工業(yè)大學二OO六醫(yī)用材料生物學基礎第一章緒論1一、課程設立的目的、意義第一章緒論一、課程設立的目的、意義二、課程特點三、課程主要內容四、成績考核五、相關概念的回顧與解釋第一章緒論2一、課程設立的目的、意義醫(yī)用材料的研究基礎

材料研究的基礎醫(yī)用材料的定義、目標醫(yī)用材料的分類與發(fā)展醫(yī)用材料的應用舉例社會效益、經濟效益、市場前景未來發(fā)展的趨勢與挑戰(zhàn)第一章緒論3一、課程設立的目的、意義組成、結構-工藝過程-性質之間

關系示意圖合成與制備工藝使用性能性質組成結構（化學）（工程）（物理學）材料研究的基礎第一章緒論5一、課程設立的目的、意義一、課程設立的目的、意義醫(yī)用材料的研究基礎

材料研究的基礎

醫(yī)用材料的定義、目標（組織、器官的生理功能，生物體對植入材料的反應）

醫(yī)用材料的分類與發(fā)展醫(yī)用材料的應用舉例社會效益、經濟效益、市場前景未來發(fā)展的趨勢與挑戰(zhàn)第一章緒論6一、課程設立的目的、意義生物醫(yī)用材料biomedicalmaterials

生物材料biomaterials

對生物體進行診斷、治療和置換損壞組織、器官或增進其功能的材料。

醫(yī)用材料的定義、目標第一章緒論7一、課程設立的目的、意義水晶體:丙烯酸,硅膠耳:HA,氧化鋁,鈦金屬,硅膠齒科:丙烯酸,金,316LSS,鈷鉻鉬合金,鈦金屬,鈦鋁釩合金,氧化鋁,HA,生物玻璃心臟:鈷鉻鉬合金,鈦鋁釩合金,熱解石墨,ePTFE,PET,PUR,心律調節(jié):316LSS,白金t,PUR,硅膠,PET人工關節(jié):316LSS,鈷鉻鉬合金,鈦金屬,鈦鋁釩合金,硅膠,UHMWPE,丙烯酸顎面重建:氧化鋁,HA,三鈣磷酸鹽,HA/PLA,生物玻璃,鈦金屬,鈦鋁釩合金頭蓋骨:316LSS,鈦金屬,丙烯酸,HA,TCP可降解縫線:PLA,PGA,聚己內酯,PTMC,PDO的共聚高分子脊柱:鈷鉻鉬合金,鈦金屬,HA,UHMWPE承載重量的骨材:氧化鋁,氧化鋯,316LSS,鈦金屬,鈦鋁釩合金,鈷鉻鉬合金,UHMWPE血管:ePTFE,PET肌腱&韌帶:PLA/碳纖維,ePTFE,PET,UHMWPE骨折固定:316LSS,鈷鉻鉬合金,鈦金屬,鈦鋁釩合金,PLA/HA,PLA,PGAPLA:聚乳酸(polylactide)PGA:聚甘醇酸(polyglycolide)PTMC:聚三甲基己內酯(polymethylenecarbonate)PDO:poly(p-dioxanone)PUR:聚氨酯(polyurethane)ePTFE:膨體聚四氟乙烯(expandedpolytetrafluroethylene)UHMWPE:超高分子量聚乙烯(expandedpolytetrafluoroethylene)PET:聚乙烯對苯二甲酸酯(polyethyleneterephthalate)HA:氫氧基磷灰石(hydroxyapatite)SS:不銹鋼第一章緒論9一、課程設立的目的、意義一、課程設立的目的、意義醫(yī)用材料的研究基礎

材料研究的基礎醫(yī)用材料的定義、目標

醫(yī)用材料的分類與發(fā)展（材料本身具有生命性質而與機體產生生物性結合）

醫(yī)用材料的應用舉例社會效益、經濟效益、市場前景未來發(fā)展的趨勢與挑戰(zhàn)第一章緒論10一、課程設立的目的、意義問題人體組織器官的生命現象是極其復雜的，特別是處于生長與發(fā)育、再生與修復的立體動態(tài)變化之中。人工合成的材料的本質與人類的親緣性尚遠、缺乏人體的生物活性，與機體組織的親和性較差。

