生物医用材料介绍

生物医用材料

导论

一、生物医用材料定义

生物材料：广义的说，一是指用于生物体内的材料，达到治疗康复的目的，例如隐形眼镜、人工髋关节；二是指来源于生物体，可能用于或不再用于生物体，例如动物皮革用于服装。

生物医用材料：对生物系统的疾病进行诊断、治疗、外科修复、理疗康复、替换生物体组织或器官（人工器官），增进或恢复其功能，而对人体组织不会产生不良影响的材料。生物医用材料本身不是药物，而是通过与生物机体直接结合和相互作用来进行治疗。

另一种说法是：生物医用材料是一种植入躯体活系统内或与活系统相接触而设计的人工材料。

生物医用材料又叫做生物材料，分别来自于Biomedical

Materials 和Biomaterials的译名。目前国际上两本最主要的学术期刊是英国的《Biomaterials》和美国的《Journal of

Biomedical Materials Research》，两个期刊所涉及的内容是相同的，由此可见Biomedical Materials 和Biomaterials两词是指相同的材料。

举例说明：（FDA分类：美国食品与药物管路局对医用材料的分类）

名称 是否生物材料 相接触的组织 FDA分类

眼镜架 no

隐形眼镜 yes 与角膜接触

III

假肢 no

人工髋关节 yes 与骨组织接触并要求牢固结合

III

假牙 yes 与口腔粘膜接触

II

牙根植入体 yes 与牙床骨接触并希望牢固结合

III

人工心肺系统 yes 与血液接触

III

生物医用材料学科的研究内容

1.各种器官的作用；

2.生物医用材料的性能；

3.它们之间的相互作用，在体内生物医用材料如何影响活组织（称之为宿主反应）；活组织又如何影响生物材料的性能变化（称之为材料反应）。

相互作用重点研究化学和力学两方面。（例如植入髋关节，磨损碎屑，炎症反应，以及金属离子的溶出）

二、生物医用材料的分类：生物材料应用广泛，品种很多，有不同的分类方法。

按材料的传统分类法分为：

(1)合成高分子材料（如聚氨酯、聚酯、聚乳酸、聚乙醇酸、乳酸乙醇酸共聚物、其他医用合成塑料和橡胶）、

(2)天然高分子材料（如胶原、丝蛋白、纤维素、壳聚糖）、

(3)金属与合金材料（如钦金属及其合金）、

(4)无机材料（生物活性陶瓷，羟基磷灰石）、

(5)复合材料（碳纤维／聚合物、玻璃纤维／聚合物）。

按材料的医用功能分为：

(1)血液相容性材料

一切与血液接触的材料，应不致血栓形成和与血液不发生相互作用。主要包括聚氯酯／聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯／聚甲基丙烯酸经乙酪、含聚氧乙烯援的聚合物、肝素化材料、尿面固定化材料、骨胶原材料等。应用于入工血管、入工心脏、血浆分离膜、血液灌流用吸附剂、细胞培养基材等。

(2)软组织相容性材料

对于与生物机体组织非结合件的材料，如软件隐形眼镜片，要求材料对周围组织无刺激性和毒副作用；对于结合性的材料，如人工食道，要求材料与周围组织有一定粘结性，不产生毒副反应。此类材料包括聚硅氧烷、聚酯、聚氨基酸、聚甲基丙烯酸经乙酯、改性甲壳素等。主要用于人工皮肤、人工气管、人工食道、人工输尿管、软组织修补材料等。

(3)硬组织相容性材料

硬组织生物材料主要用于生物机体的关节、牙齿及其他骨组织。包括生物陶瓷、生物玻璃、钛及合金、碳纤维、聚乙烯等。

(4)生物降解材料

牙齿及其他骨组织。包括生物陶瓷、生物玻璃、

生物降解材料是—类在生物机体中，在体液及其酸、核酸作用下，材料不断降解被机体吸收，或排山体外，最终所植入的材料完全被新生组织取代的天然或合成的生物医用材料。包括多肽、聚氨基酸、聚酯、聚乳酸、甲壳素、骨胶原／明胶等高分子材料。β—磷酸三钙则属于生物陶瓷可降解材料。主要用于吸收型缝合线、药物载体、愈合材料、粘合剂以及组织缺损用修复材料

