第6章-生物材料与仿生材料课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,*,Chapter 6,Biomaterials and Biomimetic Materals,生物材料与仿生材料,9/21/2025,1,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,6.1,生物医用（复合）材料,6.2 组织工程材料,6.3,生物陶瓷,6.4,仿生复合材料,J,J,J,J,本章主要内容,9/21/2025,2,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,6.1 生物医用（复合）材料,6.1.1 生物材料的定义与分类,6.1.2,生物医用材料的性能与分类,6.1.3,医用金属材料,6.1.4,医用高分子材料,6.1.5 无机生物医学材料,J,J,J,J,J,9/21/2025,3,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,6.1.1 生物材料的定义与分类,生物材料,（Biomaterials）,泛指一切与生物体相关的应用性材料或由生物体合成的材料。,按其应用可分为,生物医用材料,（Biomedical Materials）,和与,生物合成有关的应用材料,。而按生物材料来源可分为,天然生物材料,和,人工生物材料,；与此同时材料学的发展使有些材料兼具天然和人工合成的特性。,狭义的,生物材料,指的是能够用来制作各种人工器官和制造与人体生理环境相接触的医疗用具和制品的材料，即,生物医用材料,。,9/21/2025,4,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,生物材料,包括三部分，即,生物医用材料,，,仿生材料,和,生物模拟,。,生物医用材料：,最重要的是材料与人体相容性和材料本身的性能，通过组织工程、生长因子、DNA和自组装技术，可生产出人类的各种器官。事实上，除神经系统以外，人的各种器官都可制造。,仿生材料：,生物是多年演化的结果，有很多特性值得模仿，通过深入研究现有生物体和生物现象而进行仿造，对材料的发展将起到推动作用。,生物材料的另一种分类方法,9/21/2025,5,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,生物医用材料,（Biomedical Materials）,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。,日本北海道大学的科学家们利用从鲑鱼皮中提取的胶原制造全球首例人造血管。,9/21/2025,6,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,生物（医用）材料的发展史,目前被详细研究过的,生物（医用）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（医用）材料,量以1015%的速度增长，1980年全球医用,生物（医用）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。,历史上首个人造心脏Jarvik-7，是在1982年植入病人Barney Clark的体内。他共活了112天。另一名也植入Jarvik-7的病人William Schrodedr则活了620天。,9/21/2025,9,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,生物医用材料,是研制人工器官及一些重要医疗技术的物质基础，综观人工器官及医疗装置的发展史，每一种新型生物材料的发现都引起了人工器官及医疗技术的飞跃。,生物惰性医用硅橡胶,人工耳、人工鼻、人工颌骨等,血液相容性较好的,各向同性碳被复材料,碟片式机械心脏瓣膜,血液亲和性及物理机械性能较好的,聚氨酯嵌段共聚物,促使人工心脏向临床应用跨越一大步,可形成假生物内膜的,编织涤纶管,人工血管向实用化飞跃。,9/21/2025,10,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,硅橡胶制作的人造器官,聚氨酯制造的人工心脏,碟片式机械心脏瓣膜,人工心脏,9/21/2025,11,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,6.1.2,生物医用材料的性能与分类,指,生物医用材料,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:,承受或传递负载功能,。