第一章緒論11一、課程設立的目的、意義現在未來

－－生物材料的發(fā)展方向與設計原則材料研究更重要的是從生命科學的角度進行探討和創(chuàng)造類似人體生命結構的新型材料，在充分理解生命機體（天然材料）及生命機體/人造材料相互作用的基礎上的合理設計。

人體的生物活性，在人體內與機體組織細胞、生物力學、生物電的反應關系

第一章緒論13一、課程設立的目的、意義一、課程設立的目的、意義醫(yī)用材料的研究基礎

材料研究的基礎（生物體環(huán)境

）

醫(yī)用材料的定義、目標（組織、器官的生理功能，

生物體對植入材料的反應

）

醫(yī)用材料的分類與發(fā)展（材料本身具有生命性質而與機體產生生物性結合）

醫(yī)用材料的應用舉例社會效益、經濟效益、市場前景未來發(fā)展的趨勢與挑戰(zhàn)第一章緒論14一、課程設立的目的、意義生物醫(yī)用材料診斷現代診斷系統治療先進控制釋放系統修復、置換、增進組織器官功能通用生物醫(yī)用材料組織工程生物醫(yī)用材料醫(yī)用材料的分類與發(fā)展（生物材料的定義）第一章緒論15一、課程設立的目的、意義生物材料的分類（材料的生物學性能）

生物惰性材料BioinertMaterials生物活性材料BioactiveMaterials生物降解材料BiodegradableMaterials生物復合材料CompositeBiomaterials

醫(yī)用材料的分類與發(fā)展第一章緒論17一、課程設立的目的、意義生物材料的分類第一代生物材料第二代生物材料第三代生物材料

醫(yī)用材料的分類與發(fā)展第一章緒論18一、課程設立的目的、意義第一代生物材料生物材料首先應具有人體的組織或器官的功能，這些材料與普通的標準材料很相似，從后者衍生出來的，根據臨床應用的特點，設計、改變其結構以適應臨床應用。六七十年代，物理性能適宜、對宿主反應最小的組織替代物，大多數屬于惰性生物材料，使免疫排斥反應達到最低的材料。

醫(yī)用材料的分類與發(fā)展第一章緒論19一、課程設立的目的、意義第三代生物材料具有激發(fā)、促進人體組織自身修復和再生作用，從而使病變組織、器官最終完全或主要是由再生的自身天然健康組織或器官所取代。生物材料不僅要具有生物安全性和生物相容性，更希望植入體內能誘發(fā)所期望的反應，使目標細胞黏附、增殖、分化，并且防止腫瘤化傾向。

醫(yī)用材料的分類與發(fā)展第一章緒論21一、課程設立的目的、意義第三代生物材料

即與組織工程相關的生物材料。從材料科學與生命科學交叉與融合角度,對生物材料的細胞水平和分子水平進行設計并制備出具有刺激特異細胞反應的、具有生物活性的可吸收生物材料，使目標細胞遷移至損傷部位，刺激它們生長和分化，促進組織的自愈合，且隨著組織的修復能被細胞釋放的相關酶完全降解的生物材料。

醫(yī)用材料的分類與發(fā)展第一章緒論22一、課程設立的目的、意義生物材料的分類

第一代生物材料具有組織或器官的功能性的惰性生物材料.

第二代生物材料具有生物功能性的同時，具有與人體組織的相容性的生物活性和可吸收性生物材料及其復合材料。

第三代生物材料從生物材料的細胞水平和分子水平進行設計，不僅要具有生物功能性和生物相容性，還具有促進組織的自愈合，且隨著組織的修復能被細胞釋放的相關酶完全降解的材料。第一章緒論23一、課程設立的目的、意義人工關節(jié)美國，每年僅人工髖關節(jié)置換的數量己經超過50萬人次。我國，每年施行一萬多例人工關節(jié)置換手術。限制型半限制型非限制型第一章緒論25一、課程設立的目的、意義滾動式人工膝關節(jié)屬于半限制型。有左右側之分。135

