生物材料的學(xué)習(xí)資料

生物材料的學(xué)習(xí)資料第1頁(yè)/共122頁(yè)生物材料Biomaterials第2頁(yè)/共122頁(yè)3一、生物材料概述1.生物材料的定義ISO定義：指以醫(yī)療為目的，用于與組織接觸以形成功能的無(wú)生命的材料，又稱生物醫(yī)用材料另有定義：具有天然器官組織功能或天然器官部分功能的材料注：生物材料不是藥物，其治療途徑是以生物機(jī)體直接結(jié)合和相互作用為基本特征的。第3頁(yè)/共122頁(yè)4人體器官和骨骼圖第4頁(yè)/共122頁(yè)52.生物醫(yī)學(xué)材料發(fā)展簡(jiǎn)史（1）古代（利用天然物質(zhì)和材料治病）公元前5000年，古埃及人用黃金修復(fù)缺損的牙齒公元前3500年，古埃及人用棉花纖維、馬鬃作縫合線縫合傷口公元前2500年，中國(guó)和埃及的墓葬中發(fā)現(xiàn)有假牙、假鼻和假耳等人工假體隋末唐初，銀膏補(bǔ)牙——成分是銀、錫、汞，與現(xiàn)代牙齒填充材料汞齊合金類似第5頁(yè)/共122頁(yè)6古代印度鼻成形術(shù)古印度的外科醫(yī)生們實(shí)現(xiàn)修復(fù)甚至再造鼻子手術(shù)——《妙聞集》對(duì)所使用的方法作了描述：為再造一個(gè)鼻子，要從患者的前額切下一塊葉形皮膚，在鼻梁上要留下一根“葉柄”然后將這塊皮膚表面朝外，向下翻轉(zhuǎn)，包住兩根充作鼻腔的人工導(dǎo)管還要像在耳垂手術(shù)中所作的那樣在組織上留下劃痕，使得葉形的側(cè)面能夠長(zhǎng)在臉上第6頁(yè)/共122頁(yè)7——在古印度，對(duì)通奸者的懲罰是割掉鼻子，于是這種整容手術(shù)被發(fā)明出來(lái)幫受懲罰的人恢復(fù)原貌。第7頁(yè)/共122頁(yè)8（2）近代最先應(yīng)用于臨床實(shí)踐的金屬材料是金、銀、鉑等貴重金屬（良好的化學(xué)穩(wěn)定性和易加工性）1829年，通過(guò)多種金屬的系統(tǒng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，得出：金屬鉑對(duì)機(jī)體組織刺激性最小1851年，發(fā)明天然橡膠的硫化方法后，開(kāi)始利用天然高分子硬橡木制作人工牙托和顎骨進(jìn)行臨床治療1892年，用硫酸鈣填充骨缺損，這是陶瓷材料植入人體的最早實(shí)例第8頁(yè)/共122頁(yè)9（3）現(xiàn)代1926年，含18%Cr和8%Ni首先應(yīng)用于骨科治療，隨后應(yīng)用于口腔科1934年，研制出高鉻低鎳單相組織的AISI302和304，在體內(nèi)生理環(huán)境下的耐腐蝕性顯著提高1952年，開(kāi)發(fā)出耐蝕性更好的AISI316不銹鋼，并逐漸取代AISI30260年代，為了解決不銹鋼的晶間腐蝕問(wèn)題，又研制出超低碳不銹鋼AISI316L和317L不銹鋼：第9頁(yè)/共122頁(yè)1020世紀(jì)30年代末，被應(yīng)用于制作接骨板、骨釘?shù)葍?nèi)固定器械50年代，成功制成人工髖關(guān)節(jié)60年代，為提高力學(xué)性能，研制出鍛造鈷鉻鎢鎳合金和鍛造鈷鉻鉬合金，并應(yīng)用于臨床70年代，為改善抗疲勞性能，研制出鍛造鈷鉻鉬鎢鐵合金和具有多相組織的MP35N鈷鉻鉬鎳合金鈷鎳合金：第10頁(yè)/共122頁(yè)1140年代，制作外科植入體50年代，用純鈦制作接骨板和骨釘70年代，Ti6Al4V合金、TiSAl2.5Sn合金和鈦鉬鋅錫等合金獲得應(yīng)用鈦：優(yōu)異的耐蝕性、生物相容性、密度低——從而使鈦和鈦合金成為繼不銹鋼和鈷基合金之后的又一類重要醫(yī)用金屬材料。70年代以后，NiTi系為代表的形狀記憶合金逐漸成為骨科和口腔科醫(yī)用金屬材料的重要組成部分第11頁(yè)/共122頁(yè)12生物陶瓷：生物陶瓷的開(kāi)發(fā)研究開(kāi)始于60年代初，首先是用于骨校正和牙種植的氧化鋁陶瓷1967年，低溫各向同性碳用于臨床1971年，羥基磷灰石陶瓷獲得臨床應(yīng)用——從此，生物陶瓷復(fù)合材料成為一個(gè)重要的研究領(lǐng)域第12頁(yè)/共122頁(yè)13開(kāi)始于50年代有機(jī)硅聚合物的發(fā)展20世紀(jì)60年代初，聚甲基丙烯酸甲酯開(kāi)始用于髖關(guān)節(jié)的修復(fù)——促進(jìn)了醫(yī)用高分子材料的發(fā)展90年代以后，得益于生物技術(shù)和基因工程的發(fā)展，由無(wú)生物活性材料擴(kuò)展到具有生物學(xué)功能的材料醫(yī)用高分子：——其基本特征是具有促進(jìn)細(xì)胞分化、增殖、誘導(dǎo)組織再生、參與生命活動(dòng)等功能。