1、科目：生物材料姓名：罗叙松学号：09057220与人体关系最密切的材料生物材料摘要：21 世纪对国计民生影响最大、发展最迅速、应用最广泛的仍然是医疗卫生领域的生物材料的使用及发展，从古至今，生物材料为保障人类健康、提高生活质量、延长寿命提供了最有效的手段为疾病的预防和治疗提供了新的药品和制剂，更多的生物材料的问世将人类文明推向新的里程。本文将从以下几个方面做简单的介绍：生物材料简介、生物材料在人类生活中的应用以及生物材料的发展前景及设想等。关键词：生物材料 发展 应用 前景 展望 在人类历史发展的长河中，生物材料的发展也经历了几个世纪，在科学家们的不断努力之下，如今生物材料的发展，从材料本身来
2、看，是从单一材料到复合材料的发展，是从简单材料到复杂材料的发展，小到纳米材料， 大到各种人工器官，品种繁多而且作用各异。在临床上，有疾病和损伤器官和组织的修复和代替，有各种伤口的愈合，各种身体异常功能的改善和纠正，还有疾病诊断和治疗等，均有生物材料的影子。可以豪不拘束的说，从人体的头部和脚跟，乃至内脏各器官，无不涉及生物材料的使用，人类生活与生物材料息息相关。一.生物材料及其发展1.1 生物材料生物材料，又称生物医用材料，是和生物系统相作用，用以对生物体进行诊断、治疗修复和置换损坏的组织、器官或增进其功能的材料，即直接与人体接触处置和诊治的相关材料。可以是天然材料，也可以是合成材料，或是他们的
3、结合，还可以是有生命力的或体细胞或天然组织与无生命的材料结合而成的材料。材料科学的发展水平已成为当今社会衡量一个国家现代化水平的重要标志，同样，生物材料的应用范围以及发展也是衡量一个国家医疗和科技的重要标志。依据材料的不同，不同的生物材料可分为不同的类型。按照材料的来源，生物材料可分为：自体生物器官或组织、同种异体器官或组织、异种异类器官或组织、天然生物材料、人工合成材料等；按照材料的组成和性质来分，可分为生物金属材料、生物无机非金属材料、生物高分子材料及生物复合、杂化材料；按材料用途分类分为：修复和替换材料、软组织材料、血液代替材料、分离或透过性膜材料、组织粘合剂、药用载体材料等；若按材料与
4、人体接触的关系来分，还可分为长期植入材料、短期植入材料、生物降解和吸收性材料以及一次性使用医疗用品等。1.2 生物材料的发展自从地球上出现了人类，人类就一直不断的于各种疾病作斗争，而生物材料则正是人类同疾病作斗争的有力工具之一。据史料记载，早在公元前 3500 年，古埃及人和中国人就会利用棉花纤维和马鬃来缝合伤口，用象牙修复人体失牙。直到 20 世纪 30 年代，由于科学技术和医学的发展，特别是新型高分子材料的研究与开发，为生物材料的研究和应用提供了极大的发展空间和机遇。1939 年，有机玻璃出现后，科学家们很快制造出假牙及人工骨应用于临床。1943 年，赛璐珞作为透析膜制成人工肾获得成功，大
5、大的促进了生物材料和人工器官的发展，继而出现了人工骨、人工肾、人工气管等。20 世纪 50 年代，科学家又研制出人工尿道、人工血管、心脏起搏器、人工心肺等。20 世纪 70 年代，羟基磷灰石、珊瑚等生物活性陶瓷问世，同时，还有人工胰、人工血液也相继出现。20 世纪 80 年代，随着生物技术的研究，人类开始将生物技术应用于研究新的生物材料，迈入 21 世纪，将成为具有巨大潜力的高科技新兴产业。二.常用生物材料及广泛应用生物材料以生物技术和生物工程学为基础，即以基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程、生物分离工程等五大生物工程技术为基础产生的各种各类生物材料在医疗医药、化工生产、食品加工、科学研究、
6、农业生产、环境保护、能源开发等方面和领域有广泛的应用和密切的联系。其中，生物金属材料、生物无机材料、生物高分子材料、生物复合材料等作为生物材料的重要组成部分，在人们的日常生活中已得到广泛应用。 2.1 生物金属材料生物金属材料又叫做医用生物材料，是生物惰性材料。金属生物材料是应用最早、目前临床上用量最大的生物材料。生物金属材料具有机械强度高、抗疲劳性能强、抗生理腐蚀性强、良好的生物相容性等优良特性，因而广泛应用于人体硬组织的修复或替代以及医疗器械设备等。随着高性能的不锈钢、强性极好的钛合金、以及多孔金属材料、记忆合金材料、复合材料等新型生物金属材料的不断出现，金属材料在临床上的应用将更为广泛。
