生物医用药用功能材料文档资料.ppt
《生物医用药用功能材料文档资料.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《生物医用药用功能材料文档资料.ppt(163页珍藏版)》请在三一办公上搜索。
1、1,生物医用药用功能材料作为一类新兴材料发展很快,每年以2030的速度递增。1980年世界销售额达200亿美元,1990年将增加到500亿美元。医用高分子材料大量用于医疗器具和器械,而且用作人体器官或肌体组织的代用品,短期或长期植入人体内,起到人体某种功能的作用。,2,近年来,这类生物医用药用功能材料的人工器官发展更为迅速,目前国外有数以百计的人靠人工器官维持着生命,仅在美国,每年约有:100万人接受人工器官的植入手术,其中人工心脏瓣膜3.5万人;人工血管18万人;人工髋骨12.5万人;人工膝盖605万人;人工肾5万人;人工乳房12.5万人等。,3,人类利用天然材料治病的历史已有数千年:公元前
2、2500年在中国及埃及人的墓穴中已发现有假手、假耳等人工假体,我国隋唐时代就有了补牙用的银膏。金银铂等贵重金属最先用于临床实践,它们都有良好的化学稳定性和易加工性能。,4,1926年,不锈钢材料用于骨科治疗,20世纪50年代用纯钛制作的骨丁、骨板已用于临床,70年代后期以Ti-Ni系为代表的形状记忆合金成为骨科、口腔科医用金属材料的重要组成部分。高分子生物材料的发展略晚于金属材料,20世纪60年代初,聚甲基丙烯酸甲酯开始用于髋关节的修复,促进了医用高分子材料的发展。,5,生物陶瓷的开发研究开始于60年代初,首先是用于骨校正和牙种植的多晶氧化铝陶瓷,1967年,低温各向同性碳用于临床,1971年
3、羟基磷灰石陶瓷获得临床应用,从此,生物陶瓷复合材料成为一个重要的研究领域。在生物陶瓷的骨架结构中引入生长因子,使陶瓷具有生物学功能是目前较为活跃的研究领域之一。,6,目前,生物医用药用功能材料应用很广泛,几乎涉及到医学的各个领域。按其应用大体可分为三大类:不直接与人体接触的与人体组织接触的进入人体内的与人体接触的,7,进入体内的材料虽然是一小部分,但它决定了最近数十年来医学上的许多成就。它们中的绝大多数属功能高分子范畴。有的具有人体组织或器官的某些功能;有的利用其物理化学性能阻止或疏通某些功能障碍,使之恢复其正常功能;有的只作为医疗器械使用,由于它与人体表面或体内或长或短时间的接触,对其生物学
4、性能仍有一定的要求。,8,生物医用药用功能材料从原料、助剂、材料合成到制品结构设计加工,从生物学性能的检验到临床验证,涉及的专业和学科很多。生物医用药用功能材料作为一门边缘学科,结合了化学、物理、生物化学、合成材料工艺学、病理学、药理学、解剖学以及临床医学等等多方面的知识,涉及许多工程学的问题。这些学科相互渗透、相互交融,促使生物医用药用功能材料的品种日益丰富,性能逐渐完善,功能日益齐全。,9,二十一世纪生物医用药用功能材料将进入一个新的时代,目前国内已有十几个省市的单位从事生物医用药用功能材料的研究和生产,涉及到六十多种材料,其制品品种已达200多种,如人工皮、人工骨、人工脏器、人造血液、各
5、种整形材料和医疗器械等。自上海橡胶制品研究所与有关医院协作研制的硅橡胶心脏瓣膜,1965年已成功地植入人体以来,医用高分子的发展为保障人民身体健康,战胜各种疾病,探索生命奥秘,起到了及其重大的作用,发展多种新型的生物医用药用功能材料,已成为医学、药学以及材料学、化学工作者所共同关心的问题。,10,第一节 生物医用药用功能材料的特征与评价,1.1生物医用药用功能材料的基本性能要求生物医用药用功能材料在使用的过程中常常与生物肌体、体液、血液等等相接触,有些还长期在体内放置,因此要求其性能较为出色,生物医用药用功能材料的要求比普通工业用材料的要求要高的多,尤其对植入性材料的要求更甚。,11,对于在人