第13頁(yè)/共122頁(yè)14（1）生物材料的基本性能要求1）良好的化學(xué)穩(wěn)定性——人體各種體液如唾液、血液、間質(zhì)液都是以Cl、Na+、K+離子為主的電解質(zhì)溶液。不產(chǎn)生吸水膨潤(rùn)、軟化變質(zhì)長(zhǎng)期放置體內(nèi)自身不變化3.生物材料的特征與評(píng)價(jià)耐體液侵蝕，不產(chǎn)生有害降解產(chǎn)物第14頁(yè)/共122頁(yè)152）力學(xué)性能要求足夠的靜態(tài)強(qiáng)度，如抗彎、抗壓、拉伸、剪切等具有適當(dāng)?shù)膹椥阅Ａ亢陀捕饶推凇⒛湍p、有潤(rùn)滑性能第15頁(yè)/共122頁(yè)16如：髖關(guān)節(jié)靜止時(shí)承受體重的1/2，水平步行時(shí)承受的重量為靜止時(shí)的3.3倍，而跑步時(shí)則為4倍以上?！送猓坎叫幸还锎蠹s活動(dòng)1000次，按照一般的生活情況，每年大約承受1106~3106次重復(fù)負(fù)荷的作用。第16頁(yè)/共122頁(yè)173）生物相容性良好血液相容性組織相容性生物降解吸收性第17頁(yè)/共122頁(yè)184）其他要求良好的空隙度，體液及軟硬組織易于長(zhǎng)入易加工成形，使用操作方便熱穩(wěn)定好，高溫消毒不變質(zhì)等性能第18頁(yè)/共122頁(yè)19（2）生物相容性生物材料在與人體組織接觸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生有損肌體的宿主反應(yīng)和有損材料性能的材料反應(yīng)——在生物體方面，往往出現(xiàn)毒性反應(yīng)、炎癥和形成血栓等等。這就要求生物材料，除應(yīng)具有必要的理化性能外，還需要滿足在生理環(huán)境中具有生物相容性——這是生物材料區(qū)別于其他材料最基本的特征。第19頁(yè)/共122頁(yè)20第20頁(yè)/共122頁(yè)21生物相容性是指材料在特定的生理環(huán)境中引起的宿主反應(yīng)和產(chǎn)生有效作用的綜合能力，主要包括：血液相容性組織相容性生物降解吸收性生物相容性的定義第21頁(yè)/共122頁(yè)22血液相容性主要是指生物材料與血液接觸時(shí)：1）血液相容性不引起凝血及血小板粘著凝聚不產(chǎn)生破壞血液中有形成分的溶血現(xiàn)象第22頁(yè)/共122頁(yè)23Ti-O薄膜表面血小板的形態(tài)（好）Ti-O薄膜表面血小板的形態(tài)（差）——與體液、血液接觸主要是在醫(yī)用材料表面，所以在表面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及合成中，應(yīng)考慮抗凝血性?！摴ぷ髦饕ǘ栊员砻?、親水性表面、親水-疏水微相分離結(jié)構(gòu)表面及其表面修飾。第23頁(yè)/共122頁(yè)24對(duì)人體組織無(wú)刺激性、無(wú)毒副作用、無(wú)致癌性在體內(nèi)不發(fā)生排拒反應(yīng)無(wú)炎癥、無(wú)壞死、無(wú)慢性感染種植體不致引起周圍組織產(chǎn)生局部或全身性反應(yīng)不產(chǎn)生吸收物和沉淀物2）組織相容性第24頁(yè)/共122頁(yè)25與軟、硬組織有良好的粘接性最好能與骨形成化學(xué)結(jié)合，具有生物活性——也是基于親水性、疏水性及微相分離的高分子的表面修飾，特別細(xì)胞粘附增殖材料更引人注目?！牧吓c組織能渾然成為一體是當(dāng)今組織相容性研究的熱點(diǎn)課題。第25頁(yè)/共122頁(yè)263）生物降解吸收性材料在活體環(huán)境中可發(fā)生速度能控制的降解，并能在一定時(shí)間內(nèi)自行吸收代謝或排泄——這類材料用于只需要暫時(shí)存在體內(nèi)最終應(yīng)降解消失的醫(yī)療中。如：吸收型縫合線、藥物緩釋材料、人造血漿第26頁(yè)/共122頁(yè)274.