如人造骨骼、关节和牙等，占主导地位,控制血液或体液流动功能,。如人工瓣膜、血管等,电、光、声传导功能,。如心脏起博器、人工晶状体、耳蜗等,填充功能,。如整容手术用填充体等,一、生物功能性,9/21/2025,12,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,人工心脏,人工关节,人工肾脏,人工血管,9/21/2025,13,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,科学家已从生物高分子材料或合成高分子材料中制造出了一二十种人造皮肤。他们把这些材料纺织成带微细孔眼的皮片，上面还盖着一层层薄薄的、模仿“表皮”的制品。,人造皮肤,加拿大发明骨骼打印机复制立体人骨,人造骨骼组织相当精细，可用于整形、重建和脊椎手术。,9/21/2025,14,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,指,生物医用材料,有效和长期在生物体内或体表行使其功能的能力。用于表征生物材料在生物体内与有机体相互作用的生物学行为。,根据材料与生物体接触部位分为：,血液相容性,。材料用于心血管系统与血液接触，主要考察与血液的相互作用,与心血管外的组织和器官接触,。主要考察与组织的相互作用，也称一般生物相容性,力学相容性,。考察力学性能与生物体的一致性,二、生物相容性,9/21/2025,15,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,生物体对生物医用材料的响应宿主反应,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、细胞免疫反应。,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,1、生物学反应,9/21/2025,16,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,2、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,9/21/2025,17,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,材料在生物体内的响应材料反应,金属腐蚀,聚合物降解,磨损,生物机体作用于生物医用材料,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：,9/21/2025,18,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,1、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。将对生物金属材料产生腐蚀。,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。如不锈钢溶出的,Cr,6,生物组织的毒性。,9/21/2025,19,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,2、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。,聚合物老化,易形成的碎片、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。,9/21/2025,20,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,3、磨损,人工关节常用材料为,Ti,6,Al,4,V,，由于表面易氧化生成TiO,2,，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。,9/21/2025,21,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,三、生物医用材料的分类,三种分类方法,1、按应用性质来分类,：,抗凝血材料（心血管材料）、,齿科材料、骨科材料、,眼科材料、,吸附解毒材料（血液灌流用）、,假体材料、,缓释材料、,生物粘合材料、,透析及超滤用膜材料、,一次性医用材料，等等。