生物材料概述課件

第一章生物材料主講：李曉生第一章生物材料主講：李曉生1第一節(jié)生物材料的發(fā)展概況其他名稱：生物醫(yī)學材料；生物醫(yī)用材料(biomedicalmaterials)定義：用以診斷、治療、修復或替換機體組織、器官或增進其功能的材料。第一節(jié)生物材料的發(fā)展概況其他名稱：生物醫(yī)學材料；生物醫(yī)2生物材料用于人體組織和器官的診斷、修復或增進其功能的一類高技術材料，即用于取代、修復活組織的天然或人造材料，其作用藥物不可替代。生物材料能執(zhí)行、增進或替換因疾病、損傷等失去的某種功能，而不能恢復缺陷部位生物材料用于人體組織和器官的診斷、修復或增進其功能的一類高技3

1.1簡介

生物材料通常有兩個定義：狹義的生物材料是指天然生物材料，也就是由生物過程形成的材料。廣義的生物材料是指用于替代、修復組織器官的天然或人造材料1.1簡介4生物材料（Biologicalmaterials）又稱生物工藝學或生物技術。應用生物學和工程學的原理，對生物材料、生物所特有的功能，定向地組建成具有特定性狀的生物新品種的綜合性的科學技術。生物材料概述ppt課件5生物材料概述ppt課件61.1.1海洋生物材料1.1.1海洋生物材料7生物材料概述ppt課件81.1.2醫(yī)學用生物材料1.1.2醫(yī)學用生物材料91.1.3生物材料生活用品生物材料的噴涂工藝皓淀粉基生物降解材料1.1.3生物材料生活用品生物材料的噴涂工藝皓淀粉基生物降10

這些材料有史以來一直得到廣泛應用，其中一部分因為特殊性能而用作生物材料。

11材料的特定的功能與材料的特定結構是相聯(lián)系的。如對于人造骨骼來說，它一般具有一定的機械性能；因此出現(xiàn)了適合人體需求的多種人造骨骼。材料的特定的功能與材料的特定結構是相聯(lián)系的。如對于人造骨骼來12

生物工程學是70年代初，在分子生物學、細胞生物學等的基礎上發(fā)展起來的，包括基因工程、細胞工程、酶工程、發(fā)酵工程等，他們互相聯(lián)系，其中以基因工程為基礎。通過基因工程對生物進行改造，才有可能按人類的愿望生產(chǎn)出更多更好的生物產(chǎn)品。而基因工程的成果也只有通過發(fā)酵等工程才有可能轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品。生物材料概述ppt課件131.2生物材料的發(fā)展

生物醫(yī)學材料是生物醫(yī)學科學中的最新分支學科，是生物、醫(yī)學、化學和材料科學交叉形成的邊緣學科。具體涉及到化學、物理學、高分子化學、高分子物理學、生物物理學、生物化學、生理學、藥物學、基礎與臨床醫(yī)學等很多學科。1.2生物材料的發(fā)展生物醫(yī)學材料是生物醫(yī)學科學中的最新14ISO定義，生物材料（Biomaterials）即生物醫(yī)學材料（BiomedicalMaterials），它是指“以醫(yī)療為目的，用于與組織接觸以形成功能的無生命的材料”。

另有定義是：具有天然器官組織的功能或天然器官部分功能的材料。ISO定義，生物材料（Biomaterials）即生物醫(yī)學材15生物材料的開發(fā)和利用可追溯到3500年前，那時的古埃及人就開始利用棉纖維、馬鬃作縫合線縫合傷口；印第安人則使用木片修補受傷的顱骨。2500年前，中國和埃及的墓葬中就發(fā)現(xiàn)有假牙、假鼻和假耳。人類很早就用黃金來修復缺損的牙齒，并沿用至今。生物材料的開發(fā)和利用可追溯到3500年前，那時的古埃及人就開161588年人們用黃金板修復顎骨。1775年就有用金屬固定體內(nèi)骨折的記載。1851年發(fā)明了天然橡膠的硫化方法后，有人采用硬膠木制作了人工牙托的顎骨。1588年人們用黃金板修復顎骨。17器官移植取得巨大進展，但有難題：排異、器官來源、法律、倫理等。因此醫(yī)學界對生物醫(yī)學材料和人工器官的要求日益增加。器官移植取得巨大進展，但有難題：排異、器官來源、法律、倫理等18目前被詳細研究過的生物材料已超過1000種，被廣泛應用的有90多種，1800多種制品。西方國家每年耗用生物材料量以10~15%的速度增長，1980年全球醫(yī)用生物材料及制品的銷售額為200億美元，1990年達500億美元，1995年近1000億美元。目前被詳細研究過的生物材料已超過1000種，被廣泛應用的有919我國生物材料的研究起步較晚（五十年代），但發(fā)展很快。我國生物材料的研究起步較晚（五十年代），但發(fā)展很快。201.2.1材料發(fā)展的歷史演進天然材料陶瓷青銅鐵鋼有色金屬高分子材料新型材料

