1、生物材料的應用現狀及發展前景 學 院： 理 學 院 學 號：111103128 姓 名： 周 玉 娟 上課老師：夏 兵字數統計：5286字摘 要:由于生物醫學材料是無毒副作用、生物相容性良好、耐腐蝕性能優越的醫用材料,越來越受到廣大科技研究工作者的重視。近20年,國內外特別是一些發達國家對生物材料的研究和開發得到飛速的發展。本文詳細闡述了生物醫學材料的分類及發展前景。 關鍵詞:生物材料、生物醫學材料、羰基生物材料、應用現狀、發展前景生物材料也稱為生物醫學材料,是指以醫療為目的,用于與生物組織接觸以形成功能的無生命的材料。自19世紀80年代以來,以醫療、保健、增進生活質量、造福人類為目的的生物材

2、料取得了快速的發展。它最早的使用可以追溯至19世紀末,在1886年,首例鋼片和鍍鎳鋼治療骨折應用于臨床獲得成功。迄今為止,除大腦以外的各種人工器官已經應用于人體,并取得了良好的效果。目前,生物材料主要包括醫用高分子材料、生物陶瓷、醫用金屬材料等。 材料科學與物理學、化學、生物學及臨床科學越來越緊密地結合，并突破舊有科學的狹小范圍，誕生了另一個新興的產業-生物醫學材料產業。生物醫學材料已經成為生物醫學工程的4大支柱產業之一，它為醫學、藥物學及生物學等學科的發展提供了豐富的物質基礎。作為材料學的一個重要分支，它對于促進人類文明的發展必將作出更大的貢獻。 生物醫學材料指的是一類具有特殊性能、特種功能

3、，用于人工器官、外科修復、理療康復、診斷、治療疾患，而對人體組織不會產生不良影響的材料。現在各種合成和天然高分子材料、金屬和合金材料、陶瓷和碳素材料以及各種復合材料，其制成產品已經被廣泛地應用于臨床和科研。 一般而言，臨床醫學對生物醫學材料有以下基本的要求：無毒性，不致癌，不致畸，不引起人體細胞的突變和組織細胞的反應；與人體組織相容性好，不引起中毒、溶血凝血、發熱和過敏等現象；化學性質穩定，抗體液、血液及酶的作用；具有與天然組織相適應的物理機械特性；針對不同的使用目的具有特定的功能。 根據物質屬性，生物醫學材料大致可以分為以下幾種。 1、生物醫學金屬材料（biomedical metallic

4、 materials）醫用金屬材料是作為生物醫學材料的金屬或合金，具有很高的機械強度和抗疲勞特性，是臨床應用最廣泛的承力植入材料，主要有鉆合金（co-cr-ni）、鈦合金（ti-6a1-4v）和不銹鋼的人工關節和人工骨。鎳鈦形狀記憶合金具有形狀記憶的智能特性，能夠用于矯形外科、心血管外科。 2、 生物醫學高分子材料（biomedical polymer） 生物醫學高分子材料有天然的和合成的兩種，發展得最快的是合成高分子醫用材料。通過分子設計，可以獲得很多具有良好物理機械性和生物相容性的生物材料。其中軟性材料常用來作為人體軟組織如血管、食道和指關節等的代用品；合成的硬材料可以用來作人工硬腦膜、籠

5、架球形的人工心臟瓣膜的球形閥等；液態的合成材料如室溫硫化硅橡膠可以用來作注入式組織修補材料。 3、 生物醫學無機非金屬材料或生物陶瓷（biomedical ceramics） 生物陶瓷這類醫用材料化學性質穩定，具有良好的生物相容性。生物陶瓷主要包括兩類。（1）惰性生物陶瓷（如氧化鋁、醫用碳素材料等）。這類材料具有較高的強度，耐磨性能良好，分子中的鍵力較強。（2）生物活性陶瓷（如羥基磷灰石和生物活性玻璃等），這類材料具有能在生理環境中逐步降解和吸收，或與生物機體形成穩定的化學鍵結合的特性，因而具有極為廣闊的發展前景。 4、 生物醫學復合材料（biomedical composites）生物醫學復

