生物医学材料和人工器官.ppt

《生物医学材料和人工器官.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《生物医学材料和人工器官.ppt（133页珍藏版）》请在课桌文档上搜索。

1、,第三讲 生物医学材料和人工器官,1 生物医学材料的发展概况2 生物医学材料安全性评价3 生物医学材料的基本要求4 生物医学材料分类及性能5 医用金属材料6 医用高分子材料7 其他生物医学材料8 生物医学材料发展趋势,生物医学材料,1 生物医学材料的发展概况,生物医学材料(Biomedical Materials)是生物医学科学中一个较新分支学科，是生物、医学、化学和材料科学交叉形成的边缘学科。具体涉及到化学、物理学、高分子化学、高分子物理学、生物物理学、生物化学、生理学、药物学、基础与临床医学等很多学科。ISO定义，生物医学材料是指“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”。另

2、有定义是：具有天然器官组织的功能或天然器官部分功能的材料。,3500年前，古埃及人就利用棉纤维、马鬃作缝合线缝合伤口；印第安人使用木片修补受伤的颅骨。中国和埃及在2500年前的墓葬中发现有假牙、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。1775年就有用金属固定体内骨折的记载。1851年发明了天然橡胶的硫化方法后，有人采用硬胶木制作了人工牙托的颚骨。器官移植取得巨大进展，但存在排异、器官来源、法律、伦理等难题。因此医学界对生物医学材料和人工器官的要求日益增加。,目前被详细研究过的生物材料已超过1000种，被广泛应用的有90多种，1800多个制品。西方国家每年耗用生物材料量以101

3、5%的速度增长。我国生物材料的研究起步较晚，随着政府的重视和投入的不断增加，取得一批较高水平的研究成果，如生物活性骨、关节系统替换材料、人工心脏瓣膜等心血管替换材料以及眼科手术用高分子复合材料等。,2 生物医学材料安全性评价,生物医学材料的安全性评价：指采用生物学的方法来检测被检材料对受体的毒副作用，从而预测该材料在医学应用中的安全性。包括对局部组织、血液与整体反应及对受体的遗传效应。生物医学材料的安全性评价本身是一个不断发展的领域，“安全性”是相对的概念。根据材料与制品使用目的的不同制定各种安全性评价程序。ASTM(美国材料试验标准)。,3 生物医学材料的基本要求,临床医学对生物医学材料有以

4、下基本要求：无毒性、不致癌、不致畸、不引起人体细胞的突变和组织细胞的反应；与人体组织相容性好，不引起中毒、溶血凝血、发热和过敏等现象；化学性质稳定，抗体液、酶的作用；具有与天然组织相适应的物理机械特性；针对不同的使用目的具有特定的功能。,4 生物医学材料的分类及性能,两种分类方法按应用性质来分类：抗凝血材料(心血管材料)、齿科材料、骨科材料、眼科材料、吸附解毒材料(血液灌流用)、假体材料、缓释材料、生物粘合材料、透析及超滤用膜材料、一次性医用材料等。,按材料属性分类：天然生物材料再生纤维、胶原、透明质酸、甲壳素等。合成高分子生物材料硅橡胶、聚氨脂及其嵌段共聚物、涤纶、尼龙、聚丙烯腈、聚烯烃医用

5、金属材料不锈钢、钛及钛合金、钛镍记忆合金等无机生物医学材料碳素材料、生物活性陶瓷、玻璃材料杂化生物材料来自活体的天然材料与合成材料的杂化，如胶原与聚乙烯醇的交联杂化等复合生物材料用碳纤维增强的塑料，用碳纤维或玻璃纤维增强的生物陶瓷、玻璃等,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，综观人工器官及医疗装置的发展史，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。生物惰性医用硅橡胶人工耳、人工鼻、人工颌骨等血液相容性较好的各向同性碳被复材料碟片式机械心脏瓣膜血液亲和性及物理机械性能较好的聚氨酯嵌段共聚物促使人工心脏向临床应用跨越一大步可形成假生物内膜的编织涤纶管人工血管进入实用

