医用碳素材料种类性质及临床应用
3生物材料
——
生 物 医 学 工 程 导 论 生 物 材• 料 ——
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。
根据材料与生物体接触部位分为： • 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
– 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。
生 物 医 学 工 程 导 论 生 物 材 料 ——
附图：
图1.2 长骨干密质骨构造模式图
生 物 医 学 工 程 导 论 生 物 材 料
图1.3 皮肤的构造模式图
——
生 物 医 学 工 程 导 论 生 物 材 料
图1.4 骨细胞结构模式图
——
图1.5 细胞结构模式图
生 物 医 学 工 程 导 论 生 物 材 料 ——
§2 生物医用金属材料
• 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合 金，又称外科用金属材料。它是一类生物惰性材
工肺气体透过材料等
生 物 • 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， 医 纵观人工器官及医疗装置的发展史，每一种新型生物材料 学 的发现都引起了人工器官及医疗技术的飞跃。 工 – 生物惰性医用硅橡胶—人工耳、人工鼻、人工颌骨等 程 导 – 血液相容性较好的各向同性碳被复材料—碟片式机械心 论 脏瓣膜 生 物 材 料 ——
生 二、生物材料的性能 物 1. 生物功能性 医 学 指生物材料具备或完成某种ห้องสมุดไป่ตู้物功能时应该具有的 工 程 一系列性能。 导 根据用途主要分为: 论 生 物 材 料
绪论及第一章
如：Al2O3陶瓷、氟聚合物／金属基复合材料、生物活性玻 璃、自固化磷酸盐水泥和玻璃水泥、活性涂层材料等
3)耳鼻喉代用材料
如：Al2O3陶瓷、生物活性玻璃及生物活性微晶玻璃、 磷酸盐陶瓷
4)人工肌腱和韧带
生物陶瓷——主要是用于人体硬组织修复和重建 的生物医学陶瓷材料。 生物陶瓷的类型和特点 惰性生物陶瓷材料 可吸收生物材料 生物活性陶瓷 可治疗癌症的生物陶瓷
在生物体内与组织几乎不发生反应 惰性生物陶瓷： 或反应很小。 如：氧化铝陶瓷、碳、氧化锆 陶瓷、氮化硅陶瓷等。
生物 陶瓷
活性生物陶瓷： 在生理环境下与组织界面发生作用，
表1
几种主要的不锈钢的组成、性能和组织
◆
◆
铁素体和马氏体不锈钢的耐蚀性随含碳量的降低 和含铬量的增加而提高。
3Cr13和 4Crl3型马氏体不锈钢用于医疗器械， 如刀、剪、止血钳、针头等。 00Cr18Ni10型奥氏体不锈钢可制作各种人工关节 和骨折内固定器；在口腔科常用于镶牙、矫形和牙 根种植等器件的制作。
形成化学键结合。 如：羟基磷灰石等陶瓷及生物活性玻 璃，生物活性微晶玻璃。
可被吸收的生 在生物体内可被逐渐降解，被骨组 物降解陶瓷： 织吸收，是一种骨的重建材料。
如：磷酸三钙等。
各类生物医用材料性能比较
各种生物陶瓷在临床上的应用： 1)能承受负载的矫形材料，用在骨科、牙科及颌面上 2)种植齿、牙齿增高
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。 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。
浅析生物医学材料的应用
浅析生物医学材料的应用摘要：生物医学材料是当今社会医疗保健的一种高新技术产业，由于生物医学材料较其他化学材料来说毒副作用比较小，而且生物相容性是非常好的，因此，人们对生物医学材料的使用越来越广泛。
其在医学领域得到广泛应用，主要应用于各种外伤或疾病引起的组织器官破损修复，最为经典的就是假牙假皮移植，骨骼替换和神经修复。
本文将浅析生物医学材料各种分类及其应用。
关键词：医学材料；临床应用；器官修复生物医学材料是一种毒副作用较小，生物相容性比较好的具有特殊性能和特殊功能的一种医用材料，它对人的生命，组织器官是无害的。
它的发展是以提升人类卫生健康水品，疾病治疗，医疗保健为目的一种生物材料。
随着人口老龄化和中青年创伤的增长，人们对生物医学材料及成品的需求逐步增加。