O的伸屈運動。20

O的內旋外旋。10

O的內翻外翻。設計承載能力為5KN。可選配不同型號髓內干。第一章緒論26一、課程設立的目的、意義人造心臟瓣膜生物瓣同時采用人工合成的高級材料和經過復雜化學處理的生物組織膜而制成。優(yōu)點是術后不必終生抗凝，血栓栓塞率較低。缺點是耐久性不如機械瓣，瓣膜的壽命約在十年左右，如損壞則需第二次換瓣。

第一章緒論29一、課程設立的目的、意義人造心臟瓣膜機械瓣采用高級合成材料制成。優(yōu)點是耐久性好，其缺點是需終生抗凝。血栓栓塞率較生物瓣高。第一章緒論30一、課程設立的目的、意義脊柱修復支架InterporeCrossInternationalInc.SynergyTMIQLowBackSystem第一章緒論31一、課程設立的目的、意義人造牙齒第一章緒論32一、課程設立的目的、意義人工水晶體PMMA制成，直徑約6mm第一章緒論33一、課程設立的目的、意義人造血管第一章緒論34一、課程設立的目的、意義人造皮膚第一章緒論35一、課程設立的目的、意義一、課程設立的目的、意義醫(yī)用材料的研究基礎

材料研究的基礎醫(yī)用材料的定義、目標醫(yī)用材料的分類與發(fā)展醫(yī)用材料的應用舉例社會效益、經濟效益、市場前景未來發(fā)展的趨勢與挑戰(zhàn)第一章緒論36一、課程設立的目的、意義醫(yī)療器材實例

年產值(U.S.)*

縫線(短期使用或可吸收性)

250M**導管(液體輸送管)

200M血液袋 40M隱形眼鏡 30M人工水晶體

2.5M人工膝關節(jié)及髖關節(jié)

0.5M義乳(癌癥或美容)

0.25M齒科植入物

0.9M腎臟透析器

0.3M富氧機/CPB’s(心肺繞道系統—有利進行心臟手術)0.3M人工血管

0.3M心律調節(jié)器(脈沖產生器)

0.4M*fromRatner,B.D.etal.,eds.BiomaterialsScience:Anintroductiontomaterialsinmedicine.2nded.SanDiegoCA:Elsevier,2004.**fromRatner,B.D.etal.,eds.BiomaterialsScience:Anintroductiontomaterialsinmedicine.1sted.SanDiegoCA:AcademicPress,1996.37全球生物醫(yī)用材料市場第一章緒論38一、課程設立的目的、意義全球生物醫(yī)用材料細分市場發(fā)展增長率26%高速增長市場將達800億美元增長率45%高速增長第一章緒論39一、課程設立的目的、意義中國生物醫(yī)用材料市場我國生物醫(yī)學材料的生物醫(yī)學工程產業(yè)的市場增長率高達

28％(全球市場增長率20%),居全球之首。我國人工關節(jié)替換年增長率高達30％，遠高于美國的4％。

--------國家科技部資料第一章緒論40一、課程設立的目的、意義775萬肢殘患者和每年新增的300萬骨

損傷患者

--------需要大量骨修復材料2000萬心血管病患者

-------每年需要24萬套人工心瓣膜

腎衰患者 --------每年需要12萬個腎透析器

第一章緒論41一、課程設立的目的、意義我國生物醫(yī)用材料的產業(yè)化我國生物材料和制品所占世界市場份額不足1.5％；產品技術水平處于初級階段，且產品單一；同類產品與國外產品比，基本上屬于仿制，自主知識產權較少；生物醫(yī)用材料與制品70-80%要依靠進口；產業(yè)正處于起步階段。第一章緒論42一、課程設立的目的、意義一、課程設立的目的、意義醫(yī)用材料的研究基礎

