生物医用材料全册配套最完整精品课件.ppt
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1、生物医用材料全册配套最生物医用材料全册配套最 完整精品课件完整精品课件 生物医用材料生物医用材料 参考教材:参考教材:生物材料与组织工程生物材料与组织工程 熊党生熊党生 编著,科学出版社编著,科学出版社 第一章第一章 绪论绪论 生物材料的发展历史生物材料的发展历史 生物材料的分类及性能生物材料的分类及性能 生物材料的研究领域生物材料的研究领域 生物材料在人体内的应用生物材料在人体内的应用 生物材料与组织工程学生物材料与组织工程学 1 生物材料发展历史生物材料发展历史 l生物生物 (医用)材料的定义医用)材料的定义 一种与生物体组织接触,用以评估、治疗、一种与生物体组织接触,用以评估、治疗、 置
2、换生物体任何组织、器官,增进和恢复其置换生物体任何组织、器官,增进和恢复其 功能的材料。功能的材料。 Biomedical materials biomaterials u生物材料的发展历史生物材料的发展历史 公元前:公元前: 棉花线棉花线缝合线缝合线 青铜或黄铜青铜或黄铜将断裂的骨连接起来:将断裂的骨连接起来: 黄金黄金修补牙齿修补牙齿 19世纪中期:世纪中期: 形成了相应的科学体系。特别是新型高分子材料的研发,为形成了相应的科学体系。特别是新型高分子材料的研发,为 生物材料的研究和应用创造了极大的机会:硫化橡胶生物材料的研究和应用创造了极大的机会:硫化橡胶制成制成 人工牙托和颚骨人工牙托和
3、颚骨 20世纪中后期生物医用材料迅速发展:世纪中后期生物医用材料迅速发展: 20世纪世纪40年代:年代: 高分子聚合物作为生物材料得到应用:有机玻璃(聚甲基丙烯高分子聚合物作为生物材料得到应用:有机玻璃(聚甲基丙烯 酸甲酯酸甲酯PMMA)在眼角和受损头骨部分的植入得到了广泛应用。)在眼角和受损头骨部分的植入得到了广泛应用。 20世纪世纪50年代:人工血管植入年代:人工血管植入 20世纪世纪60年代:人工心脏瓣膜和骨水泥固定人工关年代:人工心脏瓣膜和骨水泥固定人工关节的植入 目前:生物活性材料及可降解材料得到发展:羟基磷灰石,目前:生物活性材料及可降解材料得到发展:羟基磷灰石, 聚乳酸等聚乳酸等
4、 第一代:第一代:生物惰性材料生物惰性材料:代表材料有石膏:代表材料有石膏 、各种金属、橡胶、棉花等、各种金属、橡胶、棉花等 第二代:第二代:生物活性和可降解材料生物活性和可降解材料:代表材:代表材 料:羟基磷灰石、磷酸三钙、聚乙醇酸、料:羟基磷灰石、磷酸三钙、聚乙醇酸、 聚乳酸(聚乳酸(PLA)、聚甲氨基丙烯酸甲酯)、聚甲氨基丙烯酸甲酯 PMMA、胶原、多肽、纤维蛋白等、胶原、多肽、纤维蛋白等 生物材料的发展历程可分为两个时代生物材料的发展历程可分为两个时代: 可按以下几个方面分类:可按以下几个方面分类: 按材料组成和性质分按材料组成和性质分 按材料来源分按材料来源分 按材料使用要求分按材料
5、使用要求分 按材料在人体应用部位分按材料在人体应用部位分 按材料与人体接触时间分按材料与人体接触时间分 2 生物材料的分类生物材料的分类 1 1)按)按材料组成和性质可材料组成和性质可分为:分为: 医用金属材料医用金属材料:不锈钢、钛合金、钴基合金等。:不锈钢、钛合金、钴基合金等。 医用无机材料医用无机材料:碳素材料、生物活性陶瓷、玻璃材料。:碳素材料、生物活性陶瓷、玻璃材料。 医用高分子材料:医用高分子材料: 天然高分子材料天然高分子材料:再生纤维、胶原、透明质酸、:再生纤维、胶原、透明质酸、 甲壳素等。甲壳素等。 合成高分子材料合成高分子材料:硅橡胶、聚氨脂、涤伦、尼龙、:硅橡胶、聚氨脂、
