1、生物材料生物材料的應(yīng)用實(shí)例7/20/202227/20/202237/20/202247/20/202257/20/20226第一章 緒論 第一節(jié) 引言 二十一世紀(jì)的支柱學(xué)科生物: 與人的生命息息相關(guān)材料： 與人的生活形影不離信息： 與人的交流密不可分環(huán)境： 與人的生存唇齒相依. 一切先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)都是為了提高人類生活質(zhì)量, 延長人類壽命。 成功=（智慧X0.3+毅力X0.7)X身體健康系數(shù) 健康身體是基本保證。 7/20/20229人類壽命與遺傳有關(guān)與生活工作環(huán)境有關(guān)與疾病預(yù)防治療有關(guān)疾病影響因素治療方法藥物、物理、化學(xué)治療器官移植自體移植異體移植異種移植人工器官克隆技術(shù)組織工程器官或組織不

2、正常再生醫(yī)學(xué)7/20/202210疾病診斷 醫(yī)療器械或設(shè)備 生物材料 臨床醫(yī)學(xué) 材料 生物材料疾病治療 器械設(shè)備 高效低毒藥物7/20/202211（一）生物材料的概念 生物材料 Biomaterials（也稱生物醫(yī)用材料Biomedical Materials）是一類具有特殊性能、特種功能，能用于人工器官制造、人體組織修復(fù)或再生、理療康復(fù)、診斷檢查、治療疾患等醫(yī)療、保健領(lǐng)域，而對人體無不良影響的材料。 7/20/202212（二）生物材料的基礎(chǔ) 先進(jìn)的臨床醫(yī)學(xué)離不開新型的生物材料生物材料醫(yī)學(xué)材料科學(xué)工程學(xué)物理學(xué) 化學(xué) 信息學(xué)生物學(xué)7/20/202213.生物材料能否用于人體？生物材料能否人工

3、合成？7/20/202214人體軸面圖人體器官7/20/202216人體全身血管7/20/202217人體結(jié)構(gòu)和功能的基本單位細(xì)胞細(xì)胞的微觀結(jié)構(gòu)及細(xì)胞膜7/20/202219生物大分子生物大分子與合成高分子7/20/202221（三）生物材料的分類按材料的來源分類 （天然、合成、半合成等） 按材料的使用要求分類（后詳述）按材料的性質(zhì)分類（有機(jī)、無機(jī)、金屬等） 按材料的應(yīng)用部位分類（口腔材料、眼科材料、骨科材料、心血管材料等）7/20/202222按材料的使用要求分類 非植入材料：只與體表或體腔接觸。 如醫(yī)療器械、注射器、導(dǎo)管、 繃帶、敷料、創(chuàng)可貼等 半植入材料：植入體內(nèi)一段時間， 待功能完成后

4、取出。如內(nèi)固定 材料、手術(shù)縫合線、隱形眼鏡等。 植入材料：作為修復(fù)或替換材料長期植 入體內(nèi)。如人工器官、血管支架、 牙科材料。 生物材料 （五）生物材料的學(xué)科內(nèi)容1. 人體生理環(huán)境、組織結(jié)構(gòu)、器官生理功能等及其臨床替代方法和技術(shù)。2. 特種生物功能材料的合成、改性、加工成型以及材料的特種功能與其結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。 3. 材料與細(xì)胞、組織、血液、體液、蛋白、免疫、內(nèi)分泌等系統(tǒng)的相互作用以及減少材料毒副作用的方法。 4. 材料的滅菌、消毒、醫(yī)用安全性評價(jià)方法與標(biāo)準(zhǔn)以及管理法規(guī)的研究。 7/20/202224生物材料的用途只有一個就是改善人類的生活質(zhì)量、延長人類的壽命。具體講就是防病、診病、治病和康復(fù)

