1、1生物材料生物材料桂林电子科技大学生命与环境学院桂林电子科技大学生命与环境学院李桂银李桂银158077370652 参考书目参考书目2.生物材料学，崔福斋，冯庆美主编，生物材料学，崔福斋，冯庆美主编，清华大学出版社清华大学出版社1.生物材料与组织工程，熊党生主编，生物材料与组织工程，熊党生主编，科系出版社科系出版社3.生物医用高分子材料生物医用高分子材料 ，赵长生主编，赵长生主编，化学工业出版社化学工业出版社3 生物材料生物材料生物材料的定义生物材料的定义生物材料的生物材料的研究领域研究领域生物材料的生物材料的分类分类生物材料的生物材料的发展概况发展概况生物材料的发展趋势生物材料的发展趋势纳米
2、生物材料纳米生物材料4生物材料的定义生物材料的定义生物材料的定义很多，归纳起来可理解为生物材料生物材料的定义很多，归纳起来可理解为生物材料是一类用于人工器官、修复、理疗康复、诊断、检是一类用于人工器官、修复、理疗康复、诊断、检查、治疗疾病等医疗保健领域，对人体组织、血液查、治疗疾病等医疗保健领域，对人体组织、血液不致产生不良影响的功能材料。不致产生不良影响的功能材料。ISO定义，生物材料（定义，生物材料（Biomaterials）即生物医学材）即生物医学材料（料（Biomedical Materials），它是指），它是指“以医疗为目以医疗为目的，用于与组织接触以形成功能的无生命的材料的，用于
3、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。部分功能的材料。 5生物材料的开发和利用可追溯到生物材料的开发和利用可追溯到3500年前，那年前，那时的古埃及人就开始利用时的古埃及人就开始利用棉纤维、马鬃棉纤维、马鬃作缝合作缝合线缝合伤口；印第安人则使用线缝合伤口；印第安人则使用木片木片修补受伤的修补受伤的颅骨。颅骨。2500年前，中国和埃及的墓葬中就发现有年前，中国和埃及的墓葬中就发现有假牙、假牙、假鼻和假耳假鼻和假耳。人类很早就用。人类很早就用黄金黄金来修复缺损的来修复缺损的牙齿，并沿用至今。牙齿
4、，并沿用至今。1588年人们用年人们用黄金板黄金板修复颚骨。修复颚骨。1775年就有用年就有用金属金属固定体内骨折的记载。固定体内骨折的记载。1851年发明了天然橡胶的硫化方法后，有人采年发明了天然橡胶的硫化方法后，有人采用用硬胶木硬胶木制作了人工牙托的颚骨。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。学材料和人工器官的要求日益增加。6目前被详细研究过的生物材料已超过目前被详细研究过的生物材料已超过1000种，被广泛应用的有种
5、，被广泛应用的有90多种，多种，1800多种制品。多种制品。西方国家每年耗用生物材料量以西方国家每年耗用生物材料量以1015%的速度增长。的速度增长。1980年全球医用生物材料及制品的销售年全球医用生物材料及制品的销售额为额为200亿美元，亿美元，1990年达年达500亿美元，亿美元，1995年近年近1000亿美元。亿美元。我国生物材料的研究起步较晚（五十年我国生物材料的研究起步较晚（五十年代），但发展很快。代），但发展很快。789三、生物材料的分类及性能三、生物材料的分类及性能 三种分类方法三种分类方法（一）按材料来源分类：（一）按材料来源分类： 1、自体材料、自体材料 2、同种异体器官及组