6、合材料是由兩種或兩種以上不同材料復合而成的生物醫學材料，主要用于修復或替換人體組織、器官或增進其功能以及人工器官的制造。其中鉆合金和聚乙烯組織的假體常用作關節材料；碳-鈦合成材料是臨床應用良好的人工股骨頭；高分子材料與生物高分子（如酶、抗源、抗體和激素等）結合可以作為生物傳感器。 5、生物醫學衍生材料（biomedical derived materials）生物衍生材料是經過特殊處理的天然生物組織形成的生物醫學材料，經過處理的生物衍生材料是無生物活力的材料，但是由于具有類似天然組織的構型和功能，在人體組織的修復和替換中具有重要作用，主要用作皮膚掩膜、血液透析膜、人工心臟瓣膜等。目前,按材料性

7、質不同,生物材料一般可分為醫用高分子材料、生物陶瓷材料、醫用金屬材料、生物降解材料、生物醫學復合材料等。1.1 醫用高分子材料 醫用高分子材料是生物醫用材料研究領域最活躍的領域之一,特別是20世紀60年代以來發展更快,已經能合成出許多具有優良性能的軟、硬材料及藥物控釋材料應用到各個醫學領域。醫用高分子易于加工成型,原材料易得,理化性質可以在很寬的范圍內被調節和控制,加之生物體的大部分組織和器官實質都是由高分子化合物構成,故一經出現就得到重視和應用。醫用高分子材料要應用于生物體必須同時要滿足生物功能性、生物相容性、化學穩定性、可加工性等嚴格的要求。當前研究主要集中在外科置入件用高分子材料和生物降

8、解及藥物控制釋放材料。1.2 生物陶瓷材料 生物陶瓷又稱生物醫用非金屬材料,從廣義上講包括主要構成成分為無機非金屬材料及其制品。與高分子材料和金屬材料相比,生物陶瓷在人體內極其穩定,壓縮強度高,對生物組織有良好的相容性 與親和性,且耐腐蝕,無毒副作用,幾乎看不到與生物組織的排斥反應,因而受到人們的普遍關注,是近年來研究較多且進展較快的領域。當前的研究主要集中在具有特異性功能的活性材料,良好的力學性能且促進組織生長的功能材料,具有生物體組織結構的復合材料,以磷酸鹽為基體材料的生物活性陶瓷是目前生物陶瓷研究中最活躍的領域。1.3 醫用金屬材料 醫用金屬材料具有高的機械強度和抗疲勞性能,是臨床應用最

9、廣泛的承力植入材料。己經應用于臨床的醫用金屬材料主要是不銹鋼、鈷基合金和鈦基合金等三大類。此外,還有形狀記憶合金、貴金屬以及純金屬鉭、鋯、鈮等。主要用于骨和牙等硬組織的修復和替換,心血管和軟組織修復以及人工器官的制造,如人工髖關節、骨折內固定鋼板以及骨螺釘 等。最先廣泛用于臨床治療的金屬是金(au)、 銀(ag)、鉑(pt)等貴重金屬8,它們具有良好的穩定性和加工性能。之后,銅(cu)、鉛(pb)、鎂(mg)、鐵(fe)和鋼等曾用于臨床試驗,但因耐腐蝕性、生物相容性較差以及力學性能欠佳未受到廣泛應用。隨著冶金技術的進步,不銹鋼逐漸應用于臨床,雖然抗腐蝕性并不十分理想,但其易加工,價格低廉,故在