5、。 六、生物材料的用途7/20/202225改善 生活質(zhì)量、 延長 人類壽命。 診病、治病、防病。 生物材料的用途7/20/202226人工器官（一）人工血管 人工瓣膜 人工心臟人工血漿 人工蛋白 人工晶體人工角膜 人工淚管 人工耳骨人工食道 人工膽道 人工膀胱人工顱骨 人工關(guān)節(jié) 人工乳房人工睪丸 人工陰莖 人工皮膚 人工軟骨 人工神經(jīng) 人工尿道人工牙托 人工肌腱 人工血管等。人工器官（二）人工喉 人工腎 人工肝 人工肺人工胰 人工骨 人工耳 人工腸人工齒 人工指 人工淚 人工骨人工玻璃體 人工輸尿管人工輸卵管人工括約肌 人工視網(wǎng)膜人工胰細(xì)胞人工甲狀腺 人工心臟瓣膜 等等 醫(yī)療器械及制品 輸液

6、輸血袋 輸液輸血器 手術(shù)覆蓋膜 醫(yī)用粘合劑 心臟起搏器 體外氧合器 血漿分離器 透析器管道 女性節(jié)育器 藥物緩釋器 手術(shù)縫合線 生物傳感器 手術(shù)器械 醫(yī)用導(dǎo)管 醫(yī)用插管 止血海綿 醫(yī)用手套 隱形眼鏡 矯形釘 矯形板 骨水泥 脊椎釘 注射器 儲血袋 創(chuàng)可貼 繃帶等新型藥物及制劑1. 控緩釋給藥系統(tǒng)Controlled or sustained release Drug Delivery Systems（DDS）2. 微粒工程系統(tǒng)（Particle engineering DDS）3. 靶向給藥系統(tǒng)（targeting DDS）或定位給藥系統(tǒng)（site-specific DDS）4. 智能給藥系統(tǒng)

7、（intelligent DDS）或自我調(diào)節(jié)給藥系統(tǒng)（self-regulated DDS）5. 經(jīng)皮給藥系統(tǒng)（Transdermal DDS）6. 粘膜給藥系統(tǒng)（mucosal DDS）7. 植入給藥系統(tǒng)（implanting DDS）8. 多肽、蛋白、疫苗類藥物給藥系統(tǒng)（Peptide, protein and vaccine DDS）9. DNA基因治療給藥系統(tǒng)（DNA DDS for Gene therapy）10.高分子藥物（Polymer Drugs）7/20/202230 例一 血液凈化器7/20/202231例二 人工心臟與心臟起搏器7/20/202232例三 人工血管與支架

8、.7/20/202233例四 人工心臟瓣膜7/20/202234例五 人工耳7/20/2022353D打印機(jī)能打印出的人體軟組織遠(yuǎn)不止耳朵，還打印過腎臟、心臟。只要攻克了材料方面的難題，打印出的內(nèi)臟器官可以直接移植到人體內(nèi)與人體完美融合。高分子材料耳朵 例六 人工骨圖5-1 生物材料在骨修復(fù)中應(yīng)用生物材料在骨修復(fù)中應(yīng)用7/20/202237七、生物材料的一般要求1、必須符合“醫(yī)用級”標(biāo)準(zhǔn)2、溶出物和可滲出物含量低3、良好的生物穩(wěn)定性（生物相容性）4、優(yōu)良的機(jī)械性能5、便于滅菌和消毒6、價(jià)格便宜7/20/202238教育部關(guān)于戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)相關(guān)專業(yè)申報(bào)和審批工作的通知（ 2010年3月）戰(zhàn)略性新

9、興產(chǎn)業(yè)涉及的領(lǐng)域包括：新能源產(chǎn)業(yè)?？稍偕茉醇夹g(shù)、節(jié)能減排技術(shù)、清潔煤技術(shù)、核能技術(shù)，節(jié)能環(huán)保和資源循環(huán)利用，以低碳排放為特征的工業(yè)、建筑、交通體系，新能源汽車等。信息網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)。傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。新材料產(chǎn)業(yè)。微電子和光電子材料和器件、新型功能材料、高性能結(jié)構(gòu)材料、納米技術(shù)和材料等。農(nóng)業(yè)和醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)。轉(zhuǎn)基因育種技術(shù)。創(chuàng)新藥物和基本醫(yī)療器械關(guān)鍵核心技術(shù)?？臻g、海洋和地球探索與資源開發(fā)利用。7/20/202239國務(wù)院關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定到2020年，節(jié)能環(huán)保、新一代信息技術(shù)、生物、高端裝備制造產(chǎn)業(yè)成為國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，新能源、新材料、新能源汽車產(chǎn)業(yè)成為國民經(jīng)濟(jì)的先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。新材料

