生物學課件現(xiàn)代生物材料

1、生物學課件現(xiàn)代生物材料生 物 材 料.前言.天然生物材料.生物醫(yī)學材料.組織工程材料.仿生和智能材料 生物材料的定義 根據(jù)1972年以來國際會議上所廣泛接受的定義，認為：與活體相聯(lián)系的材料植入活體內(nèi)能起某種生物體功能的材料 模仿生物功能的材料生物材料前 言生物材料學的研究目的 在分析天然生物材料微裝配、生物功能及形成機制的基礎上，發(fā)展新型醫(yī)用材料以用于人體組織器官的修復與替代；發(fā)展仿生高性能工程材料前 言生物材料研究內(nèi)容 天然生物材料 生物醫(yī)學材料 仿生智能與組織工程材料 醫(yī)學工程學生物學材料科學前 言 天然生物材料成分豐富元素 C、H、O、N較豐富元素 Ca、P、Cl、K等微量元素 Fe、C

2、u、Zn、 Mn、Mg等原子、分子間作用力 強相互作用：離子鍵、共價鍵弱相互作用：靜電作用、色散力、氫鍵、 疏水鍵天然生物材料天然生物材料水 核苷酸 氨基酸 糖類 生物礦物裝 配結 構 特 征天然生物材料分 類結構蛋白結構多糖生物軟組織生物復合纖維生物礦物天然生物材料膠原 絲心蛋白角蛋白彈性蛋白肌肉收縮蛋白 成纖維膠原的形成： 多肽鏈 原膠原 微纖維 膠原纖維結構蛋白天然生物材料 多糖因其簡單的化學合成和極其豐富的資源而在商業(yè)上極具價值。纖維素、殼多糖、角叉菜膠、瓊脂等可用于建筑、造紙、食物穩(wěn)定劑、紡織以及染織等。結構多糖天然生物材料 柔韌的生物復合材料可認為是相對剛硬的纖維或粒子填充在柔軟的

3、基質中而形成以海葵的骨架為例加州海岸老年?？心z層的組成為：鹽 5% 膠原 6.7% 基質 2% 水 86%在較大的應力下，膠原纖維取向變化，中膠層在應力方向變硬；載荷消失后，中膠層又能彈性地恢復原形。生物軟組織天然生物材料可承受彎曲和壓縮載荷的多組纖維組成，應力可相互傳遞以蝗蟲腱為例：原纖維是幾丁質，基體是蛋白幾丁質是以很強的氫鍵結合的；蛋白塊體是球狀的，它們形成基體并分布在纖維之間，與其牢牢鍵合，從而增加了基體的剛度生物復合纖維天然生物材料生物礦物 由生命系統(tǒng)參與合成的天然的生物陶瓷和生物高分子復合材料，如骨骼、牙齒、珍珠、貝殼和鹿角等天然生物材料貝殼的結構:角質層棱質層珍珠層橫短面 角質

4、層 最外層，很薄，由殼 質蛋白構成 棱柱層 中層，由棱柱狀方解 石平行排列而成 珍珠層 最內(nèi)層，由小平板狀 結構單元平行累積而 成，其中無機相占95%， 有機基質是一些蛋白質 和多糖天然生物材料生物醫(yī)學材料定義 指用于醫(yī)療的能植入生物體或能與生物組織相接合的天然或人造材料，如金屬、陶瓷、高分子、人工培養(yǎng)的活體細胞、組織等生物醫(yī)學材料性能的基本要求具有高度精確的生物學功能或模仿該功能具有生物相容性 無宿主反應： 即生物材料在生理環(huán)境中 對機體不產(chǎn)生明顯而有害 的效應 無材料反應： 即機體對材料也不產(chǎn)生明 顯而有害的影響生物醫(yī)學材料材料方面：材料類型和形態(tài)、表面和組成， 物理、 化學及力學性質等影

