1、生物医用材料 在骨科临床应用,邱贵兴 北京协和医院骨科,生物材料的概念,生物材料(Biomaterials)即生物医学材料(Biomedical Materials),用于人体组织和器官的诊断 修复或增进其功能的高技术材料取代 修复活组织的天然或人造材料其作用药物不可替代 能增进或替换因疾病 损伤等失去的某种功能,生物医用材料的用途,替代损害的器官或组织如：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、心脏起搏器等用于治疗过程如：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,生物材料发展概况 古代,公元前5000年 黄金修复缺损牙齿 并沿用至今公元前35
2、00年古埃及人用棉花纤维 马鬃缝合伤口印第安人用木片修补颅骨公元前2500年中国和埃及的墓葬中发现假牙 假鼻和假耳隋末唐初银膏补牙 成分是银、锡、汞与现代牙齿填充材料类似,生物材料发展概况 近代,1588年 黄金板修复颚骨1775年 金属固定体内骨折1829年 多种金属的动物实验发现金属铂对机体组织刺激最小 1851年 发明了天然橡胶的硫化方法开始用天然高分子硬橡木制作人工牙托和颚骨进行临床治疗1892年 用硫酸钙填充骨缺损陶瓷材料植入人体的最早实例,生物材料发展概况 现代,生物材料取得实质性进展 始于20世纪20年代,生物材料的分类,按材料性质分类按材料功能分类按材料来源分类按使用部位分类,
3、通常按材料性质分类,金属材料 不锈钢 钴基合金 钛基合金等广泛应用于人工假体 人工关节 医疗器械 非金属材料 无机材料 有机材料,无机材料 主要是生物陶瓷分为惰性生物陶瓷 如氧化铝生物陶瓷表面生物活性陶瓷 如磷酸钙基生物陶瓷可降解生物陶瓷 如-磷酸三钙陶瓷等 有机材料 PMMA聚乙交酯 聚丙交酯生物胶 聚乳酸,通常按材料性质分类,高分子材料 根据来源分天然和合成天然 如多糖类、蛋白类合成 如硅橡胶、聚乙烯、聚乳酸、聚四氟乙烯等用于人体器官 组织 关节 药物载体等 生物复合材料 不同种材料混合或结合 克服单一材料缺点 可获性能更优的材料,按材料功能分类,硬组织相容性材料 用于关节 牙齿及其他骨组
4、织软组织相容性材料用于人工皮肤 人工气管 人工食道等血液相容性材料用于人工血管 人工心脏 血浆分离膜血液灌流用吸附剂 细胞培养基材等生物降解材料用于吸收型缝合线 药物载体 愈合材料粘合剂及组织缺损用修复材料,按材料来源分类,自体组织 如人体髂骨 血管等同种异体器官及组织异种器官及组织天然生物材料 动物骨胶原 甲壳素 珊瑚等人工合成材料 人工合成的新型材料,按使用部位分类,硬组织材料 骨、牙齿用材料 软组织材料 软骨、脏器用材料心血管材料 心血管以及导管材料血液代用材料 人工红血球 血浆等分离、过滤、透析膜材料血液净化 肾透析及人工肺气体透过材料等,对生物医用材料的基本要求,良好的生物相容性良好
5、的化学稳定性满足生物力学要求可灭菌 可成型 易加工,生物相容性,无毒 无刺激 无致畸 致敏 致突变或致癌在体内不被排斥 无炎症 无慢性感染 不引起周围组织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 无溶血 凝血反应等,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,生物力学要求,足够的静态强度如抗弯 抗压 拉伸 剪切等有适当的弹性模量和硬度耐疲劳 摩擦 磨损,其 它 要 求,良好的空隙度 体液及组织易长入易加工成形 使用操作方便消毒灭菌不变质等性能,生物材料在骨科的应用,不锈钢 钴基合金 钛合金 记忆合金,生物材料在骨科领域 发展最迅速 应用最广泛,一、
6、 金属材料,不锈钢为铁基合金 成本低 在体内有腐蚀和组织反应等 添加Mo可克服铬钝化膜在氧化 环境中耐腐蚀性能 如加Mo的316、317 降低碳含量 如使用超低碳的 316L可防止晶间腐蚀.可用来制 作人工关节和骨折内固定器等 目前最常用于手术工具的制造,1、不锈钢,加Mo的钴基合金 耐腐蚀性是不锈钢如316的40倍 钴铬钼合金的生物相容性超过铁铬镍和钴铬合金 钴基合金的耐磨性是所有医用金属材料中最好的 更适于体内的长期植入物 用于人工关节接骨板骨钉等,CoCrMo合金制股骨帽,2、钴基合金,骨科应用以纯钛和TC4 (Ti-6Al-4V)为主 强度不如钴基合金 耐腐蚀性好 与人体组织反应很弱
