生物医用材料及其临床应用PBL第二小组汇报崔剑波PPT制作23页PPT

正器具等。
可锻可铸，机械性能好 价格高，加工难、 常用来制作人工关节的金 硬度有硬，中，软之分 应用不够普及 属间华东联接。
USA Organogenesis Inc., Massa, USA
Intergra Life Science, NJ, USA Smith & Nephew, UK
Interpore Cross International Inc., USA
8
目录
生物医用材料市场发展概况 生物医用材料的基本特性及分类 金属生物医用材料 无机生物医用材料 有机高分子生物医用材料 杂化生物医用材料
13
三、生物医用材料的分类
按材料的用途进行分类：
生物医用材料
口腔医用材料 硬组织修复与替换材料(用于骨骼和
关节等) 软组织修复与替代材料(用于皮肤、
肌肉、心、肺、胃等) 医疗器械材料
14
按材料的组成进行分类：
金属生物医用材料:包括不锈钢、钴基合金，钛及合金等，广泛应用 于人工假体、人工关节、医疗器械等。 无机生物医用材料：分为惰性生物陶瓷、生物玻璃、碳素材料。 有机高分子生物医用材料：分为天然的和合成的，天然的如多糖类、 蛋白类，合成的聚氨酯、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。 杂化生物医用材料：不同种材料的混合或结合，克服单一材料的缺点， 可获得性能更优的材料。
2000万心血管病患者 --------每年需要24万套人工心瓣膜
肾衰患者 --------每年需要12万个肾透析器
……
5
全球生物医用材料 细分市场发展
矫形外科修复材料 和制品
增长率26%
心血管系统修复材 料、血液净化材料

常见的生物医用材料
骨科材料
心脏血管材料
用于修复断骨和进行骨重建手术的
用于血管扩张和支架植入等心脏血
材料，如人工髋关节和骨修复螺钉。 管手术的材料，如心脏支架。
人工器官材料
用于制造人工心脏、人工肝脏等器 官的材料，如生物相容性高的聚合 物。
生物医用材料的应用
医疗领域的需求
生物医用材料满足了医疗领域对安全、耐用、可降 解等特性的需求。
生物医用材料课件
生物医用材料是用于医疗及医学研究的特殊材料。本课件将带您了解生物医 用材料的概述、分类和应用领域，以及未来发展趋势。
材料概述
1 什么是生物医用材料
2 生物医用材料的分类
生物医用材料是指用于医疗目的的材料，如医疗 器械、植入材料等。
生物医用材料可分为可降解和不可降解两类，根 据其在人体内的降解速度和能力。
生物医用材料的未来趋势
1 新材料的研发与应用
不断研发新的生物医用材料，应用于更广泛的医疗领域。
2
生物医用材料的优势和局限性
生物医用材料具有生物相容性好、可塑性高等优势， 但也存在降解速度难以控制等局限性。
生物医用材料的研发与评价
1
生物相容性测试
通过体外和体内实验对材料进行生物相容性
材料性能评估
ห้องสมุดไป่ตู้
2
评估。
对材料的力学性能、生物活性等进行评估。
3
临床试验
将材料应用于临床实践中，评估其安全性和 有效性。

施而发生质变。
12
除上述一般要求外，根据用途的不同和植入 部位的不同还有各自的特殊要求：
与血液接触不得产生凝血，眼科材料应对角膜 无刺激。
注射整形材料要求注射前流动性好，注射后固 化要快等等。
作为体外使用的材料，要求对皮肤无害，不导 致皮肤过敏，耐汗水等浸蚀，耐消毒而不变质。
人工脏器还要求材料应具有良好的加工性能， 易于加工成需要的各种复杂的形状。不同的用 途要有许多特殊的要求。
36
钴铬合金的冶金学与钴基高温合金相同， 它们由元素的固溶和碳化物的形成而强 化。
对于锻造合金，冷加工亦使材料强化。 屈服强度随晶粒尺寸而变化，并受加工
过程中冷加工的影响。 用于髋关节这类结构性应用的此类合金，
为达到最佳性能而最好采用锻造。
37
钴铬合金难于机械加工，精锻虽能减少机械 加工，但是闭金植入物多数仍是铸造 的。
34
为提高不锈钢的抗缝隙腐蚀能力，不 锈钢植入物在包装和灭菌之前，需用 硝酸钝化处理。
用于植入物的不锈钢金相为奥氏体组 织，因而具有良好的成型性。
真空冶炼能帮助改善合金的疲劳性能， 冷加工能增加强度和抗疲劳性。
35
（2）钴铬钼合金
钴铬钼合金，因其良好的耐腐蚀性 和优异的力学性能而成为重要的医用 金属材料，其最常用的是铸造钴基合 金，但变形（锻造）合金的发展也很 快。
28
弹性模量是医用金属材料在骨科应用中 的一个重要指标。人骨具有17GPa的弹 性模量，钛合金具有110至124GPa的弹 性模量，钴铬钼合金是240GPa。在弹性 模量上人骨与植入体内的金属之间的差 别，使两者在承担负载方面不均衡。应 力不均衡的结果，金属材料在体内产生 应力遮挡，使与植入物相邻的骨不能变 得与没有植入物时一样结实牢固。

