生物材料的分类及性能

2.4 金属、高分子和无机非金属生物 材料的比较：
2.5 生物功能无机非金属材料的种 类及临床应用
种类 Al2O3 ZrO2 碳 磷酸钙 羟基磷灰石 磷酸盐玻璃 氟磷酸盐玻璃 微晶玻璃 √ √ √ √ √ 临床应用 人工 人 骨 工 关 节 √ √ √ √ 人 工 牙 根 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ 人 工 牙 冠 骨 填 充 材 料 √ 骨 置 换 材 料 人造 人 心瓣坏高分子材料，如添加淀粉的聚苯 乙烯、聚乙烯等。
不可降解的生物无机材料，如具有生物亲 和作用的生物金属材料和生物陶瓷材料， 具有生物惰性陶瓷、生物活性陶瓷，生物 活性陶瓷在生物体内基本不被吸收，但能 促进种植生物体周围新骨生成，并与骨组 织形成牢固的化学键。
2.1.3 按其应用可分为
生物医学材料； 生物包装材料； 其他生物应用材料。
按照生物环境中发生的生物化学反应水平分 类： • 生物惰性材料 氧化铝 热解碳 氧化锆 氧化 硅 • 生物活性无机材料 羟基磷灰石 生物玻璃 活性玻璃陶 瓷
• 生物可降解无机材料 可溶性铝酸钙陶瓷、β -TCP陶瓷 • 生物医用无机纳米材料 纳米氧化铁 羟基磷灰石超微粉
2.1.6 分类特点
（1）更好的防水性能 以淀粉为原料的主要问题是其容易吸水。 为了达到更好的防水效果，需要与其它天 然或是合成的可降解聚合物混合，或者添 加不同来源的添加剂。
• 美国一家研究所利用土豆和乳清制成了一
种能生物降解的塑料薄膜。其制法是：
（1）先用酶将制酪时形成的乳清和废
弃的土豆转化为葡萄糖浆，
（2）然后用细菌发酵成含乳酸的液体。
液体中的乳酪经电渗析分离出来后，加热 使水分蒸发，留下的便是可以制薄膜和涂 层的聚乳酸分子。
• 玉米是一种美味又有营养的淀粉食物，还
2.3
生物材料机械性能评价
(1)医用金属作为受力期间，在人体内 服役，其受力状态及其复杂，如人工关节， 每年要承受约3.6×106次、且数倍于人体 重量的载荷冲击和磨损。
(2)人体骨的力学性能因年龄、部位而 异，评价骨和材料的机械性能最重要的指 标有：抗拉抗压强度、屈服强度、弹性模 量。疲劳极限和断裂韧性等；
聚乳酸100% 生物可分解聚 乳酸（PLA） 是一種可生物 降解的新型高 分子材料，以 玉米為原料
• 最后，这些小颗料被制成包装袋、泡沫塑 料或餐具。国外公司已看好这种新的环保 材料，如可口可乐公司在盐湖城冬奥会上 用了50万只一次性杯子，全部是用玉米塑 料制成的，这种杯子只需40天就在露天环 境下消失得无影无踪。
（1）生物惰性（bioinert）、 （2）生物活性（bioactive）或生物降解 （biodegradable）材料。
• 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。 生物医用材料由于直接用于人体或与人体 健康密切相关，对其使用有严格要求。
（1）首先，生物医用材料应具有良好 的血液相容性和组织相容性； （2）要求耐生物老化。即对长期植入 的材料，其生物稳定性要好；
按成分性质分： • 生物陶瓷材料，如单晶/多晶氧化铝、羟基 磷灰石 • 生物玻璃，如45S5玻璃 • 生物玻璃陶瓷 • 医用骨水泥，-TCP • 复合无机材料, HA+ -TCP，碳纤维增强 无机骨水泥
按来源分： 天然钙化物 钙化的贝壳、珍珠 合成无机材料 如-TCP人工骨（复合无机 材料） 衍生材料 冻干骨片
被广泛用于制造甜味剂和动物饲料。
• 随着技术的进步，将玉米中的糖分提炼出
来，经过发酵、蒸馏、萃取，得到制造塑 料和纤维的基础材料，基础材料再被加工 成直径只有4．57mm的聚交酯(PLa)细微颗 料。
• 这样制成的塑料薄膜可以制成保鲜袋和代
替涂有聚乙烯和防水蜡的包装材料，最大
优点是可以分解为对环境无害的乳酸。
2.1.5 无机非金属生物材料分类
按成分性质分： • 生物陶瓷材料，如单晶/多晶氧化铝、羟基 磷灰石 • 生物玻璃，如45S5玻璃 • 生物玻璃陶瓷 • 医用骨水泥，-TCP • 复合无机材料, HA+ -TCP，碳纤维增强 无机骨水泥
按来源分： 天然钙化物 钙化的贝壳、珍珠 合成无机材料 如-TCP人工骨（复合无机 材料） 衍生材料 冻干骨片
第二节
生物材料的分类及性能
2.1 分类
2.1.1 根据用途主要分为:
承受或传递负载功能。如人造骨骼、关节 和牙等，占主导地位 控制血液或体液流动功能。如人工瓣膜、 血管等
电、光、声传导功能。如心脏起博器、人 工晶状体、耳蜗等
填充功能。如整容手术用填充体等
2.1.2 根据生物材料的降解性，可分为： 全生物降解高分子材料，如聚羟基丁酸酯 （PHB)、聚环己内酯（PCL)、蛋白质、微 生物多糖等。
