医用材料生物学基础-蔡伟 第二章 医用植入材料生物环境——二 细胞结构与功能精品PPT课件
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医用材料生物学基础-蔡伟第二章医用植入材料生物环境——三人体血液与组织液
第二章 生物环境 三、人体血液与组织液系统 15
电解质
第二章 生物环境
三、人体血液与组织液系统
16
人体血液的构成及性质
血液的理化性质： 1、比重：全血：1.05－1.06（红细胞）
血浆：1.025－1.03（血浆蛋白） 红细胞：1.09－1.092（血红蛋白）
2、粘度：液体分子的内摩擦
与水相比的相对粘度： 血液：4－5 （红细胞） 血浆：1.6－2.4 （血浆蛋白）
第二章 生物环境 三、人体血液与组织液系统 32
组织液
组织液蛋白质较少，其它成分基本与血浆相似。
组织液来自血液，可透过毛细血管壁 再进入血液。 通过组织液的生成与回流，将血液中 的氧气及营养物质运到组织间隙，供细胞 利用，细胞代谢的产物也进入血液而被带 走。
少量通过毛细淋巴管形成淋巴液，再返回血液。
浸浴
远古海洋 细胞外液：盐溶液
血管内：血浆
组织间隙液：盐溶液
血液：血浆、蛋白质、血细胞
第二章 生物环境 三、人体血液与组织液系统 31
组织液与血液
细胞内液
40－45 wt ％ 细胞膜
体液
60－70 wt ％
组织液15－20 wt ％
毛细血管壁
细胞外液
20－25 wt ％
血浆4－5 wt ％
淋巴液、脑脊液
三、人体血液与组织液系统 7
第二章 生物环境
血液的功能
1 、沟通各部分组织液、和外环境进行 物质交换的场所。 2 、运输功能：把氧和营养物质以及激 素运输到各器官和细胞；同时，把 全身各处细胞的代谢产物、二氧化 碳运走以利于排出体外； 3 、维持体温相对恒定：血液热容量大， 可吸收大量的热量。 4、参与生理止血。 5、参与机体的防御功能。
电解质
第二章 生物环境
三、人体血液与组织液系统
16
人体血液的构成及性质
血液的理化性质： 1、比重：全血：1.05－1.06（红细胞）
血浆：1.025－1.03（血浆蛋白） 红细胞：1.09－1.092（血红蛋白）
2、粘度：液体分子的内摩擦
与水相比的相对粘度： 血液：4－5 （红细胞） 血浆：1.6－2.4 （血浆蛋白）
第二章 生物环境 三、人体血液与组织液系统 32
组织液
组织液蛋白质较少，其它成分基本与血浆相似。
组织液来自血液，可透过毛细血管壁 再进入血液。 通过组织液的生成与回流，将血液中 的氧气及营养物质运到组织间隙，供细胞 利用，细胞代谢的产物也进入血液而被带 走。
少量通过毛细淋巴管形成淋巴液，再返回血液。
浸浴
远古海洋 细胞外液：盐溶液
血管内：血浆
组织间隙液：盐溶液
血液：血浆、蛋白质、血细胞
第二章 生物环境 三、人体血液与组织液系统 31
组织液与血液
细胞内液
40－45 wt ％ 细胞膜
体液
60－70 wt ％
组织液15－20 wt ％
毛细血管壁
细胞外液
20－25 wt ％
血浆4－5 wt ％
淋巴液、脑脊液
三、人体血液与组织液系统 7
第二章 生物环境
血液的功能
1 、沟通各部分组织液、和外环境进行 物质交换的场所。 2 、运输功能：把氧和营养物质以及激 素运输到各器官和细胞；同时，把 全身各处细胞的代谢产物、二氧化 碳运走以利于排出体外； 3 、维持体温相对恒定：血液热容量大， 可吸收大量的热量。 4、参与生理止血。 5、参与机体的防御功能。
《生物医用材料课件》
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。
生物医学材料的研发与应用
生物医学材料的研发与应用第一章：生物医学材料的概述生物医学材料是应用于医学领域的一种特殊材料，它具有良好的生物相容性和生物活性。
