第9章--生物医学功能材料.pptx

亚洲四大邪术亚洲四大邪术：中国中国PSPS术，泰国变性术、日本化妆术，韩国术，泰国变性术、日本化妆术，韩国整容术整容术整容术整容术整容术整容术生物医学材料是用于与生命系统生物医学材料是用于与生命系统接触接触和发生相互作用的，并能对其细胞、组织和器官和发生相互作用的，并能对其细胞、组织和器官进行进行诊断治疗、替换修复或诱导再生诊断治疗、替换修复或诱导再生的一类的一类天然或人工合成天然或人工合成的特殊功能材料，又称生物材的特殊功能材料，又称生物材料。料。9.1 9.1 生物医学材料的特征与评价生物医学材料的特征与评价9.2 9.2 人工器官与生物医学材料人工器官与生物医学材料9.3 9.3 药物载体药物载体9.4 9.4 组织工程材料组织工程材料？公元前公元前50005000年，黄金修复失牙；年，黄金修复失牙；公元前公元前35003500年，古埃及，棉花纤维、马鬃等缝合伤口；年，古埃及，棉花纤维、马鬃等缝合伤口；公元前公元前25002500年，中国、埃及，假手、假鼻、假耳等人工假体；年，中国、埃及，假手、假鼻、假耳等人工假体；隋末唐初，银膏补牙隋末唐初，银膏补牙-成分是银、锡、汞，与现代牙齿填充材料汞齐合金类似。成分是银、锡、汞，与现代牙齿填充材料汞齐合金类似。18511851年发明年发明天然橡胶的硫化方法后，开始利用天然高分子硬橡木制作人工牙托天然橡胶的硫化方法后，开始利用天然高分子硬橡木制作人工牙托和颚骨进行临床治疗；和颚骨进行临床治疗；18921892年，用硫酸钙填充骨缺损，这是陶瓷材料植入人体的最早实例。年，用硫酸钙填充骨缺损，这是陶瓷材料植入人体的最早实例。7070年代后，医用复合材料研究开发。年代后，医用复合材料研究开发。9090年代以后，借助于生物技术和基因工程的发展，由无生物存活性材料扩展到年代以后，借助于生物技术和基因工程的发展，由无生物存活性材料扩展到具有生物学功能的材料领域，其基本特征是具有促进细胞分化、增殖、诱导组织再生、具有生物学功能的材料领域，其基本特征是具有促进细胞分化、增殖、诱导组织再生、参与生命活动等功能。参与生命活动等功能。公元前公元前50005000年，黄金修复失牙；年，黄金修复失牙；公元前公元前35003500年，古埃及，棉花纤维、马鬃等缝合伤口；年，古埃及，棉花纤维、马鬃等缝合伤口；公元前公元前25002500年，中国、埃及，假手、假鼻、假耳等人工假体；年，中国、埃及，假手、假鼻、假耳等人工假体；隋末唐初，银膏补牙隋末唐初，银膏补牙-成分是银、锡、汞，与现代牙齿填充材料汞齐合金类似。成分是银、锡、汞，与现代牙齿填充材料汞齐合金类似。18511851年发明天然橡胶的硫化方法后，开始利用天然高分子硬橡木制作人工牙托年发明天然橡胶的硫化方法后，开始利用天然高分子硬橡木制作人工牙托和颚骨进行临床治疗；和颚骨进行临床治疗；18921892年，用年，用硫酸钙硫酸钙填充骨缺损，这是陶瓷材料植入人体的最早实例。填充骨缺损，这是陶瓷材料植入人体的最早实例。7070年代后，年代后，医用复合材料医用复合材料研究开发。研究开发。9090年代以后，借助于生物技术和年代以后，借助于生物技术和基因工程基因工程的发展，由无生物存活性材料扩展到的发展，由无生物存活性材料扩展到具有生物学功能的材料领域，其基本特征是具有促进细胞分化、增殖、诱导组织再生、具有生物学功能的材料领域，其基本特征是具有促进细胞分化、增殖、诱导组织再生、参与生命活动等功能。参与生命活动等功能。