生物材料科学与工程导论课件.ppt

1、生物材料生物材料1 生物材料（Biomaterials）的定义 2 金属生物材料3 高分子生物材料4 无机非金属生物材料5 生物复合材料6 生物材料的应用前景 主主 要要 内内 容容在不同的历史时期，生物材料（Biological Materials）被赋予了不同的意义，其定义是随着生命科学和材料科学的不断发展而演变的。但是，他们都有一些共同的特征，即生物医学材料是一类人工或天然的材料，可以单独或与药物一起制成部件、器件用于组织或器官的治疗、增强或替代，并在有效使用期内不会对宿主引起急性或慢性危害。1.1 生物材料的定义生物材料的定义也有人认为它是一类特殊的功能材料，利用它可以对有机体进行修复

2、、替代与再生。生物医学材料研究的最终目的是用其能够代替或修复人体器官和组织，并实现其生理功能。生命具有一定生长、再生和修复的精确调控能力，这是目前所有人工器官和材料所无法比拟的。因此，目前的生物医学材料与人们的真正期望和要求相差甚远，常常出现各种各样的问题和失败。长期以来，人们一直希望致力于研究能够使损伤、病变组织或器官完美重现和再生的材料和装置。定义是用以对生物体进行诊断、治疗和置换损坏的组织、器官或增进其功能的材料。注意，这个定义是按照用途来定义的，粗略而不严格地说，就是用于生物体的材料，而非来源于生物体的材料。1.1 生物材料的定义生物材料的定义用于人工骨的生物陶瓷也是生物材料蚕丝是生物

3、材料蚕丝是生物材料 在生理环境中，生物材料所接触的除了无生命物质外，更有器官、组织、细胞、细胞器以及生物大分子等不同层次的活有机体。因此，作为生物材料，首先应能和这些活的有机体相互容纳；另外，还应根据其使用目的而具备必要的物理力学性能和不同层次的生物学功能。在科学上，生物材料已成为现代生物工程、医学工程及药物制剂等进一步发展的重要物质支柱；同时，生物材料与生命物质间相互作用的本质的阐明以及两者间界面分子结构的揭示对于生命科学的发展也有十分重要的意义。891011钛合金基钛合金基/类金刚石涂层人工心瓣类金刚石涂层人工心瓣12Interpore Cross International Inc.Sy

4、nergyTM IQ Low Back System13牙牙 种种 植植 体体14151617 牙、骨、关节、皮肤。牙、骨、关节、皮肤。惰性惰性、活性生物材料活性生物材料无机生物医学材料、无机生物医学材料、金属及合金生物医学材料金属及合金生物医学材料、高分、高分子生物医学材料、子生物医学材料、复合生物医学材料复合生物医学材料、生物功能材料、生物功能材料、生生物衍生材料物衍生材料1.2 生物材料的类型与应用生物材料的类型与应用无机生物医学材料(Inorganic Biomedical Materials)又称为生物陶瓷(Bioceramics)如：氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、碳素材料、羟基磷灰石、生

5、物玻璃陶瓷、磷酸三钙陶瓷、磷酸钙骨水泥等。无毒、副作用，良好的生物相容性；生物惰性-生物活性 生物降解和吸收；简单填充-牢固性植入和永久性修复 生物陶瓷与人硬组织组成和结晶结构差异大，且 生物陶瓷疲劳强度低、韧性差、制造复杂形态较困难-使用受到限制。1819金属及合金生物医学材料(Metallic Biomedical Materials)主要为不锈钢、钴基合金、钛及钛合金等 生物惰性材料 高的机械强度和抗疲劳性能-应用最广泛的承重植入体。问题：生理腐蚀造成金属离子向周围组织扩散（毒副作用）及植入体自身脱变（植入失败）。20 高分子生物医学材料，亦称为医用高分子材料如：聚硅氧烷、聚氨酯、聚甲基

6、丙烯酸甲酯、聚醚、聚砜、聚四氟乙烯、聚丙烯晴、聚碳酸酯、聚乳酸发展最快的生物材料。第一阶段：始于1937，特点：现成材料，MMA-牙床 第二阶段：始于1953，以医用有机硅橡胶的出现为标志，特点：在分子水平上对合成高分子进行设计，有目的的开发所需高分子。第三阶段：从寻找替代 生物组织的合成材料，转向研究具有主动诱导、激发人体组织再生修复的一类新材料。2122 分 类：按性质分：非降解和可生物降解 按目的或用途分：心血管系统、软组织和硬组织修复材料。医用高分子材料发展最早、应用最广泛、用量最大的材料。某些高分子材料与生物体有极相似的化学结构，可满足医学对生物材料性能提出的多功能性的要求。多种不同