7、目前，已经用于临床的医药用金属生物材料主要有不锈钢、钴基合金、钛及其合金等三大类，还有形状记忆合金、部分贵金属、纯金属钽、铌等，主要用于硬组织修复机替换，也常用于心血管和软组织的修复。此外，骨科中的用于制造各种人工关节、人工骨以及固定器械，牙科中主要用于制造义齿、充填体及辅助治疗器械，另外还有用于制造心脏瓣膜、肾瓣膜、人工气管、心脏起搏器及生殖避孕工具等。需要注意的是，生物金属材料在临床应用中由于生理腐蚀产生的金属离子会向周围的组织扩散及导致植入材料自身性质的改变，从而产生毒副作用。2.2 生物高分子材料生物高分子材料是近年来发展最快的材料，主要包括天然高分子材料和人工合成的生物高分子材料，据
8、统计，已经制得的高分子材料产品将近两千多种，可以毫不客气的说，几乎所有的人工器官都用到了生物高分子材料，只被其他的医疗器械及药品都离不开生物高分子材料。目前，各国都在热议的组织工程的支架材料广受人们的青睐。按照材料的性质生物高分子材料可分为可以降解的和不能降解的高分子材料。具体的，有用于人体软组织和硬组织修复、制造人工器官、人造血管、接触镜等的聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸酯、聚甲烷、芳香聚酯等材料，在生理环境中能够长期保持稳定，不易降解，耐磨，具有良好的力学性能，且降解产物对机体不产生毒副作用。可降解的高分子材料包括:胶原、甲壳素、纤维素、聚氨基酸等，此类材料能在生理环境中发生结构的破坏，且降解产
9、物能通过集体正常的代谢排到体外或吸收，主要用于药物释放载体的制备。医用生物高分子材料是生物材料中应用最为广泛而且前景最好的材料。2.3 生物无机材料生物无机材料单从材料的成分上来看，包括生物玻璃、生物陶瓷、碳素材料等，这些材在人体内化学稳定性好，组织亲和性强，生物活性好。生物无机材料可分为两类：生物惰性材料和生物活性材料，包括结构比较稳定的、强度和耐腐蚀性强、化学稳定性好的惰性材料如氧化铝、氧化锆等，还有如羟基磷灰石、生物玻璃陶瓷等在生理环境可逐步降解和吸收，可被新生组织代替。生物无机材料没有毒副作用，与生物体组织有良好的生物相容性，越来越受人们的关注。生物无机材料广泛应用于肌肉-骨骼系统和口
10、腔系统，如：骨缺失、牙齿修复、骨折、人工关节等，此外，生物碳材料还可用于人工心脏瓣膜。2.4 生物复合材料生物复合材料是指由两种或多种材料复合而成的材料，生物复合材料主要用于制造人工器官，修复和替换人体组织、器官，增进组织功能。生物材料由基体材料和增强材料或功能材料组成，生物高分子材料、生物技术材料及生物陶瓷既可作为复合材料也可作为增强体或填充材料，他们相互搭配、相互组合共同组成了性质、功能更为全面的各种生物复合材料。利用生物技术和生物工程，将活体细胞和组织、生长因子等导入相关的生物材料，可大大的改变材料的生物学性能，增强其功能性。人体中的大多数组织均可视为复合材料，如广泛存在于骨头和牙齿中的
11、纳米磷灰石-胶原复合材料。模拟人体组织成分、结构和力学性能的纳米复合生物材料是现在科技发展的一个重要的发展方向，生物医用复合材料的发展为获得真正仿生的类人体组织的材料和器官开辟了广阔的前景。2.5 其他生物材料生物衍生材料是由天然生物组织经过处理而形成的，主要用于医药。由于生物衍生材料有类似于自然组织的构型和功能，所以它在维持人体动态过程的修复和替换中具有很重要的作用，主要用于人工心瓣膜、血管修复体、皮肤掩膜、纤维蛋白制品、骨修复体、血浆增强剂、血液透析膜等。目前用于组织工程研究的生物材料有天然或合成高分子材料、无机陶瓷、玻璃、珊瑚等。天然可降解材料主要有甲壳素、壳聚糖、海藻酸盐、胶原蛋白、透
