生物材料和人工器官

1. 生物材料和人工器官

2. 主要内容 • 生物医学材料 • 定义、发展 • 基本要求 • 分类及介绍 • 人工器官 • 人工肾 • 人工肝 • 人工心脏 • 人工肺

3. 生物医学材料 • 定义：生物材料（Biomaterials）即生物医学材料（Biomedical Materials），指“以医疗为目的，用于与组织接触以形成功能的无生命的材料”。 • 它是生物医学科学中的最新分支学科，是生物、医学、化学和材料科学交叉形成的边缘学科。 • 生物材料是研制人工器官及一些重要医疗技术的物质基础，每一种新型生物材料的发现都引起了人工器官及医疗技术的飞跃。

4. 生物材料的发展概述 • 生物材料的开发和利用可追溯到3500年前，那时的古埃及人就开始利用棉纤维、马鬃作缝合线缝合伤口；印第安人则使用木片修补受伤的颅骨。2500年前，中国和埃及的墓葬中就发现有假牙、假鼻和假耳。人类很早就用黄金来修复缺损的牙齿，并沿用至今。16世纪开始人们用黄金板修复颚骨，陶材做齿根，用金属固定内骨板，以及用金属种植牙齿等。

5. 生物材料的发展概述 • 生物医学材料应用广泛，仅高分子材料，全世界在医学上应用的就有90多个品种、1800余种制品，西方国家在医学上消耗的高分子材料每年以10%～20%的速度增长。 • 我国生物医用材料产业取得很大进步，但是产品结构不尽合理，细分程度低，一般、传统和初级的产品占多数，高端产品仍以进口为主；研究仍以仿制为主，缺少真正具有自主技术的创新产品；从事生物医学材料的大企业太少；生物医学材料的主要原材料也依靠进口。

6. 材料反应 材料 活体系统 宿主反应 生物医学材料的基本要求 • 材料与机体组织发生的两种反应： 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。 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。

7. 生物医学材料的基本要求 • （一）生物相容性 • ①对人体无毒、无刺激、无致畸、致敏、致突变或致癌作用； • ②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； • ③无溶血、凝血反应等。

8. 生物医学材料的基本要求 • (二)化学稳定性 • ①耐体液侵蚀，不产生有害降解产物； • ②不产生吸水膨润、软化变质； • ③自身不变化等。 • (三)力学条件 • ①足够的静态强度，如抗弯、抗压、拉伸、剪 切等； • ②具有适当的弹性模量和硬度； • ③耐疲劳、摩擦、磨损、有润滑性能。

9. 生物医学材料的基本要求 • (四)其它要求 • ①良好的空隙度，体液及软硬组织易于长入； • ②易加工成形，使用操作方便； • ③热稳定好，高温消毒不变质等性能。

10. 材料在生物体内的响应—材料反应 • 生物机体作用于生物材料－材料反应，其结果可导致材料结构破坏和性质改变而丧失其功能。可分为如下三个方面： • 金属腐蚀 • 聚合物降解 • 磨损

11. 金属腐蚀 • 生物体内的腐蚀性环境： • （1）含盐的溶液是极好的电解质，促进了电化学腐蚀和水解； • （2）组织中存在具有催化或迅速破坏外来成分能力的多种分子和细胞。 • 对于生物材料而言多为局部腐蚀，具体包括应力腐蚀开裂、点腐蚀、晶间腐蚀、腐蚀疲劳以及缝隙腐蚀等，导致生物材料整体破坏。 • 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。

12. 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。 • 聚合物老化易形成的碎片、颗粒、小分子量单体物质。对耐久性器件，必须保持一定强度和其它机械性能，老化产物不能对周围组织有毒害作用。

13. 磨损 • 人工关节由于表面易氧化生成TiO2，其耐磨性差，植入人体后，磨损造成在关节周围组织形成黑褐色稠物，从而引起疼痛。 • 目前，大量的人工髋关节是由坚硬的金属或陶瓷的股骨头与超高分子聚乙烯的髋臼杯组合成，然而它的寿命也不超过25年。 • 假体失败的主要原因是超高分子聚乙烯磨损颗粒所造成的界面骨溶解，从而导致假体松动。这种磨损颗粒所导致的异物－巨细胞反应，又称颗粒病，是晚期失败的最主要原因。

14. 生物医学材料的分类 • 按材料的属性分类 医用金属材料 无机生物医学材料 高分子生物材料 杂化生物材料 复合生物材料 生物医学材料

15. 医用金属材料 • 一类生物惰性材料，除具有较高的机械强度和抗疲劳性能，具有良好的生物力学性能及相关的物理性质外，还必须具有优良的抗生理腐蚀性、生物相容性、无毒性和简易可行及确切的手术操作技术。 • 该材料是临床应用最广泛的承力植入材料，已成为骨和牙齿等硬组织修护和替换、心血管和软组织修复以及人工器官制造的主要材料。