•
研究发现，血液的透析膜和其他生 物材料与血液接触时都会引起补体替代途 径的激活。激活过程是由于C3分子上带有 含磺酸酯基团的活性位点，可与材料表面 的亲核基团发生共价键合反应。因此，材 料表面带有羟基或胺基的基团可使补体C3 在材料表面沉积而激活补体。生物材料也 可引起补体系统的经典途径激活。如涤纶 人工血管植入人体后可以通过经典和替代 两种途径引起补体的激活，导致体内C4a水
•
研究表明，改变材料表面的性能或 结构有助于提高材料的血液相容性。常见 材料表面肝素化有明显的抗凝血和抗血栓 性能，它是通过肝素与血小板第Ⅲ因子 (AT3)共同作用于凝血酶，抑制了纤维蛋白 原向纤维蛋白的转化反应；材料表面肝素 化还能阻止血小板在材料表面的粘附、聚 集，达到抗凝血的目的。材料表面亲水— 疏水微相分离结构具有优良的抗凝血性能。 我国研制的新型聚醚聚氨酯抗凝血材料
• 第一节 生物相容性概念和原理
• •
生物相容性是生物医用材料与人体 之间相互作用产生各种复杂的生物、物理、 化学反应的一种概念。植入人体内的生物 医用材料及各种人工器官、医用辅助装置 等医疗器械，必须对人体无毒性、无致敏 性、无刺激性、无遗传毒性和无致癌性， 对人体组织、血液、免疫等系统不产生不 良反应。因此，材料的生物相容性优劣是
•
5 ）植入物的表面粘附大量的白细 胞，是由于C3b结合在材料表面，起到白细 胞在材料表面粘附的调理作用。白细胞在 材料表面粘附可通过释放血小板激活因子 而促进血小板聚集。临床上采用聚丙烯腈 和聚甲基丙烯酸甲酯等不含羟基和羧基的 材料制成中空纤维透析器进行人工肾治疗 时，能减少材料表面 C3b 的结合性，减轻患 者的临床症状和并发症。 • 近年来的研究表明，补体激活并非
• 第二节 生物相容性分类

• 实验室检查：
• 血常规：血红蛋白测定（Hb)：127g/L，中 性粒细胞百分比（NEUT%）：85.4%，白 细胞计数（WBC）：19.14/L，输血：乙肝 表面抗原定量：71.31S/CO，凝血：活化部 分凝血活酶时间（APTT）：19.8s。 生化及肝功等检查未见明显异常。
• 辅助检查： • 全腹CT结果：1.（上腹部）气腹，2.胃充
3.那针对这种情况，我们要怎样做呢？
• 术后第8天，医生查房指示可拔除胃管，第9天改 全流饮食。
4. 胃大部切除术后胃管应如何护理？为什么第8 天可拔除胃管？
5.拔除胃管后 我们应如何向患 者及其家属进行 饮食指导？
• 经治疗后患者恢复良好，术口愈合 可。患者于2013年12月6日带管出
院。
盈 • 肛检：直肠空虚，未及异常，指套无血染。
• 入院诊断：上消化道穿孔
• 治疗经过：
• 于11月24日08:00送手术室行剖腹探查+胃 大部分切除术（胃空肠吻合术，毕Ⅱ式）
• 术中诊断：急性十二指肠球部溃疡并穿孔
• 术毕于12:40分安返病房，留置胃管，颈管， 小网膜引流管，尿管。
• 护理措施：
• 监测生命体征；
• 给予制酸，护胃，营养支持，消炎抗感染 补液支持。治疗上予加强雾化吸入排痰；
• 中医治疗上予吴茱萸热敷腹部促进胃肠功 能恢复，神灯照射促进创口恢复；
• 各管道固定在位，保持管道通畅引流，观 察引流情况；
• 胃管引流出暗红色胃液，尿管引流出淡黄 色尿液，小网膜引流管引流出淡红色液；
• 嘱患者早期下床活动，注意管道的固定在 位。
11月27号即术后第3天，护士查房发现 小网膜引流管引流出墨绿色引流液。
问 题 讨 论

