生物医学材料-课件.ppt

第七章第七章生物医学材料生物医学材料本章内容本章内容生物医学材料的用途、基本特性及分类生物医学材料的用途、基本特性及分类12金属生物医学材料金属生物医学材料生物医用材料市场发展概况生物医用材料市场发展概况生物医用高分子材料生物医用高分子材料4组织工程用生物材料组织工程用生物材料5生物材料的制备生物材料的制备6陶瓷生物医学材料陶瓷生物医学材料7生物医学材料的用途、基本特性及分类第一节第一节 生物医学材料的定义生物医学材料的定义 用于与生命系统接触和发生相互作用的，并能对其细胞、组织和器官进行诊断治疗、替换修复或诱导再生的一类天然或人工合成的特殊功能材料，亦称生生物材料物材料。第一节 生物医学材料的用途、基本特性及分类人造牙齿人造牙齿第一节 生物医学材料的用途、基本特性及分类人造血管人造血管第一节 生物医学材料的用途、基本特性及分类人工心脏瓣膜人工心脏瓣膜第一节 生物医学材料的用途、基本特性及分类生物医学材料的研究内容生物医学材料的研究内容l生物体生理环境、组织内容、器官生理功能及其生物体生理环境、组织内容、器官生理功能及其替代方法。替代方法。l具有特种生理功能的生物医学材料的合成、改性、具有特种生理功能的生物医学材料的合成、改性、加工成型以及材料的特种生理功能与其结构关系。加工成型以及材料的特种生理功能与其结构关系。l材料与生物体的细胞、组织、血液、体液、免材料与生物体的细胞、组织、血液、体液、免疫、内分泌等生理系统的相互作用以及养活材料疫、内分泌等生理系统的相互作用以及养活材料毒副作用的对策。毒副作用的对策。l材料灭菌、消毒、医用安全性评价方法与标准以材料灭菌、消毒、医用安全性评价方法与标准以及医用材料与制品生产管理与国家管理法规。及医用材料与制品生产管理与国家管理法规。第一节 生物医学材料的用途、基本特性及分类生物医学材料的分类生物医学材料的分类l无机医用生物材料无机医用生物材料l天然医用生物材料天然医用生物材料l合成高分子医用生物材合成高分子医用生物材料料l复合医用生物材料复合医用生物材料第一节 生物医学材料的用途、基本特性及分类l 硬组织材料硬组织材料l 软组织材料软组织材料l 心血管材料心血管材料l 血液代用材料血液代用材料l 分离透析材料分离透析材料第一节 生物医学材料的用途、基本特性及分类生物医学材料的分类生物医学材料的分类第一节 生物医学材料的用途、基本特性及分类生物医学材料生物医学材料基本要求基本要求化学稳定性化学稳定性其它要求其它要求生物相容生物相容性性力学条件力学条件生物医学材料基本要求生物医学材料基本要求-生物相容性生物相容性血液相容性血液相容性：无溶血、凝血反应等：无溶血、凝血反应等组织相容性组织相容性：对人体无毒、无刺激、无致畸、致敏、致：对人体无毒、无刺激、无致畸、致敏、致突变或致癌作用；在体内不被排斥，无炎症，无坏死，无突变或致癌作用；在体内不被排斥，无炎症，无坏死，无慢性感染，种植体不致引起周围组织产生局部或全身性反慢性感染，种植体不致引起周围组织产生局部或全身性反应，最好能与骨形成化学结合，具有生物活性；应，最好能与骨形成化学结合，具有生物活性；生物降解吸收性生物降解吸收性：材料在活体环境中可发生速度能控制：材料在活体环境中可发生速度能控制的降解，并能在一定时间内自行吸收代谢或排泄。这类材的降解，并能在一定时间内自行吸收代谢或排泄。这类材料用于只需要暂时存在体内最终应降解消失的医疗中，吸料用于只需要暂时存在体内最终应降解消失的医疗中，吸收型缝合线，药物缓释基材料，人造血浆等。收型缝合线，药物缓释基材料，人造血浆等。第一节 生物医学材料的用途、基本特性及分类生物医学材料基本要求生物医学材料基本要求 -力学条件力学条件足够的静态强度，如抗弯、抗压、拉足够的静态强度，如抗弯、抗压、拉伸、剪切等；伸、剪切等；具有适当的弹性模量和硬度；具有适当的弹性模量和硬度；耐疲劳、摩擦、磨损、有润滑性能。耐疲劳、摩擦、磨损、有润滑性能。第一节 生物医学材料的用途、基本特性及分类生物医学材料基本要求生物医学材料基本要求 -其它要求其它要求良好的空隙度，体液及软硬组织易于良好的空隙度，体液及软硬组织易于长入；长入；易加工成形，使用操作方便；易加工成形，使用操作方便；热稳定好，高温消毒不变质等性能。热稳定好，高温消毒不变质等性能。第一节 生物医学材料的用途、基本特性及分类金属生物医学材料金属生物医学材料第二节第二节金属生物医学材料金属生物医学材料它们主要用于骨和牙等硬组织修复和替换，心血管和它们主要用于骨和牙等硬组织修复和替换，心血管和软组织修复以及人工器官制造中的结构元件。