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1生物医用材料主讲人：张立芬Email:lfzhang@lzu.edu.cn2生物医用材料Questions：1.你认为什么是生物医用材料（可简称为生物材料），能否举例说明？2.你感兴趣的生物材料有哪些？3生物医用材料人工脏器：4氧化铝：1800~2000元。氧化锆：3000~12000元。镍铬合金：400~600元钛合金：600~800元纯钛：1000~1200元贵金属：1400~2000元牙科：生物医用材料5生物医用材料6固体硅橡胶液体硅橡胶人工乳房假体外科：生物医用材料7注射胶原蛋白生物医用材料8导尿管气管导管胃肠减压管--双囊三腔管用于门静脉高压引起的食管和胃底静脉曲张破裂出血时止血用。生物医用材料9全氟碳化合物多聚血红蛋白人工血液：生物医用材料10可吸收螺钉PLLA可吸收骨板PLLA骨科：生物医用材料11软骨人工关节医用粘合剂生物医用材料12电子耳蜗：生物医用材料13生物医用材料14生物医用材料生物材料是一门正在蓬勃发展的交叉性学科。材料科学家和临床医学家在对生物材料的认识和为之努力的理念（目的、效益等）上，还有待逐步获得共识。生物材料的发展对临床医学的贡献是不言而喻的，同时也逐步丰富了材料科学的内容。15生物医用材料《生物医用材料》课程将总结国内外近年来在生物材料学方面有关材料及其医学基础研究、应用技术研究、产业化和临床实践的资料和经验，并且反应我国现代生物材料学的成果及其进展。3临床2技术1基础16生物医用材料1.实用生物医用材料学,顾其胜等,上海科学技术出版社,2005年01月；2.生物医用材料导论,李世普等,武汉理工大学出版社,1900年01月；3.生物材料科学医用材料导论,(美)拉特纳等,清华大学出版,2006年12月；4.生物医用材料,俞耀庭等,天津大学出版社,2000年12月；5.生物材料,(美)J.S.Temenoff等,科学出版社,2009年06月。参考书籍：17第1章绪论第2章生物医用金属材料第3章生物医用无机材料第4章生物医用高分子材料第5章生物医用复合材料第6章生物医用材料相关技术第7章生物医用材料在临床上的实例课程大纲18第1章绪论生物医用材料是直接或间接与人体组织接触的材料。以人为本根据材料的应用对象设计生物学评价模拟人体环境实验售后服务191.1概述1.2材料性质与设计1.3人体结构、生理及病理1.4生物医用材料的最新进展第1章绪论201.1概述药学诊断学生物学遗传学工程学机械学临床医学材料学信息学环境学单一材料复合材料智能材料仿生材料生物材料植入、代替、整形外科植入、代替、整形外科支架、组织工程药物缓释、载体纳米技术、人工芯片人工器官、基质工程211.1概述1980Bruck“源自合成或天然资源，与组织、血液和体液接触的，用于修复、诊断、治疗和储藏而对机体及其成分无不良影响的材料”；1992Black“用于取代、修复活组织的天然或人造材料”；日本学者“以人工脏器、医疗用具等为中心的材料”；最近，第六届国际生物材料大会“一种植入生命系统内或与生命系统相结合而设计的物质，它与生命体不起药理反应。”我国师昌诸院士：“用以和生物系统结合，以诊断、治疗或替换机体中的组织、器官或增进其功能的材料”。生物医用材料的定义：223500年前，古埃及人利用棉纤维、马鬃缝合伤口；印第安人使用木片修补受伤的颅骨。发展历史：2500年前，中国和埃及的墓葬中就有假牙、假鼻和假耳。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，发明天然橡胶的硫化方法后，采用硬胶木制作人工牙托的颚骨。1.1概述231.1概述0500100015002000250030003500年亿美元美国医疗器械产值国际医疗器械产值图1-1.国际医疗器械产值变化图。199019952000200575051012007501700131032750100200300400500600700亿美元图1-2.1999年世界医疗器械产值分配图（亿美元）。