6、织；、同种异体器官及组织； 3、异体器官及组织；、异体器官及组织； 4、人工合成材料；、人工合成材料； 5、天然材料、天然材料10三、生物材料的分类及性能三、生物材料的分类及性能 （二）（二） 按材料功能划分：按材料功能划分： 1、血液相容性材料、血液相容性材料 如人工瓣膜、人工气管、人工心脏、血浆如人工瓣膜、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；分离膜、血液灌流用吸附剂、细胞培养基材等； 2、软组织相容性材料、软组织相容性材料 如隐形眼睛片的高分子材料，人工晶如隐形眼睛片的高分子材料，人工晶状体、聚硅氧烷、聚氨基酸等，用于人工皮肤、人工气管、人工食道、状体、聚硅氧
7、烷、聚氨基酸等，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；人工输尿管、软组织修补等领域； 3、硬组织相容性材料、硬组织相容性材料 如医用金属、聚乙烯、生物陶瓷等，如医用金属、聚乙烯、生物陶瓷等，关节、牙齿、其它骨骼等；关节、牙齿、其它骨骼等； 4、生物降解材料、生物降解材料 如甲壳素、聚乳酸等，用于缝合线、药物载如甲壳素、聚乳酸等，用于缝合线、药物载体、粘合剂等；体、粘合剂等； 5、高分子药物、高分子药物 多肽、胰岛素、人工合成疫苗等，用于糖尿病、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。心血管、癌症以及炎症等。11（三）按生物材料的属性分类：（三
8、）按生物材料的属性分类：天然生物材料天然生物材料再生纤维、胶原、透明质酸、甲再生纤维、胶原、透明质酸、甲壳素等。壳素等。合成高分子生物材料合成高分子生物材料硅橡胶、聚氨脂及其嵌段硅橡胶、聚氨脂及其嵌段共聚物、涤纶、尼龙、聚丙烯腈、聚烯烃共聚物、涤纶、尼龙、聚丙烯腈、聚烯烃医用金属材料医用金属材料不锈钢、钛及钛合金、钛镍记忆不锈钢、钛及钛合金、钛镍记忆合金等合金等无机生物医学材料无机生物医学材料碳素材料、生物活性陶瓷、碳素材料、生物活性陶瓷、玻璃材料玻璃材料杂化生物材料杂化生物材料指来自活体的天然材料与合成材指来自活体的天然材料与合成材料的杂化，如胶原与聚乙烯醇的交联杂化等料的杂化，如胶原与聚乙
9、烯醇的交联杂化等复合生物材料复合生物材料用碳纤维增强的塑料，用碳纤维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、玻璃等或玻璃纤维增强的生物陶瓷、玻璃等12生物材料的使用性能生物材料的使用性能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，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。不同的生物材料具有不同的使用性能。一般而言，临床医学对生物医学材料有以下基本的要求：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；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；具有与天然组织相适应的物理机械特性；针对不同的
10、使用目的具有特定的功能。13生物材料是研制人工器官及一些重要医疗技术的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，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。医疗技术的飞跃。生物惰性医用硅橡胶生物惰性医用硅橡胶人工耳、人工鼻、人工颌骨等人工耳、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血液相容性较好的各向同性碳被复材料碟片式机械碟片式机械心脏瓣膜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血液亲和性及物理机械性能较好的聚氨酯嵌段共聚物物促使