12、明质酸、琼脂、血清纤维蛋白等，此材料降解产物容易被人体吸收，但力学性能差，不稳定。合成的可降解的材料是目前组织工程材料的主要研究对象，以聚交酯系列为主，降解速率和强度可调，但这类材料加工过程中容易发生炎症反应。目前研究最多的是 -磷酸三钙的复合材料，此材料具备了两类材料的优点，可以产生酸碱中和作用，减轻合成高分子材料中的炎症反应。总之，随着生物技术的不断发展和生物材料研究的不断深入，临床诊断、临床治疗用的生物材料种类将不断增加，适用范围将不断扩大。三.生物材料的发展前景及展望目前，生物材料的研究呈多向发展的趋势，其中在纳米材料、金属表面活性材料、钛合金等方向的研究一直倍受人们关注，因其具有优良
13、的生物相容性、耐腐蚀性、力学性能和加工性能，从而成为最引人注目的生物材料。3.1 纳米生物材料的应用随着科学的进步和不断发展，材料学可生物医学间的关系越来越密切，纳米材料在生物应用上已经取得了很大的成就，并展现出良好的发展潜力。但还有一些研究和突破的热点：生物医学检测和诊断材料。虽然纳米材料在生物检测和诊断方面的前景很好，但在各种医学检测过程中要求比较高，比如生物医学过程和医疗设备之间必须相辅相成，因此纳米功能材料需要在这方面进一步优化；药用治疗上使用的材料。药物控释纳米材料将继续成为医用材料发展的重点，纳米材料不但能够穿过组织间隙，而且具有很好的靶向和缓释、高效低毒作用，可实现口服、注射等多
14、种给药途径；功能性生物材料。在将来的发展中，纳米材料在人造骨骼中发挥主导作用，有机纳米材料也将在治疗、血液净化发面得到充分应用；目前纳米材料的应用还很有限，尤其是在生物医学方面，还需要大量的实验给与证实，纳米材料的应用安全性有待提高，要求我们对纳米的研究进一步加强。3.2 生物活性材料目前，生物活性陶瓷生物惰性医用金属在关节等部位的应用上仍受到很多限制，生物系统不仅要求材料有生物安全性、无毒副作用，而且生物体环境中复杂的条件要求材料须具有足够的力学强度和良好的生物活性。利用表面活化改性技术不仅可以提高金属表面的稳定性和耐磨性，还可以给与植入体生物活性。人们结合医用金属、生物活性陶瓷等的特点，创
15、造出了金属表面的活性材料，在一定程度上克服了单一材料的缺点，满足了临床上医用材料的需求。然而随着最植入体生物材料相容性等质量要求越来越高，金属表面活化的方法在临床上存在的缺陷仍是亟待解决的问题之一。3.3 生物医用钛合金材料20 世纪中叶以来,以钛合金为主的生物医用金属材料开始在人体硬组织植入特别是人体软组织(包括心脑血管、外周血管及非血管如肝脏、胆道、尿道等)的介入治疗方面显示出独特而神奇的疗效,而人工关节、牙种植体、血管内支架和心脏瓣膜等具有典型代表性的医疗器械产品的问世,无疑是医学领域的一个里程碑,使得临床治疗由初级的简单“修复”治疗上升到更高层次组织与器官的“替代式”治疗,从而极大地提
16、高了人们的生存质量。目前,用于外科植入物和矫形器械的医用金属材料主要形成了医用不锈钢、钴基合金和钛合金三大系列,而钛合金由于比重小、比强度高、弹性模量低、耐腐蚀以及优良的生物相容性和加工成形性,且资源丰富,近年来已发展成为外科植入物用较理想的功能结构材料。随着科技进步和临床应用的不断深入,医疗器械产品正向长寿命、更安全、多功能、轻量化和低成本方向进一步发展。 结论：本文以上简单介绍了生物材料的相关概念、生物材料的发展应用、生物材料的应用前景及展望。可见，生物材料与人类联系极为紧密，各种生物材料可以给人类提供各种人工器官、修复和替换组织，效果显著。虽然人们已在生物材料诸领域中取得了大量成果，但也
17、有许多不尽人意的地方，如作为生物材料的一个重要组成部分的人造器官，其性能还不够完善，还没有广泛应用于临床。生物材料的可降解性和生物相容性等还有待于科学家们进一步研究。参考文献：石淑先 生物材料制备与加工 化学工业出版社 2009.8 利容千 生物工程概论（第二版） 华中师范大学出版社 2010.10孙恩杰，熊燕飞 纳米生物学 化学工业出版社 2010.9金怡，王海之 生物医学材料及产业发展前景分析 200062王璐，王德平 新型生物活性材料的设计和研究进展 200092马小艺，陈海斌 纳米材料在生物医学领域的应用与前景展望 310000傅远飞 羟磷灰石类生物材料研究进展 J 口腔材料器械杂志，20009 (1)李沐纯等.中国现代医学杂志，2003，13：140-141 张莉芹.武汉科学大学学报（自然科学版），2003，（3）：23 姜忠义，成国祥.纳米生物技术.北京：化学工业出版社，2003：131
