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第一章生物材料主讲：李晓生第一节生物材料的发展概况•其他名称：生物医学材料；生物医用材料(biomedicalmaterials)•定义：用以诊断、治疗、修复或替换机体组织、器官或增进其功能的材料。•生物材料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1.1简介生物材料通常有两个定义：狭义的生物材料是指天然生物材料，也就是由生物过程形成的材料。广义的生物材料是指用于替代、修复组织器官的天然或人造材料生物材料（Biologicalmaterials）又称生物工艺学或生物技术。应用生物学和工程学的原理，对生物材料、生物所特有的功能，定向地组建成具有特定性状的生物新品种的综合性的科学技术。1.1.1海洋生物材料1.1.2医学用生物材料1.1.3生物材料生活用品生物材料的喷涂工艺皓淀粉基生物降解材料这些材料有史以来一直得到广泛应用，其中一部分因为特殊性能而用作生物材料。•材料的特定的功能与材料的特定结构是相联系的。如对于人造骨骼来说，它一般具有一定的机械性能；因此出现了适合人体需求的多种人造骨骼。生物工程学是70年代初，在分子生物学、细胞生物学等的基础上发展起来的，包括基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程等，他们互相联系，其中以基因工程为基础。通过基因工程对生物进行改造，才有可能按人类的愿望生产出更多更好的生物产品。而基因工程的成果也只有通过发酵等工程才有可能转化为产品。1.2生物材料的发展•生物医学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。•ISO定义，生物材料（Biomaterials）即生物医学材料（BiomedicalMaterials），它是指“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”。另有定义是：具有天然器官组织的功能或天然器官部分功能的材料。•生物材料的开发和利用可追溯到3500年前，那时的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。•2500年前，中国和埃及的墓葬中就发现有假牙、假鼻和假耳。人类很早就用黄金来修复缺损的牙齿，并沿用至今。•1588年人们用黄金板修复颚骨。•1775年就有用金属固定体内骨折的记载。•1851年发明了天然橡胶的硫化方法后，有人采用硬胶木制作了人工牙托的颚骨。•器官移植取得巨大进展，但有难题：排异、器官来源、法律、伦理等。因此医学界对生物医学材料和人工器官的要求日益增加。•目前被详细研究过的生物材料已超过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材料量以10~15%的速度增长，1980年全球医用生物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。•我国生物材料的研究起步较晚（五十年代），但发展很快。1.2.1材料发展的历史演进•天然材料陶瓷青铜铁钢有色金属高分子材料新型材料1.2.2典型的无机材料—石器•大约25000年前，人类就学会使用材料。•人类只能利用岩石、树木、兽皮、骨骼等天然材料并进行粗糙加工，除此之外别无他物。•从挖掘的人类当年所使用的各种用途的锋利石片，可想象人类远祖的艰苦和聪明。石刀石斧石针•他们能区别、选用各种石头创造出刀、斧、针各种器具，用于生产、生活和战争。•石器时代的生产工具极其落后，人类社会的生产力也极端低下，社会发展极其缓慢，人类文化也是相当简单和粗俗的。石器工具•据考古学家分析，距今约一万年前就有陶器出现，•人们用粘土或以粘土、长石、石英为主的混合物，经成型、干燥、烧制（烧制温度低于1200℃），得到坚硬的陶器。•陶是人类创造的第一种“人造材料”，由于高温烧制产生物理化学变化，得到和粘土不一样的新物质。新石器时代晚期(公元前3000一前2800年)黑陶豆陶体的黑色是因为渗入了碳1.2.3陶器（无机非金属材料）我国陶器大约出现在8000年前，具有悠久的历史。半坡村出土的碗、钵、釜、罐、瓶等，甚至还有吹气能发声的陶埙。半坡变体鸟纹盆半坡小口尖底瓶半坡陶盆陶埙从著名的仰韶和龙山文化遗址出土的陶器中，人们发现当时祖先已经掌握了烧制黑色陶器和白色陶器的配方和技术。仰韶白陶瓶龙山黑陶瓶•闻名于世的秦始皇兵马俑是典型的陶制品；•著名的唐三彩创始于唐高宗时期，用白粘土作胎，以Cu、Fe、Co等矿物作釉的着色剂，两次烧制后成为绚丽多彩的陶器精品；•江苏宜兴紫砂壶(紫砂泥由粘土、云母、赤铁矿等组成，其中Fe2O3含量约7％-10％，TiO2＞1％)制造技术精湛，色泽淳朴，造型独特，别具一格。