7、类型材料复合而成的具有生物相容性材料 复合体系：有机/有机复合、有机/无机复合、无机/无机复合、金属/无机复合 复合方式：表面复合、整体复合、多层复合 复合目的：增强、改性、功能化模拟人体组织成分、结构和力学性能的纳米复合生物材料是一个十分重要的发展方向，为获得真正仿生的类人体组织和器官开辟了广阔的前景。23生物功能材料(Biologically Functional Materials 采用物理或化学的方法将生物活性分子如酶、抗体、抗原、多糖类、酯类、药物及细胞等固定在材料表面或内部，构成具有生理功能的生物医学材料。该类材料是活体材料与非活体材料杂化组成的新型复合生物医学材料，也称为杂化生物

8、医学材料。肝素化处理的各类高分子材料抗凝血导管、插管、分流管，在临床上已广泛采用。骨髓基质干细胞种植TCP/PLLA可生物降解、可骨诱导生长骨修复材料。骨形态发生蛋白BMP复合TCP/PLLA可生物降解、可诱导成骨的骨修复材料。24生物衍生材料 天然生物组织经过特殊处理形成的医用材料，也称生物再生材料。生物组织可取自同种或者异种动物体的组织。特殊处理：轻微处理：维持组织原有构型而进行的固定、灭菌和消除抗原性的。如：戊二醛固定的猪心瓣膜、牛心包、牛颈动脉、人脐动脉以及冻干的骨片、猪皮等。强烈处理：拆散原有构型，重建新的物理形态。如：再生胶原、弹性蛋白、透明质酸、硫酸软骨素和壳聚糖等。251.3

9、生物材料的发展历程生物材料的发展历程第一代生物医学材料20世纪初第一次世界大战以前，石膏、金属、橡胶、棉花等第二代生物材料代表材料建立在医学、材料科学、生物化学、物理学及测试技术发展的基础之上的。研究工作者也多由材料学家或主要由材料学家(与医生合作)来承担 羟基磷灰石、磷酸三钙、聚羟基乙酸、多肽、聚甲基丙烯酸羟乙基酯、胶原、纤维蛋白等 第三代生物材料 促进人体自身修复和再生作用的生物医学复合材料，它以对生物体内各种细胞组织、生长因子、生长抑素及生长机制等结构和性能的了解为基础来建立生物材料 1.3 生物材料的发展历程生物材料的发展历程整体趋势1.由天然材料扩展到人造复合材料2.由单一功能（力学

10、性能)向复合性能转变，特别是生物仿生性能 生物降解材料 组织工程材料与人工器官 控制释放材料 仿生智能材料 生物材料表面改性 基因载体材料生物医学医学检测材料 1.4 生物材料的发展方向与热点生物材料的发展方向与热点人类最早利用的生物材料之一应用金属严格满足的要求代表：钴铬合金、不锈钢、钛及其合金。基本性能：高强度、耐疲劳及易加工等。应用：在骨和牙等高荷载部位的替换和修复 中，金属生物材料是首选材料 2 金属生物材料金属生物材料良好的组织相容性物理和化学稳定性好易于加工成型，材料易于制造，价格适当良好的血液相容性，2.1 金属生物材料的特性金属生物材料的特性由于金属材料在组成上与人体组织相距甚

11、远，因此金属材料很难与生物组织产生亲和，一般不具有生物活性，它们通常以其相对的化学稳定性来获得一定生物相容性，植入生物组织后总是以异物的形式被生物组织所包围。存在问题存在问题由于人体体内体液为电解质溶液，加之活细胞和酶的生化作用以及正常运动造成的摩擦，植入体内的生物金属材料表面及植入体组织周围或多或少地存在重金属的颗粒或离子，从而对人体产生毒性。金属材料的毒性可以通过其合金化及表面改性来减小甚至消除。医用金属材料-强度高、弹性模量高。弹性模量过高或过低-出现所谓的生物力学不相容性。如果金属的弹性模量相对于骨骼过高在应力作用下，承受应力的金属和骨将产生不同的应变，在金属与骨的接触界面处存在相对的

12、位移从而造成界而处的松动，或者出现应力屏蔽，引起骨组织功能退化或骨吸收，也可能引起二次骨折；如果金属材料的弹性模一旦过低，则在应力作用下会产生较大变形，起不到固定和支撑作用。一般希望金属材料的弹性模量要尽量与人骨接近或稍高于人骨的弹性模量。医用不锈钢 医用钴基合金 医用钛及其合金 医用贵金属以及钽、铌、锆等金属 医用镁及镁合金 2.2 常见金属生物材料常见金属生物材料无镍奥氏体不锈钢骨板和骨钉无镍奥氏体不锈钢骨板和骨钉 37 关节假体：关节假体：（a a）髋关节）髋关节（b b）膝关节）膝关节（c c）肩关节）肩关节（d d）肘关节）肘关节热等静压法锻造而成热等静压法锻造而成的的Co-CrCo

