生物材料介绍(山东大学生物工程研究所)PPT课件
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生物医学材料简介 ppt课件
用于糖尿病、心血管、癌症以及炎症等
2. 按材料来源分类
• 自体材料 • 同种异体器官及组织 • 异体器官及组织 • 人工合成材料 • 天然材料
3.分类、特性
3.分类、特性
3.按组成和性质分类
1.医用不锈钢
生物医用金属材料
2.钴基合金 3.医用钛和钛合金
4.银汞合金……
生物医用高分子：硬组织材料、软组织材料和生物降解材料
2.原理
生物工程学
生物工程学是70年代初，在分子生物学、细胞生物学等的基础上发展起来的，包括基 因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程等，他们互相联系，其中以基因工程为基础。 只有通过基因工程对生物进行改造，才有可能按人类的愿望生产出更多更好的生物产 品。而基因工程的成果也只有通过发酵等工程才有可能转化为产品。
3.分类、特性
常见缺陷（材料反应）： （2）聚合物降解 • 聚合物在长期使用过程中，由于受到氧、热、紫外线、机械、水蒸气、酸碱及微生
物等因素作用，逐渐失去弹性，出现裂纹，变硬、变脆或变软、发粘、变色等，从 而使它的物理机械性能越来越差的现象。 • 聚合物老化易形成的碎片、颗粒、小分子量单体物质，因此使用它时必须谨慎，对 耐久性器件，必须保持一定强度和其它机械性能，老化产物不能对周围组织有毒害 作用。
3.分类、特性
特点（二）：相容性 生物相容性
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）。 力学相容性 负荷情况下，材料与所处部位的生物组织的弹性形变相匹配的性质和能力。取决于组 织-界面的性质和所承受负荷的大小。
3.分类、特性
2聚合物降解聚合物在长期使用过程中由于受到氧热紫外线机械水蒸气酸碱及微生物等因素作用逐渐失去弹性出现裂纹变硬变脆或变软发粘变色等从而使它的物理机械性能越来越差的现象
2. 按材料来源分类
• 自体材料 • 同种异体器官及组织 • 异体器官及组织 • 人工合成材料 • 天然材料
3.分类、特性
3.分类、特性
3.按组成和性质分类
1.医用不锈钢
生物医用金属材料
2.钴基合金 3.医用钛和钛合金
4.银汞合金……
生物医用高分子：硬组织材料、软组织材料和生物降解材料
2.原理
生物工程学
生物工程学是70年代初，在分子生物学、细胞生物学等的基础上发展起来的，包括基 因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程等，他们互相联系，其中以基因工程为基础。 只有通过基因工程对生物进行改造，才有可能按人类的愿望生产出更多更好的生物产 品。而基因工程的成果也只有通过发酵等工程才有可能转化为产品。
3.分类、特性
常见缺陷（材料反应）： （2）聚合物降解 • 聚合物在长期使用过程中，由于受到氧、热、紫外线、机械、水蒸气、酸碱及微生
物等因素作用，逐渐失去弹性，出现裂纹，变硬、变脆或变软、发粘、变色等，从 而使它的物理机械性能越来越差的现象。 • 聚合物老化易形成的碎片、颗粒、小分子量单体物质，因此使用它时必须谨慎，对 耐久性器件，必须保持一定强度和其它机械性能，老化产物不能对周围组织有毒害 作用。
3.分类、特性
特点（二）：相容性 生物相容性
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）。 力学相容性 负荷情况下，材料与所处部位的生物组织的弹性形变相匹配的性质和能力。取决于组 织-界面的性质和所承受负荷的大小。
3.分类、特性
2聚合物降解聚合物在长期使用过程中由于受到氧热紫外线机械水蒸气酸碱及微生物等因素作用逐渐失去弹性出现裂纹变硬变脆或变软发粘变色等从而使它的物理机械性能越来越差的现象
生物活性材料PPT课件
在生物活性材料迅猛发展的同时，生物惰性材料也得到 了广泛的应用。生物惰性材料主要是指能在生物体内长期 稳定存在，且不与生物组织发生物化反应的一类材料，如 医用金属、烧结氧化铝、氧化锆等生物材料被埋入骨缺损 部位后，就被纤维性膜所包围，而与周围的骨组织隔离。
缺点
在于惰性材料仅仅是以机械锁合的方式进行骨 的替换与修复，而不能与活体组织有效键合。
Ancleregg 等 对15 例中度或重度牙周炎患者的30 处下磨牙根分 叉病变进行治疗, 随机分为实验组、对照组。实验组行根向复位瓣术加 生物玻璃(45S5 倍骼生)植入, 对照组仅用根向复位瓣术, 并以探诊出血 情况及探诊牙周袋深度作为评价标准。结果显示实验组效果明显优于 对照组。故认为生物玻璃是治疗I I 型根分叉病变的有效材料。
熔融法 制备钙磷微晶玻璃的试验方法
溶胶-凝胶法
11
多孔微晶玻璃的制备方法
一是利用玻璃分相原理，经热处理在玻璃中获得可溶晶相， 再用酸侵蚀掉可溶相，形成多孔材料。 二是先合成玻璃粉末然后加入诸如CaCO3 、PMMA、淀粉 等作发泡剂，烧结发泡成为多孔材料。
（2）钙磷微晶玻璃的组成 目前生物玻璃主要被用作骨的替代材料，根据天然骨的成分
19
D. Arcos, R. P.del Real, M. Vallet-Reg ì. A novel bioactive and magnetic biphasic material[J]. Biomaterials, 2002(23): 21512158.