10、產(chǎn)業(yè)包括特種功能材料、高性能復(fù)合材料、化工新材料、納米材料等；生物產(chǎn)業(yè)涉及創(chuàng)新藥物、生物醫(yī)藥、先進(jìn)醫(yī)療設(shè)備、生物育種、干細(xì)胞、轉(zhuǎn)基因6個子行業(yè)。 7/20/202240八、生物材料的發(fā)展與展望生物材料的發(fā)展 生物材料發(fā)展的四個階段. 直接天然材料 生物惰性材料 改性天然材料 生物降解材料 生物活性材料 7/20/202241生物材料的發(fā)展與展望1、生物材料的發(fā)展公元前3000年，中國、古埃及利用天然產(chǎn)物進(jìn)行傷口縫合，制造假牙等。1588年用黃金板修復(fù)顱骨1775年用金屬固定內(nèi)骨折1851年用天然橡膠做牙托1940年人工器官相繼臨床應(yīng)用1994年美國約有4萬人接受器官移植2000年美國生物材料制

11、品的產(chǎn)值達(dá)800億美元，而我國生物材料制品的產(chǎn)值不到20億人民幣。美國已有1100萬人身體內(nèi)至少有一件生物材料制品。目前所有的人體器官均已被研究，并且許多已作為商品出售，僅美國和西歐，每年就有上百萬病人使用人工器官，每年用于修復(fù)的植入材料已逾500萬件，歐美國家的人年均消費(fèi)在100美元以上。 中國人均消費(fèi)不到30元人民幣。生物材料及其制品是21世紀(jì)最有生機(jī)的產(chǎn)業(yè)其產(chǎn)值將超過電子信息產(chǎn)品。2010年再生醫(yī)學(xué)生物材料為再生醫(yī)學(xué)奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。2012年3D打印機(jī)打印出具有生物活性的耳朵7/20/2022422、生物材料的發(fā)展趨勢血液相容性材料的研制（抗凝血材料）生物降解材料的研制及臨床應(yīng)用人工器官

12、的功能和結(jié)構(gòu)改進(jìn)生物活性材料組織工程化器官（再生醫(yī)學(xué)）開發(fā)新型醫(yī)療器械緩釋控釋藥物的開發(fā)及臨床應(yīng)用材料與人體組織或器官之間的相互作用7/20/202243 第二節(jié)生物材料的最新研究進(jìn)展7/20/202244一、人工器官人體器官制造廠7/20/2022457/20/202246人工器官的發(fā)展方向是小型化和智能化人工器官的關(guān)鍵性難題就是功能化7/20/202247 。 二、克隆技術(shù)7/20/202248早期的克隆幻想7/20/202249克隆技術(shù)研究現(xiàn)狀克隆技術(shù)本身無可厚非克隆人是對人類的反動克隆人的代際關(guān)系與傳統(tǒng)的父母子女關(guān)系出現(xiàn)斷裂，傳統(tǒng)的生育倫理面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，克隆廢品如何處理，克隆人之間的關(guān)

13、系十分尷尬，非現(xiàn)代倫理所能調(diào)適，相同基因克隆人之間是何種關(guān)系，更何況難以分辨，無法識別身份。生命價(jià)值，人類尊嚴(yán)會發(fā)生重大變化，以人為本已無意義。造人工廠一旦形成，人和普通產(chǎn)品還有什么區(qū)別，以醫(yī)療為目的的克隆人會使人類身體商品化。 組織工程示意圖三、組織工程學(xué)7/20/202251神 經(jīng) 橋 接7/20/202252組織工程化軟骨7/20/202253 組織工程化耳7/20/202254 動物體內(nèi)已成功構(gòu)建出組織工程化組織與器官In vitro eng-earFemurArticular cartilageMeniscusTrachea TendonTM jointSkinCornea stro