可闻及哮鸣音。
高，血管代偿
辅提助示 积检胸 液查腔：胸片：右肺门增大，性左扩下张肺少许炎症，左肋膈角
变钝
细菌感染导致 再发加重
痰培养：流感嗜血杆菌
3
胸部CT：慢性支气管炎伴阻塞性肺气肿
慢性肺源性心脏病的诊断依据 COPD的继发改变
主诉：心悸5年
提示右心功 能衰竭
现病史：近5年，慢性支气管炎的症状发作时伴心悸、双下肢浮
化学感受器 呼吸中枢
PaO2<30mmHg 呼吸抑制
呼吸加深加快， 11 肺通气量增加
Байду номын сангаас
缺氧和二氧化碳潴留对呼吸的影响
二氧化碳潴留 对呼吸的影响
化学感受器
PaCO2升高 (＜80mmHg)
PaCO2↑＜80mmHg 刺激呼吸中枢
PaCO2 ↑＞80mmHg 抑制呼吸中枢
呼吸中枢
呼吸加深加快 肺通气量增加12
» 发生机制：
1. 小气道的结构：无软骨 支撑、壁薄、并与周 围肺泡结构紧密相连 。
2. 等压点上移。 » 等压点：在气道上，气
道内压与胸内压相等的 部位。
9
10
缺氧和二氧化碳潴留对呼吸的影响
缺氧对呼吸的影响
PaO2＜60mmHg ＞30mmHg
直接作用 抑制呼吸中枢
间接作用
对外周化学感受 器的兴奋作用
低浓度吸氧的原因
»呼吸运动主要靠动脉血低氧对 血管化学感受器的刺激，呼吸 中枢对二氧化碳的刺激不敏感， 只能吸低浓度氧。
13
14
低氧血症 高碳酸血症
代偿 不全
酸碱平衡及电解质紊乱
15
呼吸性酸中毒：Ⅱ型呼吸衰竭时，大量二氧化
碳潴留可引起呼吸性酸中毒。 电解质紊乱：血钾升高；血氯：血氯降低，如合 并代酸血氯可正常。

• （2）力学性能
• 材料要有合适的强度、硬度、韧性、塑性等力学性能以满足耐磨 、耐压、抗冲击、抗疲劳、弯曲等医用要求。
• 3）耐生物老化性能
• 材料在活体内要有较好的化学稳定性，能够长期使用，即在发挥 其医疗功能的同时要耐生物腐蚀、耐生物老化。
• （4）成形加工性能
• 容易成形和加工，价格适中。
1
其他医疗器械制品
矫形外科修复材料 和制品
增长率 26%
心血管 料、血
系统修 液净化
复材 材料
高速增长
工程化组织和器官市80场0亿将美达元
人 合
造皮肤、组 剂及术后防
织 粘粘 连增长率
制品
45%
药物缓释材料 高速增长
其他生物材料和制 品
人造器官
人工器官是生物医学工程专业中一门新的学科。它主要研究模拟人体 器官的结构和功能，用人工材料和电子技术制成部分或全部替代人体 自然器官功能的机械装置和电子装置。当人体器官病损而用常规方法 不能医治时，有可能给病人使用一个人工制造的器官来取代或部分取 代病损的自然器官，补偿或修复或辅助其功能。
3、生物降解吸收性
生物降解吸收性指材料在活体环境中可发生速度能控制的降解，并能被活体在 一定时间内自行吸收代谢或排泄。
按照在生物体内降解方式可分为水解型和酶解型两种。
4、具备效果显示功能
具有显示其医用效果的功能，即生物功能性。 1.可检查、诊断疾病 2．可辅助治疗疾病如注射器、缝合线和手套等手术用品材料 3.可分别满足各脏器对维持或延长生命功能的性能要求 4.具备支持活体、保护软组织、脑和内脏的功能等。 5.具备可改变药物吸收途径，控制药物释放速度、部位，并满足疾病治
——是用于与生命系统接触和发生相互作用，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

