生物材料.ppt

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1、,生物材料,提纲,整容生物材料定义生物材料发展生物材料分类生物材料的特征,韩国“美女”都是人造的？,韩国明星整容热:金善雅,韩国明星整容热:全智贤,韩国明星整容热:金喜善,美容,面部植入体,古代印度鼻成形术,古代印度的外科医生们也运用同样的技术来实现更为伟大的奇迹-鼻成形术，即修复甚至再造鼻子。对所使用的方法，妙闻集又一次作了描述。为了再造一个鼻子，要从患者的前额切下一块叶形皮肤，在鼻梁上要留下一根“叶柄”。然后将这块皮肤表面朝外，向下翻转，包住两根充作鼻腔的人工导管。还要像在耳垂手术中所作的那样在组织上留下划痕，使得叶形的侧面能够长在脸上。,人造真皮(Alloderm)去除引发免疫反映的表皮

2、层和真皮内细胞之后，利用极速冷冻干澡法把真皮层的3次元结构原本维持下来的真皮。因为原本保留了人体皮肤成分，容易移植和植皮。主要用于需要柔软材料的鼻尖整形术。因硅橡胶的副作用鼻尖皮肤变薄，需要再手术时，用来保证鼻尖皮肤的健康。,美容材料-隆鼻材料,自身组织自身组织是指从自己身体中提取使用的材料。因为是自己的组织，最具组织亲和力。但又因为要从自己身体的其它部位提取，会给被提取部位留下手术疤痕。1)软骨是自身组织中最常用的材料。耳软骨，鼻中隔软骨，肋软骨已被利用。因为肋软骨会给胸部留下疤痕，所以经常被采用的是耳软骨和鼻中隔软骨。2)也可以利用肋骨、骨盆骨和头盖骨，但这些自家组织只用于大型手术。美容手

3、术一般不会用到。如因外伤引起鼻子变形可能会用在鼻子再造手术。3)真皮脂肪可以从臀部或胯部提取，主要用于垫高鼻梁的手术。4)筋膜要从侧头筋提取，需要切开头皮后才能提取。因为会给头皮留下疤痕，不在万不得已情况下不会采用。,美容材料-隆鼻材料,固体硅胶，是目前常用的隆鼻材料，尽管其并发症发生率可达，但因其有良好的生物相容性，价格低廉，仍为目前临床首选的隆鼻材料之一。其主要缺点是，不能与机体建立起血液循环，形成组织连接，仅为纤维组织包绕，故可在组织薄弱处穿出皮肤，由于纤维包膜的挛缩，可造成硅胶假体的体表投影，而影响外观效果。人工骨材料，主要是指羟基磷灰石，因而其生物相容性良好，无毒、无致畸、致敏及致癌

4、等副作用。但因无支撑作用，故对鼻尖低者效果较差。膨体聚四氟乙烯（）：从医学角度，是目前最为理想的生物组织代用品。由于其良好的生物相容性及特有的微孔结构，无毒、无致癌、无致敏等副作用，而且人体组织细胞及血管可长入其微孔，形成组织连接，如同自体组织一样。用其隆鼻效果十分满意。但其价格昂贵，简单的隆鼻也需要上万块钱，而影响了其普遍应用。,美容材料-隆鼻材料,膨体材料为目前最先进的隆鼻材料。这类材料在国外整形界已被广泛应用。它性质极其稳定，不会与其它物质发生任何反应；无毒性、致癌性、致畸性；质地柔软并易于雕刻塑性；在手术后病人认为外型不理想时可以较容易完整地取出，而不会留下任何缺憾。它最大的优点是手感

5、逼真不透光，且血管可以伸入这种材料，使之更牢固。同时，目前正在应用的隆鼻材料还有多种。其中一些可注射的液体材料，注入后与周围软组织相融合，要想完全取出，十分困难。它们最致命的缺点是一旦效果不理想，不易完整取出，这使整形医生颇为头痛。,美容材料-隆鼻材料,生物材料,概述 发展分类 特点几种生物材料的介绍,概述,生物材料(biomaterials)：通常有两个定义：狭义的生物材料是指天然生物材料，也就是由生物过程形成的材料。广义的生物材料是指用于替代、修复组织器官的天然或人造材料。用于与生命系统接触和发生相互作用的，并能对其细胞、组织和器官进行诊断治疗、替换修复或诱导再生的一类天然或人工合成的特殊