过往陈旧的生物医学材料以及不足以满足人们的治疗需求，新型的生物医学材料如雨后春笋。
例如各类新型的假肢以及可以做到和人类原有的手臂相差无几，包括外形手感及功能。
下文便是对新型医学材料的介绍。
1新型医学材料的概述生物医学材料是与生物系统直接作用，用以诊断、医治或置换生物机体由疾病或外伤引起的组织器官破损以及增强组织细胞功效的材料。
1.1 医学材料的发展背景生物医学材料快速发展的原因主要有四个：人口老龄化加剧、人体组织器官寿命有限、中青年创伤增加、人民生活水平提高及健康意识的增强。
而国家政策有时也推动着产业的发展。
我国是拥有14亿人口的人口大国，人口老龄化及青年创伤高速增加，创伤住院人员已经成为仅次于恶性肿瘤即癌症的第二大住院人员。
生物医学材料存在庞大的潜在市场，特别是在国民经济的发展同时人民生活水平的不断提高，人民对生物医学材料的需求与日俱增。
以生物医学材料包裹药物，可以预测生物医学材料在癌症、白血病和老年痴呆等的治疗拥有着广阔的市场空间。
1.2 国内外发展现状我国与印度由于人口众多具有极大的市场潜力，国内的生物医学材料企业也是拔地而起，如乐普医疗、泰格医药等。
医用材料在医学中的应用.ppt
医用金属材料
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
不锈钢
1926年，不锈钢（18Cr-8Ni）作为第一种不锈钢植 入材料用于外科，替代了较易腐蚀的钢，1943年，美 国又推荐302型不锈钢用于骨折固定，后来加入钼的 18-8sMo不锈钢（316）的应用，进一步改善了材料 的抗腐蚀性能。1950年，将不锈钢中所含的碳量最大 限度地降低至0.08%-0.03%，从而研制出具有较好抗 腐蚀性能的316L不锈钢（L代表低碳含量）
生物体对生物材料的响应－宿主反应
（1）生物学反应
A: 血液反应 1、血小板血栓 2、凝血系统激活 3、纤溶系统激活 4、溶血反应 5、白细胞反应 6、细胞因子反应 7、蛋白粘附
B: 免疫反应
1、补体激活
2、体液免疫反应 （抗原－抗体反应）
3、细胞免疫反
C: 组织反应 1、炎症反应； 2、细胞粘附 3、细胞增殖（异常
虽然金属材料在生物体内保持惰性状态，但仍然可能会 有物质溶入生物组织中，并对生物体组织产生毒性反应， 造成组织的损害
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
非降解型：要求在生物环境中能长期保持稳定，不发生降解、 交联或物理磨损等，并具良好的物理机械性能。 包括聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸酯、芳香聚酯、聚硅 氧烷、聚甲醛等。主要用于人工脏器、骨和牙齿、肌 腱和韧带、血管、皮肤等组织及器官的修复和构造
可降解型：主要包括胶原、甲壳素、纤维素、氨基酸、聚乳酸、 聚乙醇酸等。主要用于组织工程支架材料和药物缓释 系统
硬组织生物材料生物陶瓷的性能和应用
硬组织生物材料生物陶瓷的性能和应用摘要生物医用材料是用于对生物体进行诊断、治疗、修复或替换其病损组织、器官或增进其功能的新型高技术材料。
生物陶瓷由于具有良好的生物相容性与骨传导性,能与细胞等生物组织表现出良好的亲和性,因此具有广阔的发展前景。
它作为生物硬组织的代用材料,可用于骨科、整形外科、牙科、口腔外科、心血管外科、眼外科、耳鼻喉科及普通外科等方面。
本文介绍生物陶瓷的分类、生物学特性及其在医用领域的应用。
生物医学材料已经成为生物医学工程的4大支柱产业之一，它为医学、药物学及生物学等学科的发展提供了丰富的物质基础。
作为材料学的一个重要分支，它对于促进人类文明的发展必将作出更大的贡献。
根据与生物组织的作用机制,生物陶瓷大致可分为生物活性陶瓷、生物惰性陶瓷。
生物活性陶瓷主要介绍羟基磷灰石(HA)的特性和其复合材料及其在硬组织工程中的应用。
包括纳米HA /胶原复合材料及通过复合卵磷脂、生长因子和细胞等来提高材料的生物活性。
本文也简单说明了生物活性玻璃和磷酸三钙的特性与应用现状。
生物惰性陶瓷主要介绍了临床广泛应用的氧化铝陶瓷和氧化锆陶瓷的生物学特性。