,9/21/2025,22,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,2、按材料功能划分：,1、,血液相容性材料,如人工瓣膜、人工气管、人工心脏、血浆分离膜、血液灌流用吸附剂、细胞培养基材等；,2、,软组织相容性材料,如隐形眼睛片的高分子材料，人工晶状体、聚硅氧烷、聚氨基酸等，用于人工皮肤、人工气管、人工食道、人工输尿管、软组织修补等领域；,3、,硬组织相容性材料,如医用金属、聚乙烯、生物陶瓷等，关节、牙齿、其它骨骼等；,4、,生物降解材料,如甲壳素、聚乳酸等，用于缝合线、药物载体、粘合剂等；,9/21/2025,23,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,3、按生物材料的属性分类：,天然生物材料,再生纤维、胶原、透明质酸、甲壳素等。,合成高分子生物材料,硅橡胶,、,聚氨脂及其嵌段共聚物,、涤纶、尼龙、聚丙烯腈、聚烯烃,医用金属材料,不锈钢、钛及钛合金、钛镍记忆合金等,无机生物医学材料,碳素材料、生物活性陶瓷、玻璃材料,杂化生物材料,指来自活体的天然材料与合成材料的杂化，如胶原与聚乙烯醇的交联杂化等,复合生物材料,用碳纤维增强的塑料，用碳纤维或玻璃纤维增强的生物陶瓷、玻璃等,9/21/2025,24,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,具有活性涂层的钛合金人工齿示意图,Fig.Schematic diagram of the screw-shaped artificial tooth.,人工齿种植示意图,9/21/2025,25,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,6.1.3 医用金属材料,在生物医学材料中，,医用金属材料,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或合金，又称外科用金属材料。它是一类生物惰性材料，除具有较高的机械强度和抗疲劳性能，具有良好的生物力学性能及相关的物理性质外，还必须具有优良的抗生理腐蚀性、生物相容性、无毒性和简易可行及确切的手术操作技术.,9/21/2025,26,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,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。,化学周期表中的大部分金属不符合生物材料的要求，仅有小部分或经处理过的可用于临床。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。,9/21/2025,27,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,1、不锈钢,铁基耐蚀合金（一般由铁、铬、镍、钼、锰、硅组成），易加工、价格低廉。,不锈钢的耐蚀性和屈服强度可以通过冷加工而提高，避免疲劳断裂。,一般不锈钢制成多种形体，如针、钉、髓内针、齿冠、三棱钉等器件和人工假体而用于临床，不锈钢还用于制作各种医疗仪器和手术器械。,9/21/2025,28,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,常用钢种有US304、316、316 L、317、317L等。,医用不锈钢植入活体后，可能发生点蚀，偶尔也产生应力腐蚀和腐蚀疲劳。医用不锈钢临床前消毒、电解抛光和钝化处理，可提高耐蚀性。,医用不锈钢在,骨外科和齿科,中应用较多。,9/21/2025,29,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,2、钴（Co）基合金,含有较高的铬和钼，又称,钴铬钼合金,，具有极为优异的耐腐蚀性（比不锈钢高40倍）和耐磨性，综合力学性能和生物相容性良好，可通过精密铸造成形状复杂的精密修复体，有硬、中、软三种类型。,临床上主要用于,人工关节,（特别是人体中受载荷最大的髋关节）,人工骨及骨科内处固定器件,的制造,齿科修复中的义齿,，各种铸造冠、嵌体及固定桥的制造,心血管外科及整形科,等,由于其价格较高，加工困难，应用尚不普及。,9/21/2025,30,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,人造髋关节的头杆部分。从股骨上端插进金属杆，杆头有一个金属头，它嵌在粘于髋骨窝中的一个塑料臼中。