生物医用材料-2016(ppt文档).ppt
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1、北京航空航天大学北京航空航天大学生物医用材料生物医用材料材料科学与工程前沿之生物医用材料材料科学与工程前沿之生物医用材料李李 岩岩北京航空航天大学材料科学与工程学院北京航空航天大学材料科学与工程学院2016年春季年春季Biomedical Materials北京航空航天大学北京航空航天大学主要内容1生物医用材料定义及发展生物医用材料定义及发展2生物相容性与生物医用材料生物相容性与生物医用材料3典型疾病与生物医用材料典型疾病与生物医用材料北京航空航天大学北京航空航天大学1生物医用材料定义及发展生物医用材料定义及发展北京航空航天大学北京航空航天大学生物材料定义生物医用材料(生物医用材料(Biome
2、dical Materials)生物材料(生物材料(Biomaterials)对生物体进行诊断、治疗和置换损坏的组织、对生物体进行诊断、治疗和置换损坏的组织、器官或增进其功能的材料。器官或增进其功能的材料。*生物材料生物材料可以是人造的,也可以是天然的或可以是人造的,也可以是天然的或者是它们相结合的功能材料者是它们相结合的功能材料俞耀庭,张兴栋,生物医用材料,2001北京航空航天大学北京航空航天大学人体中已经商业化的生物医用材料器件人体中已经商业化的生物医用材料器件髋关节:钛合金髋关节:钛合金Intraocular lenses人工晶体:硅凝胶PMMA北京航空航天大学北京航空航天大学发展历史公
3、元前公元前5000年:古代人就尝试用黄金修复失牙;年:古代人就尝试用黄金修复失牙;公元前公元前3500年,棉花纤维、马鬃作缝合线年,棉花纤维、马鬃作缝合线1588年,黄金板修复颚骨年,黄金板修复颚骨1775年,金属固定体内骨折年,金属固定体内骨折20世纪世纪30年代:工业生产医用材料;年代:工业生产医用材料;20世纪中后期:高分子工业推动生物医用材料的发展;世纪中后期:高分子工业推动生物医用材料的发展;20世纪世纪80年代后期:材料科学与现代生物技术相结合发年代后期:材料科学与现代生物技术相结合发展出展出组织工程材料组织工程材料、可降解生物材料可降解生物材料。北京航空航天大学北京航空航天大学我
4、国生物医学材料的生物医学工程产业的市场增长率高达我国生物医学材料的生物医学工程产业的市场增长率高达 28(全全球市场增长率球市场增长率20%),居全球之首。居全球之首。我国生物医用材料市场我国人工关节我国人工关节 替换年增长率高达替换年增长率高达30,远高于美国的,远高于美国的4。775万肢残患者和每年新增的万肢残患者和每年新增的300万骨损伤患者万骨损伤患者需要大量骨修复需要大量骨修复材料材料2000万心血管病患者万心血管病患者每年需要每年需要24万套人工心瓣膜万套人工心瓣膜肾衰患者肾衰患者每年需要每年需要12万个肾透析器万个肾透析器北京航空航天大学北京航空航天大学二、生物相容性与生物医用材
5、料二、生物相容性与生物医用材料北京航空航天大学北京航空航天大学生物相容性生物相容性生物相容性:生物医用材料与人体之间相互生物相容性:生物医用材料与人体之间相互作用产生各种复杂的生物、物理和化学反应作用产生各种复杂的生物、物理和化学反应的一种概念。的一种概念。引起生物材料变化的因素:引起生物材料变化的因素:1)生理活动中骨骼、关节、肌肉的力学性动态运动;)生理活动中骨骼、关节、肌肉的力学性动态运动;2)细胞生物电、磁场、电解和氧化作用;)细胞生物电、磁场、电解和氧化作用;3)新陈代谢过程中的生物化学和酶催化反应;)新陈代谢过程中的生物化学和酶催化反应;4)细胞黏附和吞噬作用。)细胞黏附和吞噬作用