6、功能材料，又称生物医用材料。,概述,生物材料是材料科学领域中正在发展的多种学科相互交叉渗透的领域，其研究内容涉及材料科学、生命科学、化学、生物学、解剖学、病理学、临床医学、药物学等学科，同时还涉及工程技术和管理学科的范畴。,生物材料正在挽救和维持世界上成千上万血管患者的生命；正广泛用于伤残人肢体形态和功能的恢复；正在计划生育、控制人口、提高人们健康水平方面发挥巨大作用。如图 注：生物材料不是药物，其治疗途径是以生物机体直接结合和相互作用为基本特征的。,生物材料发展,生物材料发展简史（历史上、近代、现代）生物材料分类（属性、功能、来源、使用）生物材料的特征与评价（宿主反应、材料反应、生物相容性）

7、,古代（利用天然物质和材料治病）公元前5000年，黄金修复失牙；公元前3500年，古埃及，棉花纤维、马鬃等缝合伤口；公元前2500年，中国、埃及，假手、假鼻、假耳等人工假体；隋末唐初，银膏补牙-成分是银、锡、汞，与现代牙齿填充材料汞齐合金类似。,生物材料发展,近 代：最先应用于临床实践的金属材料是金、银、铂等贵重金属。（良好的化学稳定性和易加工性）1829年，通过多种金属的系统动物实验，得出：金属铂对机体组织刺激性最小；1851年发明天然橡胶的硫化方法后，开始利用天然高分子硬橡木制作人工牙托和颚骨进行临床治疗；1892年，用硫酸钙填充骨缺损，这是陶瓷材料植入人体的最早实例。,生物材料发展,现

8、代：生物医学材料取得实质性进展开始于20世纪20年代不锈钢：1926年，含18%铬和8%镍首先应与于骨科治疗，随后应与于口腔科；1934年，研制出高铬低镍单相组织的AISI302和304，在体内生理环境下的耐腐蚀性显著提高；1952年，开发出耐蚀性更好的AISI316不锈钢，并逐渐取代AISI302；60年代，为了解决不锈钢的晶间腐蚀问题，又研制出超低碳不锈钢AISI316L和317L。,生物材料发展,钴镍合金：铸造钴镍合金首先在口腔中得到应用；20世纪30年代末又被应用于制作接骨板、骨钉等内固定器械；50年代成功制成人工髋关节；60年代为了提高力学性能，研制出锻造钴铬钨镍合金和锻造钴铬钼合金

9、，并应用于临床；70年代为了改善钴基合金抗疲劳性能，研制出锻造钴铬钼钨铁合金和具有多相组织的MP35N钴铬钼镍合金，应用于临床。,生物材料发展,钛：金属钛，优异的耐蚀性、生物相容性、密度低；40年代，制作外科植入体；50年代用纯钛制作接骨板和骨钉；70年代，Ti6A14V合金（强度比纯钛高，耐蚀性和密度与之相似）、TiSAl2.5Sn合金和钛钼锌锡等合金获得应用；从而使钛和钛合金成为继不锈钢和钴基合金之后的又一类重要医用金属材料；70年代以后，NiTi系为代表的形状记忆合金逐渐在骨科和口腔科得到应用，并成为医用金属材料的重要组成部分。,生物材料发展,生物陶瓷：从60年代初开始应用于生物材料。多

10、晶氧化铝陶瓷-低温各向同性碳-生物玻璃-羟基磷灰石（生物活性陶瓷）-生物陶瓷复合材料-引入活体细胞或生长因子的生物陶瓷构架；,生物材料发展,医用高分子：开始于50年代有机硅聚物的发展。有机硅聚合物-聚甲基丙烯酸甲脂（骨水泥）-医用高分子材料大发展，制作了人工心瓣膜、人工血管、人工骨、手术缝合线等90年代以后，借助于生物技术和基因工程的发展，由无生物存活性材料扩展到具有生物学功能的材料领域，其基本特征是具有促进细胞分化、增殖、诱导组织再生、参与生命活动等功能。,生物材料发展,生物材料进展,器官移植取得巨大进展，但有难题：排异（傅彪）、器官来源、法律、伦理（电影克隆岛）等。因此医学界对生物医学材料

11、和人工器官（包括人工心脏、血管、皮肤、鼻子）的要求日益增加。,傅彪,逃离克隆岛,生物材料分类,按材料属性分类按材料功能分类按材料来源分类按使用部位分类,1.按材料属性分类：,a.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。b.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-磷酸三钙陶瓷等。c.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。d.医用复合材料：不同种材料的混合