9.1 9.1 生物医学材料的特征与评价生物医学材料的特征与评价l生物材料的研究内容、分类和基本性能要求生物材料的研究内容、分类和基本性能要求l生物材料的生物相容性及生物学评价生物材料的生物相容性及生物学评价l生物材料的研究现状、研究方向和发展趋势生物材料的研究现状、研究方向和发展趋势研究内容研究内容（1）生物体的生理环境、组织结构、器官生理功能及其替代方法的研究。（2）具有特种生理功能的生物医学材料的合成、改性、加工成形以及材料的特种生理功能与其结构关系的研究。（3）材料与生物体的细胞、组织、体液、免疫、内分泌等生理系的相互作用以及减少材料毒副作用的对策和方法研究。（4）生物医学材料的卫生处理和管理，及其医用安全性评价方法与标准的研究。生物医生物医药材料学是多材料学是多门学科的共同学科的共同协作、互相借作、互相借鉴、突破旧有学科的狭小范、突破旧有学科的狭小范围而开而开创的一的一门新学科。新学科。9.1 9.1 生物医学材料的特征与评价生物医学材料的特征与评价临床医学临床医学（Clinical Medicine）主要是根据基础医学的基础，对病患的问题(有关身体或心理的疑问、不适或疾病)加以诊断、治疗的学科。医院内部医院内部分工来说，则分为临床、医技、行政、工勤等部门9.1 9.1 生物医学材料的特征与评价生物医学材料的特征与评价见课本的内容！钛与钛合金钛与钛合金羟基磷灰石生物活羟基磷灰石生物活性陶瓷人工骨性陶瓷人工骨人造人造髋骨髋骨生物陶瓷听小骨生物陶瓷听小骨合金制股骨帽合金制股骨帽玻璃钢人工颅盖骨玻璃钢人工颅盖骨生物医学材料的基本性能要求生物医学材料的基本性能要求（1）生生物物相相容容性性 对于人体无毒，无刺激，无致畸、致敏、致癌，不排斥，无炎症，无溶血、凝血反应等。（2）化化学学稳稳定定性性 耐体液侵蚀，不产生有害降解产物；不产生吸水膨润、软化变质；自身不变化等。（3）力力学学条条件件 足够的静态强度，如抗压、抗弯等；具有适当的弹性模量和硬度；耐疲劳、耐摩擦、耐磨损、有润滑性能。（4）其他要求）其他要求 良好的孔隙度，易加工成形，热稳定性好。9.1 9.1 生物医学材料的特征与评价生物医学材料的特征与评价生物医学材料的生物相容性生物医学材料的生物相容性生物相容性根据材料接触部位分为三类：（1）血液相容性：）血液相容性：材料用于心血管系统与血液直接接触，主要考察材料与血液的相互作用；（2）组织组织相容性：相容性：材料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；（3）力学相容性：）力学相容性：对于植入体内承受负荷，以及要求其弹性形变和植入部位的组织的弹性形变相协调的生物材料的力学性能。材料与机体组织发生两种反应：材料反应和宿主反应。宿主反宿主反应应：生物机体对植入材料的反应（局部组织反应，全身毒性反应，过敏反应，致癌、致畸、致突变反应、适应性反应）。材料反材料反应应：材料对生物机体作用产生的反应（生理腐蚀、吸收、降解及失效）。9.1 9.1 生物医学材料的特征与评价生物医学材料的特征与评价Ti-O薄膜表面血小薄膜表面血小板的形态板的形态(好好)Ti-O薄膜表面血薄膜表面血小板的形态小板的形态(差差)9.1 9.1 生物医学材料的特征与评价生物医学材料的特征与评价生物相容性评价：生物相容性评价：体外体外试验试验：溶出物测定、溶血试验、细胞毒性试验等。动动物物体内体内试验试验：急性全身毒性试验、刺激试验、致突变实验、肌肉埋植试验、致敏试验、长期体内试验等。生物材料研究现状：生物材料研究现状：多处于经验和半经验阶段，为满足应用要求。目前进入“生物医学材料分子设计学”的建立积累数据和资料的阶段，个别性能的分子设计已被应用。