20
3
生物活性陶瓷
生物活性陶瓷包括表面生物活性陶瓷和生物降解陶瓷。这 类材料的组成中含有能够通过人体正常的新陈代谢进行转换 的钙（Ca）、磷（P）等元素，或含有能与人体组织发生键 合的羟基（-OH）等基团。
缺点
在于惰性材料仅仅是以机械锁合的方式进行骨 的替换与修复，而不能与活体组织有效键合。
Ancleregg 等 对15 例中度或重度牙周炎患者的30 处下磨牙根分 叉病变进行治疗, 随机分为实验组、对照组。实验组行根向复位瓣术加 生物玻璃(45S5 倍骼生)植入, 对照组仅用根向复位瓣术, 并以探诊出血 情况及探诊牙周袋深度作为评价标准。结果显示实验组效果明显优于 对照组。故认为生物玻璃是治疗I I 型根分叉病变的有效材料。
熔融法 制备钙磷微晶玻璃的试验方法
溶胶-凝胶法
11
多孔微晶玻璃的制备方法
一是利用玻璃分相原理，经热处理在玻璃中获得可溶晶相， 再用酸侵蚀掉可溶相，形成多孔材料。 二是先合成玻璃粉末然后加入诸如CaCO3 、PMMA、淀粉 等作发泡剂，烧结发泡成为多孔材料。
（2）钙磷微晶玻璃的组成 目前生物玻璃主要被用作骨的替代材料，根据天然骨的成分
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D. Arcos, R. P.del Real, M. Vallet-Reg ì. A novel bioactive and magnetic biphasic material[J]. Biomaterials, 2002(23): 21512158.
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生物活性陶瓷
生物活性陶瓷包括表面生物活性陶瓷和生物降解陶瓷。这 类材料的组成中含有能够通过人体正常的新陈代谢进行转换 的钙（Ca）、磷（P）等元素，或含有能与人体组织发生键 合的羟基（-OH）等基团。
生物医学工程专业介绍
(二)生物医学信号检测与处理
传统听诊法： 1 医生经验 2 主观性
生物医学工程方法： 1 直观形象 2 客观性 3 永久保存，便于分析讨论
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19.11.2020刘忠国_生物医学工程_山东大学
(二) 生物医学信号检测与处理
心电检测
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(二) 生物医学信号检测与处理
生物医学工程由来
目前，我国许多高校科研单位均设有 生物医学工程机构，从事着生物医学的 科研教学工作，在我国生物医学工程科 学事业的发展中发挥着重要作用。
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19.11.2020刘忠国_生物医学工程_山东大学
五、生物医学工程研究的内容
生物系统的建模与控制 生物医学信号检测与处理 医学图像技术与仪器 远程医疗 康复工程 生物医学材料 ……
但总体看，我国生物医学工程产业集聚程度低， 全国医疗器械生产企业多达12243家，年销售额 1亿元以上的企业只有60余家；
产品性能普遍落后，技术含量高的大型生物医学 工程产品少。
4
19.11.2020刘忠国_生物医学工程_山东大学
我国对生物医学工程的支持与重视
为加快生物医学工程产业发展，国家计委在“十 五” “十一五”期间组织实施了生物医学工程高 技术产业化专项基金。
13
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(一) 生物系统的建模与控制
生物系统是一个动态系统,建立生
物系统的数学模型,有利于获得生
物系统的动态与定量的知识,解决
中 国
生物医学中有关作用机制等基础
女 一
性问题,因而生理系统的仿真与建
号
模在生物医学研究领域中已日益
材料科学第二章生物材料ppt文档
一次性使用真空采血管