关键词：生物材料生物陶瓷硬组织生长因子中图分类号：R917Abstract: Biological medical material is used for diagnosis, treatment, biological repair or replacement of the diseased tissues, organs or promote its function of new high-tech materials. Biological ceramic with good biocompatibility and osteoconductivity, with cells and other biological tissues showed good affinity, so it has broad prospects for development. It as a biologic hard tissue substitute material, can be used for the Department of orthopedics, plastic surgery, dentistry, oral surgery, cardiovascular surgery, eye surgery, Department of ENT and general surgical aspects. This paper introduces the classification of biological ceramic, biological characteristics and its application in medical field. Biomedical Engineering biomedical materials have become one of the 4 pillar industries, it is medicine, pharmacology and biology development provided rich material basis. As an important branch of material science, promoting the development of human civilization will surely make greater contributions to.According to the interaction with tissue mechanism, biological ceramics can be divided roughly for bioactive ceramic, bioinert ceramics. Bioactive ceramic hydroxyapatite ( HA ) mainly introduces the characteristics and its composite material and its application in bone tissue engineering. Including nano HA / collagen composite material and through composite lecithin, growth factors and cell to improve the biological activity of the materials. The paper also illustrates the three calcium phosphate bioactive glass and the characteristics and should beThe status quo of the use. Biologically inert ceramic mainly introduces the clinical application of alumina ceramic and zirconia ceramic biological characteristicsKey words:biological materials biological ceramics hard tissue growth factor生物材料又叫做生物医用材料，分别来自于Biomedical Materials 和Biomaterials的译名。
常用的生物医学材料
生 物 传 感 器