较活跃的生物医学材料主要有高抗凝血材料、生物活性陶瓷及玻璃、钛及钛合金、镍钛记忆合金、生物活性缓释材料及靶向药物在体材料、生物粘合剂、可生物降解与可吸收性生物材料、纳米生物材料、智能与杂化材料和血液净化材料。9.1 9.1 生物医学材料的特征与评价生物医学材料的特征与评价生物材料研究方向生物材料研究方向p生物相容性的分子设计学研究；p血液相容性材料研究；p生物膜材料研究；p缓释材料研究；p天然生物材料中再生胶原及弹性纤维蛋白的稳定化和增强处理方法、甲壳素和透明质酸代替物的应用研究；p生物陶瓷生物陶瓷和生物玻璃材料的研究；p医用钛及钛合金、镍钛合金材料表面与体液相互作用机理和生化反应及金属表面生物惰性化处理方法的研究；p生物材料表面修饰学的研究；p生物相容性的表征及评价方法研究；生物活性材料、仿生材料、智能材料、生物/合成杂化材料的研究。9.1 9.1 生物医学材料的特征与评价生物医学材料的特征与评价l单晶氧化铝c 轴方向具有相当高的抗弯强度，耐磨性能好，耐热性好，可以直接与骨固定。l已被用作人工骨、牙根、关节、螺栓。并且该螺栓不生锈，也不会溶解出有害离子，与金属螺栓不同，勿需取出体外。l60年代后期，广泛用作硬组织修复。l70年代至80年代中期，世界许多国家如美国、日本、瑞士等国家，都对氧化物陶瓷，特别是氧化铝生物陶瓷进行了广泛的研究和应用。l由于氧化铝陶瓷植入人体后表面生成极薄的纤维膜，界面无化学反应，多用于全臀复位修复术及股骨和髋骨部连接。l通过火焰熔融法制造的单晶氧化铝，强度很高，耐磨性好，可精细加工，制成人工牙根、骨折固定器等。多晶氧化铝，即刚玉，强度大，用于制作人工髋关节，人工骨，人工牙根和关节。l单晶氧化铝陶瓷的机械性能更优于多晶氧化铝，适用于负重大、耐磨要求高的部位，但其不足之处在于加工困难。中国陶瓷在实验室研究水准上完全可达到ISO 标准，但用于临床仍有一定差距，材料未达到ISO 标准。氧化铝生物陶瓷生物材料发展趋势生物材料发展趋势 筛选现有或新出现的材料；研究材料的相容性、机械性和老化性；表面修饰的研究；材料的分子设计。9.29.2人工器官与生物医学材料人工器官与生物医学材料l人工器官概述人工器官概述l人工器官的种类及基本原理人工器官的种类及基本原理l人工器官的现状及发展人工器官的现状及发展9.29.2人工器官与生物医学材料人工器官与生物医学材料 人工器官人工器官是用人工材料制是用人工材料制成能部分或全部替代病成能部分或全部替代病损损的自的自然器官，以然器官，以补偿补偿、替代或修复、替代或修复自然器官的功能的器件或装置。自然器官的功能的器件或装置。除人除人脑脑外，几乎人体各个器外，几乎人体各个器官都在官都在进进行人工仿真研制。行人工仿真研制。9.29.2人工器官与生物医学材料人工器官与生物医学材料人工心脏人工心脏是推动血液循环完全替代或部分替代人体心脏功能的机械心脏。人工心脏关键是血泵。血泵：包括膜式血泵、囊型血泵、管型血泵、摆形血泵及螺形血泵五种，材料有硅橡胶、甲基硅橡胶、嵌段硅橡胶、聚氨酯、聚醚氨酯、聚四氟乙烯织物、聚酯织物复合物、聚烯烃橡胶、生物高分子材料以及高分子复合材料，其中聚氨酯性能最好。9.29.2人工器官与生物医学材料人工器官与生物医学材料人工心脏瓣膜人工心脏瓣膜 指能使心脏血液单向流动而不返流，具有人体心脏瓣膜功能的人工器官。人工心脏瓣膜主要有两类：生物瓣和机械瓣。机械瓣机械瓣：最早使用的是笼架球瓣，是在一金笼架内有一球形阻塞体（阀体），制瓣材料一般包括：坚硬材料(支架)、弹性材料(阻塞体)织品类材料(瓣环)。