6、化,5 医用金属材料,在生物医学材料中，金属材料应用最早，唐代就用银汞合金(主要成份：汞、银、铜、锡、锌)来补牙。医用金属材料是指一类用作生物材料的金属或合金，又称外科用金属材料。属于生物惰性材料，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、无毒性和简易可行的手术操作技术。,医用金属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，已成为骨和牙齿等硬组织修复和替换、心血管和软组织修复以及人工器官制造的主要材料。大部分金属不符合生物材料的要求，仅有小部分或经处理过的可用于临床。目前在临床使用的医用金属材料主要有不

7、锈钢、钴基合金和钛基合金三大类，另外还有记忆合金、贵金属以及纯金属钽、铌和铬等。,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,5.1 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。不锈钢可制成多种形体，如针、钉、髓内针、齿冠、三棱钉等器件和人工假体而用于临床，不锈钢还用于制作各种医疗仪器和手术器械。,颅固定钢板、钢钉,手术器械,5.2 钴(Co)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

8、通过精密铸造成形状复杂的精密修复体。主要用于人工关节(特别是人体中受载荷最大的髋关节)人工骨及骨科内处固定器件齿科修复中的义齿，各种铸造冠、嵌体及固定桥心血管外科及整形科等价格较高，加工困难，应用不普及。,人造髋关节的头杆部分,5.3 钛(Ti)基合金,临床应用广泛，其质轻、强度高、力学性质接近人骨、强度远低于纯钛，耐疲劳、耐蚀性均优于不锈钢和钴基合金，且生物相容性和表面活性好，是较为理想的一种植入材料。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。主要用于：修补颅骨，制成钛网或钛箔用于修复脑膜和腹膜、人工骨、关节、牙和矫形物、人工心脏瓣膜支架、人工心脏部件和脑止血夹、口腔颌

9、面矫形、颌面修补、手术器械、医疗仪器和人工假肢等。,钛 板,5.4 形状记忆合金,1951年美国首次报道Au-Cd(金-镉)合金具有形状记忆效应，目前已发现20多种记忆合金，其中以镍钛合金在临床上应用最广。它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。经过高温退火后，加工为一种形状(如螺旋状)，室温下降将其拉直，当加热到一定的“变态温度”时，这根合金仿佛记起了什么似的，立即恢复到它原来形状(螺旋状)。,单斜结构相(低温，柔软)立方体结构相(高温，刚硬),形状

10、记忆合金可以分为三种：单程记忆效应形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。双程记忆效应某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。全程记忆效应加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。,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。血栓过滤器、脊柱矫形棒、牙齿矫形丝、脑动脉瘤

11、夹、接骨板、髓内针、人工关节、避孕器、心脏修补元件、人造肾脏用微型泵等。血管外科：治疗主动脉瘤、冠状动脉和椎动脉狭窄等。,5.5 贵金属(noble metal),是一种金属或合金，如金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等。,6 医用高分子材料,低分子：分子量低于一千，如煤、糖、油、水泥和抗菌素等。中分子：分子量在数千范围，如维生素B12等。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

12、上应用的、尤其能在机体内使用的高分子材料。天然树脂：如松香。合成树脂：由低分子量的化合物经过各种化学反应而制得的高分子量的树脂状物质，如聚氯乙烯、聚乙烯。塑料的主要成分就是合成树脂。,一些高分子与低分子化合物的分子量,命名：通俗命名法，根据制作高分子化合物的单体名称，前面冠以“聚”字而成。如聚乙烯、聚丙烯习惯名称或商品名称来命名：如有机玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯)、涤纶(聚对苯二甲酸乙二醇酯)等。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、注射器、心导管、主动脉气囊反搏器、角膜接触镜、中心静脉插管、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)

13、和药用高分子(作为赋形剂、合成新型药物)三大类。,6.1 天然高分子生物材料,人体的皮肤、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。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、甲壳素和壳聚糖等由于结构和组成差异，表现出不同性质，应用于不同方面。,6.1.1 天然蛋白质材料胶原蛋白,脊椎动物的蛋白，是支持组织和结构组织(皮肤、肌腱和骨骼的有机质)的主要组成成分。胶原来源广泛，广泛应用。胶原与人体组织相容