本章将介绍生物医学材料的定义、分类以及其在医学领域中的重要性。
生物医学材料是指除了生物物质（如细胞、组织等）之外，用于修复、替代或增强人体组织或器官功能的材料。
它们可以直接与人体接触，例如植入人体或用于人体外的医疗设备，例如人工心脏瓣膜、人工骨骼等。
根据其来源和特性，生物医学材料可分为天然材料和人工合成材料两大类。
天然材料主要是从生物体中提取或分离的，如动物组织、植物提取物等。
人工合成材料则是通过化学或物理方法合成的，例如金属合金、陶瓷等。
生物医学材料在医学领域中具有重要的应用价值。
首先，它们可以用于修复和替代受损的组织或器官。
例如，人工关节可以替代受伤的关节，帮助患者恢复正常运动功能。
其次，生物医学材料还可以作为药物载体，用于控制药物的释放速率和释放位置，从而提高药物疗效。
此外，生物医学材料还有助于生物医学传感器、生物成像等领域的发展。
第二章：生物医学材料的研发生物医学材料的研发是一个复杂而系统的过程。
本章将重点介绍生物医学材料的设计、制备和表征三个方面。
生物医学材料的设计是为了满足特定的医学需求，例如材料的力学性能、生物降解性能等。
设计阶段需要结合具体的临床需求和医学知识，考虑到材料的生物相容性、生物活性、生物降解等方面。
设计过程中还需要预测和评估材料与组织之间的相互作用。
制备是将设计好的生物医学材料具体制备出来的过程。
制备方法可以根据材料的性质和目的选择，例如溶液法、凝胶法、射出成型等。
不同的制备方法对材料的性能和结构有着重要影响。
制备过程中还需要注意质量控制和纯度检测，确保制备的材料符合设计要求。
表征是对制备好的生物医学材料进行性能评估和结构分析的过程。
常用的表征方法包括扫描电子显微镜、透射电子显微镜、傅里叶变换红外光谱等。
通过表征可以了解材料的微观结构、力学性能、生物降解性能等重要参数，为后续应用提供基础数据。
医用材料生物学基础-蔡伟第二章医用植入材料生物环境——四人体骨骼系统与骨组织生物力学五免疫系统与免疫
第二章 生物环境
12
骨 的显微结构
骨质、骨膜（血管、神经）、骨髓
骨组织
骨细胞：多突起，位于骨陷窝内，埋藏 在固体状态基质中．
基质：基质和纤维排列成紧密的骨板。 具有一定的形状和强大的坚韧性 和弹性。
软骨组织 透明软骨、弹力软骨和纤维软骨 骨组织
作用：骨组织与软骨组织均属于具有支
持和保护作用的结缔组织。
Stiffer, withstands greater stress
100
CORTICAL 皮质骨
80
骨松质CANCELLOUS
60
STRESS
40
Greater Area: Absorbs more Energy
20
0
S PhysTiologiRcal ReAgion I N
第二章 生物环境
18
骨骼及其力学性质
5
胸骨剑突 骶骨 髋骨 尾骨
股骨
腓骨
第二章 生物环境
颅骨
颈椎 肩胛骨 胸骨
胸椎 肱骨
腰椎 桡骨 尺骨 腕骨 掌骨 指骨
髌骨
胫骨
跗骨 骨
趾骨
肋骨
尾骨 股骨
腓骨
跟骨
6
骨的构造: 骨膜/骨质/骨髓
骨由骨膜、骨质和骨髓构成，有丰
富的血管和神经。活体内的每一块骨都 是一个活的器官。
骨膜：紧贴在除关节面以外的骨表面的
一层致密纤维结缔组织膜，很坚韧，分为 内外两层。内层中有一些细胞可分化为成 骨细胞和破骨细胞。
骨膜内含有丰富的血管和神经，对骨起
营养作用。
第二章 生物环境
7
骨的构造: 骨膜/骨质/骨髓
骨膜：
骨膜内的成骨细胞在生长发育期能形 成新骨，使骨长粗。成年以后则处于相 对静止状态，但在骨折时，成骨细胞可 再增生活动，促进骨的愈合。
生物医用材料2ppt课件
•
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
《生物医学功能材料》课件
分类
根据用途和特性，生物医学功能 材料可分为医用植入材料、医用 组织工程支架材料、医用膜材料 和器件、药物控制释放材料等。
