生物材料简介PPT.ppt

生物质材料广泛应用于建筑、包装、能源等领域 生物质材料具有可再生、环保、可降解等优点 生物质材料的研究和应用已成为全球关注的热点
生物质材料的生产技术和应用水平不断提高，但仍存在成本高、性能不稳定等问题
生物质材料的研究进展
生物质材料的研 究始于20世纪70 年代
生物质材料主要 包括纤维素、木 质素、半纤维素 等
生物质材料的生产技术将不断改进， 提高生产效率，降低生产成本
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生物质材料的性能将不断提高，如 强度、耐久性、可降解性等
生物质材料的环保性能将得到进一 步重视，如减少碳排放、减少环境 污染等
生物质材料面临的挑战
成本问题：生 物质材料的生 产成本相对较 高，需要降低 成本以提高竞
生物质材料的分类
木质材料：如木材、竹材等 草本材料：如稻草、麦秆等 纤维素材料：如棉、麻等
淀粉材料：如玉米、土豆等 油脂材料：如大豆、油菜等 蛋白质材料：如大豆、花生等
生物质材料的来源
植物来源：如木材、秸秆、草本植物等 动物来源：如动物粪便、羽毛、皮屑等 微生物来源：如微生物发酵产生的生物质 废弃物来源：如生活垃圾、工业废料等
生物质材料的发展历程
19世纪初：生物质材料开 始被用于建筑和家具制造
20世纪初：生物质材料开 始被用于包装和食品包装
20世纪中叶：生物质材料 开始被用于生物医学领域
21世纪初：生物质材料开 始被用于环保和可再生能 源领域
当前：生物质材料已成为 全球关注的热点，广泛应 用于各个领域
生物质材料的现状
生物质材料的应用领域
建筑材料：生物质材料可作为建筑 材料，如木材、稻草等
生物能源：生物质材料可作为生物 能源，如生物柴油、生物乙醇等

一、生物医学金属材料
（1）抗腐蚀性 （2）毒性低或无毒 （3）高机械性能
金属材料是生物医学材 料中应用最早的。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。
金属器件植入体内
生理腐蚀和磨蚀
金属离子溶出
人工血管
人工仿真耳
人工髋关节
种豆得瓜——能在乳汁中分泌丝蛋白的新品种山羊
• 采用基因工程的办法，将蜘蛛的基因 植进入山羊细胞的DNA中，培育出了能
在乳汁中分泌蜘蛛丝蛋白的新品种山羊
• 使“生物钢材”的大规模生产成为可 能
• 用其组合成牢固的复合材料用于宇航
和汽车工业 • 制造外科手术缝合线和防弹背心的理
HAP是人牙和骨骼的主要无机成分，具有吸收和聚集体液中 钙离子的作用，参与体内钙代谢，对骨质增生有刺激或诱导 作用，促进缺损组织的修复，显示出生物活性。与高分子材 料制成的混合材料常用做人工中耳骨等。
Hale Waihona Puke 采用增强含微孔羟基磷灰石(HA)陶瓷制成人工听小骨假 体，在语言频率范围，平均提高病人的听力20-30dB，在特定 语言频率范围提高45～60dB。
特殊要求 • 加工成型性machine-shaping properties • 机械性能与稳定性Mechanical properties
• 环境敏感性Environmental sensitivity
• 表面性能与结构多空性 Surface properties/Porosity • 亲疏水性Hydrophilicity / hydrophobicity
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