(5)高分子药物

高分子药物是一类本身具有药理活性的高分子化合物，可以从生物机体组织中提取，也司以通过人工合成、基因重组等技术，获得天然生物高分子的类似物，如多肽、多糖类免疫增强刑、胰岛素、人工合成疫苗等，用于治疗糖尿病、心血管病、癌症以及炎症等疾病。

还可以按照有无生物活性分为生物惰性材料（bioinert）、生物活性材料（bioactive）。

还可以按照可否生物降解（biodegradable）来划分。

还可以分为人工合成材料和天然材料。

还可以分为单一材料、复合材料、活体细胞、天然组织与无生命材料结合的杂化材料。

三、生物医用材料的研究现状（目前的开发方法、未来的研究方法）

目前，世界各国对生物材料的研究大多处于经验和半经验的阶段，材料与活组织之间相互作用机理还有许多不清楚的地方，基本上是应医学上的急需进行研究，一般以现有材料为对象，凡性质基本能满足使用要求者，则进行适当纯化，包括配方上减少有害助刑，工艺上减少单位残留量及低聚物，然后加以利用；性能不满足要求者，进行适当改性后再加以利用；还有的则把两种材料的性质结合起来以实现一定的功能。至今，真正建立在分子设计基础上，以材料结构与性能的关系，特别是与生物相容性的关系为基础的新型生物材料的设计研究尚不多见。因此，目前应用的生物材料，尤其是用于人工器官的材料，只是处于“勉强可用”或“仅可使用”的状态，还未满足应用的要求。

近年来，对生物材料结构与生物相容性之间关系的研究已受到重视。目前已进人了为“生物材料分子设计学”积累数据和资料的阶段，个别性能的分子设计已被应用并取得了较好结果。

四、当前研究比较活跃的生物材料主要有：（例举）

(1)高抗凝血材料：这是生物材料最活跃的前沿领域，主要用于人工心脏、人工血管和人工心脏瓣膜等人工器官。目前虽已开发了抗凝血性较好的材料，但仍然不能满足临床要求。

(2)生物活性陶瓷及玻璃：主要用于人工骨、人工关节、人工种植牙等。现已开发出具有较好组织相容性的羟基磷灰石陶瓷、活性氧化铝陶瓷、β—磷酸三钙多孔陶瓷、SiO2—CaO—MgO—P2O5微晶玻璃等材料，但对这类材料的生物活性表征及生物活性的可信赖机理、应力传递时弹性模量的不匹配效应、生物活性界面键合的长期稳定性等问题仍需进一步解决。

(3)钛及钛合金、钛镍记忆合金：主要用于骨科修补及矫形外科。

(4)生物活性缓释材料及靶向药物载体材料：主要用于局部长时间释放药物、植人型长效治疗药物系统。现已开发出医用的乙烯—醋酸乙烯共聚物、聚硅氧烷、聚甲基丙烯酸羟乙酯、聚乙烯基吡（bi）咯烷酮、聚乙烯醇、琼脂糖、羧甲基纤维素、经乙基纤维素、胶原、聚葡糖肽等多种缓释材料。 (5)生物粘合剂：主要用于替代外科手术的缝合及活组织的接合。现已开发出了α氰基丙烯酸酯、明胶／间苯二酚复合物、血纤维蛋白阮、氧化再生纤维、琥琅酰化直链淀粉，并已广泛应用于手术切口的吻合、肠腔吻合、骨科及齿科硬组织的接合、血管栓塞、输卯管粘堵、止血等。