生物传感器利用生物功能性物质的分子识别功能，有选 择的检测反应物质并把各种变化转换成可测信号。高分 子刺激响应材料多制成膜，膜孔的闭张状态可由环境因 素所控制，或是高分子链的构型、构象，理化特性会对 刺激因素发生变化
常用的生物医学材料
本节介绍几种常用的生物医学金属材料、 无机生物医学材料、高分子生物医学材料，以 及最近受到人们普遍关注的、有望制造出具有 高生理功能的人工器官的杂化生物医学材料。
本节介绍几种常用的生物医学金属材料、无机 生物医学材料、高分子生物医学材料，以及最近受到 人们普遍关注的、有望制造出具有高生理功能的人工 器官的杂化生物医学材料。
一、生物医学金属材料
金属材料是生物医学 材料中应用最早的。由金 属具有较高的强度和韧性， 适用于修复或换人体的硬 组织，早在一百多年前人 们就已用贵金属镶牙。随 着抗腐蚀性强的不锈钢、 弹性模量程骨组织接近铜 铁合金，以及记忆合金材 料、复合材料等新型生物 医学金属材料的不断出现， 其应用范围也在扩大。
3.与细胞的杂化
人工材料与细胞的杂化最早用于人工血管的伪内膜法。杂化 细胞材料还可用于生物传感器，还可制造生物人工器官。
人工血管
人工仿真耳
人工髋关节
END
常用的抗凝措施是：材料表面的肝素化、亲水化、负电荷化、 化学惰性化和生物活性化：也有采取假内膜或培育一层内皮细胞的 技术措施的。对高分子材料进行分子设计改性也望可取得较好的血 液相容性。
2.药用高分子材料
高分子化合物主要的三个方面 （1）作为控制释放药物的载体。 （2）作为药物使用。 （3）作为药物制剂的辅助材料。 特别是采用智能高分子材料，可使药物释放体系 （DDS）智能化。此体系的特点是药物是否需要可由药剂 本身判断，它可感知疾病引起的化学物质及物理量变化的 信号，药剂能对信号响应并自主地控制药物的释放。
医用复合材料举例
医用复合材料在医疗器械领域有广泛的应用，以下是其中的一些例子：
1.碳纤维复合材料：这种材料被用于制造X光检查仪用移动平台、骨科用和器官
移植用等医疗器械，以及制造假肢、矫形器等康复产品。
碳纤维复合材料包含无数纤维/树脂界面，当受到过大的外力产生裂纹时，这些界面能有效阻止裂纹的进一步扩大，推迟疲劳破坏的产生。
2.医用金属复合材料：这类材料通常由金属和非金属材料组成，具有良好的力学
性能和耐腐蚀性，常用于制造人工关节、牙科植入物等医疗器械。
3.生物可降解复合材料：这类材料可以在体内逐渐降解，同时刺激自体组织再生，
常用于制造临时植入物，如骨折固定器、组织工程支架等。
4.生物活性复合材料：这类材料能够与生物组织发生相互作用，促进组织再生和
愈合，常用于牙科、骨科等领域。
5.高分子复合材料：高分子复合材料具有优良的力学性能、化学稳定性和生物相
容性，广泛应用于制造医疗器械，如导管、人工血管等。
总之，医用复合材料在医疗器械领域的应用非常广泛，可以根据不同的需求选择适合的材料和工艺，以实现最佳的治疗效果和患者的康复。
医用复合材料
复合材料能作为医用材料的基本要求
一、无毒性，不致癌，不致畸，不引起人体细胞的 突变和组织细胞的反应 二、与人体组织相容性好，不引起中毒、溶血 凝血、发热和过敏等现象；化学性质稳定，抗 体液、血液及酶的作用
三、具有与天然组织相适应的物理机械特性且针 对不同的使用目的具有特定的功能
常用的生物医用复合材料
医用复合材料的应用举例
医用骨折内固定器生物陶瓷复合材料
医用复合材料的主要研究方向
1 生物材料的生理活化研究 2 研究新的降解材料研究新的降解材料 3 研究具有全面生理功能的人工器 官和组织材料 4 研究新型的药物载体材料
5 生物材料表面改性研究
我国生物医用复合材料的发展
1、国家投入
国家973计划、863计划，国家攻关、国家自然科 学基金 、国家计改委等大力支持。
2、企业引进或研发技术
安泰科技股份、法尔胜等一些上市公司的介入 及留学归国人员的创业活动，我国介入诊疗材 料与器械产业化取得了较大进展。
发展中存在的问题
我国生物医用材料产业目前也存在着很多问题，如产 业基础薄弱，生物医用材料及器械产品单一，技术落后， 科研与产业脱节，目前需求的很大份量依靠国外进口。诸 如，植入体内的技术含量高的生物医用材料产品中约 80 ％为进口产品，常用的生物医用材料产品中约 20％为进 口产品。目前在我国，生物医用材料尽管已在高技术材料 市场中具有非常高的技术附加值，并且其应用也取得了很 大成功，但其研发市场仍属引导性开发，即一种产品投入 临床应用除需经国家批准外，还必须得到医生和患者的认 同，形成了很长的研发周期；同时，由于在国内甚至国际 上临床应用风险也比较大，因此使生物材料和医疗器械技 术很难获得权威医学机构的完全认同。