软组织修复以及人工器官制造中的结构元件。金属生物医用材料必须是一类金属生物医用材料必须是一类生物惰性生物惰性材料，应具有材料，应具有:良好的力学性能及相关的物理性质良好的力学性能及相关的物理性质 优良的抗生理腐蚀性优良的抗生理腐蚀性 优良的组织相容性优良的组织相容性已应用于临床的医用金属材料主要有已应用于临床的医用金属材料主要有:不锈钢、钴基合金和钛基合金不锈钢、钴基合金和钛基合金等三大类。等三大类。第二节第二节 金属生物医学材料金属生物医学材料不锈钢不锈钢依其显微组织的特点可分为依其显微组织的特点可分为:奥氏体不锈奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、沉钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、沉淀硬化不锈钢等类型淀硬化不锈钢等类型 耐蚀性随含碳量的降低和含耐蚀性随含碳量的降低和含铬量的增加而提高；铬量的增加而提高；提高含碳量，形成马氏体组提高含碳量，形成马氏体组织，有利于提高硬度；织，有利于提高硬度；目前主要用于医疗器械。目前主要用于医疗器械。铁素体和马氏体铁素体和马氏体不锈钢主要成分不锈钢主要成分是是Fe、Cr、C第二节第二节 金属生物医学材料金属生物医学材料第二节第二节 金属生物医学材料金属生物医学材料不锈钢的应用不锈钢的应用医用不锈钢镊子医用不锈钢镊子医用不锈钢针头医用不锈钢针头钴基合金钴基合金20世纪世纪70年代年代20世纪世纪60年代年代20世纪世纪50年代年代20世纪世纪30年代年代研制出锻造钴铬钼钨铁合金和研制出锻造钴铬钼钨铁合金和MP35NMP35N钴铬钼镍合金，并在临床中得到应用钴铬钼镍合金，并在临床中得到应用研制出锻造钴铬钨镍合金和研制出锻造钴铬钨镍合金和锻造钴铬钼合金，并应用于临床锻造钴铬钼合金，并应用于临床成功地制成人工髋关节成功地制成人工髋关节用于制作接骨板、用于制作接骨板、骨钉等固定器械骨钉等固定器械 比不锈钢耐蚀性好比不锈钢耐蚀性好 耐磨性是所有医用金属材料中最好的耐磨性是所有医用金属材料中最好的 植入人体时不产生明显的组织反应植入人体时不产生明显的组织反应第二节第二节 金属生物医学材料金属生物医学材料第二节第二节 金属生物医学材料金属生物医学材料钴基合金应用钴基合金应用整形外科：用于制造人工髋关节、膝关节整形外科：用于制造人工髋关节、膝关节以及接骨板、骨钉、关节扣钉等以及接骨板、骨钉、关节扣钉等心脏外科：用于制造人工心脏瓣膜等心脏外科：用于制造人工心脏瓣膜等 接骨板接骨板 人工髋关节人工髋关节 人造髋关节的头杆部分人造髋关节的头杆部分从股骨上端插进金属杆，杆头有一个金属头，它从股骨上端插进金属杆，杆头有一个金属头，它嵌在粘于髋骨窝中的一个塑料臼中。嵌在粘于髋骨窝中的一个塑料臼中。人工关节感染示意图人工关节感染示意图肉芽和脓液肉芽和脓液人工关节人工关节骨水泥骨水泥第二节第二节 金属生物医学材料金属生物医学材料银汞合金银汞合金 主要成分主要成分:银、锡、铜、铅银、锡、铜、铅固定骨头的螺丝和夹板固定骨头的螺丝和夹板第二节第二节 金属生物医学材料金属生物医学材料陶瓷生物医学材料陶瓷生物医学材料第三节第三节陶瓷是经高温处理工艺所制成的无机非金属材料陶瓷是经高温处理工艺所制成的无机非金属材料 生物陶瓷生物陶瓷结构中包含着键结合力很大的离子键和共价键，所结构中包含着键结合力很大的离子键和共价键，所以它不仅具有良好的机械强度、硬度，而且在体内以它不仅具有良好的机械强度、硬度，而且在体内难溶解，不易腐蚀变质，热稳定性好，便于加热消难溶解，不易腐蚀变质，热稳定性好，便于加热消毒，耐磨性能好，不易产生疲劳现象；毒，耐磨性能好，不易产生疲劳现象；陶瓷成形容易，可以根据使用要求，制成各种形态陶瓷成形容易，可以根据使用要求，制成各种形态和尺寸；和尺寸；随着加工装备及技术的进步，现在陶瓷的切削、研随着加工装备及技术的进步，现在陶瓷的切削、研磨、抛光等已是成熟的工艺。磨、抛光等已是成熟的工艺。