• 含量过高，人体不能接受
不锈钢
• 耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质 • 20世纪初期，英国 • 按成分可分为：
Cr系（400系列） Cr－Ni系（300系列） Cr－Mn－Ni（200系列） 析出硬化系（600系列）
• Cr
影响奥氏体相的稳定性 抗蚀性能的主要因素 含量必须超过11%（质量分数），腐蚀性能大幅度提高 自然环境中是活性元素
①铬使铁基固溶体的电极电位提高
②铬吸收铁的电子使铁钝化
原因是用铬对钢进行合金化处理时，把表面氧化物的类 型改变成了类似于纯铬金属上形成的表面氧化物。这种 紧密粘附的富铬氧化物保护表面，防止进一步的氧化。 而且，如果损坏了表层，所暴露出的钢表面会和大气反 应进行自我修理，重新形成这种"钝化膜"，继续起保护 作用。
• 制造方式采用机械加工，一般不采用焊接
焊缝处易产生腐蚀 高温使晶界或焊缝处CCr4析出，点腐蚀
材料制备完成后 去除氧化层
清洗表面，去除油污 在硝酸中形成表面钝化层 在包装和杀菌前再清洗一次
直径2～3mm，长度2～10cm 网孔尺寸：1～2×1.5～2.5mm 良好的可塑性、几何稳定性、理化稳定性 血管开通性高、生物相容性好、成本低
医用球囊扩张不锈钢血管内支架
1-不锈钢丝 2-圆筒形支架网孔
圆周错位 紧缩方式
可调式不锈钢骨科外固定器
1-连杆； 2-万向固定器； 3-骨针（防滑螺纹）
钴基合金
• 临床用作关节：大承载力，特别是膝关节 • 国际20世纪60年代临床应用 • 耐磨损，抗腐蚀力较强，目前金属医用材
料中最优良的一种
Co-Cr合金相图
两种基本元素形 成的固溶体
钴含量达到65％ （质量分数） 其余主要是铬

在生物活性材料迅猛发展的同时，生物惰性材料也得到 了广泛的应用。生物惰性材料主要是指能在生物体内长期 稳定存在，且不与生物组织发生物化反应的一类材料，如 医用金属、烧结氧化铝、氧化锆等生物材料被埋入骨缺损 部位后，就被纤维性膜所包围，而与周围的骨组织隔离。
缺点
在于惰性材料仅仅是以机械锁合的方式进行骨 的替换与修复，而不能与活体组织有效键合。
Ancleregg 等 对15 例中度或重度牙周炎患者的30 处下磨牙根分 叉病变进行治疗, 随机分为实验组、对照组。实验组行根向复位瓣术加 生物玻璃(45S5 倍骼生)植入, 对照组仅用根向复位瓣术, 并以探诊出血 情况及探诊牙周袋深度作为评价标准。结果显示实验组效果明显优于 对照组。故认为生物玻璃是治疗I I 型根分叉病变的有效材料。
熔融法 制备钙磷微晶玻璃的试验方法
溶胶-凝胶法
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多孔微晶玻璃的制备方法
一是利用玻璃分相原理，经热处理在玻璃中获得可溶晶相， 再用酸侵蚀掉可溶相，形成多孔材料。 二是先合成玻璃粉末然后加入诸如CaCO3 、PMMA、淀粉 等作发泡剂，烧结发泡成为多孔材料。
（2）钙磷微晶玻璃的组成 目前生物玻璃主要被用作骨的替代材料，根据天然骨的成分
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D. Arcos, R. P.del Real, M. Vallet-Reg ì. A novel bioactive and magnetic biphasic material[J]. Biomaterials, 2002(23): 21512158.
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生物活性陶瓷
生物活性陶瓷包括表面生物活性陶瓷和生物降解陶瓷。这 类材料的组成中含有能够通过人体正常的新陈代谢进行转换 的钙（Ca）、磷（P）等元素，或含有能与人体组织发生键 合的羟基（-OH）等基团。

