聚乙烯等。

(4)生物降解材料
生物降解材料在生物机体中，在体液环境中，不断降解，或者被机体吸收，或者排出体外，植入的材料被新生组织取代。

可以用于可吸收缝合线、药物载体、愈合材料、粘合剂、组织缺损用修复材料。

包括多肽、聚氨基酸、聚酯、聚乳酸、甲壳素、骨胶原／明胶等高分子材料，以及β-磷酸三钙可降解生物陶瓷。

(5)高分子药物
高分子药物是一类本身具有药理活性的高分子化合物，可以从生物机体组织中提取，也司以通过人工合成、基因重组等技术，获得天然生物高分子的类似物，如多肽、多糖类免疫增强刑、胰岛素、人工合成疫苗等，用于治疗糖尿病、心血管病、癌症以及炎症等疾病。

三、生物医用复合材料的种类
1、陶瓷基生物医用复合材料
陶瓷基复合材料是以陶瓷、玻璃或玻璃陶瓷基体，通过引入颗粒、晶片、晶须、纤维等增强体材料或者生物活性材料而获得的一类复合材料。

虽然生物陶瓷基复合材料没有多少品种达到临床应用阶段，但它已成为生物陶瓷研究中最为活跃的领域，其研究主要集中于生物材料的活性、骨结合性、材料增强等方面。

例如：Al2O3、ZrO2等生物惰性材料自70年代初就开始了临床应用研究，但它与生物硬组织的结合为一种机械的锁合。

因此，以高强度氧化物陶瓷生物惰性材料为基材，掺入少量生物活性材料，可以使材料在氧化物陶瓷优良力学性能的基础上增加一定的生物活性和骨结合能力。

2、高分子基生物医用复合材料
研究表明几乎所有的生物体组织都是由两种或两种以上的材料所构成的，人体骨骼和牙齿就是由天然有机高分子构成的连续相和弥散的羟基磷灰石晶粒复合而成。

生物无机与高分子复合材料的出现和发展，为人工器官和人工修复材料、骨填充材料开发与应用奠定了坚实的基础。

生物陶瓷增强聚合物复合材料于1981年由Bonfield提出，目前的研究对象主要有：用HA、AW玻璃陶瓷（磷灰石-硅灰石生物活性玻璃陶瓷，成分参见生物医用材料导论p235）、生物玻璃等增强高密度聚乙烯(HDPE)、聚乳酸等高分子化合物。

例如HDPE-HA复合材料随HA掺量的增加，其密度也增加，弹性模量可从1GPa提高到9GPa，但材料从柔性向脆性转变，其断裂形变可从大于90%下降至3%，因此可通过控制HA的含量调整和改变复合材料的性能。

HA增强HDPE复合材料的最佳抗拉强度可达22～26MPa、断裂韧性达2.9±0.3MPa m1/2。

由于该复合材料的弹性模量处于骨杨氏模量范围之内，具有极好的力学相容性，并且具有引导新骨形成的功能。

例如AW玻璃陶瓷（磷灰石-硅灰石生物活性玻璃陶瓷）和生物玻璃增强HDPE复合材料具有与HA增强HDPE复合材料相似的力学性能和生物学性能，复合材料在37℃的SBF溶液(一种模拟体液)中体外实验研究表明，在其表面可形成磷灰石层，通过控制和调整AW玻璃陶瓷和生物玻璃的含量，使其满足不同临床应用的需求。

3、金属基生物医用复合材料
作为生物医用材料，金属材料占有极其重要的地位，它具有较好的综合力学性能和优良的加工性能，是国内外较早作为人体硬组织修复和植入的一类材料，但金属材料与机体的亲和性、生物相容性较差，在体液中存在材料腐蚀、渗出离子等问题。

因此，除进一步优化材料的整体性能外，必须通过表面涂层、离子注入等技术进行表面处理。

自国外1931年发表生物氧化物涂层以来，涂层的技术和种类已得到不断的丰富和发展，但材料与骨之间的结合性能以及涂层与基体之间的界面结合性能仍是目前金属基复合材料的研究重点。

生物活性陶瓷能与骨形成直接的骨键合：早在70年代Hench就提出以金属材料为基体，表面涂覆生物活性陶瓷，使其既具有金属材料的优良力学性能，又具有生物活性陶瓷的表面生物活性特征。

将生物活性陶瓷、生物玻璃和生物玻璃陶瓷用等离子喷涂到钛合金表面，生物玻璃涂层能与骨组织发生化学结合，结合界面处含有明显的Ca、P成分过渡区，用这种方法制备的钛合金人工骨、人工齿根已成功地应用于临床。

采用离子注入法，在金属材料表面注入C、N、B等元素，也可以有效地提高金属人工骨和人工齿根的腐蚀和耐磨性，同时，生物相容性也有了较大的改善。

四、人工心瓣膜
瓣膜相当于单向阀门，人的心脏中有四个心瓣膜，保证血液向一个方向流动。

在这四个心瓣膜中，左心室的两个瓣膜容易失效，其中又以主动脉瓣最易失效。

这类病例可以通过置换人工心瓣膜继续生存。

目前，临床上使用机械型和生物型两种人工心瓣，各有特点和适应症。

机械式瓣膜的特点：
（1）使用寿命长，适合年轻的患者使用；
（2）尽管瓣膜涂层有较好的血液相容性，但是瓣膜的抗凝血能力仍然低，患者需要长期服用抗凝血药物以抵抗表面凝血。

生物瓣膜的特点和适应症：
(1) 生物瓣膜使用寿命较短，血液回流比机械瓣大；
(2) 相对来讲，生物瓣膜抗凝血性能优于机械瓣，因此适合于年老的患者，或不能长期服用抗凝血药物的患者。

机械式瓣膜和生物瓣膜的特点是如何形成的呢？是因为制作材料不同。

机械式瓣膜材料选用金属钛、聚合物、碳纤维等制作，表面有涂层，比如各向同性热解碳涂层，以改善血液相容性，坚固结实寿命长，尽管瓣膜涂层有较好的血液相容性，但是瓣膜的抗凝血能力仍然偏低，患者需要长期服用抗凝血药物以抵抗表面凝血，老年人肝肾等器官老化，无法承受药物负荷。

生物瓣膜用猪或牛心包，采用生物固定技术，经交联处理后制得。

固定交联剂一般采用戊二醛。

因此存在戊二醛渗出的毒性问题和寿命短问题，优点是生物相容性优于机械式瓣膜的涂层，不用服抗凝血药物，适合于老年人。

生物瓣膜质量的关键是交联，目前临床用的生物瓣膜大多是经戊二醛交联制备的，20世纪60年代末开始用于临床。

戊二醛通过直接交联胶原纤维中的赖氨酸和精氨酸等碱性氨基酸残基使胶原纤维发生交联。

戊二醛交联的瓣膜因残余的戊二醛缓慢释放有一定的毒性。

近年来，在交联剂的开发上出现新的进展。

如：2001年T.J.Koob等发现从杂酚油灌木(Larrea divaricata)中分离提取出来的一种二元酚，3，4-二羟基愈创木酸（NDGA），是一种优良的胶原蛋白交联剂。

用NDGA交联的胶原纤维拉伸强度和弹性模量比用戊二醛交联的分别高出50%和20%。

NDGA无毒性，使用它交联的心瓣膜具有优良的生物相容性。

机械式瓣膜需要进一步开发优良涂层，生物瓣膜需要更好的交联剂，第三个方向就是用组织工程制备心脏瓣膜（参见组织工程相关内容）。