第三节第三节 陶瓷生物医学材料陶瓷生物医学材料 各类生物材料比较各类生物材料比较材料特性金属金属高分子高分子陶瓷陶瓷生物相容性不太好不太好较好较好很好很好耐侵蚀性除贵金属外，多数不耐侵蚀，表面易变质化学性能稳定，耐侵蚀化学性能稳定，耐侵蚀，不易氧化、水解耐热性较好，耐热冲击受热易变形，易老化热稳定性好，耐热冲击强度很高差很高耐磨性不太好，磨损产物易污染周围组织不耐磨耐磨性好，有一定润滑性能加工及成形性能非常好，可加工成任意形状，延展性良好可加工性好，有一定韧性塑形性好，脆性大，无延展性第三节第三节 陶瓷生物医学材料陶瓷生物医学材料根据生物陶瓷材料与生物体组织的关系，可以把它根据生物陶瓷材料与生物体组织的关系，可以把它们分为三类：们分为三类：这种生物陶瓷在生物体内与组织几乎不发生这种生物陶瓷在生物体内与组织几乎不发生反应或反应很小，例如氧化铝陶瓷和蓝宝石、反应或反应很小，例如氧化铝陶瓷和蓝宝石、碳、氧化锆陶瓷、氮化硅陶瓷等；碳、氧化锆陶瓷、氮化硅陶瓷等；在生理环境下与组织界面发生作用，形成化在生理环境下与组织界面发生作用，形成化学键结合，系骨性结合。如羟基磷灰石等陶学键结合，系骨性结合。如羟基磷灰石等陶瓷及生物活性玻璃，生物活性微晶玻璃；瓷及生物活性玻璃，生物活性微晶玻璃；这类陶瓷在生物体内可被逐渐降解，被骨组这类陶瓷在生物体内可被逐渐降解，被骨组织吸收，是一种骨的重建材料，例如磷酸三织吸收，是一种骨的重建材料，例如磷酸三钙等。钙等。第三节第三节 陶瓷生物医学材料陶瓷生物医学材料各种生物陶瓷在临床上的应用各种生物陶瓷在临床上的应用人工肌键和韧带人工肌键和韧带种植齿、牙齿增高种植齿、牙齿增高AlAl2 2O O3 3陶瓷、生物活性陶瓷、生物活性玻璃及生物活性微晶玻璃及生物活性微晶玻璃、磷酸盐陶瓷玻璃、磷酸盐陶瓷PLA-碳纤维复合材料AlAl2 2O O3 3陶瓷、氟聚合物陶瓷、氟聚合物/金属基复合金属基复合材料、生物活性玻璃、自固化磷酸盐材料、生物活性玻璃、自固化磷酸盐水泥和玻璃水泥、活性涂层材料等水泥和玻璃水泥、活性涂层材料等AlAl2 2O O3 3陶瓷、稳定陶瓷、稳定ZrOZrO2 2陶瓷、陶瓷、具有生物活性的表面涂层具有生物活性的表面涂层的相应材料等的相应材料等耳鼻喉代用材料耳鼻喉代用材料能承受负载的矫形材料，能承受负载的矫形材料，用在骨科、牙科及颌面上用在骨科、牙科及颌面上第三节第三节 陶瓷生物医学材料陶瓷生物医学材料聚乳酸聚乳酸 生物玻璃、羟基磷灰石生物玻璃、羟基磷灰石高凝血，摩擦系数小高凝血，摩擦系数小多用多用AlAl2 2O O3 3陶瓷陶瓷人工心脏瓣膜人工心脏瓣膜可供组织长入的涂层（心血管、矫形、牙修复）可供组织长入的涂层（心血管、矫形、牙修复）骨的充填料骨的充填料磷酸钙及磷酸钙盐磷酸钙及磷酸钙盐粉末或颗粒粉末或颗粒脊椎外科脊椎外科生物活性玻璃或生物生物活性玻璃或生物活性玻璃陶瓷活性玻璃陶瓷眼眼各种生物陶瓷在临床上的应用各种生物陶瓷在临床上的应用第三节第三节 陶瓷生物医学材料陶瓷生物医学材料惰性生物材料惰性生物材料氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷视制造方法的不同，用于生物医学的氧化铝分为视制造方法的不同，用于生物医学的氧化铝分为:单晶氧化铝、多晶氧化铝和多孔氧化铝三种；单晶氧化铝、多晶氧化铝和多孔氧化铝三种；就多晶氧化铝而言，就多晶氧化铝而言，只有高纯度（只有高纯度（99.5%99.5%）、高密度）、高密度（3.90g/cm3.90g/cm3 3)、晶粒细小且均匀（平均晶粒尺寸、晶粒细小且均匀（平均晶粒尺寸7m)7m)的氧化铝陶瓷才能显示出的氧化铝陶瓷才能显示出AlAl2 2O O3 3作为生物陶瓷的作为生物陶瓷的优越性，即优良的生物相容性、摩擦系数小、耐磨损、优越性，即优良的生物相容性、摩擦系数小、耐磨损、抗疲劳、耐腐蚀等特性；抗疲劳、耐腐蚀等特性；同多晶氧化铝陶瓷相比，单晶氧化铝陶瓷的力学性能同多晶氧化铝陶瓷相比，单晶氧化铝陶瓷的力学性能更为突出，单晶氧化铝在更为突出，单晶氧化铝在C C轴方向具有相当高的抗弯轴方向具有相当高的抗弯强度（强度（1300MPa1300MPa），因而临床上应用于负重大、耐磨），因而临床上应用于负重大、耐磨要求高的部位，但其加工比较困难。要求高的部位，但其加工比较困难。第三节第三节 陶瓷生物医学材料陶瓷生物医学材料采用多孔氧化铝采用多孔氧化铝则可较好的解决氧化铝陶瓷与骨头结合不好的问题，把氧化铝陶瓷制成多孔形态，使骨组织长入其孔隙而使植入体固定，保证了植入物与骨头的良好结合。但这样会降低陶瓷的机械强度，多孔氧化铝陶瓷的强度随空隙率的增加而急剧降低。因此，只能用于不负重或负重轻的部位；为改善多孔氧化铝陶瓷植入体的强度，可采用将金属与氧将金属与氧化铝复合的方法化铝复合的方法，在金属表面形成多孔性氧化铝薄层，这种复合材料既能保证强度、又能形成多孔性。