生物材料分類（1）按材料屬性分類生物金屬材料：包括不銹鋼、鈷基合金、鈦及合金等，廣泛應(yīng)用于人工假體、人工關(guān)節(jié)等生物無(wú)機(jī)非金屬材料：主要是生物陶瓷，分為：惰性生物陶瓷，如氧化鋁生物陶瓷表面生物活性陶瓷，如磷酸鈣基生物陶瓷可降解生物陶瓷，如-磷酸三鈣陶瓷第27頁(yè)/共122頁(yè)28生物高分子材料：根據(jù)來(lái)源分為天然的和合成的生物復(fù)合材料：不同種材料的混合或結(jié)合，克服單一材料的缺點(diǎn)，可獲得性能更優(yōu)的材料天然的如多糖類、蛋白類合成的聚氨酯、聚乙烯、聚乳酸、聚四氟乙烯等，用于人體器官、組織、關(guān)節(jié)、藥物載體等第28頁(yè)/共122頁(yè)29（2）按替代對(duì)象或功能分類硬組織材料：替代關(guān)節(jié)、骨胳和牙齒等骨組織軟組織材料：人工皮膚、人工氣管、人工食道、角膜、軟骨、臟器、心血管等血液代用材料：人工血液和血漿生物降解材料：主要用于吸收型縫合線、藥物載體、愈合材料、粘合劑以及組織缺損用修復(fù)材料第29頁(yè)/共122頁(yè)30（3）按材料來(lái)源分類自體器官或組織：如人體聽(tīng)骨、血管等替代組織同種異體器官及組織：如不同人體之間的器官移植異種同類器官及組織：如動(dòng)物骨、腎替換人體器官天然生物材料：如動(dòng)物骨膠原、甲殼素、珊瑚等人工合成材料：如各種人工合成的新型材料第30頁(yè)/共122頁(yè)31二、硬組織替代材料硬組織材料有人造骨、人造關(guān)節(jié)、假牙等玻璃鋼人工顱蓋骨第31頁(yè)/共122頁(yè)32其中人工髖關(guān)節(jié)是臨床應(yīng)用比較成功的一種：髖臼用超高分子量聚乙烯制成；股骨多為金屬制品——這種塑料與金屬的配合，使其耐磨性較金屬與金屬的配合強(qiáng)10倍。第32頁(yè)/共122頁(yè)331.人工關(guān)節(jié)1890年，Gluck首先應(yīng)用象牙制造下頜關(guān)節(jié)1938年，Wiles用不銹鋼作髖臼與股骨頭——而后Moor開(kāi)展了人工股骨節(jié)置換術(shù)。1940年，Wder兄弟用合成樹(shù)脂制造人工關(guān)節(jié)第33頁(yè)/共122頁(yè)341951年，開(kāi)始全髖人工關(guān)節(jié)置換術(shù)1952年，Habowsh用固定牙的丙烯酸脂固定人工髓關(guān)節(jié)——由此合成樹(shù)脂開(kāi)始用于人工關(guān)節(jié)與骨的結(jié)合。1958年，Charnley根據(jù)重體環(huán)境滑潤(rùn)理論，用聚四氟乙烯髖臼和金屬股骨頭制成低磨擦的人工關(guān)節(jié)第34頁(yè)/共122頁(yè)351962年，Charnley把高密度聚乙烯髖臼和直徑為22毫米的金屬股骨頭組成全髖人工關(guān)節(jié)——并用骨水泥（甲基丙烯酸脂）固定，獲得較滿意效果，人工關(guān)節(jié)置換術(shù)自此進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。第35頁(yè)/共122頁(yè)36人工髖關(guān)節(jié)——迄今已研制出膝、髖、肘、肩、指、趾關(guān)節(jié)假體用于臨床。——?dú)W美等發(fā)達(dá)國(guó)家每年僅全髖置換已超過(guò)80萬(wàn)例，我國(guó)人工關(guān)節(jié)置換術(shù)達(dá)25萬(wàn)例。第36頁(yè)/共122頁(yè)37人工關(guān)節(jié)磨損病因無(wú)菌松動(dòng)是人工關(guān)節(jié)置換術(shù)后最常見(jiàn)的并發(fā)癥和最終失效的主要因素磨損產(chǎn)物——磨屑是導(dǎo)致無(wú)菌松動(dòng)的原因——人工關(guān)節(jié)長(zhǎng)期使用后，一方面磨損后影響置換關(guān)節(jié)的裝配性能；更重要的是產(chǎn)生大量磨屑?！渲休^小的磨屑被組織細(xì)胞吞噬，較大的磨屑被組織細(xì)胞包繞。第37頁(yè)/共122頁(yè)38磨損產(chǎn)生的磨屑

使組織細(xì)胞激活，并分泌大量溶滑性因子

引起骨溶解

導(dǎo)致人工關(guān)節(jié)松動(dòng)

松動(dòng)的人工關(guān)節(jié)又加重磨損，產(chǎn)生更多磨屑

形成惡性循環(huán)，最終使置換關(guān)節(jié)失效第38頁(yè)/共122頁(yè)392.生物金屬材料金屬材料種類雖很多，但僅有小部分可用于人體，目前在臨床使用的生物金屬材料主要有：不銹鋼鈷基合金鈦基合金——另外，還有形狀記憶合金、貴金屬，以及純金屬鉭、鈮和鉻等。第39頁(yè)/共122頁(yè)40（1）不銹鋼易加工、價(jià)格低廉力學(xué)性能在較大的范圍內(nèi)可控，能提供最佳的強(qiáng)度和韌性但在體內(nèi)有組織反應(yīng)在體內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間使用，不銹鋼的耐腐蝕性不夠第40頁(yè)/共122頁(yè)41不銹鋼骨釘——不銹鋼最適用于制作短期的骨折處理裝置，如螺釘、骨板、髓內(nèi)釘以及其他一些臨時(shí)固定器械?！郧?