14、maCornea epitheliumVesselNerve7/20/202255組織工程的最新成果英國醫(yī)學(xué)雜志柳葉刀報(bào)告說，美國科學(xué)家成功地在實(shí)驗(yàn)室中培育出再生膀胱，并順利移植到7名患者體內(nèi)。這是世界上第一次將實(shí)驗(yàn)室培育出的完整器官成功移植入患者體內(nèi)，這次重大突破將為此后其他器官的培育研究增添希望，也將為成千上萬苦苦等待器官移植的患者帶來福音。再生膀胱在人體內(nèi)移植成功意味著組織工程技術(shù)從單一組織向復(fù)合組織的飛躍，離心臟、肝臟和腎臟等功能性器官的再生和修復(fù)更近了一步。全球首次！美國在實(shí)驗(yàn)室中培育出膀胱并移植成功7/20/202256 納米技術(shù)是20世紀(jì)80年代末期剛剛誕生并正在崛起的新科技，它

15、的基本涵本是在納米尺寸（1010107m）范圍內(nèi)認(rèn)識和改造自然，通過直接操作和安排原子、分子創(chuàng)造新物質(zhì)。 納米科技是研究由尺寸在0.1100nm之間的物質(zhì)組成的體系的運(yùn)動規(guī)律和相互作用可能的實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)問題的科學(xué)技術(shù)。 四、納米技術(shù)與材料7/20/202257 納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料。如果按維數(shù)，納米材料的基本單元可以分為三類 零維，指在空間三維尺度均在納米尺度，如納米尺度顆粒、原子團(tuán)簇等； 一維，指在空間有兩維尺度處于納米尺度，如納米絲、納米棒、納米管等； 二維，指在三維空間中有一維在納米尺度，如超薄膜、多層膜。7/20/2022

16、58納米技術(shù)與生物材料7/20/202259五、自組裝材料自然界自組裝過程很多，小到樹葉上的水滴，其表面的彎曲恰到好處，其實(shí)是簡單的熱力學(xué)自組裝。 生命體的形成是復(fù)雜 的自組裝過程,從一 個胚胎發(fā)育成一個生 命,不需要人類的手動 進(jìn)行參與。7/20/202260自組裝材料在生物材料的應(yīng)用目前的汽車、計(jì)算機(jī)、電話等都是先制造出配件，然后人類動手組裝，自動化程度再搞也是人在操縱，不會在地下長出一輛汽車，也不會在樹上結(jié)出一部收音機(jī)等?？茖W(xué)家們正在設(shè)想制造出能用一套已建立的指令來自我設(shè)計(jì)并能模仿生命自組裝的材料。這種材料的原子、分子、原子團(tuán)和組件能夠自動進(jìn)行組裝，不需要人的操縱。7/20/202261

17、自組裝材料在生物材料的應(yīng)用理想的自組裝材料尚未出現(xiàn)，但有關(guān)研究已經(jīng)取得了一些成果。如：浮法玻璃生產(chǎn)技術(shù)：熔融的玻璃在熔融的金屬（錫）自動形成的玻璃兩面平坦光滑，比先生產(chǎn)玻璃在拋光物美價(jià)廉的多。利用自組裝技術(shù)生產(chǎn)的石墨管，可達(dá)到納米級。有磷脂分子自組裝形成的藥物載體，就是利用磷脂分子的自組裝功能形成的微型球狀類脂題。理想的自組裝材料應(yīng)有一定的記憶功能，記憶芯片和微電子技術(shù)已經(jīng)可按指令進(jìn)行動作。自組裝材料的神奇性在于能徹底消除人的勞動可能導(dǎo)致的事物或損傷。7/20/202262六、液晶類生物材料 1、什么是液晶？液晶可理解為液態(tài)的晶體。有時也成為流動的晶體。與物質(zhì)的晶體、液體和氣體有明顯的區(qū)別，有

