生物医用材料

Chapter8Polymer1生物医用材料Chapter8BiomedicalMaterialsChapter8Polymer2本章内容8.1生物医用材料概述8.2生物医用材料发展简史8.3生物医学材料的种类8.4生物医用材料的特征与评价8.5生物医用材料应用实例ISO定义，生物医学材料(BiomedicalMaterials)即生物材料(Biomaterials)，指“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”另有定义：具有天然器官组织功能或天然器官部分功能的材料特征：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特殊的功能材料8.1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。生物材料发展历程生物材料正在挽救和维持世界上成千上万心血管患者的生命；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8.2生物医用材料发展简史古代（利用天然物质和材料治病）BC5000黄金修复失牙BC3500古埃及，棉花纤维、马鬃等缝合伤口印第安人使用木片修补受伤的颅骨BC2500中国、埃及，假牙、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、铜、锌，类似于现代牙齿填充材料汞齐合金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）1588用黄金板修复颚骨1755用金属固定体内骨折1829通过多种金属的系统动物实验，发现金属铂对机体组织刺激性最小1851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用硫酸钙填充骨缺损，这是陶瓷材料植入人体的最早实例JohnCharnley1958～1961心脏起搏器1932～1933人工心脏瓣膜1952现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含18%铬和8%镍，首先应用于骨科治疗，随后应用于口腔科1934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开发出耐蚀性更好的AISI316不锈钢，逐渐取代AISI30220世纪60年代为解决不锈钢晶间腐蚀问题，研制出超低碳不锈钢AISI316L和317L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年代研制出锻造钴铬钨镍合金和锻造钴铬钼合金，提高力学性能，并应用于临床70年代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，改善钴基合金抗疲劳性能，应用于临床现代生物医学材料取得实质性进展开始于20世纪20年代钛金属钛，优异的耐蚀性、生物相容性、密度低；•20世纪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现代生物医学材料取得实质性进展开始于20世纪20年代生物陶瓷从20世纪60年代初开始应用于生物材料多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HaroldRidley，二战后发明眼内透镜（人工晶状体）现代生物医学材料取得实质性进展开始于20世纪20年代生物医用高分子始于20世纪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）生物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20世纪90年代后，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。生物医用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，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。生物惰性医用硅橡胶—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—碟片式机械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物—促使人工心脏向临床应用跨越可形成假生物内膜的编织涤纶管—人工血管向实用化飞跃8.3生物医学材料的种类目前被详细研究过的生物医用材料已超过1000种，被广泛应用的有90多种材料，1800多种制品。增长率26%增长率45%市场将达800亿美元高速增长高速增长其他医疗器械制品其他生物材料和制品药物缓释材料人造皮肤、组织粘合剂及术后防粘连制品矫形外科修复材料和制品心血管系统修复材料、血液净化材料工程化组织和器官全球生物医用材料细分市场发展全球生物医用材料细分市场发展全球释药系统市场（单位：亿美元）中国释药市场2002年药品市场达140亿美元，按10%比例估算，其中释药市场为14亿美元随着人民购买力提高，保健意识增强，今后国内药品市场每年将以5000万美元幅度增加全球生物医用材料细分市场发展•我国生物材料和制品所占世界市场份额不足1.5％•产品技术水平处于初级阶段，且产品单一•同类产品与国外产品比，基本上属于仿制，自主知识产权较少•生物医用材料与制品70-80%要依靠进口•产业处于起步阶段我国生物医用材料产业现状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按材料功能生物医用材料