靶向给药系统(Targeting Drug Delivery System，TDDS) 或称靶向制剂，诞生于20世纪70年代，是指。这种制剂能将 药品运送到靶器药物通过局部或全身血液循环而浓集定位于 靶组织、靶器官、靶细胞的给药系统官或靶细胞，而正常部 位几乎不受药物的影响。
液相法主要包括沉淀法,水解法,喷雾法,乳液法,溶胶-凝胶法等, 其中应用最广的是溶胶-凝胶法和沉淀法。
沉淀法
沉淀法是指包括一种或多种离子的可溶性盐溶液,当加入沉 淀剂 ( 如 OH-,C2O42- 等 ) 于一定温度下使溶液发生水解 , 形成 不溶性的氢氧化物、水合氧化物或盐类从溶液中析出,将溶剂 和溶液中原有的阳离子洗去,经热解或热脱即得到所需的氧化 物粉料。沉淀法包括共沉淀法、 直接沉淀法、均相沉淀法等。
为固相法、液相法和气相法。
固相法
固相法主要包括物理粉碎法、固相物质热分解法、旋转涂
层法和机械合金法等。固相反应不使用溶剂 ,具有高选择性、
高产率、低能耗、工艺过程简单等特点。
液相法
液相法是目前实验室和工业上最为广泛采用的合成纳米材 料的方法，与固相法相比，液相法的特点主要表现在：可控 制化学组成；颗粒的表面活性好、易控制颗粒形状和粒径； 工业化成本较低。
§10.2 高分子纳米生物材料
高分子纳米生物材料也称为高分子纳米微粒或者高分子超微
粒，主要通过微乳液聚合的方法得到。由于高分子纳米生物材 料具有良好的生物相容性和生物可降解性，已经成为非常重要 的纳米生物医学材料，在靶向药物、控释剂以及疑难病的介入 诊断方面有着广阔的应用前景。
10.2.1 靶向药物载体中使用的高分子纳米生物 材料
图7-1 粒子粒径与表面原子占总原子数比例的关系
量子尺寸效应

以热塑性淀粉及淀粉衍生物为基底添加增塑剂或者将淀粉及其衍生物 作为添加剂与可降解的合成高聚物共混、接枝共聚等可制备生物可降 解塑料。
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产品
• 全淀粉热塑性塑料
淀粉含量在90%以上，添加的其他组分也是可降解的。 制造原理为使淀粉分子变构而无序化，形成具有热塑性能的淀粉，其 淀粉分子构型发生变化，但其化学结构并没有改变。
.
生物合成前体再化学聚合生成
• 最典型的以可发酵糖为原料生物合成前体再化学聚合生成可生物降解 塑料就是聚乳酸
• 聚乳酸不仅具有良好的生物相容性，还具有良好的机械性能及物理性 能，适用于吹塑、热塑等各种加工方法。
• 可以作为一种重要原料可像聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等热塑性塑 料那样加工成各种下游产品，包括薄膜、包装袋、包装盒、食品容器 、一次性快餐盒、饮料用瓶等；由于透气性好，它还可以作为一种出 色的材料用于纺丝织布，加工成聚乳酸内衣、外套和袜子等纺织品。
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在医药卫生方面的应用
甲壳质缝线
.
在医药卫生方面的应用
伤 口 包 扎 材 护料 创 膜
.
——
在轻纺工业中的应用
抗菌纤维和织物 壳聚糖具有广谱抗菌性，对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌
、枯草杆菌等多种织物细菌。 用含壳聚糖的乳液对PET纤维或其制品进行涂覆处理，
得到具有抗菌活性的涤纶及其制品。壳聚糖的吸水能力很 强，是纤维素的两倍数以上，而且经多次洗涤也不会减弱 ；壳聚糖具有微细的小孔结构，有毛细管作用，吸收的汗 液可以迅速散发出去，使细菌不易附着并滋生，从而增强 了它的抗菌作用。
LOGO
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生物质材料的诞生
• 面对石油基塑料造成的“白色污染”问题，20世纪90年代国际材料 界提出了生态材料（ecomate rials)的概念。

3.3 生物相容性的研究意义
生物相容性是生物材料极其重要的性能，是区 别于其他材料的标志，是生物医用材料能否安 全使用的关键性能。
控制和改善生物材料的表面性质，是促进材料 表面与生物体间的有利相互作用、抑制不利相 互作用的关键途径。
如何提高材料的生物相容性
？
生物材料的表面工程是一种非常重要的方法！
国内从事生物材料表界面研究的课题组
生物材料的表面改性与功能化；
蛋白质、细胞与材料表面的相互作用；
苏州大学陈红教授课题组
➢Combining surface topography wi生 polymer chemistry: exploring new interfacial biological phenomena. Polym. Chem., 2013, DOI: 10.1039/C3PY00739A ➢Aptamer-Modified Micro/Nanostructured Surfaces: Efficient Capture of Ramos Cells in Serum Environment. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2013, 5, 3816.
第一部分：生物材料表界面学科的诞生
1. 生物材料的概念（Biomaterials):
与生物体相接触的、或移入生物体内起某种取代、 修复活组织，增进或恢复其功能的特殊材料。
2. 生物材料的发展阶段
➢最初：一些临床应用的生物材料并不专门针对医用设计 （实现基本临床功能，也带来了不良的生物反应)
➢20世纪60-70年代：第一代生物材料（惰性生物材料） （物理性能适宜、对宿主反应较小；寿命延长5-25年）
其他领域的表面工 程技术和材料引入 生物材料领域或基 于体内物质的初步 模仿