14、性好，不易引起抗体产生，植入人体后无刺激性、无毒性反应，能促进细胞增殖，加快创口愈合并具有可降解性，可被人体吸收，降解产物也无毒副作用。,胶原分散体具有再生特性，可以将其加工成不同形状的制品而用于临床，越来越受到人们重视。胶原凝胶用作创伤敷料粉末用于止血剂和药物释放系统纺丝纤维用作人工血管、人工皮肤、人工肌腱和外科缝线薄膜用于角膜、药物释放系统和组织引导再生材料管用于人工血管、人工胆管和管状器官空心纤维用于血液透析膜和人工肺膜海绵用于创伤敷料和止血剂等。,6.1.1 天然蛋白质材料纤维蛋白,是纤维蛋白原在生理条件下凝固而成的一种材料。纤维蛋白可用不同方法进行化学改性，其中包括放射性碘化法、与合

15、成高分子进行接枝和在纤维蛋白上进行酶固定等。纤维蛋白主要来源于血浆蛋白，具有明显的血液和组织相容性，无毒副作用和其他不良影响。作为止血剂、创伤愈合剂和可降解生物材料在临床上已经应用很久；其主要生理功能为止血，另外还可明显促进创伤的愈合；还可作为一种骨架，促进细胞的生长；并具有一定的杀菌作用。,纤维蛋白在临床上常见的应用形式：纤维蛋白原的就地凝固，用于眼科手术的组织粘合剂，肺切除后胸腔填充物和外科手术中的止血纤维蛋白粉末，用作止血剂，可以与抗菌素共用，用作填充慢性骨炎和骨髓炎手术后的骨缺损纤维蛋白海绵，用作止血剂、扁平瘢的治疗和唾液腺外科手术后的填充物组织代用品，用于关节成型术、视网膜脱离、眼外

16、科治疗、肝脏止血及疝气修复等纤维蛋白薄膜，用于神经外科，替代硬脑膜和保护末梢神经缝线；用于烧伤治疗，消除颌面窦和口腔间的穿孔。,6.1.2 天然多糖类材料,多糖是由许多单糖分子经失水缩聚，通过糖苷键结合而成的天然高分子化合物。均聚糖：多糖水解后只产生一种单糖，如纤维素、淀粉杂聚糖：水解产物是两种或两种以上的单糖，如菊粉等。自然界广泛存在的多糖主要有：植物多糖，如纤维素、半纤维素、淀粉、果胶等；动物多糖，如甲壳素、壳聚糖、肝素、硫酸软骨素等；琼脂多糖，如琼脂、海藻酸、角叉藻聚糖等；菌类多糖，如D-葡聚糖、D-半乳聚糖、甘露聚糖等；微生物多糖，如右旋糖酐、凝乳糖、出芽短梗孢糖等。研究较多的多糖类材

17、料为纤维素、甲壳素和壳聚糖。,6.1.2 天然多糖类材料纤维素,具有不同的构型和结晶形式，是构成植物细胞壁的主要成分，存在于自然界中数量最多的碳水化合物。结构复杂，至今仍未被完全了解。天然的纤维素属于纤维型，再生纤维素属于纤维型，后者结构更为稳定。不同的天然纤维素其结晶度有明显差异，随着结晶度的提高，其抗张强度、硬度、密度增加，但弹性、韧性、膨胀性、吸水性和化学反应性下降。,应用形式主要是制造各种医用膜：硝酸纤维素膜：用于血液透析和过滤，但由于制膜困难及不稳定等缺点，已逐渐被其他材料取代粘胶纤维(人造丝)或赛珞玢(玻璃纸)管：用于透析，但由于含有磺化物及尿素、肌酐的透析性不好等原因，作为透析用

18、的赛珞玢逐渐被淘汰再生纤维素(铜珞玢)：是目前人工肾使用较多的透析膜材料，对溶质的传递，纤维素膜起到筛网和微孔壁垒作用醋酸纤维素膜，主要用于血透析系统全氟代酰基纤维素：用于制造代膜式肺、人工心瓣膜、人工细胞膜层，各种导管、插管和分流管等,6.1.2 天然多糖类材料甲壳素,化学名称为聚N-乙酰-D葡萄糖胺，分子式为(C3H13NO5)n，属于氨基多糖，是仅有的具有明显碱性的天然多糖。广泛存在于低等植物及甲壳动物的外壳中，每年生物合成资源最高达1000亿吨，是地球上仅次于植物纤维的第二大生物资源。来源于动物的天然多糖，普遍存在于虾、蟹等低等动物及昆虫等节肢动物的外壳中。将甲壳动物的外壳通过酸碱处理