13、-Cr基合金关节基合金关节组件组件38钛合金人工关节组件钛合金人工关节组件生物医用高分子材料主要有天然生物材料和合成高分子材料。性能特有的生物相容性（包括组织相容性、血液相容性）、无毒性等 3.1 生物医用高分子材料生物医用高分子材料近十年来，由于生物医学工程、材料科学和生物技术的发展，医用高分子材料及其制品正以其特有的生物相容性、无毒性等优异性能而获得越来越多的医学临床应用。1）.按来源分类（1）天然医用高分子材料 如胶原、明胶、丝蛋白、角质蛋白、纤维素、粘多糖、甲壳素及其衍生物等。（2）人工合成医用高分子材料 如聚氨酯、硅橡胶、聚酯等。（3）天然生物组织与器官 包括：取自患者自体的组织 取

14、自其他人的同种异体组织 来自其他动物的异种同类组织。3.2 高分子生物医学材料的种类高分子生物医学材料的种类 2）.按材料与活体组织的相互作用关系分类 生物惰性（bioinert）高分子材料 指在体内不降解、不变性、不引起长期组织反应的生物医学高分子材料，适合长期植入体内。生物活性（bioaciive）高分子材料 指植入高分子材料能够与周围组织发生相互作用，一般指有益的作用。生物吸收（bioabsorbable）高分子材料 在体内逐渐降解，其降解产物被肌体吸收代谢。3）.按生物医学用途分类 硬组织相容性生物医学高分子材料 软组织相容性生物医学高分子材料 血液相容性生物医学高分子材料 药物和药物

15、控释生物医学高分子材料 甲壳素与壳聚糖 抗菌、杀菌、抗肿瘤、促进组织修复及止血作用、增强免疫力，手术缝合线、抗凝剂、人工器官3.3 常见的高分子生物材料常见的高分子生物材料聚乳酸无毒、无刺激性、体内可吸收，具良好的生物相容性。而且其降解产物二氧化碳和水通过光合作用又可变成淀粉，这样可在自然界中循环。分解成乳酸“绿色”，骨内固定装置、组织工程材料、牙周再生片、神经导管聚乳酸（聚乳酸（PLA）聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）特性：有较高的机械强度，质地坚硬，重量轻，耐光、不导电、不导热，加温易塑形。植入人体后周围组织不能长入，只在其外围形成一层纤维包膜。应用：可用作隆鼻、颅骨成形术及其他骨缺损等的充填

16、材料，也可制作义齿和基托、义眼、义耳、人工骨和人工关节等。不良反应：毒性极小，不引起过敏反应。48定义生物无机非金属材料，又称生物陶瓷，泛指与生物体或生物化学相关的陶瓷材料，包括陶瓷、玻璃、碳素等无机非金属材料 分类根据其在生物体内的活性分为；惰性生物陶瓷、活性生物陶瓷 功能活性生物陶瓷 4 无机非金属生物材料无机非金属生物材料指化学性能稳定，生物相容性好的陶瓷材料主要包括：氧化物陶瓷（氧化铝陶瓷和氧化锆陶瓷）玻璃陶瓷 Si3N4 陶瓷 医用碳素材料 4.1 生物惰性陶瓷生物惰性陶瓷能诱出或调节生物活性的生物医学材料 羟基磷灰石（HA）磷酸钙生物活性材料 磁性材料 生物玻璃 4.2 生物活性陶

17、瓷生物活性陶瓷模拟性生物陶瓷材料 带有治疗功能的生物陶瓷复合材料 4.3 功能活性生物陶瓷功能活性生物陶瓷 随着生物陶瓷材料研究的深入和越来越多医学问题的出现，随着生物陶瓷材料研究的深入和越来越多医学问题的出现，对生物陶瓷材料的要求也越来越高。原先的生物陶瓷材料无论对生物陶瓷材料的要求也越来越高。原先的生物陶瓷材料无论是生物惰性的还是生物活性的，强调的是材料在生物体内的组是生物惰性的还是生物活性的，强调的是材料在生物体内的组织力学环境和生化环境的适应性，而现在组织电学适应性和能织力学环境和生化环境的适应性，而现在组织电学适应性和能参与生物体物质、能量交换的功能已成为生物材料应具备的条参与生物体