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生物材料的分类
按照研究对象和使用目的的不同，可将生物材料分为 三种：
一是天然生物材料，这是一类在生物过程中形成的材 料，如棉、麻、蚕丝、贝壳等；
二是生物医用材料，指植入活体内能有某种生物学功 能的材料，如制作各种人工器官的材料；
三是仿生和组织工程材料，它是生物材料学与化学、 工程学交叉的部分，包括各种仿生材料、智能材料和 组织工程材料。
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按生物材料的属性分类：
天然生物材料—再生纤维、胶原、透明质酸、甲壳素等。
合成高分子生物材料—硅橡胶、聚氨脂及其嵌段共聚物、涤 纶、尼龙、聚丙烯腈、聚烯烃
医用金属材料—不锈钢、钛及钛合金、钛镍记忆合金等
无机生物医学材料—碳素材料、生物活性陶瓷、玻璃材料
杂化生物材料—指来自活体的天然材料与合成材料的杂化， 如胶原与聚乙烯醇的交联杂化等
20世纪60年代初，用高分子聚乙烯和不锈钢制成的 人工髋关节被植入人体并取得成功。
发展时期
20世纪60年代末和70年代初，在美国克莱姆森大学举
行的生物材料讨论会上“biomaterial”一词开始被普遍
使用。
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飞速发展时期
20世纪末，以纳米科技为首的物理、化学的 科技迅猛发展，极大的带动了生物材料的研 究和发展，使得生物材料进入了全新的飞速 发展时期，产生了，如药物释放、生物传感 器、人工器官、仿生材料、智能材料、生物 医学材料等的多学科交叉、多应用前景的发 展局面。
生物相容性
生物材料前沿专题PPT课件
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主要参考书
➢崔福斋 编著 北京：清华大学出 版社.
2004。
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生物医用材料需要经过 严格的临床试验和安全 评估，确保其安全性和 有效性。
个性化与定制化
随着医疗技术的发展， 临床对个性化、定制化 的生物医用材料需求越 来越高。
未来发展方向与展望
01
创新性研究
加强新材料、新技术和新工艺的研究，推动生物医用材料的创新发展。
02
交叉学科合作
加强生物医学工程、化学、物理学等多个学科的交叉合作，共同推动生
分类
根据用途可分为药物载体、医疗 器械、组织工程和再生医学材料 等。
生物医用材料的特性
生物相容性
功能性
稳定性
可加工性
材料与人体组织、血液 等相互作用时不产生有
害反应。
具备所需要的功能，如 传导热量、机械支撑等。
在体内保持稳定，不发 生降解、变质或毒性反
应。
易于加工成所需形状和 大小，以满足医疗需求。
常见的金属生物医用材料
不锈钢、钛和钛合金、钴铬合金等。
金属生物医用材料的优缺点
优点包括良好的机械性能和加工性能，缺点包括可能引发过敏反应 和金属腐蚀。
高分子生物医用材料
高分子生物医用材料的特性
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具有良好的化学稳定性、生物相容性和加工性能，广泛用于制
造医疗用品、人工器官和药物载体等。
常见的高分子生物医用材料
氧化铝、氧化锆、生物活性玻璃和玻璃陶瓷等。
陶瓷生物医用材料的优缺点
优点包括良好的化学稳定性和生物相容性，缺点包括脆性大、加工 困难。
复合生物医用材料
复合生物医用材料的特性
通过将两种或多种材料组合在一起，发挥各自的优势，弥补单一材 料的不足，具有良好的综合性能。
常见的复合生物医用材料
聚合物/陶瓷复合材料、聚合物/高分子复合材料、金属/陶瓷复合 材料等。

