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医用材料在医学中的应用张洪武汉大学人民医院药学部个人介绍张洪武汉大学人民医院药品试剂科主任硕士研究生导师研究方向:药物新剂型生物材料在医学中的应用生物材料：指生物体材料和各种医用、特别是对生物体进行诊断、治疗、置换和增进某受损组织和器官的功能性材料。其作用药物不可替代包括：生物体材料（biologicalmaterial）生物医用材料（biomedicalmaterial）生物体材料一般都是具体组成某种细胞的成分，如纤维蛋白、胶原蛋白、磷脂和糖蛋白等生物材料学是研究用于修复人体缺陷的各类材料的基本结构、基本特性、生物性能和人体组织及器官对材料的反应，从基本原理上探索生物材料与细胞间的相互作用，研究材料过程-材料结构-材料性能之间的关系生物医学材料指的是一类具有特殊性能、特种功能，用于人工器官、外科修复、理疗康复、诊断、治疗疾患，而对人体组织不会产生不良影响的材料。现在各种合成和天然高分子材料、金属和合金材料、陶瓷和碳素材料以及各种复合材料，其制成产品已经被广泛地应用于临床和科研即与医学诊断、治疗有关的一类功能性材料随着科技发展，高分子材料在各行各业的应用日渐广泛，医学领域也不例外。医用材料包括:高分子材料:聚乙烯、聚丙烯等金属材料：不锈钢、钛合金等陶瓷材料：氧化铝、氧化钛等复合材料：金属-陶瓷复合材料等生物衍生材料：活性生物组织等生物医用高分子材料:是生物医学材料中发展最早、应用最广泛、用量最大的材料。既来源于天然，又可以人工合成。分为非降解型和可降解型两类非降解型：要求在生物环境中能长期保持稳定，不发生降解、交联或物理磨损等，并具良好的物理机械性能。包括聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸酯、芳香聚酯、聚硅氧烷、聚甲醛等。主要用于人工脏器、骨和牙齿、肌腱和韧带、血管、皮肤等组织及器官的修复和构造可降解型：主要包括胶原、甲壳素、纤维素、氨基酸、聚乳酸、聚乙醇酸等。主要用于组织工程支架材料和药物缓释系统生物医用金属材料：用于生物医学材料的金属或合金，又称外科用金属材料，是一类惰性材料。具有高机械强度和抗疲劳性能，是目前临床应用最广泛的一类材料，其应用范围涉及硬组织、软组织、人工器官、外科辅助器材等问题：由于生理环境的腐蚀，会造成金属离子向周围组织扩散及植入材料自身性质的蜕变，前者可能导致毒副作用，后者导致植入失败常用材料：不锈钢、钛合金、钴合金、钽、铌、锆等生物医用陶瓷材料：此类材料性能稳定，具良好的生物相容性，能耐高温、耐腐蚀、抗氧化性和很高的机械强度。主要用于骨和牙齿、承重关节等硬组织的修复和替换，生物碳可以用作血液接触材料，如人工心脏瓣膜等问题：脆性大、韧性低常用材料：氧化铝、氧化钛、生物碳、生物玻璃、羟基磷灰石、磷酸钙陶瓷等复合生物材料：由基体材料与增强材料或功能材料组成，它们之间相互配合或组合，形成大量性质各异的复合生物材料。复合材料的某些性能比各组成相的性能有较大程度的提高，主要用于制成人工器官、修复或替换人体组织、器官，增进或替代其功能常用基体材料：医用高分子材料、医用碳素材料、生物玻璃、玻璃陶瓷、医用不锈钢、钴基合金等常用增强材料：碳纤维、不锈钢或钴基合金、生物玻璃陶瓷等生物衍生材料：是天然生物组织经过特殊处理而形成的医用材料，可取自同种或异种动物体的组织细胞，可作为修复和替代材料主要用于人工心脏瓣膜、血管修复、人工皮肤、骨修复、鼻软骨种植体等问题：1.材料本身性质化学稳定性、力学性能2.与身体融合程度生物相容性3.其他手术技术、患者健康状况等生物医用材料必须满足以下的基本要求：（1）与组织短期接触无急性毒性、无致敏作用、无致炎作用、无致癌作用和其他不良反应（2）具有良好的耐腐蚀性能以及相应的生物力学性能和良好的加工性能（3）对于体内使用的医用材料，除了必须满足以上的基本要求外，还必须具有良好的组织相容性、血液适应性和适宜的耐生物降解性生物材料的性能生物功能性生物相容性生物功能性指生物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:①承受或传递负载功能。如人造骨骼、关节和牙等，占主导地位②控制血液或体液流动功能。如人工瓣膜、血管等③电、光、声传导功能。如心脏起博器、人工晶状体、耳蜗等④填充功能。如整容手术用填充体等生物相容性生物相容性(biocompatibility)指生物材料与生物体间的相互作用结果以及生物体对这种结果的忍受程度国际标准化组织(ISO)提出，生物相容性指生命组织对非活材料产生合乎要求反应的一种性能药用高分子材料因伴随药物进入体内，有些暂停留于体内，有些则在体内降解、吸收，因此药用高分子材料生物相容性要求更加苛刻包括：血液相容性有无溶血、凝血、破坏血液成分等组织相容性能否对周围组织产生毒性、致畸、癌变等力学相容性植入材料的强度、硬度与组织的适应性等生物相容性生物相容性评价体系国际标准—ISO10093题目“医疗器械生物学评价”，共12部分我国国家标准—GB/T16886题目“医疗器械生物相容性评价体系”，共16项生物相容性生物体对生物材料的响应－宿主反应（1）生物学反