18、物质、能量交换的功能已成为生物材料应具备的条件。因此，又提出了功能活性生物材料的概念。它主要包括以件。因此，又提出了功能活性生物材料的概念。它主要包括以下两类下两类:定义由两种或两种以上不同材料复合而成的生物医学材料，并且与其所有单体的性能相比，复合材料的性能都有较大程度的提高的材料 用途主要用于修复或替换人体组织、器官或增进其功能以及人工器官的制造 分类金属基生物复合材料 高分子基生物复合材料 陶瓷基生物复合材料 5 生物医用复合材料生物医用复合材料55 在生物材料领域中，硬组织修复材料的研究与开发占据非常重要的的地位。目前临床使用的硬组织修复材料存在许多不足，因此在可诱导成骨、可载药、可承

19、力和可临床赋型的硬组织修复材料方面具有广阔的应用前景。56我国是一个有13亿人口的发展中国家，因肿瘤切除、外伤、先天性畸形和疾病手术造成的骨组织缺损缺失极为普遍，加上近年来交通事故不断上升，增大了人工骨修复材料及制品的需求量。57随着人们生活水平的提高，整形和美容的要求日趋迫随着人们生活水平的提高，整形和美容的要求日趋迫切，特别是口腔修复与功能重建，畸形矫治受到人们的高切，特别是口腔修复与功能重建，畸形矫治受到人们的高度重视，对人工骨、牙修复材料的需求量明显增加度重视，对人工骨、牙修复材料的需求量明显增加自从有了人类，人们就不断地与各种疾病作斗争，生物医学材料是人类同疾病作斗争的有效工具之一。

20、公元前约3500年古埃及人利用植物纤维、马鬃作缝合线缝合伤口-最早使用天然高分子作生物材料的案例。墨西哥的印第安人使用木片修补受伤的颅骨。在公元前约2500年前，中国、埃及的墓葬中发现有假牙、假鼻、假耳。另据文献记载，1504年人类首次制作并使用了具有灵活指关节的铁制假手。随后，人类又陆续将黄金和其他金属用于骨组织缺损的固定和修复。1851年，有人使用硫化天然橡胶制成人工牙托和颚骨。20世纪初开发的高分子新材料促成了人工器官系统研究的开始，人工器官的临床应用则始于1940年。从天灵盖到脚趾骨，从人体内脏到皮肤，从血液到五官，除了大脑及大多数内分泌器官外，大都有了代用的人工器官。近代生物医学材料

21、的蓬勃发展始于上世纪30年代末40年代初，1936年有机玻璃用于临床，1943年赛璐薄膜开始用于血液透析。在19401950年期间由多种生物材料制作的人工骨和关节、人工肾、人工气管和人工尿道相继问世。20世纪50年代至今又开发了人工血管、人工食道、心脏起博器、人工心瓣膜、人工心肺、人工肝、人工心脏、人工胰、人工血液、人工晶状体以及其他软组织及器官。20世纪60年代中后期出现的各种生物活性和可降解陶瓷及聚合物材料给生物医学材料的研究和应用注人了前所未有的活力，也为20世纪80年代的组织工程科学的发展奠定了物质基础。(l)生物降解材料 生物可降解材料主要是指那些在植入人体并经过一段时间后，能逐渐被

22、分解或破坏的材料。近十多年来，随着药物控制释放和组织工程技术的发展，可降解材料得到迅速发展，其应用几乎涉及所有非永久性的植入装置。生物材料的发展方向与热点生物材料的发展方向与热点(2)组织工程材料与人工器官 组织工程是指应用生命科学与工程原理及方法构建一个生物装置来维护、增进人体细胞和组织的生长，以恢复受损组织或器官的功能。组织工程的基本原理和方法是，将体外培养的组织细胞吸附扩增于一种生物相容性良好并可被人体逐渐降解吸收的生物材料上，形成细胞一生物复合材料。生物材料的发展方向与热点生物材料的发展方向与热点(3)控制释放材料 控制释放是指药物以恒定速度，在一定时间内从材料中释放的过程。常用的材料

23、有天然和合成高分子。药物释放材料大致应具备药物控制释放功能和药物靶向释放功能。生物材料的发展方向与热点生物材料的发展方向与热点(4)仿生智能材料 随着生命科学的发展，人们对生物体的认识进一步深化。生物体中细胞能分泌出特有的细胞外基质(ECMS)，它们是蛋白质和糖胺聚糖(GAGS)构建的物理、化学交联网络。细胞与ECMS组成一个物质、能量和信息传递的开放体系，构成要素间存在多重相互作用。人们发现了一种新功能一涌现(emergent)，即对环境刺激的高度非线性响应。这种响应性源于相互作用的高度协同。深入了解生物大分子的协同相互作用，模仿其协同行为来构思生物材料，可使材料具有所期望的宿主响应性，即实

