第9章 生物医学功能材料
生物医学材料的表面改性与功能化
生物医学材料的表面改性与功能化随着科技的不断发展，生物医学材料得到了广泛的应用，它们被广泛运用于人体内部和外部，如人体缺陷修复、皮肤的治疗、药物传递等方面。
不过，一个生物医学材料的使用并不仅仅是由组成材料的基础物质决定，更是由它表面所具有的特性所决定。
这里我们就来谈谈生物医学材料的表面改性与功能化。
一、表面改性的概念及其意义表面改性是指通过改变材料表面的化学结构、形貌或物理性质，来调控其表面性质，达到一定的技术要求。
表面改性技术包括化学氧化、还原、气相沉积、物理吸附和离子注入等，它们改性所得到的材料具有了新的功能和特性。
表面改性的意义在于:1. 提高材料的表面能：降低接触角，实现润湿现象，提高润湿性。
2. 改善材料的疏水性能：使液体在材料表面形成凯西效应，达到有效的防水效果。
3. 增加材料的耐磨性：使材料表面更加耐用，延长使用寿命。
4. 给材料具有抗污染性：使材料表面不易被生物质附着，减少污染。
二、生物医学材料的表面改性可以有很多种，做到这一点有很多技术可以选择。
有些表面改性技术不仅可以改变材料表面的化学结构，还可以改变材料表面的电学性质、热学性质等。
这些改性可以增加材料的抗污性、增加生物吸附能力、抑制细胞增生和细胞繁殖等功能。
其中，以下四种生物医学材料表面改性与功能化方法应用最为广泛。
1. 聚合改性聚合改性方法是近年在材料表面改性领域中一种应用广泛的方法。
聚合改性主要是通过表面聚合反应对材料进行改性。
这种表面聚合反应有两种主要类型，一种是原位聚合，在材料表面形成聚合物薄层；另一种是外源聚合，先制备出具有引发剂的活性分子和单体混合体系，然后涂覆在材料表面，通过化学反应在材料表面形成聚合层。
聚合改性的应用范围极广，它可以用于提高生物医学材料表面的亲水性、抗氧化性、耐磨性和抗菌性等。
2. 化学改性化学改性通常是通过与已有材料进行化学反应，以改变材料表面的性质，使其具有特定的功能。
化学改性技术包括氧化、还原、酯化、羧化、磷化等，通过这些反应在材料表面形成新的化学结构，使材料表面具有新的性质和功能。
《功能材料》课件
化学气相沉积是利用气态 物质在加热的基材表面发 生化学反应，生成固态沉 积物的制备方法。
电化学沉积是利用电解液 中的离子在电极上发生氧 化还原反应，生成固态沉 积物的制备方法。
溶胶-凝胶法是利用溶液 中的前驱体在加热条件下 发生水解和缩聚反应，形 成凝胶，再经过干燥和热 处理得到固态产物的方法 。
生物法
应用领域拓展挑战
虽然功能材料在某些领域已经得到了广泛应用， 但在其他领域的应用还比较有限，需要进一步拓 展其应用领域。
功能材料的发展前景
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广泛应用
随着科技的不断发展，功 能材料的应用领域将越来 越广泛，如能源、环保、 医疗、航空航天等。
创新发展
未来功能材料将不断涌现 出新的品种和性能更优的 材料，如新型高温超导材 料、纳米材料等。
产业升级
随着功能材料产业的不断 发展，将促进相关产业升 级和转型，如智能制造、 新能源等。
THANKS
谢谢
利用功能材料实现高效储能， 如锂离子电池和超级电容器。
电子信息领域
总结词
功能材料在电子信息领域中具有广泛 的应用，涉及集成电路、显示技术、 通信技术等。
集成电路
利用功能材料制造微电子器件，实现 高速、低功耗的集成电路。
显示技术
利用功能材料制造液晶显示器、有机 发光二极管显示器等显示器件。
通信技术
利用功能材料实现高速、大容量的通 信传输，如光纤通信和5G通信。
生物医学领域
总结词
功能材料在生物医学领域中具有重要应用，涉及 医疗器械、药物传递、生物成像等。
药物传递
利用功能材料实现药物的靶向传递和控释，提高 药物的疗效和降低副作用。
ABCD
《生物医用材料》课程教学大纲
《生物医用材料》课程教学大纲课程编号：BFMA2004课程类别：专业基础课授课对象：材化部生物功能材料专业大学三年级本科生开课学期：春季学分：3 学分/54 学时主讲教师：孟凤华教授指定教材：巴迪•D.拉特纳等编著、顾忠伟等译校的《生物材料料学：医用材料导论(原书第2版中文版)》，2011。