,9/21/2025,31,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,9/21/2025,32,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,3、钛（Ti）基合金,临床应用广泛，其质轻、比强度高、力学性质接近人骨、强度远低于纯钛，耐疲劳、耐蚀性均优于不锈钢和钴基合金，且生物相容性和表面活性好，是较为理想的一种植入材料。,抗断裂强度较低，耐磨性能不尽人意，加工困难。冶炼及成型工艺复杂，要求条件较高。,主要用于：修补颅骨，制成钛网或钛箔用于修复脑膜和腹膜、人工骨、关节、牙和矫形物、人工心脏瓣膜支架、人工心脏部件和脑止血夹、口腔颌面矫形颌修补、手术器械、医疗仪器颌人工假肢等。,9/21/2025,33,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,头颅微型钢板,钛 板,9/21/2025,34,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,4、形状记忆合金,自1951年美国首次报道Au-Cd（金-镉）合金具有形状记忆效应以来，目前已发现有20多种记忆合金，其中以,镍钛合金,在临床上应用最大。它在不同的温度下表现为不同的金属结构相。如低温时为单斜结构相，高温时为立方体结构相，前者柔软可随意变形，如拉直式屈曲，而后者刚硬，可恢复原来的形状，并在形状恢复过程中产生较大的恢复力。,9/21/2025,35,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,1969年，那个被阿波罗登月舱带到月球上的环形天线，就是用极薄的记忆合金材料先在正常情况下按预定要求做好，然后降低温度把它压成一团，装进登月舱带上天去。放到月面上以后，在阳光照射下温度升高，当达到转变温度时，天线又“记”起了自己的本来面貌，变成一个巨大的半球形。,9/21/2025,36,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,Ti-Ni记忆合金血管支架，用于,管腔狭窄的治疗,9/21/2025,37,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,形状记忆合金可以分为三种：,单程记忆效应,双程记忆效应,全程记忆效应,9/21/2025,38,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,特点：,奇特的形状记忆功能、质轻、磁性微弱、强度较高、耐疲劳性能、高回弹性和生物相容性好等。,应用：,管腔狭窄的治疗,（喉气管狭窄、食管狭窄、胆道狭窄、尿道狭窄及闭锁等）：支架安入管腔狭窄的部位后，能将狭窄管腔撑开，并与管壁相贴紧，固定好；其生物相容性好，长期安放对黏膜无明显损伤；其高回弹性能顺应管道的弯曲，对人体刺激小。,口腔科,：用这种材料做成的种植牙具有齿槽骨切口小，固定牢靠等优点。,骨科,：人工关节，断骨连接、弯曲脊柱矫正。,血管外科,：治疗主动脉瘤、冠状动脉和椎动脉狭窄等。,9/21/2025,39,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,种植牙,断骨连接,骨科用的形状记忆合金,9/21/2025,40,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,5、贵金属（noble metal）,是一种金属或合金，如黄金具有极高的抗氧化性和抗腐蚀性。贵金属具有独特稳定的物理和化学性能、优异的加工特性、对人体组织无毒副作用、刺激小等优良的生物学性能。主要用于口腔科的齿科修复，也可用于小型植入式电子医疗器械。,纯金属铌（Nb）,性能和应用范围与钽非常相似，用于修补颅骨和制作医疗器械。但由于来源困难，价格昂贵，使用受到限制，主要用于制造髓内钉等。,9/21/2025,41,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,具有良好的抗生理腐蚀性和可塑性，独特的表面负电性使其具有优良的抗血栓性能和生物相容性，还有很高的抗缺口裂纹能力。植入骨内能和周围的新骨形成骨性结合；植入软组织中，肌肉等组织可依附在钽条上正常生长。,退火后的纯钽很软，可加工成板、带、箔、丝等使用。主要用作接骨板、颅骨板、骨螺钉、种植牙根、颌面修复体、义齿及外科手术缝线和缝合针；钽网可用于肌肉缺损修补；钽丝和箔用于缝合修补受损的神经、肌腱和血管；钽还可以用于血管内支架及人工心脏、植入型电子装置；钽的同位素可用于放射治疗。