应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（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：金属腐蚀聚合物降解磨损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，对生物金属材料产生腐蚀金属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降解聚合物老化易形成碎片、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一、医用金属材料在生物医学材料中，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（一般不用纯金属）或合金，又称外科用金属材料。它是一类生物惰性材料合金是由一种金属跟其他一种或几种金属（或金属跟非金属）一起熔合而成的具有金属特性的物质人体环境特点体液是质量分数约为1%的NaCl、少量其它盐类及有机化合物的充气溶液。有人说人体与温暖的海水相似在人体的不同部位，甚至同一部位不同时刻，人体组织内体液的成分不一样电化学腐蚀的基本规律对人体环境中的植入材料的腐蚀完全适用人体体液环境由体液构成多种多样的电解质溶液还有其他的腐蚀形式，如晶间腐蚀（不锈钢最易发生的腐蚀形式）、应力腐蚀、微动腐蚀等均匀腐蚀点腐蚀电偶腐蚀缝隙腐蚀磨损腐蚀腐蚀疲劳医用金属材料人体环境可能发生的腐蚀形式：均匀腐蚀是指接触腐蚀介质的金属表面全部产生腐蚀的现象。大面积发生，以金属离子形式进入人体组织里的量还是相当可观，影响生物相容性，增加病人的痛苦甚至危及生命点腐蚀是一种腐蚀集中在金属（合金)表面数十微米范围内且向纵深发展的腐蚀行式。形成条件：钝化膜，特殊离子，电位差均匀腐蚀点腐蚀医用金属材料缝隙腐蚀是指连接处出现狭窄的缝隙，电解质溶液进入，使缝内金属与缝外金属构成短路原电池，并且在缝内发生强烈局部腐蚀。多零件植入装置中，大约有50%遭受缝隙腐蚀电偶腐蚀是由于腐蚀电位不同，造成同一介质中异种金属接触处的局部腐蚀。在多个零件构成的植入装置中，选用的材料不同就容易产生电偶腐蚀。手术时也要注意电偶腐蚀缝隙腐蚀医用金属材料腐蚀疲劳是指金属材料在交变应力的共同作用下产生的断裂现象。腐蚀疲劳裂纹总是从植入器件表面发生，所以可以对植入器件喷丸处理提高疲劳寿命磨损腐蚀是由于植入器件之间反复的相对的滑动所造成的表面磨损与腐蚀环境的综合作用结果。磨损腐蚀造成点蚀坑或颗粒形状的斑疤磨损腐蚀腐蚀疲劳要求有足够的力学强度和抗疲劳性能有极好的耐腐蚀性能,无磁性必须无毒、无致癌性与过敏反应具有良好的光洁度4123材料易于制造,价格适当5医用金属材料常见医用金属材料及特点（优点）纯钛和钛合金不锈钢钴基合金形状记忆合金贵金属良好的稳定性和加工性能。因其价格较贵,广泛应用受到限制较硬富有弹性,可起到矫形或支撑作用.其优良的生物相容性、耐腐蚀、耐磨性、无毒无毒、质轻、强度高、生物相容性好优点良好的耐腐蚀性能和综合力学性能,且加工工艺简便耐腐蚀和力学性能综合衡量,它是最优良的材料之一医用金属材料在诸多生物材料中,由于具有较高强度和韧性,适用于修复和置换人体硬组医用金属材料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、铌和锆等医用金属材料常用医用金属材料：不锈钢钴（Co）基合金钛（Ti）基合金形状记忆合金贵金属纯金属钽纯金属铌纯金属铬不锈钢1926年，不锈钢（18Cr-8Ni）作为第一种不锈钢植入材料用于外科，替代了较易腐蚀的钢，1943年，美国又推荐302型不锈钢用于骨折固定，后来加入钼的18-8sMo不锈钢（316）的应用，进一步改善了材料的抗腐蚀性能。1950年，将不锈钢中所含的碳量最大限度地降低至0.08%-0.03%，从而研制出具有较好抗腐蚀性能的316L不锈钢（L代表低碳含量）不锈钢组成主要由铁、铬、镍、钼和锰等合金元素组成，铬是不锈钢具有抗蚀性能的主要因素，它起作用的含量应超过11%（质量分数），铬是一种活性元素，在不锈钢表面很容易形成氧化铬，具有优异的抗腐蚀能力奥氏体不锈钢的组成（余额铁%）类型C/%Cr/%Ni/%Mn/%其他元素/%3010.1516-186-82.01.0Si3040.0717-198-112.07.0Si316，18-8sMo0.0716-1810-142.02-3Mo，1.0Si316L0.0316-1810-142.02-3Mo，0.75Si430F0.0816-181.0-1.51.51.0Si，0-6Mn不锈钢种类铁素体不锈钢：含铬量从13%-30%，含碳量低于0.25%，一般用于耐腐蚀性高而强度较低的构建，所以不适合作为生物材料应用马氏体不锈钢：含铬量为12%-15%，并加入0.15%-1.0%的碳，由于含碳量增加，可经热处理以提高其硬度和强度，但易引起晶间腐蚀，抗腐蚀性不如铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢，故作为生物材料应用受到一定限制奥氏体不锈钢：是在铁-铬系统中再加入8