生物材料学

生物材料学BiomaterialsScience授课教师：郭轶联系电话：[phone]Email：[e-mail]2什么是生物材料学？生物材料学是以化学和医学为基础，研究生物材料及其与生物环境相互作用的科学。生物学材料学生物材料学3课程安排生物材料概论材料的基本结构和性能蛋白质结构多糖及生物软组织医用生物材料纳米生物材料药物控释系统及其载体材料生物矿物及生物矿化原理生物相容性生物材料前沿专题4崔福斋编著北京：清华大学出版社.2004。主要参考书5参考书6课程考核方式及成绩评定本课程采用平时考核，期末考试，综合评定学生成绩。平时出勤，课堂表现及作业占40%、考试成绩占60%。7第一章生物材料学概论1-1生物材料学的发展1-2生物材料学的范围1-3天然生物材料的特性1-4材料的生物性能1-5生物医用材料的研究和发展要求重点掌握生物材料的定义及特性。8生物材料9隐形眼睛假牙假肢生物材料10生物材料人造心脏人造关节人工肾111-1生物材料学的发展公元3500年前：古埃及人就开始利用棉纤维、马鬃作缝合线缝合伤口；印第安人则使用木片修补受伤的颅骨。公元2500年前：中国和埃及的墓葬中就发现有假牙、假鼻和假耳。那时的人类很早就用黄金来修复缺损的牙齿，并沿用至今。20世纪初，高分子材料开始得到应用。牙科医学中开始应用聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA)。开始试验用聚乙烯塑料制造血管替代材料。用涤纶仿造动脉血管。20世纪60年代初，用高分子聚乙烯和不锈钢制成的人工髋关节被植入人体并取得成功。20世纪60年代末和70年代初，在美国克莱姆森大学举行的生物材料讨论会上“biomaterial”一词开始被普遍使用。●●●●●●早期发展时期12飞速发展时期20世纪末，以纳米科技为首的物理、化学的科技迅猛发展，极大的带动了生物材料的研究和发展，使得生物材料进入了全新的飞速发展时期，产生了，如药物释放、生物传感器、人工器官、仿生材料、智能材料、生物医学材料等的多学科交叉、多应用前景的发展局面。药物释放载体纳米机器人自清洁玻璃13中国生物材料委员会(ChineseCommitteeForBiomaterials,缩写为CCBM成立于1996年，由中国材料研究学会、中国生物医学工程学会、中华医学会等10个与生物材料相关的全国学会派出代表组成，挂靠依托于四川大学的国家生物医学材料工程技术研究中心。14生物材料的两种定义，一种是指天然生物材料（biologicalmaterials),也就是由生物过程形成的材料，如结构蛋白（胶原纤维、蚕丝等)、生物矿物（骨、牙、贝壳等）和复合纤维（木材，竹等）。定义：15另一种是指生物医用材料（biomedicalmaterials)，其定义随着医用材料的快速发展而演变。20世纪80年代末曾被美国Clemson大学生物顾问委员会定义为”与活体结合的人工非生命材料”是这种生物材料狭义的代表。1992年美国J.Black教授在他著名的《材料的生物学性能》书中，定义生物材料为“用于取代、修复活组织的天然或人造材料”。1997年，美国S.I.Stupp教授在其发表在《Science》杂志上的论文中，就把生物材料定义为活组织中的天然材料和用于修复人体的材料。定义：16生物材料(biomaterials)：是一种与生物系统相互接触后可以对生物体的组织、器官或功能进行诊断、治疗、可增强或可替代的材料。因此，生物材料学是研究生物材料及其与生物环境相互作用的科学，包括材料力学性能或植入表面改性等与材料学相关的内容，以及免疫、毒理和创伤修复过程等生物学内容。生物材料定义：17例题：以下各项是否属于生物材料？为什么？（a）隐形眼镜（b）片块（c）人造血管（d）支撑器件181-2生物材料学的范围生物学材料科学化学医学仿生材料、智能材料生物医学材料目的：在分析天然生物材料微组装、生物功能及形成机理基础上，发展新型医用材料及仿生高性能工程材料。