生物瓣生物瓣：全部或部分使用生物组织，按取材来源不同，分为自体、同种异体、异体三类；生物瓣的支架通常采用金属合金或塑料支架，外导包绕涤纶编织物，生物材料主要用作瓣叶。9.29.2人工器官与生物医学材料人工器官与生物医学材料人工肺人工肺 又名氧合器或气体交换器，指用于血气交换，调节血内CO2和O2含量，取代人体肺的装置。应用于心脏手术的体外循环，和血泵配合称为人工心肺机。人工肺主要有静立垂屏式人工肺和膜式人工肺，其中膜肺膜肺最接近人体肺生理功能。第一个膜肺用的是聚氯乙烯。人工肺用的薄膜主要有：无孔薄膜包括硅橡胶和聚烷基砜；微孔薄膜包括聚四氟乙烯、聚丙烯、聚砜；复合膜是微孔薄膜涂超薄膜。9.29.2人工器官与生物医学材料人工器官与生物医学材料人工膀胱人工膀胱替代膀胱功能的人工装置。人工膀胱的类型有生物材料的、非生物材料的及 全置换体内植入型3种。(1)生物材料的人工膀胱：自体组织移作、异体组织移作人工膀胱；(2)非生物材料的人工膀胱：体外留置型人工膀胱的移行上皮细胞再生型人工膀胱(3)全置换体内植入型人工膀胱：由人工输尿管、单向止逆瓣、集尿器、人工括约肌装置和人工尿道五个部 分组成。全置全置换换人工膀胱使用的材料人工膀胱使用的材料有硅橡胶、聚四氟乙烯、涤纶、聚丙烯、聚氨酯、天然橡胶；再生型人工膀胱支架利用的不能降解材料有聚乙烯海绵、白明胶海绵等，能降解的有聚-氨基酸、戊二醛处理牛心包等。9.29.2人工器官与生物医学材料人工器官与生物医学材料人工皮肤人工皮肤 作为皮肤创伤修复材料和损伤皮肤的替代品，可以使皮肤大面积和深度烧伤的患者在自体皮不够的情况下 进行修复治疗并使之恢复因皮肤创伤丧失的生理功能。9.29.2人工器官与生物医学材料人工器官与生物医学材料如果如果说透析器是透析型人工透析器是透析型人工肾的关的关键，那么透析膜可以，那么透析膜可以说是关是关键中的关中的关键人工肾人工肾 将人体血液引出体外，利用透析膜两侧溶质浓度的差别，血液中高浓度溶质经过膜向透析液一侧传递，排除体内过剩的含氮化合物、代谢产物或愈量药物等溶质，并调节电解质水平衡，然后再将净化的血液引回体内的这种装置称为人工肾。9.29.2人工器官与生物医学材料人工器官与生物医学材料9.29.2人工器官与生物医学材料人工器官与生物医学材料人工骨人工骨用人工材料制造的人骨的替代品或者骨折固定的材料。人工材料有：无机材料无机材料（烃基磷灰石结晶，还含有CO32-、Mg2+、Na2+、Cl-、F-）、有机材料有机材料（纤维性蛋白骨胶原）活性人工骨：通过合成纳米烃基磷灰石和计算机模拟对人工骨铸型，与生长因子合成而获得。9.29.2人工器官与生物医学材料人工器官与生物医学材料人工器官的主要研究方向：人工器官的主要研究方向：生物相容性表面技术：主要是梯度修饰，通过组装、修饰材料的表面，提高人工组织与人工器官表面与整体的生物相容性。精密加工技术：是人工器官在体内长期安全有效发挥功能的重要保证。如体内植入支架、接入导管球囊与管体的连接，眼内人工晶体的成型等。组织工程中的转基因技术：降低宿主免疫排斥反应.组织工程网络构架的生物活性组装与表面修饰：调控细胞生长速度与构造，组装与修饰分子层的厚度和生长因子表面与微环境的浓度，通过界面技术和生物降解等缓释技术加以调控。组织工程网络构架在低重力效应下细胞和组织三维培养技术和装置的研究。9.3 9.3 药物载体药物载体l药用功能材料的分类和基本性能要求药用功能材料的分类和基本性能要求l药物控制释放和载体材料药物控制释放和载体材料l药物释放体系药物释放体系传统药物的物的药物物载体大多是无机物体大多是无机物质，而目前，而目前实用的用的药物物载体材料大多是高分子材料。