教学目的：生物医用材料学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。
生物医用材料学是生物医学工程学的四大支柱之一，因此生物医用材料学是生物医学工程系本科学生必不可少的的一门专业课程。
生物医学材料学是多门学科相互借鉴结合、相互交叉渗透、突破旧有学科的狭小范围而开创的一门新学科。
本课程较系统的介绍生物医用材料学的基本概念，主要内容，研究现状及发展趋势，力求对生物医用材料学领域所涉及的材料学、化学、生物学、医学的有关知识进行较详细的介绍。
以《生物医学材料学》为主要讲授内容，并结合科研和本学科发展最新动态，补充讲授纳米药物输送、组织工程等新内容。
通过本课程的学习，使学生对生物医用材料学科的内容和知识有一个全面的了解，开拓知识面，为今后的深造和科研打下基础。
概述课时：共1课时教学内容：序言生物材料科学：多学科奋进的科学生物材料的发展历史第1部分材料科学与工程第1章材料性质课时：共2课时教学内容：1.1 引言1.2 材料的本体性质1.3 有限元分析1.4 材料的表面性质和表征1.5 水在生物材料中的作用思考题：1、简述影响材料的本体性质及测定方法。
2、简述材料的表面性质及常用的表面分析方法。
3、水在生物材料中起什么作用？第2章医用材料的种类课时：共12课时教学内容：2.1 引言2.2 聚合物2.3 硅树脂生物材料：历史和化学2.4 医用纤维和生物纺织品2.5 水凝胶2.6 “智能聚合物”作为生物材料的应用2.7 生物吸收及生物侵蚀材料2.8 天然材料2.9 金属2.10 陶瓷、玻璃及玻璃一陶瓷2.11 热解碳——用于长期植入的生物材料2.12 复合材料2.13 无污染表面2.14 医用材料的物理化学表面修饰2.15 纹状和多孔材料2.16 表面固定化生物分子思考题：1、简述生物材料表面修饰的基本技术。
生物医用材料
生物医用材料分类（按材料属性）
医用金属材料：包括不锈钢、钴基合金，钛及合金等，广泛应用于人工假 体、人工关节、医疗器械等。
医用无机材料：主要是生物陶瓷。分为惰性生物陶瓷，如氧化铝生物陶瓷； 表面生物活性陶瓷，如磷酸钙基生物陶瓷；可降解生物陶瓷，如β-磷酸三 钙陶瓷等。 医用高分子材料：根据来源分为天然的和合成的，天然的如多糖类、蛋白 类，合成的聚氨酯、聚乙烯、聚乳酸、聚四氟乙烯等，用于人体器官、组 织、关节、药物载体等。
以纯钛和TC4 (Ti-6Al-4V) 为主，这类合金强度不如 钴合金,但耐腐蚀性好， 与人体组织反应很弱，钛 合金的密度小，弹性模量 低，接近于天然骨。广泛 用于制作各种人工关节、 接骨板、骨螺钉与骨折固 定针等，也用于制作牙根种植体等，呈现出良好的耐 疲劳性能。
在未来20--30年内，生物医用材料和植入器械科学 和产业将发生革命性变化：一个为再生医学提供可诱导 组织或器官再生或重建的生物医用材料和植入器械新产 业将成为生物医用材料产业的主体；表面改性的常规材 料和植入器械作为其重要的补充。保守估计，2030年左 右两者可能导致世界高技术生物材料市场增长至≈US.5 万余亿元，与此相应，带动相关产业新增间接经济效益 可达5万余亿美元。
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不锈钢成本低，但在体内有腐 蚀和组织反应等, 不锈钢中添 加Mo可克服铬钝化膜在氧化环 境中耐腐蚀性能, 如加Mo的316、 317。降低碳含量，如的316L可 防止晶间腐蚀.常用来制作各种 人工关节和骨折内固定器、截 骨连接器等，也用于牙科等各 种器件制造。使用超低碳
加Mo的钴基合金，已用于生物体中。例如Co-Cr-Ni-FeMo合金用在牙科和整形外科，这种合金的耐腐蚀性是一 般不锈钢如316的40倍。 钴基铬钼合金的生物相容 性超过铁铬镍和钴铬合金。 钴基合金的耐磨性是所有 医用金属材料中最好的， 与不锈钢相比，更适于制 造体内承载苛刻的长期植 入件.