弹性模量是生物材料的重要性质之一， 过高过低都不行。模量相对与骨过高，在 应力作用下，承受应力的金属和骨将产生 不同的应变，在金属与骨的接触面会出现 相对位移，从而造成界面处松动；长时间 下，还会造成应力屏蔽，引起骨组织的功 能退化和吸收。过低，变形较大，起不到 固定和支撑作用。
(3)对于摩擦部位的材料，一般用硬度 反映其耐磨性能。
2.2.3 化学稳定性
耐生物老化性（特别稳定）或可生物降 解性（可控降解）。材料在活体内要有较 好的化学稳定性，能够长期使用。
2.2.4 力学性能
材料要有合适的强度、硬度、韧性、塑 性等力学性能以满足耐磨、耐压、抗冲击、 抗疲劳、弯曲等医用要求。
2.2.5 可加工性
能够成型、消毒（紫外灭菌、高压煮 沸、环氧乙烷气体消毒、酒精消毒等）。
（3）对于暂时植入的材料，耍求在确定 时间内降解为可被人体吸收或代谢的无毒 单体或片断； （4）还要求物理和力学性质稳定； （5）易于加工成型、价格适当； （6）便于消毒灭茵、无毒无热源、不 致癌不致畸也是必须考虑的。 对于不同用途的材料，其要求各有侧
重。
用作人工骨 骼的钛或钛 合金生物医 学材料
• 生物医学材料指的是一类具有特殊性能、 特种功能，用于人工器官、外科修复、理 疗康复、诊断、治疗疾患，而对人体组织 不会产生不良影响的材料。
• 现在各种合成材料和天然高分子材料、金 属和合金材料、陶瓷和碳素材料以及各种 复合材料，其制成产品已经被广泛地应用 于临床和科研。
2.1.4 根据材料的用途，这些材料又可以分 为：
料具有较差的气密性和防潮性能，因而除
非是干货，一般很少用来作为外包装材料。
改性的纤维素和纤维素衍生物材料，主要 是聚碳酸酯等聚合物用于这一方面还是有 些昂贵
世界上第一把 100%可降解伞， 使用特殊的生 物降解材料制 成
（2） 产品多样
聚乳酸(PLA)是人工合成的可生物降解包装
材料的范例。PLA由乳酸单体聚合而成，在
不同的食品包装领域提供不同的性能。
•
PLA可以制成结晶或是透明的形态，可以吹
膜、注塑以及涂层，既可以单独使用也可 以与其它天然原料制成的聚合物混合使用。 例如，PLA经常与淀粉混合以提高降解性能、 降低成本。
第三类的可生物降解包装材料用微生物制 成，包括多羟基链烷酸酯(PHAs)，而聚羟 基丁酸酯(PHB)最为普遍。PHAs目前的价格 仍比较高，但是从技术角度来看，用途会 非常广泛，吹塑、注塑、拉膜、涂层都可 以。也可以与热塑性淀粉等可生物降解材 料混合。PHAs用于食品包装有个有趣的特 性那就是水汽透过率非常低，与低密度聚 乙烯接近。
按照生物环境中发生的生物化学反应水平分 类： • 生物惰性材料 氧化铝 热解碳 氧化锆 氧化 硅 • 生物活性无机材料 羟基磷灰石 生物玻璃 活性玻璃陶 瓷
• 生物可降解无机材料 可溶性铝酸钙陶瓷、β -TCP陶瓷 • 生物医用无机纳米材料 纳米氧化铁 羟基磷灰石超微粉
2.6 无机非金属生物材料基本条件 与要求
（1）良好的生物相容性 化学稳定性 降解产物无毒 （2）杂质元素及溶出物含量低 As，Cd、Hg、Pb等重金属 （3）有效性 抗压、耐磨、热膨胀
（4）成型加工性能 脆性 加工困难 不同模具 （5）耐消毒灭菌性 高压蒸汽消毒、辐射灭菌和环氧乙烷灭 菌
1.1.3 无机非金属生物材料分类
通过改性和添加剂的作用，这些混合物质 具有更高或是更低的水汽敏感度和气密性。 热塑性淀粉含有70%-90%的淀粉，但是其中 40%-60%的淀粉却是许多混合物，添加剂的 使用提高了原料的成本。因而，这方面的 研究主要是减少添加剂的用量，例如使用 新的纳米组分而不是淀粉或是改性粘土颗 粒。
• 例如纸张或是卡纸等未经改性的纤维素材
2.2 性能
2.2.1 生物功能性 指生物材料具备或完成某种生物功能 时应该具有的一系列性能。 因各种生物材料的用途而异，如：作 为缓释药物时，药物的缓释性能就是其生 物功能性
2.2.2 生物相容性 指生物材料有效和长期在生物体内或体 表行使其功能的能力。用于表征生物材料 在生物体内与有机体相互作用的生物学行 为。 可概括为材料和活体之间的相互关系， 主要包括血液相容性和组织相容性（无毒 性、无致癌性、无热原反应、无免疫排斥 反应等）。
生物材料和纳米生物技术是国际化，跨 学科，英文出版的关于生物材料的制备， 性能和评价研究的原创性文献，由美国科 研出版社发行。涵盖物理，化学，毒物学， 电化学，机械和光学特性的纳米材料，生 物技术的应用（制药，药物输送系统，化 妆品，食品技术，生物转化，可再生能源 和能源储存，生物传感，纳米药物，组织 工程，植入式医疗设备，生物光子学，纳 米光动力疗法，肿瘤科）。