生物材料在骨科临床应用.ppt

生物医用材料生物医用材料在骨科在骨科临临床床应应用用邱邱贵兴贵兴北京北京协协和医院骨科和医院骨科1.生物材料的概念生物材料的概念生物材料生物材料(Biomaterials)即生物医学材料即生物医学材料(Biomedical Materials)用于人体用于人体组织组织和器官的和器官的诊诊断断 修复或增修复或增进进其功能的其功能的 高技高技术术材料材料 取代取代 修复活修复活组织组织的天然或人造材料的天然或人造材料 其作用其作用药药物不可替代物不可替代 能增能增进进或替或替换换因疾病因疾病 损伤损伤等失去的某种功能等失去的某种功能2.生物医用材料的用途生物医用材料的用途 替代替代损损害的器官或害的器官或组织组织 如：人造心如：人造心脏脏瓣膜、假牙、人工血管等瓣膜、假牙、人工血管等 改善或恢复器官功能的材料改善或恢复器官功能的材料 如：如：隐隐型眼型眼镜镜、心、心脏脏起搏器等起搏器等 用于治用于治疗过疗过程程 如：介入性治如：介入性治疗疗血管内支架、用于血液透析的血管内支架、用于血液透析的 薄膜、薄膜、药药物物载载体与控体与控释释材料等材料等3.生物材料生物材料发发展概况展概况 古代古代 公元前公元前5000年年 黄金修复缺黄金修复缺损损牙牙齿齿 并沿用至今并沿用至今 公元前公元前3500年年 古埃及人用棉花古埃及人用棉花纤维纤维 马马鬃鬃缝缝合合伤伤口口 印第安人用木片修印第安人用木片修补颅补颅骨骨 公元前公元前2500年年 中国和埃及的墓葬中中国和埃及的墓葬中发现发现假牙假牙 假鼻和假耳假鼻和假耳 隋末唐初隋末唐初 银银膏膏补补牙牙 成分是成分是银银、锡锡、汞、汞 与与现现代牙代牙齿齿填充材料填充材料类类似似4.生物材料生物材料发发展概况展概况 近代近代 1588年年 黄金板修复黄金板修复颚颚骨骨 1775年年 金属固定体内骨折金属固定体内骨折 1829年年 多种金属的多种金属的动动物物实验发现实验发现 金属金属铂对铂对机体机体组织组织刺激最小刺激最小 1851年年 发发明了天然橡胶的硫化方法明了天然橡胶的硫化方法 开始用天然高分子硬橡木制作人工牙托开始用天然高分子硬橡木制作人工牙托 和和颚颚骨骨进进行行临临床治床治疗疗 1892年年 用硫酸用硫酸钙钙填充骨缺填充骨缺损损 陶瓷材料植入人体的陶瓷材料植入人体的最早最早实实例例5.生物材料生物材料发发展概况展概况 现现代代 生物材料取得生物材料取得实质实质性性进进展展始于始于20世世纪纪20年代年代6.生物材料的分生物材料的分类类 按材料性按材料性质质分分类类 按材料功能分按材料功能分类类 按材料来源分按材料来源分类类 按使用部位分按使用部位分类类7.通常按材料性通常按材料性质质分分类类 金属材料金属材料 不不锈钢锈钢 钴钴基合金基合金 钛钛基合金等基合金等 广泛广泛应应用于人工假体用于人工假体 人工关人工关节节 医医疗疗器械器械 非金属材料非金属材料 无机材料无机材料 有机材料有机材料8.无机材料无机材料 主要是生物陶瓷主要是生物陶瓷分分为为惰性惰性生物陶瓷生物陶瓷 如氧化如氧化铝铝生物陶瓷生物陶瓷表面生物表面生物活性活性陶瓷陶瓷 如磷酸如磷酸钙钙基生物陶瓷基生物陶瓷可降解可降解生物陶瓷生物陶瓷 如如-磷酸三磷酸三钙钙陶瓷等陶瓷等有机材料有机材料 PMMA 聚乙交聚乙交酯酯 聚丙交聚丙交酯酯 生物胶生物胶 聚乳酸聚乳酸9.