24、现智能化。近年来国内外学者对高分子凝胶及膜的刺激响应性进行了研究，正形成新的技术。生物材料的发展方向与热点生物材料的发展方向与热点(5)生物材料表面改性 生物相容性对材料应用的重要性众所周知。大量研究表明，材料表面的成分、结构、形态和其亲、疏水性以及电荷，都会影响材料与生物体之间的相互作用，通过物理、化学、生物等方法可使生物材料的生物相容性得到大幅度改善。目前这个领域的研究和应用受到极大关注。生物材料的发展方向与热点生物材料的发展方向与热点（6）基因载体材料如果将缓释载体中的药物换成基因，则成为基因载体材料。它不仅是人类基因治疗的重要技术基础，也关系到基因工程技术的发展。其中现有的非病毒载体技

25、术具有安全的优点和转染效率低等缺点，备受研究者的关注。66生物材料的发展方向与热点生物材料的发展方向与热点（7）生物医学医学检测材料 检测中常常需要使用各类生物材料，如：作为磁共振造影剂的高分子与无机物纳米复合物、复合了磁性纳米颗粒的微气泡造影剂、旨在作为体外检测器件基材等的聚碳酸酯纳米纤维薄膜的静电纺丝制备技术等。67生物材料的发展方向与热点生物材料的发展方向与热点（1）良好的组织相容性，包括无毒性、无热源反应、不致畸、不致癌、不引起过敏反应或干扰机体的免疫机理、不破坏临近组织，也不发生材料表面的钙化沉着等。（2）物理和化学稳定性好，包括强度、弹性、尺寸稳定性、耐腐蚀性、耐磨性以及界面稳定性

26、等。（3）易于加工成型，材料易于制造，价格适当。（4）对于植入心血管系统或与血液接触的材料，除能满足以上条件外，还须具有良好的血液相容性，即不凝血（抗凝血性好）、不破坏红细胞（不溶血）、不破坏血小板、不改变血中蛋白（特别是脂蛋白）、不扰乱电解质平衡等。医用金属材料严格满足如下的生物学要求：医用金属材料严格满足如下的生物学要求：组织相容性组织相容性要求医用聚合物材料植入体内后与组织、细胞接触无任何不良反应。当医用材料与装置植入体内某一部位后，局部的组织对异物会产生一种属于机体防御的反应，植入物周围组织将出现白细胞、淋巴细胞和吞噬细胞的聚集，出现不同程度的炎症，严重时会导致组织坏死。若较长时期存在

27、植入物，材料被淋巴细胞、成纤维细胞和胶原纤维包裹，形成纤维性包裹膜，使正常组织和材料隔开。如果材料无任何毒性、性能稳定、组织相容性良好，则包裹膜会逐渐变薄直至形成无炎症反应的正常包裹膜，即材料为机体所接受。生物医用高分子材料生物医用高分子材料血液相容性：作为体内使用的医用材料不可避免地将要与血液接触，而血液与异物表面接触时很可能发生溶血或凝血而形成血栓。因此，材料与血液的相容性问题也是医用材料在应用中不可忽视的一个问题。当聚合物材料与血液表面接触时，各种血浆蛋白质随材料表面性质不同，会不同程度地迅速吸附到异物表面，随后引起血小板的黏附或活化，而在血管中正常运行，就要求植入的聚合物具有良好的血液

28、相容性。生物医用高分子材料生物医用高分子材料氧化物陶瓷-具有卓越的抗腐蚀性能，强度硬度都很高，还有较高的耐磨性及优异的压缩性能，良好的生物相容性，但由于质脆，限制了应用。氧化铝晶粒大小对性能影响很大，晶粒小于4m、纯度大于99.7%的氧化铝性能最优，晶粒为7m 时，其力学性能降低20%。以纯刚玉及其复合材料的人工关节和人工骨为主，具体包括纯刚玉双杯式人工髋关节;纯刚玉金属复合型人工股骨头;纯刚玉聚甲基丙烯酸酯钴铬钼合金铰链式膝关节;其他人工骨、人工牙根等。生物惰性陶瓷生物惰性陶瓷近年，氧化锆陶瓷由于其优良的力学性能，尤其是其远高于氧化铝瓷的断裂韧性，使其作为增强增韧第二相材料在人体硬组织修复体

