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生物材料前沿导论张丽叶教授王兴副教授北京化工大学北京化工大学生命科学与技术学院生命科学与技术学院2012年3月13日自我介绍王兴理学博士&副教授生命科学与技术学院经历：吉林大学德国明斯特大学北京化工大学主要研究领域1.生物医用高分子材料2.智能响应性高分子材料3.基于功能高分子的微纳米器件电子信箱：wangxing@mail.buct.edu.cn科学源于生活内容生物材料概述金属材料陶瓷材料高分子材料复合材料仿生生物材料纳米生物材料基因、药物控释材料组织工程材料生物材料前沿（再生医学）生物材料学课堂研讨¾出勤50+课堂研讨80+课后作业90+课堂问题生物材料生物材料的概念生物材料（Biomaterials）:是指生物体材料和各种医用、特别是对机体的细胞、组织和器官进行诊断、治疗、替代、修复、诱导再生或增进其功能的特殊功能材料如隐性眼睛、义齿、神经导管生物体材料（BiologicalMaterials）具体组成某种组织细胞的成分，如纤维蛋白、胶原蛋白、磷脂和糖蛋白等。生物医用材料(BiomedicalMaterials)是与医学诊断、治疗有关的一类功能性材料，其研究的昀终目的主要是制成人工器官或医疗器械，代替和修复人体受损的组织、器官，以实现其生理功能。“生物材料”与“非生物材料”概念的区分和混淆！硅胶、陶瓷、金属、高分子……（医用材料）水泥、玻璃、金属、高分子……（建筑材料）电子管、液晶、金属、高分子……（电子材料）生物材料是根据用途定义的，而非它们的化学成份。生物材料的发展史公元前3500年：棉纤维、马鬃（缝合伤口）公元前2500年：黄金（假牙）1588年：黄金板（颚骨修复）1775年：金属材料（体内骨折固定）1829年：金属铂（对机体组织刺激性昀小）1851年：硫化天然橡胶（人工牙托/颚骨）1892年：硫酸钙（填充骨缺损）1949年：PMMA（眼内人工晶体）1998年：多能干细胞（组织再生）1997年：组织工程学会成立2005年：组织工程与再生医学协会成立生物材料分为四个发展阶段：惰性生物材料，材料与组织细胞无界面作用；活性生物材料，材料生物化，即材料与组织细胞的亲和性改善，关注界面间的相互作用；组织工程材料，不仅关注材料与组织细胞的亲和性，还关注材料本身的成型、力学性能和降解能力等；再生医学材料，以材料为媒介，利用细胞或干细胞等途经，实现组织或器官的再生；表面与界面Surface&Interface替换（replacement）修复（repair）再生（regeneration）PGA-PLGA生物材料生物材料生物界面生物界面3R组织工程人工骨缺损修复示意图骨再生过程示意图Nat.Med.2008,14,213.魔法粉末：脱细胞组织基质靶向纳米微球细胞表面受体靶向,脂质体抑制肿瘤在体内生长(C.A.Nartchowetal.TargesomeInc.,USA)塑料蛋白---分子印迹技术用于生物监测、医学诊断等Nat.Mater.2010,9,612.生物材料是材料科学领域中正在发展的多学科交叉、相互渗透的领域，其研究内容涉及材料科学、生命科学、化学、生物学、解剖学、病理学、临床医学、药物学等学科，同时还涉及工程技术、管理学科、法律、伦理等范畴。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。生物材料学：生命科学和材料科学相交叉的一门综合性的新兴学科，主要研究生物材料的微观结构和宏观机能，制备技术、以及生物医用材料与人体组织器官相互作用的生物、理化特性。研究内容涉及材料学、医学、生物学、力学和工程学等诸多领域。参考书籍（1）李世普生物医用材料导论武汉理工大学出版社,2006.