医用复合材料研究的意义
生物陶瓷
生物陶瓷和复合生物陶瓷摘要：本文简单介绍生物陶瓷的性能和种类以及各种新型生物陶瓷应用的方面，并对其发展前景进行了展望。
关键词：生物陶瓷，性能，应用，前景展望1生物陶瓷具备的性能生物陶瓷是一种能植入生物体内代替硬组织使用的材料，因此，应具有高度的生物学性能。
包括精细陶瓷、多孔陶瓷、某些玻璃和单晶。
生物陶瓷根据使用分为植入陶瓷和生物工艺学陶瓷。
植入陶瓷植入生物体内，用以恢复和增强生物体机能。
由于植入陶瓷直接与生物体接触，故要求其与生物体的亲和性好，不产生有毒的侵蚀、分解产物；不使生物细胞发生变异、坏死，以及引起炎症和生长肉芽等；在体内长期使用功能好，对生物体无致癌作用，本身不发生变质；易于灭菌。
常用的植入陶瓷有氧化铝陶瓷和单晶氧化铝、磷酸钙系陶瓷、微晶玻璃、氧化锆烧结体等，它们在临床上用作人造牙、人造骨、人造心脏瓣膜、人造血管和其他医用人造气管穿皮接头等。
生物工艺学陶瓷用于分离细菌和病毒，用作固定化酶载体，以及作为生物化学反应的催化剂，使用时不直接与生物体接触。
常用的有多孔玻璃和多孔陶瓷。
前者不易被细菌侵入，环境溶液中溶媒的种类、pH 值和温度不易引起孔径变化，材质坚硬、强度高，多用作固定化酶载体。
后者耐碱性能好，价格低，主要用作固定化酶载体，使固定化酶能长时间发挥高效催化作用。
此外，控制多孔陶瓷的孔径，可用于细菌、病毒、各种核酸、氨基酸等的分离和提纯。
1.1与生物组织有良好的相容性这是指将生物陶瓷材料代替硬组织（牙齿、骨）植入人体内后，与机体组织（软组织、硬组织以及血液、组织液）接触时，具有良好的亲和性能。
在体内正常代谢作用下，不致产生变质或变性。
在机体正常发育和增生吸收过程中，材料能长期保持稳定状态，不发生生物退变性。
材料与机体软组织都具有良好的结合性。
此外，还要求材料对周围组织无毒性、无刺激性、无致敏性、无免疫排斥性以及无致癌性。
1.2有适当的生物力学和生物学性能材料的力学性能与机体组织的生物力学性能相一致，不产生对组织的损伤和破坏作用。
生物医学材料简介
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;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
特点一：生物功能性 ➢ 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
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
2 原理
生物材料学
是涉及生物材料的组成结构 性能与制备相互关系和规律的科学 其主要目的是在分析天然 生物材料微组装 生物功能及形成机理的基础上;发展仿生学高性能工程材料;及用于人 体组织器官修复与替代的新型医用材料 其主要研究内容有：生物过程形成的材料结构 生物矿化原理;材料生物相溶性机理;生物材料自主组装 自我修复的原理
2 原理
基 因 工 程
2 原理
细胞培养皿
2 原理 发酵工程设备
3 分类 特性
1. 按材料功能划分
血液相容性材料：如人工瓣膜 人工气管 人工心脏 血浆分离膜 血液灌流
用吸附剂 细胞培养基材等；
软组织相容性材料：隐形眼睛片的高分子材料;人工晶状体等;用于人工皮
肤 人工气管 人工食道 人工输尿管 软组织修补等领域
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湖北省卫生职工医学院学报1994年第2期医用碳素材料种类性质及临床应用湖北省卫生职工医学院高林由于内在或外在的原因,人体某些器官有时不可避免地会被永久性破坏,几个世纪以来,人们作了大量的努力,希望找到合适的假体移植到人体内替代被破坏的器官的功能,作为制造假体的结构材料,金属、陶瓷以及高分子等材料相继被使用,但是由于它们各自不可克服的缺点,使得临床应用受到限制,自本世纪六十年代首次用低温热解同性碳制造出人工机械心瓣并临床应用成功以后,亩于碳素材料具有十分突出的生物相容性和适中的机械性能,被认为是最有希望的制造人工假体的无机材料之一,本文将介绍医用碳素材料的种类、性质以及实际应用。