通常按材料性通常按材料性质质分分类类 高分子材料高分子材料 根据来源分根据来源分天然天然和和合成合成天然天然如多糖如多糖类类、蛋白、蛋白类类合成合成 如硅橡胶、聚乙如硅橡胶、聚乙烯烯、聚乳酸、聚乳酸、聚四氟乙聚四氟乙烯烯等等 用于人体器官用于人体器官 组织组织 关关节节 药药物物载载体等体等 生物复合材料生物复合材料 不同种材料混合或不同种材料混合或结结合合 克服克服单单一一 材料缺点材料缺点 可可获获性能更性能更优优的材料的材料10.按材料功能分按材料功能分类类 硬硬组织组织相容性材料相容性材料 用于关用于关节节 牙牙齿齿及其他骨及其他骨组织组织 软组织软组织相容性材料相容性材料 用于人工皮肤用于人工皮肤 人工气管人工气管 人工食道等人工食道等 血液相容性材料血液相容性材料 用于人工血管用于人工血管 人工心人工心脏脏 血血浆浆分离膜分离膜 血液灌流用吸附血液灌流用吸附剂剂 细细胞培养基材等胞培养基材等 生物降解材料生物降解材料 用于吸收型用于吸收型缝缝合合线线 药药物物载载体体 愈合材料愈合材料 粘合粘合剂剂及及组织组织缺缺损损用修复材料用修复材料11.按材料来源分按材料来源分类类 自体自体组织组织 如人体如人体髂髂骨骨 血管等血管等 同种异体器官及同种异体器官及组织组织 异种器官及异种器官及组织组织 天然生物材料天然生物材料 动动物骨胶原物骨胶原 甲壳素甲壳素 珊瑚等珊瑚等 人工合成材料人工合成材料 人工合成的新型材料人工合成的新型材料12.按使用部位分按使用部位分类类 硬硬组织组织材料材料 骨、牙骨、牙齿齿用材料用材料 软组织软组织材料材料 软软骨、骨、脏脏器用材料器用材料 心血管材料心血管材料 心血管以及心血管以及导导管材料管材料 血液代用材料血液代用材料 人工人工红红血球血球 血血浆浆等等 分离、分离、过滤过滤、透析膜材料、透析膜材料 血液血液净净化化 肾肾透析及人工肺气体透透析及人工肺气体透过过材料等材料等13.对对生物医用材料的基本要求生物医用材料的基本要求 良好的生物相容性良好的生物相容性 良好的化学良好的化学稳稳定性定性 满满足生物力学要求足生物力学要求 可可灭灭菌菌 可成型可成型 易加工易加工14.生物相容性生物相容性 无毒无毒 无刺激无刺激 无致畸无致畸 致敏致敏 致突致突变变或致癌或致癌 在体内不被排斥在体内不被排斥 无炎症无炎症 无慢性感染无慢性感染 不引起周不引起周围组织围组织局部或全身性反局部或全身性反应应 最好能与骨形成化学最好能与骨形成化学结结合合 具有生物活性具有生物活性无溶血无溶血 凝血反凝血反应应等等15.化学化学稳稳定性定性 耐体液侵耐体液侵蚀蚀 不不产产生有害降解生有害降解产产物物 不不产产生吸水膨生吸水膨润润 软软化化变质变质 自身不自身不变变化化16.生物力学要求生物力学要求 足足够够的静的静态态强强度度 如抗弯如抗弯 抗抗压压 拉伸拉伸 剪切等剪切等 有适当的有适当的弹弹性模量和硬度性模量和硬度 耐疲耐疲劳劳 摩擦摩擦 磨磨损损17.其其 它它 要要 求求 良好的空隙度良好的空隙度 体液及体液及组织组织易易长长入入 易加工成形易加工成形 使用操作方便使用操作方便 消毒消毒灭灭菌不菌不变质变质等性能等性能18.生物材料在骨科的生物材料在骨科的应应用用不不锈钢锈钢 钴钴基合金基合金 钛钛合金合金 记忆记忆合金合金生物材料在骨科生物材料在骨科领领域域 发发展最迅速展最迅速 应应用最广泛用最广泛一一、金属材料金属材料 19.