（2）阮建明等.生物材料学北京：科学出版社,2007.（3）王远亮等译.生物材料－生物学与材料科学的交叉北京：科学出版社，2009.活体系统生物材料材料反应宿主反应包括生物环境对材料的腐蚀、降解、磨损和性质退化，甚至破坏。包括局部和全身反应，如炎症、细胞毒性、凝血、过敏、致癌、畸形和免疫反应等。生物材料的基本要求材料反应¾金属腐蚀¾聚合物降解¾磨损生物机体作用于生物材料－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：金属腐蚀生物体内的腐蚀性环境：1，体液是电解质，促进电化学腐蚀和水解2，组织成分中的多种分子和细胞对金属材料产生腐蚀的后果：1，整体性能破坏：如应力损失、开裂等2，毒性物质溶出：如不锈钢中溶出的Cr6+聚合物降解生物体内的降解环境：1，体液成分2，组织成分3，机械运动聚合物材料产生降解的后果：1，机械性能变差：如失去弹性，出现裂纹，变硬、变脆、变软、发粘、变色等2，老化形成碎片、颗粒、小分子量单体物质等：如医用缝合线降解时会产生酸性物质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。宿主反应¾生物相容性¾化学稳定性¾力学性能¾其他要求生物材料作用于生物机体－宿主反应，其结果可引起局部和全身反应，如炎症、细胞毒性、凝血、过敏、致癌、畸形和免疫反应等。可分为如下四个方面：①对人体无毒、无刺激、无致畸、致敏、致突变或致癌作用；②生物相容性好，在体内不被排斥，无炎症，无慢性感染，种植体不致引起周围组织产生局部或全身性反应，具有生物活性；③无溶血、凝血反应等。生物相容性①耐体液侵蚀，不产生有害降解产物；②不产生吸水膨润、软化变质；③自身不变化等。化学稳定性①足够的静态强度，如抗弯、抗压、拉伸、剪切等；②具有适当的弹性模量和硬度；③耐疲劳、摩擦、磨损、有润滑性能。力学条件①良好的空隙度，体液及软硬组织易于长入；②易加工成形，使用操作方便；③热稳定好，高温消毒不变质等性能。其它要求生物材料的分类：按材料属性分类按使用性能分类按材料功能分类按材料来源分类按材料用途分类了解概念按材料属性分类：a.金属材料：包括不锈钢、钴基合金，钛及合金等，广泛应用于人工假体、人工关节、医疗器械等。b.陶瓷材料：分为惰性生物陶瓷，如氧化铝生物陶瓷；表面生物活性陶瓷，如磷酸钙基生物陶瓷；可降解生物陶瓷，如β-磷酸三钙陶瓷等。c.高分子材料：根据来源分为天然的和合成的，天然的如多糖类、蛋白类，合成的聚氨酯、聚乙烯、聚乳酸、聚四氟乙烯等，用于人体器官、组织、关节、药物载体等。d.复合材料：不同种材料的混合或结合，克服单一材料的缺点，可获得性能更优的材料。e.衍生材料：是经过特殊处理的生物组织，无生物活力但具有构型和功能。按材料性能分类：a.生物惰性材料：b.生物活性材料：c.生物降解材料：d.生物复合材料：按材料功能分类：a.硬组织相容性材料：主要用于生物机体的关节、牙齿及其他骨组织b.软组织相容性材料：主要用于人工皮肤、人工气管、人工食道等c.血液相容性材料：主要用于人工血管、人工心脏、血浆分离膜、血液灌流用吸附剂、细胞培养基材等d.生物降解材料：主要用于吸收型缝合线、药物载体、愈合材料、粘合剂以及组织缺损用修复材料。按材料来源分类：a.同种器官及组织如人体听骨、血管等可细分为自体或异体b.异种器官及组织如动物骨、肾替换人体器官c.天然生物材料如动物骨胶原、甲壳素等d.人工合成材料如各种人工合成的新型材料按材料用途分类：a.硬组织材料人工骨、人工关节和牙齿等b.软组织材料人工皮肤、人工器官、人工食道等c.心血管材料人工心脏、人工瓣膜、人工血管等d.血液代用材料人工红血球、人工血浆等（右旋糖酐、羟乙基淀粉）e.分离、过滤、透析膜材料血液净化、肾透析、人工肺气体透过材料等f.