医用碳素材料的种类医用碳素材料从结构上看,它们都有一个共同的特点,即均属于乱层结构碳,其微晶大小一般在50人左右,除碳纤维及其复合材料以外,都具有明显的各向同性,这些碳素材料的种类和应用实例参见表1[’’〕。表1医用碳素材料的种类及应用种类应用低温热解同性碳心脏瓣膜牙根人工关节玻璃碳牙根心脏瓣膜气相沉积碳牙根骨板碳/碳复合材料心脏瓣膜骨针牙根骨板人工关节碳纤维增强树脂骨板碳纤维肌胞韧带多孔碳牙根医用碳紊材料的性质用于制造假体的材料一般都需要长期安
放在人体内,由于体内有各种氧化剂、还原剂和氯化物,所使用的材料必须是化学惰性的,不被腐蚀,不对周围生物环境产生不利的影响,如果假体需要起承载作用,则所用
的材料还必须足以承担各种正常和意外的负荷,不因疲劳而退化,并且不损伤周围的骨骼和软组织。
1医用碳素材料的生物相容性:假体被
植入人体后,机体将排斥外来假体,在研制人工机械心脏瓣膜时发现,阻碍机械心瓣发展的主要障碍是人工心瓣表面产生血凝,本世纪六十年代人们十分偶然地发现某些碳材料的表现具有罕见的抗血凝性能,它们好象具有不可被机体识别的特性,能与血液长期接触而不出现血凝,低温热解同性碳就是其中的一种,经过研究,一些研究者认为:当这种碳与血液接触时,其表面会被很快改性,
所以具有良好的抗血凝性能〔`〕,碳材料的血液相容性与其表面状况和血液在其附近的流动状态有密切关系,当碳材料表面粗糙或血流状态为涡流时,就会出现血凝s[]。
软组织和骨骼对假体的排斥表现在除对假体侵蚀外还在假体周围形成一层隔膜,这层隔膜使软组织或骨骼与假体分开,使用金
属和陶瓷假体时,假体因被腐蚀或磨损出现的碎屑会产生对机体有害的离子,引起过敏、炎症等反应。对表1中所列的各种碳材料进行研究后发现,它们都不会产生对机体有害的离子,在狗的股骨中植入碳/碳化硅复合材料,植入体的表面未发现有纤维包膜形成,而在植入的金属材料表面则有包膜生成田,对于需要承载的假体往往会因磨损出现碎屑,所以有人将这些碳材料的细粉移入动物体内进行研究发现碳粉会逐渐转移到最邻近的淋巴结中,但不会随淋巴系统大范围转移,也没有发现有害的反应。当碳纤维作为护的取代物移入动物体内后逐渐在碳纤维周围形成新的键,而碳纤维则逐渐断裂,碳纤维碎屑也进入了最邻近的淋巴结中,两年后在动物的肺、脾及肝脏中没有发现碳纤维〔’J。在这里碳纤维相当于支架,提供适宜的条件使新的键在其周围生成,这一方面,临床应用已比较普遍,国内已有用碳纤维修补韧带与肌肚沛`7]内固定治疗骸骨骨折8[]和治疗肾下垂囚的报导。2医用碳素材料的机械性能:医用碳素材料现在一般都使用在需要承载的场合,人工心瓣不仅要求承受周期性的载荷不出现退化,而且还要求耐长期的磨损;用于骨科和牙科的碳素材料则将受到频繁改变的应力,这就要求材料必须具有足够的坑拉、抗压、抗折和抗扭转应力的强度另一方面,植入的假体很多是与骨骼直接接触的,骨骼受力时有一定的弹性变形,如果假体不能产生类似的变形就会在两者的接触部位产生应力,时间一长接触部位就会松动或出观疲劳损坏,因此要求假体的弹性模量与骨骼的弹性模量尽可能一致。碳素材料虽然成份单一,但结构却可干变万化,医用碳素材料从结构上看属于乱层绪构,它们可容高强度低模量于一身。表:中祠趁有飞声常觉医用碳素材料的机械J隆质,方了懂毕屁场;协、翁矛速」列出了渭J洛的杭裕隆质。华认袭;垫寸改看滋飞健角姗素材衬的抚折强度普遍高于骨骼,弹性模量则`般牲毛手宇兆牛/米’(GN/m,)左右,与骨骼的弹性模量十分接近,而常用的不锈钢的弹性模量大约是210(GN/mZ)。表2医用碳素材料的机械性能
低温热解同性碳玻璃碳碳/碳气相复合材料沉积碳
抗折强度280一(MN/m,)55070~21070~1200350一100~150
弹性模量(GN/mZ)17卜3825一3230一25014~2117~
24
断裂应变16一08~(%)21135~5
乱层结构碳素材料还有一个特点是结构
中没有容易移动的缺陷,承受周期性的载荷
不会出现退化,因而碳质人工耽关节就具有很好的抗疲劳性能。
医用碳素材料的临床应用1心血管来统中的应用:人工心脏瓣膜
是人工假体中需要量最大的种类之一,自1969年临床应用成功后,不到十年时间就
有