5、響生物相容性的因素生物系統(tǒng)方面：動物種類、植入部位、受 體狀況、存留時間和使用 環(huán)境等生物醫(yī)學材料生物醫(yī)用材料類型生物醫(yī)用金屬材料生物醫(yī)用高分子材料生物陶瓷生物醫(yī)用復合材料生物衍生材料生物醫(yī)學材料生物醫(yī)用金屬材料是一類用作生物醫(yī)用材料的金屬和合金，是一類生物惰性材料，是臨床應用最廣泛的承力植入材料主要用于骨和牙等硬組織修復和替換，心血管和軟組織修復以及人工器官制造中的結構元件已用于臨床的醫(yī)學金屬材料主要有不銹鋼、基合金、鈦基合金和多孔金屬四大類生物醫(yī)學材料骨水泥型金屬關節(jié)，其中：4.金屬柄, 4a.金屬寬臼杯植入口腔的葉片狀帶孔金屬植入體生物醫(yī)學材料 是用作生物醫(yī)學材料的高分子及其復合材料，可

6、來自人工合成，也可來自天然產(chǎn)物 按性質可分為非降解型和可生物降解型生物醫(yī)用高分子材料生物醫(yī)學材料生物醫(yī)用高分子材料的分類膠原、纖維素、聚氨基酸、甲殼素等可生物降解型非降解型包括要求用途聚乙烯、聚丙烯、芳香酸脂、聚硅氧烷等能長期保持穩(wěn)定，不發(fā)生降解，具有良好的機械性能降解產(chǎn)物能被機體正常吸收、利用或排出體外人體軟、硬組織修復體,人工器官粘合劑，管腔等的制造藥物釋放、送達載體、非永久性植入裝置生物醫(yī)學材料高分子聚合物做成的鼻狀骨架可生物降解的聚合物載體生物醫(yī)學材料 是作為生物醫(yī)學材料的陶瓷，通常由在生理環(huán)境中存在的離子（Ca、P、K、Na等）或對人體只有極小毒性的離子（Al、Ti等）所構成生物陶瓷

7、包括:近惰性生物陶瓷：氧化鋁、氧化鋯生物陶瓷等表面活性生物陶瓷：羥基磷石灰生物活性陶瓷、 生物活性玻璃陶瓷等可吸收生物陶瓷：石膏、磷酸三鈣陶瓷等主要用于肌肉-骨骼系統(tǒng)的修復和替換，也可用于心血管系統(tǒng)的修復和制作藥物釋放與傳遞載體生物醫(yī)學材料用生物陶瓷制成的插入式軟骨生物醫(yī)學材料由兩種或兩種以上不同材料復合而成的生物 醫(yī)學材料。如醫(yī)用高分子材料、醫(yī)用金屬和合金以及生物陶瓷既可作為生物醫(yī)用復合材料的基材，又可作為其增強體或填料主要用于修復或替換人體組織、器官或增進其功能以及人工器官的制造生物醫(yī)用復合材料生物醫(yī)學材料由經(jīng)過特殊處理的天然生物組織形成的生物醫(yī)學材料，這是一種無生命活力的材料特殊處理包括

8、：A、維持組織原有構型的輕 微處理 B、拆散原有構型，重建新 的物理形態(tài)的強烈處理生物衍生材料主要用做人工心瓣膜、血管修復體、皮膚掩膜、纖維蛋白制品、骨修復體、鞏膜修復體、鼻種植體、血液唧筒、血漿增強劑和血液透析膜等生物醫(yī)學材料人工心瓣膜生物醫(yī)學材料材料在生物體內(nèi)的反應 （材料反應）膨脹浸析腐蝕和降解生物分子與材料表面的反應生物醫(yī)學材料膨脹浸析膨脹 物質從組織進入材料，使完全致 密的材料體積增大的過程浸析 液體進入材料內(nèi)部或材料的某些 成分溶解在組織液相中，使材料 產(chǎn)生孔隙的過程生物醫(yī)學材料有害吸收例子 變形的心臟瓣膜閥約束框架球芯環(huán)性閥座縫紉環(huán)閥式心臟瓣膜簡圖因球芯吸收了某些材料而發(fā)生了膨脹