,纯金属钽（Ta）,9/21/2025,42,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,6.1.4 医用高分子材料,医用高分子材料,：在医学上应用的、尤其能在,机体内使用的高分子材料。,医用高分子制品的研究，包括,人工器官,、,医疗用品,（输血输液用具、注射器、心导管、主动脉气囊反搏器、角膜接触镜、中心静脉插管、膀胱造瘘管、医用粘合剂以及各种医用导管、医用膜、创伤包扎材料和各种手术、护理用品等）和,药用高分子,（作为赋形剂、合成新型药物）三大类。,9/21/2025,43,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,一、天然高分子生物材料,人类机体的皮肤、肌肉、组织和器官都是由高分子化合物组成的，天然高分子生物材料是人类最早使用的医用材料之一。,天然材料具有不可替代的优点：功能多样性、与机体的相容性、生物可降解性以及对其进行改性与复合和杂化等研究。,目前天然高分子生物材料主要有：,天然蛋白质材料,：,胶原蛋白,和,纤维蛋白,两种,天然多糖类材料,：,纤维素,、,甲壳素,和,壳聚糖,等,9/21/2025,44,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,1、天然蛋白质材料胶原蛋白,脊椎动物的主要结构蛋白，是支持组织和结构组织（皮肤、肌腱和骨骼的有机质）的主要组成成分。不同种类的动物的胶原结构极其相似。,胶原与人体组织相容性好，不易引起抗体产生，植入人体后无刺激性无毒性反应，能促进细胞增殖，加快创口愈合并具有可降解性，可被人体吸收，降解产物也无毒副作用。,基本单位为原胶原蛋白，由三条肽链相互拧成的三股螺旋状结构的蛋白质，其分子量为30万左右。,三股螺旋状结构,9/21/2025,45,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,胶原分散体具有再生特性，可以将其加工成不同形状的制品而用于临床，并越来越受到人们重视。,胶原凝胶,用作创伤敷料,粉末,用于止血剂和药物释放系统,纺丝纤维,用作人工血管、人工皮、人工肌腱和外科缝线,薄膜,用于角膜、药物释放系统和组织引导再生材料,管,用于人工血管、人工胆管和管状器官,空心纤维,用于血液透析膜和人工肺膜,海绵,用于创伤敷料和止血剂等。,9/21/2025,46,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,胶原蛋白的应用,9/21/2025,47,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,2、天然蛋白质材料纤维蛋白,是纤维蛋白原在生理条件下凝固而成的一种材料。,纤维蛋白,可用不同方法进行化学改性，其中包括放射性碘化法、与合成高分子进行接枝和在纤维蛋白上进行酶的固定等。,纤维蛋白,主要来源于血浆蛋白，因此具有明显的血液和组织相容性，无毒副作用和其他不良影响。作为止血剂、创伤愈合剂和可降解生物材料在临床上已经应用很久；它的主要生理功能为止血，另外还可明显促进创伤的愈合；还可作为一种骨架，促进细胞的生长；并具有一定的杀菌作用。,9/21/2025,48,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,纤维蛋白,在临床上普遍使用的应用形式：,纤维蛋白原的就地凝固，用于眼科手术的组织粘合剂，肺切除后胸腔填充物和外科手术中的止血,纤维蛋白粉末，用作止血剂，可以与抗菌素共用，用作充填慢性骨炎和骨髓炎手术后的骨缺损,纤维蛋白海绵，用作止血剂、扁平瘢的治疗和唾液腺外科手术后的填充物,组织代用品，商品名Bioplast，主要用于关节成型术、视网膜脱离、眼外科治疗、肝脏止血及疝气修复等,纤维蛋白薄膜，用于神经外科：替代硬脑膜和保护末梢神经缝线；用于烧伤治疗：消除颌面窦和口腔间的穿孔。,9/21/2025,49,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,3、天然多糖类材料,多糖是由许多单糖分子经失水缩聚，通过糖苷键结合而成的天然高分子化合物。,均聚糖：多糖水解后只产生一种单糖，如纤维素、淀粉,杂聚糖：水解产物是两种或两种以上的单糖，如菊粉等。,自然界广泛存在的多糖主要有：,植物多糖，如,纤维素,、半纤维素、淀粉、果胶等；,动物多糖，如,甲壳素,、,壳聚糖,、肝素、硫酸软骨素等；,琼脂多糖，如琼脂、海藻酸、角叉藻聚糖等；,菌类多糖，如D葡聚糖、D半乳聚糖、甘露聚糖等；,微生物多糖，如右旋糖酐、凝乳糖、出芽短梗孢糖等。