7、钛合金的密度小 弹性模量低 接近于天然骨 有良好的耐疲劳性能 广泛用于制作人工关节 接骨板 骨螺钉 髓内钉等,3、钛基合金,1951年美国 首次报道Au-Cd（金-镉）合金具形状记忆效应 目前已有20多种记忆合金 其中镍钛合金临床上应用最大 不同的温度下表现为不同的金属结构相如低温时为单斜结构相 高温为立方体结构相 前者柔软可随意变形 后者刚硬可恢复原形状 并在形状恢复过程中产生较大的恢复力,4、形状记忆合金,脊椎矫正植入体,特点 奇特的形状记忆功能 质轻磁性微弱 强度较高 耐疲劳性 高回弹性和生物相容性好 应用 人工关节 骨折连接脊柱侧凸矫形等,5、纯金属钽（Ta）,良好生物相容性和可塑性
8、无毒性独特的表面负电性使其具优良抗血栓性和生物相容性很高的抗缺口裂纹能力能和周围的新骨形成骨性结合植入软组织可依附在表面正常生长退火后的纯钽很软 可加工成板 带 箔 丝等主要用作接骨板 骨螺钉 钽网用于肌肉缺损修补钽丝和箔用于修补受损的神经 肌腱由于钽资源少 价格较高 推广受限制,生物陶瓷,是经高温处理所成的 无机非金属材料,二、非金属材料,（一）无机材料,惰性生物陶瓷 生物体内与组织反应很小如氧化铝陶瓷 用于人工关节活性生物陶瓷 生理环境下与组织界面形成化学键结合 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 用于需骨长入的假体表面涂层 人工植骨材料等可吸收生物陶瓷 在生物体
9、内逐渐降解 被骨组织吸收如磷酸三钙等 多用于填充植骨材料,分类及骨科应用,高纯氧化铝生物陶瓷制备关节头 无钒钛合金制备 关节柄 在柄部涂覆生物活性陶瓷涂层 有效解决人工关节易磨损 生物相容性不佳 松动 下沉等问题 提高使用寿命,可降解陶瓷药物载体,植入骨病灶区可持续缓慢释放药物 有效治疗骨结核 骨肿瘤等 且兼有补骨作用,生物医用高分子材料,分子量在几万至几百万如蛋白质 棉 毛 木材 松香 橡胶 塑料 合成纤维按来源分天然和人工合成两种,（二）有机材料,天然高分子生物材料 胶原蛋白,组织相容性好 植入人体后无刺激性 无毒性反应 促进细胞增殖 加快创口愈合并具可降解性 可被人体吸收 降解产物无毒副
10、作用 胶原凝胶 创伤敷料 粉末 止血剂和药物释放系统 纺丝纤维 人工血管 人工皮 人工肌腱 外科缝线 海绵 创伤敷料和止血剂等,天然高分子生物材料 纤维蛋白,主要来源于血浆蛋白 具血液和组织相容性 无毒副作用和其他不良影响 临床已应用很久纤维蛋白粉末 止血剂 可与抗菌素共用充填慢性骨炎和骨髓炎手术后骨缺损纤维蛋白海绵 止血的填充物组织代用品 商品名Bioplast 关节成型术,合成高分子生物材料 硅橡胶,平均分子量40万 有机硅弹性体的主要成分含有硅原子的特种合成橡胶的总称无毒无味 生物相容性好 耐生物老化抗凝血性较好 长期植入体内物理性能下降甚微耐高温严寒( -90- 250) 良好的电绝缘
11、性耐氧老化 耐光老化 防霉 化学稳定性主要用于人工髓核 DIAM,合成高分子生物材料 聚四氟乙烯（PTFE）,又名泰氟隆（Teflon） 最好的耐高温塑料 热塑性塑料结晶熔点327 几乎完全是化学惰性的具自润滑性或非粘性 不易被组织液浸润可做成膜状材料用于脊柱减压手术 肌腱吻合手术等防粘连,合成高分子生物材料 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）,具良好生物相容性 耐老化性 机械强度较高用于骨水泥,可吸收内固定材料 抗弯强度120MPa 植入体内无需取出 对组织无刺激 能被人体完全吸收 最终代谢为二氧化碳、水等 适用于人体松质骨骨折 截骨术和关节融合术的骨块（段）固定,合成高分子生物材料 聚乳酸,组
12、织 工 程,近年来新兴的多学科交叉生命科学目的是修复和再生受损组织或器官帮助恢复受损组织的功能 提高生活质量解决器官短缺和免疫抑制等问题,组 织 工 程,定义利用工程学和生命科学基本原理 开发能恢复 维持或改善受损组织或器官功能的生物替代物 综合了细胞生物学 工程学 材料学和临床医学领域 用活细胞和细胞外基质或骨架构造一个新的功能化组织或器官研究领域新型聚合物的合成 信号传导 培养细胞的基因调节和移植有关的免疫问题等 研制产品 包括软骨组织、腱组织、骨组织等,生物材料的发展趋势,复合型 两种以上材料混合或结合 克服单一材料缺点杂化型 合成材料与生物体高分子材料或细胞的杂化功能型 在生理环境下表现为特殊功能的材料形状记忆材料 组织引导再生材料 智能型 能模仿生命系统 并具感知和驱动双重功能感知 反馈和响应是该材料的三大要素高新技术 传感器和执行元件与传统材料结合赋予材料新性能 使其具更多生物特性,