6、体内应用的高分子材料一般要求:(1)化学性能稳定,对人体的血液、体液等无影响,不形成血栓等不良现象;(2)材料与人体的组织相容性良好,不会引起炎症或其它排异反应;(3)无致癌性,耐生物老化,长期放置体内的材料其物理机械性能不发生明显变化(4)不因高压蒸煮、干燥灭菌、药液等消毒措施而发生质变。,12,除上述一般要求外,根据用途的不同和植入部位的不同还有各自的特殊要求:与血液接触不得产生凝血,眼科材料应对角膜无刺激。注射整形材料要求注射前流动性好,注射后固化要快等等。作为体外使用的材料,要求对皮肤无害,不导致皮肤过敏,耐汗水等浸蚀,耐消毒而不变质。人工脏器还要求材料应具有良好的加工性能,易于加工成
7、需要的各种复杂的形状。不同的用途要有许多特殊的要求。,13,1.2 生物相容性,生物材料在与人体组织接触时会产生有损肌体的宿主反应和有损材料性能的材料反应,在生物体方面往往出现毒性反应、炎症和形成血栓等等。这就要求所生产的生物材料在生理环境中具有生物相容性(biocompatibility),这是生物医用药用功能材料区别与其它材料的最基本的特征。,14,生物相容性:材料在特定的生理环境中引起的宿主反应和产生有效作用的综合能力。主要包括:血液相容性组织相容性,15,血液相容性主要是指生物医用药用功能材料与血液接触时,不引起凝血及血小板粘着凝聚,不产生破坏血液中有形成份的溶血现象,即溶血和凝血。医
8、用材料与体液、血液的接触主要是在材料的表面,所以在考虑机械性能之外,在材料表面结构的合成与设计中,应考虑材料的抗凝血性,该工作主要包括惰性表面、亲水性表面、亲水疏水微相分离结构表面及其表面修饰。,16,组织相容性:是指活体与材料接触时,材料不发生钙沉积附着,组织不发生排拒反应。组织相容性也是基于亲水性、疏水性以及微相分离的高分子的表面修饰、特别是细胞粘附增殖材料更为引人注目。材料与组织能浑然成为一体是当今组织相容性研究的热点课题。,17,研究评价生物相容性标准与标准方法一直是生物医用药用功能材料研究的重要组成部分。临床使用前对生物医用药用功能材料进行严格的测试与评价以确保生物医用药用功能材料的
9、临床使用的安全性是十分必要的。国际标准化组织ISO/TC194制定了生物医用药用功能材料的检验测试项目。其标准实验是可重复性实验,其程序一般由简到繁,从体外到体内,先动物,后人体。,18,1.3生物降解吸收材料,有些外科内植用的材料作为永久性材料植入体内时,希望材料的组织相容性良好,在体内保持稳定,耐生物老化性良好。但有些材料期望它能在发挥作用后降解,被组织吸收,通过正常的循环被排出体外。如可降解的手术缝合线,被用来缝合内脏的手术口,避免了二次手术拆线;可降解的骨丁、骨板经过一定的时间后被正常的组织所填充覆盖吸收,避免了拆除的痛苦。,19,目前主要采用的医用高分子材料种类:脂肪聚酯、聚丙交酯、
10、聚内酯、聚酸酐、聚原酸酯、聚乳酸等等。生物降解吸收医用材料在体内的降解大致有水解与酶解两类:水解产物应无毒副作用,分子量较小,能够经肾脏排出;酶解产物应能够参与正常的代谢。,20,21,生物降解医用高分子的研究目前主要集中在:,A 以形状、表面积以及不同的链节比例等控制合适的降解速度,以保证材料在正常的使用期限中具有良好的性能而在活体康复后尽快降解。B 在大分子链上引进功能基团,引进抗体、药物活性物质,进行官能团修饰以增进材料的亲水性,加快材料的水解速度。C 通过嵌段共聚控制缓释药物的释放速度,改善药物通过膜的透过性。,22,由于可降解高分子材料不需二次手术移出,因此其特别适合于一些需暂时性存
