常用的生物医学材料

常用的生物医学材料,本节介绍几种常用的生物医学金属材料、无机生物医学材料、高分子生物医学材料，以及最近受到人们普遍关注的、有望制造出具有高生理功能的人工器官的杂化生物医学材料。,本节介绍几种常用的生物医学金属材料、无机生物医学材料、高分子生物医学材料，以及最近受到人们普遍关注的、有望制造出具有高生理功能的人工器官的杂化生物医学材料。,一、生物医学金属材料,金属材料是生物医学材料中应用最早的。由金属具有较高的强度和韧性，适用于修复或换人体的硬组织，早在一百多年前人们就已用贵金属镶牙。随着抗腐蚀性强的不锈钢、弹性模量程骨组织接近铜铁合金，以及记忆合金材料、复合材料等新型生物医学金属材料的不断出现，其应用范围也在扩大。,生物医学金属材料的特殊要求和考虑,除了要具备前面介绍的一般性要求，生物医学金属材料还有一些特殊要求及需要注意和考虑的问题。,（1）抗腐蚀性（2）毒性低或无毒性（3）高机械性能,常见生物医学金属材料,二、无机生物医学材料,无机生物医学材料从主要成分来看，包括生物陶瓷、生物玻璃和碳素材料。1808年就已用陶瓷来镶牙，近20年来由于无机生物学材料性能的改善及复合材料发展的需要，这类材料的研制和应用都有了较大的发展,1、生物陶瓷,生物陶瓷由多种氧化物等烧结而成。一般可把生物陶瓷分为普通生物陶瓷、生物活性陶瓷及特殊加工生物陶瓷3类。,（1）普通生物陶瓷,多用于假牙制作，硬度及耐磨性优于树脂制品。材料的化学性质差，生物相容性好,（2）生物活性陶瓷,主要成分为磷酸钙，植入人体后可以降解吸收，由于被怀疑会引起淋巴结增生，现已停止对其研究,（3）特殊加工生物陶瓷,掺入荧光物质的陶瓷贴片可以贴在牙齿外表增加美观,生物陶瓷制作的听小骨,2、生物医学玻璃和玻璃陶瓷,（1） 非活性生物玻璃,（2）活性生物玻璃,（3）羟磷灰石（HAP）材料,多用于制作人工股骨、人工齿冠、齿桥，还用于强磁性的玻璃陶瓷埋入肿瘤附近，通过材料在交变磁场作用下磁场下磁滞损耗发热而杀死癌细胞，或用经中子照射产生 射线源的生物陶瓷的埋入治疗癌症等。,这种材料生物相容性好，和骨组织结合好，成骨过程快、有利于植入物早期固定，种植成功率高。国内外也生产了可进行切削加工的生物玻璃陶瓷，国外也有制成柔顺性强的生物玻璃纤维的研究工作报告。,HAP是人牙和骨骼的主要无机成分，1976年开始AI合成HAP材料。HAP材料具有吸收和聚集体液中钙离子的作用，参与体内钙代谢，能起到适合于新生骨沉积的生理搭桥作用，即起着股传送作用，常制作复合人工骨，与高分子材料制成的混合材料常用做人工中耳骨等。,3.碳素材料,碳是构成生物体的重要组成元素，由于它具有极好的抗血栓性，因而碳素材料被认为是最佳的人工心脏瓣膜材料。碳纤维束有利于生物组织依附生长，经聚乳酸浸制成人工韧带和肌腱已用于临床。碳纤维与高分子材料制成的复合材料用于制作假牙、人工软骨、人工中耳骨及用于胫骨骨折固定板、颌面修复等。活性炭常用于血液净化材料等。,碳素材料制作的高尔夫球棍,三、生物医学高分子材料,生物医学高分子材料种类庞大，已获得应用的材料品种近百种，制品近2000种。为了学习和掌握方便，我们首先介绍高分子材料医学应用中的3个重要问题：高分子材料的血液相容性、高分子材料的药用范围和天然高分子的应用：稍微详细的介绍聚有机硅氧烷、聚氨酯、聚丙烯酸类等材料，最后简要的按字母顺序介绍十多种常见的材料。,1.高分子材料的血液相容性,血液相容性就是指血液对与它接触的非存活材料和器件产生合乎要求的反应的一种性能；具体来说应具备以下性质：不凝血、不溶血、不破坏血细胞、不致使血浆蛋白变性及酶系统破坏，不扰乱电解质平衡。其中，不凝血是血液相容性最重要，也是最不易做到的要求。 （凝血是指血浆由流动状态转变为胶冻状态的整个复杂生化过程。）,常用的抗凝措施是：材料表面的肝素化、亲水化、负电荷化、化学惰性化和生物活性化：也有采取假内膜或培育一层内皮细胞的技术措施的。对高分子材料进行分子设计改性也望可取得较好的血液相容性。,2.药用高分子材料,高分子化合物主要的三个方面,（1）作为控制释放药物的载体。（2）作为药物使用。（3）作为药物制剂的辅助材料。,特别是采用智能高分子材料，可使药物释放体系 （DDS）智能化。此体系的特点是药物是否需要可由药剂本身判断，它可感知疾病引起的化学物质及物理量变化的信号，药剂能对信号响应并自主地控制药物的释放。,3.天然高分子生物医学材料,天然高分子生物医学材料是人类最早使用的医学材料之一。由于它具有多功能性、生物相容性、生物可降解性，仍然不失为重要的生物医学材料，主要包括糖类和蛋白质材料两大类,（一）最常用的天然多糖类材料有纤维素、甲壳素等。,（1）纤维素：纤维素是一种非还原性的碳水化合物，不溶于水和一般有机溶剂，但能溶于某些酸、碱溶液。纤维素在酸作用下发生降解，完全水解时得到单一的葡萄糖。,（2）甲壳素：甲壳素是一种来源于动物的天然多糖，普遍存在于虾蟹及昆虫甲壳之中，也存在于真菌和藻类的细胞壁中。,（二）蛋白质类：,蛋白质广泛存在于动物和植物体中，作为医学材料应用的主要是结构蛋白，如胶原和纤维蛋白等。,（1）胶原：胶原是人体和脊椎动物的主要结构蛋白，基本单位是胶原蛋白。大部分胶原不溶于酸，胶原制品主要用来制作人工皮肤、缝线、结扎线、人工透析膜、人工血管、人工肌腱、人工晶体、人工角膜、止血剂、创伤敷料，以及药物载体等。胶原材料与人体组织相容性好，无副作用，植入人体能促进细胞增殖、加快创口的愈合并具有降解性。,（2）纤维蛋白：纤维蛋白主要来源于血浆蛋白，因此具有明显的血液相容性、无毒、无不良影响，其主要生理功能是止血，还具有一定的杀菌、促进创伤愈合的作用。纤维蛋白制品无毒、无热原反应。,4.有氧硅氧烷、聚氯脂、聚丙乙酸类,（1）硅氧烷类：含有Si.0.Si一链节的化合物，这种有机聚合物又称硅酮。医用级聚有机硅氧烷主要用在与人体组织、器官、体液直接接触的制品上。常用的应用形式有硅油、有机硅凝胶、有机硅橡胶等。,（2）聚氨酯：聚氨酯（PU）是聚醚、聚酯和二异氰酸脂缩聚产物的总称。在临床上由于材料优良的血液相容性、生理惰性和优良的机械性能，多用SPU制作辅助人工心脏、辅助循环装置、人工心脏搏动膜等，还可用做缝合线与软组织粘合剂、绷带、敷料、人工软骨、医疗器械进行封口用的密封剂等。,（3）聚丙烯酸类：一般是指乙丙烯酸和甲基丙烯酸及其脂类为单体的均聚物或共聚物，俗称有机玻璃。材料具有良好的强度，韧性、粘连性和生物相容性。,四、杂化生物医学材料,杂化生物医学材料和非活性材料所组合的新型材料，是制造高生理功能的人工器官的较为理想的材料。杂化生物医学材料主要是人工材料与圣体材料的组合，它包括用于组织结构材料的多糖类等生理活性物质杂化，以固定化酶为代表的功能性杂化材料和杂化细胞3类。,1.人工材料与生理活性物质杂化,在人工结构材料表面结合上生理活性物质，既能保留人工材料基质的力学强度，又能具有良好的生物相容性及抗凝血性。,肝素,肝素是这方面的一种生物高分子，属粘多糖类，广泛的分布于动物组织，是一种良好的抗凝血剂和抗脂血剂。,2.与生体高分子的杂化,主要是人工材料与酶、抗体、抗原、激素等的杂化。这类材料除可作为人体组织、器官的结构材料外，尚可用于生物传感器及医学诊断和治疗,利用酶的生物信息传递功能与具有刺激响应的材料组合可形成酶传感器，同样可形成免疫传感器、细胞传感器等生物传感器。,生物传感器,生物传感器利用生物功能性物质的分子识别功能，有选