,研究较多的多糖类材料为纤维素、甲壳素和壳聚糖。,9/21/2025,50,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,天然多糖类材料 纤维素,葡萄糖经由糖苷键连结的高分子化合物。它具有不同的构型和结晶形式，是构成植物细胞壁的主要成分，是存在于自然界中数量最多的碳水化合物。结构复杂，至今仍未被完全了解。,天然的纤维素属于,纤维型,，再生纤维素属于,纤维型,，后者结构更为稳定。不同的天然纤维素其结晶度有明显差异，随着结晶度的提高，其抗张强度、硬度、密度增加，但弹性、韧性、膨胀性、吸水性和化学反应性下降。,9/21/2025,51,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,在医学上的应用形式主要是制造各种,医用膜,：,硝酸纤维素膜,：用于血液透析和过滤，但由于制膜困难及不稳定等缺点，已逐渐被其他材料取代,粘胶纤维（人造丝）或赛珞玢（玻璃纸）管,：用于透析，但由于含有磺化物及尿素、肌酐的透析性不好等原因，作为透析用的赛珞玢逐渐被淘汰,再生纤维素（铜珞玢）,：是目前人工肾使用较多的透析膜材料，对溶质的传递，纤维素膜起到筛网和微孔壁垒作用,醋酸纤维素膜,，主要用于血透析系统,全氟代酰基纤维素,：用于制造代膜式肺、人工心瓣膜、人工细胞膜层，各种导管、插管和分流管等,9/21/2025,52,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,天然多糖类材料 甲壳素,化学名称为聚N-乙酰-D葡萄糖胺，分子式为（C,3,H,13,NO,5,）n，属于氨基多糖，是仅有的具有明显碱性的天然多糖。,广泛存在于低等植物及甲壳动物的外壳中，其每年生物合成资源最高达1000亿吨，是地球上仅次于植物纤维的第二大生物资源。,是一种来源于动物的天然多糖，普遍存在于虾、蟹等低等动物及昆虫等节肢动物的外壳中。将甲壳动物的外壳通过酸碱处理，脱去钙、盐和蛋白质，即得到甲壳质。,9/21/2025,53,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,被科学家誉为继蛋白质、糖、脂肪、维生素、矿物质以外的,第六生命要素,。甲壳素有强化免疫、降血糖、降血脂、降血压、强化肝脏机能、活化细胞、调节植物神经系统及内分泌系统等功能，还可作为保健材料，用于健康无害烟、护肤产品、保健内衣等。,作为,医用生物材料,可用于：,医用敷料,：甲壳素具有良好的组织相容性，可灭菌、促进伤口愈合、吸收伤口渗出物且不脱水收缩,药物缓释剂,：基本为中性，可与任何药物配伍,止血棉、止血剂,：在血管内注射高粘度甲壳素，可形成血栓口愈合剂，使血管闭塞，从而在手术中达到止血目的，较注射明胶海绵等常规止血方法，操作容易，感染少。,9/21/2025,54,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,甲壳素缝线的电镜照片,甲壳素人工皮的电镜照片,9/21/2025,55,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,天然多糖类材料 壳聚糖,是,甲壳素,去除部分乙酸基后的产物（,甲壳素的衍生物,），甲壳素继续用浓碱乙酸基化则得到壳聚糖，具有一定的粘度，无毒、无害、无副作用。,不溶于水和碱液，但可溶于多种酸溶液中。,它具有较多的侧基官能团，可进行酯化、醚化、氧化、磺化以及接枝交联等反应对其进行改性。特别是磺化产品，其结构与肝素极其相似，可作为肝素的代用品作抗凝剂。,9/21/2025,56,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,适用广，生物相容性良好的新型生物材料正在受到人们的普遍重视，目前在医学多上用于：,可吸收性缝合线，用于消化道和整形外科,人工皮，用于整形外科、皮肤外科，用于、度烧伤，采皮伤和植皮伤等,细胞培养，制备不同形状的微胶囊，培养高浓度细胞，如包封的是活细胞，则构成人工生物器官,海绵，用于拔牙患、囊肿切除、齿科切除部分的保护材料,眼科敷料，可生成较多的成胶原和成纤维细胞,隐形眼镜,膜，用于药物释放系统和组织引导再生材料,固相酶载体,9/21/2025,57,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,9/21/2025,58,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,二、合成高分子生物材料,合成高分子材料,已经迅速地取代了除了食品以外的许多宝贵天然资源。