(6)可生物降解与可吸收性生物材料：主要用作手术缝线、骨组织的修补、人工血管及人工韧带的临时支撑物、药物缓释包膜、防组织粘连涂层等，已开发出的可降解、可吸收和可溶性生物材料有β—磷酸钙、医用聚己内酯、聚己醇酸乙二醇酯、聚乙二酸亚烷酯、聚(环氧乙烷／PFT)、聚乳酸、聚酸酐、聚原酸酯交联白蛋白、交联胶原／明胶等。

(7)智能与杂化材料。

(8)血液净化材料。

近年来，各国对生物材料的表面修饰研究也十分重视，目的是改善与机体直接接触的材料表面的生物相容性及力学相容性，采取的方法有粒子加速器、等离子束、溅射涂覆等先进技术，力求使材料表面形成逐步过渡的、与活体要求相适应的性能，如高生理惰性、高生物相容性及应力响应匹配性等，还提出了梯度生物材料的概念（材料内部没有明显的界面，组成、形态、微结构梯度渐变，性质和功能也梯度变化）。

五、生物医用材料的研究方向 (1)生物相容性的分子设计学研究，重点研究材料的一次结构及表面高次结构与活体的组织相容性、血液相容性及体内耐老化性的关系，深入探讨生物材料分子设计的理论与方法，并用于指导新材料的开发。

(2)血液相容性材料研究，特别是对仿肝素结构材料和表面生物化处理材料的研究。

(3)生物膜材料的研究，重点是人工肺膜用气体透析材料，血液净化用透析膜、超滤膜尤其是可分离分子物质的透析膜材料。

(4)缓释材料研究，重点是研究植人型可吸收性缓释材料及生物粘附型缓释材料。

(5)天然生物材料中再生胶原及弹性纤维蛋白的稳定化和增强处理方法、甲壳素和透明质酸代替物的应用研究。

(6)生物陶瓷和生物玻璃材料研究，重点是提高生物陶瓷表面生物相容性和力学相容性及表面修饰与处理方法的研究，生物陶瓷表面与机体组织、体液相互作用的机理研究，以及具合各种功能的生物陶瓷、生物玻璃的应用研究。

(7)医用钛及钛合金、镍钛合金材料表面与体液相互作用机理和生化反应及金属表面生物惰性化处理方法的研究。

(8)生物材料表面修饰学的研究，发展各种生物梯度材料，通过对材料表面的合理修饰，使其表面形成一个能与生物活体相适应的过渡层。从而提高材料的生物相容性，这种过波层应具有生物相容性和力学相容性。 (9)生物材料的生物相容性表征及评价方法的研究，制定不同应用场合的生物相容性要求，研究准确可靠、简便快速的评价方法，并使评价标准统一和规范化。

(10)生理活性材料、仿生材料、智能材料、生物／合成杂化材料的研究，包括应用仿生没计，仿制具有某些器官或组织的物性和生物活性的生物材料，用共价键合或物理交联方法将某些生物功能物牢固地固定在合成聚合物表面或内部，制造杂化生物材料系统，用于人工器官、药物释放、亲合分离系统和生物传感器，研究能保持细胞活力的细胞载体材料和接载方法。

(11) 生物降解／吸收的调控机制研究。

研究生物降解／吸收材料的分子结构、生物环境对生物降解／吸收材料降解的影响、降解／吸收速度的调控、降解／吸收及代谢机制、降解产物对机体的影响。目标是为组织工程化人工器官生物材料及药物控释材料提供理论基础，实现材料参与生命过程、构建生命组织的目的。

(12) 生物结构和生物功能的设计和构建原理研究。

着重研究具有诱导组织再生的骨、软骨及肌腱等基底材料和框架结构的设计及其仿生装配；

(13) 继续筛选现有或新出现的材料，注意材料结构与性能关系的研究，积累数据资料，逐步发展生物材料的分子设计，在改性和分子设计基础上合成新的生物材料。