氧化铝的几个问题氧化铝的几个问题：1、与骨不发生化学结合，时间一长，与骨的固定会发生松驰；2、机械强度不十分高；等等第三节第三节 陶瓷生物医学材料陶瓷生物医学材料碳素材料碳素材料碳素材料质轻而且具有碳素材料质轻而且具有良好的润滑性和抗疲劳特性良好的润滑性和抗疲劳特性，弹性，弹性模量与致密度与人骨的大致相同；模量与致密度与人骨的大致相同；碳材料的碳材料的生物相容性好生物相容性好，特别是抗凝血性佳，与血细胞中，特别是抗凝血性佳，与血细胞中的元素相容性极好，不影响血浆中的蛋白质和酶的活性；的元素相容性极好，不影响血浆中的蛋白质和酶的活性；碳素材料在人体内不发生反应和溶解，碳素材料在人体内不发生反应和溶解，生物亲和良好，耐生物亲和良好，耐蚀，对人体组织的力学刺激小蚀，对人体组织的力学刺激小。碳材料在碳材料在19671967年被年被开发并用做生物材料开发并用做生物材料第三节第三节 陶瓷生物医学材料陶瓷生物医学材料根据不同的生产工艺，可得到不同结构的根据不同的生产工艺，可得到不同结构的碳素材料，主要的类型有三种：碳素材料，主要的类型有三种：通过加热预先成型的因态聚合物使易挥发组分挥通过加热预先成型的因态聚合物使易挥发组分挥发掉而制得。材料的断面厚度一般小于发掉而制得。材料的断面厚度一般小于7mm；将甲烷、丙烷等碳氢化合物通入硫化床中，在将甲烷、丙烷等碳氢化合物通入硫化床中，在10002400热解、沉淀而得。沉积层的厚度一热解、沉淀而得。沉积层的厚度一般为般为1mm；用电弧等离子体溅射或电子束加热碳源而制取的用电弧等离子体溅射或电子束加热碳源而制取的各向同性的碳薄膜，其膜厚度一般在各向同性的碳薄膜，其膜厚度一般在1m左右左右碳素材料是用于心血管系统修复的理想材料，碳素材料是用于心血管系统修复的理想材料，至今世界上已有近百万患者植入了至今世界上已有近百万患者植入了LTILTI碳材的人碳材的人工心脏瓣膜。工心脏瓣膜。碳纤维与聚合物相复合的材料可用于制作人工碳纤维与聚合物相复合的材料可用于制作人工肌键、人工韧带、人工食道等；肌键、人工韧带、人工食道等；玻璃碳、热解碳可用于制作人工牙根和人工骨玻璃碳、热解碳可用于制作人工牙根和人工骨等。等。碳素材料是用于心血管系统修复的理想材料，碳素材料是用于心血管系统修复的理想材料，缺点是机体内长期存在会发生碳离子扩散，对缺点是机体内长期存在会发生碳离子扩散，对周围组织造成染色，但尚未发现由此引发的对周围组织造成染色，但尚未发现由此引发的对机体的不良影响。机体的不良影响。应用应用可吸收生物陶瓷可吸收生物陶瓷一种暂时性骨代替材料，植入人体后材料逐一种暂时性骨代替材料，植入人体后材料逐渐被吸收，同时新生骨逐渐长入而替代之，渐被吸收，同时新生骨逐渐长入而替代之，这种效应称之为降解效应，具有降解效应的这种效应称之为降解效应，具有降解效应的陶瓷材料称为可吸收生物陶瓷；陶瓷材料称为可吸收生物陶瓷；主要应用为脸部和额部的骨缺损、填补牙周主要应用为脸部和额部的骨缺损、填补牙周的空洞，还可作为药物的载体；的空洞，还可作为药物的载体；最早应用的生物降解材料是石膏，石膏的相最早应用的生物降解材料是石膏，石膏的相容性虽好，但吸收速度太快，通常在新骨未容性虽好，但吸收速度太快，通常在新骨未长成就消耗殆尽而造成塌陷。长成就消耗殆尽而造成塌陷。生物活性陶瓷生物活性陶瓷包括各种生物活性玻璃及羟基磷灰石等磷酸盐材料；包括各种生物活性玻璃及羟基磷灰石等磷酸盐材料；羟基磷灰石（羟基磷灰石（CaCa1010(PO(PO4 4)6 6(OH)(OH)2 2）简称）简称HAHA，因为因为HAHA占占人体骨组成的人体骨组成的70-97%70-97%，所以修复骨组织，所以修复骨组织HAHA较金属和较金属和聚合物具有更好的效果；聚合物具有更好的效果；HAHA植入骨组织后，通过外延生长和骨产生牢固的化植入骨组织后，通过外延生长和骨产生牢固的化学键结合，即骨性结合；学键结合，即骨性结合；在生物体中，与骨组织形成紧密的化学键结合层，在生物体中，与骨组织形成紧密的化学键结合层，这种键结合层能阻挡种植体材料被腐蚀，具有极好这种键结合层能阻挡种植体材料被腐蚀，具有极好的耐久力抗疲劳性能。的耐久力抗疲劳性能。