需用材料
止血材料 抗凝血材料 人工瓣膜材料 人工血管材料 人工血浆 人工红血球 人工肺 人工骨 人工关节 人工肌腱、人工肌肉 人工浆膜
2.
（图中Ms表示冷却时开始产生热弹性马氏体的转变温度，Mf表示 冷却时转变的终止温度，As表示升温时逆转的温度，Af表示逆转完全 的温度）。
医学应用
血栓过滤器、脑动脉瘤夹、食道支架、鼻出血
未来人造皮肤
+ 有触感
+ 可拉伸 + 能防弹
可剥落的电子表皮
人造心脏瓣膜的置换
• 第一个可靠的人工心 脏瓣膜，在1961年由 美国俄勒冈州波特兰 的外科医生史塔尔和 他的合作者爱德华斯 发明，是装在不锈钢 罩中的塑料球。
普通金属烤瓷牙
贵金属烤瓷牙
齿科材料
• 修复牙齿用的合金除银之外主要有镍铬、钴铬和 烤瓷合金。
“马赛克凝胶”是一 种薄皮状的物质，能 够与活体组织的细胞 生长兼容，进而确保 各种不同的细胞能够 在凝胶里进行精准的、 可操控的生长繁殖。 精确控制细胞生长 具有非常重大的意义， 如此一来，人造皮肤 的细胞就能模拟活体 组织细胞的自然生长， 对烧伤患者的治疗十 分有利。
控制“马赛克凝胶” 里的细胞生长，令 其排列成7个字母、 组成单词“Toronto”。
人工皮肤的发展
+ 人造皮肤在中国起步较晚，但经过几十年
的发展，其在各个领域上面都取得 了巨大 的成就。 在美国、 加拿大、 日本和欧共体 国家组织工程的研究和产业化得到迅速发 展， 尤其是美国有 50 余家公司从事组织工 程产品的产业化生产，已经形成价值 60 亿 美元的产业，并以每年 25%的速度递增。 初步估计，到 2020 年美国组织工程 产品市 场可达每年 180 亿美元。

医用高分子材料研发过程中遇到的一个巨大 难题是材料的抗血栓问题。当由于人体的自然保 护性反应将产生排异现象，其中之一即为在材料 与肌体接触表面产生凝血，即血栓，结果将造成 手术失败，严重的还会引起生命危险。因此对高 分子材料的抗血栓性研制是医用高分子研究中的 关键问题。
整理ppt
20
血液相容性高分子材料的制取
整理ppt
13
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。活性炭常用于血液净化材料等。
整理ppt
人工心脏瓣膜
14
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研究 。碳纤维与高分子材料制成的 复合材料可用于制作假牙、人 工软骨、人工中耳骨及用于胫 骨骨折固定板、颌面修复等。
整理ppt
26
The End
！
整理ppt
27
此课件下载可自行编辑修改，供参考！ 感谢您的支持，我们努力做得更好！
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。
整理ppt
12
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。
关节的磨损
本高
修复肌腱、神经和血管的钽
丝
整理ppt
9
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。

8.1.2
生物材料分类

按材料属性分类 按材料功能分类
1892年，用硫酸钙填充骨缺损，这是陶瓷材料植入人体的最 早实例。
医学资源 10
现
代：
生物医学材料取得实质性进展开始于20世纪20年代
不锈钢：
1926年，含18%铬和8%镍首先应与于骨科治疗，随后应与于口
腔科；
1934年，研制出高铬低镍单相组织的AISI302和304，在体内
生理环境下的耐腐蚀性显著提高； 1952年，开发出耐蚀性更好的AISI316不锈钢，并逐渐取代 AISI302； 60年代，为了解决不锈钢的晶间腐蚀问题，又研制出超低碳
公元前5000年，黄金修复失牙；
公元前3500年，古埃及，棉花纤维、马鬃等缝合伤口； 公元前2500年，中国、埃及，假手、假鼻、假耳等人工假体； 隋末唐初，银膏补牙----成分是银、锡、汞，与现代牙齿 填充材料汞齐合金类似。
医践的金属材料是金、银、铂等贵重金属。 （良好的化学稳定性和易加工性） 1829年，通过多种金属的系统动物实验，得出：金属铂对机 体组织刺激性最小； 1851年发明天然橡胶的硫化方法后，开始利用天然高分子硬 橡木制作人工牙托和颚骨进行临床治疗；
架；
医用高分子： 开始于50年代有机硅聚物的发展。有机硅聚合物----聚甲基丙烯 酸甲脂（骨水泥）----医用高分子材料大发展，制作了人工心瓣 膜、人工血管、人工骨、手术缝合线等
90年代以后，借助于生物技术和基因工程的发展，由无生物存活
性材料扩展到具有生物学功能的材料领域，其基本特征是具有促
医学资源 进细胞分化、增殖、诱导组织再生、参与生命活动等功能。 14
问题
平时接触到哪些生物材料？
生物材料有哪些要求？ 常见的生物材料分类有哪些？