29、方面取得了较大研究的进展。Hench报道，部分稳定氧化锆陶瓷的抗弯强度可达100 MPa，断裂韧性可达15MPam-1/2。但惰性生物陶瓷在体内被纤维组织包裹或与骨组织之间形成纤维组织界面的特性影响了该材料在骨缺损修复中的应用，因为骨与材料之间存在纤维组织界面，阻碍了材料与骨的结合，也影响材料的骨传导性，长期滞留体内产生结构上的缺陷，使骨组织产生力学上的薄弱。生物惰性陶瓷生物惰性陶瓷玻璃陶瓷 在玻璃基质中加入晶核形成剂，并通过一定的热处理。使玻璃基质中有晶核形成，即形成玻璃与晶体共存的形态，称为玻璃陶瓷，又称微晶玻璃，因此玻璃陶瓷在显微结构上是由玻璃相和结晶相组成的。惰性玻璃陶瓷主要用于口腔医

30、学领域-齿冠。生物惰性陶瓷生物惰性陶瓷Si3N4 陶瓷 该类材料主要用来制作一些作为替代用的较小的人工骨，目前还不能用作承重材料。Si3N4陶瓷具有较高的抗折强度和断裂韧性，有人用Si3N4代替氧化锆做关节置换假体，发现Si3N4陶瓷比氧化锆寿命长。生物惰性陶瓷生物惰性陶瓷 医用碳素材料 碳质材料应用广泛，在外科植入物中主要包括热解碳、玻璃碳、蒸气沉积碳和碳纤维。医用碳素材料 有许多优良生物相容性，植入人体后化学性质稳定，无毒性和排异反应，与人体亲和性好，不会诱发血栓生成植入一年后，未发现碳颗粒在肝、肾、心、肺等脏器沉积。碳质材料的力学性能也很好，强度高，弹性模量(如各向同性碳)与人骨接近，植

31、入体可随骨变形，避免了应力集中，并可防止骨再吸收和松弛。它主要被作为制作人工心脏瓣膜等人工脏器以及人工关节等方面的材料。生物惰性陶瓷生物惰性陶瓷羟基磷灰石它是目前研究最多的生物活性材料之一，作为最有代表性的生物活性陶瓷羟基磷灰石(Hydroxyapatite，简称HA)材料的研究，在近代生物医学工程学科领域一直受到人们的密切关注。生物活性陶瓷生物活性陶瓷 HA作为首选骨修复与替代材料的原因是不言而喻的，因为自然骨中的无机相主要是弱结晶含碳酸根磷灰石，其约占骨总重量的60-70%，体积的50%。进一步研究表明，皮质骨主要由骨单位或哈佛氏系统组成，这些骨单位通过一种硬组织基质或间质团聚在一起。正如

32、我们所知，骨单位间的物质交换是经由横穿骨间隙的福克曼氏管进行的，这使得血液能流到最深的骨单位处，以保持骨的生理活性。由于骨单位直径约在190-230m，并且通过福克曼氏管进行物质交换，所以理想的骨移植替代物应模拟皮质骨的结构，有相互贯通、细小的孔道系统。在珐琅质、牙本质和骨中，所含的生物磷灰石都是一种非化学计量的磷灰石，红外图谱表明，三个部位所含化学基团是一致的。但XRD图谱表明不同部位的磷灰石其结晶度是有差异的，珐琅质中磷灰石结晶程度最高。致密HA陶瓷的抗压强度和抗弯强度最高可达900MPa和170MPa，杨氏模量可达100GPa，较人皮质骨（3.5-20GPa）过高。尽管如此，HA生物陶瓷

33、及其复合材料承受负重的性能仍不及天然骨。虽然天然骨的抗压、抗弯和拉伸强度仅在70-154MPa之间，并不比生物陶瓷及其复合材料的强度高，但由于骨具有优良的韧性和自适应性，及其特有的纳米尺度微结构，从而使其表现出优异的力学性能。目前负重骨常采用生物活性陶瓷喷涂的金属制作，但金属表面涂层材料的弹性模量仍高于人的皮质骨，而且，更主要的是涂层材料与基体结合的强度仍不高，从而限制了其应用。磷酸钙生物活性材料这种材料主要包括磷酸钙骨水泥和磷酸钙陶瓷 两类。前者是一种广泛用于骨修补和固定关节的新型材料，有望部分取代传统的PMMA有机骨水泥。国内研究抗压强度已达60MPa 以上。后者具有一定的机械强度和生物活