黏合剂、缝合线、药物载体材料线型脂肪酸聚酯、聚乙烯醇、胶原和纤维素等发展趋势改进和发展生物材料的生物相容性评价研究新的降解材料研究新的药物释放体系和药物载体材料研究材料表面改性研究具有全面生理功能的人工器官和组织市场概况0500100015002000250030003500年20052002200032752300165020%12%单位:亿美元世界医疗器械市场生物材料和制品全球生物医用材料市场全球生物医用材料细分市场发展其他医疗器械制品其他生物材料和制品药物缓释材料人造皮肤、组织粘合剂及术后防粘连制品矫形外科修复材料和制品心血管系统修复材料、血液净化材料工程化组织和器官增长率26%增长率45%市场将达800亿美元我国生物医学材料的生物医学工程产业的市场增长率高达28％（全球市场增长率20%），居全球之首。我国人工关节替换年增长率高达30％，远高于美国的4％。----------------国家科技部资料中国生物医用材料市场775万肢残患者和每年新增300万骨损伤患者--------需要大量骨修复材料2000万心血管病患者--------每年需要24万套人工心瓣膜肾衰患者--------每年需要12万个肾透析器……生物材料和制品占世界市场份额不足1.5％；产品技术水平处于初级阶段，且产品单一；同类产品与国外产品比，基本上属于仿制，自主知识产权较少；生物医用材料与制品70-80%要依靠进口；产业正处于起步阶段。中国生物医用材料产业现状全球再生医学相关产业发展概况2010年ProteusVenturePartners及MaRS报告中国首个干细胞人工皮肤产品产业化基地在西安落成[发布日期：2012-2-20]人民网西安２月20日电（记者魏倩）我国首个干细胞人工皮肤产品产业化基地今日在西安落成。这标志着我国进入自主掌握该项世界前沿技术的国家行列，同时也推动我国生物组织工程产业化实现“零”的突破。资料显示，我国每年由于烧伤、溃疡等导致皮肤缺损患者有975多万人，其中需进行皮肤移植的患者在320万人以上。早在2007年，由第四军医大学金岩教授领衔研发的人工皮肤技术便获得我国第一个组织工程产品注册证书；项目得到科技部、发改委等部门约5200万人民币资金支持；人工皮肤技术参与获得2011年度国家科技进步一等奖。人工皮肤产业化基地设计产能为年生产组织工程皮肤400万平方厘米，脱细胞真皮200万平方厘米，选择性脱细胞双层皮2000万平方公里，全部达产后，年产值可达11亿元。未来3D打印机可“打印”出人体器官这台机器看起来既像玩具“建造模型”又像喷墨打印机。而“墨水”感觉像是苹果酱，看起来却像糖霜一样。当喷嘴层层喷洒这些珍珠粉般的物质时，你大可以想象这台机器将如何在姜饼上面绘制精美的图案。但是，这些黏性物质是用活着的细胞组成的，而这台机器“打印”的正是一个身体“部件”。生物打印技术要打印出这么复杂的器官可能还要好几年甚至几十年，但是科学家们已经打印出了皮肤和脊椎间盘并将它们植入了生命体内。展望3D打印技术原理虽然简单，但需要调控的条件很多。现有困难在于打印速度较慢，且适合打印的生物材料有限。德国公司EnvisionTEC开发了名为3D-Bioplotter的机器。科学创造生活2001年8月21日，世界上第一个接受全植入式人工心脏移植手术的病人罗伯特·图尔斯通过电视向记者们讲述自己的喜悦心情。“全植入式人工心脏”形如柚子，重约1公斤，其主体是一个以钛和塑料为材料的泵，具有电子控制系统，能够根据身体需要调节速度。第一位换脸人IsabelleDinoire在术后三个月和一年时的脸部表情。阿曼达-基茨的残肢经外科手术重新接驳神经后，肌肉仍可产生运动，并被传感器阵列记录下来。下一代的义肢能听命于转接的肌肉信号，行动越来越接近天生的血肉肢体。以尖端科技制