第三节第三节 陶瓷生物医学材料陶瓷生物医学材料生物活性玻璃陶瓷又称为生物活性微晶玻璃，这生物活性玻璃陶瓷又称为生物活性微晶玻璃，这是一类含有磷灰石微晶相的陶瓷材料；这类材料是一类含有磷灰石微晶相的陶瓷材料；这类材料能与自然骨形成化学键结合；能与自然骨形成化学键结合；生物活性玻璃陶瓷的制备工艺较简单，首先是通生物活性玻璃陶瓷的制备工艺较简单，首先是通过混料和熔化得到均质玻璃熔体，然后根据对制过混料和熔化得到均质玻璃熔体，然后根据对制品性能的要求选择不同的成型方式制成植入体，品性能的要求选择不同的成型方式制成植入体，如浇注成型法、粉末烧结法；如浇注成型法、粉末烧结法；在临床实践上，生物玻璃已成功地用于做听骨、在临床实践上，生物玻璃已成功地用于做听骨、胯骨、脊椎及骨的填充物；胯骨、脊椎及骨的填充物；磷灰石层与骨的结合，是生物活性材料的本质。磷灰石层与骨的结合，是生物活性材料的本质。第三节第三节 陶瓷生物医学材料陶瓷生物医学材料可治疗癌症的生物陶瓷可治疗癌症的生物陶瓷 例如例如:由由LiFeLiFe3 3O O5 5和和-Fe-Fe2 2O O3 3与与AlAl2 2O O3 3-SiO-SiO2 2-P-P2 2O O5 5玻璃体玻璃体复合材料制得的高密度玻璃具有热磁性。将上述玻复合材料制得的高密度玻璃具有热磁性。将上述玻璃微珠注射在肿瘤的周围，并置于频率璃微珠注射在肿瘤的周围，并置于频率10kHz10kHz、磁场、磁场强度达强度达500 Oe500 Oe的交变磁场中，通过磁滞损失，使肿的交变磁场中，通过磁滞损失，使肿瘤部位加热到瘤部位加热到4343以上，达到有效治疗癌症，并且以上，达到有效治疗癌症，并且骨组织的功能和形状均得到恢复。骨组织的功能和形状均得到恢复。生物陶瓷不仅可用来替代损伤的组织，还可以通过原位杀生物陶瓷不仅可用来替代损伤的组织，还可以通过原位杀死癌细胞，消除被损伤的组织使其康复，而不必切除受损死癌细胞，消除被损伤的组织使其康复，而不必切除受损害的组织；害的组织；生物陶瓷的生物相容性与铁磁性，可作为治疗癌的热源生物陶瓷的生物相容性与铁磁性，可作为治疗癌的热源.第三节第三节 陶瓷生物医学材料陶瓷生物医学材料生物医用高分子材料生物医用高分子材料第四节第四节指用于生物体或治疗过程的高分子材料按来源可分为：天然高分子材料天然高分子材料和人工合成高分子材料人工合成高分子材料强度与硬度较低，可作为软组织替代物；强度与硬度较低，可作为软组织替代物；不发生生理腐蚀；不发生生理腐蚀；制作上易于成型制作上易于成型优点优点缺点缺点可能会因体液或血液中的多种离子、蛋白质可能会因体液或血液中的多种离子、蛋白质和酶的作用而导致聚合物断链、降解；和酶的作用而导致聚合物断链、降解；耐磨损、蠕变等性能也不如金属材料。耐磨损、蠕变等性能也不如金属材料。第四节第四节生物医用高分子材料生物医用高分子材料药物的控制释放体系药物的控制释放体系药物释放体系药物释放体系（DDS-Drug delivery system)在固定的时间内，按照预定的方向向在固定的时间内，按照预定的方向向体内或体内某部位释放药物，并且在体内或体内某部位释放药物，并且在一段时间内使药物的浓度维持在一定一段时间内使药物的浓度维持在一定的水平的水平.第四节 生物医用高分子材料储存器型储存器型DDS：将药物微粒包裹在高分子膜：将药物微粒包裹在高分子膜材里，药物微粒的大小可根据使用目的调整，材里，药物微粒的大小可根据使用目的调整，粒径可从微米到纳米；粒径可从微米到纳米；基材型基材型DDS：将药物包埋于高分子基材中，：将药物包埋于高分子基材中，此时药物的释放速率和释放分布可通过基材此时药物的释放速率和释放分布可通过基材的形状、药物在基材中的分布以及高分子材的形状、药物在基材中的分布以及高分子材料的化学、物理和生物学特性控制。料的化学、物理和生物学特性控制。药物释放的类型药物释放的类型第四节 生物医用高分子材料用于药物释放体系的高分子材料用于药物释放体系的高分子材料常见的水凝胶有聚甲基丙烯酸羟乙酯、聚乙烯醇、聚常见的水凝胶有聚甲基丙烯酸羟乙酯、聚乙烯醇、聚环氧乙烷或聚乙二醇等合成材料及一些天然水凝胶；环氧乙烷或聚乙二醇等合成材料及一些天然水凝胶；水凝胶的生物相容性好，孔隙分布可控；水凝胶的生物相容性好，孔隙分布可控；通常天然高分子（多糖和蛋白质）可为酶或微生物降通常天然高分子（多糖和蛋白质）可为酶或微生物降解，而合成高分子的降解是由可水解键的断裂而进行解，而合成高分子的降解是由可水解键的断裂而进行的；的；不同的可生物降解聚合物的降解速度不同，因此，可不同的可生物降解聚合物的降解速度不同，因此，可方便的控制药物释放的时间。方便的控制药物释放的时间。