生物医学功能材料的重要性
01
02
03
提高医疗效果
生物医学功能材料能够提 高医疗效果，减少并发症 ，改善患者生活质量。
推动医疗技术创新
生物医学功能材料的研发 和应用推动了医疗技术的 创新和发展。
血管支架
支架材料能够支撑狭窄或病变的血管，促进血液 循环，改善心血管疾病症状。
牙科种植体
种植体材料能够与人体骨骼相结合，恢复牙齿功 能，提高口腔健康水平。
药物载体与控释系统
药物载体
利用生物医学功能材料作为药物载体 ，能够实现药物的定向输送，提高治 疗效果并降低副作用。
控释系统
通过控制药物释放速度和时间，实现 药物的持续、稳定释放，提高患者的 用药依从性。
《生物医学功能材料 》ppt课件
目录
CONTENTS
• 生物医学功能材料的概述 • 生物医学功能材料的特性 • 生物医学功能材料的制备方法 • 生物医学功能材料的应用领域 • 生物医学功能材料的未来展望
01
生物医学功能材料 的概述
定义与分类
定义
生物医学功能材料是指用于替代 、修复、增强或辅助人体组织和 器官功能的材料。
2
生物可降解性对于临时性植入材料非常重要，可 以避免长期留存对组织造成的不良影响。
3
材料的生物可降解性可以通过选择适当的生物可 降解材料或进行表面改性等方式实现。
力学性能与稳定性
力学性能是指材料在受力作用下 的变形、断裂和疲劳等行为特性
。
良好的力学性能可以保证材料在 生理环境中的稳定性和耐久性， 减少因受力而产生的形变、断裂
根据用途和特性，生物医学功能 材料可分为医用植入材料、医用 组织工程支架材料、医用膜材料 和器件、药物控制释放材料等。
生物医学功能材料的重要性
01
02
03
提高医疗效果
生物医学功能材料能够提 高医疗效果，减少并发症 ，改善患者生活质量。
推动医疗技术创新
生物医学功能材料的研发 和应用推动了医疗技术的 创新和发展。
血管支架
支架材料能够支撑狭窄或病变的血管，促进血液 循环，改善心血管疾病症状。
牙科种植体
种植体材料能够与人体骨骼相结合，恢复牙齿功 能，提高口腔健康水平。
药物载体与控释系统
药物载体
利用生物医学功能材料作为药物载体 ，能够实现药物的定向输送，提高治 疗效果并降低副作用。
控释系统
通过控制药物释放速度和时间，实现 药物的持续、稳定释放，提高患者的 用药依从性。
《生物医学功能材料 》ppt课件
目录
CONTENTS
• 生物医学功能材料的概述 • 生物医学功能材料的特性 • 生物医学功能材料的制备方法 • 生物医学功能材料的应用领域 • 生物医学功能材料的未来展望
01
生物医学功能材料 的概述
定义与分类
定义
生物医学功能材料是指用于替代 、修复、增强或辅助人体组织和 器官功能的材料。
2
生物可降解性对于临时性植入材料非常重要，可 以避免长期留存对组织造成的不良影响。
3
材料的生物可降解性可以通过选择适当的生物可 降解材料或进行表面改性等方式实现。
力学性能与稳定性
力学性能是指材料在受力作用下 的变形、断裂和疲劳等行为特性
。
良好的力学性能可以保证材料在 生理环境中的稳定性和耐久性， 减少因受力而产生的形变、断裂
生物医用材料
生物无机与有机高分子复合材料
❖ 几乎所有的生物体组织都是由两种或两种 以上的材料构成的
例如人体中的骨骼和牙齿可看作由胶原蛋白、 多糖基质等高分子构成的连续相和弥散于中 的羟基磷灰石晶粒复合而成。
❖ 利用高弹性模量的无机材料增强高分子材 料的刚性，并赋予其生物活性
❖ 利用高分子材料的可塑性增进生物无机材 料的韧性。
共聚调控降解时间
聚羟基丁酸酯PHB及其共聚物 可生物降解，用于药物释放载体和组织工程 多糖和蛋白质是自然界中重要的天然高分子，具有很好的生
物相容性、可降解性和低毒性，
聚原酸酯(Polyorthoesters,POE）