34、性，可用于无机骨水泥的补强及制备有机与无机复合型植入材料。生物活性陶瓷生物活性陶瓷磷酸钙骨水泥(Calcium Phosphate Cement，CPC)是一种新型的人工骨材料，可用于人体骨缺损的修复，具有良好的生物相容性、骨传导性和骨替代性。然而，磷酸钙骨水泥的抗压强度较低，脆性较大，限制了其应用，因而提高抗压强度和减小其脆性成为CPC 研究领域的一个重要课题。生物活性陶瓷生物活性陶瓷磷酸钙陶瓷最主要的性质是具有生物降解性，并能被人体吸收。目前广泛应用的生物降解陶瓷为-磷酸三钙(简称-TCP)，是磷酸钙的一种高温相。-TCP 的最大优势就是生物相容性好，植入机体后与骨直接融合，无任何局部炎性

35、反应及全身毒副作用。其不足是高切口敏感性导致的低疲劳强度，较高刚性和脆性使其难以加工成型或固定钻孔。生物活性陶瓷生物活性陶瓷基于仿生原理，制备类似于自然组织的组成、结构和性质的理想生物陶瓷，应该是生物陶瓷的一个发展方向。磷酸钙盐生物陶瓷人工骨，虽然与骨盐的组成相同但不同部位的骨性质是不尽相同的，为此组成和结构类似于骨骼连续变化的多孔磷酸钙陶瓷的研究是正在进行的非常有价值的课题。生物活性陶瓷生物活性陶瓷对于可生物降解的磷酸钙生物陶瓷而言，磷酸钙陶瓷在体内从无生命到有生命的转变过程，即无机物的钙磷是如何转变成为生物体内的有机钙磷，其中是否存在一个晶型转变或晶型转变的过程是如何进行的；材料降解后其产

36、物在体内的分布和代谢途径以及各分支的量的关系等等也应引起材料工作者的高度重视。生物活性陶瓷生物活性陶瓷磷酸钙陶瓷的主要缺点是其脆性。致密磷酸钙陶瓷可以通过添加增强相提高它的断裂韧性，多孔磷酸钙陶瓷虽然可被新生骨长入而极大增强，但是在再建骨完全形成之前，为及早代行其功能，也必须对它进行增韧补强。磷酸钙陶瓷基复合材料，已经成为磷酸钙生物陶瓷的发展方向之一。生物活性陶瓷生物活性陶瓷磁性材料生物磁性陶瓷材料主要为治疗癌症用磁性材料，它属于功能性活性生物材料的一种。把它植入肿瘤病灶内，在外部交变磁场作用下，产生磁滞热效应，导致磁性材料区域内局部温度升高，借以杀死肿瘤细胞，抑制肿瘤的发展。动物实验效果良好

37、。生物活性陶瓷生物活性陶瓷生物活性玻璃生物玻璃主要指微晶玻璃，包括生物活性微晶玻璃和可加工生物活性微晶玻璃两类。目前关于该方向的研究已成为生物材料的主要研究方向之一。生物玻璃普遍含有CaO-SiO2-P2O5系统，部分含有SiO2、MgO、K2O、Na2O、Al2O3、B2O3、TiO2等，玻璃网络中非桥氧所连接的碱金属和碱土金属离子在水相介质中存在时，易溶解释放一价或者二价金属离子，使生物玻璃表面具有溶解性，即为玻璃具有生物活性的基本原因。生物活性陶瓷生物活性陶瓷(1)模拟性生物陶瓷材料该类材料是将天然有机物(如骨胶原、纤维蛋白以及骨形成因子等)和无机生物材料复合，来模拟人体硬组织成分和结构

38、，以改善材料的力学性能和手术的可操作性，并能发挥天然有机物的促进人体硬组织生长的特性。功能活性生物陶瓷功能活性生物陶瓷(2)带有治疗功能的生物陶瓷复合材料该类材料是利用骨的压电效应能刺激骨折愈合的特点，使压电陶瓷与生物活性陶瓷复合，在进行骨置换的同时，利用生物体自身运动对置换体产生的压电效应来刺激骨损伤部位的早期硬组织生长。具体来说是由于肿瘤中血管供氧不足，当局部被加热到4345 时，癌细胞很容易被杀死。现在最常用的是将铁氧体与生物活性陶瓷复合，填充在因骨肿瘤而产生的骨缺损部位，利用外加交变磁场，充填物因磁滞损耗而产生局部发热，杀死癌细胞，又不影响周围正常组织。现在，功能活性生物陶瓷的研究还处