兵马俑唐三彩马方韵紫砂壶商陶酒尊唐三彩俑陶的出现，人类可吃煮熟的谷物，喝煮开的水，可长时间储存食物，促进人类进化。陶器也是最初的耐火材料，为以后的铜、铁冶炼提供物质条件。猪纹陶盆1.2.4生物材料发展阶段生物材料的定义很多，归纳起来可理解为生物材料是一类用于人工器官、修复、理疗康复、诊断、检查、治疗疾病等医疗保健领域，对人体组织、血液不致产生不良影响的功能材料。随着医学以及材料学的发展，尤其是新型材料的研究开发成功，如20世纪40年代高分子材料的大力发展，为生物材料的研究与应用提供了极大的发展机会。目前可以说从人体天灵盖到脚趾骨、从内脏到皮肤，从血液到五官，除了脑以及大多数内分泌器官外，都可用人工器官来代替。生物材料发展三阶段最早的生物材料的应用——镶牙1、惰性生物材料（无害阶段）•惰性生物材料是指对人体组织化学惰性，其物理机械和功能特性与组织匹配，使材料在应用过程中不致产生不利于功能发挥和对其它组织影响的反应，特别是与组织接触或短(长)时间不产生炎症或凝血现象，无急性毒性或刺激反应，一般无补体激活产生的免疫反应的一类功能材料。目前惰性生物材料主要品种有金属材料、非金属材料、有机高分子材料以及复合材料。金属材料主要集中在不锈钢、钛、金、银等基体金属及钴、镍、银-汞合金；非金属材料主要有氧化铝、氧化锆、氧化硅、氧化镁、氧化钛、铝酸钙等陶瓷材料；有机高分子材料品种多，应用最为广泛，它有聚乙烯、聚丙烯，聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸羟乙酯、聚氨酯、硅橡胶、天然橡胶、碳纤维、聚砜纤维、聚丙烯中空纤维、吸附树脂等；复合材料主要有纤维增强聚合物材料或金属-陶瓷复合材料。随着医学水平的提高以及人们生活质量的改善，惰性生物材料的应用会向更高层次———生物化或组织工程化生物材料过渡。2、生物材料的生物化（有益阶段）随着材料科学、医学的发展，以及先进仪器设备的发明，带动了生物材料的发展。新型生物材料有代表性的成果是20世纪70年代发现的钙磷系玻璃陶瓷，如羟基磷灰石、β-磷酸三钙、珊瑚等。这类材料具有与人体骨组织的无机成分有类似的化学组成，材料抗压、抗折强度与人骨接近]，植入后与组织亲和性良好，同时有降解作用并诱导成骨细胞(加诱导因子如BMP)的长入，使植入组织骨化，一段时间后植入组织转化为正常组织等特点，也即材料在使用过程中逐渐生物化。研究重点是惰性生物材料的生物化-即在不破坏原有材料性能的基础上，通过表面改性设计使材料在长期使用过程中与细胞亲和性好，不产生炎症、凝血、畸变、甚至癌变等反应。研究的重点是抗凝血材料的设计与制备。抗凝血材料设计思路有以下五点:在惰性生物材料表面引入活性药物如肝素、尿激酶、前列腺素等或类肝素化，这种生物化方法的关键是以物理或化学方法引入这些高抗凝血活性物质，材料在使用过程中表面维持一定量的抗凝血活性药物。表面接枝亲水性分子链，是蔬水高分子生物材料生物化的一大内容，主要在表面接枝PEO或甲基丙烯酸羟乙酯等亲水链，使材料在体液或血液环境中表面完全亲水。设计表面微相分离结构也是材料生物化的内容，微相分离是血管壁内皮的结构特征，即亲水糖链和蔬水脂质体形成两相镶嵌结构，模仿这类结构可望改善材料的抗凝血性。目前主要通过共混或共聚方法在高分子聚合物如聚氨酯表面引入微相分离结构。值得注意的是微相分离结构对材料抗凝血性能提高的机制没有完全弄清楚，使该方法的研究受到制约；生物高分子材料.接枝蛋白质或氨基酸，产生免疫吸附，这主要是基于蛋白质、氨基酸或核酸与细胞有更好的亲和性；天然高分子如甲壳糖、胶原、明胶、蛋白微丝等生物材料的研究表明，它们的抗凝血性能和组织亲和性优于一般生物材料，关键在于一系列处理过程中如何维持天然材料的结构性能，尤其是维持材料的免疫性能；表面液晶结构设计，使材料表面与细胞表面产生类似的物理结构或化学结构，该研究已经证明表面液晶结构的形成有利于材料抗凝血性能的提高。3、组织工程支架材料（真正的生物材料阶段）材料生物化毕竟不能改变材料的基本结构，这为材料的长期使用留下隐患，同时器官(尤其是组织)是一个复杂的系统，不可能用单一无活性的材料来模仿其全部或大部分功能。因此在器官(或组织)供体来源非常有限的情况下，如何在体外培养出正常的组织供手术使用，是医学界和生物医学工程学界追求的目标之一。组织工程的出现和发展为这一目标的实现提供了可能。生物材料在组织工程中占据非常重要的地位，同时组织工程也为生物材料出了难题和提供了发展方向。组织工程用生物材料(支架材料)应具备一下性能：（1）首先是无毒，具有良好的生物相容性和组织相容性；（2）可降解吸收，在组织形成过程中材料降解并被吸收；（3）具有可加工性，尤其是能形成三维结构并有较大的孔隙率，以便进行营养物质传输、气体交换、废物排泄；（4）使细胞按一定形状生长，良好材料-细胞界面，利于细胞黏附、增殖、激活细胞特异基因表达等。•生物降解金属材料让骨骼更坚固