11、人工心脏向临床应用跨越一大步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可形成假生物内膜的编织涤纶管人工血管向实用化人工血管向实用化飞跃。飞跃。14四、生物材料的发展概况四、生物材料的发展概况 生物材料是生物医学科学中的最新分支学科，生物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、基础与临床医学等化学、生理学、药物学、基础与临床医学等很多学
12、科很多学科 。生物材料的发展已经有非常长的历史，自人生物材料的发展已经有非常长的历史，自人类认识了解材料起，就有了生物材料端倪。类认识了解材料起，就有了生物材料端倪。15生物材料发展三阶段生物材料发展三阶段（1）惰性生物材料阶段（2）生物材料生物化阶段（3）组织工程支架材料阶段16（1）惰性生物材料阶段惰性生物材料阶段 惰性生物材料是指对人体组织化学惰性，惰性生物材料是指对人体组织化学惰性，其物理机械和功能特性与组织匹配，使材料其物理机械和功能特性与组织匹配，使材料在应用过程中不致产生不利于功能发挥和对在应用过程中不致产生不利于功能发挥和对其它组织影响的反应，特别是与组织接触或其它组织影响的反
13、应，特别是与组织接触或短时间不产生炎症或凝血现象，无急性毒性短时间不产生炎症或凝血现象，无急性毒性或刺激反应，一般无补体激活产生的免疫反或刺激反应，一般无补体激活产生的免疫反应的一类功能材料。这类材料的应用基于对应的一类功能材料。这类材料的应用基于对材料本身性能的全面了解，是人类最早、最材料本身性能的全面了解，是人类最早、最广泛应用的生物材料。广泛应用的生物材料。17目前惰性材料主要品种目前惰性材料主要品种目前惰性材料主要品种18金属材料金属材料 金属材料主要集中在不锈钢、钛、金、银等基体金属及钴、镍、银-汞合金等。可用作导管支架用于介入治疗消化道系统疾病。 左图即为金属覆膜导管支架。19无机
14、非金属材料无机非金属材料非金属材料主要有氧化铝、氧化锆、氧化硅、氧化镁、氧化钛、铝酸钙等陶瓷材料。最为我们熟悉的就是烤瓷牙了。 烤瓷牙全称是烤瓷熔附金属全冠，是一种理想的修复体。它是先用合金制成金属基底，再在其表面覆盖与天然牙相似的低熔瓷粉，在真空高温烤瓷炉中烧结熔附而成，因而有金属的强度和烤瓷全冠的美观。它的特点是能恢复牙体的形态功能，抗折力强且颜色、外观逼真，表面光滑，耐磨性强不会变形，色泽稳定， 成功的烤瓷修复体应当是形态逼真，色泽稳定耐酸碱，属永久性修复体。20高分子材料高分子材料 有机高分子材料品种多，应用最为广泛，它有聚乙烯、聚丙烯，聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯
15、、聚甲基丙烯酸羟乙酯、聚氨酯、硅橡胶、天然橡胶、碳纤维、聚砜纤维、聚丙烯中空纤维、吸附树脂等。这些材料可用于人工血管、人工角膜、人工瓣膜、人工心脏及心脏辅助设备、心脏补片、人工晶状体、人工中耳骨、人工食道、喉、乳房、肾、肝、胰、胆道、输尿管、阴茎、皮肤、承力骨、颅骨、关节，以及医疗辅助设备如医用插管、输液管、输血管、手套、避孕套、绷带、止血海绵、组织黏结剂等21复合材料复合材料 复合材料主要有纤维增强聚合物材料或金属-陶瓷复合材料。 作为工程结构材料应用最多的是纤维增强复合材料，有以下几种：玻璃纤维增强复合材料(GFRP)、碳纤维增强复合材料(CFRP)、芳纶纤维增强复合材料(KFRP)和硼纤