敷料、人工皮肤和组织工程皮肤
敷料和人工皮肤是使用量很大的一种生物材料产品 （1）敷料以脱脂棉、无纺布、纤维素、明胶、胶原等传统材料 为主。目前针对不同用途，开发在敷料中加入少量药物或生长 因子的新品种，这种新敷料可起到一定的辅助治疗作用
封闭负压引流技术
人工皮肤主要作用是暂时封闭创面，减少创面裸露引发的并发症，并 为随后的皮肤移植提供良好的受体床。 异体或异种皮：这是目前最常用的人工皮肤，此类覆盖物粘附性强， 具有良好的屏障保护功能、止血性能及减轻疼痛等效果，可广泛用于 供皮区，浅度创面及深度切痂创面。异体皮来源有限，存在传播细菌、 真菌及病毒性疾病的危险。异种皮主要是辐照消毒的猪皮，但其弹性 稍差，表皮易脱落，并且具有抗原性，可引起受体排斥反应，覆盖创 面时间有限。最近第三军医大学采用转基因猪皮可使覆盖创面时间延 长一倍。
概述
生物材料和人工器官统称为材料类医疗器械，约占整个医疗器械产值的 一半。
近年来全球医疗器械发展较快，以年10％的速度递增. 全世界：2000年的产值约1700亿美元 预计2015年世界市场可达US$3000亿美元，2020年达US$6000亿美元， 我国：近10余年来我国生物材料虽然保持高达30%的复合增长率，但 2010年市场仅达100亿美元，占世界市场份额仅6.5%，且技术高端的产 品和其关键核心技术仍然基本上为外商所控制，70-80%的高技术产品依 靠进口。
生物材料科学的发展
生物材料这一科学分支到上世纪六十年代末、七十年代初成型，并 于1975年成立国际生物材料学会。目前国际大多数著名大学设立与 生物材料相关的院系和研究机构，有关生物材料的研究、开发十分 活跃，大量的生物材料在临床上用于人工器官、牙科材料、药物控 制释放、组织工程等领域，已形成千亿美圆的巨大市场。
一种典型半导体材料SiC2PPT课件
2.SiC衬底的制备
SiC单晶的加工：
要求：表面超光滑、无缺陷、无损伤。 重要性：直接影响器件的性能。 难度：SiC的莫氏硬度为9.2，难度相当大。
工艺流程： 切割：用金刚线锯。 粗、精研磨：使用不同粗细的碳化硼和金刚石颗粒加 粗磨和精磨。 粗抛光：机械抛光，用微小的金刚石粉粒进行粗抛。 精抛光：化学机械抛光。
国内在SiC生长起步较晚，目前主要是山东大学、中科院上海硅酸盐研究所、中科院 物理所等单位开展SiC单晶生长制备技术研究，山东大学2019年在实验室生长出了3英寸
6H-SiC单晶。
2.SiC衬底的制备
物理气相传输法（PVT）：
核心装置如右图所示：
SiC原料的升华和晶体的再生长在一个封闭的石墨 坩埚内进行，坩埚处于高温非均匀热场中。SiC原料 部分处于高温中，温度大约在2400~2500摄氏度。 碳化硅粉逐渐分解或升华，产生Si和Si的碳化物混 合蒸汽，并在温度梯度的驱使下向粘贴在坩埚低温 区域的籽晶表面输送，使籽晶逐渐生长为晶体。
5.SiC光电器件的前景
随着各个国家在SiC项目上投入力度的加大，SiC功率器件面临的技术难题正 在逐步降低，只要SiC功率器件可靠性问题解决，随着大尺寸SiC器件的发展， 价格最终不会成为制约的瓶颈。
随着SiC功率器件在民用领域特别是电动汽车领域的推广应用，相信不久的将 来，SiC功率器件会大量的应用于军事和民用的各个领域。
SiC紫外探测器： PN结型 PIN型 异质结型 肖特基势垒型 金属-半导体-金属（MSM）型
6.SiC紫外探测器的制备
实例：SiC肖特基紫外光电探测器件的研制。
器件制备的半导体材料：4H-SiC；衬底： N+型，电阻率0.014Ω*cm，厚度300um； 外延层：N型，掺杂浓度3.3E15/cm3，厚度 10um。
山东大学介绍PPT课件
国际合作
山东大学国内外合作交流十分活跃。学校积 极推进校校合作，先后与武汉大学等15所高校 建立全面合作关系，启动了包括本科生和研究 生互换培养（访学）、师资共享、科研合作等 内容的交流项目，现已接收国内14所高校访学 学生共1227人，派往国内9所高校访学学生共 914人。国际合作与交流不断加强，先后与美 国等40多个国家或地区的70多所大学建立了校 际协议关系，与100多个学术机构建立了学术 合作关系；近5年共有2000余人次出国（境） 访问、进修、参加学术会议及合作研究；接待 短期交流、访问考察人数达2500多人次