,合成高分子生物材料,是指利用聚合方法制备的一类生物材料。由于合成高分子可以通过组成和结构控制而具有多种多样的物理和化学性质。,医用高分子材料科学是一门新兴的边缘学科，是生物医学工程的一个主要分支，合成高分子材料已成为制造各种人工器官、软硬组织修复体、医用粘结剂、缝合线、人造血液等的最主要的也是用量最大的生物材料。,9/21/2025,59,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,合成高分子材料的组成物（单体，添加剂等）可能向生物环境释放，有可能导致毒性反应。,其弹性模量低和弹性常使其不能用于承受较大负荷的体位的修复。,合成高分子生物材料,可分为：,生物不可降解的,：,硅橡胶,、,聚氨酯,、环氧树脂、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸酯水凝胶、一氰基丙烯酸酯类、聚酸胺和饱和聚酯等。,生物可降解的,：,聚乙烯醇,、,聚乳酸,、聚乙内酯、乳酸一乙醇酸共聚物和聚一羟基丁酸酯等。,9/21/2025,60,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,1、,聚乳酸（PLA）、乳酸和羟基乙酸共聚物,（PLGA）、聚羟基乙酸（PGA）,：手术缝线2、,聚羟基脂肪酸酯（PHA）,：手术缝线、心脏瓣,膜、组织培养、血管移植、整形等,3、,聚二甲基硅氧烷（硅橡胶）,：弹性硅树脂隆胸、,心脏瓣膜4、,聚亚胺酯,：人工心脏5、,聚四氟乙烯（PTFE）：,心脏瓣膜、血管移植、面,部整容、手术缝线6、,聚砜（PSu）：,心脏瓣膜,7、聚甲基甲基丙烯酸酯（PMMA）,：裂缝修补、隐,形眼镜膜、假牙,9/21/2025,61,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,1、合成高分子生物材料硅橡胶,平均分子量40万，有机硅弹性体的主要成分，是含有硅原子的特种合成橡胶的总称。,它具有优异的生理特性：无毒无味、生物相容性好、耐生物老化、较好的抗凝血性、长期植入体内物理性能下降甚微、耐高温严寒（-90 250）良好的电绝缘性、耐氧老化性、耐光老化性以及防霉性、化学稳定性等。,在医学上主要用于粘合剂、导管、整形和修复外科（人工关节、皮肤扩张、烧伤的皮肤创面保护、人工鼻梁、人工耳廓和人工眼环）、缓释和控释等。,9/21/2025,62,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,防噪音耳塞,：佩戴舒适，阻隔噪音，保护耳膜。,胎头吸引器,：操作简便，使用安全，可根据胎儿头部大小变形，吸引时胎儿头皮不会被吸起，可避免头皮血肿和颅内损伤等弊病。,人造血管,：具有特殊的生理机能，能做到与人体“亲密无间”，人的机体也不排斥它，经过一定时间，就会与人体组织完全相容，稳定性极为良好。,鼓膜修补片,：其片薄而柔软，光洁度和韧性都良好。是修补耳膜的理想材料，且操作简便，效果颇佳。,此外还有硅橡胶人造气管、人造肺、人造骨、硅橡胶十二指肠管等，功效都十分理想。,9/21/2025,63,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,2、合成高分子生物材料 聚氨酯（Polyurethane）,具有良好的延伸性和抗挠曲性，强度高、耐磨损，血液相容性、抗血栓性能好，且不损伤血液成分，使其在医疗领域得到广泛应用。,主要用于人工心脏搏动膜、心血管医学元件、人工心脏、辅助循环、人工血管、体外循环血液路、药物释放体系、缝合线与软组织粘合剂绷带、敷料、吸血材料、人工软骨和血液净化器具的密封剂等。,9/21/2025,64,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,3、合成高分子生物材料 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）,又称,有机玻璃,，是目前塑料中透明度最好的一种。具有良好的生物相容性、耐老化性，机械强度较高。,用于剜出后的植入物、隐形眼镜、可植入透镜、人工角膜和假牙、人工喉、食管和腕骨、闭塞器、喉支持膜、牙科夹板、气管切开导管和吻合钮、鼻窦的植入性引管、经皮装置和用于实验的标本箱及人工器官外壳等；增补面部的软和硬组织，特别是修补眼窝的爆裂骨折；颅骨缺损时的替代骨片；充填乳突切除后的遗留腔隙；听小骨部分的替代物和脊椎鼓节段的固定，颅内动脉瘤的加固和充填静脉瘤囊以使之稳定，牙科某些直接充填树脂的基础等。