16. 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、铌和铬等

17. 医用金属材料：不锈钢 • 铁基耐蚀合金（一般由铁、铬、镍、钼、锰、硅组成），易加工，价格低廉。 • 不锈钢的耐蚀性和屈服强度可以通过冷加工而提高，避免疲劳断裂。 • 一般制成多种形状，如针、钉、髓内针、齿冠、三棱钉等器件和人工假体而用于临床，还用于制作各种医疗仪器和手术器械。

18. 医用金属材料：不锈钢 • 按显微组织的特点可分为: • 奥氏体不锈钢 • 铁素体不锈钢 • 马氏体不锈钢 • 沉淀硬化型不锈钢等

19. 3Cr13和 4Crl3型马氏体不锈钢用于医疗器械，如刀、剪、止血钳、针头等。 • 00Cr18Ni10型奥氏体不锈钢可制作各种人工关节 和骨折内固定器；在口腔科常用于镶牙、矫形和牙根种植等器件的制作。 不锈钢骨固定螺钉和骨固定板

20. 医用金属材料：钴基合金 • 含有较高的铬和钼，又称钴铬钼合金，具有极为优异的耐腐蚀性（比不锈钢高40倍）和耐磨性，综合力学性能和生物相容性良好，可通过精密铸造成形状复杂的精密修复体，有硬、中、软三种类型。在所有医用金属材料中，其耐磨性最好；植入体内不会产生明显的组织反应，适合于制造体内承载苛刻的长期植入件。 • 临床上主要用于用于制造人工髋关节、膝关节以及接骨板、骨钉、关节扣钉和骨针，及人工心脏瓣膜等。

21. 医用钴基合金更适用于体内承载条件苛刻的长期植入件。医用钴基合金更适用于体内承载条件苛刻的长期植入件。

22. 医用金属材料：钛基合金 • Ti合金的强度可达到很高的水平，比强度是不锈钢的3.5倍； • 耐疲劳、耐蚀性均由于不锈钢和钴基合金。 • 抗断裂强度较低，耐磨性能不尽人意，加工困难，冶炼及成型工艺复杂，要求条件较高。 • Ti合金对人体毒性小，密度小，弹性模量接近于天然骨，是较佳的金属生物医用材料。

23. EL1Ti6Al4V钛基合金制作的骨钉和骨板 广泛用于制作各种人工关节、牙床、人工心脏瓣膜、头盖骨修复等方面。

24. 头颅微型钢板

25. 医用金属材料：形状记忆合金 • 自1951年美国首次报道Au-Cd（金-镉）合金具有形状记忆效应以来，目前已发现有20多种记忆合金，其中以镍钛合金在临床上应用最大。 • 在不同的温度下表现为不同的金属结构相。如低温时为单斜结构相，高温时为立方体结构相，前者柔软可随意变形，如拉直式屈曲，而后者刚硬，可恢复原来的形状，并在形状恢复过程中产生较大的恢复力。

26. 形状记忆合金可分为三种

27. 医用金属材料：形状记忆合金 • 特点：奇特的形状记忆功能，质轻，磁性微弱，强度较高，耐疲劳性能，高回弹性和生物相容性好等。 • 应用 • 管腔狭窄的治疗（喉气管狭窄、食道狭窄等） • 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。

28. 医用金属材料：贵金属 • 一类金属（金，银，铂，钯等）或合金，如金子具有极高的抗氧化性和抗腐蚀性。贵金属具有独特稳定的物理和化学性能、优异的加工特性、对人体组织无毒副作用、刺激小等优良的生物学性能。主要用于口腔科的齿科修复，也可用于小型植入式电子医疗器械。

29. 医用金属材料：纯金属钽（Ta） • 具有良好的抗生理腐蚀性和可塑性，独特的表面负电性使其具有优良的抗血栓性能和生物相容性，还有很高的抗缺口裂纹能力。 • 主要用作接骨板、种植牙根、义齿及外科手术缝线和缝合针； 钽网可用于肌肉缺损修补；钽丝和箔用于缝合修补神经、肌腱和血管；还用于血管内支架及人工心脏。 • 由于钽的资源少、价格较高，使其推广受很大限制。

30. 医用金属材料：纯金属铌 • 性能和应用范围与钽非常相似，用于修补颅骨和制作医疗器械。但由于来源困难，价格昂贵，使用受到限制，主要用于制造髓内钉等。

31. 医用金属材料：纯金属铬 • 化学性能与金属钛相似，耐蚀性能、加工性能、稳定性和生物相容性都很好，主要用于人工骨和修补颅骨，可加工成各种板、带、线材在临床上使用。医用铬可与钛等同使用，但其价格较贵，在临床中较难推广。