POE是通过多元酸或多元原酸酯与多元醇类 经无水条件下缩合形成原酸酯键而制成。
料的机械性能，导致断裂，还产生腐蚀产物， 对人体有刺激性和毒性。
常用的医用金属材料
❖ 1)齿科：镶牙、齿科矫形、牙根种植及辅助器件 ❖ 2)人工关节和骨折内固定器械：人工肩关节、肘关节、全髋
关节、半髋关节、膝关节、踝关节、腕关节及指关节。各种 规格的皮质骨和松质骨加压螺钉、脊椎钉、骨牵引钢丝、人 工椎体和颅骨板等， ❖ 3)心血管系统：各种传感器、植入电极的外壳和合金导线， 可制作不锈钢的人工心脏瓣膜、血管内扩张支架等 ❖ 4)其它：如用于各种眼科缝线、人工眼导线、眼眶填充、固 定环等。
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
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。
医用材料生物学基础-蔡伟第三章医用植入材料与人体间的相互作用2
大多数物质经简单扩散方式通过生物膜， 从浓度较高的一侧经脂质双分子层进行扩散性 转运。 产生的条件： 膜两侧存在浓度梯度 物质必须具有脂溶性 物质必须是非电离状态
第三章 相互作用 二、植入材料与组织界面反应 17
物质过膜转运
滤过(filtration)
毛细血管和肾小球的膜上具有较 大的孔（约4nm）,可通过分子量小于 60000的分子，由于水压或/和渗透压 而产生的水流可顺压差携带化学物质 穿过膜孔。
造成酶活性、膜通透性、离子转运的改变、 线粒体能量代谢障碍、 细胞骨架损害、 细胞内钙稳态失调、 影响细胞信号传递 ――最终导致细胞死亡
第三章 相互作用 二、植入材料与组织界面反应 27
物质与细胞大分子的共价结合：
致癌作用：
致癌物与核酸相互作用，导致细胞癌变。化 学物质或其代谢产物，与蛋白质发生共价结合， 引起 DNA 错误复制，如错误复制超过机体的修复 能力，将导致突变，最终引起癌变。 与氨基酸或蛋白质有相似空间构型的高分子 单体，可能更容易到达靶部位――细胞核，化学 毒物或其代谢产物一旦与核蛋白（控制细胞生长 、增殖和分化等生理过程）共价结合，将影响细 胞的结构与功能。
2、识别、传递信号 3、膜蛋白间结合产生细胞间结合。 4、将细胞内外液分开，细胞内物质不会流散。
第三章 相互作用 二、植入材料与组织界面反应 14
物质过膜转运
物质能否通过生物膜，进入细胞， 与 物质的 生物膜通透性有关，即物质的 理化性质有关： 大小/形状 亲脂性/亲水性 所带电荷/极性 与内源性分子的相似性
第三章 相互作用
二、植入材料与组织界面反应
18
物质过膜转运
水溶性扩散(aqueous diffusion)
大部分细胞的膜孔较小（约0.4nm） ，只能通过分子量小于100、不带电荷的 极性分子，如水、乙醇、乳酸等水溶性 分子和 O2、CO2 等气体分子可通过水溶 扩散跨膜转运，其相对扩散率与该物质 在膜两侧的浓度差成正比。 甘油较难通过，葡萄糖几乎不能通过
第三章 相互作用 二、植入材料与组织界面反应 17
物质过膜转运
滤过(filtration)
毛细血管和肾小球的膜上具有较 大的孔（约4nm）,可通过分子量小于 60000的分子，由于水压或/和渗透压 而产生的水流可顺压差携带化学物质 穿过膜孔。
造成酶活性、膜通透性、离子转运的改变、 线粒体能量代谢障碍、 细胞骨架损害、 细胞内钙稳态失调、 影响细胞信号传递 ――最终导致细胞死亡
第三章 相互作用 二、植入材料与组织界面反应 27
物质与细胞大分子的共价结合：
致癌作用：
致癌物与核酸相互作用，导致细胞癌变。化 学物质或其代谢产物，与蛋白质发生共价结合， 引起 DNA 错误复制，如错误复制超过机体的修复 能力，将导致突变，最终引起癌变。 与氨基酸或蛋白质有相似空间构型的高分子 单体，可能更容易到达靶部位――细胞核，化学 毒物或其代谢产物一旦与核蛋白（控制细胞生长 、增殖和分化等生理过程）共价结合，将影响细 胞的结构与功能。