6、涤伦、尼龙、 聚丙烯腈。聚丙烯腈。 医用复合材料医用复合材料:由两种或两种以上的不同材料复合而:由两种或两种以上的不同材料复合而 成,包括高分子基、金属基和陶瓷基复合材料三类。成,包括高分子基、金属基和陶瓷基复合材料三类。 例如:用碳纤维增强的塑料,用碳纤维或玻璃纤维增例如: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、强的生物陶瓷、玻璃等。玻璃等。 按材料的生物活性还可分为按材料的生物活性还可分为: 生物惰性材料生物惰性材料: 体内稳定、不发生或仅发生微弱化学反应的材料。包括体内稳定、不发生或仅发生微弱化学反应的材料。包括 惰性生物陶瓷(如氧化物陶瓷:惰性生物陶瓷(如氧化物陶瓷:A
7、l2O3、 、ZrO2等 等)、医用金、医用金 属材料(属材料(不锈钢、钛合金、钴铬合金不锈钢、钛合金、钴铬合金)。)。 生物活性材料生物活性材料: 能与周围组织发生不同程度生化反应的材料。例如生物活能与周围组织发生不同程度生化反应的材料。例如生物活 性陶瓷(性陶瓷(羟基磷灰石羟基磷灰石 Ca10(PO4)6(OH)2和生物玻璃和生物玻璃 等。等。 生物降解材料生物降解材料: 体内能够不断发生降解,降解产物能够被机体所吸收或排体内能够不断发生降解,降解产物能够被机体所吸收或排 除体外的材料。包括:生物降解陶瓷(除体外的材料。包括:生物降解陶瓷(-磷酸三钙磷酸三钙 - Ca3(PO4)2)和生物
8、降解高分子材料(和生物降解高分子材料(聚乳酸聚乳酸PLA) 。 2 2)按材料来源可分为)按材料来源可分为 人体自身组织人体自身组织 同种器官与组织同种器官与组织 异种同类器官与组织异种同类器官与组织 天然生物材料天然生物材料 合成材料合成材料 3)按材料使用要求分按材料使用要求分 非植入性材料:注射器等非植入性材料:注射器等 植入性材料植入性材料 血液接触性材料血液接触性材料 降解和吸收性材料降解和吸收性材料 4)按材料应用部位分为)按材料应用部位分为 硬组织材料硬组织材料 软组织材料软组织材料 血管材料血管材料 血液代用材料血液代用材料 过滤、透析膜等材料过滤、透析膜等材料 n 5 5)按
9、与人体接触时间分)按与人体接触时间分 短期接触:短期接触:2424小时,小时,A A类材料类材料 长期接触:长期接触:24ht30d, B24ht30d:t30d,C C类材料类材料 应用应用材料种类材料种类 骨骼系统骨骼系统 关节置换体(髋关节、膝关节)关节置换体(髋关节、膝关节) 固定骨折部位的骨板固定骨折部位的骨板 骨水泥骨水泥 骨缺损修复骨缺损修复 人工肌腱和韧带人工肌腱和韧带 用于补牙的牙科植入体用于补牙的牙科植入体 心血管系统心血管系统 血管弥补血管弥补 心脏瓣膜心脏瓣膜 导尿管导尿管 器官器官 人工心脏人工心脏 皮肤修复样板皮肤修复样板 人工肾脏人工肾脏 心心-肺机肺机 感觉器官
10、感觉器官 耳蜗置换耳蜗置换 眼内镜眼内镜 角膜接触镜角膜接触镜 角膜绷带角膜绷带 Ti、Ti-Al-V合金、不锈钢、聚乙烯合金、不锈钢、聚乙烯 不锈钢、不锈钢、Co-Cr合金合金 聚甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯 羟基磷灰石羟基磷灰石 Teflon, Dacron Ti、Al、Ca、磷酸盐、磷酸盐 涤纶涤纶, 特氟隆特氟隆(聚四氟乙烯聚四氟乙烯),聚氨酯聚氨酯 再生组织、不锈钢、再生组织、不锈钢、C 硅橡胶、聚四氟乙烯、聚氨酯硅橡胶、聚四氟乙烯、聚氨酯 聚氨酯聚氨酯 硅硅-胶原质复合材料胶原质复合材料 纤维素、聚丙烯纤维素、聚丙烯腈腈 硅橡胶硅橡胶 铂电极铂电极 聚甲基丙烯酸甲酯、硅橡胶、水凝