材料研究的基礎醫(yī)用材料的定義、目標醫(yī)用材料的分類與發(fā)展醫(yī)用材料的應用舉例社會效益、經濟效益、市場前景未來發(fā)展的趨勢與挑戰(zhàn)第一章緒論43一、課程設立的目的、意義未來發(fā)展的趨勢與挑戰(zhàn)復雜的生理環(huán)境,材料的各種變化,同時對人體組織產生的多種影響新材料的生物學行為，人工材料與相接觸的人體軟硬組織的界面結構

新的合成設計思想和尋找新的合成方法

從仿生的角度創(chuàng)造出具有高生理功能的人工組織器官

利用生物有機體內某些重要的分子和組成,例如酶、多肽、抗體、受體細胞解決材料的生物化問題來行使特定生物功能

材料種植與細胞作用的界面研究

材料用生理活性物質進行表面修飾,是功能化、智能化

第一章緒論44一、課程設立的目的、意義第一章緒論一、課程設立的目的、意義二、課程特點三、課程主要內容四、成績考核五、相關概念的回顧與解釋第一章緒論45二、課程特點參考文獻《生物醫(yī)學材料學》顧漢卿徐國風主編天津科技翻譯出版公司1993《生物材料學》阮建明編著

科學出版杜2004《生物醫(yī)用材料》俞耀庭主編，（二十一世紀新材料叢書）天津大學出版社2000《人體解剖生理學》北京師范大學等編

北京科技發(fā)行1990《分子細胞生物學》韓貽仁主編

科學出版杜2001《生理學》張鏡如主編

人民衛(wèi)生出版社1996第一章緒論46一、課程設立的目的、意義第一章緒論一、課程設立的目的、意義二、課程特點三、課程主要內容四、成績考核五、相關概念的回顧與解釋第一章緒論47三、課程主要內容三、課程主要內容1.

緒論2．醫(yī)用植入材料生物環(huán)境生命體系結構、人體組織與器官、細胞結構與功能、人體血液與組織液系統、人體骨骼系統與骨組織生物力學、人體免疫系統與免疫細胞3．醫(yī)用植入材料與人體間的相互作用生物相容性反應、醫(yī)用植入材料引起的炎癥與傷口愈合、醫(yī)用植入材料引起的感染、鈣化和腫瘤、醫(yī)用植入材料的病理學反應

第一章緒論48三、課程主要內容三、課程主要內容4．植入材料與細胞作用界面材料與細胞界面基本理論、材料與細胞界面結合形式、材料與細胞界面關系、材料與細胞界面檢測與評價5.醫(yī)用材料生物化

醫(yī)用材料生物化原理、醫(yī)用材料表面凈化與微孔化、醫(yī)用材料表面親水化、醫(yī)用材料活性物質化6．生物醫(yī)用材料智能仿生化

生物醫(yī)用材料仿生構思、刺激響應性高分子凝膠、刺激響應性藥物釋放體系、仿生膜材料第一章緒論49三、課程主要內容第一章緒論一、課程設立的目的、意義二、課程特點三、課程主要內容四、成績考核五、相關概念的回顧與解釋第一章緒論50第一章緒論一、課程設立的目的、意義二、課程特點三、課程主要內容四、成績考核五、相關概念的回顧與解釋第一章緒論51一、課程設立的目的、意義

對生物體進行診斷、治療和置換損壞組織、器官或增進其功能的材料。

要求生物材料具有功能性和相容性。

1、生物醫(yī)用材料biomedicalmaterials

生物材料biomaterials

生物材料第一章緒論52一、課程設立的目的、意義生物醫(yī)用材料診斷現代診斷系統治療先進控制釋放系統修復、置換、增進組織器官功能通用生物醫(yī)用材料組織工程生物醫(yī)用材料生物材料第一章緒論53一、課程設立的目的、意義2、生物功能性

Biofunctionality植入體內的材料或器械，對組織進行結構上的替代或補償，完成近似的和特殊的功能。生物功能性第一章緒論54一、課程設立的目的、意義生物功能性