19、，脱去钙、盐和蛋白质，即得到甲壳素。,被科学家誉为继蛋白质、糖、脂肪、维生素、矿物质以外的第六生命要素。甲壳素有强化免疫、降血糖、降血脂、降血压、强化肝脏机能、活化细胞、调节植物神经系统及内分泌系统等功能，还可作为保健材料，用于健康无害烟、护肤产品、保健内衣等。作为医用生物材料可用于：医用敷料：甲壳素具有良好的组织相容性，可灭菌、促进伤口愈合、吸收伤口渗出物且不脱水收缩药物缓释剂：基本为中性，可与任何药物配伍止血棉、止血剂：在血管内注射高粘度甲壳素，可形成血栓口愈合剂，使血管闭塞，从而在手术中达到止血目的，较注射明胶海绵等常规止血方法，操作容易，感染少。,甲壳素缝线的电镜照片,甲壳素人工皮的电

20、镜照片,6.1.2 天然多糖类材料壳聚糖,是甲壳素去除部分乙酸基后的产物(甲壳素的衍生物)，甲壳素继续用浓碱乙酸基化则得到壳聚糖，具有一定的粘度，无毒、无害、无副作用。不溶于水和碱液，但可溶于多种酸溶液中。可进行酯化、醚化、氧化、磺化以及接枝交联等反应对其进行改性。特别是磺化产品，其结构与肝素极其相似，可作为肝素的代用品作抗凝剂。,医学多上用于：可吸收性缝合线，用于消化道和整形外科人工皮，用于整形外科、皮肤外科，用于、度烧伤，采皮伤和植皮伤等细胞培养，制备不同形状的微胶囊，培养高浓度细胞，如包封的是活细胞，则构成人工生物器官海绵，用于拔牙患者、囊肿切除、齿科切除部分的保护材料眼科敷料，可生成较

21、多的成胶原和成纤维细胞隐形眼镜膜，用于药物释放系统和组织引导再生材料固相酶载体,6.2 合成高分子生物材料,迅速地取代了除了食品以外的许多宝贵天然资源。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。是一门新兴的边缘学科，合成高分子材料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。,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。弹性模量低，不能用于承受较大负荷的体位修复。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

22、丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸酯水凝胶、-氰基丙烯酸酯类、聚酸胺和饱和聚酯等。生物可降解的：聚乙烯醇、聚乳酸、聚乙内酯、乳酸-乙醇酸共聚物和聚-羟基丁酸酯等。,6.2 合成高分子生物材料硅橡胶,平均分子量40万，是含有硅原子的特种合成橡胶的总称。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(-90 250)、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)、缓释和控释等。,防噪音耳塞：佩戴舒适，阻

23、隔噪音，保护耳膜。胎头吸引器：操作简便，使用安全，可根据胎儿头部大小变形，吸引时胎儿头皮不会被吸起，可避免头皮血肿和颅内损伤等弊病，能大大减轻难产孕妇分娩时的痛苦。人造血管：具有特殊的生理机能，能做到与人体“亲密无间”，人的机体也不排斥它，经过一定时间，就会与人体组织完全结合起来，稳定性极为良好。鼓膜修补片：其片薄而柔软，光洁度和韧性都良好。是修补耳膜的理想材料，且操作简便，效果颇佳。此外还有硅橡胶人造气管、人造肺、人造骨、硅橡胶十二指肠管等，功效都十分理想。,硅橡胶医用导管类,6.2 合成高分子生物材料聚氨酯(PU，Polyurethane),是聚醚、聚酯和二异氰酸酯的总称。具有良好的延伸性

24、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。,6.2 合成高分子生物材料环氧树脂(Epoxy Resin),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

25、和加固颅动脉瘤和脑电极探针的绝缘等。,6.2合成高分子生物材料聚氯乙烯(PVC，氯纶),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。,聚氯乙烯树脂,6.2合成高分子生物材料聚四氟乙烯(PTFE),又名泰氟隆(Teflon)，热塑性塑料，最好的耐高温塑