19应用材料种类骨骼人工关节（髋关节、膝关节）金属骨固定板钛铝钒合金，不锈钢，聚乙烯不锈钢，钴铬合金心血管系统血管心脏瓣膜特氟隆，涤纶，聚氨酯不锈钢，碳材料，钛合金，牛心包器官人工心脏人工皮肤聚氨酯硅胶-胶原复合物，壳聚糖感官耳蜗人工晶状体铂电极聚甲基丙烯酸甲酯，硅胶，水凝胶表1.1部分合成材料和经过修饰过的天然材料在医疗上的应用20生物材料的分类按照研究对象和使用目的的不同，可将生物材料分为三种：一是天然生物材料，这是一类在生物过程中形成的材料，如棉、麻、蚕丝、贝壳等；二是生物医用材料，指植入活体内能有某种生物学功能的材料，如制作各种人工器官的材料；三是仿生和组织工程材料，它是生物材料学与化学、工程学交叉的部分，包括各种仿生材料、智能材料和组织工程材料。21按生物材料的属性分类：天然生物材料—再生纤维、胶原、透明质酸、甲壳素等。合成高分子生物材料—硅橡胶、聚氨脂及其嵌段共聚物、涤纶、尼龙、聚丙烯腈、聚烯烃医用金属材料—不锈钢、钛及钛合金、钛镍记忆合金等无机生物医学材料—碳素材料、生物活性陶瓷、玻璃材料杂化生物材料—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复合生物材料—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221-3天然生物材料的特性天然生物材料棉、麻、竹、木材等，它们的基本组成其实也就是生物体的元素组成。以C、H、O、N最为丰富，含一些较丰富元素Ca、P、Cl、K等和微量元素Fe、Cu、Zn、Mn等。这些元素以一定的相互作用结合在一起。1-3-1天然生物材料的成分231-3-2原子、分子间作用力在天然生物材料中原子、分子间的相互作用力可分为强相互作用和弱相互作用两大类：强相互作用包括离子键和共价键；弱相互作用包括偶极子的静电相互作用、色散力、氢键和疏水键。生物材料复杂的结构很大程度上取决于原子、分子间的作用力，其中弱相互作用在维持生物大分子稳定的结构和构象变化中起了很重要的作用。24氢键Hydrogenbond氢键是分子中与高电负性原子A以共价键相连的H原子，和另一个高电负性原子B之间所形成的一种弱键。如HF、H2O、NH3等分子间易形成氢键.以A—H……B表示。A,B=F,O,N。DNA的双螺旋结构、蛋白质中的β折叠、α螺旋结构25非极性物质在含水的极性环境中存在时，会产生一种相互聚集的力，这种力称为疏水键或疏水作用力。蛋白质分子中的许多氨基酸残基侧链也是非极性的，这些非极性的基团在水中也可相互聚集，形成疏水键，如Leu，Ile，Val，Phe，Ala等的侧链基团。在蛋白质三级结构中起着重要作用，疏水键是使蛋白质多肽链进行折叠的主要驱动力。疏水键（Hydrophobicbond）疏水键261-3-3天然生物材料的结构特征--分级与自组装复合天然生物材料与周围环境之间能够形成错综复杂的内部结构和整体多样性。结构是由为数不多的几种基本化合物构成的：水、核苷酸（4种）、氨基酸（20种）、糖和生物矿物（4类）生物材料结构的复杂性主要表现在天然生物材料具有特定的组装方式，同时具有空间上的分级结构。分级结构指在不同尺度上，结构的组装规则不同。27细胞能在材料上爬行，这种爬行运动是伤口愈合、人体植入材料修复等功能的基础。材料表面的生物相容性高。细胞在材料表面爬行过程1-3-4天然生物材料的活性281-4材料的生物性能材料的生物性能包括两个方面：一是材料反应，即材料在生物活体中的响应。主要包括材料在生物环境中被腐蚀、吸收、降解、磨损和失效的情况。生物系统对材料也可能产生积极作用，如新骨长入多孔陶瓷中的孔隙而对其补强增韧。29宿主反应二是宿主反应，即生物医学材料存留于生物系统期间所引起的活体系统对材料的反应。包括材料植入部位的邻近组织对材料的局部反应，以及远离材料植入部位的组织、器官，乃至整个活体系统对材料的全身反应。