生物医学材料.ppt

1、1,生物医学材料,2,本章内容,生物医学材料的用途、基本特性及分类,1,2,金属生物医学材料,生物医用材料市场发展概况,生物医用高分子材料,4,组织工程用生物材料,5,生物材料的制备,6,陶瓷生物医学材料,7,3,生物医学材料的用途、基本特性及分类,4,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，亦称生物材料。,第一节 生物医学材料的用途、基本特性及分类,5,生物医学材料的用途,替代损害的器官或组织例如：人造心脏瓣膜、假牙、人工血管等；改善或恢复器官功能的材料如：隐型眼镜、心脏起搏器等；用于

2、治疗过程例如：介入性治疗血管内支架、用于血液透析的薄膜、药物载体与控释材料等。,第一节 生物医学材料的用途、基本特性及分类,6,人造牙齿,第一节 生物医学材料的用途、基本特性及分类,7,人造血管,第一节 生物医学材料的用途、基本特性及分类,8,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,9,心脏起搏器,第一节 生物医学材料的用途、基本特性及分类,10,生物医学材料的研究内容,生物体生理环境、组织内容、器官生理功能及其替代方法。,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。,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

3、互作用以及养活材料毒副作用的对策。,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。,第一节 生物医学材料的用途、基本特性及分类,11,生物医学材料的分类,按化学组成和来源分类,无机医用生物材料天然医用生物材料合成高分子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,12,按用途分类,医疗用生物材料医用生物材料药用生物材料,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,用在人体上以医疗为目的与人体不接触或短暂接触的材料。如：一次性注射器、导液管等。,长期与人体接触的材料。如：人工脏器、人造血浆、医用粘合剂等。,在药物

4、制剂加工中添加的除五药以外的非治疗性物质，即药用辅料。,13,按在人体中的应用部位分类,硬组织材料 软组织材料 心血管材料 血液代用材料 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,14,按使用要求分类,非植入性材料 植入性材料 血液接触性材料 降解、吸收性材料,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,15,第一节 生物医学材料的用途、基本特性及分类,16,生物医学材料基本要求-生物相容性,血液相容性：无溶血、凝血反应等组织相容性：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，无慢性感染，种植体不致

5、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；生物降解吸收性：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。,第一节 生物医学材料的用途、基本特性及分类,17,生物医学材料基本要求-化学稳定性,耐体液侵蚀，不产生有害降解产物；不产生吸水膨润、软化变质；自身不变化。,第一节 生物医学材料的用途、基本特性及分类,18,生物医学材料基本要求-力学条件,足够的静态强度，如抗弯、抗压、拉伸、剪切等；具有适当的弹性模量和硬度；耐疲劳、摩擦、磨损、有润滑性能

6、。,第一节 生物医学材料的用途、基本特性及分类,19,生物医学材料基本要求-其它要求,良好的空隙度，体液及软硬组织易于长入；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。,第一节 生物医学材料的用途、基本特性及分类,20,金属生物医学材料,第二节,21,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生物惰性材料，应具有:良好的力学性能及相关的物理性质 优良的抗生理腐蚀性 优良的组织相容性,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等三大类。,第二节 金属生物医学材料,22,不锈钢

7、,依其显微组织的特点可分为:奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、沉淀硬化不锈钢等类型,耐蚀性随含碳量的降低和含铬量的增加而提高；提高含碳量，形成马氏体组织，有利于提高硬度；目前主要用于医疗器械。,铁素体和马氏体不锈钢主要成分是Fe、Cr、C,第二节 金属生物医学材料,23,骨科：各种人工关节和骨折内固定器；口腔科：镶牙、矫正和牙根种植等各种器件;心血管科：传感器的外壳与导线、介入性治疗导丝与血管内支架等。,奥氏体不锈钢,较好的耐蚀性；具有高的塑性，易于加工变形制成各种形状，无磁性，韧性好；较好的生物相容性和综合力学性能，得到广泛应用。,性能,第二节 金属生物医学材料,24,第二节 金属生