18、時稱為物質(zhì)的第四態(tài)。 2、液晶的特殊性能： 結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的各向異性； 外場變化對結(jié)構(gòu)性能影響的敏感性；低黏度高流動性；液晶分子的自組裝性；生物組織的相容性等。 3、液晶的應(yīng)用：光電顯示、溫度指示、光學(xué)記錄、光學(xué)儲存、光導(dǎo)材料、分子增強(qiáng)材料、高模量高強(qiáng)度材料、生物醫(yī)用等。體內(nèi)所有生人物膜均為液晶態(tài)人體內(nèi)的生物膜分子形態(tài)與合成液晶的形態(tài)液晶類生物材料 4、液晶的類型： 小分子液晶、高分子液晶、主鏈液晶、側(cè)鏈液晶； 近晶型、 向列型、膽甾型；熱致型、溶致型。 5、自然界中的液晶：液晶最早的發(fā)現(xiàn)是在植物體內(nèi)（1888年）。 生物組織必須有足夠的剛性，使其正常發(fā)揮功能，并且有一定的流動性，使生物體內(nèi)的所有

19、過程能夠進(jìn)行。這種剛性和流動性之間精巧的平衡只有液晶才能完成。實(shí)際上人體內(nèi)的所有生物膜均處于液晶態(tài)。七 再生醫(yī)學(xué) 外科學(xué)已進(jìn)入了再生醫(yī)學(xué)的新階段ResectionRepairRepalacementRegeneration外科學(xué)發(fā)展的四個“R”階段7/20/202266七 再生醫(yī)學(xué) 利用機(jī)體細(xì)胞重新制作損傷的組織、器官，使其恢復(fù)自然狀態(tài)的研究再生醫(yī)學(xué)（regenerative medicine） 利用生物及工程學(xué)的理論方法創(chuàng)造丟失或功能損傷的組織和器官，使其具備正常組織和器官的結(jié)構(gòu)和功能。7/20/202267再生醫(yī)學(xué)是綜合科學(xué)涉及生命科學(xué)涉及材料科學(xué)涉及組織工程學(xué)涉及社會倫理學(xué) 細(xì)胞、細(xì)胞外

20、基質(zhì)、生物材料7/20/20226869再生醫(yī)學(xué)（regenerative medicine，RM）原先指體內(nèi)組織再生的理論、技術(shù)和外科操作；現(xiàn)在，它的內(nèi)涵已不斷擴(kuò)大，包括：組織工程細(xì)胞和細(xì)胞因子治療基因治療7/20/202269.修復(fù)填充材料我們的研究成果多次循環(huán)法制備的多種孔壁形態(tài) (蜂窩型, 堡壘型, 纖維型, 絲網(wǎng)型)材料 SEM電鏡觀察多孔結(jié)構(gòu)（100）孔壁上的微隙結(jié)構(gòu)（SEM） 4500 1000 1250 800 超臨界CO2多次循環(huán)法制備新型骨組織工程支架材料7/20/202271骨基質(zhì)體視顯微照片骨基質(zhì)倒置顯微鏡觀察 骨基質(zhì)支架材料外觀 利用超臨界CO2處理的同種異體骨多孔支架7/20/202272 性能組成拉伸強(qiáng)度MPa彎曲強(qiáng)度MPa彎曲模量GPa純PLLA65.178.62.6PLLA+20%nHA+5%Fibre93.3152.85.1PLLA+20%nHA+10%Fibre110.6171.56.2本課題組產(chǎn)品臨床使用類似產(chǎn)品 甲殼素纖維增強(qiáng)骨組織修復(fù)與治療用內(nèi)固定材料7/20/202273 功能化納米羥基磷灰石的制備技術(shù)電鏡照片功能化處理前后的紅外譜圖植入樣品體外毒性試驗(yàn)電鏡照片7/20/202274 功能化聚乳酸大分子單體的合成膜材料植入3個月后的病理學(xué)觀察（1