1.2.1材料發(fā)展的歷史演進21生物材料概述ppt課件221.2.2典型的無機材料—石器大約25000年前，人類就學會使用材料。人類只能利用巖石、樹木、獸皮、骨骼等天然材料并進行粗糙加工，除此之外別無他物。從挖掘的人類當年所使用的各種用途的鋒利石片，可想象人類遠祖的艱苦和聰明。石刀石斧石針1.2.2典型的無機材料—石器大約25000年前，人類就學23他們能區(qū)別、選用各種石頭創(chuàng)造出刀、斧、針各種器具，用于生產(chǎn)、生活和戰(zhàn)爭。

石器時代的生產(chǎn)工具極其落后，人類社會的生產(chǎn)力也極端低下，社會發(fā)展極其緩慢，人類文化也是相當簡單和粗俗的。石器工具他們能區(qū)別、選用各種石頭創(chuàng)造出刀、斧、針各種器具，用于生產(chǎn)、24據(jù)考古學家分析，距今約一萬年前就有陶器出現(xiàn)，人們用粘土或以粘土、長石、石英為主的混合物，經(jīng)成型、干燥、燒制（燒制溫度低于1200℃），得到堅硬的陶器。陶是人類創(chuàng)造的第一種“人造材料”，由于高溫燒制產(chǎn)生物理化學變化，得到和粘土不一樣的新物質(zhì)。

新石器時代晚期(公元前3000一前2800年)黑陶豆陶體的黑色是因為滲入了碳1.2.3陶器（無機非金屬材料）據(jù)考古學家分析，距今約一萬年前就有陶器出現(xiàn)，新石器時代晚期25我國陶器大約出現(xiàn)在8000年前，具有悠久的歷史。半坡村出土的碗、缽、釜、罐、瓶等，甚至還有吹氣能發(fā)聲的陶塤。

半坡變體鳥紋盆

半坡小口尖底瓶半坡陶盆陶塤我國陶器大約出現(xiàn)在8000年前，具有悠久的歷史。半坡變體鳥26從著名的仰韶和龍山文化遺址出土的陶器中，人們發(fā)現(xiàn)當時祖先已經(jīng)掌握了燒制黑色陶器和白色陶器的配方和技術。

仰韶白陶瓶龍山黑陶瓶從著名的仰韶和龍山文化遺址出土的陶器中，人們發(fā)現(xiàn)當時祖先已經(jīng)27聞名于世的秦始皇兵馬俑是典型的陶制品；著名的唐三彩創(chuàng)始于唐高宗時期，用白粘土作胎，以Cu、Fe、Co等礦物作釉的著色劑，兩次燒制后成為絢麗多彩的陶器精品；江蘇宜興紫砂壺(紫砂泥由粘土、云母、赤鐵礦等組成，其中Fe2O3含量約7％-10％，TiO2＞1％)制造技術精湛，色澤淳樸，造型獨特，別具一格。兵馬俑唐三彩馬方韻紫砂壺聞名于世的秦始皇兵馬俑是典型的陶制品；兵馬俑唐三彩馬方28商陶酒尊唐三彩俑陶的出現(xiàn)，人類可吃煮熟的谷物，喝煮開的水，可長時間儲存食物，促進人類進化。陶器也是最初的耐火材料，為以后的銅、鐵冶煉提供物質(zhì)條件。

豬紋陶盆商陶酒尊唐三彩俑陶的出現(xiàn)，人類可吃煮熟的谷物，喝煮開的水291.2.4生物材料發(fā)展階段

生物材料的定義很多，歸納起來可理解為生物材料是一類用于人工器官、修復、理療康復、診斷、檢查、治療疾病等醫(yī)療保健領域，對人體組織、血液不致產(chǎn)生不良影響的功能材料。

1.2.4生物材料發(fā)展階段生物材料30

隨著醫(yī)學以及材料學的發(fā)展，尤其是新型材料的研究開發(fā)成功，如20世紀40年代高分子材料的大力發(fā)展，為生物材料的研究與應用提供了極大的發(fā)展機會。

目前可以說從人體天靈蓋到腳趾骨、從內(nèi)臟到皮膚，從血液到五官，除了腦以及大多數(shù)內(nèi)分泌器官外，都可用人工器官來代替。生物材料發(fā)展三階段隨著醫(yī)學以及材料學的發(fā)展，尤其是新型材31最早的生物材料的應用——鑲牙最早的生物材料的應用——鑲牙321、惰性生物材料（無害階段）惰性生物材料是指對人體組織化學惰性，其物理機械和功能特性與組織匹配，使材料在應用過程中不致產(chǎn)生不利于功能發(fā)揮和對其它組織影響的反應，特別是與組織接觸或短(長)時間不產(chǎn)生炎癥或凝血現(xiàn)象，無急性毒性或刺激反應，一般無補體激活產(chǎn)生的免疫反應的一類功能材料。1、惰性生物材料（無害階段）惰性生物材料是指對人體組織化學惰33