11、胶聚甲基丙烯酸甲酯、硅橡胶、水凝胶 硅硅-丙烯酸树脂、水凝胶丙烯酸树脂、水凝胶 胶原质、水凝胶胶原质、水凝胶 表1-1 合成材料和改性的天然材料的医学应用合成材料和改性的天然材料的医学应用 u生物材料的使用性能生物材料的使用性能 不同的生物材料具有不同的使用性能。临床医学对生物医学 材料要求:生物相容性(安全性)和功能性生物相容性(安全性)和功能性 包括: 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、血液及酶的作用; 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。
12、 3. 生物材料与组织工程学生物材料与组织工程学 n 1984年华人学者冯元桢首次提出了组织工程的概念。年华人学者冯元桢首次提出了组织工程的概念。 n 1987年,美国国家科学院基金会明确了年,美国国家科学院基金会明确了组织工程的定组织工程的定 义:义:“组织工程组织工程是运用工程科学和生命科学的原理及方是运用工程科学和生命科学的原理及方 法,从根本上认识正常和病理的哺乳动物组织和结构功法,从根本上认识正常和病理的哺乳动物组织和结构功 能的关系,并研究生物学的替代物,以恢复、维持和改能的关系,并研究生物学的替代物,以恢复、维持和改 进组织的生物替代物进组织的生物替代物” n 科学意义:科学意义
13、: 为解除病人痛苦提供了一种新的治疗方法为解除病人痛苦提供了一种新的治疗方法 提出了提出了复制复制“组织组织”、“器官器官”的新思想的新思想 标志着标志着“生物科技人体时代生物科技人体时代”的到来,是的到来,是“再生医学再生医学的的 新时代新时代”,是,是“一场深远的医学革命一场深远的医学革命”。 4、 生物医用材料的研究领域:生物医用材料的研究领域: 研究领域包括研究领域包括 l 生物体生物体生理环境、组织、器官生理功能生理环境、组织、器官生理功能及其及其替代替代 方法。方法。 l 具有特种生理功能的生物医学具有特种生理功能的生物医学材料的合成、改性材料的合成、改性 、加工成型、加工成型以及
14、材料的特种生理功能与其结构关以及材料的特种生理功能与其结构关 系。系。 l 材料与材料与生物体的组织、血液、免疫等生物体的组织、血液、免疫等生理系统的生理系统的 相互作用相互作用。 l 材料材料灭菌、消毒、医用安全性评价灭菌、消毒、医用安全性评价方法与标准以方法与标准以 及医用材料与制品生产管理与国家管理法规。及医用材料与制品生产管理与国家管理法规。 n 生物材料学家的作用:生物材料学家的作用: 肩负着肩负着改变改变生物材料的生物材料的组成和(或)加工过程,组成和(或)加工过程, 以控制材料的生物学响应并以控制材料的生物学响应并制备出具有最大生物制备出具有最大生物 相容性的植入体相容性的植入体
15、的责任。必须同时考虑到的责任。必须同时考虑到材料性材料性 质(功能性)质(功能性),以确保所选择的材料适合于既定,以确保所选择的材料适合于既定 的应用目的。的应用目的。 生物材料科学研究的特点:是一门交叉学科,包括生物材料科学研究的特点:是一门交叉学科,包括 材料学、机械工程学、生物学、临床医学等。材料学、机械工程学、生物学、临床医学等。 5. 生物材料在人体内的应用生物材料在人体内的应用 生物材料在人体内的具体应用 生物材料在人体内的具体应用 环抱式接骨板环抱式接骨板 髌骨爪髌骨爪 骑缝钉骑缝钉 头颅微型钢板 骨科用植入物骨科用植入物 长干骨骨折及固定长干骨骨折及固定 骨科用植入物骨科用植入