体材料大多是高分子材料。9.3 9.3 药物载体药物载体药物药物载体载体是指能改变药物进入人体的方式和在体内的分布、控制药物的释放速度并将药物输送到靶向器官的体系。药用功能材料：即医药用仿生材料，又称为生物医药材料，用于与生物系统接触并发生相互作用，能够对细胞、组织和器官进行诊断治疗、替换修复或诱导再生的天然或人工合成的特殊功能材料。生物惰性材料生物惰性材料生物降解材料生物降解材料天然材料天然材料合成材料合成材料9.3 9.3 药物载体药物载体生物降生物降级高分子高分子（天然）（天然）生物降生物降级高分子高分子（合成）（合成）非生物降非生物降级高分子高分子（合成）（合成）明胶藻酸盐聚乙烯醇聚甲基丙烯酸酯淀粉聚酸酐聚醋酸乙烯酯聚氨基甲酸酯白蛋白聚酰胺聚苯乙烯聚酰胺胶原聚腈基丙烯酸烷基酯聚硅氧烷橡胶聚酯甲壳素或壳聚糖壳聚糖脂肪族聚酯聚丙烯酸酯聚四氟乙烯常用的药物载体高分子材料常用的药物载体高分子材料化学名：-(14)-2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖分子式：(C6H11NO4)N单元体的分子量为：161.2法国MedSpa，法国Channel，美国雅诗兰黛9.3 9.3 药物载体药物载体药物控制释放药物控制释放是将天然的或合成的高分子化合物作为药物的载体或介质，制成一定的剂型，控制药物在人体内的释放度，使药物按设计的剂量在要求的时间范围内以一定的速度在体内缓慢释放，以达到治疗某种疾病的目的。高分子药物控制释放体系的特点：药物释放到环境中的浓度比较稳定；能十分有效地利用药物；能够让药物的释放部位尽可能接近病源，提高了药效，避免发生全身性的副作用；可以减少用药次数。药物控制释放主要应用于医药工业，按给药范围及方式不同，分为口服控释药、透皮吸收、注射药、靶位给药。9.3 9.3 药物载体药物载体9.3 9.3 药物载体药物载体9.3 9.3 药物载体药物载体微胶囊化的具体制备方法微胶囊化的具体制备方法(1)化学方法：包括界面聚合法、原位聚合法、聚合物快速不溶解法、气相表面聚合法等。(2)物理化学方法：包括水溶液相分离法、有机溶剂中相分离法、溶液中干燥法、溶液蒸发法、粉末床法等。(3)物理方法：空气悬浮涂层法、喷雾干燥法、真空喷涂法、静电气溶胶法、多孔离心法等。微胶囊粒子的大小一般都在5200m，不过在某些实例中这个范围可扩大到0.251000m。当胶囊粒子小于5m时，因布朗运动加剧很难收集到。而当粒度超过300m时，其表面静电摩擦因数会突然减小，失去了微胶囊的作用水溶 和油溶型材分开9.3 9.3 药物载体药物载体给药途径给药途径 通过胃肠消化道给药；体腔内给药(包括眼内、口、舌下、鼻腔等)；透皮给药；动脉注射及静脉点滴；皮下及肌肉注射；皮下埋置。给药途径将直接影响到药物的释放行为。高分子微胶囊的高分子微胶囊的药药物物释释放放机制机制涉及聚合物的降解性、通过孔的扩散及从微胶囊的表面释放等三个方面，分为程序式药物脉冲释放体系（PPRS）和智能式药物脉冲释放系统（IRRS），其中PPRS是指药物的脉冲释放方式完全由制剂的结构预先设定，而IRRS则需要外界信号刺激剂及制剂响应的共同作用。PPRS设计的关键在于能控制药物释放的滞后时间及药物释放的持续时间。