不不不不锈钢为铁锈钢为铁锈钢为铁锈钢为铁基合金基合金基合金基合金 成本低成本低成本低成本低在体内有腐在体内有腐在体内有腐在体内有腐蚀蚀蚀蚀和和和和组织组织组织组织反反反反应应应应等等等等添加添加添加添加MoMo可克服可克服可克服可克服铬钝铬钝铬钝铬钝化膜在氧化化膜在氧化化膜在氧化化膜在氧化环环环环境中耐腐境中耐腐境中耐腐境中耐腐蚀蚀蚀蚀性能性能性能性能如加如加如加如加MoMo的的的的316316、317317降低碳含量降低碳含量降低碳含量降低碳含量 如使用超低碳如使用超低碳如使用超低碳如使用超低碳的的的的316L316L可防止晶可防止晶可防止晶可防止晶间间间间腐腐腐腐蚀蚀蚀蚀.可用来制可用来制可用来制可用来制作人工关作人工关作人工关作人工关节节节节和骨折内固定器等和骨折内固定器等和骨折内固定器等和骨折内固定器等目前最常用于手目前最常用于手目前最常用于手目前最常用于手术术术术工具的制造工具的制造工具的制造工具的制造 1、不、不锈钢锈钢20.加加Mo的的钴钴基合金基合金 耐腐耐腐蚀蚀性是不性是不锈钢锈钢如如316的的40倍倍钴铬钼钴铬钼合金的生物合金的生物相容性超相容性超过铁铬镍过铁铬镍和和钴铬钴铬合金合金钴钴基合金的耐磨性是所有医用金属材料中最好的基合金的耐磨性是所有医用金属材料中最好的更适于体内的更适于体内的长长期植入物期植入物用于人工关用于人工关节节 接骨板接骨板 骨骨钉钉等等CoCrMo合金制合金制股骨帽股骨帽2、钴钴基合金基合金21.骨科骨科应应用以用以纯钛纯钛和和TC4(Ti-6Al-4V)为为主主强强度不如度不如钴钴基合金基合金耐腐耐腐蚀蚀性好性好与人体与人体组织组织反反应应很弱很弱钛钛合金的密度小合金的密度小弹弹性性模量低模量低接近于天然骨接近于天然骨有良好的耐疲有良好的耐疲劳劳性能性能广泛用于制作人工关广泛用于制作人工关节节 接骨板接骨板 骨螺骨螺钉钉 髓内髓内钉钉等等3、钛钛基合金基合金22.1951年美国年美国首次首次报报道道Au-Cd（金（金-镉镉）合金具形状）合金具形状记忆记忆效效应应目前已有目前已有20多种多种记忆记忆合金合金 其中其中镍钛镍钛合金合金临临床上床上应应用最大用最大不同的温度下表不同的温度下表现为现为不同的金属不同的金属结结构相构相 如低温如低温时为单时为单斜斜结结构相构相 高温高温为为立方体立方体结结构相构相前者柔前者柔软软可随意可随意变变形形 后者后者刚刚硬可恢复原形状硬可恢复原形状并在形状恢复并在形状恢复过过程中程中产产生生较较大的恢复力大的恢复力4、形状、形状记忆记忆合金合金23.脊脊椎椎矫矫正正植植入入体体特点特点 奇特的形状奇特的形状记忆记忆功能功能 质轻质轻 磁性微弱磁性微弱 强强度度较较高高 耐疲耐疲劳劳性性 高回高回弹弹性和生物相性和生物相 容性好容性好应应用用 人工关人工关节节 骨折骨折连连接接 脊柱脊柱侧侧凸凸矫矫形等形等24.5、纯纯金属金属钽钽（Ta）良好生物相容性和可塑性良好生物相容性和可塑性 无毒性无毒性 独特的表面独特的表面负电负电性使其具性使其具优优良抗血栓性和生物相容性良抗血栓性和生物相容性 很高的抗缺口裂很高的抗缺口裂纹纹能力能力 能和周能和周围围的新骨形成骨性的新骨形成骨性结结合合 植入植入软组织软组织可依附在表面正常生可依附在表面正常生长长 退火后的退火后的纯钽纯钽很很软软 可加工成板可加工成板 带带 箔箔 丝丝等等 主要用作接骨板主要用作接骨板 骨螺骨螺钉钉 钽钽网用于肌肉缺网用于肌肉缺损损修修补补 钽丝钽丝和箔用于修和箔用于修补补受受损损的神的神经经 肌腱肌腱 由于由于钽资钽资源少源少 价格价格较较高高 推广受限制推广受限制25.