第九章 金属功能材料
马氏体相变与热弹性马氏体相变 马氏体相变晶体学模型
f.c.c. b.c.c
在外界条件作用下，材 料由一种晶体结构变成 另一种晶体结构，力学、 物理、化学性能也随之 改变，当条件恢复时材 料的晶体结构也恢复到 原来状态，性质也随之 复原。
马氏体转变 需要有很大 的过冷度
产生大量晶 体缺陷、界 面不可动
第九章 金属功能材料
功能材料的定义 ：具有优良的电学、磁学、 光学、热学、声学、力学、化学和生物学 等功能及其相互转换的功能，被用于非结 构目的高技术材料。
1965年，美国贝尔实验室的 J. A. Morton博 士首次提出了功能材料的概念。 性能：以材料的电、磁、声、光等物理、 化学和生物学特性为主。 微观结构：具有超纯、超低缺陷密度、结 构高度精细等特点。
Cu基记忆合金中的基本相和相变： Cu基记忆合金的成分范围通常在相（电子 化合物）区。
相区成分的合金
高温淬 火冷却
亚稳的有序'相
热弹性马氏 体相变转变 加热
冷却
马氏体
Cu-Zn-Al合金相图的垂直截 面图(6 wt%Al)
（3） Fe基形状记忆合金 基本特点：具有强度高、易于加工成型等优 点，经济实用的合金。 主要合金：
导线材料 电阻材料 介电材料
线性 声探测材料 声阻尼材料
热学功能材料 力学功能材料 生物医学功能材料
…….
仪器仪表材料
基 于 材 料 的 用 途
传感器材料 电子材料 电讯材料 储能材料 形状记忆材料
…….
第一节 金属磁性材料
按磁化率分类: 抗磁性材料，顺磁性材料， 强磁性材 料 按矫顽力与磁极旋转分类: 软磁材料，硬磁材料，永磁材料，矩 磁材料，压磁材料，旋磁材料
功能陶瓷部分 生物医学材专选课件
• 钝化膜更稳定，耐蚀性更好，而且其耐磨性是所有医用金属材料中
最好的，植入体内不会产生明显的组织反应。
• 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
• 由于其价格较高，加工困难，应用尚不普及。
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。
• 1886年用钢片和镀镍钢治疗骨折，自此人工器官
比较广泛应用于临床
• 生物材料在20世纪80年代高速发展
包括生物环境对材料的腐蚀、降解、 磨损和性质退化，甚至破坏。
活体系统
材料反应 宿主反应
材料
包括局部和全身反应，如炎症、细胞 毒性、凝血、过敏、致癌、畸形和免 疫反应等。
4.2 生物材料必须具备的条件
(一)生物相容性
①对人体无毒、无刺激、无致畸、致敏、致突变或 致癌作用；
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；
具有一定形状的固体材料， 在某一低温下进行一定限 度以内的变形后，通过加 热到这种材料固有的某一 临界温度以上时，材料又 恢复到初始形状的现象， 称为形状记忆效应
具有形状记忆效应的材料 称为形状记忆材料
形状记忆效应的三种形式
单程 双程 全程
初始形状 低温变形 加热 冷却
Ti-Ni基形状记忆合金
功能材料
电子工业数千亿的全球市场，90%的市场份额是硬件 及其相关材料。
例B、能源工程的关键是新能源材料、 节能材料和储能材料