医用金属材料
常用医用金属材料： 不锈钢 钴（Co）基合金 钛（Ti）基合金 形状记忆合金 贵金属 纯金属钽 纯金属铌 纯金属铬
不锈钢
1926年，不锈钢（18Cr-8Ni）作为第一种不锈钢植 入材料用于外科，替代了较易腐蚀的钢，1943年，美 国又推荐302型不锈钢用于骨折固定，后来加入钼的 18-8sMo不锈钢（316）的应用，进一步改善了材料 的抗腐蚀性能。1950年，将不锈钢中所含的碳量最大 限度地降低至0.08%-0.03%，从而研制出具有较好抗 腐蚀性能的316L不锈钢（L代表低碳含量）
生物体对生物材料的响应－宿主反应
（1）生物学反应
A: 血液反应 1、血小板血栓 2、凝血系统激活 3、纤溶系统激活 4、溶血反应 5、白细胞反应 6、细胞因子反应 7、蛋白粘附
B: 免疫反应
1、补体激活
2、体液免疫反应 （抗原－抗体反应）
3、细胞免疫反
C: 组织反应 1、炎症反应； 2、细胞粘附 3、细胞增殖（异常
虽然金属材料在生物体内保持惰性状态，但仍然可能会 有物质溶入生物组织中，并对生物体组织产生毒性反应， 造成组织的损害
聚合物降解
聚合物在长期使用过程中，由于受到氧、 热、紫外线、机械、水蒸气、酸碱及微生物等因 素作用，逐渐失去弹性，出现裂纹，变硬、变脆 或变软、发粘、变色等，从而使它的物理机械性 能越来越差的现象
非降解型：要求在生物环境中能长期保持稳定，不发生降解、 交联或物理磨损等，并具良好的物理机械性能。 包括聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸酯、芳香聚酯、聚硅 氧烷、聚甲醛等。主要用于人工脏器、骨和牙齿、肌 腱和韧带、血管、皮肤等组织及器官的修复和构造
可降解型：主要包括胶原、甲壳素、纤维素、氨基酸、聚乳酸、 聚乙醇酸等。主要用于组织工程支架材料和药物缓释 系统

随着加工装备及技术的进步，现在陶瓷的切削、研 磨、抛光等已是成熟的工艺。
第三节 陶瓷生物医学材料 各类生物材料比较
材料特性
金属
高分子
陶瓷
生物 相容性 耐侵蚀性
耐热性
强度
不太好
较好
很好
除贵金属外，多数不耐 化学性能稳 化学性能稳定，耐侵蚀， 侵蚀，表面易变质 定，耐侵蚀 不易氧化、水解
较好，耐热冲击
第三节 陶瓷生物医学材料
惰性生物材料——氧化铝陶瓷
视制造方法的不同，用于生物医学的氧化铝分为: 单晶氧化铝、多晶氧化铝和多孔氧化铝三种；
就多晶氧化铝而言，只有高纯度（>99.5%）、高密度 （≥3.90g/cm3)、晶粒细小且均匀（平均晶粒尺寸 <7μm)的氧化铝陶瓷才能显示出Al2O3作为生物陶瓷 的优越性，即优良的生物相容性、摩擦系数小、耐磨 损、抗疲劳、耐腐蚀等特性；
➢良好的空隙度，体液及软硬组织易于 长入；
➢易加工成形，使用操作方便； ➢热稳定好，高温消毒不变质等性能。
第二节
金属生物医学材料
第二节 金属生物医学材料
金属生物医学材料
金属生物医用材料必须是一类生物惰性材料，应具有: 良好的力学性能及相关的物理性质 优良的抗生理腐蚀性 优良的组织相容性
已应用于临床的医用金属材料主要有: 不锈钢、钴基合金和钛基合金等三大类。
生物医学材料的分类
按在人体中的 应用部位分类
硬组织材料 软组织材料 心血管材料 血液代用材料 分离透析材料
第一节 生物医学材料的用途、基 本特性及分类
生物医学材料的分类
按使用要求分类
非植入性材料 植入性材料 血液接触性材料 降解、吸收性材料
第一节 生物医学材料的用途、基 本特性及分类