11、在的植入场合。根据其临床中的应用,可分为以下几类:(1)外科手术缝合线;(2)骨固定材料;(3)人造皮肤;(4)药物释放体系。,23,第二节 医用功能材料的分类与应用,迄今为止人们研究过的医用功能材料已有1000多种,在临床上广泛应用的也有几十种,涉及到材料学科的各个领域。,24,根据材料的属性,它可以分为以下几类:医用金属材料(biomedical metallic materials)医用无机非金属材料或称为医用陶瓷(biomedical ceramics)医用复合材料(biomedical composites)医用高分子材料(biomedical polymer),25,2.1医用金属
12、材料,医用金属材料是用作医学材料的金属或合金:医用金属材料一般具有较高的机械强度和抗疲劳性能,是临床应用最广泛的植入材料。很早金属材料就在临床上有所应用,最初的医用金属材料是金属板和针,用于固定骨折。二十世纪40年代,医用金属材料应用已经非常普遍,主要用于骨和牙等硬组织的修复和替换,如人工关节,人工骨及各种内外固定器械,还参与制作血管扩张器、人工气管、生殖避孕器材及各种外科辅助器件。最先广泛用于临床治疗的金属是金、银、铂等贵重金属,它们具有良好的稳定性和加工性能。之后,铜、铅、镁、铁和钢等曾用于临床实验,但因耐腐蚀性、生物相容性较差以及力学性能偏低未受到广泛应用。,26,随着冶金技术的进步,不
13、锈钢逐渐应用于临床,虽然抗腐蚀性并不十分理想,但易加工,价格低廉,是目前应用最广的金属材料。现已用于临床的医用金属材料还有钴基合金和钛基合金、形状记忆合金、贵金属以及纯金属钽、铌、锆等。其中钛被称为“亲生物金属”,它强度大,密度与人骨相近,又不受人体组织液腐蚀,适用于人体,在医学上有特殊用途;用钛代替或修补骨骼损失,新骨骼和肌肉可以在钛上生长,形成的钛骨犹如真骨;钛制的头盖骨、肘骨,已用于临床;利用钛镍合金的形状记忆特性,可疏通血管或胆道阻塞。目前,国内外正开展在金属表面生物相容性、硬度、耐磨性和耐腐蚀性等的研究工作。,27,2.1.1 对医用金属材料的性能要求,(1)力学性能对医用金属材料,
14、既要求具有良好的静态性能,又要求具有抗周期性作用的动态性能。屈服强度、断裂强度、弹性模量、疲劳极限是主要的强度指标。人们期望的医用金属材料应该是具有镁的弹性模量,钴铬钼合金的强度,钛合金的抗腐蚀性和生物相容性,以及不锈钢的可加工性。,28,弹性模量是医用金属材料在骨科应用中的一个重要指标。人骨具有17GPa的弹性模量,钛合金具有110至124GPa的弹性模量,钴铬钼合金是240GPa。在弹性模量上人骨与植入体内的金属之间的差别,使两者在承担负载方面不均衡。应力不均衡的结果,金属材料在体内产生应力遮挡,使与植入物相邻的骨不能变得与没有植入物时一样结实牢固。,29,耐磨性也是医用金属材料的一个重要
15、指标。过度的磨损能导致植入物部件过早失效。另外,磨损金属碎屑可能与人体不相容。,30,(2)腐蚀性能,医用金属材料必须能在体内环境中抗腐蚀。所有类型的腐蚀在处于体内环境下的医用金属材料中已经被观察到:均匀腐蚀、点和缝隙腐蚀、应力腐蚀、开裂腐蚀、疲劳和晶间腐蚀。除均匀腐蚀以外的腐蚀在人体内都是不能容忍的。而能够容忍的均匀腐蚀也很有限,只有腐蚀速率低于0.25um/年的材料才可以被考虑作为医用金属材料。,31,表面钝化是耐蚀性的最重要判据:例如,不锈钢和钴铬钼合金,由于含铬使之钝化而抗均匀腐蚀,其他类型元素的加入可以抗非均匀类型的腐蚀,例如点腐蚀等。但是钛及其合金不依靠铬钝化。另外,表面光洁度也可