美国欧盟日本中国国际国内外生物材料的产业化：241.1概述国内图1-3.国内医疗器械产值变化图。0100200300400500600700800900年100百万（人民币）19851990199520002005251.1概述病例数（万例）需求量（万个/年）实用量（万个/年）国产率（%）进口价（万元）（人民币）人工心脏瓣膜（250）251.5301.5~2起搏器（600）40252~3骨修复材料（300）20020600.1~0.2人工关节（1500）3003602.5人工晶体（2000）40040400.08~0.15血管支架（2000）1002102人工血管（150）10030202肾透析器（100）501020—表1-1.体内植入生物制品的国内市场需求。26按材料来源分人体自身组织：同种器官与组织：异种同类器官与组织：天然生物材料：合成材料生物医用材料的类型与应用：1.1概述医用材料可按以下几个方面分类：①按材料来源分类；②按材料的性质分类；③按材料在人体应用部位的分类；④按材料使用要求的分类；⑤按材料与人体接触时间分类。27按材料应用部位分硬组织材料：软组织材料：心血管材料：血液代用材料：分类、过滤、透析膜材料1.1概述28按材料使用要求分非植入性材料与制品：注射器等植入性材料与制品：血液接触性材料和制品：心脏反搏气囊降解和吸收性材料和制品：1.1概述29按材料与人体接触时间分短期接触：24h,A类材料长期接触：24ht30d,B类材料永久性接触：t30d,C类材料1.1概述30按材料组成和性质分生物医用金属材料：不锈钢、钴基合金、钛及其合金生物医用高分子材料：有机、天然及天然衍生材料生物医用无机材料：羟基磷灰石、β磷酸三钙等生物医用复合材料：举例子最熟悉的是什么？对分子式不要求1.1概述311.1概述年份高分子金属合金陶瓷复合材料天然材料199245%45%3%1%6%200047%30%10%3%10%表1-2.各种生物材料产值占医疗器械总产值的百分数。321.2材料性质与设计生物医用材料与生物体间的相互作用：生理环境生物医用材料（一）材料反应材料的物理变化：大小、形状、热电光性能的变化，如陶瓷；材料的化学变化：化学组成、微观结构、晶粒尺寸及耐腐蚀；材料力学性能的变化：被降解或磨损使力学性能变化，如胶原蛋白。33组织坏死，产生肉芽肿或肿瘤轻微炎症严重炎症炎症纤维被膜过度纤维变性细胞消化、降解细胞化学物理力学工艺生物材料机体1.2材料性质与设计（二）生物反应---宿主反应（宿主反应是什么/组织反应、血液反应、免疫反应与全身反应）（组织反应）炎症反应、细胞粘附、细胞增殖、形成伪内膜、细胞质转变341.2材料性质与设计（血液反应）血小板血栓、凝血系统的激活、纤溶系统的激活、溶血反应、一次性包细胞减少修复治疗血小板血栓血小板黏附聚集因子XII激活凝血系统激活材料表面蛋白吸附血栓栓子流动栓塞351.2材料性质与设计（免疫反应）补体系统的激活、抗原-抗体反应、免疫细胞的激活、（全身反应）全身急性或慢性毒性反应、诱发分子突变致癌36生物医用材料（体内植入物）的性能要求：物理性能要求：溶出物及可渗出物机械物理性能成型加工性能灭菌性能材料的生物学性能：生物稳定性生物相容性1.2材料性质与设计37生物医用材料必须满足的基本要求：(1)无急性毒性、致敏、致炎、致癌和其他不良反应；(2)良好耐腐蚀性、相应的生物力学性能及加工性能；(3)良好组织相容性、血液适应性和适宜的耐生物降解性。1.2材料性质与设计38生物医用材料的设计：材料设计的目标：如分子、微米、毫米、可见水平上生物医用材料的设计生物医用材料设计：满足生物功能、性能、制备加工以及消毒等要求。