，人工髖關(guān)節(jié)主要是由不銹鋼制作的；現(xiàn)在，這些長(zhǎng)期植入物一般用鈷鉻鉬合金或鈦合金。第41頁(yè)/共122頁(yè)42不銹鋼植入物在包裝和滅菌之前，用硝酸鈍化處理：可提高不銹鋼的抗縫隙腐蝕能力添加Mo：可提高在非氧化性酸中的耐蝕性——如加Mo的316、317。降低碳含量：可防止晶間腐蝕——如使用超低碳的316L。不銹鋼耐腐蝕性的提高手段第42頁(yè)/共122頁(yè)43（2）鈷基合金——一般含有較高的Cr和Mo，又稱鈷鉻鉬合金。具有極為優(yōu)異的耐腐蝕性——如Co-Cr-Ni-Fe-Mo合金用在牙科和整形外科，這種合金的耐腐蝕性是一般不銹鋼如316的40倍。耐磨性是所有醫(yī)用金屬材料中最好的——與不銹鋼相比，更適于制造體內(nèi)承載苛刻的長(zhǎng)期植入件。第43頁(yè)/共122頁(yè)44綜合力學(xué)性能和生物相容性良好——其中鈷基鉻鉬合金的生物相容性超過(guò)鐵鉻鎳和鈷鉻合金?？赏ㄟ^(guò)精密鑄造成形狀復(fù)雜的精密修復(fù)體——有硬、中、軟三種類型。第44頁(yè)/共122頁(yè)45由于其價(jià)格較高，加工困難，應(yīng)用尚不普及，臨床上主要用于：人工關(guān)節(jié)：特別是人體中受載荷最大的髖關(guān)節(jié)人工骨及骨科內(nèi)處固定器件的制造鈷基合金的應(yīng)用CoCrMo合金制股骨帽第45頁(yè)/共122頁(yè)46心臟外科：用于制造人工心臟瓣膜等整形外科：齒科修復(fù)中的義齒，各種鑄造冠、嵌體及固定橋的制造第46頁(yè)/共122頁(yè)47（3）鈦基合金——純鈦和TC4（Ti-6Al-4V）為主，臨床應(yīng)用廣泛。鈦合金的密度小，彈性模量低（接近天然骨）合金強(qiáng)度不如鈷合金，但質(zhì)輕、比強(qiáng)度高生物相容性好耐疲勞、耐蝕性均優(yōu)于不銹鋼和鈷基合金——由于其表面形成一層氧化膜，這層氧化膜若受到損壞，可以在體溫和人體組織液的條件下再生。第47頁(yè)/共122頁(yè)48抗斷裂強(qiáng)度較低，耐磨性能不盡人意，加工困難鈦表層有一層堅(jiān)固的氧化膜，它在鈦關(guān)節(jié)面的低負(fù)載、慢滑動(dòng)條件下能保持完好如果這個(gè)氧化膜磨損又不能很快再生，則有可能發(fā)生咬死現(xiàn)象甚至引起金屬對(duì)金屬的直接接觸和冷結(jié)合，從而產(chǎn)生很高的摩擦和磨損——由于磨損，鈦合金不適于人工關(guān)節(jié)滑動(dòng)部件。第48頁(yè)/共122頁(yè)49人工骨及關(guān)節(jié)：接骨板、骨螺釘與骨折固定針等牙和矯形物人工心臟瓣膜支架人工心臟部件和腦止血夾人工假肢臨床上主要用于：第49頁(yè)/共122頁(yè)50修補(bǔ)顱骨制成鈦網(wǎng)或鈦箔用于修復(fù)腦膜和腹膜第50頁(yè)/共122頁(yè)51（4）形狀記憶合金奇特的形狀記憶功能質(zhì)輕磁性微弱強(qiáng)度較高耐疲勞性能高回彈性生物相容性好第51頁(yè)/共122頁(yè)52臨床上主要用于：口腔科：用這種材料做成的種植牙具有齒槽骨切口小，固定牢靠等優(yōu)點(diǎn)骨科：人工關(guān)節(jié)，斷骨連接、脊椎側(cè)彎癥矯形器械血管外科：血栓過(guò)濾器、血管擴(kuò)張支架、血管栓塞器等牙齒矯形絲脊椎矯正植入體第52頁(yè)/共122頁(yè)53管腔狹窄的治療（喉氣管狹窄、食管狹窄、膽道狹窄、尿道狹窄及閉鎖等）：支架安入管腔狹窄的部位后，能將狹窄管腔撐開(kāi)，并與管壁相貼緊，固定好其生物相容性好，長(zhǎng)期安放對(duì)黏膜無(wú)明顯損傷其高回彈性能順應(yīng)管道的彎曲，對(duì)人體刺激小食管支架血管支架血管和食管引導(dǎo)絲第53頁(yè)/共122頁(yè)54（5）貴金屬通常是指金、銀、鉑及其合金耐腐蝕、抗蠕變對(duì)人體組織無(wú)毒副作用、刺激性小優(yōu)異的加工特性第54頁(yè)/共122頁(yè)55——金合金主要用于口腔科的齒科修復(fù)，貴金屬合金還可用于植入型電極與電子裝置等。第55頁(yè)/共122頁(yè)56（6）鉭、鈮、鉻具有良好的抗生理腐蝕性和可塑性獨(dú)特的表面負(fù)電性使其具有優(yōu)良的抗血栓性能和生物相容性還有很高的抗缺口裂紋能力純金屬鉭（Ta）第56頁(yè)/共122頁(yè)57骨和組織（藍(lán)色）長(zhǎng)入多孔鉭結(jié)構(gòu)（黑色）中多孔結(jié)構(gòu)植入骨內(nèi)能和周圍的新骨形成骨性結(jié)合；植入軟組織中，肌肉等組織可依附在鉭條上正常生長(zhǎng)第57頁(yè)/共122頁(yè)58退火后的純鉭很軟，可加工成板、帶、箔、絲等：主要用作接骨板、顱骨板、骨螺釘、種植牙根、頜面修復(fù)體、義齒及外科手術(shù)縫線和縫合針鉭網(wǎng)可用于肌肉缺損修補(bǔ)鉭絲和箔用于縫合修補(bǔ)受損的神經(jīng)、肌腱和血管鉭還可以用于血管內(nèi)支架及人工心臟、植入型電子裝置第58頁(yè)/共122頁(yè)59牙根種植體——只是由于鉭的資源少、價(jià)格較高，使其推廣受很大限制。