2、识别、传递信号 3、膜蛋白间结合产生细胞间结合。 4、将细胞内外液分开，细胞内物质不会流散。
第三章 相互作用 二、植入材料与组织界面反应 14
物质过膜转运
物质能否通过生物膜，进入细胞， 与 物质的 生物膜通透性有关，即物质的 理化性质有关： 大小/形状 亲脂性/亲水性 所带电荷/极性 与内源性分子的相似性
第三章 相互作用
二、植入材料与组织界面反应
18
物质过膜转运
水溶性扩散(aqueous diffusion)
大部分细胞的膜孔较小（约0.4nm） ，只能通过分子量小于100、不带电荷的 极性分子，如水、乙醇、乳酸等水溶性 分子和 O2、CO2 等气体分子可通过水溶 扩散跨膜转运，其相对扩散率与该物质 在膜两侧的浓度差成正比。 甘油较难通过，葡萄糖几乎不能通过
生物材料第二章
常见医用金属材料特点（优点）
无毒、质轻、强 度高、生物相容 性好优点
纯钛和 钛合金
贵金属
良好的稳定性和 加工性能。因其 价格较贵,广泛应 用受到限制
不锈钢
良好的耐腐蚀 性能和综合力 学性能,且加 工工艺简便
形状记 忆合金
较硬富有弹性,可起到 矫形或支撑作用.其优 良的生物相容性、耐 腐蚀、耐磨性、无毒。
特点：高强度，耐疲劳，易加工 该材料是临床应用最广泛的承力植入材料，由于 有较高的强度和韧性， 在需承受高载荷的骨、 牙部位仍被视为首选的植入材料. 最重要的应用：骨折内固定板、螺钉、人工关节 和牙根种植体等硬组织修复和替换。 此外，也是心血管和软组织修复以及人工器官制 造的重要材料。
均匀腐蚀
均匀腐蚀是指接触腐蚀介质的金属表面全部产生腐 蚀的现象 。大面积发生，以金属离子形式进入人 体组织里的量还是相当可观，影响生物相容性，增 加病人的痛苦甚至危及生命。
点腐蚀
点腐蚀是一种腐蚀集中在金属（合金)表面数十微 米范围内且向纵深发展的腐蚀行式。
电偶腐蚀
电偶腐蚀是由于腐蚀电位不同，造成同一介质中异 种金属接触处的局部腐蚀 。在多个零件构成的植 入装置中，选用的材料不同就容易产生电偶腐蚀。 手术时也要注意。
应用：
管腔狭窄的治疗（喉气管狭窄、食管狭窄、胆道狭窄、
尿道狭窄及闭锁等）：支架安入管腔狭窄的部位后， 能将狭窄管腔撑开，并与管壁相贴紧，固定好；其生 物相容性好，长期安放对黏膜无明显损伤；其高回弹 性能顺应管道的弯曲，对人体刺激小。 口腔科：用这种材料做成的种植牙具有齿槽骨切口小， 固定牢靠等优点。 骨科：人工关节，断骨连接、弯曲脊柱矫正。 血管外科：治疗主动脉瘤、冠状动脉和椎动脉狭窄等。
医用材料生物学基础-蔡伟 第一章 绪论
哈尔滨工业大学 材料学院 材料物理与化学
二OO六年十月
第一章 绪 论
一、课程设立的目的、意义
1
第一章
绪论
一、课程设立的目的、意义 二、课程特点 三、课程主要内容
四、成绩考核
五、相关概念的回顾与解释
第一章 绪 论 2
一、课程设立的目的、意义
医用材料的研究基础
材料研究的基础
医用材料的定义、目标
医用材料的分类与发展
医用材料的应用举例
社会效益、经济效益、市场前景
第一章 绪 论
未来发展的趋势与挑战
一、课程设立的目的、意义 3
一、课程设立的目的、意义
医用材料的研究基础
材料研究的基础（生物体环境 ）
医用材料的定义、目标
医用材料的分类与发展
医用材料的应用举例
第一章 绪 论
社会效益、经济效益、市场前景 未来发展的趋势与挑战
医用材料的应用举例
社会效益、经济效益、市场前景 未来发展的趋势与挑战
一、课程设立的目的、意义 14
第一章 绪 论
医用材料的分类与发展（生物材料的定义 ）
生 物 医 用 材 料
第一章 绪 论
诊断
治疗
现代诊断系统 先进控制释放系统 通用生物医用材料 组织工程生物医用材料
修复、置 换、增进 组织器官 功能
1.