新能源技术：如受控核聚变、太阳能利用、地热发电、磁流体 发电、氢能贮存等方面的发展，很大程度上取决于新材料研制 和开发。 1973年世界受到第一次石油冲击，人类赖以生存的能源基础动 摇。日本作为“能源小国”对新能源的开发极为关注，如日本 通产省的“阳光普照”计划。80 年代，日本在香川县建造的输 出1000 kW的太阳能发电站。 例：太阳能是目前人类受惠最大的自然资源。从太阳能热水器、 太阳能电池发展到太阳能发电站。但太阳能是低值能源，只能 达到1KW/m2,且转换率只10-20%.要提高发电效率,必须从集热体、 半导体材料方向进行突破。（太阳能电池材料中目前最有希望 大量应用的是硅太阳能电池。单晶硅光电池光电转换效率高， 但材料价格较贵。多晶硅光电池效率只达13％，半导体GaAs的 转换效率可达 20 ％～28％。采用多层复合结构，通过选择性吸 收涂层和光谱转换涂层可进一步提高转换效率。 IBM 公司研制 的多层复合太阳能电池，转换效率高达40％）
例A、电子材料的研制与实用化是信息化时代发展的关键
在计算机领域，存储器是计算机的主要部件，而新型存储器材 料的问世将引起存储器的变迁，同时引起计算机运算速度与容量 的飞跃。存储器材料的变迁大致可分为四个阶段：由 1955年的存 储器为水银延迟线 1963 年的存储器为具有方形磁滞特性的铁氧 体磁心1970年涂敷的氧化铁粉（磁盘）近10年光存储技术（可 擦写光盘的介质材料有磁光型和相变型两类，磁光型光盘材料常 用稀土 - 过渡元素合金的非晶薄膜（ GdCo 、 TbFe等），相变型光 盘材料大多采用低熔点金属（铜基、银基合金等）。 在光电子领域，图像、数据的大容量传送、显示，记录、模式 识别等是光通信系统材料的关键技术要求，因此对于低损耗光纤 （光导纤维：高纯石英搀杂P、Ge等元素→氟化物玻璃光导纤维）、 红外检测器件、化合物半导体激光器和传真、硬复制，大屏幕显 示等相关材料的研制是其发展的基础和核心。
功能高分子材料论文 生物医学方面的应用
功能高分子材料论文(生物医学方面的应用)摘要：了解生物医用功能高分子材料近年来的应用研究及发展状况，综述国内外生物医用高分子材料的分类、特性及研究成果，展望对未来的生物医用高分子材料的发展趋势，通过介绍医用高分子材料在人工脏器、药剂及医疗器械方面的应用，以及我国近年来的研究情况和存在的问题,形成对生物医用功能高分子的认识和其重要性的认识。
关键词：功能高分子材料，生物医用高分子材料。
1 生物医用高分子材料的现状生物医用高分子材料是以医用为目的,用于和活体组织接触,具有诊断、治疗或替换机体中组织、器官或增进其功能的高分子材料,生物医用高分子材料是在高分子材料科学不断向医学和生命科学渗透,高分子材料广泛应用于医学领域的过程中,逐渐发展起来的一类生物材料,它已形成一门介于现代医学和高分子科学之间的边缘科学。
在功能高分子材料领域, 生物医用高分子材料可谓异军突起, 目前已成为发展最快的一个重要分支。
生物医用高分子材料的发展经历了三个阶段，第一阶段始于1937 年,其特点是所用高分子材料都是已有的现成材料, 如用丙烯酸甲酯制造义齿的牙床。
第二阶段始于1953 年, 其标志是医用级有机硅橡胶的出现, 随后又发展了聚羟基乙酸酯缝合线以及四种聚(醚- 氨) 酯心血管材料, 从此进入了以分子工程研究为基础的发展时期。
该阶段的特点是在分子水平上对合成高分子的组成、配方和工艺进行优化设计, 有目的地开发所需要的高分子材料。
目前的研究焦点已经从寻找替代生物组织的合成材料转向研究一类具有主动诱导、激发人体组织器官再生修复的新材料,这标志着生物医用高分子材料的发展进入了第三个阶段。
其特点是这种材料一般由活体组织和人工材料有机结合而成, 在分子设计上以促进周围组织细胞生长为预想功能, 其关键在于诱使配合基和组织细胞表面的特殊位点发生作用以提高组织细胞的分裂和生长速度在国外，生物医用高分子材料研究已有50多年的历史,早在1947 年美国已发表了展望性论文。