第59頁(yè)/共122頁(yè)60純金屬鈮（Nb）性能和應(yīng)用范圍與鉭非常相似，用于修補(bǔ)顱骨和制作醫(yī)療器械但由于來(lái)源困難，價(jià)格昂貴，使用受到限制，主要用于制造髓內(nèi)釘?shù)鹊?0頁(yè)/共122頁(yè)61純金屬鉻（Cr）化學(xué)性能與金屬鈦相似，耐蝕性能、加工性能、穩(wěn)定性和生物相容性都很好主要用于人工骨和修補(bǔ)顱骨，可加工成各種板、帶、線材在臨床上使用——醫(yī)用鉻可與鈦等同使用，但其價(jià)格較貴，在臨床中較難推廣。第61頁(yè)/共122頁(yè)623.生物無(wú)機(jī)非金屬材料無(wú)機(jī)生物材料包括生物陶瓷、生物玻璃和碳素材料三大類，主要用于齒科、骨科修復(fù)和植入材料——從材料學(xué)角度來(lái)說(shuō)，骨是由無(wú)機(jī)礦物與生物大分子規(guī)則排列所組成的復(fù)合材料。有機(jī)成分主要是I型膠原纖維，約占總重量的24%——是由三股螺旋結(jié)構(gòu)的多肽鏈相互纏繞而形成。無(wú)機(jī)成分主要是磷酸鈣鹽，約占總重量的65%其余為水第62頁(yè)/共122頁(yè)63——骨中的礦物質(zhì)呈片狀，尺寸約為52040nm，位于原膠原分子的間隙孔之內(nèi)?！w的C軸平行于膠原纖維，這樣就構(gòu)成骨的基本結(jié)構(gòu)。第63頁(yè)/共122頁(yè)64非晶金剛石涂覆的膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)無(wú)機(jī)生物材料基本都是脆性材料易破裂——復(fù)合（多相）生物材料及在金屬基體上加涂無(wú)機(jī)生物陶瓷涂層（薄膜）材料是其發(fā)展方向。第64頁(yè)/共122頁(yè)65（1）生物陶瓷根據(jù)在生理環(huán)境中的化學(xué)活性和性質(zhì)可分3類：惰性陶瓷：長(zhǎng)期暴露于生理環(huán)境下能保持穩(wěn)定——如Al2O3、ZrO2等氧化物，Si3N4、鈦酸鋇等非氧化物以及醫(yī)用碳素等?；钚蕴沾桑涸谏憝h(huán)境中可通過(guò)其表面發(fā)生的生物化學(xué)反應(yīng)與組織界面形成化學(xué)鍵結(jié)合——如羥基磷灰石等，起到適合新生骨沉積的生理支架作用，即所謂“骨引導(dǎo)”和“骨傳導(dǎo)”作用。第65頁(yè)/共122頁(yè)66可被吸收的陶瓷：在生理環(huán)境中可逐漸被降解，被骨組織吸收，是一種骨的重建材料——并隨之被新組織所替代，從而達(dá)到修復(fù)或替換病損組織的目的。——如石膏、磷酸三鈣等。第66頁(yè)/共122頁(yè)67生物陶瓷的性能與生物組織有良好的親和性良好的機(jī)械強(qiáng)度、硬度在體內(nèi)難溶解，不易腐蝕變質(zhì)，熱穩(wěn)定性好耐磨性能好，不易產(chǎn)生疲勞現(xiàn)象——特別適于作人體硬組織如骨和齒的替換修補(bǔ)材料，能與人體骨生長(zhǎng)在一起，形成化學(xué)結(jié)合。第67頁(yè)/共122頁(yè)681933年，Rock首先建議將Al2O3陶瓷用于臨床醫(yī)學(xué)1963年，由Smith用于矯形外科由此以后，Al2O3陶瓷用于人造牙根、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、中耳聽(tīng)骨等1）氧化鋁陶瓷（惰性陶瓷）第68頁(yè)/共122頁(yè)69——氧化鋁與骨不發(fā)生化學(xué)結(jié)合，時(shí)間一長(zhǎng)，與骨的固定會(huì)發(fā)生松弛?！硗鈾C(jī)械強(qiáng)度不十分高。第69頁(yè)/共122頁(yè)70采用多孔氧化鋁則可較好的解決氧化鋁陶瓷與骨頭結(jié)合不好的問(wèn)題多孔氧化鋁把氧化鋁陶瓷制成多孔形態(tài)使骨組織長(zhǎng)入其孔隙而使植入體固定，保證了植入物與骨頭的良好結(jié)合第70頁(yè)/共122頁(yè)71多孔氧化鋁陶瓷材料——多孔氧化鋁陶瓷的強(qiáng)度隨空隙率的增加而急劇降低，因此只能用于不負(fù)重或負(fù)重輕的部位。