常用的有：常用的有：水凝胶、生物降解聚合物、脂质体水凝胶、生物降解聚合物、脂质体等等第四节 生物医用高分子材料控制释放的生物活性物质控制释放的生物活性物质半衰期短、毒副作用大的药物半衰期短、毒副作用大的药物蛋白质和多肽药物蛋白质和多肽药物基因和疫苗基因和疫苗第四节 生物医用高分子材料控释药物的剂型与技术控释药物的剂型与技术口服口服注射制剂注射制剂植入制剂植入制剂喷雾剂喷雾剂经皮给药经皮给药粘膜贴剂粘膜贴剂l缓释技术缓释技术l靶向技术靶向技术l纳米技术纳米技术l智能控制释放智能控制释放l第四节 生物医用高分子材料用于人工器官和植入体的高分子材料用于人工器官和植入体的高分子材料在医学上高分子材料不仅被用来修复人体损伤的组织和器官，在医学上高分子材料不仅被用来修复人体损伤的组织和器官，恢复其功能，而且还可以用来制作人工器官来取代全部或部恢复其功能，而且还可以用来制作人工器官来取代全部或部分功能；分功能；用医用高分子材料制成的人工心脏可在一定时间内代替自然用医用高分子材料制成的人工心脏可在一定时间内代替自然心脏的功能，成为心脏移植前的一项过渡措施；心脏的功能，成为心脏移植前的一项过渡措施；人工肾可维持肾病患者几十年的生命；人工肾可维持肾病患者几十年的生命；用有机玻璃修补损伤的颅骨已得到广泛采用；用有机玻璃修补损伤的颅骨已得到广泛采用；用高分子材料制的隐形眼镜片，既矫正了视力又美观方便。用高分子材料制的隐形眼镜片，既矫正了视力又美观方便。应用第四节 生物医用高分子材料用 途材 料用 途材 料肝脏赛璐珞、PHEMA心脏嵌段聚醚氨酯弹性体、硅橡胶肺硅橡胶、聚丙烯空心纤维人工红血球全氟烃胰脏丙烯酸酯共聚物胆管硅橡胶肾脏铀氨法等再生纤维素、醋酸纤维素、聚丙烯腈等关节、骨超高分子量聚乙烯、高密度聚乙烯、尼龙、硅橡胶肠胃片段硅氧烷类皮肤火棉胶、涂有聚硅酮的尼龙织物、聚酯人工血浆羟乙基淀粉、聚乙烯吡咯酮血管聚酯纤维、聚四氟乙烯、SPEU角膜PMMA、PHEMA、硅橡胶耳及耳膜等硅橡胶、丙烯酸基有机玻璃、聚乙烯玻璃体硅油（PVC、聚亚胺酯）喉头聚四氟乙烯、聚硅酮、聚乙烯气管聚四氟乙烯、聚硅酮、聚乙烯、聚酯纤维面部修复丙烯酸基有机玻璃食道聚硅酮、聚氯乙烯（PVC）鼻硅橡胶、聚乙烯乳房硅聚酮腹膜聚硅酮、聚乙烯、聚酯纤维尿道硅橡胶、聚酯纤维缝合线聚亚胺酯医学上应用的部分高分子材料医学上应用的部分高分子材料人工关节人工关节例如：例如：德国产品德国产品 UHMWPE材料材料ISO5834-2ASTM F648可用为人工关节、可用为人工关节、人工骨骼植入人体人工骨骼植入人体极低的能耗极低的能耗第四节 生物医用高分子材料人工股骨人工股骨下部下部人工人工膝盖骨膝盖骨人工人工胫骨骨上部上部临临床床应应用用 关关节节炎炎外外伤伤及及肿肿瘤瘤股骨、股骨、胫骨、胫骨、膝盖骨膝盖骨完整的膝盖造形完整的膝盖造形术人工股骨人工股骨头和和颈人工髋臼（即人工髋臼（即 关节窝、关节窝、吸盘）吸盘）人工人工髋关关节植入是植入是骨外科及整型外科骨外科及整型外科应用中最成功的范用中最成功的范例之一，其数量惊例之一，其数量惊人。人。全臀关节造形术全臀关节造形术全臀关全臀关节造形包括：造形包括：股骨、吸股骨、吸盘、轴肩关肩关节植入已植入已开展多年，但开展多年，但其市其市场规模的模的发展不如膝关展不如膝关节和臀关和臀关节快快肩关肩关节造形造形术脊椎骨脊椎骨The spine gives the body structure and support and protects the spinal cord.It is affected by a variety of pathologies with a corresponding host of treatmentscervicalthoraciclumbarsacro pelvic目前脊椎固定技术目前脊椎固定技术New devices,implantable from a variety of approaches(anterior,posterior,lateral,oblique),continue to emerge,making spine one of the fastest growing segmentsFUSION IMPLANTS Lateral view of total disc replacement(metal,polymer)Posterior view of posterior dynamic non-fusion