26、料，结晶熔点高达327，几乎完全是化学惰性的，具有自润滑性或非粘性，不易被组织液浸润。主要用于人工输尿管、胆管、气管、喉、韧带和肌腱、人工血液、人工心脏瓣膜、下颌骨、髋关节和皮肤、增强皮肤、修复眼眶骨、组织引导再生材料、人工血管、涤纶缝线和涂层、外科用引流管及插管、巩膜的系扣和在耳鼻手术上作为插入的薄膜以防止粘连；食管扩张器、心脏瓣膜的缝合环、血液相容性丝绒、修补肺动脉和室间隔的缺损、血管闭塞物、缝线及动脉修补、包裹动脉癌及内淋巴液分流器等。,6.2 合成高分子生物材料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),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

27、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，特别是修补眼窝的爆裂骨折；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，颅内动脉瘤的加固和充填静脉瘤囊以使之稳定，牙科某些直接充填树脂的基础等。,PMMA人工晶体,丙烯酸酯折叠人工晶体,7 其他生物医学材料7.1 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

28、，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。,7.1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：三氧化二铝、氧化锆等氧化物生物陶瓷，Si3N4、钛酸钡等非氧化物生物陶瓷以及医用碳素等，这类材料长期暴露于生理环境下能保持稳定。表面活性：羟基磷灰石生物活性陶瓷和生物活性玻璃陶瓷，在生理环境中可通过其表面发生的生物化学反应与组织形成化学键性结合，起到了适合新生骨沉积的生理支架作用，也就是所谓的“骨引导”和“骨传导”作用。,可吸收

29、性：如石膏、磷酸三钙陶瓷，在生理环境中可逐渐被降解吸收，诱导骨质生长，并随之被新组织所替代，从而达到修复或替换病损组织的目的。复合型：生物陶瓷与生物陶瓷或与其他无机材料、有机材料复合而成的复合型材料。根据临床的不同要求可以制成不同类型的复合材料。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。,Al2O3-金属组合全髋关节,7.1 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。一般把原料粉末按成分要求配比混合均匀，将粉末在高温炉内熔化，再将融化好的玻璃浇注成型

30、(板、条、块等形状)，然后在适当温度进行退火处理(消除应力)，即可得到玻璃。如将某些玻璃在适当的高温进行晶化处理，则玻璃中可析出大量微小晶体，这样的玻璃称为微晶玻璃、结晶化玻璃或玻璃陶瓷。,生物玻璃材料大致可分为两类：非活性的近似惰性的和生物活性的。在非活性生物玻璃及生物玻璃陶瓷中包括：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。,7.1 无机生物医

31、学材料碳素材料,作为生物医学使用的各种碳素及其复合材料具有极好的抗血栓性，主要有三种：玻璃碳、低温各向同性碳和超低温各向同性碳。这三种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，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。尤其是它的较高的抗血栓性、耐磨性、低比重和长期使用不劣化等性能，使碳素材料几乎是目前唯一可选用的人工心脏瓣膜材料。,7.2 杂化生物材料,是由活体材料

32、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。例如：胶原/聚乙烯醇杂化材料，可增进组织细胞的增殖胶原/葡萄糖膜上被覆一层硅橡胶可作为人工皮使用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,7.3 纳米医学材料,1纳米(Nanometre，nm)=10-9米。纳米科学技术(NanoST)：在纳米级微观环境下工作，它是一种操纵原子、分子或原子团和分子团使其形成所需要物质，以0.1到100nm的空间尺度范围作为研究与应用的对象，研究其内

33、在规律与特点，并运用这些特性制造具有特定功能的物品与设备的一项高新科学技术。许多特性，如纳米尺度的生物大分子能导电、纳米微粒的抗菌作用等只有在纳米级时才可显现出来。,纳米聚酯,纳米技术是于20世纪90年代发展起来的。纳米材料的独特性能在于它的小尺寸效应、界面效应和纳米结构单元之间的交互作用。纳米陶瓷材料用于人工骨关节、牙齿修复、耳骨修复等，其强度、韧性、硬度以及超塑性都有显著提高。新型纳米抗炎敷料，表面结构发生根本性变化，面积显著增大，杀菌效果增加百倍以上。利用纳米技术的DNA复制与自我生长、自我制造机理，可研制出有生物相容性的各种人体器官和骨骼修复剂与自生长材料、人血代用品等。,利用纳米薄层