12、或结合，克服单一材料的缺点，可获得性能更优的材料。,2.按材料的功能分类：,a.硬组织相容性材料：主要用于生物机体的关节、牙齿及其他骨组织b.软组织相容性材料：主要用于人工皮肤、人工气管、人工食道等 c.血液相容性材料：主要用于人工血管、人工心脏、血浆分离膜、血液灌流用吸附剂、细胞培养基材等 d.生物降解材料：主要用于吸收型缝合线、药物载体、愈合材料、粘合剂以及组织缺损用修复材料。,3.按材料来源分类：,a.自体组织 如人体听骨、血管等替代组织b.同种异体器官及组织 如不同人体之间的器官移植c.异种器官及组织 如动物骨、肾替换人体器官d.天然生物材料 如动物骨胶原、甲壳素、珊瑚等e.人工合成材

13、料 如各种人工合成的新型材料,4.按使用部位分类：,a.硬组织材料 骨、牙齿用材料 b.软组织材料 软骨、脏器用材料c.心血管材料 心血管以及导管材料d.血液代用材料 人工红血球、血浆等e.分离、过滤、透析膜材料 血液净化、肾透析以及人工肺气体透过材料等,生物材料的特征与评价,宿主反应与材料反应生物相容性,任何一种生物材料，除了应具有必要的理化性能外，还需要满足在生理环境下工作的生物学要求，即有良好的生物相容性。这也是生物材料区别于其他材料的基本特征。,对生物材料的要求是：对于人体组织无刺激性，无毒副作用，无致癌性。接触人体各种体液（唾液、淋巴液、血液）时，应有良好的耐蚀性。唾液、血液、间质液

14、都是以Cl、Na+、K+离子为主的电解质溶液，生物材料在这种溶液中应不发生反应、腐蚀和变质。,具有必要的强度、耐磨性和耐疲劳性能。如髋关节在静止状态承受体重的二分之一，水平步行时承受的重量为静止时的3.3倍，而跑步时则为4倍以上。此外,每步行一公里大约活动1000次，按照一般的生活情况,每年大约承受1106 3106次重复负荷的作用。,与生物体组织、与血液有相容性不会引起凝血，与软硬组织有良好的粘接性，不会产生吸收物和沉淀物。,几种生物材料的介绍硬组织替代材料软组织替代材料,常用的硬组织替代材料,人工关节生物金属材料生物陶瓷材料,人工关节,1890年，Gluck首先应用象牙制造下颌关节；193

15、8年，Wiles用不锈钢作髋臼与股骨头；而后Moor开展了人工股骨节置换术；1940年Wder兄弟用合成树脂制造人工关节；1951年开始全髋人工关节置换术。1952年Habowsh用固定牙的丙烯酸脂固定人工髓关节，由此合成树脂开始用于人工关节与骨的结合。1958年Charnhey根据重体环境滑润理论，用聚四氟乙烯髋臼和金属股骨头制成低磨擦的人工关节，接着在1962年，Charnley把高密度聚乙烯髋臼和直径为22毫米的金属股骨头组成全髋人工关节，并用骨水泥（甲基丙烯酸脂）固定，获得较满意的效果。自此，人工关节置换术进入实际应用的新阶段。迄今已研制出膝、髋、肘、肩、指、趾关节假体用于临床。欧美等

16、发达国家每年仅全髋置换已超过80万例.我国人工关节置换术达25万例.,髋关节,人工髋关节,磨损病因,无菌松动是人工关节置换术后最常见的并发症和最终失效的主要因素。磨损产物磨屑是导致无菌松动的原因。人工关节长期使用后，一方面磨损后影响置换关节的装配性能；更重要的是产生大量磨屑，其中较小的磨屑被组织细胞吞噬，较大的磨屑被组织细胞包绕。从而使组织细胞激活，并分泌大量溶滑性因子，引起骨溶解，导致人工关节松动。而松动的人工关节又加重了磨损，产生更多的磨屑，形成恶性循环，最终使置换关节失效,生物金属材料,金属材料虽种类很多，但能在人体生理环境条件下长,期安全服役的却不多。经过长期研究和临床筛选而得到广泛应

17、用的金属材料主要有不锈钢、钴基合金、钛及其合金、形状记忆合金和贵金属，此外还有钽、铌、锆和磁性合金等。,1、不锈钢不锈钢成本低，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，如使用超低碳,不锈钢骨钉,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。,2、钴基合金加Mo的钴基合金，已用于生物体中。例如Co-Cr-Ni-Fe-Mo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

18、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.,CoCrMo合金制股骨帽,3、钛与钛合金以纯钛和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。,非晶金刚石涂覆的膝关节和髋关节,4、形状记忆合金用于制作脊椎侧弯症矫形器械、牙科器件、血栓过滤器、血管扩张支架、血管栓塞器等。,5、贵金属通常是指金、银、铂及其合金。贵金属耐腐蚀、抗蠕变,对机体组织无毒，刺激性小,导电性好。金合金主要用

