第6章-生物材料与仿生材料

Chapter6BiomaterialsandBiomimeticMaterals生物材料与仿生材料6.1生物医用（复合）材料6.2组织工程材料6.3生物陶瓷6.4仿生复合材料JJJJ本章主要内容6.1生物医用（复合）材料6.1.1生物材料的定义与分类6.1.2生物医用材料的性能与分类6.1.3医用金属材料6.1.4医用高分子材料6.1.5无机生物医学材料JJJJJ6.1.1生物材料的定义与分类生物材料（Biomaterials）泛指一切与生物体相关的应用性材料或由生物体合成的材料。按其应用可分为生物医用材料（BiomedicalMaterials）和与生物合成有关的应用材料。而按生物材料来源可分为天然生物材料和人工生物材料；与此同时材料学的发展使有些材料兼具天然和人工合成的特性。狭义的生物材料指的是能够用来制作各种人工器官和制造与人体生理环境相接触的医疗用具和制品的材料，即生物医用材料。生物材料包括三部分，即生物医用材料，仿生材料和生物模拟。生物医用材料：最重要的是材料与人体相容性和材料本身的性能，通过组织工程、生长因子、DNA和自组装技术，可生产出人类的各种器官。事实上，除神经系统以外，人的各种器官都可制造。仿生材料：生物是多年演化的结果，有很多特性值得模仿，通过深入研究现有生物体和生物现象而进行仿造，对材料的发展将起到推动作用。生物材料的另一种分类方法生物医用材料（BiomedicalMaterials）用于人体组织和器官的诊断、修复或增进其功能的一类高技术材料，即用于取代、修复活组织的天然或人造材料，其作用药物不可替代。生物材料能执行、增进或替换因疾病、损伤等失去的某种功能，而不能恢复缺陷部位。日本北海道大学的科学家们利用从鲑鱼皮中提取的胶原制造全球首例人造血管。生物医用材料与工业材料的最大区别是在生理环境下使用。移植在生物体内的仿生材料，除了能达到补钙的目的以外，对周围组织和血液不应该有不良的影响，即应具有生物相容性。另外，植入人体的仿生材料，应有足够的力学性能，不能发生脆性破裂、疲劳断裂及腐蚀破坏等，即应具有力学相容性。生物医用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、生物化学、生理学、药物学、基础与临床医学等很多学科。生物（医用）材料的发展史•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，1800多种制品。西方国家每年耗用生物（医用）材料量以10~15%的速度增长，1980年全球医用生物（医用）材料及制品的销售额为200亿美元，1990年达500亿美元，1995年近1000亿美元。•历史上首个人造心脏Jarvik-7，是在1982年植入病人BarneyClark的体内。他共活了112天。另一名也植入Jarvik-7的病人WilliamSchrodedr则活了620天。•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一大步–可形成假生物内膜的编织涤纶管—人工血管向实用化飞跃。硅橡胶制作的人造器官聚氨酯制造的人工心脏碟片式机械心脏瓣膜人工心脏6.1.2生物医用材料的性能与分类指生物医用材料具备或完成某种生物功能时应该具有的一系列性能。根据用途主要分为:•承受或传递负载功能。如人造骨骼、关节和牙等，占主导地位•控制血液或体液流动功能。如人工瓣膜、血管等•电、光、声传导功能。如心脏起博器、人工晶状体、耳蜗等•填充功能。如整容手术用填充体等一、生物功能性人工心脏人工关节人工肾脏人工血管科学家已从生物高分子材料或合成高分子材料中制造出了一二十种人造皮肤。他们把这些材料纺织成带微细孔眼的皮片，上面还盖着一层层薄薄的、模仿“表皮”的制品。人造皮肤加拿大发明骨骼打印机复制立体人骨人造骨骼组织相当精细，可用于整形、重建和脊椎手术。指生物医用材料有效和长期在生物体内或体表行使其功能的能力。用于表征生物材料在生物体内与有机体相互作用的生物学行为。根据材料与生物体接触部位分为：血液相容性。材料用于心血管系统与血液接触，主要考察与血液的相互作用与心血管外的组织和器官接触。主要考察与组织的相互作用，也称一般生物相容性力学相容性。考察力学性能与生物体的一致性二、生物相容性生物体对生物医用材料的响应－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、溃疡等材料在生物体内的响应－材料反应金属腐蚀聚合物降解磨损生物机体作用于生物医用材料－材料反应，其结果可导致材料结构破坏和性质改变而丧失其功能。可分为如下三个方面：1、金属腐蚀生物体内的腐蚀性环境：（1）含盐的溶液是极好的电解质，促进了电化学腐蚀和水解；（2）组织中存在具有催化或迅速破坏外来成分能力的多种分子和细胞。将对生物金属材料产生腐蚀。对于生物材料而言多为局部腐蚀，具体包括应力腐蚀开裂、点腐蚀、晶间腐蚀、腐蚀疲劳以及缝隙腐蚀等，导致生物材料整体破坏。虽然金属材料在生物体内保持惰性状态，但仍然可能会有物质溶入生物组织中，并对生物体组织产生毒性反应，造成组织的损害。如不锈钢溶出的Cr＋6生物组织的毒性。2、聚合物降解聚合物在长期使用过程中，由于受到氧、热、紫外线、机械、水蒸气、酸碱及微生物等因素作用，逐渐失去弹性，出现裂纹，变硬、变脆或变软、发粘、变色等，从而使它的物理机械性能越来越差的现象。