16、物 人工髋关节人工髋关节 人工髋关节的外形人工髋关节的外形 整容植入材料 整容植入物整容植入物 器 械 包 血管成形术 髂动脉成形术(导丝在髂动脉成形术(导丝在X光下进入到血管内的照影光下进入到血管内的照影 ) 心肌梗塞治疗:心血管支架植入心肌梗塞治疗:心血管支架植入 n 主动脉带膜支架治疗主动主动脉带膜支架治疗主动 脉瘤脉瘤 其 它 动 脉 血 管 支 架 植 入 食道支架与气管支架 前列腺尿道支架与胆道支架前列腺尿道支架与胆道支架 其其 它它 管管 腔腔 支支 架架 植植 入入 术术 支架输送器:导丝、球囊支架输送器:导丝、球囊 介入放射植入支架手术介入放射植入支架手术- - 心脏瓣膜置换
17、体心脏瓣膜置换体 金属金属Ti制成的牙齿的植入体制成的牙齿的植入体 人造心脏人造心脏 人造关节人造关节 人工肾人工肾 心脏起搏器 工作示意图 甲壳素缝线的电镜照片甲壳素缝线的电镜照片 硅橡胶硅橡胶医用导管类医用导管类 PMMA人工晶体人工晶体 生物医用材料市发展概况生物医用材料市发展概况 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 年 200520022000 3275 2300 1650 20% 12% 单位: 亿 美 元 世 界 医 疗器 械 市 场 生 物 材 料 和 制品 全球生物医用材料市场 n 我国生物医学材料的生物医学工程产业的市场增长我国生物医学材料
18、的生物医学工程产业的市场增长 率高达率高达 28(全球市场增长率全球市场增长率20%),居全球之首。居全球之首。 n 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,远高于美国远高于美国 的的4。 n 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 -需需 要大量骨修复材料要大量骨修复材料 n 2000万心血管病患者万心血管病患者 -每年需要每年需要24万套人工心瓣万套人工心瓣 膜膜 n 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 n 中国生物医用材料市场 产业发展方向 n 市场迅猛发展的需求市场迅猛发展的需求通用生物医用
19、材料,控制释通用生物医用材料,控制释 放系统,组织工程材料;放系统,组织工程材料; n 加大研发力量,加强学科交叉,发展具有自主知识加大研发力量,加强学科交叉,发展具有自主知识 产权的技术与产品;产权的技术与产品; n 加强产加强产-学学-研的结合。研的结合。 第二章生物学相关基础简介第二章生物学相关基础简介 1.人体的机体组织人体的机体组织 2.细胞细胞 3.细胞外基质细胞外基质 4.血液血液 5.骨组织骨组织 6 人体免疫系统人体免疫系统 人体由有机质和无机质构成细胞,由细胞与细胞间质组成组织,由组人体由有机质和无机质构成细胞,由细胞与细胞间质组成组织,由组 织构成器官。织构成器官。 组织
20、是一种具有生物活性的复合材料组织是一种具有生物活性的复合材料 组织的结构和性质取决于组成物的化学、物理性质及各组分的相对含组织的结构和性质取决于组成物的化学、物理性质及各组分的相对含 量量 例如:例如: 神经组织:几乎完全由细胞组成神经组织:几乎完全由细胞组成 骨骼:由骨骼胶原纤维和矿物质组成,仅含少量的细胞和基质。骨骼:由骨骼胶原纤维和矿物质组成,仅含少量的细胞和基质。 1.人体的机体组织人体的机体组织 机体的主要功能:机体的主要功能: 新陈代谢:人体新陈代谢:人体外界环境外界环境 兴奋性:机体对刺激有起反应的能力兴奋性:机体对刺激有起反应的能力 适应性:机体对环境变化的适应适应性:机体对环