,9/21/2025,65,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,爱尔康一片式,PMMA人工晶体,Acrysof 丙烯酸酯,折叠人工晶体,9/21/2025,66,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,6.1.5 无机生物医学材料,18世纪初开始应用。无毒、与生物体组织有良好的生物相容性、耐腐蚀。,包括,生物陶瓷,、,生物玻璃,和,碳素材料,三大类，主要用于齿科、骨科修复和植入材料。,基本都是脆性材料，容易破裂，发展方向应向开发复合（多相）生物材料以及在金属基体上加涂无机生物陶瓷涂层（薄膜）材料的方面引导。,9/21/2025,67,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,1、无机生物医学材料生物玻璃,是经特别设计的化学组成可诱发生物活性的含氧化硅化合物。,如将某些玻璃在适当的高温进行晶化处理，则玻璃中可析出大量微小晶体，这样的玻璃称为,微晶玻璃,、,结晶化玻璃,或,玻璃陶瓷,。,新型骨修复生物活性材料,9/21/2025,68,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,生物玻璃材料,大致可分为两类：非活性的近似惰性的和生物活性的。,在非活性生物玻璃及生物玻璃陶瓷中包括：,人工骨用生物医学玻璃,，它具有良好的耐酸碱腐蚀特性、生物相容性和耐磨性能；,治疗用生物医学玻璃,，可埋入肿瘤部位，通过在磁场下发热的特性或其内部的同位素放出的射线杀死癌细胞，也有良好的生物相容性；,人工齿冠用生物医学玻璃陶瓷,，具有制作容易、审美性高、强度高、适应性好、生物相容性好、类似天然齿等优点。,9/21/2025,69,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,活性生物玻璃及生物玻璃陶瓷,，通常要求SiO,2,的含量低于60%，同时含有NaO以及CaOP,2,O,5,。这种材料生物相容性好，植入体内后能在界面上通过一系列离子交换和溶解沉淀反应，在其表面形成磷灰石晶体，残留下的玻璃被巨嗜细胞侵蚀，玻璃表面被基质类物质覆盖，玻璃附近的软骨芽细胞和造骨细胞的增殖趋于活跃，不久就形成了骨胶原纤维和磷灰石结晶，从而和软组织及组织成骨键合，骨组织和软组织很容易在其表面生长，其生物活性主要与化学组成相关。,这种材料强度低，断裂韧性差，主要用于非承力的骨、指骨、牙齿等，也可作为钛合金牙种植体的表面涂层。,9/21/2025,70,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,2、无机生物医学材料碳素材料,指作为生物医学使用的各种碳素及其复合材料,具有极好的抗血栓性，作为生物医学材料使用的主要有三种：,玻璃碳,、,低温各向同性碳,和,超低温各向同性碳,。这三种碳在生理环境中化学性质稳定，也不发生疲劳破坏，是生物相容性非常好的一类惰性材料。它的最大优点是血液相容性好，不可渗透性，再加上优良的力学性能，使其在医学上得到广泛使用。,9/21/2025,71,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,主要用于制造心血管修复体的重要材料、人工骨、人工牙根、肌腱和人工韧带等，还可用于人工软骨、人工中耳、人工关节运动磨损表面作为减磨涂层和血液净化等。尤其是它的较高的抗血栓性、耐磨性、低比重和长期使用不劣化等性能，使碳素材料几乎是目前唯一可选用的,人工心脏瓣膜材料,。,碟片式机械,心脏瓣膜,9/21/2025,72,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,6.2 组织工程材料,6.2.1 基本概念,6.2.2,组织工程材料设计及制备,6.2.3,生物材料的表面工程,6.2.4 发展与挑战,J,J,J,J,9/21/2025,73,Chemistry of Materials 2004,Chapter5,6.2.1 基本概念,组织工程,（,Tissue Engineering),：应用工程学和生命科学的原理与方法,将在体外培养、扩增的功能相关的活细胞种植于多孔支架上,细胞在支架上增殖、分化,构建生物替代物,然后将之移植到组织病损部位,达到修复