8、物医学材料,不锈钢的应用,医用不锈钢镊子,医用不锈钢针头,25,钴基合金,研制出锻造钴铬钼钨铁合金和MP35N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锻造钴铬钼合金，并应用于临床,成功地制成人工髋关节,用于制作接骨板、骨钉等固定器械,比不锈钢耐蚀性好 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,第二节 金属生物医学材料,26,第二节 金属生物医学材料,钴基合金应用,整形外科：用于制造人工髋关节、膝关节以及接骨板、骨钉、关节扣钉等心脏外科：用于制造人工心脏瓣膜等,接骨板,人工髋关节,27,钛基合金,Ti密度小，比强度（强度密度之比）高，是不锈钢的3.5倍；

9、Ti与氧反应形成的氧化膜致密稳定，有很好的钝化作用，因此，Ti合金具有很强的耐蚀性；对人体毒性小，密度小，弹性模量接近于天然骨，纯钛与钛合金植入物很少与周围组织反应，采用钛基合金则有利于进一步提高植入金属材料的性能。,各种人工关节，接骨板，牙根种植体，牙床，人工心脏瓣膜，头盖骨修复等,应用,第二节 金属生物医学材料,28,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，它嵌在粘于髋骨窝中的一个塑料臼中。,29,30,31,人工关节感染示意图,肉芽和脓液,人工关节,骨水泥,32,第二节 金属生物医学材料,银汞合金 主要成分:银、锡、铜、铅,33,固定骨头的螺丝和夹板,第二节 金属生物

10、医学材料,34,陶瓷生物医学材料,第三节,35,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,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；,陶瓷成形容易，可以根据使用要求，制成各种形态和尺寸；,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。,第三节 陶瓷生物医学材料,36,各类生物材料比较,第三节 陶瓷生物医学材料,37,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：,惰性生物陶瓷,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

11、小，例如氧化铝陶瓷和蓝宝石、碳、氧化锆陶瓷、氮化硅陶瓷等；,活性生物陶瓷,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。如羟基磷灰石等陶瓷及生物活性玻璃，生物活性微晶玻璃；,可被吸收生物降解陶瓷,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，例如磷酸三钙等。,第三节 陶瓷生物医学材料,38,各种生物陶瓷在临床上的应用,Al2O3陶瓷、生物活性玻璃及生物活性微晶玻璃、磷酸盐陶瓷,PLA-碳纤维复合材料,Al2O3陶瓷、氟聚合物/金属基复合材料、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,Al2O3陶瓷、稳定ZrO2陶瓷、具有生物活性的表面涂层的相应

12、材料等,第三节 陶瓷生物医学材料,聚乳酸,39,生物玻璃、羟基磷灰石,高凝血，摩擦系数小,多用Al2O3陶瓷,磷酸钙及磷酸钙盐粉末或颗粒,生物活性玻璃或生物活性玻璃陶瓷,各种生物陶瓷在临床上的应用,第三节 陶瓷生物医学材料,40,惰性生物材料氧化铝陶瓷,视制造方法的不同，用于生物医学的氧化铝分为: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，只有高纯度（99.5%）、高密度（3.90g/cm3)、晶粒细小且均匀（平均晶粒尺寸7m)的氧化铝陶瓷才能显示出Al2O3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、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

13、瓷的力学性能更为突出，单晶氧化铝在C轴方向具有相当高的抗弯强度（1300MPa），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。,第三节 陶瓷生物医学材料,41,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：1、

14、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 陶瓷生物医学材料,42,碳素材料,碳素材料质轻而且具有良好的润滑性和抗疲劳特性，弹性模量与致密度与人骨的大致相同；碳材料的生物相容性好，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；碳素材料在人体内不发生反应和溶解，生物亲和良好，耐蚀，对人体组织的力学刺激小。,碳材料在1967年被开发并用做生物材料,第三节 陶瓷生物医学材料,43,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：,玻璃碳材料,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

15、一般小于7mm；,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。沉积层的厚度一般为1mm；,热解碳（LTI碳）,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1m左右,低温气相沉积碳,44,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LTI碳材的人工心脏瓣膜。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等。,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。,应用,4

16、5,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。,46,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；羟基磷灰石（Ca10(PO4)6(OH)2）简称HA，因为HA占人体骨组成的70-97%，所以修复骨组织HA较金属和聚合物具有更好的效果；HA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；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，具有极好的耐久力抗疲劳性能。,第三节 陶瓷生物医学材料,47,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，如浇注成型法、粉末