二十多万人植入了人工心瓣,其中大约75肠是用掺硅低温热解同性碳制成的,早期的心瓣是采用金属钦作固定框架的单叶瓣,低温热解同性碳层的厚度约为30毋m,通过取出因非心脏原因死亡的患者体内的人工心瓣进行分析,发现低温热解同性碳层每年被磨损约.26卜m,这是磨痕最深处的数据按最悲观的计算法,其使用寿命约为120年,
现在已用
碳素材料框架取代了钦框架,形状多为二叶瓣和倾斜蝶形瓣,国内最近已有双叶翼型瓣的开发研究报告〔`。」。2牙科中的应用:牙齿受损伤脱落后
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如果植入人工牙根,在人工牙根和牙槽骨之间将难以形成新的牙周膜,因此不仅植入的牙根容易松动,而且咀嚼时产生的应力宜接作思至少季糟骨上会引起本琏场感觉_一一
用碳素材料制成的牙根因为生物相容性好,弹性模量又与骨质相近,所以这种牙根植入后不易松动。最近,在牙根的固定上有一定的突破,方法是使碳质牙根的表面形成一层坚固的细密网架结构薄层,即所谓FsR(iF,RahmenSurafee)层,将具有FRS层的牙根植入猴的下领骨中,一段时间后取出进行组织分析,发现活组织进入了FRS层,并且在其中钙化了,对钙化层进行元素分析发现,钙化层与牙槽骨有类似的成份,胶原纤维同时生长到牙槽骨和牙根的FRS层中,形成理想的“骨—胶原纤维—钙化的FsR层”固定体系,非常类似于天然牙齿中的“骨—牙周膜—牙骨质”体系比“]。碳/碳化硅复合材料植入兔子的下领骨中,也发现在界面的植入体一侧钙和磷的含量增加的现象[J’〕。3骨外科中的应用:下肢不等长畸形可通过肢体延长手术进行矫正,手术中一般采用不锈钢骨圆针经皮插入被锯断的患肢胫骨中,由于钢针与组织的相容性不够理想,钢针周围的组织会出现萎缩现象,在皮/气界面则更严重,这就增加了感染的机会,由于整个手术时间较长,所以感染和组织反应就成了不容忽视的问题,对此有人用碳/碳复合材料制成的圆骨针取代不锈钢针解决了这一向题,因为圆骨针所承受的仅仅是来自肌肉和皮肤收缩产生的应力,所以用碳/碳复合材料制成的圆骨针的强度足以满足手术要求,并且没有发现组织反应和感染现象,3J。处理骨折时经常要使用内骨板进行固定,现在临床上使用的内骨板一般是由不锈钢制成,使用这种内骨板会使骨骼上承受的应力消失,从而引起骨质疏松和变形,这主要是因为骨骼与不锈钢内骨板的弹性模量相差太大造成的,现在采用碳/碳复合材料或碳纤维增强树脂制造的内骨板就可以解决这一问题,经过比较发现碳纤维增强树脂的弹性模量更接近于骨骼〔“],而且现在固定骨头用的碳质螺钉也已出现少]。对于难以愈合的髓关节损伤,有时必须考虑人工股骨头或人工全靛关节置换术,
目
前常用的人工股骨头是用陶瓷做成,并且带有合金柄,人工髓臼杯则常用陶瓷或超高分子量聚乙烯做成,采用这种类型的假体的主要问题是陶瓷股骨头与金属柄的接合部位容易松动而将金属柄的上端磨损,磨损产生的大量金属碎屑会引起组织反应,另外,插入到股骨髓腔的金属柄是用骨水泥固定的,由于金属与骨骼的弹性模量相差很大,容易出现
松动,有时还会发生疲劳断裂,为了解决这些问题,国内曾临床应用碳一钦组合式股骨头和
碳质髓臼杯取得一定的效果,”〕,现在的发展
方向是制造全碳人工股骨头,这就对制造碳材料的工艺有更高的要求,在德国已经提出了用多种碳/碳复合材料的组合体设计股骨头的方法,基本思想是用一维碳/碳复合材料制造股骨颈,代替骨松质承受最高的挠曲应力,用二维碳/碳复合材料代替骨密质承受横向和纵向的应力,用一维碳/碳复合材料制造股骨头的柄,承受高的挠曲应力,用三维碳/碳复合材料套在股骨头的柄上,外面加工出螺纹与人体股骨髓腔配合,这样可以避免使用骨水泥固定,股骨头和靛臼杯则用各向同性碳、碳化硅/碳制造仁`,]。
结语碳素材料在医学上的开发研究还涉及其它一些方面,例如碳素硅管气管重建的动物实验研究〔`幻,碳质胧骨头置换的临床研究〔’匀〕
等,尽管碳素材料良好的生物相容性已被公认,但也有一例碳纤维植入致骨坏死的报告,这被认为是因为个体反应导致的失败卿〕,碳素材料在医学领域开发应用的历史不长,但所取得的成就却是令人瞩目的,可以肯定在不远的将来碳素材料在医学上会有更广泛的-
应用。
参考文献BQ;5(6)3551okrosJCrobnl9771
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