39、于探索阶段，临床应用鲜有报道，但其发展应用前景是很光明的。功能活性生物陶瓷功能活性生物陶瓷各种不同种类的生物陶瓷的物理、化学和生物性能差别很大，在医学领域用途也不同。尤其是功能活性陶瓷更有不可估量的发展前途。临床应用中，生物陶瓷存在的主要问题是强度和韧性较差。氧化铝、氧化锆陶瓷耐压、耐磨和化学稳定性比金属、有机材料都好，但其脆性的问题也没有得到解决。生物活性陶瓷的强度则很难满足人体承力较大部位的需要。功能活性生物陶瓷功能活性生物陶瓷生物金属基复合材料用于人体硬组织修复的金属材料具有优良的力学性能，生物相容性较差。通过一些物理或化学手段(等离子喷涂，电化学沉积法等)。在金属材料表面形成一层磷酸钙

40、盐，能大大改善金属材料表面的生物相容性，并与周围的骨组织形成良好的骨性结合。常以金属材料为基体表面涂覆生物活性陶瓷、生物玻璃和生物玻璃陶瓷。如在钛合金上涂覆HA，制备人工骨、人工齿根应用临床。生物复合材料生物复合材料高分子基生物复合材料这是目前发展最快的医学复合材料。特别是有机/无机复合生物材料是应用研究最为广泛和深入的一类，其主要用途在于修复和重建人体的硬组织，作为骨修复或骨固定材料来使用。有机/无机复合生物材料结合了有机组分的韧性和无机组分的刚性，充分利用了无机组分或部分有机组分的生物活性或降解性能，形成了具有综合使用性能的骨修补复合材料。复合材料与周围组织的最终复合形式以及被利用的状况与

41、材料组分的降解特性、材料的结构状况等密切相关。一般来说，具有降解特性或贯通孔洞的复合材料能够被人体较好地利用，新生骨组织可以长入到材料内部，并与周围组织形成牢靠的结合。生物复合材料生物复合材料生物陶瓷基复合材料复合生物陶瓷是指生物用复相陶瓷的总称。由多种组分构成，含有多相的生物用陶瓷材料。因具有特殊的生理学特性，在医学上用于矫形或修复，可植入人或动物体内。必须具备对生理环境的相容性，在长期使用下无毒性，不会带来细菌和导致肿瘤，也不影响免疫力和新陈代谢。生物复合材料生物复合材料通常方法制备的羟基磷灰石人工骨植入物，其强度和韧性都较低，不能满足临床应用要求。研究结果表明，复合生物陶瓷材料具有较好的

42、力学性能、化学稳定性和生物相容性，是一种很有应用前景的复合生物陶瓷材料。现在国外已制备出含有ZnO2的纳米羟基磷灰石复合材料，其强度和韧性等综合性能可达到甚至超过致密骨骼的相应性能。通过调节ZnO2与HA含量，可使该纳米复合人工骨材料具有优良的生物相容性。生物复合材料生物复合材料在复合生物材料中，有机/无机复合材料是应用研究最为广泛的一类，主要用作骨修复或骨固定材料来使用。这些种类繁多的复合材料，为不同部位的骨缺损的修复提供了丰富的选择机会。其中非生物降解的复合材料作为人体的异物，其长期存在会引发人体免疫反应或相关的免疫综合症。生物复合材料生物复合材料人造心脏瓣膜可以代替病变心脏瓣膜的全部功能

43、，即良好的单向阀门作用，保证血液通过瓣膜时阻力最小，而且没有明显返流；可以取代病变瓣膜的全部结构。人造心脏瓣膜主要分为两大类。一是机械瓣，是采用高级合成材料制成的。机械瓣的优点是耐久性好，其缺点是需终生抗凝，血栓栓塞率较生物瓣高。二是生物瓣，是同时采用人工合成的高级材料和经过复杂化学处理的生物组织膜而制成。目前医疗上使用的人造心脏瓣膜是由什目前医疗上使用的人造心脏瓣膜是由什么材料制备的？么材料制备的？生物惰性材料是指一类在生物环境中能保持稳定，不发生或仅发生微弱化学反应的生物医学材料，主要是生物陶瓷类和医用合金类材料。氧化物陶瓷、玻璃陶瓷、Si3N4陶瓷、医用碳素材料、医用金属材料 生物惰性材料生物惰性材料生物活性材料 指能在材料-组织界面上诱出特殊生物或化学反应的材料，这种反应导致材料和组织间形成化学键合。生物活性的概念是由美国人L 亨奇在1969年首先提出，按照他的定义，生物医学材料科学所指的“生物活性”，其原义是一种特殊的能导致材料在界面上形成化学键接的性质。但是，也有人认为生物活性是增进细胞活性或新组织再生的性质。羟基磷灰石、磷酸钙生物活性材料、磁性材料、生物玻璃生物活性材料生物活性材料