1、生物材料简介,今日新材料,生物材料,1.生物材料的定义,狭义：指天然生物材料，也就是由生物过程形成的材料广义：生物材料用于人体组织和器官的诊断、修复或增进其功能的一类高技术材料，即用于取代、修复活组织的天然或人造材料，其作用药物不可替代。生物材料能执行、增进或替换因疾病、损伤等失去的某种功能，而不能恢复缺陷部位。,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
2、机理，生物材料自主组装、自我修复的原理。,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。,2.原理,基因工程,2.原理,2.原理,细胞培养皿,发酵工程设备,3.分类、特性,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
3、人工皮肤、人工气管、人工食道、人工输尿管、软组织修补等领域硬组织相容性材料：金属、聚乙烯、生物陶瓷，关节、牙齿、其它骨骼；生物降解材料：甲壳素、聚乳酸等，用于缝合线、药物载体、粘合剂等高分子多肽、胰岛素、人工合成疫苗等 用于糖尿病、心血管、癌症以及炎症等,3.分类、特性,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.按组成和性质分类生物医用金属材料生物医用高分子：硬组织材料、软组织材料和生物降解材料生物医用无机非金属材料：生物陶瓷、生物玻璃和医用碳素材料生物医用复合材料,1.医用不锈钢2.钴基合金3.医用钛和钛合金4.银汞合金,3.分类、
4、特性,生物陶瓷材料,人工晶状体,人工皮肤,可吸收缝合线,3.分类、特性,医用钛合金用于制造植入人体内的医疗器件、假体或人工器官和辅助治疗设备的钛合金。主要有钛6铝4钒、钛5铝2.5锡、ELI钛6铝4钒等合金。它们具有比强度高、力学性质接近人骨，强度远优于纯钛，还具有耐疲劳、耐腐蚀及生物相容性优良等特点。广泛用于各种人工关节人工骨、骨固定器件、义齿、齿科嵌、固定桥等。,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
5、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,常见缺陷（材料反应）：（1）金属腐蚀生物体内的腐蚀性环境： 含盐的溶液是极好的电解质，促进了电化学腐蚀和水解； 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。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。如
6、不锈钢中溶出的Cr+6生物组织的毒性,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,常见缺陷（材料反应）：（3）磨损植入器件之间切向反复的相对滑动造成表面磨损。例如：人工关节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
7、组织形成黑褐色稠物，从而引起疼痛。,4.人体影响,（1）局部组织反应排异反应生物材料植人体内后，可在植人物周围发生不同程度的炎症反应。这是机体对异物进行酶解和消化的结果。钙化：生物材料表面形成钙化经常导致材料丧失功能。感染：感染是植入材料最常见的并发症。植入材料常常增加临床手术的感染发生率。其原因一方面是材料的污染，另一方面，植入材料本身具有很强的加重组织感染的易感性，肿瘤 血液反应：主要是血栓,4.人体影响,（2）免疫反应有些生物材料植入后可导致全身性的免疫反应，包括体液免疫和细胞免疫反应。常见于应用接触血液的生物医学材料，如人工透析使用的透析膜等。在临床上可表现为过敏反应，容易感染，恶性肿瘤发生率高，软组织钙化或纤维化，特别是肺纤维化、钙化及动脉硬化等。,5.发展前景,生物材料有着强大的生命力和广阔的发展前景。现代医学正向再生和重建被损坏的人体组织和器官、恢复和增进人体生理功能、个性化和微创治疗等方向发展。传统的无生命的医用金属、高分子、生物陶瓷等常规材料已不能满足医学发展的要求，生物医学材料科学与工程面临着新的机遇与挑战。,