system(metal,polymer)Axial view of interbody fusion spacer placement(metal,polymer,bone)Posterior view of metallic fusion hardware(screws,hooks,plates,rods)Posterior(rotated)view of facet replacement device(metal)NON-FUSION IMPLANTS Lateral view of fusion construct with interbody spacers&posterior hardwareIM Nail SystemHip Fracture Compression PlateBone fragment plate骨架固定骨架固定珊瑚骨修复材料珊瑚骨修复材料第四节 生物医用高分子材料 组织工程用生物材料组织工程用生物材料 组织和器官损伤或缺陷常规治疗组织和器官损伤或缺陷常规治疗移植移植(人或异种移植人或异种移植)外科修复外科修复人工假体、机械装置人工假体、机械装置第五节第五节组织工程的方法组织工程的方法 以天然、合成或半合成的组织以天然、合成或半合成的组织器官进行模仿，赋予其功能。器官进行模仿，赋予其功能。第五节第五节 组织工程用生物材料组织工程用生物材料组织工程相关材料与技术组织工程相关材料与技术材材 料料技技 术术人工细胞外基质人工细胞外基质大量细胞分离、培养、保存技术大量细胞分离、培养、保存技术细胞生长因子释放载体细胞生长因子释放载体细胞共培养或分化技术细胞共培养或分化技术免疫隔离膜材（水凝胶）免疫隔离膜材（水凝胶）细胞生长因子生产技术细胞生长因子生产技术确保空间用膜确保空间用膜控制释放技术控制释放技术生物降解材料生物降解材料生物系统技术生物系统技术细胞组建材料细胞组建材料功能评价技术功能评价技术第五节第五节 组织工程用生物材料组织工程用生物材料人工皮肤人工皮肤硅橡胶硅橡胶-表表皮皮膜膜 -皮肤皮肤内层内层第五节第五节 组织工程用生物材料组织工程用生物材料治疗过程治疗过程Source:Integra LifeSciences CorporationSource:Integra LifeSciences Corporation双层人工皮肤双层人工皮肤第五节第五节 组织工程用生物材料组织工程用生物材料组织工程人工骨缺损修复示意图组织工程人工骨缺损修复示意图第五节第五节 组织工程用生物材料组织工程用生物材料第五节第五节 组织工程用生物材料组织工程用生物材料生物材料的制备生物材料的制备如何解决材料与人体的相容性第六节第六节一、羟基磷灰石生物材料的制备一、羟基磷灰石生物材料的制备水溶液沉淀法，用于大量制作HA粉体。固相反应法，即高温下通过固相反应合成。烷氧化物法助溶剂溶剂法制备方法水热法：制备大的HA单晶第六节第六节 生物材料的制备生物材料的制备二二.组织工程支架材料的制备方法组织工程支架材料的制备方法目前，有很多的制备方法目前，有很多的制备方法:1.1.纤维连接法纤维连接法利用组织工程技术制得的器官或组织具有生物活性，能很利用组织工程技术制得的器官或组织具有生物活性，能很好的与人体相容，具有被取代受损器官的功能。由组织工好的与人体相容，具有被取代受损器官的功能。由组织工程制得的器官常常需要制备一个临时性的程制得的器官常常需要制备一个临时性的多孔支架多孔支架，其功，其功能是指导种植的细胞或迁移到支架周围的细胞生长或繁殖。能是指导种植的细胞或迁移到支架周围的细胞生长或繁殖。利用聚合物的溶解或熔融，将聚乳酸二氯甲烷溶液利用聚合物的溶解或熔融，将聚乳酸二氯甲烷溶液灌注到聚乙交酯网状纤维上，经热处理后，制成聚灌注到聚乙交酯网状纤维上，经热处理后，制成聚乙交酯增强的网状支架。此法制成的支架，有较大乙交酯增强的网状支架。此法制成的支架，有较大强度和比表面积，但无法调节和控制孔隙率。强度和比表面积，但无法调节和控制孔隙率。第六节第六节 生物材料的制备生物材料的制备将细粉状氯化钠分散到聚乳酸氯仿溶液中将细粉状氯化钠分散到聚乳酸氯仿溶液中，然后在玻璃板上浇铸成膜，用水将氯化，然后在玻璃板上浇铸成膜，用水将氯化钠提取出来，制成孔隙，溶剂挥发后得到钠提取出来，制成孔隙，溶剂挥发后得到多孔膜。多孔膜。此法可以控制孔隙率和孔径。此法可以控制孔隙率和孔径。缺点：只能制备膜材，无法获得三维空间支架。缺点：只能制备膜材，无法获得三维空间支架。