9、，使閥球脫出或塞入框架中。生物醫(yī)學材料藥品濃度劑量123治療效果時間次優(yōu)的優(yōu)的有毒的膨脹浸析的例子 藥物釋放生物醫(yī)學材料腐蝕是生物醫(yī)用金屬材料在機體內(nèi)的重要反應，它實質上是一種電子遷移的電化學反應均勻腐蝕電蝕縫隙腐蝕點蝕晶間腐蝕浸析腐蝕沖蝕應力和疲勞腐蝕腐蝕的類型腐蝕和降解生物醫(yī)學材料植入物的組成成分制造因素運送和植入過程中的操作解剖學位置植入?yún)^(qū)的化學變化磨損條件的改變影響腐蝕的因素降解是聚合物在生物體內(nèi)的重要反應，包括：聚合物吸水后的自然水解組織分泌的以酶和自由基為主的物質對其進行的 生物降解生物醫(yī)學材料A.變性B.有機金屬化合物的形成C.界面發(fā)生分子粘附D.帶電界面的影響生物分子與材料表面

10、的反應生物醫(yī)學材料宿 主 反 應宿主反應的定義 生物醫(yī)學材料植入生物體內(nèi)，會引起活體系統(tǒng) 對材料的反應，包括植入材料附近的局部組織 反應及整個活體全身的反應 宿主反應的類型 局部反應；全身反應 重要的宿主反應 植入材料的致癌作用生物醫(yī)學材料生物醫(yī)學材料的應用合成高分子可吸收性縫線 這種縫線由對人體無害的可被生物降解的高分子聚合材料制成聚合釋放藥物體系 1.生物可侵蝕體系 2.擴散/生物可侵蝕體系 3.生物降解聚合物由共價鍵與藥物活 性因子結合，經(jīng)水解作用而被釋放生物醫(yī)學材料所謂人工器官是用以暫時或永久代替人體某個器官功能的人工裝置。如人工肺、人工腎、人工心臟等以人工血管、心臟起搏器為例 人工器

11、官生物醫(yī)學材料 由各種原因導致血管破裂或被切除一段后，血液循環(huán)通路被破壞；人工血管就是一根特制的管子可連接血管的兩斷端，使血液循環(huán)得以恢復人工血管的發(fā)展象牙管 玻璃管、金屬管 合成纖維管人工血管生物醫(yī)學材料人工血管的放大剖面圖生物醫(yī)學材料各種人工血管纖維編織法編帶編織平織生物醫(yī)學材料下腔靜脈狹窄手術示意腹主動脈狹窄手術示意肝靜脈腎靜脈腹腔靜脈腸系膜上動脈腎動脈腸系膜下動脈 人造人工血管生物醫(yī)學材料左腿股動脈 破裂修補術腸系膜下動脈栓塞手術示意人工血管生物醫(yī)學材料用脈沖電流刺激心肌，使心肌收縮，來治療心動過緩并伴有急性新源性腦缺氧綜合癥等患者，使其心率增快，心排血量增加到正常范圍，這就叫做心臟起

12、搏，所用的儀器即為心臟起搏器心臟起搏器生物醫(yī)學材料 固定頻率型 所發(fā)出的頻率是固定的，不受自主心跳影響，只能用于完全性房室傳導阻滯患者 同步按需型 能根據(jù)患者的不同需要作出反應，避免心室負擔過重心臟起搏器分類心臟有正常傳導時：起搏器不起作用發(fā)生完全性傳導阻滯時： A 起搏脈沖高于自主心率，則起搏器起作用 B 起搏脈沖低于自主心率，則起搏器被抑制生物醫(yī)學材料固定頻率型起搏器作用原理固定頻率起搏器作用原理 完全型房室傳導阻滯圖解 固定頻率起搏器作用圖解竇房結房室連接處心室自主起搏點固定率起搏器心室自主起搏器生物醫(yī)學材料 機身 脈沖發(fā)生器和電池能源，分為體外佩帶和體內(nèi)埋植兩種類型 電極導線 電極通常