生物陶瓷生物陶瓷是是经经高温高温处处理所成的理所成的无机非金属材料无机非金属材料二、非金属材料二、非金属材料（一）无机材料（一）无机材料26.惰性生物陶瓷惰性生物陶瓷 生物体内与生物体内与组织组织反反应应很小很小 如氧化如氧化铝铝陶瓷陶瓷 用于人工关用于人工关节节 活性生物陶瓷活性生物陶瓷 生理生理环环境下与境下与组织组织界面形成化学界面形成化学键结键结合合 系骨性系骨性结结合合 如如羟羟基磷灰石等陶瓷及生物活性玻璃基磷灰石等陶瓷及生物活性玻璃 生物活性微晶玻璃生物活性微晶玻璃 用于需骨用于需骨长长入的假体表面涂入的假体表面涂层层 人工植骨材料等人工植骨材料等 可吸收生物陶瓷可吸收生物陶瓷 在生物体内逐在生物体内逐渐渐降解降解 被骨被骨组织组织吸收吸收 如磷酸三如磷酸三钙钙等等 多用于填充植骨材料多用于填充植骨材料分分类类及骨科及骨科应应用用27.高高纯纯氧化氧化铝铝生物陶瓷制生物陶瓷制备备关关节头节头 无无钒钛钒钛合金制合金制备备关关节节柄柄 在柄部涂覆生物活性陶瓷涂在柄部涂覆生物活性陶瓷涂层层 有效解决人工关有效解决人工关节节易磨易磨损损 生物相容性不佳生物相容性不佳 松松动动下沉等下沉等问题问题 提高使用寿命提高使用寿命28.可降解陶瓷可降解陶瓷药药物物载载体体植入骨病灶区可持植入骨病灶区可持续缓续缓慢慢释释放放药药物物有效治有效治疗疗骨骨结结核核 骨骨肿肿瘤等瘤等 且兼有且兼有补补骨作用骨作用29.生物医用高分子材料生物医用高分子材料 分子量在几万至几百万分子量在几万至几百万 如蛋白如蛋白质质 棉棉 毛毛 木材木材 松香松香 橡胶橡胶 塑料塑料 合成合成纤维纤维 按来源分按来源分天然天然和和人工合成人工合成两种两种（二）有机材料（二）有机材料30.天然高分子生物材料天然高分子生物材料 胶原蛋白胶原蛋白组织组织相容性好相容性好 植入人体后无刺激性植入人体后无刺激性 无毒性反无毒性反应应 促促进细进细胞增殖胞增殖加快加快创创口愈合并具可降解性口愈合并具可降解性 可被人体吸收可被人体吸收降解降解产产物无毒副作用物无毒副作用胶原凝胶胶原凝胶 创伤创伤敷料敷料粉末粉末 止血止血剂剂和和药药物物释释放系放系统统纺丝纤维纺丝纤维 人工血管人工血管 人工皮人工皮 人工肌腱人工肌腱 外科外科缝线缝线海海绵绵 创伤创伤敷料和止血敷料和止血剂剂等等31.天然高分子生物材料天然高分子生物材料 纤维纤维蛋白蛋白 主要来源于血主要来源于血浆浆蛋白蛋白 具血液和具血液和组织组织相容性相容性无毒副作用和其他不良影响无毒副作用和其他不良影响 临临床已床已应应用很久用很久 纤维纤维蛋白粉末蛋白粉末 止血止血剂剂 可与抗菌素共用可与抗菌素共用充填慢性骨炎和骨髓炎手充填慢性骨炎和骨髓炎手术术后骨缺后骨缺损损 纤维纤维蛋白海蛋白海绵绵 止血的填充物止血的填充物 组织组织代用品代用品 商品名商品名Bioplast 关关节节成型成型术术32.合成高分子生物材料合成高分子生物材料 硅橡胶硅橡胶 平均分子量平均分子量40万万 有机硅有机硅弹弹性体的主要成分性体的主要成分 含有硅原子的特种合成橡胶的含有硅原子的特种合成橡胶的总总称称 无毒无味无毒无味 生物相容性好生物相容性好 耐生物老化耐生物老化 抗凝血性抗凝血性较较好好 长长期植入体内物理性能下降甚微期植入体内物理性能下降甚微 耐高温耐高温严严寒寒(-90-250)良好的良好的电绝缘电绝缘性性 耐氧老化耐氧老化 耐光老化耐光老化 防霉防霉 化学化学稳稳定性定性 主要用于人工髓核主要用于人工髓核 DIAM33.