6、。5)体液中的各种酶、细胞因子、蛋白质、氨基酸、)体液中的各种酶、细胞因子、蛋白质、氨基酸、多肽、自由基对材料的生物降解作用。多肽、自由基对材料的生物降解作用。北京航空航天大学北京航空航天大学生物医用材料与生物系统直接结合,会产生两种生物医用材料与生物系统直接结合,会产生两种反应:反应:材料反应材料反应和和宿主反应宿主反应1 1、材料反应:活体系统对材料的作用,即材料在生物活体、材料反应:活体系统对材料的作用,即材料在生物活体中的响应。中的响应。材料在生理环境中被材料在生理环境中被腐蚀、吸收、降解、磨损、失效腐蚀、吸收、降解、磨损、失效等,等,从而使材料的功能特性发生改变,理化性质发生退变,最
7、从而使材料的功能特性发生改变,理化性质发生退变,最后导致材料失效。后导致材料失效。生物相容性生物相容性北京航空航天大学北京航空航天大学两种反应的结果可能导致两种反应的结果可能导致机体中毒机体中毒和和机体对材料机体对材料的排斥。的排斥。2、宿主反应:材料对活体系统的作用、宿主反应:材料对活体系统的作用 由于材料中的元素、分子或其它降解产物在生理环境下由于材料中的元素、分子或其它降解产物在生理环境下被释放而进入邻近的生物组织和整个活体系统,也可能是被释放而进入邻近的生物组织和整个活体系统,也可能是源于材料制品对组织的机械、电化学或其它刺激作用。源于材料制品对组织的机械、电化学或其它刺激作用。u宿主
8、反应包括宿主反应包括:局部反应、全身毒性反应、过敏反应、致局部反应、全身毒性反应、过敏反应、致畸、致癌、致突反应和适应性反应。畸、致癌、致突反应和适应性反应。生物相容性生物相容性北京航空航天大学北京航空航天大学生物相容性生物相容性血液相容性血液相容性抗血小板血栓形成抗血小板血栓形成抗凝血性抗凝血性抗溶血性抗溶血性抗白细胞减少性抗白细胞减少性抗补体系统亢进性抗补体系统亢进性抗血浆蛋白吸附性抗血浆蛋白吸附性抗细胞因子吸附性抗细胞因子吸附性组织相容性组织相容性细胞黏附性细胞黏附性无抑制细胞生长性无抑制细胞生长性细胞激活性细胞激活性抗细胞原生质转化性抗细胞原生质转化性抗炎症性抗炎症性无抗原性无抗原性无
9、诱变性无诱变性无致癌性无致癌性无致畸性无致畸性生物相容性生物相容性北京航空航天大学北京航空航天大学生物相容性评价生物相容性评价n生物学评价标准生物学评价标准1)美()美(ASTM)、英、加三国标准:)、英、加三国标准:1986年年2)国际标准)国际标准ISO:19923)中国标准:)中国标准:1997年年评价依据:评价依据:1)接触部位:体表、体内组织、骨骼、牙和血液;)接触部位:体表、体内组织、骨骼、牙和血液;2)接触方式:直接、间接)接触方式:直接、间接3)接触时间:短暂)接触时间:短暂24h,24h,短中期短中期303030天;天;4 4)用途:一般功能、生殖与胚胎及生物降解。)用途:一
10、般功能、生殖与胚胎及生物降解。北京航空航天大学北京航空航天大学生物相容性评价中国国家标准生物相容性评价中国国家标准国家标准国家标准GB/T16886系列医疗器械生物系列医疗器械生物学评价标准中表面学评价标准中表面器械部分。器械部分。北京航空航天大学北京航空航天大学生物材料分类医用金属材料医用金属材料医用高分子材料医用高分子材料生物陶瓷材料生物陶瓷材料生物医学复合材料生物医学复合材料按材料组成和按材料组成和性质性质近惰性生物医学材料近惰性生物医学材料生物活性医学材料生物活性医学材料可生物降解和吸收材料可生物降解和吸收材料按材料在生理按材料在生理环境中的生物环境中的生物化学反应水平化学反应水平北京