32. 心血管支架

33. 医用高分子材料 • 高分子：分子量在几万至几百万，如蛋白质、棉、毛、木材、松香、橡胶、塑料、合成纤维。 • 医用高分子材料：在医学上应用的、尤其能在机体内使用的高分子材料。 • 医用高分子制品的研究，包括人工器官、医疗用品（输血输液用具、心导管、角膜接触镜、膀胱造瘘管、医用粘合剂以及各种医用导管、医用膜、创伤包扎材料和各种手术、护理用品等 ）和药用高分子（作为赋形剂 、合成新型药物 ）三大类。

34. 天然高分子材料 • 人类机体的皮肤、肌肉、组织和器官都是由高分子化合物组成的，天然高分子生物材料是人类最早使用的医用材料之一。 • 天然材料具有不可替代的优点：功能多样性、与机体的相容性、生物可降解性以及对其进行改性与复合和杂化等研究。 • 目前天然高分子生物材料主要有： • 天然蛋白质材料：胶原蛋白和纤维蛋白两种 • 天然多糖类材料：纤维素、甲壳素和壳聚糖等 • 它们由于结构和组成的差异，表现出不同的性质，应用于不同的方面。

35. 合成高分子生物材料 • 合成高分子材料已经迅速地取代了除了食品以外的许多宝贵天然资源。 • 合成高分子生物材料是指利用聚合方法制备的一类生物材料。由于合成高分子可以通过组成和结构控制而具有多种多样的物理和化学性质。 • 这是一门新兴的边缘学科，已成为制造各种人工器官、软硬组织修复体、医用粘结剂、缝合线、人造血液等的最主要的也是用量最大的生物材料。

36. 合成高分子材料 • 合成高分子材料的组成物（单体，添加剂等）可能向生物环境释放，有可能导致毒性反应。 • 其弹性模量低和弹性常使其不能用于承受较大负荷的体位的修复。 • 合成高分子生物材料可分为： • 生物不可降解的：硅橡胶、聚氨酯、环氧树脂、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸酯水凝胶等。 • 生物可降解的：聚乙烯醇、聚乳酸、聚乙内酯、乳酸一乙醇酸共聚物和聚β一羟基丁酸酯等。

37. 合成高分子材料：硅橡胶 • 平均分子量>40万，有机硅弹性体的主要成分，是含有硅原子的特种合成橡胶的总称。 • 它具有优异的生理特性：无毒无味、生物相容性好、耐生物老化、较好的抗凝血性、长期植入体内物理性能下降甚微、耐高温严寒（ -90°C－ 250°C）良好的电绝缘性、耐氧老化性、耐光老化性以及防霉性、化学稳定性等。 • 在医学上主要用于粘合剂、导管、整形和修复外科（人工关节、皮肤扩张、烧伤的皮肤创面保护、人工鼻梁、人工耳廓和人工眼环）、胎头吸引器，人造血管，鼓膜修护片等。

38. 合成高分子材料：聚氨酯 • 是聚醚、聚酯和二异氰酸酯的总称。 • 具有良好的延伸性和抗挠曲性，强度高、耐磨损，血液相容性、抗血栓性能好，且不损伤血液成分，使其在医疗领域得到广泛应用。 • 主要用于人工心脏搏动膜、心血管医学元件、人工心脏、辅助循环、人工血管、体外循环血液路、药物释放体系、缝合线与软组织粘合剂绷带、敷料、吸血材料、人工软骨和血液净化器具的密封剂等。

39. 合成高分子材料：环氧树脂 • 基本特性是所用单体中至少含有一个环氧基团。环氧基可与含有“活泼氢”的化合物发生反应，因此可用适当的胺或某些酸类催化作均聚反应。 • 主要用途：与玻璃布一起用于骨折的开放性复位和固定，粘合骨头加强氧化铝的髋关节髁，牙科充填材料，电子起搏器与体液分开的保护层（灌封）。眼睑修补术和加固颅动脉瘤和脑电极探针的绝缘等。

40. 合成高分子材料：聚氯乙烯 • 是由单体氯乙烯聚合而成的合成树脂，是用量最大的医用高分子材料。 • 原料丰富、聚合容易、抗凝血性能良好，但耐热性不高（<70℃）。通过添加物的应用可使改变为具有可屈挠性能。 • 在医学中用量最大的是制作塑料输血输液袋，可提高红细胞和血小板的生存率；还可用于医用导管、人工输尿管、胆管和心脏瓣膜、血泵隔膜、增补面部组织、青光眼引流管和中耳孔等。软质PVC的毒性问题仍有争议，目前只能用于制造与人体短期接触的制品。

