生物医学材料的发展和应用

生物医学材料的特点及应用2009-11-30 13:20:21| 分类：论文|字号订阅摘要本文对生物医用材料发展现状，要满足的性能，类型，以及常用的一些材料进行了全面的介绍。

生物医用材料要满足的首要性能是生物相容性，因为这密切地关系着宿主的生命安全，还要有足够的力学性能，和组织相容性，以及耐生物老化性能。

按其在生物体内的状态，这种材料可分近于惰性的生物医学材料，生物活性材料，可生物降解和吸收的材料。

本文介绍一些常用的生物医用材料有，医用金属和合金主要包括，不锈钢，钴基合金，钛和钛基合金；医用高分子生物材料；医用生物陶瓷；医用生物复合材料；生物衍生材料。

这些材料在现代医学中起着重要的作用，但其自身仍有许多的不足之处，需要进一步的发展和完善。

关键词：生物医用材料，生物相容性，生物活性，降解，生物玻璃，衍生The characteristics and applicationof biomedical materialsAbstractThe development of bio-medical materials, the performance of satisfaction, type, and some commonly used materials were introduced comprehensively in the paper. The primary performance of Bio-medical materials to meet was the biocompatibility, because this was the close relationship with the lives of hosts, and they must have a sufficient mechanical properties, the organizational compatibility, and the performance of resistance biological aging. According the state in the body, materials were divided into near-inert biomedical materials, bio-active materials, and bio-degradation and absorption materials.The article described some common bio-medical materials who were medical polymer biomaterials; medical bio-ceramics; medical bio-composite materials; bio-derived materials; and medical metals and alloys that were stainless steel, cobalt-based alloys, titanium and titanium-based alloys. These materials in modern medicine played an important role, but they still had many of their own shortcomings and needed the further development and improvement.Key words: Bio-medical materials, biocompatibility, bioactivity, degradation,bio-glass, derivative狭义的生物医用材料, 是指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。

而广义的生物医用材料还包括制造生物医药的原材料、医学诊断试剂、药物送达释放体系用材以及一次性使用的医用材料。

生物医用材料及其制品已广泛应用于人体植入体。

以现代科技手段生产的生物医用新材料及其制品在代替、修补、辅助修复人体组织器官上取得了显著的进展, 医学上已广泛用于制造人工心脏、心脏瓣膜、人造血管、人工肾、人造皮肤、人工骨, 以及药物释放体系等。

已显示出较显著的社会和经济效益, 成为一个新兴产业[1]。

预计未来10～20年内, 包括生物医用材料在内的医疗器械产业将达到药物市场规模, 成为世纪世界经济的支柱产业。

[2]1.生物医用材料的性能特点作为体内移入物的材料, 不仅要在生物条件下物理机械性能长期稳定, 而且要对人体的组织、血液、免疫等系统不产生不良影响[3]。

1.1生物相容性生物相容性是生物医学材料特定应用中伴随着适应宿主反应发挥有效作用的能力。

生物医学材料和生物系统接触后，一方面材料要受生理环境的作用，引起可能导致其降解和性质蜕变的材料反应，另一方面材料也将对周围组织和整个机体发生作用，引起诸如炎症、局部或全身毒性等宿主反应。

所以要求：没有毒性和过敏反应，具有化学稳定性；具有良好的耐蚀性；没有致癌性和抗原性；不会引起血液凝固和溶血；不会引起异常的新陈代谢；不会在生物体内变质，产生吸收物和在生物体内变质等[4]。

应该注意的是，在某种应用条件下是生物相容的材料在另一种条件下则不一定是生物相容的。

直接接触血液，主要考查与血液互相作用的生物相容性，称血液相容性；直接与肌肉、骨骼、皮肤等组织接触并互相作用的生物相容性，称一般生物相容性。

1.2力学性能一些生物医学材料的最终使用是制成生物体内可接受的器官和器件，由此，这样的生物医学材料必须与生物结构（包括器官）的力学性能相容。

为此，生物医学材料应具备有适当的力学性能：有一定的静载强度（包括抗拉、压缩、弯曲和剪切强度）；有适当的弹性模量和硬度；有良好的耐磨性；（其中摩擦磨损是人工关节材料的关键）有耐腐蚀和耐腐蚀疲劳性；具有良好的润滑性等[5]。