合成高分子生物材料合成高分子生物材料 聚四氟乙聚四氟乙烯烯（PTFE）又名又名泰氟隆泰氟隆（Teflon）最好的耐高温塑料最好的耐高温塑料 热热塑性塑料塑性塑料 结结晶熔点晶熔点327 几乎完全是化学惰性的几乎完全是化学惰性的 具自具自润润滑性或非粘性滑性或非粘性 不易被不易被组织组织液浸液浸润润 可做成膜状材料可做成膜状材料 用于脊柱减用于脊柱减压压手手术术 肌腱吻合手肌腱吻合手术术等防粘等防粘连连34.合成高分子生物材料合成高分子生物材料 聚甲基丙聚甲基丙烯烯酸甲酸甲酯酯（PMMA）具良好生物相容性具良好生物相容性 耐老化性耐老化性 机械机械强强度度较较高高 用于骨水泥用于骨水泥 35.可吸收内固定材料可吸收内固定材料 抗弯抗弯强强度度120MPa 120MPa 植入体内无需取出植入体内无需取出 对组织对组织无刺激无刺激 能被人体完全吸收能被人体完全吸收最最终终代代谢为谢为二氧化碳、水等二氧化碳、水等 适用于人体松适用于人体松质质骨骨折骨骨折截骨截骨术术和关和关节节融合融合术术的骨的骨块块（段）固定（段）固定合成高分子生物材料合成高分子生物材料 聚乳酸聚乳酸36.组组 织织 工工 程程 近年来新近年来新兴兴的多学科交叉生命科学的多学科交叉生命科学 目的是修复和再生受目的是修复和再生受损组织损组织或器官或器官 帮助恢复受帮助恢复受损组织损组织的功能的功能 提高生活提高生活质质量量 解决器官短缺和免疫抑制等解决器官短缺和免疫抑制等问题问题37.组组 织织 工工 程程 定定义义 利用工程学和生命科学基本原理利用工程学和生命科学基本原理 开开发发能恢复能恢复 维维持或持或 改善受改善受损组织损组织或器官功能的生物替代物或器官功能的生物替代物 综综合了合了细细胞生胞生 物学物学 工程学工程学 材料学和材料学和临临床医学床医学领领域域 用活用活细细胞和胞和细细胞胞 外基外基质质或骨架构造一个新的功能化或骨架构造一个新的功能化组织组织或器官或器官 研究研究领领域域 新型聚合物的合成新型聚合物的合成 信号信号传导传导 培养培养细细胞的基因胞的基因调节调节和移和移 植有关的免疫植有关的免疫问题问题等等研制研制产产品品 包括包括软软骨骨组织组织、腱、腱组织组织、骨、骨组织组织等等38.生物材料的生物材料的发发展展趋势趋势 复合型复合型 两种以上材料混合或两种以上材料混合或结结合合 克服克服单单一材料缺点一材料缺点 杂杂化型化型 合成材料与生物体高分子材料或合成材料与生物体高分子材料或细细胞的胞的杂杂化化 功能型功能型 在生理在生理环环境下表境下表现为现为特殊功能的材料特殊功能的材料 形状形状记忆记忆材料材料 组织组织引引导导再生材料再生材料 智能型智能型 能模仿生命系能模仿生命系统统 并具感知和并具感知和驱动驱动双重功能双重功能 感知感知 反反馈馈和响和响应应是是该该材料的三大要素材料的三大要素 高新技高新技术术 传传感器和感器和执执行元件与行元件与传统传统材料材料结结合合 赋赋予材料新性能予材料新性能 使其具更多生物特性使其具更多生物特性39.生物材料的生物材料的发发展展趋势趋势当前国内外生物材料开当前国内外生物材料开发发研究的主要研究的主要趋势趋势是是 致力于提高材料的生物相容性致力于提高材料的生物相容性 致力于开致力于开发发生物相容性好生物相容性好 更能适更能适应应人体生理需要的新材料人体生理需要的新材料 40.