19、于口腔科，贵金属合金还可用于植入形电极与电子装置等.,6、钽、铌、锆钽、铌、锆的耐蚀性、生物相容性好，无毒性，可加工成板、带、丝等用于骨科、心血管方面的治疗。,应用：,在骨外科，用于制作各种骨折内固定器械和人工关节；在口腔及颌面外科，用于制作牙根种植体、义齿、牙床、托环、牙桥与牙冠等；在颅脑外科，作为骨头托架已用于颚骨再造手术，用微孔钛网可修复损坏的头盖骨和硬膜，能有效地保护脑髓液系统。,牙根种植体,从材料学角度来说，骨是由无机矿物与生物大分子规则排列所组成的复合材料。骨的有机成分主要是型胶原纤维，约占总重量的24%，是由三股螺旋结构的多肽链相互缠绕而形成，无机成分主要是磷酸钙盐，约占总重量的

20、65%；其余为水。骨中的矿物质呈片状，尺寸约为5nm20nm40nm，位于原胶原分子的间隙孔之内，晶体的C轴平行与胶原纤维，这样就构成骨的基本结构。所以生物陶瓷,三、生物陶瓷材料,生物陶瓷材料在生物体内极为稳定，与生物组织有良好的亲和性，特别适于作人体硬组织如骨和齿的替换修补材料，能与人体骨生长在一起，形成化学结合。,生物陶瓷中耳通气引流管,1、磷酸钙陶瓷这种陶瓷的主要性质是具有生物降解性，并能被人体吸收，羟基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2是骨组织与牙组织的无机组成部分，它的单位晶胞与人体骨组织相同,但其性脆、强度不高，不能直接用于承受载荷大的种,羟基磷灰石与聚合物复合用于人造骨，效果更

21、好，已,有聚乙烯与它复合的材料。羟基磷灰石作为金属种植体表面涂层，能大大提高人体骨长入孔洞的速度。,羟基磷灰石与骨的相容性,2、生物活性玻璃和生物活性玻璃陶瓷,45S5玻璃(45%SiO2，24.5%CaO，4.5%Na2O2,6%P2O5)与人体骨有非常高的界面结合强度。含磷灰石和硅灰石晶相的高强度生物活性玻璃陶瓷(又称微晶玻璃，简称A/W)也与人骨有很高的界面结合强度.,A/W的组成为：MgO 4.6%，CaO 44.7%，SiO2 34%，P2O5 16.2%，CaF2 0.5%。由于含硅灰石相(CaOSiO2)，其力学强度远高于羟基磷灰石。目前A/W已用于充填骨瘤切除后的骨缺损。,活性

22、玻璃陶瓷组织,生的热，可抑制骨瘤的重新生长。这种陶瓷在种植8周后能在表面形成富Ca-P层，并与骨紧密结合。,还有一种含有磁铁矿(Fe3O4)的新型生物活性玻璃陶瓷，具有高的饱和磁感应，利用它在磁场中产,3、玻璃碳玻璃碳是一种透明的碳，为近年发展起来的碳素材料.它是由聚合物(如酚醛树脂)加热至2000裂解碳化而得。其力学性能接近于人骨，有优良的抗血栓性及化学稳定性，可用以制作人工心瓣膜，人工齿根等。,心脏瓣膜,可降解陶瓷药物载体植入骨病灶区可持续缓慢释放药物，有效治疗骨结核、骨肿瘤等疾病，且兼有补骨作用。,采用高纯氧化铝生物陶瓷制备关节头，无钒钛合金制备关节柄，并在柄部涂覆生物活性陶瓷涂层，有效

23、地解决了人工关节易磨损、生物相容性不佳、松动、下沉等问题，提高了其使用寿命。,采用羟基磷灰石和聚-DL-乳酸制备成可吸收内固定材料，抗弯强度120MPa，植入体内无需二次手术取出，对组织无刺激，能被人体完全吸收，最终代谢为二氧化碳、水、钙和磷矿物质排出体外，部分钙和磷参与成骨，无任何毒副作用。适用于人体松质骨骨折、截骨术和关节融合术的骨块（段）固定。,图8-4 人工听小骨,氧化铝听小骨系统提高听力的能力在音频大于2000Hz时开始出现较大的衰减，而羟基磷灰石听小骨系统一般在4000 Hz以上才开始明显的衰减。,采用增强含微孔羟基磷灰石(HA)陶瓷制成人工听小骨假体，在语言频率范围，平均提高病人