第71頁(yè)/共122頁(yè)722）羥基磷灰石（活性陶瓷）羥基磷灰石分子式為[Ca10(PO4)6(OH)2]，簡(jiǎn)稱HAP，是骨組織與牙組織的無(wú)機(jī)組成部分因?yàn)镠AP占人體骨組成的70~97％，所以修復(fù)骨組織HAP較金屬和聚合物具有更好的效果第72頁(yè)/共122頁(yè)73醫(yī)用活性陶瓷的突出優(yōu)點(diǎn)在于隨修復(fù)時(shí)間的延長(zhǎng)，種植體表面發(fā)生動(dòng)態(tài)變化：表面形成與骨組織能夠化學(xué)鍵結(jié)合的生物性羥基磷灰石（HCA）這種羥基磷灰石中的部分PO43-被CO32-取代，還含有其他礦物和微量元素第73頁(yè)/共122頁(yè)74在種植體上形成的HCA，化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)與骨的無(wú)機(jī)組成相同，在與骨的界面結(jié)合中發(fā)揮作用：在生理環(huán)境下，與骨組織形成緊密的化學(xué)鍵結(jié)合層這種鍵結(jié)合層能阻止種植體材料被腐蝕，具有極好的抗應(yīng)力性能從而增強(qiáng)了材料的耐久力和抗疲勞性能第74頁(yè)/共122頁(yè)75羥基磷灰石具有非常好的生物活性，可用于低載荷多孔種植體——當(dāng)人骨組織長(zhǎng)入羥基磷灰石孔洞中時(shí)，可起到加強(qiáng)作用?！湫源?、強(qiáng)度不高，不能直接用于承受載荷大的種植體。羥基磷灰石應(yīng)用第75頁(yè)/共122頁(yè)76氧化鋁聽(tīng)小骨系統(tǒng)提高聽(tīng)力的能力在音頻大于2000Hz時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)較大的衰減而羥基磷灰石聽(tīng)小骨系統(tǒng)一般在4000Hz以上才開(kāi)始明顯的衰減第76頁(yè)/共122頁(yè)77采用增強(qiáng)含微孔羥基磷灰石（HA）制成人工聽(tīng)小骨假體，平均提高病人的聽(tīng)力20~30dB——在特定語(yǔ)言頻率范圍提高45~60dB。第77頁(yè)/共122頁(yè)78HA制備中耳通氣引流管，界面潤(rùn)濕角小，毛細(xì)管力大，引流效果好，適用于分泌性中耳炎患者——置管后患者鼓膜多自行愈合，且能明顯改善聽(tīng)力，是一種較為理想的通氣引流管。第78頁(yè)/共122頁(yè)79羥基磷灰石與聚合物復(fù)合用于人造骨，效果更好——已有聚乙烯與它復(fù)合的材料。如采用羥基磷灰石和聚-DL-乳酸制備成可吸收內(nèi)固定材料，抗彎強(qiáng)度≥120MPa植入體內(nèi)無(wú)需二次手術(shù)取出對(duì)組織無(wú)刺激，能被人體完全吸收第79頁(yè)/共122頁(yè)80最終代謝為二氧化碳、水、鈣和磷礦物質(zhì)排出體外，部分鈣和磷參與成骨，無(wú)任何毒副作用——適用于人體松質(zhì)骨骨折、截骨術(shù)和關(guān)節(jié)融合術(shù)的骨塊（段）固定。第80頁(yè)/共122頁(yè)81羥基磷灰石覆蓋鈦合金假牙羥基磷灰石作為金屬種植體表面涂層，能大大提高人體骨長(zhǎng)入孔洞的速度第81頁(yè)/共122頁(yè)82采用高純氧化鋁生物陶瓷制備關(guān)節(jié)頭無(wú)釩鈦合金制備關(guān)節(jié)柄，并在柄部涂覆生物活性陶瓷涂層——有效地解決了人工關(guān)節(jié)易磨損、生物相容性不佳、松動(dòng)、下沉等問(wèn)題，提高了其使用壽命。第82頁(yè)/共122頁(yè)833）-磷酸三鈣（-TCP）（可被吸收陶瓷）最早應(yīng)用的降解材料是石膏：1892年，Dreesman第一次用石膏作骨填充材料目前廣泛應(yīng)用的生物降解陶瓷-TCP石膏的生物相容性較好但吸收速度太快，通常在新骨未長(zhǎng)成就消耗殆盡，造成塌陷——因此在許多情況下是不成功的第83頁(yè)/共122頁(yè)84-TCP多孔生物陶瓷在體內(nèi)降解主要有兩個(gè)途徑：體液的溶解：材料在體液作用下，粘結(jié)劑發(fā)生水解，使材料分離成顆粒、分子或離子解體形成的小顆粒不斷被細(xì)胞（主要是破骨細(xì)胞和巨噬細(xì)胞）吞噬、吸收——其代謝產(chǎn)物可參與新骨形成，從而完成了由無(wú)生命材料轉(zhuǎn)變?yōu)橛猩M織的一部分的過(guò)程。