力学的相容性并不是要求力学性能一定要高，而是取决于它所受的应力大小，要和相应的被置换的组织相匹配。

1.3和组织的结合性这种结合可以是组织长入不平整的植入表面而形成的机械嵌联。

也可以是植入材料和生理环境间发生化学反应而形成的化学键结合。

1.4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[6]。

2. 生物医用材料类型生物医学材料的功能常通过加工成器件或制品来实现。

它的成功使用涉及多方面因素，如材料的组成和结构，制品的形态和制造工艺，临床手术和技术，以及受体自身的状况等。

按材料在生理环境的生物化学反应水平可分为：近于惰性的生物医学材料，生物活性材料，可生物降解和吸收的材料[7]。

2.1近于惰性的生物医学材料在生理环境中能保持稳定，长期暴露于生理环境中仅发生轻微、甚至不发生化学变化的材料。

主要有合成的非降解聚合物材料、医用金属和合金，氧化铝和医用碳素等近乎惰性的生物陶瓷和复合材料等。

2.2生物活性材料可诱发或调节特殊生物活性的材料。

通常指植入生物体内后，可在材料界面上诱发特殊生物反应，从而导致材料和组织间形成键性结合的材料。

主要有生物活性陶瓷及生物活性复合材料。

2.3可生物降解和吸收的材料在生物环境中可全部或部分被降解和吸收的材料。

伴随着材料的降解和吸收，新生组织将逐步渐渐替代。

这类材料或通过控制其降解吸收速率，使之与天然组织生长替代相匹配而发生作用；或起着一种激励天然组织长入的“骨架”作用，这个骨架及最终被吸收或部分保留，的天然组织已长入其中。

这类材料主要有可吸收陶瓷、可吸收医用复合材料、可生物降解和吸收的聚合物材料、以及生物衍生材料等3常见生物医用材料的应用生物体结构经过20 亿年的物竞天择,几乎是完美无缺的。

但是,有时遭到外界的伤害后很难自我修复, 仿生学就这样应运而生了。

仿生学通常指模仿或利用生物体结构、生化功能和生化过程的技术。

我们可以这样说,除了大脑外,机体所有的组织和器官均可人工再造和再生。

对生物材料而言,一种是指天然生物材料,是由生命过程形成的材料,如结构蛋白(胶原纤维、蚕丝等) 和生物矿物(骨、牙、贝壳等) ; 另一种是指医用生物材料, 是通常意义上的生物材料。

早期的生物医用材料主要是人工合成材料, 如金属、陶瓷、高分子等。

近年来随着组织工程的发展,天然材料、活体细胞与无生命材料合成的杂化材料等在生物医用材料领域得到了广泛的应用。

3.1医用金属和合金主要用于承受力的骨、关节和牙等硬组织的修复的替换。

不锈钢、钴基合金。

钛及钛基合金是生物医学合金的三大支柱[8]。

3.1.1不锈钢不锈钢分为三类：马氏体不锈钢，硬度高，强度好，耐腐蚀性不是最高，用于外科手术器械。

沉淀硬化型不锈钢，含Co、Cr、Ni等，产生时效强化，耐蚀性能与钴基合金相当，力学性能也好，可代替钴基合金制作人工关节等承载植入体。

奥氏体不锈钢，具有很好的抗腐蚀性能，同不能通过相变强化，只能通过加工强化；碳会引起晶间腐蚀，超低碳的不锈钢得到广泛的临床应用[9]。

医用不锈钢都含有较多的金属合金元素，他们在人体内所允许的浓度非常低。

钢中的金属离子溶出会在机体内引起一些组织学上的反应。

例如铁，它与血红细胞结合可形成铁血黄素、铬与生物体内的丝蛋白结合、镍的富集可诱发肿瘤的形成、钒有很强的细胞毒性等。

由于腐蚀、磨损等导致金属离子溶出，在组织液引起机体的某些反应，会出现水肿、感染及组织坏死等。

因此，必须严格限制不锈钢在生物体内的金属离子的溶出。

不锈钢广泛地用来制作各种人工关节和骨折内固定器械，各种规格的截骨连接器、加压钢板、鹅头骨螺钉，多种规格的皮质骨和松质骨加压螺钉、脊椎钉、骨牵引钢丝、人工锥体等。

这些置入体可替代生物体的关节、骨折修复等。

在齿科，不锈钢广泛用于镶牙、矫形、牙根种植及如齿冠、齿桥、固定支架、卡环、基托、娇形弓丝等。

在心血管系统，不锈钢用于各种植入电极、传感器的外壳和合金导线、人工心脏瓣膜以及血管内扩张支架等。

3.1.2钴基合金主要有钴铬钼合金、钴铬钼镍合金、钴镍铬钼钨合金和MP35N钴镍合金及其烤瓷合金；此外，精密铸造含钛的钴基合金在一些国家也有应用。

这几种合金中，只有钴铬钼合金可以在铸态下直接使用，其他的都是锻造合金。

钴基合金在人体内，大多数情况下保持钝化状态，只有很少数数量的偶然可见的腐蚀现象。

钴铬合金比不锈钢的钝化膜更稳定、内腐蚀性更好。

钴铬钼合金的点腐蚀倾向非常小，对应力腐蚀断裂也不敏感。

用铸造钴基合金造人工关节，发生疲劳的几率和不锈钢差不多。

若用锻造钴基合金，还可以大大降低腐蚀疲劳的几率。

钴基合金的耐腐蚀性能是所有医用金属材料中最好的，一般没有明显的组织学反应。