34、能分解有机物、抑制细菌滋生的自我清洁特性可制成各种无菌器械用于临床。在医疗保健领域，用掺入多种微量矿物质元素的微元化纤维及陶瓷纤维等纳米材料，可制成衣物、垫料等，有助于关节炎等病症的治疗、屏蔽电磁波能量，保障人体不受侵害。加入了纳米材料的食品还可杀菌并提高胃肠吸收能力。,8 生物材料的发展趋势,生物材料的开发和研究已逐步转向复合型杂化型功能型：在生理环境下表现为特殊功能的材料，形状记忆材料，组织引导再生(Guided Tissue Regeneration，GTR)材料。智能型：能模仿生命系统，同时具有感知和驱动双重功能的材料。感知、反馈和响应是该材料的三大要素。将高新技术、传感器和执行元件与

35、传统材料结合在一起，赋予材料新的性能，使无生命的材料具有越来越多的生物特性。提高材料的生物相容性，更适应人体生理的需要。,人工器官,1 概述,定义：用于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。,发展：20世纪80年代以来，人工器官的研究和应用迅速发展。到目前为止，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。特点：人工器官是多种学科研究的结晶，是

36、生物医学材料、生物力学、组织工程学、电子学(包括计算机)特别是微电子学以及临床医学相结合的多学科的交叉学科。,人工器官按功能分为11类：(1)支持运动功能的人工器官，如人工关节、人工脊椎、人工骨、人工肌腱、肌电控制人工假肢等。(2)血液循环功能的人工器官，如人工心脏及其辅助循环装置、人工心脏瓣膜、人工血管、人工血液等。(3)呼吸功能的人工器官，如人工肺(人工心肺机)、人工气管、人工喉等。(4)血液净化功能的人工器官，如人工肾(血液透析机)等。(5)消化功能的人工器官，如人工食管、人工胆管、人工肠等。,(6)排尿功能的人工器官，如人工膀胱、人工输尿管、人工尿道等。(7)内分泌功能的人工器官，如人

37、工胰等。(8)生殖功能的人工器官，如人工子宫、人工输卵管、人工睾丸等。(9)神经传导功能的人工器官，如心脏起搏器、膈起搏器等。(10)感觉功能的人工器官，如人工视觉、人工听觉(人工耳蜗)、人工晶体、人工角膜、人工听骨、人工鼻等。(11)其他类，人工硬脊膜、人工皮肤等。,人工器官按原理分类机械式装置(如人工心脏瓣膜、人工气管、人工晶体等)电子式装置(如人工耳蜗、人工胰、人工肾、心脏起搏器等)人工器官按使用方式分类植入式，如人工关节、人工心脏瓣膜、心脏起搏器。体外式，如人工肾、人工肺、人工胰。这些体外式人工器官实际上都是由电子控制的精密机械装置。,由于人工器官的种类非常多，以下只简单介绍人工心脏瓣

38、膜、人工肾、人工肝、人工心脏、人工心脏、人工肺和心脏起搏器等几种人工器官。,2 人工心脏瓣膜2.1 概述,主动脉,左心房,左心室,二尖瓣,主动脉瓣,定义：人工心脏瓣膜是可植入心脏内代替心脏瓣膜(主动脉瓣、肺动脉瓣、三尖瓣、二尖瓣)，能使血液单向流动，具有天然心脏瓣膜功能的人工器官。当心脏瓣膜病变严重而不能用瓣膜分离手术或修补手术恢复或改善瓣膜功能时，则须采用人工心脏瓣膜置换术。换瓣病例主要有风湿性心脏病、先天性心脏病、马凡氏综合症等。,人工瓣膜的类型机械瓣球型瓣 Ball Valves碟型瓣 Disk Valves单叶碟瓣 Single Leaflet Disk Valves双叶碟瓣 Bile

39、aflet Disk Valves组织瓣(生物瓣)人体组织瓣 Human Tissue Valves(Homografts,Autografts,Ross Procedure)动物组织瓣 Animal Tissue Valves(Xenografts,Heterografts),2.2 球型瓣,球型瓣是植入人体的第一种人工心脏瓣膜，有多种不同的设计，但到目前为止，在美国临床上仍在使用的球型瓣只剩下Starr-Edwards瓣。球型瓣包括一个支架和球体，是临床使用最早的心脏瓣膜，是一组最可靠及持久的瓣膜设计。,Starr-Edwards Model 1000,二尖瓣,三尖瓣,主动脉瓣,2.3 碟

