第6章 生物材料与仿生材料

Chapter 6 Biomaterials and Biomimetic Materals

生物材料与仿生材料

本章主要内容

J 6.1 生物医用(复合)材料 J 6.2 组织工程材料 J 6.3 生物陶瓷 J 6.4 仿生复合材料

6.1 生物医用(复合)材料

J J J J J

6.1 .1 生物材料的定义与分类 6.1.2 生物医用材料的性能与分类 6.1.3 医用金属材料 6.1.4 医用高分子材料

6.1.5 无机生物医学材料

6.1 .1 生物材料的定义与分类生物材料(Biomaterials)泛指一切与生物体 相关的应用性材料或由生物体合成的材料。 按其应用可分为生物医用材料(Biomedical Materials)和与生物合成有关的应用材料。而按 生物材料来源可分为天然生物材料和人工生物材 料；与此同时材料学的发展使有些材料兼具天然 和人工合成的特性。 狭义的生物材料指的是能够用来制作各种人 工器官和制造与人体生理环境相接触的医疗用具和制品的材料，即生物医用材料。

生物材料的另一种分类方法生物材料包括三部分，即生物医用材料，仿生材料 和生物模拟。 生物医用材料：最重要的是材料与人体相容性和材 料本身的性能，通过组织工程、生长因子、DNA和 自组装技术，可生产出人类的各种器官。事实上， 除神经系统以外，人的各种器官都可制造。 仿生材料：生物是多年演化的结果，有很多特性值 得模仿，通过深入研究现有生物体和生物现象而进 行仿造，对材料的发展将起到推动作用。

生物医用材料(Biomedical Materials)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、损伤等失去的某种功 能，而不能恢复缺陷部位。日本北海道大学的科 学家们利用从鲑鱼皮 中提取的胶原制造全 球首例人造血管。

生物医用材料与工业材料的最大区别是在生 理环境下使用。移植在生物体内的仿生材料，除 了能达到补钙的目的以外，对周围组织和血液不 应该有不良的影响，即应具有生物相容性。另外， 植入人体的仿生材料，应有足够的力学性能，不 能发生脆性破裂、疲劳断裂及腐蚀破坏等，即应 具有力学相容性。 生物医用材料是生物医学科学中的最新分支 学科，是生物、医学、化学和材料科学交叉形 成的边缘学科。具体涉及到化学、物理学、高 分子化学、高分子物理学、生物物理学、生物 化学、生理学、药物学、基础与临床医学等很 多学科 。

生物(医用)材料的发展史 目前被详细研究过的生物(医用)材料已超过 1000种，被广泛应用的有90多种，1800多种制 品。西方国家每年耗用生物(医用)材料量以 10~15%的速度增

长，1980年全球医用生物 (医用)材料及制品的销售额为200亿美元， 1990年达500亿美元，1995年近1000亿美元。 历史上首个人造心脏Jarvik-7,是在1982年植入 病人Barney Clark的体内。他共活了112天。另 一名也植入Jarvik-7的病人William Schrodedr则 活了620天。

生物医用材料是研制人工器官及一些重要医疗技 术的物质基础，综观人工器官及医疗装臵的发展 史，每一种新型生物材料的发现都引起了人工器 官及医疗技术的飞跃。 – 生物惰性医用硅橡胶—人工耳、人工鼻、人工 颌骨等 – 血液相容性较好的各向同性碳被复材料—碟片 式机械心脏瓣膜 – 血液亲和性及物理机械性能较好的聚氨酯嵌段 共聚物—促使人工心脏向临床应用跨越一大步 – 可形成假生物内膜的编织涤纶管—人工血管向 实用化飞跃。

硅橡胶制作的人造器官 聚氨酯 制造的 人工心 脏

人工心脏

碟片式机械心脏瓣膜

6.1.2 生物医用材料的性能与分类一、 生物功能性指生物医用材料具备或完成某种生物功能时应 该具有的一系列性能。 根据用途主要分为: 承受或传递负载功能。如人造骨骼、关节和牙等， 占主导地位 控制血液或体液流动功能。如人工瓣膜、血管等 电、光、声传导功能。如心脏起博器、人工晶状 体、耳蜗等 填充功能。如整容手术用填充体等

人工心脏

人工关节

人工肾脏

人工血管

人造皮肤

科学家已从生物高分子 材料或合成高分子材料 中制造出了一二十种人 造皮肤。他们把这些材 料纺织成带微细孔眼的 皮片，上面还盖着一层 层薄薄的、模仿“表皮” 的制品。

加拿大发明骨骼打印机复制 立体人骨人造骨骼组织相当精细，可用于整 形、重建和脊椎手术。

二、 生物相容性指生物医用材料有效和长期在生物体内或体 表行使其功能的能力。用于表征生物材料在生物 体内与有机体相互作用的生物学行为。 根据材料与生物体接触部位分为： 血液相容性。材料用于心血管系统与血液接触， 主要考察与血液的相互作用 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 力学相容性。考察力学性能与生物体的一致性

生物体对生物医用材料的响应-宿主反应1、生物学反应 A: 血液反应1、血小板血栓； 2、凝血系统激活； 3、纤溶系统激活； 4、溶血反应； 5、白细胞反应； 6、细胞因子反应； 7、蛋白粘附；

B: 免疫反应1、补体激活； 2、体液免疫反应 (抗原-抗体反 应); 3、细胞免疫反应。

C: 组织反应1、炎症反应； 2、细胞粘附 3、细胞增殖(异 常分化) 4、形成蘘膜 5、细胞质的转变

2、生物体对

生物反应的变化 1.急性全身反应 过敏、毒性、溶血、发热、神经麻痹等 2. 慢性全身反应 毒性、致畸、免疫、功能障碍等 3. 急性局部反应 炎症、血栓、坏死、排异等 4. 慢性局部反应 致癌、钙化、炎症、溃疡等

材料在生物体内的响应-材料反应生物机体作用于生物医用材料-材料反应， 其结果可导致材料结构破坏和性质改变而丧失 其功能。可分为如下三个方面： 金属腐蚀 聚合物降解 磨损

1、金属腐蚀生物体内的腐蚀性环境： (1)含盐的溶液是极好的电解质，促进了电化学腐 蚀和水解； (2)组织中存在具有催化或迅速破坏外来成分能力 的多种分子和细胞。将对生物金属材料产生腐蚀。 对于生物材料而言多为局部腐蚀，具体包括应力腐 蚀开裂、点腐蚀、晶间腐蚀、腐蚀疲劳以及缝隙腐 蚀等，导致生物材料整体破坏。 虽然金属材料在生物体内保持惰性状态，但仍然可 能会有物质溶入生物组织中，并对生物体组织产生 毒性反应，造成组织的损害。如不锈钢溶出的Cr+6 生物组织的毒性。

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