使用性能 组成 结构 （工程） （化学） 合成与制备工艺
性质
（物理学）
第一章 绪 论
一、课程设立的目的、意义
12
现在 未来 －－生物材料的发展方向与设计原则
材料研究更重要的是从生命科学的角度进行 探讨和创造类似人体生命结构的新型材料， 在充分理解生命机体（天然材料）及生命机 体/人造材料相互作用的基础上的合理设计。
二OO六年十月
第一章 绪 论
一、课程设立的目的、意义
1
第一章
绪论
一、课程设立的目的、意义 二、课程特点 三、课程主要内容
四、成绩考核
五、相关概念的回顾与解释
第一章 绪 论 2
一、课程设立的目的、意义
医用材料的研究基础
材料研究的基础
医用材料的定义、目标
医用材料的分类与发展
医用材料的应用举例
社会效益、经济效益、市场前景
第一章 绪 论
未来发展的趋势与挑战
一、课程设立的目的、意义 3
一、课程设立的目的、意义
医用材料的研究基础
材料研究的基础（生物体环境 ）
医用材料的定义、目标
医用材料的分类与发展
医用材料的应用举例
第一章 绪 论
社会效益、经济效益、市场前景 未来发展的趋势与挑战
医用材料的应用举例
社会效益、经济效益、市场前景 未来发展的趋势与挑战
一、课程设立的目的、意义 14
第一章 绪 论
医用材料的分类与发展（生物材料的定义 ）
生 物 医 用 材 料
第一章 绪 论
诊断
治疗
现代诊断系统 先进控制释放系统 通用生物医用材料 组织工程生物医用材料
修复、置 换、增进 组织器官 功能
1.
使用性能 组成 结构 （工程） （化学） 合成与制备工艺
性质
（物理学）
第一章 绪 论
一、课程设立的目的、意义
12
现在 未来 －－生物材料的发展方向与设计原则
材料研究更重要的是从生命科学的角度进行 探讨和创造类似人体生命结构的新型材料， 在充分理解生命机体（天然材料）及生命机 体/人造材料相互作用的基础上的合理设计。
医用材料生物学基础-蔡伟第三章医用植入材料与人体间的相互作用3.
哈尔滨工业大学 材料学院 材料物理与化学
二OO六年十月
第三章 相互作用
炎症与伤口愈合
1
第三章
医用植入材料 与人体间的相互作用
一、生物相容性概念和原理 二、植入材料与组织界面反应 三、植入材料引起的炎症与伤口愈合 四、植入材料引起的感染、钙化和肿瘤 五、植入材料的病理学反应
第三章 相互作用
炎症与伤口愈合
炎症与伤口愈合
9
巨噬细胞 纤维原细胞
第三章 相互作用
炎症与伤口愈合
10
第三章 相互作用
炎症与伤口愈合
11
植入材料引起的反应阶段
超急性期：两小时内材料与组织和血液接触的作用
材料表面引起蛋白,细胞和其它血液成分的沉积 材料与血液和组织接触后引起凝血系统、补体、 酶、纤维蛋白原等的激活以及血细胞功能改变。
第三章 相互作用
炎症与伤口愈合
18
生物材料—组织界面
③骨接触界面:
生物惰性材料,与各组织形成薄层纤维组织 界面或伴有不同程度钙盐沉积。但随时间的延长 ,纤维层逐渐变薄或消失,还可能在界面上形成薄 层骨,缺乏明显的新生细胞生长,骨形成缓慢,是 一种有效的界面结合形式。
修复阶段
组织在结构上 和功能上修复损伤
组织、血管破坏,血液流出（纤维蛋白原、激活
血小板、淤积红细胞）－－凝血（在凝血酶的作用
下，纤维蛋白原变为不溶纤维网） 血管膨胀,中性粒细胞、血浆蛋白及细胞外液中
炎性介质从管壁渗出，炎性介质通过趋化过程把巨
噬细胞大量吸引到受损伤部位――急性炎性反应期。
第三章 相互作用
急性期：两周内植入体引起体液及细胞成分的变化
良性变化：材料表面形成惰性表面; 恶性变化：材料表面形成血栓等。
二OO六年十月
第三章 相互作用
炎症与伤口愈合
1
第三章
医用植入材料 与人体间的相互作用
一、生物相容性概念和原理 二、植入材料与组织界面反应 三、植入材料引起的炎症与伤口愈合 四、植入材料引起的感染、钙化和肿瘤 五、植入材料的病理学反应