40、型瓣 Disk Valves,碟型瓣分单页和双页碟瓣。最早的设计是单页碟瓣，临床上取得了巨大的成功。尽管双页碟瓣的出现要晚些，却已占领目前美国人工机械心脏瓣膜市场90%的份额。,2.3.1单页(Single Leaflet)碟瓣,最具有历史意义的单页碟瓣是Bjork-Shiley瓣，在美国已经停止销售。目前使用的单页碟瓣多为Medtronic-Hall瓣及 Omniscience瓣。历史上出现和使用的各种单页瓣膜，很多已停用。,2.3.2 双页(Bileaflet)碟瓣,最早、最主要、最成功的是St.Jude瓣，它的成功导致了许多模仿的设计，但其仍为美国植入最多的机械瓣膜。其他一些双页瓣，包括

41、Carbomedics瓣和Edwards-Duromedics瓣目前在美国已很少使用。模仿的设计，多是对其悬挂系统的小改进，其中最有竞争力的是Medtronic parallel瓣。,St.Jude Valve,St.Jude Mitral Valve,St.Jude Valve Inflow,2.4 组织瓣,组织瓣由采用的材料分类，材料的来源为动物或人体组织。使用的组织类型可以是瓣膜组织，也可以不是瓣膜组织。,2.4.1 人体组织瓣(Human Tissue Valves),无排斥反应，不用免疫抑制治疗人体组织瓣的应用有两种：同种异体移植，Homografts：将一个瓣膜从一个人移植到另一个

42、人。自身移植，Autograft：从本人的一个部位移植到另一个部位。应用最多的自身移植是将肺动脉瓣移植到主动脉瓣，称为Ross手术。,2.4.2 动物组织瓣膜(异种移植物xenograft),Porcine Valves Hancock Porcine Valve Carpentier-Edwards Porcine ValveTissuemed Stented Porcine ValvePericardial(心包)Valves Carpentier-Edwards Pericardial ValveIonescu-Shiley Pericardial ValveHancock Perica

43、rdial ValveStentless Valves St.Jude Toronto SPV(Stentless Porcine Valve)Medtronic Freestyle Stentless Aortic ValveTissuemed Stentless Pulmonary Valve,Standard Hancock Model 242,2.4.2 动物组织瓣膜(异种移植物xenograft),Carpentier-Edwards porcine valve,CE Pericardial Valve,3 人工肾,定义：又称血液透析机，是用人工方法模仿人体肾小球的过滤作用，在体外循

44、环的情况下，去除人体血液内过剩的含氮化合物、新陈代谢产物或逾量药物等，调节水和电解质平衡，以使血液净化的一种高技术医疗仪器。血液净化包括血液透析、血液滤过、血液灌流和腹膜透析，是分别应用血液透析机、血滤机、血液灌流器和腹膜透析管对病人进行治疗的技术。,发展：1913年英国的阿黛尔用硝棉胶膜作为透析膜，生理盐水作为透析液为肾病患者进行透析，是人工肾的前驱研究。1935年黑斯首次将透析技术用于临床。1943年荷兰医生科尔夫制成了第一个人工肾，首次以机器代替人体的重要器官。1960年，美国外科医生斯克里布纳发明了一种塑料连接器，可永久装进病人前臂，连接动脉和静脉，与人工肾极容易连接，不会损伤血管，进

45、行长期血液透析治疗。,1946年在伦敦，哈默.史密斯医院使用的由科尔夫发明的早期人工肾,德国贝朗全电脑控制血液透析仪,原理：从病人动脉将血液引流出来，在人工肾经过透析后再从静脉输入病人体内。它的核心部分是一种用高分子材料(称为膜材料)制成的透析器。这种膜材料具有半通透特性，可代替肾小球以实现其毛细血管壁的滤过功能，达到血液净化的目的。膜材料有用化学方法从棉花中提取的再生纤维素和改良纤维素，以及一些高分子聚合物。当今有300多种产品的人工肾，所用透析膜材料有30多种。,人工肾是应用膜分离技术原理。用半透膜将引出人体外的血液与专门配制的透析液隔开。由于血液和透析液所含溶质浓度的不同，及其所形成的渗