纳纳米医学材料米医学材料 1 1纳纳纳纳米（米（米（米（Nanometre Nanometre，nm nm）=1=1毫微米毫微米毫微米毫微米 即即即即1010-9-9米米米米 相当于相当于相当于相当于4 4个原子的直径或个原子的直径或个原子的直径或个原子的直径或细细细细胞内胞内胞内胞内DNADNA双螺旋双螺旋双螺旋双螺旋结结结结构的半径构的半径构的半径构的半径纳纳纳纳米科学技米科学技米科学技米科学技术术术术（NanoSTNanoST）在在在在纳纳纳纳米米米米级级级级微微微微观环观环观环观环境下工作境下工作境下工作境下工作 操操操操纵纵纵纵原子、分子或原子原子、分子或原子原子、分子或原子原子、分子或原子团团团团和分和分和分和分 子子子子团团团团使其形成所需要物使其形成所需要物使其形成所需要物使其形成所需要物质质质质 以以以以0.10.1到到到到100nm100nm的空的空的空的空间间间间尺度范尺度范尺度范尺度范围围围围 作作作作为为为为研究与研究与研究与研究与应应应应用的用的用的用的对对对对象象象象 研究其内在研究其内在研究其内在研究其内在规规规规律与特点律与特点律与特点律与特点 运用运用运用运用这这这这 些特性制造具有特定功能的物品与些特性制造具有特定功能的物品与些特性制造具有特定功能的物品与些特性制造具有特定功能的物品与设备设备设备设备的一的一的一的一项项项项高新科学技高新科学技高新科学技高新科学技术术术术 纳纳纳纳米尺度的生物大分子能米尺度的生物大分子能米尺度的生物大分子能米尺度的生物大分子能导电导电导电导电 纳纳纳纳米微粒的抗菌作用等特性米微粒的抗菌作用等特性米微粒的抗菌作用等特性米微粒的抗菌作用等特性 只有在只有在只有在只有在纳纳纳纳米米米米级时级时级时级时才可才可才可才可显现显现显现显现出来出来出来出来41.纳纳米技米技术术是是20世世纪纪90年代年代发发展起来的展起来的 纳纳米材料的独特特性：米材料的独特特性：小尺寸效小尺寸效应应 界面效界面效应应 纳纳米米结结构构单单元元间间交互作用交互作用纳纳纳纳米陶瓷材料米陶瓷材料米陶瓷材料米陶瓷材料 人工骨关人工骨关人工骨关人工骨关节节节节等等等等 强强强强度度度度 韧韧韧韧性性性性 硬度以及超塑性都硬度以及超塑性都硬度以及超塑性都硬度以及超塑性都显显显显著提高著提高著提高著提高新型新型新型新型纳纳纳纳米抗炎敷料米抗炎敷料米抗炎敷料米抗炎敷料 表面表面表面表面结结结结构构构构发发发发生根本性生根本性生根本性生根本性变变变变化化化化 面面面面积显积显积显积显著增大著增大著增大著增大 杀杀杀杀菌效果增加百倍菌效果增加百倍菌效果增加百倍菌效果增加百倍利用利用利用利用纳纳纳纳米技米技米技米技术术术术的的的的DNADNA复制与自我生复制与自我生复制与自我生复制与自我生长长长长、自我制造机理、自我制造机理、自我制造机理、自我制造机理 研制出有生物相容性的人体器官和骨骼修复研制出有生物相容性的人体器官和骨骼修复研制出有生物相容性的人体器官和骨骼修复研制出有生物相容性的人体器官和骨骼修复剂剂剂剂与自生与自生与自生与自生长长长长 材料材料材料材料 人血代用品等人血代用品等人血代用品等人血代用品等 利用利用利用利用纳纳纳纳米薄米薄米薄米薄层层层层能分解有机物、抑制能分解有机物、抑制能分解有机物、抑制能分解有机物、抑制细细细细菌滋生的自我清菌滋生的自我清菌滋生的自我清菌滋生的自我清洁洁洁洁 特性可制成各种无菌器械用于特性可制成各种无菌器械用于特性可制成各种无菌器械用于特性可制成各种无菌器械用于临临临临床床床床42.谢谢43.