16、以影响耐磨性和耐腐蚀性,表面光洁度高更耐磨损和耐腐蚀。,32,2.1.2 常用医用金属材料,最典型的医用金属材料是骨科植入物:像人工髋关节和膝关节,以及骨钉等。对于这些结构性的应用,最主要的材料是不锈钢、钴基合金、各级纯钛和钛合金等。,33,(1)不锈钢,不锈钢用于制作植入物最多:其价格便宜,易于通过常规技术成型。力学性能在较大的范围内是可控的,能提供最佳的强度和韧性。但是在体内长时间使用,不锈钢的耐腐蚀性不够。不锈钢最适用于制作短期的骨折处理装置,如螺钉、骨板、髓内钉以及其他一些临时固定器械。以前,人工髋关节主要是由不锈钢制作的。现在,这些长期植入物一般选用钴铬钼合金或钛合金。,34,为提高
17、不锈钢的抗缝隙腐蚀能力,不锈钢植入物在包装和灭菌之前,需用硝酸钝化处理。用于植入物的不锈钢金相为奥氏体组织,因而具有良好的成型性。真空冶炼能帮助改善合金的疲劳性能,冷加工能增加强度和抗疲劳性。,35,(2)钴铬钼合金 钴铬钼合金,因其良好的耐腐蚀性和优异的力学性能而成为重要的医用金属材料,其最常用的是铸造钴基合金,但变形(锻造)合金的发展也很快。,36,钴铬合金的冶金学与钴基高温合金相同,它们由元素的固溶和碳化物的形成而强化。对于锻造合金,冷加工亦使材料强化。屈服强度随晶粒尺寸而变化,并受加工过程中冷加工的影响。用于髋关节这类结构性应用的此类合金,为达到最佳性能而最好采用锻造。,37,钴铬合金
18、难于机械加工,精锻虽能减少机械加工,但是闭合模锻件仍比铸件的机加工量大,结果造成钴铬合金植入物多数仍是铸造的。铸件有时存在疏松和气孔,但可以由改进模具设计并通过铸造后的热等静压处理来控制。,38,另外,粉末冶金技术有时用于制作钴铬合金部件。热等静压应用在粉末冶金上,能获得非常细的晶粒和异常好的性能,但价格昂贵。,39,生产钴铬钼植入物时,综合考虑生产成本和产品性能来确定工艺方法。如果使用铸造的产品性能能满足使用要求,则选择铸造方法。如果对机械强度的要求很高,则应采用锻造或热压的方法。锻造的钴铬合金在力学性能上明显高于铸造的钴铬钼合金。,40,(3)钛及其合金,纯钛的生物相容性相当好。纯钛以及钛
19、合金的植入物很少或几乎不与其周围的组织反应。钛的耐腐蚀性是由于其表面形成一层氧化膜,这层氧化膜若受到损坏,可以在体温和人体组织液的条件下再生。,41,Ti-6Al-4V具有最佳的结构性植入物的综合性能。这种合金比纯钛有更高的极限强度和屈服强度,兼具良好的韧性。它一般是由锻造得到,但也可以铸造。另外,Ti-6Al-4V能通过控制成分,调整加工参数使其强化。通过适当的加工过程,其疲劳寿命可增加一倍。近来,Ti6Al17Nb新合金开始在欧洲应用,该合金元素对人体无毒性,且强度较Ti-6Al-4V高10,被认为是制作永久性植入物的理想材料。,42,钛的摩擦、磨损性能不同于其他金属,这是由于钛表层有一层
20、坚固的氧化膜,它在钛关节面的低负载、慢滑动条件下能保持完好。如果这个氧化膜磨损又不能很快再生,则有可能发生咬死现象,甚至引起金属对金属的直接接触和冷结合,从而很高的摩擦和磨损。,43,由于磨损,设计钛对钛(或与其他材料)的人工关节滑动部件是不可取的。钛可以作为组合式假体的其他部件,如在全髋置换术中,钛材股骨柄可与钴铬钼或陶瓷球头相配,然后与塑料内衬臼杯组成关节。通过离子注入和氮化等方法,可改进钛的耐磨性,扩大钛在骨科植入物领域的应用。,44,2.2 医用陶瓷,医用陶瓷是陶瓷材料的一个重要分支,是用于生物医学及生物化工中的各种陶瓷材料,其总产值约占特种陶瓷的5。目前,约有40余种生物陶瓷材料在医
