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类型凝聚态物理专题-纳米生物材料.ppt

  • 上传人:gsy285395
  • 文档编号:5318586
  • 上传时间:2019-02-20
  • 格式:PPT
  • 页数:37
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    凝聚态物理专题-纳米生物材料.ppt
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    1、单击 此 处编辑 母版标题样 式单击 此 处编辑 母版副 标题样 式* 1凝聚态物理专题 纳米生物材料及组织工程材料什么是生物医用材料生物医用材料( biomedical materials)狭义:长期与活体组织接触或植入活体内部,起某种生物功能的材料。广义:包括制造生物医药的原材料、医学诊断试剂、药物输送释放体系用材以及一次性使用的生物医用材料。生物体材料( biological materials)生物体材料按形成类型分为硬组织和软组织两种。硬组织主要包括生物矿物、生物体硬组织等等。软组织包括细胞、细胞基质、器官等等。生物矿化与生物矿物生物矿化是指生物体系中具有特殊的高级结构和组装方式的生

    2、物矿物形成过程。被生物体摄入的金属离子,除构成一些具有生物活性的配合物外,还通过形成生物矿物以构成骨骼、牙齿等硬组织。这些硬组织所包含的矿物质如羟基磷灰石、方解石等,从组成上看,与自然界岩石相同,因此被称为“生物矿物 ”。生物体材料( biological materials)一、生物医用材料的分类按照材料属性分类合成高分子材料天然高分子材料金属与合金材料无机材料复合材料按照材料用途分类生物惰性( bioinert)材料生物活性( bioactive)材料生物降解( biodegradable)材料二、对生物医用材料的一般要求 具有良好的血液相容性和 组织 相容性 耐生物老化,即 长 期植入材

    3、料的生物 稳 定性好; 暂时 植入的材料在确定的 时间 内降解 为 可被人体吸收或代 谢 的无毒 单 体或片段 物理性 质 和力学性 质稳 定 易于加工成型 便于消毒灭菌、无毒无热源 不致癌不致畸( 1)有机大分子预组织:在矿物沉积前构造一个有组织的反应环境,该环境决定了无机物成核的位置。但在实际生物体内所发生的矿化过程中,有机基质是处于动态的 ;( 2)界面分子识别:在己形成的有机大分子组装体的控制下,无机物从溶液中在有机 /无机界面处成核。分子识别表现为有机大分子在界面处通过晶格几何特征、静电势相互作用、极性、立体化学因素、空间对称性和基质形貌等方面影响和控制无机物成核的部位、结晶物质的选

    4、择、晶型、取向及形貌 ;( 3)生长调制:无机相通过晶体生长进行组装得到亚单元,同时形态、大小、取向和结构受到有机分子组装体的控制。( 4)细胞加工:在细胞参与下亚单元组装成高级的结构,该阶段是造成天然生物矿化材料与人工材料差别的主要原因。 生物矿化作用分为四个阶段矿物 化学组成 生物体 /功能碳酸钙(方解石) CaCO3 海藻 /外骨骼;软体动物 /视网膜碳酸钙(方解石) CaCO3 鱼类 /鱼耳石;软体动物 /壳碳酸钙(无定形) CaCO3 高等植物 /存储钙羟基磷灰石 Ca10(PO4)6(OH)2 牙齿、骨骼、鱼鳞 /存储钙、支撑组织氟磷灰石 Ca10( PO4) 6F2 软体动物壳、

    5、牙齿 /存储钙、支撑组织磷酸八钙 Ca8H2(PO4)65H2O 牙齿 /存储钙、支撑组织草酸钙 CaC2O4H2O 高等植物 /存储钙石膏 CaSO4 水母 /鱼耳石重晶石 CaSO4 海藻无定形二氧化硅 SiO2nH2O 海绵骨骼,硅藻细胞壁磁铁矿 Fe3O4 细菌,牙齿针铁矿 -FeO(OH) 牡蛎牙水铁矿 5Fe2O39H2O 动物,高等植物 /铁蛋白黄铁矿 FeS2 细菌磁复铁矿 Fe3S4 细菌黑锰矿 Mn3O4 细菌硫化镉 CdS 细菌生物体内主要的无机矿物的种类及其功能 碳酸钙生物体中的碳酸钙具有 5种常见结晶形态:方解石、文石、球霰石、水合碳酸钙和无定形碳酸钙。Hua Ton