21、境变化的适应 l 神经调节神经调节 l 体液调节体液调节 l 器官组织细胞的自身能力器官组织细胞的自身能力 2. 2. 细胞细胞 n 细胞是活体组织形成的基础,一定情况下,它们可以单独细胞是活体组织形成的基础,一定情况下,它们可以单独 存活。存活。一些生物体,如细菌、原生动物和一些藻类,由一些生物体,如细菌、原生动物和一些藻类,由 单个细胞组成。但是大多数细胞是多细胞生物体的组成部单个细胞组成。但是大多数细胞是多细胞生物体的组成部 分,一个典型的动物细胞悬浮在液体中是一个直径约为分,一个典型的动物细胞悬浮在液体中是一个直径约为2020 微米的球,如图所示。微米的球,如图所示。 n 大多数细胞在
22、悬浮液中的生长不是很好,它们常常贴敷于大多数细胞在悬浮液中的生长不是很好,它们常常贴敷于 某一基质进行生长。某一基质进行生长。 光面内质网内质网 细细胞核 高尔基复复合 体 核仁 微管 原生质质膜 泡囊 糙面内质内质 网网 染色质质 溶酶体 线线粒体 微纤丝纤丝 3. 细胞外基质(细胞外基质(EMC) 由细胞合成并分泌到细胞外的各种生物大分子由细胞合成并分泌到细胞外的各种生物大分子 各种生物大分子组装成高度水合的凝胶。各种生物大分子组装成高度水合的凝胶。 构成细胞外基质的大分子种类:胶原、非胶原糖蛋构成细胞外基质的大分子种类:胶原、非胶原糖蛋 白、氨基聚糖与蛋白聚糖、以及弹性蛋白。白、氨基聚糖
23、与蛋白聚糖、以及弹性蛋白。 EMC的功能:的功能: 使组织具有弹性和抗压性使组织具有弹性和抗压性 对物质转运有选择渗透性对物质转运有选择渗透性 细胞表面的蛋白聚糖有传递信息作用细胞表面的蛋白聚糖有传递信息作用 抗凝血功能抗凝血功能 4.1 4.1 血液的主要组成及特征、功能血液的主要组成及特征、功能 1 1)组成:)组成: 白蛋白白蛋白 球蛋白球蛋白 纤维蛋白原纤维蛋白原 血血 液液 血浆血浆 (50- 60%) 血细胞(血细胞(40- 50%) 水(水(91-92%) 溶质(溶质(8-9%) Na+、K+、Ca2+、Mg2+ HCO3-、Cl-、HPO32-、SO42- 红细胞红细胞 白细胞
24、白细胞 血小板血小板 气体:气体:O2、CO2 小分子有机物小分子有机物 电解质电解质 血浆蛋白血浆蛋白 营养物质营养物质 代谢终产物代谢终产物 激素激素 4. 血液血液 血浆血浆 (中性粒细胞(中性粒细胞 (淋巴细胞)(淋巴细胞) 全血全血离心后离心后 细胞形态细胞形态 n 红细胞的功能红细胞的功能 运输运输O2和和CO2 缓冲作用:在缓冲作用:在酸碱平衡酸碱平衡起一定的缓冲作用起一定的缓冲作用 这两项功能都是通过红细胞中的血红蛋白来实现的。如果红细胞破裂,这两项功能都是通过红细胞中的血红蛋白来实现的。如果红细胞破裂, 血红蛋白释放出来,溶解于血浆中,即丧失上述功能。血红蛋白释放出来,溶解于
25、血浆中,即丧失上述功能。 2)红细胞)红细胞 3)白细胞)白细胞 白细胞有核,在血液中一般呈球形。白细胞有核,在血液中一般呈球形。 依据白细胞细胞核接触不同染色剂时,胞浆中依据白细胞细胞核接触不同染色剂时,胞浆中 是否产生特殊的嗜色颗粒可分为粒细胞及无粒细是否产生特殊的嗜色颗粒可分为粒细胞及无粒细 胞。胞。 粒细胞又可依据所含嗜色颗粒特性不同而分为粒细胞又可依据所含嗜色颗粒特性不同而分为 嗜酸性粒细胞、嗜碱性粒细胞及中性粒细胞嗜酸性粒细胞、嗜碱性粒细胞及中性粒细胞。 物理细胞可分为物理细胞可分为单核细胞和淋巴细胞单核细胞和淋巴细胞。其中单。其中单 核细胞最大,淋巴细胞最小,嗜酸数目最少,中核细
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