11、航空航天大学北京航空航天大学按用途分类按用途分类生物材料分类骨骼肌肉系统修复和替换材料骨骼肌肉系统修复和替换材料软组织材料软组织材料心血管系统材料心血管系统材料医用膜材料医用膜材料组织粘合剂和缝线材料组织粘合剂和缝线材料药物释放载体材料药物释放载体材料临床诊断及生物传感器材料临床诊断及生物传感器材料可生物降解吸收材料可生物降解吸收材料齿科材料齿科材料北京航空航天大学北京航空航天大学生物医用材料应用实例北京航空航天大学北京航空航天大学典型生物医用材料生物医用金属材料生物医用金属材料北京航空航天大学北京航空航天大学主要合金元素:铬、碳、镍和钛主要合金元素:铬、碳、镍和钛医用不锈钢医用不锈钢北京航空
12、航天大学北京航空航天大学铁素体和马氏体不锈钢铁素体和马氏体不锈钢不锈钢药膏调刀不锈钢药膏调刀 不锈钢持针钳不锈钢持针钳 不锈钢针头不锈钢针头 适合做医疗器械适合做医疗器械不适合植入不适合植入生物医用材料北京航空航天大学北京航空航天大学奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢心血管支架心血管支架奥氏体不锈钢是作奥氏体不锈钢是作为医用金属植入材为医用金属植入材料最重要的钢类,料最重要的钢类,如:如:316L不锈钢不锈钢(00Cr17Ni14Mo2)生物医用材料北京航空航天大学北京航空航天大学-钛合金钛合金-钛合金钛合金+钛合金钛合金高温性能好高温性能好组织稳定组织稳定焊接性能好焊接性能好常温强度低常温强度低塑性不
13、够高塑性不够高常温强度好常温强度好塑性加工性能好塑性加工性能好组织不稳定组织不稳定冶金工艺复杂冶金工艺复杂综合力学性能好综合力学性能好强度高强度高焊接性能好焊接性能好塑性高塑性高中等温度组织不稳定中等温度组织不稳定钛合金钛合金的分类的分类生物医用材料北京航空航天大学北京航空航天大学Ti6Al4V合金合金(TC4)uAl:Al是唯一是唯一稳定元素,同时是最主要的强化元素,稳定元素,同时是最主要的强化元素,固溶强化作用显著。随固溶强化作用显著。随Al量的增加,合金的强度提高,量的增加,合金的强度提高,而塑性无明显降低,当而塑性无明显降低,当Al的质量分数超过的质量分数超过7%后,由于后,由于组织中
14、出现脆性的组织中出现脆性的Ti3Al化合物,使塑性显著降低,故其化合物,使塑性显著降低,故其质量分数不超过质量分数不超过7%uV:钒与钒与 钛属于同晶元素,具有钛属于同晶元素,具有稳定化作用。钒在稳定化作用。钒在 钛中无限固溶,钛中无限固溶,而在而在-Ti中也有一定的固溶度。钒具中也有一定的固溶度。钒具有显著的固溶强化作用,提高合金强度同时,能保持良有显著的固溶强化作用,提高合金强度同时,能保持良好的塑性,还能提高钛合金的热稳定性。好的塑性,还能提高钛合金的热稳定性。生物医用材料北京航空航天大学北京航空航天大学生物医用材料北京航空航天大学北京航空航天大学颅额面微型钛板生物医用材料北京航空航天大
15、学北京航空航天大学生物医用陶瓷材料生物医用陶瓷材料生物惰性:植入人体后仍维持自身结构并不引起人体免疫反应。生物惰性:植入人体后仍维持自身结构并不引起人体免疫反应。生物活性:可与人体组织形成结合。生物活性:可与人体组织形成结合。生物降解:在被被生组织替代后在体内可以降解,化学副产物可通过代谢被分解吸收。生物降解:在被被生组织替代后在体内可以降解,化学副产物可通过代谢被分解吸收。生物医用材料北京航空航天大学北京航空航天大学生物医用陶瓷材料生物医用陶瓷材料生物医用材料北京航空航天大学北京航空航天大学羟基磷灰石羟基磷灰石羟基磷灰石羟基磷灰石(hydroxyapatite)简称简称HA,分子式是,分子式
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