第三章 相互作用
炎症与伤口愈合
炎症与伤口愈合
9
巨噬细胞 纤维原细胞
第三章 相互作用
炎症与伤口愈合
10
第三章 相互作用
炎症与伤口愈合
11
植入材料引起的反应阶段
超急性期：两小时内材料与组织和血液接触的作用
材料表面引起蛋白,细胞和其它血液成分的沉积 材料与血液和组织接触后引起凝血系统、补体、 酶、纤维蛋白原等的激活以及血细胞功能改变。
第三章 相互作用
炎症与伤口愈合
18
生物材料—组织界面
③骨接触界面:
生物惰性材料,与各组织形成薄层纤维组织 界面或伴有不同程度钙盐沉积。但随时间的延长 ,纤维层逐渐变薄或消失,还可能在界面上形成薄 层骨,缺乏明显的新生细胞生长,骨形成缓慢,是 一种有效的界面结合形式。
修复阶段
组织在结构上 和功能上修复损伤
组织、血管破坏,血液流出（纤维蛋白原、激活
血小板、淤积红细胞）－－凝血（在凝血酶的作用
下，纤维蛋白原变为不溶纤维网） 血管膨胀,中性粒细胞、血浆蛋白及细胞外液中
炎性介质从管壁渗出，炎性介质通过趋化过程把巨
噬细胞大量吸引到受损伤部位――急性炎性反应期。
第三章 相互作用
急性期：两周内植入体引起体液及细胞成分的变化
良性变化：材料表面形成惰性表面; 恶性变化：材料表面形成血栓等。
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构
胞内质粒：非功能性单位
细胞核
核膜 染色质 核仁 核液
第二章 生物环境
二、细胞结构与功能
19
微绒毛 微丝
溶酶体
线粒体 核周隙 滑面内质网
糖原颗粒
第二章 生物环境
二、细胞结构与功能
分泌颗粒 脂肪颗粒 高尔基复合体 中心体 核膜 核仁 核孔 基质 粗面内质网
20
细胞质 cytoplasm
细胞内液/细胞质基质 ：
2、识别、传递信号：膜蛋白与外界特定的化学信 号进行特异性结合，引起细胞内相应的变化。
3、膜蛋白间结合产生细胞间结合。 4、将细胞内外液分开，细胞内物质不会流散。
第二章 生物环境
二、细胞结构与功能
18
细胞质 cytoplasm
细胞膜
细
胞
细胞内液：半透明胶体物质。
结 细胞质 细胞器：具有一定形态和生理功能的结构
细胞质 细胞内液：半透明胶体物质。 细胞器：具有一定形态和生理功能的结构
胞内质粒：非功能性单位
核膜
细胞核 染色质
核仁
核液
第二章 生物环境
二、细胞结构与功能
13
在电子显微镜下细胞膜的结构表现“两暗
夹一明”的单位膜结构, 厚70－100Å。
第二章 生物环境
二、细胞结构与功能
14
糖脂
糖蛋白 外层脂质分子（亲水性头部）
胞
三层结构。
结
细胞质
细胞内液：半透明胶体物质。 细胞器：具有一定形态和生理功能的结构
构
胞内质粒：非功能性单位
核膜
细胞核 染色质
核仁
核液
第二章 生物环境
二、细胞结构与功能
10
内含物
中心体 核膜 核仁
染色质
细胞膜 高尔基复合体 线粒体 基质
第二章 生物环境
二、细胞结构与功能
11
中心体 溶酶体
质膜 空泡
疏水性尾部
表面蛋白质
嵌入蛋白质 内层脂质分子（亲水性头部）
细胞膜分子结构模式图
第二章 生物环境
二、细胞结构与功能
15
细胞膜 Plasma Membrane
双层极性磷脂分子：
亲水端构成膜的内外两侧，与体液
或细胞质接触，疏水端朝向膜的中间，
互相贴近。
占膜重一半，功能：
膜蛋白:
表面蛋白 结合蛋白
识别和传递信号 输送物质 与其它蛋白结合 产生细胞间结合
21
细胞质基质（胞质溶胶）
成分： 小分子：水、无机离子（K+、Na+、Cl-、
Mg2+、Ca2+等） 中等分子：脂类、糖类（葡萄糖、果糖、
蔗糖）、氨基酸、核苷酸及其衍生物 大分子：多糖、蛋白质、脂蛋白、酶、
RNA
第二章 生物环境
二、细胞结构与功能
22
细胞质基质（胞质溶胶）
功能： ①为各种细胞器维持其正常结构提供