Biofunctionality負載傳遞和應力分布關節(jié)替換：人工關節(jié)控制血液流動：人造血管、人工心臟控制其它體液流動簡單填充產生和傳導電刺激光傳導：人工晶體聲音傳導緩釋藥物和其它物質引導組織再生（4）生物功能性第一章緒論55一、課程設立的目的、意義3、生物相容性

biocompatibility生物材料和人體組織接觸后，在材料——機體組織界面發(fā)生一系列相互作用后，產生各種復雜的生物、物理、化學反應,最終被人體組織所接受的性能。

生物相容性第一章緒論56一、課程設立的目的、意義生物相容性理想材料的生物學反應

各種生物醫(yī)用材料人工器官醫(yī)用輔助裝置對人體無毒性無致敏性無刺激性無致畸性無遺傳毒性無致癌性對人體免疫系統無任何不良反應，無凝血、無溶血反應無炎癥、腫瘤反應無免疫排斥反應組織血液第一章緒論57一、課程設立的目的、意義材料——機體組織的相互作用生物相容性第一章緒論58一、課程設立的目的、意義生物相容性分類血液相容性：材料用于心血管系統與血液直接接觸，要考察與血液的相互作用。

循環(huán)系統：人工心臟、心臟瓣膜、人工血管血管內：血管支架、導管組織相容性、

一般生物相容性：材料與心血管系統外的組織和器官接觸，主要考察組織的相互作用。

一切植入物都需要考察組織相容性。生物相容性第一章緒論59一、課程設立的目的、意義生物相容性的評價標準美國評價標準

ASTM(F48-82)美國、英國、加拿大三國評價標準1986國際標準化組織評價標準ISO10993.1-1992~ISO10993.12-1992中國的評價標準

GB/T16886.1-1997生物相容性第一章緒論60一、課程設立的目的、意義4、生物惰性材料

BioinertMaterials在生物環(huán)境中能保持穩(wěn)定，不發(fā)生或僅發(fā)生微弱化學反應的生物醫(yī)學材料，主要是生物陶瓷類和醫(yī)用合金類材料.

由于在實際中不存在完全惰性的材料,因此生物惰性材料在機體內也只是基本上不發(fā)生化學反應。它與組織間的結合主要是組織長入其粗糙不平的表面形成一種機械嵌聯，即形態(tài)結合。

生物惰性材料第一章緒論61一、課程設立的目的、意義

氧化物陶瓷

氧化鋁:純剛玉雙杯式人工髖關節(jié);

純剛玉—金屬復合型人工股骨頭;

純剛玉—聚甲基丙烯酸酯—鈷鉻鉬合金鉸鏈式膝關節(jié);

其他人工骨、人工牙根等.

氧化鋯:人工髖關節(jié)生物惰性材料

BioinertMaterials生物惰性材料第一章緒論62一、課程設立的目的、意義

玻璃陶瓷:部分人工關節(jié).Si3N4陶瓷:較小的人工骨，目前還不能用作承重材料.

醫(yī)用碳素材料:

人工心臟瓣膜等人工臟器,人工關節(jié).

醫(yī)用金屬材料:人體承重材料中應用最廣泛的材料，表面涂上活性生物材料后可增加它與人體環(huán)境的相容性，同時還能制作各類其他人體骨的替代物。生物惰性材料

BioinertMaterials生物惰性材料第一章緒論63一、課程設立的目的、意義5、生物活性材料

BioactiveMaterials能誘出或調節(jié)生物活性的生物醫(yī)學材料.

生物活性是增進細胞活性或新組織再生的性質.生物醫(yī)用高分子材料以及典型的生物活性材料羥基磷灰石。

生物活性材料第一章緒論64一、課程設立的目的、意義

羥基磷灰石

Hydroxyapatite,HAP

[Ca10(PO4)6(OH)2]

生物硬組織的修復和替換材料口腔種植、牙槽脊增高、頜面骨、鼻梁、假眼球、耳小骨替換、中耳通氣引流管脊椎骨替換填充用ＨＡ顆粒抑制癌細胞用ＨＡ微晶粉制備多孔陶瓷和復合材料/涂層材料生物活性材料