24、的听力20-30dB，在特定语言频率范围提高4560dB。,制备中耳通气引流管，界面润湿角小，毛细管力大，引流效果好，适用于分泌性中耳炎患者。置管后患者鼓膜多自行愈合，且能明显改善听力，是一种较为理想的通气引流管。,软组织相容性材料,分类人工皮肤,（一）分类 a.非结合性的：如接触式镜片材料（隐形眼睛），要求材料对周围组织无刺激性和毒副作用；b.结合性的：如人工皮肤、人工心脏等，要求材料与周围组织有一定粘结性，并且不产生毒副反应。,例：日本油脂工业株式会社和鹿儿岛大学工学部的研究人员开发了生物医用材料新型聚合物“复合硅”：可以应用于制造人造肺等，它是通过复合物与硅元素缩聚反应而生成的聚合物，与

25、血液接触具有血液不凝固的抗血栓性。同时，这种聚合物具有较高的强度、透气性和良好的耐久性，容易加工成薄膜或中空丝。过去，为了防止血液凝固，需要在原材料中添加血液抗凝固剂，血液返回体内才不容易渗出，采用这种聚合物的有点在于不必使用血液抗凝固剂。,（二）人工皮肤1.皮肤创伤修复材料和损伤皮肤的替代品；可以使皮肤大面积或深度烧伤的患者，在自体皮不够的情况下，进行修复治疗并使之恢复因皮肤创伤丧失的生理功能。,2.理想的皮肤修复材料：a.无毒、无刺激、不会引起免疫反应；b.具有相容性以及类似天然皮肤的透湿性、柔软性和润湿性；c.能与创面组织紧贴，起到防止创面的水分、体液损失和吸收创面渗出液的作用；d.易于

26、在皮肤愈合后自动脱落、易于消毒的材料。,3.最早的人工皮肤是从创伤敷料开始的，按其功能可分为吸收敷料：保护创面和吸收体液，使创伤不受细菌的感染不粘敷料：包括不粘膜层和吸收衬垫，防止创面干燥和病原菌进入创伤封闭和半封闭敷料：清洁创伤，减少体液渗出，促进创伤修复 水凝胶敷料：水凝胶吸水溶胀后对创面形成闭合吸收敷料，防菌防毒并在创伤修复后易于去除，愈合率提高 含药敷料：加入使上皮再生和消炎以及抗生素等药物,4.主要使用的材料分为合成高分子材料和生物高分子材料。合成高分子材料：尼龙、聚酯、聚丙烯等合成纤维；聚氨酯、聚四氟乙烯等多孔薄膜 生物高分子材料：一类是同种异体或异种组织，如人或动物的羊膜、腹膜和

27、皮肤；另一类是胶原蛋白（促进再生）。,人工皮肤,在胶原蛋白所做成的模皮上植入皮肤細胞，於体外培养后得到皮肤,水凝胶类人工皮又称冻胶，是亲水性聚合物或水溶胀性聚合物，其粘附性能较好。例如,氧化乙烯-氧化丙烯的共聚物凝胶可先制成溶液；将溶液涂在创面上于,人造皮肤,体温下固化为人工皮。这种凝胶含水量达80%，能帮助维持体液平衡，加入消炎药和维生素等药物后还能促进创面愈合。,6.发展：随着组织工程学科的出现和发展，人工皮肤的研究从原来单纯的创伤敷料和人工皮肤向活性人工皮肤的方向发展。活性人工皮肤不仅包覆在创伤表面，保护创面，防毒杀毒，促进皮肤的恢复和生长，而且组织支架材料中的活性细胞能诱导分化细胞，使

28、活性人工皮肤能完全永久地代替已损伤和丧失的皮肤。现在，已研究出可以永久替代人皮肤的活性人工皮肤，并已应用到临床。,国家“863”高科技计划的丝蛋白人工皮肤研制成功2003.10.31 15:15被列入国家“863”高科技计划的丝蛋白人工皮肤，经苏州大学和上海第二医科大学附属瑞金医院科研人员的联合攻关研制成功，并于近日通过省科技厅组织的国内外专家鉴定。丝蛋白人工皮肤采用组织工程这一高新科技原理，以天然蚕丝蛋白为主要原料研制而成，通过将种子细胞（表皮细胞）播种在人工真皮上，经体外培养后，“生长”出一种新皮肤。随着医学发展，人们相信不久的将来，人工皮肤便可像机器零件一样，摆在“商店”的柜台上，用来更换损坏的皮肤组织。,