16、维增强复合材料。它们都属于树脂基纤维增强复合材料，也叫做纤维增强塑料(FRP)。聚合物基纤维增强复合材料(FRP)22生物材料在人体各部位的具体应用23（2）生物材料生物化阶段生物材料生物化阶段 随着材料科学、医学的发展，以及随着材料科学、医学的发展，以及先进仪器设备的发明，带动了生物材料先进仪器设备的发明，带动了生物材料的发展。集中表现在发现新型生物材料，的发展。集中表现在发现新型生物材料，以及更多关注惰性生物材料所制成的人以及更多关注惰性生物材料所制成的人工器官和医疗器械在使用过程中与组织工器官和医疗器械在使用过程中与组织或血液产生的界面反应，也即材料在使或血液产生的界面反应，也即材料在使
17、用过程中逐渐生物化。用过程中逐渐生物化。24（2）生物材料生物化阶段生物材料生物化阶段 另一个研究重点是惰性生物材料的另一个研究重点是惰性生物材料的生物化生物化-即在不破坏原有材料性能的基础即在不破坏原有材料性能的基础上，通过表面改性设计使材料在长期使上，通过表面改性设计使材料在长期使用过程中与细胞亲和性好，不产生炎症、用过程中与细胞亲和性好，不产生炎症、凝血、畸变、甚至癌变等反应。研究的凝血、畸变、甚至癌变等反应。研究的重点是抗凝血材料的设计与制备。重点是抗凝血材料的设计与制备。25（3）组织工程支架材料阶段）组织工程支架材料阶段 材料生物化毕竟不能改变材料的基本结材料生物化毕竟不能改变材料
18、的基本结构，这为材料的长期使用留下隐患，同时器构，这为材料的长期使用留下隐患，同时器官官(尤其是组织尤其是组织)是一个复杂的系统，不可能是一个复杂的系统，不可能用单一无活性的材料来模仿其全部或大部分用单一无活性的材料来模仿其全部或大部分功能。因此在器官功能。因此在器官(或组织或组织)供体来源非常有供体来源非常有限的情况下，如何在体外培养出正常的组织限的情况下，如何在体外培养出正常的组织供手术使用，是医学界和生物医学工程学界供手术使用，是医学界和生物医学工程学界追求的目标之一。组织工程的出现和发展为追求的目标之一。组织工程的出现和发展为这一目标的实现提供了可能。这一目标的实现提供了可能。26组织
19、工程组织工程 组织工程是近十年发展起来的一门新兴学科，它是应用生命科学和工程的原理与方法，研究、开发用于修复、增进或改善人体各种组织或器官损伤后功能和形态的新学科，作为生物医学工程的一个重要分支，是继细胞生物学和分子生物学之后，生命科学发展史上又一个新的里程碑。27组织工程组织工程组织工程的关键是构建细胞和生物材料的三维空间复合体,该结构是细胞获取营养、气体交换、废物排泄和生长代谢的场所,是新的具有形态和功能的组织、器官的基础.28组织工程组织工程采用可降解材料制作的导管支架，具有自膨胀和药物缓释功能，可以用于各种消化道如胆管梗阻，食道狭窄等疾病。完成治疗任务后可完全降解。29五、生物材料的发
20、展趋势五、生物材料的发展趋势生物材料的开发和研究已逐步转向生物材料的开发和研究已逐步转向复合型复合型杂化型杂化型功能型：指在生理环境下表现为特殊功能的功能型：指在生理环境下表现为特殊功能的材料，形状记忆材料，组织引导再生材料，形状记忆材料，组织引导再生（Guided Tissue Regeneration，GTR）材）材料。料。 30五、生物材料的发展趋势五、生物材料的发展趋势智能型：指能模仿生命系统，同时具有感知和驱智能型：指能模仿生命系统，同时具有感知和驱动双重功能的材料。感知、反馈和响应是该材料动双重功能的材料。感知、反馈和响应是该材料的三大要素。将高新技术、传感器和执行元件与的三大要素