46、透浓度差，使包含代谢产物的溶质(如尿素、肌肝、尿酸，以及废物硫酸盐、酚和过剩离子Na+、K+、Cl)，在浓度梯度的驱动下，从浓度高的血液一侧，通过半透膜向浓度低的透析液一侧移动；而水分则从渗透浓度低的一侧向浓度高的一侧转移，最终实现动态平衡，达到清除人体代谢废物和纠正水、电解质和酸碱平衡的治疗目的。,组成：血液净化系统(透析器)、透析液供给系统和自动控制系统。透析器是空心纤维型结构，由内径200m，壁厚30m左右的透析膜材料制成的1万1.5万根空心纤维，组装在直径510cm、长约2025cm的圆柱状玻璃容器内。血液在空心纤维管内流动，透析液则环绕空心纤维管外四周流动，分别用泵驱动使血液和透析液

47、循环。微机控制系统可自动检测和控制渗透压(静脉回路压力和透析液压力之差)、透析液温度及浓度、静脉口路气泡检测及报警、漏血检测及报警和透析液低电导检测及报警。,血液透析过程：将两根针插入永久性血管入口。一根针将血液输出体外，另一根针则将清洁过的血液输回体内。2.血液从体内被抽出。3.向血管或人工肾脏注入防凝剂，防止凝结。4.血液流经人工肾脏，废物和多余水分被清除。5.清洁后的血液通过气压指示器(安全装置)。6.血液通过静脉针流回人体内。,腹膜透析经过腹膜透析导管注入透析液，留置腹腔4-6小时以净化血液，之后将透析液引流出來，再注入一袋新鲜透析液。每日执行4-5次换液(每次换液需时约20-30分)

48、，24小时持续进行透析住家或工作处或任何场所病患自己或家属，依自己的作息弹性调整缓慢，血液中生化值的变动平稳,4 人工肝4.1 概述,概念：又称人工肝支持系统(Artificial Liver support system,ALSS)。借助人工干预使肝脏功能得以暂时替代，从而为患者自身细胞再生及功能恢复创造较好的内环境及宝贵的时间。人工肝的研究始于20世纪50年代,人工肝的应用：作为肝移植前的暂时维持手段及移植后的肝脏最初无功能状态时的暂时替代。用于急慢性肝功能衰竭的支持治疗，为自身肝细胞功能再生及功能恢复创造条件。主要适应症有：重症肝炎、肝衰竭、血小板减少性紫癜、多发性骨髓瘤、高血脂、全身性

49、红斑狼疮、重症肌无力、药物中毒、重度血型不合妊娠等。,4.2 分类介绍,根据其组成和性质主要可分三类：(1)非生物型，又称物理型，主要通过物理或机械的方法进行治疗，如血浆置换、胆红素吸附等。(2)生物型，将生物部分如同种及异种肝细胞与合成材料相结合组成特定的装置，患者的血液或血浆通过该装置进行物质交换和解毒转化等。(3)混合型，由生物及非生物型组成的具有两者功能的人工肝支持系统。,非生物型人工肝：较常用的方法是血浆置换(Plasma exchange,PE)、血浆胆红素、氨及药物吸附(PA)、全血灌流(HP)、血液滤过(HF)等。血浆置换采用血浆分离器将患者血浆从全血中分离并弃去，同时代之以新

50、鲜冷冻血浆或人血白蛋白等溶液。去除血液中胆红素、内毒素、细胞毒性因子等有害物质的同时，补充多种生物活性成分。伴随血液中毒性物质的减少，临床症状也有较为明显的改善。,血浆胆红素吸附是另一常用和公认的非生物型肝支持技术。它是将分离器分离的血浆再经一特殊的吸附柱吸附去除部分胆红素等，尔后回到患者体内。类似的吸咐方法还有活性碳血氨、毒素吸附及直接血液灌流(吸咐)等，不同主要在于吸附柱性质及对目标吸附物的选择。,血浆置换最常见的不良反应主要有：血浆过敏、血压下降、出血及局部血肿、灌流及分离器堵塞及异体血浆潜在的感染。胆红素等毒物吸吸附主要的不良反应还有血小板及血浆白蛋白下降等。由于肝功能衰竭时不仅肝脏解