13、用鉑金制作，分為單極和雙極導線，安置在心臟內(nèi)；導線做成螺旋式，外包硅橡膠材料心臟起搏器的結構生物醫(yī)學材料三、組織工程材料組織工程學 組織工程學是一門涉及應用工程學和生命科學原理和方法來了解正常和病理的哺乳類組織的結構功能關系，以及研制生物代用品以恢復、維持或改善其功能的一門學科 組織工程材料 組織工程材料就是應用于組織工程的活體或人造材料組織工程基本過程細胞 組織 器官 組織工程材料 研究用于直接移植或制造體外器官的干 細胞培養(yǎng) 體外生成所需的細胞品系、細胞襯里和 器官 研制用于細胞或器官包裹的生物相容性 材料組織工程材料研究內(nèi)容組織工程材料干細胞培養(yǎng)獲得目的器官干細胞：主要源于脊髓能產(chǎn)生各類

14、成熟細胞的細胞，分為專能干細胞和多能干細胞目前已分離出能產(chǎn)生所有其他各種類型細胞的干細胞（主要是胚胎干細胞），這有助于培養(yǎng)和修復各種器官和組織組織工程材料生長在培養(yǎng)液中的人胚胎干細胞(周圍是小鼠“喂養(yǎng)”細胞)組織工程材料把小鼠胚胎干細胞植入小鼠大腦（見左圖的藍色背景）之后，形成了類似于神經(jīng)細胞的細胞（見左圖棕色部分及右圖）干細胞發(fā)育成神經(jīng)細胞組織工程材料干細胞的產(chǎn)生及進行組織修復產(chǎn)生人胚胎干細胞的胚泡組織工程材料人工誘導生成目的器官原理與方法方法1 將特定分子（如生長因子）注入或植入傷口或需再生器官之中，使患者自身的細胞移向受傷處，引起組織的再生 方法2 將特定細胞和可生物降解的聚合物載體植到

15、目的位置而進行組織修復或再生，隨后人工聚合物降解，新器官留在人體內(nèi)組織工程材料方法1舉例生長因子刺激血管向內(nèi)生長細胞植入物引起血管向外生長組織工程材料a 用支架固定缺了一節(jié)的狗腿b 含有骨生長促進蛋白質的聚合物 載體填入空隙之間c 最終完全取代載體d 新生成的骨組織e 有它們自身的血供應(紅和藍管)f 腿骨愈合方法2舉例組織工程材料方法2舉例耳形聚合物正進行肉化處理成為身體替代部件以膠原為載體的人造皮膚的培養(yǎng)組織工程材料用于包裹細胞的膠囊 這種膠囊主要由帶孔的塑料薄膜組成,其中含有可分泌特定藥物或蛋白質的細胞特點可使特定物質能集中到達特定位點可以避免免疫排斥所帶來的問題易損壞，不易取放組織工程

16、材料植入型 這種方法指直接把包裹膠囊植入患者身體內(nèi)的選擇部位，之后，膠囊中的細胞產(chǎn)生分泌物發(fā)生效用，而周圍的組織則為膠囊中的細胞提供營養(yǎng)物質包裹膠囊的分類：體外型 這種方法是抽出患者的血液并使其通過體外含有營養(yǎng)或純化物質的膠囊，從而完成對血液成分的改變組織工程材料含有大田鼠細胞的膠囊埋入人體脊柱中，17周后，膠囊內(nèi)的細胞仍在分泌用于治療的大田鼠蛋白質，并且膠囊沒有損壞組織工程材料含1千5千個細胞含1百萬 10 億個細胞含多于10 億個細胞三種不同容量的膠囊組織工程材料仿生和智能材料 仿生材料 仿制天然生物材料或具有生物功能，甚至是真正有生物活性的材料。仿珍珠層材料人工酶人工生物膜信息轉換膜能量轉換膜運輸膜智能材料定義 指模仿生物系統(tǒng)中同時具有感知和驅動雙重功能的材料，又稱機敏材料感知、反饋和響應是智能材料的三