9.3 9.3 药物载体药物载体 利用有识别能力的基因导向（主动靶向）如：明胶干扰素复合物抗肿瘤效果单独使用干扰素药药物物同配体的同配体的络络合及合及络络合物与目合物与目标组织标组织的的结结合合靶向药物导向机制靶向药物导向机制9.3 9.3 药物载体药物载体药药物物（制（制剂剂）颗颗粒粒经经与其在体内与其在体内导导向的关系向的关系 利用药物颗粒大小导向（被动靶向）注射给药是靶向药物制剂的较好的给药途径靶向药物导向机制靶向药物导向机制9.3 9.3 药物载体药物载体 利用药物颗粒大小导向（被动靶向）利用磁性导向如：将磁性铁粉包裹到药物制剂中优点：方法简单，控制导向容易缺点：如何防止磁性物质在体内积累及不良反应，制备难度较大。靶向药物导向机制靶向药物导向机制9.3 9.3 药物载体药物载体制制剂形式形式药物物载体体药物种物种类大分子脱氧核糖甘酸阿霉素5-Fu抗体免疫球蛋白单克隆抗体阿霉素柔红霉素微球微囊脂质体类脂质蛋白生物降解性高分子阿霉素5-Fu卡氮芥磁性微球阿霉素丝裂霉素靶向靶向药药物制物制剂举剂举例例靶向药物制剂载体材料靶向药物制剂载体材料必须无毒，具有一定的药物透过性和生物可降解性，有一定的分子量，良好的血液相容性和在血液循环中保持一定的寿命9.3 9.3 药物载体药物载体-巅峰之作巅峰之作智能化药物释放体系？智能化药物释放体系？9.4 9.4 组织工程材料组织工程材料l组织工程原理组织工程原理l组织工程材料的研究现状与前景组织工程材料的研究现状与前景9.4 9.4 组织工程材料组织工程材料节选自侠客行9.4 9.4 组织工程材料组织工程材料组织工程学的基本原理和方法组织工程学的基本原理和方法是将体外培养的高浓度细胞组织，吸附扩增于一种生物相容性良好并可被人体逐步降解吸收的生物材料上，形成细胞-生物材料复合物。如何如何构建含活细胞的工程组织？构建含活细胞的工程组织？首先分离自体或异体组织的细胞，经体外扩散后达到一定的细胞数量，然后将这些细胞种植在预先构建好的聚合物骨架上，这种骨架提供了细胞三维生长的支架，在适宜条件下，细胞沿聚合物骨架迁移、铺展、生长和分化，最终发育形成具特定形态功能的工程组织。构建骨架的材料构建骨架的材料有天然材料和合成材料。组织工程的关键技术组织工程的关键技术主要包括生物材料技术和培养系统技术。生物可降解材料在生物可降解材料在组织工程研究中起着非常重要的作用，它是工程研究中起着非常重要的作用，它是组织工程工程实验的的产业化的关化的关键。9.4 9.4 组织工程材料组织工程材料组织工程材料国内外研究现状组织工程材料国内外研究现状 组织工程材料综合了工程科学与生命科学原理，构筑取代物以修复组织缺损，恢复其部分功能。从材料学观点，可将组织视同细胞复合材料，它由细胞及其合成与分泌的细胞外基质组成（ECMs）；ECMs由蛋白质和糖胺聚糖交联网络组成。目前主要关注的研究状况目前主要关注的研究状况(1)基因控制和活化；(2)生物材料的细胞活化；(3)生物材料仿生化；(4)表面组构化；(5)组织构造目前与组织工程相关的生物材料目前与组织工程相关的生物材料有有(1)生物降解高分子材料；(2)生物活性玻璃和生物陶瓷；(3)生物复合材料9.4 9.4 组织工程材料组织工程材料组织工程材料发展趋势组织工程材料发展趋势(1)生物材料与细胞的相互作用(2)仿生表面工程及生物材料的仿生化(3)生物活性物质释放载体调控(4)生物材料智能化(5)生物材料中的纳米技术和方法生物材料是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、修复生物材料是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。去的某种功能，而不能恢复缺陷部位。Q&AQ&A