济南市山大南路27号 邮编250100
文学与新闻传播学院 历史文化学院 数学与系统科
学学院 物理学院 化学与化工学院 经济学院
生命科学学院 经济研究院（中心） 信息科学与工
程学院 环境科学与工程学院 晶体材料研究所 管理
学院
环境研究院 马克思主义学院
大学外语教
学部 国际教育学院
文史哲研究院
山东大学洪家楼校区(又称东区老校)
电气工程学院 土建与水利学院
山东大学威海校区（又称山大威海分校）
威海市文化西路180号 邮编264209
韩国学院 商学院
法学院 新ห้องสมุดไป่ตู้传播学院
翻译学院 艺术学院
海洋学
院 机电与信息工程学院 空间科学与物理学院 继续教育学院 数学与统计学
院 国际教育学院
山大分校
教育成果
山东大学致力于培养中国最优秀的本科生和一流的研究 生。该校积极拓展素质教育，大力吸 引优质生源，发 挥综合性大学多学科交叉融合的优势，探索复合型人才 培养模式，不断完善创新创业人才培养体系，着力进行 教育创新，实行了本硕连读和本硕博连读、公共外语、 计算机实施分级教学，在全国高校首倡并大力推进“三 种经历”，即第二校园经历、海外求学经历、社会实践 经历，提高了学生的竞争力，稳步推进人才培养方案、 教学内容、专业和课程体系改革，人才培养质量明显提 高，为社会输送了大批优秀毕业生，毕业生深受社会的 欢迎。
生物医用镁合金 PPT课件
采用身体略向前倾的姿势有利于将上颌窦内积存的分泌物排出体外发展前景镁合金作为现有的金属生物材料的新一代替代品具有许多无可比拟的优势但同时它自身的耐腐蚀性能偏低仍然是我们面临的亟待解决的问题相信随着研究的逐步深入化和系统化在不久的将来镁及镁合金必将在未来的生物材料领域得到广泛的应用
生物医用镁合金
概述
潜在优势
• 镁合金作为生物医用材料，在力学性能、生物 相容性和可降解性三方面具有突出的优势 。
• 1、力学性能
• 镁及镁合金有高的比强度和比刚度,纯镁的比强度为 133GPa/(g/cm3),而超高强度镁合金的比强度已达到480 GPa/(g/cm3),比Ti6Al4V的比强度(260 GPa/(g/cm3))高 出近1倍。镁及镁合金的杨氏模量（约为45GPa）更接 近人骨的弹性模量(20GPa),能有效降低应力遮挡效应。 镁与镁合金的密度（约为1.7g/cm3）与人骨密度 (1.75g/cm3)接近, 符合理想接骨板的要求。因而用镁及 镁合金作为骨固定材料,能够在骨折愈合的初期提供稳定 的力学环境,逐渐而不是突然降低其应力遮挡作用,使骨 折部位承受逐步增大乃至生理水平的应力刺激,从而加速 愈合,防止局部骨质疏松和再骨折。
1、纯化镁合金
• 由于医用镁合金在体内主要通过电化学反应产生 腐蚀，杂质元素在镁合金基体中作为阴极相，促 进微电偶电池的形成，加速了基体的电化学腐蚀。 因而，提高医用镁合金的纯度，控制有害元素的 含量，使其处在允许的极限浓度范围内，可以显 著降低材料的腐蚀速率和改善镁合金的力学性能。
• 通过纯化镁合金的方法，虽然可以有效减缓镁合 金的降解，但是往往在去除杂质的同时，因为固 定相的减少，导致相应的力学性能降低
• 镁及镁合金由于密度低，比强度、比刚度高等优 异的综合性能已被广泛应用在航空航天、电子通 信、汽车制造等领域。从这十几年来国内外对镁 及镁合金各方面的报道发现镁作为硬组织植入材 料，与现已投入临床使用的各种金属植入材料相 比，具有资源丰富、与人骨的密致骨密度相近、 加工性能良好、能有效地缓解应力遮挡效应等优 势，另外镁离子对人体的微量释放是有益的，且 镁及其合金与生物相容性好、资源丰富、价格低。
生物医用镁合金
概述
潜在优势
• 镁合金作为生物医用材料，在力学性能、生物 相容性和可降解性三方面具有突出的优势 。