第84頁(yè)/共122頁(yè)85第85頁(yè)/共122頁(yè)86（2）生物玻璃一般把原料粉末按成分要求配比混合均勻?qū)⒎勰┰诟邷貭t內(nèi)熔化再將融化好的玻璃澆注成型（板、條、塊等形狀）然后在適當(dāng)溫度進(jìn)行退火處理（消除應(yīng)力），即可得到玻璃生物玻璃材料大致可分為兩類：非活性近似惰性的和生物活性的第86頁(yè)/共122頁(yè)87人工骨用生物醫(yī)學(xué)玻璃：具有良好的耐酸堿腐蝕特性、生物相容性和耐磨性能治療用生物醫(yī)學(xué)玻璃：可埋入腫瘤部位，通過(guò)在磁場(chǎng)下發(fā)熱的特性或其內(nèi)部的同位素放出的射線殺死癌細(xì)胞，也有良好的生物相容性人工齒冠用生物醫(yī)學(xué)玻璃陶瓷：具有制作容易、審美性高、強(qiáng)度高、適應(yīng)性好、生物相容性好、類似天然齒等優(yōu)點(diǎn)非活性生物玻璃第87頁(yè)/共122頁(yè)88生物活性玻璃通常要求SiO2<60%，并含有NaO及CaO/P2O5生物相容性好強(qiáng)度低、斷裂韌性差——主要用于非承力的骨、指骨、牙齒等，也可作為鈦合金牙種植體的表面涂層。如：45S5玻璃：45%SiO2、24.5%CaO、4.5%Na2O2、6%P2O5第88頁(yè)/共122頁(yè)89植入體內(nèi)后能在界面上通過(guò)一系列離子交換和溶解-沉淀反應(yīng)，在其表面形成磷灰石晶體殘留下的玻璃被巨嗜細(xì)胞侵蝕，玻璃表面被基質(zhì)類物質(zhì)覆蓋玻璃附近的軟骨芽細(xì)胞和造骨細(xì)胞增殖趨于活躍不久就形成了骨膠原纖維和磷灰石結(jié)晶，從而和軟組織及組織成骨鍵合——骨組織和軟組織很容易在其表面生長(zhǎng)。45S5玻璃與人體骨有非常高的界面結(jié)合強(qiáng)度第89頁(yè)/共122頁(yè)90生物活性玻璃陶瓷（A/W）將某些玻璃在適當(dāng)?shù)母邷剡M(jìn)行晶化處理，則玻璃中可析出大量微小晶體——這樣的玻璃被稱為微晶玻璃、結(jié)晶化玻璃或玻璃陶瓷。含磷灰石和硅灰石晶相的高強(qiáng)度生物活性玻璃陶瓷（簡(jiǎn)稱A/W）也與人骨有很高的界面結(jié)合強(qiáng)度第90頁(yè)/共122頁(yè)91A/W的組成為：4.6%MgO、44.7%CaO、34%SiO2、16.2%P2O5、0.5%CaF2由于含硅灰石相（CaO·SiO2），其力學(xué)強(qiáng)度遠(yuǎn)高于羥基磷灰石目前A/W已用于充填骨瘤切除后的骨缺損第91頁(yè)/共122頁(yè)92（3）碳素材料玻璃碳：由聚合物（如酚醛樹(shù)脂）加熱至2000℃裂解碳化而得熱解碳（LTI碳）：由甲烷等碳?xì)浠衔镌?000~2400℃熱解、沉積而得低溫氣相沉積碳（ULTI碳）：在低壓常溫下，用催化劑使碳在含碳濃度高的氣相中沉積而得到一種各向同性的碳根據(jù)生產(chǎn)工藝不同，可得到不同結(jié)構(gòu)的碳材：第92頁(yè)/共122頁(yè)93碳素材料的性能最大優(yōu)點(diǎn)是血液相容性好，極好的抗凝血性能優(yōu)良的力學(xué)性能：強(qiáng)度較高、韌性好生理環(huán)境中化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定耐磨性好，并且抗疲勞——碳沒(méi)有其他晶態(tài)固體的可移動(dòng)缺陷，因此其強(qiáng)度也不會(huì)因周期性承載而破壞，故抗疲勞性能好。第93頁(yè)/共122頁(yè)94碳素材料的應(yīng)用玻璃碳密度低，只能用于機(jī)械性能要求不高的場(chǎng)合鑒于碳具有平滑而耐磨的表面，可用作血管移植和心臟瓣膜的縫合環(huán)、碳制人工關(guān)節(jié)等此外，碳還可用于制造耳窩聽(tīng)力激發(fā)器，碳纖維還可用作人工腱和韌帶等第94頁(yè)/共122頁(yè)95LTI碳涂層作心臟瓣膜用于臨床，從1969年Debakey首次應(yīng)用，至今已有幾十萬(wàn)例第95頁(yè)/共122頁(yè)96三、軟組織相容性材料1.人工皮膚人工皮膚是治療過(guò)程中一種暫時(shí)性的創(chuàng)面覆蓋保護(hù)材料——其作用是防止體液的損耗和鹽分的丟失，從而達(dá)到保護(hù)創(chuàng)面的目的?！墒蛊つw大面積或深度燒傷的患者，在自體皮不夠的情況下，進(jìn)行修復(fù)治療并使之恢復(fù)因皮膚創(chuàng)傷喪失的生理功能。第96頁(yè)/共122頁(yè)97Polymerscanbeusedtocreateartificialskinthatcanfacilitatethehealingofwounds,especiallyforburn-victims.Ahistologicalsectionthroughartificialskin.——主要使用的材料分為合成高分子材料和生物高分子材料。