    6、g, et al. Biomaterials,2004,3923-3929.磷酸钙磷酸钙是生物硬组织中最重要的无机物,主要存在于骨、软体动物的壳、牙齿以及作为生物传感器的耳蜗等正常矿化产物中,在病理矿化产物如动脉硬化、尿结石和牙结石中也存在。磷酸钙对生物硬组织的稳定性、硬度和功能等方面起着重要作用。生物体内的磷酸钙是在常压、常温下沉积而成,以纳米晶体结构存在。生物体中的磷酸钙盐主要有羟基磷灰石( HAP)和磷酸八钙( OCP)等。人们在深入了解了生物矿化的机理后,在生物医用材料领域开展了大量研究工作。赋予材料以生物功能使其植入体内后能充分调动人体自体修复和完善能力,从而实现损伤或病变组织、器官

    7、的永久修复,已成为二十一世纪生物材料发展的方向和前沿。对于生物医用材料而言,磷酸钙具有与脊椎动物的硬组织,如骨骼、牙齿等相似的矿物成分和结构,因此,科学家们力图从 Ca-P生物材料方面进行新材料的制备,并取得了大量的成果。Chitosan filmHydroxyapatiteCOOHCOOHNH2Ca2+PO43-AsparticAcidSCS solutionNucleation centreHAP growth on the surface of modified chitosan film vertically.HAP growth on the surface of modified

    8、chitosan film horizontally.chitosan/L-Asp膜在 SCS溶液中诱导过程的示意图Zhihong Zhu, et al. Biosensors & Bioelectronics, 2006,291-297.组织工程材料和人造器官组织工程学是由美国国家科学基金委员会于 1987年正式提出和确定的,是应用细胞生物学、生物材料和工程学的原理,研究开发用于修复或改善人体病损组织或器官的结构、功能的生物活性替代物的一门科学。组织工程学的研究领域涉及到了物理学、化学、材料学、工程学及生命科学。在医学领域,包括基础医学的遗传学、组织胚胎学、细胞生物学、分子生物学等;在临床医

    9、学领域包括骨科、整形外科、胸外科、神经外科、口腔颌面外科、五官科、普外科、康复医学等。在材料学方面,主要涉及可降解高分子材料、陶瓷材料;生物衍生材料包括天然生物衍生材料和提纯衍生材料(如胶原)等。 生物材料在医学中的应用( 1)人工脏器( 2)硬组织修复与骨组织工程( 3)血管移植材料与组织工程( 4)眼科的生物材料( 5)齿科的生物材料( 6)人工皮肤与组织工程( 7)缝合线和黏合剂( 8)药物控制释放系统Zhihong Zhu, et al. Key Engineering Materials, 2006,717-720.Kobayashi M., et al. Bone,2006,1235-1239. 组织工程学的核心内容:( 1)合适的种子细胞的来源( 2)可供细胞贴附生长的生物支架或细胞外基质( 3)用于促进组织再生的生长因子( 4)组织的相容性等问题。生物材料所必须具备的基本性能:( 1)良好的生物相容性,植入体内的材料本身及其降解物质对机体不产生毒副作用( 2)具有三维空间结构和高孔隙率( 3)具有一定的机械强度和良好的可塑性( 4)材料的降解速度可以调控( 5)良好的细胞亲和性( 6)易于消毒DNA模板对纳米材料晶体生长的调控作用陈霞等 ,高等学校化学学报 ,2000,21:1115.多糖模板对纳米材料晶体生长的调控作用蛋白质模板对纳米材料晶体生长的调控作用

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