• 1、力学性能
• 镁及镁合金有高的比强度和比刚度,纯镁的比强度为 133GPa/(g/cm3),而超高强度镁合金的比强度已达到480 GPa/(g/cm3),比Ti6Al4V的比强度(260 GPa/(g/cm3))高 出近1倍。镁及镁合金的杨氏模量（约为45GPa）更接 近人骨的弹性模量(20GPa),能有效降低应力遮挡效应。 镁与镁合金的密度（约为1.7g/cm3）与人骨密度 (1.75g/cm3)接近, 符合理想接骨板的要求。因而用镁及 镁合金作为骨固定材料,能够在骨折愈合的初期提供稳定 的力学环境,逐渐而不是突然降低其应力遮挡作用,使骨 折部位承受逐步增大乃至生理水平的应力刺激,从而加速 愈合,防止局部骨质疏松和再骨折。
1、纯化镁合金
• 由于医用镁合金在体内主要通过电化学反应产生 腐蚀，杂质元素在镁合金基体中作为阴极相，促 进微电偶电池的形成，加速了基体的电化学腐蚀。 因而，提高医用镁合金的纯度，控制有害元素的 含量，使其处在允许的极限浓度范围内，可以显 著降低材料的腐蚀速率和改善镁合金的力学性能。
• 通过纯化镁合金的方法，虽然可以有效减缓镁合 金的降解，但是往往在去除杂质的同时，因为固 定相的减少，导致相应的力学性能降低
• 镁及镁合金由于密度低，比强度、比刚度高等优 异的综合性能已被广泛应用在航空航天、电子通 信、汽车制造等领域。从这十几年来国内外对镁 及镁合金各方面的报道发现镁作为硬组织植入材 料，与现已投入临床使用的各种金属植入材料相 比，具有资源丰富、与人骨的密致骨密度相近、 加工性能良好、能有效地缓解应力遮挡效应等优 势，另外镁离子对人体的微量释放是有益的，且 镁及其合金与生物相容性好、资源丰富、价格低。
生物材料学-第一章绪论ppt课件
例如，医用缝合线降解时会产生酸性物质， 如果量少，很容易被人体中的化学物质中和， 如果老化产物较大，则会对周围组织产生损害。
精选课件PPT
27
（3） 磨损
人工关节常用材料为Ti6Al4V，由于表面易氧化生成 TiO2，其耐磨性差，植入人体后，磨损造成在关节周围组 织形成黑褐色稠物，从而引起疼痛。钛合金人工全髋关节 平均寿命一般都低于10年。
32
目前已有的标准有：
▪ 血液相容性。材料用于心血管系统与血液接触，主 要考察与血液的相互作用.
▪ 与心血管外的组织和器官接触。主要考察与组织的 相互作用，也称一般生物相容性
▪ 力学相容性。考察力学性能与生物体的一致性。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。
精选课件PPT
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
精选课件PPT
23
（1）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。将对生物金属材料产生腐 蚀。
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25
（2） 聚合物降解
聚合物在长期使用过程中，由于受到氧、 热、紫外线、机械、水蒸气、酸碱及微生物等 因素作用，逐渐失去弹性，出现裂纹，变硬、 变脆或变软、发粘、变色等，从而使它的物理 机械性能越来越差的现象。
精选课件PPT
26
聚合物老化易形成的碎片、颗粒、小分子
量单体物质，因此使用它时必须谨慎，对耐久 性器件，必须保持一定强度和其它机械性能， 老化产物不能对周围组织有毒害作用。
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27
（3） 磨损
人工关节常用材料为Ti6Al4V，由于表面易氧化生成 TiO2，其耐磨性差，植入人体后，磨损造成在关节周围组 织形成黑褐色稠物，从而引起疼痛。钛合金人工全髋关节 平均寿命一般都低于10年。
32
目前已有的标准有：
▪ 血液相容性。材料用于心血管系统与血液接触，主 要考察与血液的相互作用.