聚合物老化易形成的碎片、颗粒、小分子量单体物质，因此使用它时必须谨慎，对耐久性器件，必须保持一定强度和其它机械性能，老化产物不能对周围组织有毒害作用。例如，医用缝合线降解时会产生酸性物质，如果量少，很容易被人体中的化学物质中和，如果老化产物较大，则会对周围组织产生损害。3、磨损人工关节常用材料为Ti6Al4V，由于表面易氧化生成TiO2，其耐磨性差，植入人体后，磨损造成在关节周围组织形成黑褐色稠物，从而引起疼痛。钛合金人工全髋关节平均寿命一般都低于10年。目前，大量的人工髋关节是由坚硬的金属或陶瓷的股骨头与超高分子聚乙烯的髋臼杯组合成，然而它的寿命也不超过25年。长期随访资料显示，假体失败的主要原因是超高分子聚乙烯磨损颗粒所造成的界面骨溶解，从而导致假体松动。这种磨损颗粒所导致的异物－巨细胞反应，又称颗粒病，是晚期失败的最主要原因。三、生物医用材料的分类•三种分类方法1、按应用性质来分类：抗凝血材料（心血管材料）、齿科材料、骨科材料、眼科材料、吸附解毒材料（血液灌流用）、假体材料、缓释材料、生物粘合材料、透析及超滤用膜材料、一次性医用材料，等等。2、按材料功能划分：1、血液相容性材料如人工瓣膜、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；2、软组织相容性材料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、人工输尿管、软组织修补等领域；3、硬组织相容性材料如医用金属、聚乙烯、生物陶瓷等，关节、牙齿、其它骨骼等；4、生物降解材料如甲壳素、聚乳酸等，用于缝合线、药物载体、粘合剂等；3、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、玻璃等具有活性涂层的钛合金人工齿示意图Fig.Schematicdiagramofthescrew-shapedartificialtooth.人工齿种植示意图6.1.3医用金属材料•在生物医学材料中，医用金属材料应用最早，已有数百年的历史。唐代就用银汞合金（主要成份：汞、银、铜、锡、锌）来补牙。•医用金属材料是指一类用作生物材料的金属或合金，又称外科用金属材料。它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及相关的物理性质外，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.•该材料是临床应用最广泛的承力植入材料，由于有较高的强度和韧性，已成为骨和牙齿等硬组织修复和替换、心血管和软组织修复以及人工器官制造的主要材料。•化学周期表中的大部分金属不符合生物材料的要求，仅有小部分或经处理过的可用于临床。目前在临床使用的医用金属材料主要有不锈钢、钴基合金和钛基合金三大类，另外还有记忆合金、贵金属以及纯金属钽、铌和锆等。1、不锈钢•铁基耐蚀合金（一般由铁、铬、镍、钼、锰、硅组成），易加工、价格低廉。•不锈钢的耐蚀性和屈服强度可以通过冷加工而提高，避免疲劳断裂。•一般不锈钢制成多种形体，如针、钉、髓内针、齿冠、、三棱钉等器件和人工假体而用于临床，不锈钢还用于制作各种医疗仪器和手术器械。常用钢种有US304、316、316L、317、317L等。医用不锈钢植入活体后，可能发生点蚀，偶尔也产生应力腐蚀和腐蚀疲劳。医用不锈钢临床前消毒、电解抛光和钝化处理，可提高耐蚀性。医用不锈钢在骨外科和齿科中应用较多。2、钴（Co）基合金•含有较高的铬和钼，又称钴铬钼合金，具有极为优异的耐腐蚀性（比不锈钢高40倍）和耐磨性，综合力学性能和生物相容性良好，可通过精密铸造成形状复杂的精密修复体，有硬、中、软三种类型。•临床上主要用于–人工关节（特别是人体中受载荷最大的髋关节）–人工骨及骨科内处固定器件的制造–齿科修复中的义齿，各种铸造冠、嵌体及固定桥的制造–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。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，它嵌在粘于髋骨窝中的一个塑料臼中。3、钛（Ti）基合金•临床应用广泛，其质轻、比强度高、力学性质接近人骨、强度远低于纯钛，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。•抗断裂强度较低，耐磨性能不尽人意，加工困难。冶炼及成型工艺复杂，要求条件较高。•主要用于：修补颅骨，制成钛网或钛箔用于修复脑膜和腹膜、人工骨、关节、牙和矫形物、人工心脏瓣膜支架、人工心脏部件和脑止血夹、口腔颌面矫形颌修补、手术器械、医疗仪器颌人工假肢等。头颅微型钢板钛板4、形状记忆合金自1951年美国首次报道Au-Cd（金-镉）合金具有形状记忆效应以来，目前已发现有20多种记忆合金，其中以镍钛合金在临床上应用最大。它在不同的温度下表现为不同的金属结构相。如低温时为单斜结构相，高温时为立方体结构相，前者柔软可随意变形，如拉直式屈曲，而后者刚硬，可恢复原来的形状，并在形状恢复过程中产生较大的恢复力。1969年，那个被阿波罗登月舱带到月球上的环形天线，就是用极薄的记忆合金材料先在正常情况下按预定要求做好，然后降低温度把它压成一团，装进登月舱带上天去。放到月面上以后，在阳光照射下温度升高，当达到转变温度时，天线又“记”起了自己的本来面貌，变成一个巨大的半球形。Ti-Ni记忆合金血管支架，用于管腔狭窄的治疗•形状记忆合金可以分为三种：–单程记忆效应–双程记忆效