– 宿主反应：即材料对活体系统的作用，包括局部和全身反应，如 炎症、细胞毒性、凝血、过敏、致癌、畸形和免疫反应等．其结 果可能导致机体中毒及机体对材料的排斥．
• 生物医学材料应满足以下基本条件： （一）生物相容性 • 对人体无毒、无刺激、无致畸、致敏、致突变或致癌作用；
• 生物相容性好，在体内不被排斥，无炎症，无慢性感染，种 植体不致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；
第八章
•
生物医学材料简介
生物医学材料是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.
一．生物医学材料的用途
– 替代损伤的器官或组织，如：人造心脏瓣膜、假牙、人工血管等； – 改善或恢复器官功能，如：隐型眼睛、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．
二．对生物医学材料的基本要求 • 由于生物材料与生物系统直接接合，除应满足各种生物功能等理化 性质要求外，生物医用材料都必须具备生物学性能，这是生物医用 材料区别于其它功能材料的最重要特征．
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•
生物材料植入机体后，与机体组织相互作用产生两种反应： – 材料反应：即活体系统对材料的作用，包括生物环境对材料的腐 蚀、降解、磨损和性质退化，甚至破坏．
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六. 生物医用高分子材料
• 生物医用高分子材料: 指用于生物体或治疗过程的高分子材料.
• 生物医用高分子包括: 天然高分子材料和人工合成高分子材料.合成 高分子材料又可分为:可生物降解高分子材料和非生物降解高分子材 料. • 生物医用高分子材料的种类繁多,性能多样，应用范围十分广泛: 它 可用于硬组织、软组织的修复；可用作人工器官及各种治疗用的器材. • 特点: 生物医用高分子材料的强度与硬度较低, 不发生生理腐蚀, 易 于成型. 但易于发生老化, 可能会因体液或血液中的多种离子、蛋白 质和酶的作用而导致聚合物断链、降解. • 用于药物释放的高分子材料: 水凝胶、生物降解聚合物、脂质体等. • 用于人工器官和植入体的高分子材料: 赛璐珞(肝脏),硅橡胶(肺、 心脏), 聚甲基丙稀酸甲酯(角膜、关节、骨), 聚四氟乙稀(气管、喉 头)等等.

灰石
由此可构成类似于硅酸盐水泥样的磷酸钙水泥，用与人 体骨的修复，故称磷酸钙骨水泥
新型CPC的研究
1. 药物控释骨水泥
2. 注射型骨水泥
3. 生物活性骨水泥
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第三章 医用金属材料
定义：是一种用作生物医用材料的金属 或合金，又称作外科用金属材料或医 用金属材料，是一类生物惰性材料。
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生物陶瓷人工听小骨假体
气
引
流
管
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第一代 PMMA骨水泥:优点：易成型和粘结性能
好
缺点：材料化学成份与人体骨成份完全不同，生物相容 性差；单体放热剧烈；细胞毒性；引起过敏
第二代 磷酸钙骨水泥 CPC
20世纪80年代中期，E.brown和chow发现由几种磷酸 钙盐组成的混合物能在人体环境和温度下自行固化，水 化硬化过程基本不放热，其水化成分最终转化为羟基磷
(3) 镁具有独特的体内降解性能 。
(4) 镁资源丰富，价格低廉。
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材料——是由两种或两种以上不同材料复合而成 的生物医用材料
1. 分类：复合材料一般有基体材料和增强材料组成
(1)按基体：陶瓷基医用复合材料、高分子基医 用复合材料、金属基医用复合材料
要方法)a.热喷涂b.脉冲激光融覆c.离子溅射d.喷 砂法e.电结晶法f.电化学法g.离子注入
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医用金属材料研究进展
医用镁及镁合金材料的研究
镁合金具备作为可降解骨植入材料的多方面优点：
(1) 镁是人体内含量最多的阳离子之一，几乎参 与人体内所有的新陈代谢过程。
(2) 镁及镁合金的弹性模量约为45GPa，更接近 人骨的弹性模量，能有效降低应力遮挡效应； 镁与镁合金的密度约为1.7g/cm3，与人骨密度 (1.75g/cm3)接近，符合理想接骨板的要求。