41. 合成高分子材料：聚甲基丙烯酸甲酯 • 又称有机玻璃，属于丙烯酸类塑料，是目前塑料中透明度最好的一种。具有良好的生物相容性、耐老化性，机械强度较高。 • 用于剜出后的植入物、隐形眼镜、可植入透镜、人工角膜和假牙、人工喉、食管和腕骨、闭塞器、喉支持膜、牙科夹板、气管切开导管和吻合钮、鼻窦的植入性引管、经皮装置和用于实验的标本箱及人工器官外壳等；增补面部的软和硬组织；颅骨缺损时的替代骨片；充填乳突切除后的遗留腔隙；听小骨部分的替代物和脊椎鼓节段的固定，牙科某些直接充填树脂的基础等。

42. 无机生物医学材料 • 18世纪初开始应用。无毒、与生物体组织有良好的生物相容性、耐腐蚀。 • 包括生物陶瓷、生物玻璃和碳素材料三大类，主要用于齿科、骨科修复和植入材料。 • 基本都是脆性材料，容易破裂，发展方向应向开发复合（多相）生物材料以及在金属基体上加涂无机生物陶瓷涂层（薄膜）材料的方面引导。

43. 无机生物医学材料：生物陶瓷 • 有各种不同的化学成分，根据其在生理环境中的化学活性和性质可分为四类： • 近似于惰性：长期暴露于生理环境下能保持稳定。 • 表面活性：起到了适合新生骨沉积的生理支架作用。 • 可吸收性：诱导骨质生长，并随之被新组织所替代。 • 复合型：生物陶瓷与生物陶瓷或与其他复合而成 • 在临床上生物陶瓷主要用于肌肉一骨骼系统的修复和替换，也可用于心血管系统的修复、制作药物释放和传递的载体。复合型的生物陶瓷还可以用于制造人工腱和韧带等。

44. 无机生物医学材料：生物玻璃 • 是经特别设计的化学组成可诱发生物活性的含氧化硅化合物。 • 人工骨用生物医学玻璃，它具有良好的耐酸碱腐蚀特性、生物相容性和耐磨性能； • 治疗用生物医学玻璃，可埋入肿瘤部位，通过在磁场下发热的特性或其内部的同位素放出的射线杀死癌细胞，也有良好的生物相容性； • 人工齿冠用生物医学玻璃陶瓷，具有制作容易、审美性高、强度高、适应性好、生物相容性好、类似天然齿等优点。

45. 无机生物材料：碳素材料 • 主要有三种：玻璃碳、低温各向同性碳和超低温各向同性碳。 • 在生理环境中化学性质稳定，也不发生疲劳破坏，是生物相容性非常好的一类惰性材料。它的最大优点是血液相容性好，具有极好的抗血栓性，不可渗透性，再加上优良的力学性能，使其在医学上得到广泛使用。 • 主要用于制造心血管修复体的重要材料、人工骨、人工牙根、肌腱和人工韧带等，还可用于人工软骨、人工中耳、人工关节运动磨损表面作为减磨涂层和血液净化等。

46. 杂化生物材料 • 是由活体材料和非活体材料组成的复合体。它主要包括合成材料与生物体高分子材料或与细胞的杂化。从广义上讲，它包括所有的人工材料与生物体高分子和生理活性物质的杂化。 • 杂化生物材料主要包括三类： • 用于组织结构材料的多糖类等生理活性物质杂化材料 • 以固定酶为代表的功能性杂化材料 • 杂化细胞 • 杂化生物材料主要用于人工胰脏、人工肝脏、人工胸腺、人工肾脏、人工皮和人工血管等。

47. 生物复合材料 • 由两种或两种以上不同材料复合而成的生物医学材料。制备此类材料的目的就是进一步提高或改善某一种生物材料的性能。此类材料主要用于修复及替换人体组织、器官或增进其功能。 • 根据不同的基材，可分为高分子基、金属基和陶瓷基复合材料三类。它们之间的相互搭配或组合形成了大量性质各异的生物医学复合材料。 • 根据材料植入体内后引起的组织反应类型和程度，生物复合材料又可分为生物惰性的、生物活性的、可生物降解的和吸收的复合材料等类型。

48. 刀锋战士：奥斯卡·皮斯托瑞斯 价值1.5万英镑、由全碳素纤维和部分钛合金制造的名为“飞豹”的义肢

49. 人工器官的概述 • 定义：人工器官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。

50. 人工器官的概述 • 发展：20世纪80年代以来，人工器官的研究和应用迅速发展，可以说，人体除大脑尚无人工大脑替代外，几乎人体各个器官都在进行人工模拟研制中，其中有不少人工器官已成功地用于临床。