21、。将高新技术、传感器和执行元件与传统材料结合在一起，赋予材料新的性能，使无传统材料结合在一起，赋予材料新的性能，使无生命的材料具有越来越多的生物特性。生命的材料具有越来越多的生物特性。当前国内外生物材料开发研究的主要趋势，是致力当前国内外生物材料开发研究的主要趋势，是致力于提高材料的生物相容性，致力于开发生物相容性于提高材料的生物相容性，致力于开发生物相容性好、更能适应人体生理需要的新材料。好、更能适应人体生理需要的新材料。 31生物材料的展望生物材料的展望 克隆技术尤其是克隆猪技术的成功为人克隆技术尤其是克隆猪技术的成功为人类器官的异种移植提供了器官供体，但基于类器官的异种移植提供了器官供体
22、，但基于异种排斥反应异种排斥反应,组织工程生产的人工器官才是组织工程生产的人工器官才是最可靠的最可靠的;从伦理和动物保护角度考虑从伦理和动物保护角度考虑,组织工组织工程人工器官也会是人类器官移植的最终选择程人工器官也会是人类器官移植的最终选择.因此我们在多种冲击和困难面前应把握时机因此我们在多种冲击和困难面前应把握时机和研究方向和研究方向,尤其是把握尤其是把握组织工程组织工程的基础之的基础之一一生物材料的研究方向生物材料的研究方向,为人类的健康和为人类的健康和进步作出贡献进步作出贡献.32六、纳米医学材料简介六、纳米医学材料简介1纳米（纳米（ Nanometre， nm）=1毫微米，即十亿分之
23、毫微米，即十亿分之一米（一米（10-9米），相当于米），相当于4个原子的直径或细胞内个原子的直径或细胞内DNA双螺旋结构的半径。双螺旋结构的半径。纳米科学技术（纳米科学技术（NanoST）：在纳米级微观环境下）：在纳米级微观环境下工作，它是一种操纵原子、分子或原子团和分子团工作，它是一种操纵原子、分子或原子团和分子团使其形成所需要物质，以使其形成所需要物质，以0.1到到100nm的空间尺度范的空间尺度范围作为研究与应用的对象，研究其内在规律与特点，围作为研究与应用的对象，研究其内在规律与特点，并运用这些特性制造具有特定功能的物品与设备的并运用这些特性制造具有特定功能的物品与设备的一项高新科学技
24、术，许多特性如，纳米尺度的生物一项高新科学技术，许多特性如，纳米尺度的生物大分子能导电、纳米微粒的抗菌作用等只有在纳米大分子能导电、纳米微粒的抗菌作用等只有在纳米级时才可显现出来。级时才可显现出来。33纳米聚酯纳米聚酯34此技术是于此技术是于20世纪世纪90年代发展起来的。年代发展起来的。纳米材料的独特特性就在于它的小尺寸效应与界面纳米材料的独特特性就在于它的小尺寸效应与界面效应以及纳米结构单元之间的交互作用。效应以及纳米结构单元之间的交互作用。纳米陶瓷材料用于人工骨关节、牙齿修复、耳骨修复等，纳米陶瓷材料用于人工骨关节、牙齿修复、耳骨修复等，其强度、韧性、硬度以及超塑性都有显著提高。其强度、
25、韧性、硬度以及超塑性都有显著提高。新型纳米抗炎敷料，表面结构发生根本性变化，面积显新型纳米抗炎敷料，表面结构发生根本性变化，面积显著增大，杀菌效果增加百倍以上。著增大，杀菌效果增加百倍以上。利用纳米技术的利用纳米技术的DNA复制与自我生长、自我制造机理，复制与自我生长、自我制造机理，可研制出有生物相容性的各种人体器官和骨骼修复剂与可研制出有生物相容性的各种人体器官和骨骼修复剂与自生长材料、人血代用品等。自生长材料、人血代用品等。 35可利用纳米薄层能分解有机物、抑制细菌滋生的可利用纳米薄层能分解有机物、抑制细菌滋生的自我清洁特性可制成各种自我清洁特性可制成各种无菌器械无菌器械用于临床。用于临床。在在医疗保健医疗保健领域，用掺入多种微量矿物质元素的领域，用掺入多种微量矿物质元素的微元化纤维及陶瓷纤维等纳米材料，可制成衣物、微元化纤维及陶瓷纤维等纳米材料，可制成衣物、垫料等，有助于关节炎等病症的治疗、屏蔽电磁垫料等，有助于关节炎等病症的治疗、屏蔽电磁波能量，保障人体不受侵害。波能量，保障人体不受侵害。加入了纳米材料的加入了纳米材料的食品食品还可杀菌并提高胃肠吸收还可杀菌并提高胃肠吸收能力。能力。36