宿主反应是由于构成材料的元素、分子或其他降解产物（如微料、碎片等）在生物环境的作用下，被释入邻近组织乃至整个活体系统而造成的；或来源于材料制品对组织的机械、电化学或其他刺激作用。30生物体对生物材料的响应－宿主反应A:血液反应1、血小板血栓；2、凝血系统激活；3、纤溶系统激活；4、溶血反应；5、白细胞反应；6、细胞因子反应；7、蛋白粘附；B:免疫反应1、补体激活；2、体液免疫反应（抗原－抗体反应）；3、细胞免疫反应。C:组织反应1、炎症反应；2、细胞粘附3、细胞增殖（异常分化）4、形成蘘膜5、细胞质的转变（1）生物学反应31（2）生物体对生物反应的变化1.急性全身反应过敏、毒性、溶血、发热、神经麻痹等2.慢性全身反应毒性、致畸、免疫、功能障碍等3.急性局部反应炎症、血栓、坏死、排异等4.慢性局部反应致癌、钙化、炎症、溃疡等32各类生物材料比较材料特性金属高分子陶瓷生物相容性不太好较好很好耐侵蚀性除贵金属外，多数不耐侵蚀，表面易变质化学性能稳定，耐侵蚀化学性能稳定，耐侵蚀，不易氧化、水解耐热性较好，耐热冲击受热易变形，易老化热稳定性好，耐热冲击强度很高差很高耐磨性不太好，磨损产物易污染周围组织不耐磨耐磨性好，有一定润滑性能加工及成形性能非常好，可加工成任意形状，延展性良好可加工性好，有一定韧性塑形性好，脆性大，无延展性331-5生物医用材料的研究和发展毒理学生物相容性炎症反应解剖学位点材料的机械强度与功效生物材料产品的市场规模伦理道德因素相关法规34生物材料的发展趋势生物材料的开发和研究已逐步转向复合型杂化型功能型：指在生理环境下表现为特殊功能的材料，如，形状记忆材料，组织引导再生（GuidedTissueRegeneration，GTR）材料。35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。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和生物安全性，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。36例题：将1mL水滴到材料A和B上，如图所示。那一种材料的亲水性更强？说明原因。AB37第一章知识点1、生物材料的定义2、天然生物材料的特性3、材料的生物性能第二章材料的基本结构和性能39材料的基本结构和性能2-1材料的基本结构2-1-1化学键2-1-2晶体结构2-1-3复合材料结构2-2材料的基本性能2-2-1力学性能2-2-2热学特性2-2-3表面特性402-1材料的基本结构材料的宏观性能(指用肉眼或放大镜能分辨的粗大组织。其尺寸在10-3m级以上。)都是由材料微观结构所决定的，分为微观结构和亚微观结构微观结构(指通过用电子显微镜、X-射线衍射仪等手段来研究的原子级或分子级结构。尺寸范围在10-6-10-10m。)：构成材料基本微粒的排列方式：1.晶体(crystal)：组成晶体的结构微粒(分子、原子、离子)在空间有规则地排列在一定的点上。2.非晶体(noncrystal)：非晶体是指组成物质的分子（或原子、离子）不呈空间有规则周期性排列的固体无定形结构或玻璃体结构3.准晶体(quasicrystal)：准晶是一种介于晶体和非晶体之间的固体。准晶具有完全有序的结构，然而又不具有晶体所应有的平移对称性TMV（烟草花叶病毒）亚微观结构(指用光学显微镜所看到的结构。其尺寸范围在10-3~10-6m。)混凝土的亚微观结构→水泥基体相、集料分散相、界面相和孔隙相。412-1-1化学键化学上将原子（或离子）间相互结合的强烈作用力称为化学键。由于元素的电负性不同,相互形成的化学键有多种类型，通常有离子键、共价键、金属键等。42离子键由活泼金属元素和活泼非金属元素组成的化合物如NaCl，KCl，NaOH，CaO等，通常都是离子型化合物。熔融状态时能够导电，水溶液也能够导电。这类化合物的原子之间相互作用的本质，即为离子键。