如：心血管装置、骨科植入物、口腔科植入物、软组织植入物1.2材料性质与设计39正常人体结构：细胞组织器官Text系统人体1.3人体结构、生理与病理40肌腱：联系肌肉与骨骼作用皮肤：表皮、真皮及皮下组织牙：牙釉质、牙本质及牙骨质软骨：透明、弹性及纤维软骨骨：无机物与有机物组成的复合材料细胞与细胞间质：细胞核血管：动脉与静脉生物医用材料研究涉及的人体结构部分1.3人体结构、生理与病理41调节机制生物医用材料人体人的机体组织：由含有聚糖基质及庞大纤维网状结构组成，浸泡在含大量离子的体液中，是一种生物活性的复合材料。植入同化与异化作用神经调节、体液调节以及器官、组织细胞的自身调节。正常生理状态：1.3人体结构、生理与病理42修复和再生加入外源性物质神经与体液调节疾病健康病理状态：1.3人体结构、生理与病理43仿生环境：生物医用材料临床应用复杂而又严格的体外、体内实验人体环境中各种物质的组成、相对含量以及其物理和化学性质1.3人体结构、生理与病理44组织工程支架药物控释材料医用仿生材料智能材料医用纳米材料材料的发展：学会举例子响应性凝胶形状记忆合金支架材料、生长因子生物可降解、药物载体基质与器官纳米无机材料纳米高分子材料1.4生物医用材料的最新进展45技术的发展：界面技术：种植内皮细胞、磷脂基团表面等，容易操作实现的工艺技术：提纯技术等检测技术：材料本体、表面性能及浸出液成分分析等工程技术：纳米技术与仿生技术等1.4生物医用材料的最新进展46生物医用金属材料牙弓丝齿科合金齿科合金血管支架食道带膜支架胆道支架尿道支架漏斗胸矫形器472.1医用金属材料概述2.2镍钛形状记忆合金2.3金属腐蚀和无菌性松动生物医用金属材料482.1医用金属材料概述根据抗腐蚀性排列顺序不错医用金属材料贵金属及钽铌锆钛和钛基合金不锈钢钴基合金镍钛形状记忆合金492.1医用金属材料概述医用不锈钢不锈钢：一般指成分中的含铬量大于10.5%的一系列铁基合金总称。抗腐蚀原理：Cr形成氧化膜医用不锈钢：是医疗设备及用具上用的材料和可植入人体内支撑组织的植入材料。按构建的组织相马氏体不锈钢铁素体不锈钢奥氏体不锈钢α+γ双相不锈钢沉淀硬化不锈钢分类：502.1医用金属材料概述（一）不锈钢的种类与成分不锈钢：铁+铬、镍、硅、锰、钛、碳、硫和磷。钢强度钢韧性钢强度与硬度钢铸造性能防止晶间腐蚀512.1医用金属材料概述马氏体不锈钢：是一类通过热处理（淬火、回火）对其性能进行调节的不锈钢。含铬12-17%（低铬），晶体结构为体心四方，具有铁磁性。特点：耐腐蚀性、高硬度、良好的力学性能。如外科和骨科的手术器械。铁素体不锈钢：也称高铬不锈钢（含铬11-30%），体心立方，铁磁性。特点：硬度与强度稍低，且不能通过热处理强化，而且对晶间腐蚀较敏感，多用于医疗设备。奥氏体不锈钢：也称铬镍不锈钢，含铬10-26%，含镍6-22%。临床有两类：含铬18%和镍8%的18-8铬镍不锈钢（含碳0.2-0.3%）和低碳316（碳0.08%）及超低碳316L(碳0.03%)不锈钢。晶体结构为面心立方，无铁磁性。特点：不能通过热处理强化，但可采用冷加工来提高。良好的常温及低温塑韧性、易成形性和耐腐蚀性。如口腔：18-8铬镍不锈钢；外科种植：316和316L。52铁素体（体心立方）奥氏体（面心立方）马氏体（体心四方）图2-1不锈钢的晶体结构2.1医用金属材料概述532.1医用金属材料概述双相不锈钢：是指奥氏体和铁素体都独立存在而构成的不锈钢。特点：兼有奥氏体和铁素体两种性能。由于其使用温度受限，很少应用。沉淀硬化不锈钢：是一类含沉淀硬化元素，如Cu、Al、Ti、的铁铬镍合金，通过热处理来强化的不锈钢。特点：其耐腐蚀性与钴基合金相当，力学性能良好，有替代钴基合金制作人工关节等承载植入体的潜力。542.1医用金属材料概述（二）不锈钢性能及生物相容性品种极限拉伸强度（MPa）屈服强度（MPa）延伸率（%）洛氏硬度（HRB）18-8不锈钢52539529.5131-156316不锈钢退火态5152054095冷加工86069012300-350316L不锈钢退火态5051954095冷加工86069012——提高不锈钢性能：通过热处理、冷加工等制造工艺和加工工艺来实