第97頁(yè)/共122頁(yè)98理想的皮膚修復(fù)材料要求無(wú)毒、無(wú)刺激、不會(huì)引起免疫反應(yīng)具有良好的生物相容性可以透過(guò)水蒸氣、蛋白質(zhì)和電解質(zhì)具有類似天然皮膚的彈性、柔軟性和潤(rùn)濕性能與創(chuàng)面組織緊貼，起到防止創(chuàng)面的水分、體液損失和吸收創(chuàng)面滲出液的作用易于在皮膚愈合后自動(dòng)脫落、易于消毒第98頁(yè)/共122頁(yè)99最早的人工皮膚是從創(chuàng)傷敷料開(kāi)始的，按其功能可分為：吸收敷料：保護(hù)創(chuàng)面和吸收體液，使創(chuàng)傷不受細(xì)菌的感染不粘敷料：包括不粘膜層和吸收襯墊，防止創(chuàng)面干燥和病原菌進(jìn)入創(chuàng)傷第99頁(yè)/共122頁(yè)100封閉和半封閉敷料：清潔創(chuàng)傷，減少體液滲出，促進(jìn)創(chuàng)傷修復(fù)水凝膠敷料：水凝膠吸水溶脹后對(duì)創(chuàng)面形成閉合吸收敷料，防菌防毒并在創(chuàng)傷修復(fù)后易于去除，愈合率提高含藥敷料：加入使上皮再生和消炎以及抗生素等藥物第100頁(yè)/共122頁(yè)1012.天然高分子生物材料——人類機(jī)體的組織和器官都是由高分子化合物組成的，天然高分子生物材料是人類最早使用的醫(yī)用材料之一，具有不可替代的優(yōu)點(diǎn)：功能多樣性與機(jī)體的相容性生物可降解性第101頁(yè)/共122頁(yè)102天然蛋白質(zhì)材料：膠原蛋白和纖維蛋白兩種天然多糖類材料：纖維素、甲殼素和殼聚糖等——由于它們結(jié)構(gòu)和組成的差異，表現(xiàn)出不同的性質(zhì)，應(yīng)用于不同的方面。第102頁(yè)/共122頁(yè)103（1）天然蛋白質(zhì)材料——膠原蛋白脊椎動(dòng)物的主要結(jié)構(gòu)蛋白，是支持組織和結(jié)構(gòu)組織（皮膚、肌腱和骨骼的有機(jī)質(zhì)）的主要組成成分基本單位為原膠原蛋白，由三條-肽鏈相互擰成的三股螺旋狀結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，其分子量為30萬(wàn)左右膠原來(lái)源廣泛，被廣泛應(yīng)用——由不同種類動(dòng)物分離出來(lái)的膠原結(jié)構(gòu)極其相似。第103頁(yè)/共122頁(yè)104第104頁(yè)/共122頁(yè)105由于膠原與人體組織相容性好，不易引起抗體產(chǎn)生植入人體后無(wú)刺激性、無(wú)毒性反應(yīng)能促進(jìn)細(xì)胞增殖，加快創(chuàng)口愈合具有可降解性，可被人體吸收，降解產(chǎn)物也無(wú)毒副作用膠原蛋白優(yōu)點(diǎn)第105頁(yè)/共122頁(yè)106膠原凝膠：創(chuàng)傷敷料粉末：止血?jiǎng)┖退幬镝尫畔到y(tǒng)紡絲纖維：人工血管、人工皮、人工肌腱和外科縫線薄膜：角膜、藥物釋放系統(tǒng)和組織引導(dǎo)再生材料管：人工血管、人工膽管和管狀器官空心纖維：于血液透析膜和人工肺膜海綿：創(chuàng)傷敷料和止血?jiǎng)┠z原分散體具有再生特性，可加工成不同形狀的制品第106頁(yè)/共122頁(yè)107——在膠原蛋白所做成的模皮上植入皮膚細(xì)胞，于體外培養(yǎng)后得到皮膚。第107頁(yè)/共122頁(yè)108（2）天然多糖類材料——纖維素葡萄糖經(jīng)由糖苷鍵連結(jié)的高分子化合物具有不同構(gòu)型和結(jié)晶形式構(gòu)成植物細(xì)胞壁的主要成分，是存在于自然界中數(shù)量最多的碳水化合物結(jié)構(gòu)復(fù)雜，至今仍未被完全了解第108頁(yè)/共122頁(yè)109天然的纖維素屬于纖維I型，再生纖維素屬于纖維II型，后者結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定——不同的天然纖維素其結(jié)晶度有明顯差異：隨著結(jié)晶度提高，其抗張強(qiáng)度、硬度、密度增加但彈性、韌性、膨脹性、吸水性和化學(xué)反應(yīng)性下降第109頁(yè)/共122頁(yè)110硝酸纖維素膜：用于血液透析和過(guò)濾在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用形式主要是制造各種醫(yī)用膜：——但由于制膜困難及不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，已逐漸被其他材料取代。粘膠纖維（人造絲）或賽珞玢（玻璃紙）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，作為透析