用溶剂浇铸法制成多孔膜后，再将其层压用溶剂浇铸法制成多孔膜后，再将其层压成具有三维空间支架，然后按设计的几何成具有三维空间支架，然后按设计的几何形状切割，即按解剖学制成可降解的聚乳形状切割，即按解剖学制成可降解的聚乳酸或其共聚物支架。酸或其共聚物支架。用途：软骨或骨的修复用途：软骨或骨的修复第六节第六节 生物材料的制备生物材料的制备将聚合物加热熔融后加压制成膜材。将聚合物加热熔融后加压制成膜材。聚乙丙交酯聚合物用熔融膜压法制三维多孔性支聚乙丙交酯聚合物用熔融膜压法制三维多孔性支架时所用的制孔剂为明胶微球或其它水溶性物质。架时所用的制孔剂为明胶微球或其它水溶性物质。用水提取制孔剂后，得到多孔性支架。此法可用用水提取制孔剂后，得到多孔性支架。此法可用于以聚乙交酯或聚乳酸为原料的支架制备。于以聚乙交酯或聚乳酸为原料的支架制备。第六节第六节 生物材料的制备生物材料的制备设计骨再生支架，首先要设计三维多孔性、形状设计骨再生支架，首先要设计三维多孔性、形状不规则的聚合物支架，其次要求其具有高强度，不规则的聚合物支架，其次要求其具有高强度，能承受骨应力，直到长出新骨。能承受骨应力，直到长出新骨。可用溶剂浇铸法将羟基磷灰石与制孔剂和聚合物可用溶剂浇铸法将羟基磷灰石与制孔剂和聚合物溶液混合均匀，然后将溶液挥发，制成增强的多溶液混合均匀，然后将溶液挥发，制成增强的多孔膜，再经层压制成三维多孔结构支架。用羟基孔膜，再经层压制成三维多孔结构支架。用羟基磷灰石纤维增强的聚合物多孔支架与未增强的材磷灰石纤维增强的聚合物多孔支架与未增强的材料相比，其抗压强度显著增强。料相比，其抗压强度显著增强。将聚合物溶于溶剂，加入活性分子，冷却后形成液-液相，急冷，令其固化，再升华除去溶剂，可得到含有活性因子的多孔性支架。相分离法是制备支架的一种新方法。支架中引入的活性物质植入人体后进行释放，对组织的生长和细胞的功能都有巨大作用，制造多孔性聚乳酸支架时为了使活性物质避免化学、高温的恶劣环境，可采用本法。在需要原位修补损伤部位（如手术进行中）时，可将单体置于损伤处进行聚合。为制成多孔性固化材料，可在聚合体进行交联反应时加入氯化钠，形成的孔道能使组织长入，为了促进骨的生长，可加入三磷酸钙或其它骨诱导剂。聚富马酸丙稀酯是生物降解材料，待新骨生长后材料逐渐降解并从体内排除。第六节第六节 生物材料的制备生物材料的制备三三.金属表面生物活化医用材料的制备金属表面生物活化医用材料的制备第六节第六节 生物材料的制备生物材料的制备由于医用金属材料的结构和性质与骨组织相差很大，由于医用金属材料的结构和性质与骨组织相差很大，通常不能像生物活性材料那样与骨组织发生化学键性通常不能像生物活性材料那样与骨组织发生化学键性结合，此外，由于金属与骨组织的弹性模量相差悬殊，结合，此外，由于金属与骨组织的弹性模量相差悬殊，植入体生物力学相容性欠佳，易产生应力集中和骨吸植入体生物力学相容性欠佳，易产生应力集中和骨吸收不良后果。收不良后果。为了赋予金属材料以生物活性，常用各种工艺技术进为了赋予金属材料以生物活性，常用各种工艺技术进行表面活化处理：直接在金属材料表面涂覆行表面活化处理：直接在金属材料表面涂覆HA或其它或其它磷酸盐涂层，或是使金属处理后置于生理环境或模拟磷酸盐涂层，或是使金属处理后置于生理环境或模拟生理环境，在表面诱导生理环境，在表面诱导HA形成。形成。表面活性处理后，金属骨替换材料既保持了金属材料表面活性处理后，金属骨替换材料既保持了金属材料高的力学强度，又有生物活性。高的力学强度，又有生物活性。三三.金属表面生物活化医用材料的制备金属表面生物活化医用材料的制备物理方法电化学方法化学方法浸涂法烧结法物理气相沉淀法等离子喷涂法离子溅射法离子注入法磁控溅射法脉冲激光法阴极沉淀法阳极氧化法电泳法电化学结晶法钛酸酯法甘油磷酸盐法双氧水法溶胶-凝胶法碱处理法酸、碱两步法表面诱导矿化法酸处理法第六节第六节 生物材料的制备生物材料的制备上述各种方法的应用主要包括两类上述各种方法的应用主要包括两类:(1)1)针对钛和钛合金进行特有的生物活化处理，即在钛表面针对钛和钛合金进行特有的生物活化处理，即在钛表面制备活性二氧化钛层。制备活性二氧化钛层。（2 2）在医用金属材料表面上涂覆）在医用金属材料表面上涂覆HAPHAP或其他磷酸盐涂层。或其他磷酸盐涂层。(一）钛和钛合金的生物活化处理一）钛和钛合金的生物活化处理 钛表面的二氧化钛是致密的钝化层，诱导磷酸盐沉积的能力极差。钛表面的二氧化钛是致密的钝化层，诱导磷酸盐沉