▪ 与心血管外的组织和器官接触。主要考察与组织的 相互作用，也称一般生物相容性
▪ 力学相容性。考察力学性能与生物体的一致性。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。
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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
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（1）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。将对生物金属材料产生腐 蚀。
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25
（2） 聚合物降解
聚合物在长期使用过程中，由于受到氧、 热、紫外线、机械、水蒸气、酸碱及微生物等 因素作用，逐渐失去弹性，出现裂纹，变硬、 变脆或变软、发粘、变色等，从而使它的物理 机械性能越来越差的现象。
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26
聚合物老化易形成的碎片、颗粒、小分子
量单体物质，因此使用它时必须谨慎，对耐久 性器件，必须保持一定强度和其它机械性能， 老化产物不能对周围组织有毒害作用。
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22
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• 形状记忆合金可以分为三种：
• 单程记忆效应 • 双程记忆效应 • 全程记忆效应
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• 特点：奇特的形状记忆功能、质轻、磁性微弱、强
度较高、耐疲劳性能、高回弹性和生物相容性好等。
• 应用：
• 管腔狭窄的治疗（喉气管狭窄、食管狭窄、胆道狭窄、
尿道狭窄及闭锁等）：支架安入管腔狭窄的部位后，能 将狭窄管腔撑开，并与管壁相贴紧，固定好；其生物相 容性好，长期安放对黏膜无明显损伤；其高回弹性能顺 应管道的弯曲，对人体刺激小。
合金，又称外科用金属材料。它是一类生物惰 性材料，除具有较高的机械强度和抗疲劳性能， 具有良好的生物力学性能及相关的物理性质外， 还必须具有优良的抗生理腐蚀性、生物相容性、 无毒性和简易可行及确切的手术操作技术 .
8
• 该材料是临床应用最广泛的承力植入材料，由
于有较高的强度和韧性，已成为骨和牙齿等硬 组织修复和替换、心血管和软组织修复以及人 工器官制造的主要材料。
• 化学周期表中的大部分金属不符合生物材料的
要求，仅有小部分或经处理过的可用于临床。 目前在临床使用的医用金属材料主要有不锈钢、 钴基合金和钛基合金三大类，另外还有记忆合 金、贵金属以及纯金属钽、铌和锆等。
9
• 常用医用金属材料
• 不锈钢 • 钴（Co）基合金 • 钛（Ti）基合金 • 形状记忆合金 • 贵金属 • 纯金属钽 • 纯金属铌 • 纯金属铬
如胶原与聚乙烯醇的交联杂化等
• 复合生物材料—用碳纤维增强的塑料，用碳纤维或玻璃纤
维增强的生物陶瓷、玻璃等
6
• 生物材料是研制人工器官及一些重要医疗技术的
物质基础，综观人工器官及医疗装置的发展史， 每一种新型生物材料的发现都引起了人工器官及 医疗技术的飞跃。
• 生物惰性医用硅橡胶—人工耳、人工鼻、人工颌骨等 • 血液相容性较好的各向同性碳被复材料—碟片式机械
生物材料
• 生物医学材料的发展概况 • 生物材料的分类及性能 • 医用金属材料 • 医用高分子材料 • 其他生物医学材料 • 生物医学材料的安全性 • 生物材料的发展趋势 • 纳米医学材料简介
1
4.1 生物医学材料的发展概况
• 生物医学材料是生物医学科学中的最新分支学
科，是生物、医学、化学和材料科学交叉形成 的边缘学科。具体涉及到化学、物理学、高分 子化学、高分子物理学、生物物理学、生物化 学、生理学、药物学、基础与临床医学等很多 学科 。
心脏瓣膜
• 血液亲和性及物理机械性能较好的聚氨酯嵌段共聚
物—促使人工心脏向临床应用跨越一大步
• 可形成假生物内膜的编织涤纶管—人工血管向实用化
飞跃。
7
4.3 医用金属材料
• 在生物医学材料中，金属材料应用最早，已有
数百年的历史。唐代就用银汞合金（主要成份： 汞、银、铜、锡、锌）来补牙。
• 医用金属材料是指一类用作生物材料的金属或
• 器官移植取得巨大进展，但有难题：排异、器
官来源、法律、伦理等。因此医学界对生物医 学材料和人工器官的要求日益增加。
3
• 按生物材料的属性分类：
• 天然生物材料—再生纤维、胶原、透明质酸、甲壳素等。 • 合成高分子生物材料—硅橡胶、聚氨脂及其嵌段共聚物、
涤纶、尼龙、聚丙烯腈、聚烯烃