半透明胶体物质，含有丰富的蛋
细
白质、无机盐、糖、金属离子和 电解质等。
胞 细胞器：细胞质内具有一定形态和生理功能
质
的结构。（物质代谢、能量代谢、蛋白
质合成）有：线粒体、核蛋白体、
内质网、高尔基复合体、溶酶体、
中心体、微丝和微管等。
胞内质粒：非功能性单位，糖类、脂类。
第二章 生物环境
二、细胞结构与功能
吞饮小泡
核膜
内质网 第二章 生物环境
二、细胞结构与功能
微茸毛
糖原颗粒 线粒体 高尔基复合体
细胞核 核仁 染色质
12
细胞膜 Plasma Membrane
把细胞内部和细胞外液分割开来， 细胞膜 使细胞能相对独立于环境而存在。
细
包围在细胞表面的一层薄膜，厚
胞
70－100Å，电镜下观察，为三层
结
结构。
构
第二章 生物环境
二、细胞结构与功能
3
“细胞学说”的基本内容
认为细胞是有机体，一切动植物都是由细胞发 育而来,并由细胞和细胞产物所构成；
每个细胞作为一个相对独立的单位，既有它 “自己的”生命,又对与其它细胞共同组成的整体 的生命有所助益－－器官的活力与细胞个体、也 与细胞集合体相关；
细胞的生化活性由细胞特殊的亚结构控制。
第二章 生物环境
二、细胞结构与功能
5
人血红细胞 7.5µm
第二章 生物环境
二、细胞结构与功能
6
第二章 生物环境
二、细胞结构与功能
7骨骼肌肌束膜第二章 生物环境二、细胞结构与功能
8
Cellularity
Packing Density:
maximum theoretical packing density is about 1 x 109 cells/cm3
cell densities in tissues typically vary between 10 – 500 x 106 cells/cm3
relates to about 100 - 500 cells per microenvironment (100 mm)3
extreme cases, such as cartilage which is accellular and has ~ 1 cell per (100 mm)3
第二章 生物环境
二、细胞结构与功能
16
第二章 生物环境
二、细胞结构与功能
17
细胞膜的功能
1、物质输送：有选择性，进行新陈代谢的同时， 又能保持细胞内成分稳定。
水的渗透（细胞内外溶液浓度差异） 脂溶性物质和小分子物质，单纯扩散作用。 胞饮、胞吐作用（大分子） 非脂溶性物质与膜蛋白暂时结合，异化扩散。 主动转运作用（浓度由低至高）
生命的延续以细胞为基础，新的细胞可以通过 老的细胞繁殖产生。
第二章 生物环境
二、细胞结构与功能
4
“细胞学说”的基本内容
细胞是人体结构和功能的最小单位 －－如何发挥功能？
细胞的生化活性由细胞特殊的亚结构控制 －－如何控制？
细胞的结构、成分？
人体有200种细胞－－尺寸、形状、功能不同 －－其结构是否相同或相似？
thus its microenvironment is essentially 1
cell plus associated ECM
第二章 生物环境
二、细胞结构与功能
9
人体细胞形状千差万别，其基本结构类似
细胞膜
把细胞内部和细胞外液分割开来，使细胞能 相对独立于环境而存在。包围在细胞表面的
细
一层薄膜，厚70－100Å，电镜下观察，为
工业大学
二OO六
第二章 生物环境
二、细胞结构与功能
1
第二章 医用植入材料生物环境
一、生命体系结构、人体组织与器官 二、细胞结构与功能 三、人体血液与组织液系统 四、人体骨骼系统与骨组织生物力学 五、人体免疫系统与免疫细胞
第二章 生物环境
二、细胞结构与功能
2
细胞 Cell
是人体结构和功能的最小单位, 由细胞膜、细胞质和细胞核构成。 在电子显微镜下还可以观察到细胞 内部更细微的结构, 即超微结构。