21、学、整形外科方面制成了50余种复制和代用品。,45,陶瓷植入体内不被排斥,具有优良的生物相容性和化学稳定性,不会被体液腐蚀,自身也不老化。为了使植入材料的物理化学性质与被替代的组织相匹配,生物陶瓷中的复合材料便应运而生,且发展迅速。医用陶瓷主要是用于人体硬组织修复和重建的陶瓷材料,与传统的陶瓷材料不同,它不单指多晶体,而且包括单晶体、非晶体生物玻璃和微晶玻璃、涂层材料、梯度材料、无机与金属的复合等材料。它不是药物,但它可作为药物的缓释载体;它们的生物相容性和磁性或放射性,能有效地治疗肿瘤。在临床上已用于髋、膝关节,人造牙根,牙嵴增高和加固,心脏瓣膜,中耳听骨等。,46,应用于临床的医用陶瓷必须
22、是安全无毒的,根据它们与组织的效应,分为三类:(1)惰性陶瓷,在生物体内与组织几乎不发生反应或反应很小,例如氧化铝陶瓷和蓝宝石,氧化锆陶瓷,氮化硅陶瓷等。(2)活性陶瓷,在生理环境下与组织界面发生作用,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。(3)可被吸收的陶瓷,这类陶瓷在生物体内逐渐降解,被骨组织吸收,是一种骨的重建材料,例如磷酸三钙等。,47,各种医用陶瓷在临床上有如下应用:,能承受负载的矫形材料,用于骨科、牙科的有:Al2O3陶瓷,稳定ZrO2陶瓷,具有生物活性表面涂层(生物活性玻璃、生物微晶玻璃)的相应材料。人工心脏瓣膜:热解碳涂层(抗凝血,摩擦系数小)。骨
23、的充填料:磷酸钙及磷酸钙盐粉末或颗粒。,48,种植齿:Al2O3陶瓷,HAP陶瓷,生物活性玻璃,活性涂层材料。耳鼻喉科:Al2O3陶瓷,HAP陶瓷,生物活性玻璃及生物活性微晶玻璃,磷酸盐陶瓷。可供组织长入的涂层:多孔Al2O3陶瓷。,49,牙槽增高:Al2O3陶瓷,生物活性玻璃,自固化磷酸盐水泥和玻璃水泥。径皮端子(腹透):生物活性玻璃及生物活性微晶玻璃,HAP陶瓷。眼科:生物玻璃,多孔羟基磷灰石。脊椎外科:生物活性玻璃,HAP陶瓷。,50,2.2.1 惰性陶瓷,(1)氧化铝陶瓷 1933年Rock首先建议将Al2O3陶瓷用于临床医学。1963年由Smith用于矫形外科。由此以后,Al2O3陶
24、瓷用于人造牙根、髋关节、膝关节、中耳听骨,在临床上逐渐应用,成为医用陶瓷的一种重要材料。,51,同多晶Al2O3陶瓷相比,单晶Al2O3陶瓷机械性能更为突出,在临床应用于负重大、耐磨要求高的部位,如高强度的螺钉等。但加工更加困难。,52,多孔Al2O3陶瓷可使骨组织长入其孔隙而使植入体固定。多孔Al2O3陶瓷的强度随孔隙率的增加而急剧下降,因此,只能用于不负重或负重轻的部位。孔隙大小对于骨长入十分重要,孔径1040um时,只有少量组织长入,而没有骨质长入。当孔径在75100um时,则连接组织长入。骨质完全长入的孔径为100200um。,53,(2)碳材根据生产工艺不同,可得到不同结构的碳材。a
25、.玻璃碳。由加热聚合态碳,使易挥发组分失去,剩下的就是玻璃碳。b.热解碳(LTI碳)。由甲烷等碳氢化合物在10002400热解、沉积而得。c.低温气相沉积碳(ULTI碳)。在低压常温下,用催化剂使碳在含碳浓度高的气相中沉积而得到一种各向同性的碳。,54,碳材在1967年由Bokros开发并应用做医用材料。但因其独特的优点,发展迅速。碳的优点在于:A.生物相容性好。特别是抗凝血性能佳,与血细胞中的元素相容性极好,不影响血浆中的蛋白质,也不会改变血浆中酶的活性。,55,B.碳的弹性模量不高,LTI碳的弹性模量为20GPa,抗弯强度高达275620MPa,并且韧性好。与Al2O3陶瓷相比,LTI碳具
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 生物 医用 药用 功能 材料 文档 资料
链接地址:https://www.31ppt.com/p-4613912.html