• 医用金属材料—不锈钢、钛及钛合金、钛镍记忆合金等 • 无机生物医学材料—碳素材料、生物活性陶瓷、玻璃材料 • 杂化生物材料—指来自活体的天然材料与合成材料的杂化，
• 抗断裂强度较低，耐磨性能不尽人意，加工困难。
冶炼及成型工艺复杂，要求条件较高。
• 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。
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头 颅 微 型 钢 板
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钛 板
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4.3.1 不锈钢
• 铁基耐蚀合金（一般由铁、铬、镍、钼、
锰、硅组成），易加工、价格低廉 。
• 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。
• 一般不锈钢制成多种形体，如针、钉、
髓内针、齿冠、、三棱钉等器件和人工 假体而用于临床，不锈钢还用于制作各 种医疗仪器和手术器械。
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器械包 12
• 由于其价格较高，加工困难，应用尚不普及。
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人造髋关节的头杆部分。从股骨上端插
进金属杆，杆头有一个金属头，它嵌在 粘于髋骨窝中的一个塑料臼中。
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4.3.3 钛（Ti）基合金
• 临床应用广泛，其质轻、比强度高、力学性质接近
人骨、强度远低于纯钛，耐疲劳、耐蚀性均优于不 锈钢和钴基合金，且生物相容性和表面活性好，是 较为理想的一种植入材料。
4.3.2 钴（Co）基合金
• 含有较高的铬和钼，又称钴铬钼合金，具有极为优
异的耐腐蚀性（比不锈钢高40倍）和耐磨性，综合 力学性能和生物相容性良好，可通过精密铸造成形 状复杂的精密修复体，有硬、中、软三种类型。
• 临床上主要用于
• 人工关节（特别是人体中受载荷最大的髋关节） • 人工骨及骨科内处固定器件的制造 • 齿科修复中的义齿，各种铸造冠、嵌体及固定桥的制造 • 心血管外科及整形科等
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4.3.4 形状记忆合金
自1951年美国首次报道Au-Cd（金-镉） 合金具有形状记忆效应以来，目前已发 现有20多种记忆合金，其中以镍钛合金 在临床上应用最大。它在不同的温度下 表现为不同的金属结构相。如低温时为 单斜结构相，高温时为立方体结构相， 前者柔软可随意变形，如拉直式屈曲， 而后者刚硬，可恢复原来的形状，并在 形状恢复过程中产生较大的恢复力。
• ISO定义，生物材料（Biomaterials）即生物医
学材料（Biomedical Materials），它是指“以 医疗为目的，用于与组织接触以形成功能的无 生命的材料”。另有定义是：具有天然器官组 织的功能或天然器官部分功能的材料。
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• 生物材料的开发和利用可追溯到3500年前，那
时的古埃及人就开始利用棉纤维、马鬃作缝合 线缝合伤口；印第安人则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。人类很早就用黄金来修 复缺损的牙齿，并沿用至今。1588年人们用黄 金板修复颚骨。1775年就有用金属固定体内骨 折的记载。1851年发明了天然橡胶的硫化方法 后，有人采用硬胶木制作了人工牙托的颚骨。
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• 形状记忆合金可以分为三种：
• 单程记忆效应 • 双程记忆效应 • 全程记忆效应
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• 特点：奇特的形状记忆功能、质轻、磁性微弱、强
度较高、耐疲劳性能、高回弹性和生物相容性好等。
• 应用：
• 管腔狭窄的治疗（喉气管狭窄、食管狭窄、胆道狭窄、
尿道狭窄及闭锁等）：支架安入管腔狭窄的部位后，能 将狭窄管腔撑开，并与管壁相贴紧，固定好；其生物相 容性好，长期安放对黏膜无明显损伤；其高回弹性能顺 应管道的弯曲，对人体刺激小。
合金，又称外科用金属材料。它是一类生物惰 性材料，除具有较高的机械强度和抗疲劳性能， 具有良好的生物力学性能及相关的物理性质外， 还必须具有优良的抗生理腐蚀性、生物相容性、 无毒性和简易可行及确切的手术操作技术 .