目前惰性生物材料主要品種有金屬材料、非金屬材料、有機高分子材料以及復合材料。金屬材料主要集中在不銹鋼、鈦、金、銀等基體金屬及鈷、鎳、銀-汞合金；非金屬材料主要有氧化鋁、氧化鋯、氧化硅、氧化鎂、氧化鈦、鋁酸鈣等陶瓷材料；目前惰性生物材料主要品種有金屬材料、非金屬材料、有機34有機高分子材料品種多，應用最為廣泛，它有聚乙烯、聚丙烯，聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸羥乙酯、聚氨酯、硅橡膠、天然橡膠、碳纖維、聚砜纖維、聚丙烯中空纖維、吸附樹脂等；有機高分子材料品種多，應用最為廣泛，它有聚乙烯、聚丙烯，聚氯35復合材料主要有纖維增強聚合物材料或金屬-陶瓷復合材料。

隨著醫(yī)學水平的提高以及人們生活質(zhì)量的改善，惰性生物材料的應用會向更高層次———生物化或組織工程化生物材料過渡。復合材料主要有纖維增強聚合物材料或金屬-陶瓷復合材料。362、生物材料的生物化（有益階段）

隨著材料科學、醫(yī)學的發(fā)展，以及先進儀器設備的發(fā)明，帶動了生物材料的發(fā)展。新型生物材料有代表性的成果是20世紀70年代發(fā)現(xiàn)的鈣磷系玻璃陶瓷，如羥基磷灰石、β-磷酸三鈣、珊瑚等。2、生物材料的生物化（有益階段）隨著材料科學、醫(yī)學37

這類材料具有與人體骨組織的無機成分有類似的化學組成，材料抗壓、抗折強度與人骨接近]，植入后與組織親和性良好，同時有降解作用并誘導成骨細胞(加誘導因子如BMP)的長入，使植入組織骨化，一段時間后植入組織轉(zhuǎn)化為正常組織等特點，也即材料在使用過程中逐漸生物化。這類材料具有與人體骨組織的無機成分有類似38

研究重點是惰性生物材料的生物化-即在不破壞原有材料性能的基礎上，通過表面改性設計使材料在長期使用過程中與細胞親和性好，不產(chǎn)生炎癥、凝血、畸變、甚至癌變等反應。研究的重點是抗凝血材料的設計與制備。抗凝血材料設計思路有以下五點:研究重點是惰性生物材料的生物化-即在不破39在惰性生物材料表面引入活性藥物如肝素、尿激酶、前列腺素等或類肝素化，這種生物化方法的關鍵是以物理或化學方法引入這些高抗凝血活性物質(zhì)，材料在使用過程中表面維持一定量的抗凝血活性藥物。在惰性生物材料表面引入活性藥物如肝素、尿激酶、前列腺素等或類40表面接枝親水性分子鏈，是蔬水高分子生物材料生物化的一大內(nèi)容，主要在表面接枝PEO或甲基丙烯酸羥乙酯等親水鏈，使材料在體液或血液環(huán)境中表面完全親水。表面接枝親水性分子鏈，是蔬水高分子生物材料生物化的一大內(nèi)容，41設計表面微相分離結構也是材料生物化的內(nèi)容，微相分離是血管壁內(nèi)皮的結構特征，即親水糖鏈和蔬水脂質(zhì)體形成兩相鑲嵌結構，模仿這類結構可望改善材料的抗凝血性。目前主要通過共混或共聚方法在高分子聚合物如聚氨酯表面引入微相分離結構。值得注意的是微相分離結構對材料抗凝血性能提高的機制沒有完全弄清楚，使該方法的研究受到制約；設計表面微相分離結構也是材料生物化的內(nèi)容，微相分離是血管壁內(nèi)42

生物高分子材料.生物高分子材料.43接枝蛋白質(zhì)或氨基酸，產(chǎn)生免疫吸附，這主要是基于蛋白質(zhì)、氨基酸或核酸與細胞有更好的親和性；天然高分子如甲殼糖、膠原、明膠、蛋白微絲等生物材料的研究表明，它們的抗凝血性能和組織親和性優(yōu)于一般生物材料，關鍵在于一系列處理過程中如何維持天然材料的結構性能，尤其是維持材料的免疫性能；接枝蛋白質(zhì)或氨基酸，產(chǎn)生免疫吸附，這主要是基于蛋白質(zhì)、氨基酸44表面液晶結構設計，使材料表面與細胞表面產(chǎn)生類似的物理結構或化學結構，該研究已經(jīng)證明表面液晶結構的形成有利于材料抗凝血性能的提高。表面液晶結構設計，使材料表面與細胞表面產(chǎn)生類似的物理結構或化453、組織工程支架材料（真正的生物材料階段）

材料生物化畢竟不能改變材料的基本結構，這為材料的長期使用留下隱患，同時器官(尤其是組織)是一個復雜的系統(tǒng)，不可能用單一無活性的材料來模仿其全部或大部分功能。3、組織工程支架材料（真正的生物