BioactiveMaterials生物活性材料第一章緒論65一、課程設立的目的、意義

磷酸鈣生物活性材料磷酸鈣骨水泥:骨修補和固定關節(jié)磷酸鈣陶瓷纖維:無機骨水泥的補強及制備有機與無機復合型植入材料.生物磁性陶瓷材料:治療癌癥用

生物玻璃:生物活性微晶玻璃/可加工生物活性微晶玻璃

生物活性材料

BioactiveMaterials生物活性材料第一章緒論66一、課程設立的目的、意義6、生物降解材料

BiodegradableMaterials

在被植入人體以后,能夠不斷的發(fā)生分解,分解產物能夠被生物體所吸收或排出體外的一類材料.β-TCP生物降解陶瓷:

修復良性骨腫瘤或瘤樣病變手術刮除后所致缺損

生物陶瓷藥物載體:

微藥庫型載體，可根據要求制成一定形狀和大小的中空結構，用于各種骨科疾病。

生物降解材料第一章緒論67一、課程設立的目的、意義7、生物復合材料

CompositeBiomaterials

生物復合材料又稱為生物醫(yī)用復合材料，它是由兩種或兩種以上不同材料復合而成的生物醫(yī)學材料。

人體功能的復雜性以及應用場合、應用形式不同；同一場合下，對性能要求也不是單一的，因此要求植入材料性能多樣性－－導致復合材料產生。生物復合材料第一章緒論68一、課程設立的目的、意義生物復合材料復合目的

綜合多種組分或結構的性能優(yōu)勢，更好實現對人體受損組織的修復作用。

降解模式和降解速率具有可調性增強和改善力學性能生物復合材料第一章緒論69一、課程設立的目的、意義生物復合材料的分類

有機/有機復合生物材料:可降解高分子材料之間通過對不同組分的復合,考察材料的相容性以及結構和性能,篩選具有最佳性能的復合生物材料。包括天然高分子材料,生物合成聚酯,以及人工合成聚酯和聚酸酐等。生物復合材料第一章緒論70一、課程設立的目的、意義金屬/無機復合生物材料:金屬材料通過一些物理或化學手段(等離子噴涂,電化學沉積法等),在其表面形成一層磷酸鈣鹽,改善金屬材料表面的生物相容性,并與周圍的骨組織形成良好的骨性結合。生物復合材料生物復合材料的分類

第一章緒論71一、課程設立的目的、意義有機/無機復合生物材料：結合有機組分的韌性和無機組分的剛性,充分利用了無機組分或部分有機組分的生物活性或降解性能,形成了具有綜合使用性能的骨修補復合材料，用于修復和重建人體的硬組織,作為骨修復或骨固定材料。

骨修復復合材料與周圍組織的最終結合形式或被利用的狀況與材料組分的降解特性、材料的結構等密切相關。一般來說,具有降解特性或貫通孔洞的復合材料能夠被人體較好地利用,新生骨組織可以長入到材料內部,并與周圍組織形成牢靠的結合。

生物復合材料生物復合材料的分類

第一章緒論72一、課程設立的目的、意義8、生物衍生材料

BiologicallyDerivedMaterials由經過特殊處理的天然生物組織所形成的生物醫(yī)用材料，也稱為生物再生材料。

生物衍生材料具有類似于自然組織的構型和功能，其組成類似于自然組織，在維持人體動態(tài)過程的修復和替換中具有重要作用。生物衍生材料第一章緒論73一、課程設立的目的、意義生物衍生材料

來源：取自同種或異種動物體的生物組織.特殊處理：輕微處理：維持組織原有構型而進行的固定、滅菌和消除抗原性處理。強烈處理：拆散原有構型、重建新的物理形態(tài)的處理。

生物衍生材料第一章緒論74一、課程設立的目的、意義9、組織工程

TissueEngineering應用生命科學與工程學的原理與技術,在正確認識哺乳動物的正常及病理兩種狀態(tài)下的組織結構與功能關系的基礎上,研究、開發(fā)用于修復、維護、促進人體各種組織或器官損傷后的功能和形態(tài)的生物替代物的一門新興學科。

組織工程第一章緒論75一、課程設立的目的、意義組織工程方法

應用工程