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• 该材料是临床应用最广泛的承力植入材料，由
于有较高的强度和韧性，已成为骨和牙齿等硬 组织修复和替换、心血管和软组织修复以及人 工器官制造的主要材料。
• 化学周期表中的大部分金属不符合生物材料的
要求，仅有小部分或经处理过的可用于临床。 目前在临床使用的医用金属材料主要有不锈钢、 钴基合金和钛基合金三大类，另外还有记忆合 金、贵金属以及纯金属钽、铌和锆等。
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• 常用医用金属材料
• 不锈钢 • 钴（Co）基合金 • 钛（Ti）基合金 • 形状记忆合金 • 贵金属 • 纯金属钽 • 纯金属铌 • 纯金属铬
如胶原与聚乙烯醇的交联杂化等
• 复合生物材料—用碳纤维增强的塑料，用碳纤维或玻璃纤
维增强的生物陶瓷、玻璃等
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• 生物材料是研制人工器官及一些重要医疗技术的
物质基础，综观人工器官及医疗装置的发展史， 每一种新型生物材料的发现都引起了人工器官及 医疗技术的飞跃。
• 生物惰性医用硅橡胶—人工耳、人工鼻、人工颌骨等 • 血液相容性较好的各向同性碳被复材料—碟片式机械
生物材料
• 生物医学材料的发展概况 • 生物材料的分类及性能 • 医用金属材料 • 医用高分子材料 • 其他生物医学材料 • 生物医学材料的安全性 • 生物材料的发展趋势 • 纳米医学材料简介
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4.1 生物医学材料的发展概况
• 生物医学材料是生物医学科学中的最新分支学
科，是生物、医学、化学和材料科学交叉形成 的边缘学科。具体涉及到化学、物理学、高分 子化学、高分子物理学、生物物理学、生物化 学、生理学、药物学、基础与临床医学等很多 学科 。
心脏瓣膜
• 血液亲和性及物理机械性能较好的聚氨酯嵌段共聚
物—促使人工心脏向临床应用跨越一大步
• 可形成假生物内膜的编织涤纶管—人工血管向实用化
飞跃。
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4.3 医用金属材料
• 在生物医学材料中，金属材料应用最早，已有
数百年的历史。唐代就用银汞合金（主要成份： 汞、银、铜、锡、锌）来补牙。
• 医用金属材料是指一类用作生物材料的金属或
• 器官移植取得巨大进展，但有难题：排异、器
官来源、法律、伦理等。因此医学界对生物医 学材料和人工器官的要求日益增加。
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• 按生物材料的属性分类：
• 天然生物材料—再生纤维、胶原、透明质酸、甲壳素等。 • 合成高分子生物材料—硅橡胶、聚氨脂及其嵌段共聚物、
涤纶、尼龙、聚丙烯腈、聚烯烃
• 医用金属材料—不锈钢、钛及钛合金、钛镍记忆合金等 • 无机生物医学材料—碳素材料、生物活性陶瓷、玻璃材料 • 杂化生物材料—指来自活体的天然材料与合成材料的杂化，
• 抗断裂强度较低，耐磨性能不尽人意，加工困难。
冶炼及成型工艺复杂，要求条件较高。
• 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。
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头 颅 微 型 钢 板
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钛 板
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4.3.1 不锈钢
• 铁基耐蚀合金（一般由铁、铬、镍、钼、
锰、硅组成），易加工、价格低廉 。
• 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。
• 一般不锈钢制成多种形体，如针、钉、
髓内针、齿冠、、三棱钉等器件和人工 假体而用于临床，不锈钢还用于制作各 种医疗仪器和手术器械。
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器械包 12
• 由于其价格较高，加工困难，应用尚不普及。
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人造髋关节的头杆部分。从股骨上端插
进金属杆，杆头有一个金属头，它嵌在 粘于髋骨窝中的一个塑料臼中。
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4.3.3 钛（Ti）基合金
• 临床应用广泛，其质轻、比强度高、力学性质接近
人骨、强度远低于纯钛，耐疲劳、耐蚀性均优于不 锈钢和钴基合金，且生物相容性和表面活性好，是 较为理想的一种植入材料。
4.3.2 钴（Co）基合金
• 含有较高的铬和钼，又称钴铬钼合金，具有极为优
异的耐腐蚀性（比不锈钢高40倍）和耐磨性，综合 力学性能和生物相容性良好，可通过精密铸造成形 状复杂的精密修复体，有硬、中、软三种类型。
• 临床上主要用于
• 人工关节（特别是人体中受载荷最大的髋关节） • 人工骨及骨科内处固定器件的制造 • 齿科修复中的义齿，各种铸造冠、嵌体及固定桥的制造 • 心血管外科及整形科等
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4.3.4 形状记忆合金
自1951年美国首次报道Au-Cd（金-镉） 合金具有形状记忆效应以来，目前已发 现有20多种记忆合金，其中以镍钛合金 在临床上应用最大。它在不同的温度下 表现为不同的金属结构相。如低温时为 单斜结构相，高温时为立方体结构相， 前者柔软可随意变形，如拉直式屈曲， 而后者刚硬，可恢复原来的形状，并在 形状恢复过程中产生较大的恢复力。
• ISO定义，生物材料（Biomaterials）即生物医
学材料（Biomedical Materials），它是指“以 医疗为目的，用于与组织接触以形成功能的无 生命的材料”。另有定义是：具有天然器官组 织的功能或天然器官部分功能的材料。
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• 生物材料的开发和利用可追溯到3500年前，那
时的古埃及人就开始利用棉纤维、马鬃作缝合 线缝合伤口；印第安人则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。人类很早就用黄金来修 复缺损的牙齿，并沿用至今。1588年人们用黄 金板修复颚骨。1775年就有用金属固定体内骨 折的记载。1851年发明了天然橡胶的硫化方法 后，有人采用硬胶木制作了人工牙托的颚骨。