分类生物医用材料分类按材料来源自体组织如人体听骨、血管等替代组织同种异体器官及组织如不同人体之间的器官移植异种器官及组织如动物骨、肾替换人体器官天然生物材料如动物骨胶原、甲壳素、珊瑚等人工合成材料如各种人工合成的新型材料生物医用材料分类按材料使用部位硬组织材料骨、牙齿用材料软组织材料软骨、脏器用材料心血管材料心血管及导管材料血液代用材料人工红血球、血浆等分离、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除了应具有必要的理化性能外，生物医用材料还需要满足在生理环境下的生物学要求，具有良好的生物相容性这是生物材料区别于其它材料的基本特征生物医学材料的安全性评价指采用生物学方法来检测材料对受体的毒副作用，从而预测该材料在医学实际应用中的安全性；包括对局部组织、血液与整体反应及对受体的遗传效应8.4生物医用材料的特征与评价玻璃钢人工颅盖骨生物医用材料的特征与评价对生物医用材料的基本要求对于人体组织无刺激性、无毒副作用、无致癌性唾液、血液、间质液均含Cl-、Na+、K+离子。接触人体各种体液(唾液、淋巴液、血液)时，应有良好的耐蚀性不产生吸水膨润、软化变质自身不变化高分子与钛合金人造髋骨对生物医用材料的基本要求具有必要的强度、耐磨性、耐疲劳、润滑性能如髋关节在静止状态承受体重的1/2，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1km约活动1000次，每年约承受(1~3)×106次重复负荷的作用生物医用材料的特征与评价Ti-O薄膜表面血小板的形态(好)Ti-O薄膜表面血小板的形态(差)对生物医用材料的基本要求生物体组织、与血液有相容性不引起溶血、凝血，与软、硬组织有良好的粘接性，不产生吸收物和沉淀物不产生局部或全身性反应，最好能与骨形成化学结合，具有生物活性生物医用材料的特征与评价对生物医用材料的基本要求其他要求良好的空隙度，体液及软硬组织易于长入易加工成形，使用操作方便热稳定好，高温消毒不变质等性能生物医用材料的特征与评价常用硬组织替代材料人工关节1890Gluck首先应用象牙制造下颌关节1938Wiles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1940Wder兄弟用合成树脂制造人工关节1951开始全髋人工关节置换术1952Habowsh用固定牙的丙烯酸脂固定人工髓关节，合成树脂开始用于人工关节与骨的结合1958Charnhey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1962Charnley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。8.5生物医用材料应用实例常用硬组织替代材料人工关节现已研制出膝、髋、肘、肩、指、趾关节假体用于临床欧美等国家每年全髋置换超过80万例我国人工关节置换术达25万例髋关节常用硬组织替代材料人工关节磨损病因无菌松动是人工关节置换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常用硬组织替代材料常用硬组织替代材料生物医用金属材料是临床应用最广泛的承力植入材料是一类生物惰性材料，除具有较高的机械强度和抗疲劳性能，具有良好的生物力学性能外，还必须具有优良的抗生理腐蚀性、生物相容性、无毒性和简易可行及确切的手术操作技术金属材料种类很多，但能在人体生理环境条件下长期安全服役的却不多外科用金属材料经过长期研究和临床筛选而得到广泛应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贵金属钽、铌、锆磁性合金不锈钢骨钉常用硬组织替代材料不锈钢成本低，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,降低碳含量，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(针、钉、髓内针、齿冠、三棱钉)制造生物医用金属材料常用硬组织替代材料含Mo钴基合金，已用于生物体中Co-Cr-Ni-Fe-Mo合金耐腐蚀性是一般不锈钢如316的40倍，已用于牙科、整形外科钴基铬钼合金的生物相容性超过铁铬镍和钴铬合金与不锈钢相比，钴基合金的钝化膜更稳定，耐蚀性更好，植入体内不会产生明显的组织反应钴基合金的耐磨性是所有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生物医用金属材料常用硬组织替代材料含Mo钴基合金铸造钴铬钼合金最先在口腔科得到应用20世纪30年代末接骨板、骨钉等固定器械20世纪50年代人工髋关节20世纪60年代，为提高力学性能，研制出锻造钴铬钨镍合金和锻造钴铬钼合金20世纪70年代，为改善疲劳性能，研制出锻造钴铬钼钨铁合金和具有多相组织的MP35N钴铬钼镍合金生物医用金属材料人工关节（特别是受载荷最大的髋关节）人工骨及骨科内处固定器件齿科修复中的义齿，各种铸造冠、嵌体及固定桥心血管外科及整形科等由于其价格较高，加工困难，应用尚不普及应用于常用硬组织替代材料含Mo钴基合金生物医用金属材料人造髋关节的头杆部分。从股骨上端插进金属杆，杆头有一个金属头，嵌在粘于髋骨窝中的一个塑料臼中常用硬组织替代材料钛合金强度不如钴合金，但耐腐蚀性好，与人体组织反应很弱，钛合金密度小，弹性模量低，接近于天然骨耐疲劳、耐蚀性均优于不锈钢和钴基合金，且生物相容性和表面活性好，是较为理想的一种植入材料Ti易形成致密稳定的氧化膜，有很好的钝化作用。Ti合金具有很强的耐蚀性缺点：Ti合金的磨损与应力腐蚀较明显生物医用金属材料广泛用于修补颅骨，制成钛网或钛箔用于修复脑膜和腹膜、人工心脏瓣膜支架、口腔颌面矫形颌