生物材料简介

生物机体、生理环境、组织结构、器官生理功能及其替代方法的研究具有生理功能的生物医学材料的合成、改性、加工成型以及材料的特殊生理功能与其结构关系的研究材料与生物体的细胞组织、血液、体液、免疫、内分泌等生理系统相互作用材料灭菌、消毒、医用安全性、评价方法与标准以及相关的医用法规、管理规范的研究生物材料研究领域生物材料的用途实例：眼内透镜组成：聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）􀁺性能：高折射率易加工处理环境稳定性好（生物惰性）机械性能优良由于同样的原因，该材料过去曾用作汽车尾灯的罩盖。*来自Ratner,B.D.生物材料学：医用材料简介第二版SanDiegoCA:Elsevier,2004**来自Ratner,B.D.生物材料学：医用材料简介第一版SanDiegoCA:学术出版社，1996生物材料涵盖了各类材料—金属材料，陶瓷材料和聚合物材料。生物材料的使用历史远古公元前约3500年古埃及人棉花线缝合线公元前2500年中国、埃及墓葬中假牙、假鼻1588年黄金修复鄂骨1775年金属固定体内骨折1800年金属固定体内骨折普及1851年硫化橡胶，制成人工牙托和颚骨20世纪中后期高分子材料飞速发展，带动了生物医用材料的发展20世纪40年代，高分子聚合物作为生物材料得到了应用:有机玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯)在眼角和受损头骨部分的植入中得到了广泛应用。20世纪50年代，血管植入20世纪60年代，心脏瓣膜和骨水泥固定人工关节的植入第一代：20世纪40年代：代表材料有石膏、各种金属、橡胶、棉花等第二代：羟基磷灰石、磷酸三钙、聚乙醇酸、聚乳酸、聚甲基丙烯酸甲酯、胶原、多肽、纤维蛋白等第三代：由具有生理活性的组元及控释载体的非活性组元构成如骨形态基因蛋白BMP生物材料的发展生物惰性材料bioinertmaterial体内稳定、不发生或仅发生微弱化学反应的材料包括惰性生物陶瓷、医用金属和合金类材料生物活性材料bioactivematerials能与周围组织发生不同程度生化反应的材料包括：羟基磷灰石、磷酸钙生物活性材料、磁性生物陶瓷材料和生物玻璃等材料的生物性能生物降解材料biodegradablematerials体内能够不断发生降解，降解产物能够被机体所吸收或排除体外的材料包括：生物降解陶瓷和降解性高分子材料生物复合材料compositebiomaterials由两种或两种以上的不同材料复合而成包括高分子基、金属基和陶瓷基复合材料三类材料的选择历史观点⇒当今看法材料整体性能：与人体器官性能相匹配机械性能（例如：模量）化学性能（例如：可降解性）光学性能（例如：白度、透明加工性能联邦规则：76‘医疗器械修正案？（所有新的生物材料在投放市场前都必须获得安全及有效性许可证）现今⇒将来基于对天然材料、材料与生物器官表面的更深刻理解，对生物材料进行更加合理的设计不同结构层次的重要性使得合成材料和生物系统都有许多其各自的长度等级。结构层次从结构尺度上说：生物材料工程研究范围横跨8个数量级！结构长度尺度1．基本化学结构（原子和分子：0.1-1纳米）键的长度尺度—严重影响生物材料的性能一级键合离子键：电子给予体，电子接收体陶瓷，玻璃（无机材料）共价键：共享电子玻璃，聚合物金属键：晶格中环绕电子核的电子云二级/分子间键合􀁺静电􀁺氢-键􀁺范德华力（偶极-偶极，偶极-诱导偶极，色散力）􀁺疏水性作用力（水中熵趋动非极性基的束状聚集）􀁺物理缠绕（对于高分子量聚合物）例1：氧化铝—三氧化二铝（金刚砂）用于硬组织的修复性能:􀁺耐腐蚀􀁺高强度􀁺耐磨损􀁺“生物相容性好”CourtesyofBICON,LLC.().已获准允许使用源于离子键例2：聚环氧乙烷（PEO）——（CH2CH2O）n形成涂层和水凝胶，用作防蛋白源于一级键合和二级键合性能：􀁺韧性好􀁺可水解􀁺水溶性好􀁺生物惰性要点提示：“生物相容性”主要由一级化学结构所决定！生物相容性：是指材料表现出的一种适当的宿主反应能力。2．较高序列结构（1-100纳米）晶体：原子或分子在三维空间的周期排列。金属，陶瓷，聚合物（半结晶性）结晶性降低其溶解性能和生物溶蚀（可生物降解性聚合物和可生物吸收性陶瓷例1：生物活性玻璃用于硬结缔组织的修补取代网状结构形成体：（~50wt%）：二氧化硅，五氧化二磷网状结构修饰体：（高！~50wt%）：氧化钠，氧化钙性能：体内外部分可溶（促进骨结合）易加工（复杂形状）源于较松散的离子网络结构网状结构：显示短程有序和特征长度。无机玻璃，凝胶例2：水凝胶用于隐性眼睛，药物输送载体，人工组织X-连接，溶胀的聚合物网络性能：可维持形状柔韧性好包裹分子的低速释放源于交联网络结构交联度：~1/ξ3自组装：两性分子的聚集胶束，溶致液晶，嵌段共聚物例：阳离子脂质体用于基因治疗质体（+）DNA片断性能：易在水中分散能包含/释放DNA能透过细胞膜（-）质体（+）源自超分子自组装3．微结构（1微米+）晶“粒”：各向异性晶体实例：不锈钢Fe-Ni-Cr用作骨折固定板和刻蚀支架在晶界处耗尽，产生腐蚀10微米球晶：呈放射状分散在无定形相中半结晶聚合物，玻璃-陶瓷沉淀物：以包涵体形式存在的第二相金属，陶瓷，聚合物性能：硬度耐腐蚀性(在晶粒边界处形成)实例：在钴-铬合金中的碳化物源于沉淀物多孔性：生物材料在使用过程中常被希望具有的性能例1：生物可吸收多孔支架聚乳酸（PLA）：用于组织再生性能：体液和细胞可穿过结构性稳定源于似孔微结构孔：10-100微米源于多孔的微结构孔径：10-100微米例2：多孔性金属涂层钛或钴-铬-钼合金：用于硬组织取代修复植入物要点提示：较高序列结构和微结构很大程度上决定了动力学过程和机械反应性能：加强细胞粘附组织的内生长