10、臨床應用中得到了一席之地。目前應用最多的醫用金屬是不銹鋼、鈦及鈦合金以及鈷鉻鉬合金。1.4 生物降解材料 所謂可降解材料是指那些在被植入人體內以后,能夠不斷的發生分解,分解產物能夠被生物體所吸收或排出體外的一類材料,現已成為醫用高分子發展的重要方向之一。臨床中主要用作非永久性植入支架或裝置。植入后,首先代行被替換組織的功能,然后隨著材料的降解吸收被新生組織同步替換,最后達到永久治療的目的,免去了二次手術的痛苦，可提高療效。聚乳酸(pla)是典型的合成可降解聚合物之一,其代謝產物乳酸是體內三羧酸循環的中間代謝物,且吸收和代謝機理己經明確并具有可靠的生物安全性,因此作為第一批可生物降解吸收材料已被

11、美國fda批準用于臨床,是迄今研究最多,應用最廣泛的可降解生物材料。其強度相對較高,模量可達4gpa,故廣泛地應用于制作醫療器械、骨折固定裝置等,并因具有一定的生物活性,也曾應用于骨填充、替換材料。 2、生物醫學材料的應用前景 近年來,世界生物材料市場發展勢頭更為迅猛,其發展態勢可與信息、汽車產業在世界經濟中的地位相比。據1988年美國國家健康統計中心調查,美國己有1100萬人(不包括齒科材料)植入了一件以上的生物醫用材料,全球達3000萬人以上,1995年世界生物醫用材料市場已達2000億美元。中國科學院在2002年高技術發展報告中披露,19901995年,世界生物醫用材料市場以每年大于20

12、%的速度增長。這期間中國的增長雖然也比較快,但由于起點低,市場份額只占世界市場的2%。2000年,全球醫療器械市場己達1650億美元,其中生物醫學材料及制品約占40%至50%。20世紀90年代,醫療器械平均年增長率在11%左右,預計未來幾年發展中國家將會大幅度增長。如除日本外的亞洲地區將從2000年占世界市場份額17%的280億美元,增長至2005年占世界市場份額的25%。生物醫用材料及其制品的市場預計10-15年將達到藥品市場的規模,成為本世紀經濟的支柱性產業。 生物功能性和生物相容性是評價生物醫學材料最終能否應用于人體的兩個最基本的標準。（生物功能性：生物醫學材料應具有良好的物理、化學和機

13、械性能，以行使所替代、器官的生理功能。）根據用途主要分為: *承受或傳遞負載功能。如人造骨骼、關節和牙等，占主導地位 *控制血液或體液流動功能。如人工瓣膜、血管等 *電、光、聲傳導功能。如心臟起博器、人工晶狀體、耳蝸等 *填充功能。如整容手術用填充體等生物相容性：指生物材料有效和長期在生物體內或體表行使其功能的能力。用于表征生物材料在生物體內與有機體相互作用的生物學行為。 根據材料與生物體接觸部位分為： *血液相容性。材料用于心血管系統與血液接觸，主要考察與血液的相互作用 *與心血管外的組織和器官接觸。主要考察與組織的相互作用，也稱一般生物相容性 *力學相容性。考察力學性能與生物體的一致性一般

14、性能要求（1）生物相容性。生物相容性主要包括血液相容性、組織相容性。材料在人體內要求無不良反應，不引起凝血、溶血現象，活體組織不發生炎癥、排拒、致癌等。（2）力學性能。材料要有合適的強度、硬度、韌性、塑性等力學性能以滿足耐磨、耐壓、抗沖擊、抗疲勞、彎曲等醫用要求。（3）耐生物老化性能。材料在活體內要有較好的化學穩定性，能夠長期使用，即在發揮其醫療功能的同時要耐生物腐蝕、耐生物老化。（4）成形加工性能。容易成形和加工，價格適中。醫用碳基生物材料的種類按材料屬性：（1）醫用金屬材料：該類材料主要有較高的機械強度和抗疲勞性，包括不銹鋼、鈷基合金，鈦及合金等，廣泛應用于人工假體、人工關節、醫療器械等；

15、（2）醫用無機材料：該類材料化學性質穩定, 具有良好的生物相容性，主要是生物陶瓷。分為惰性生物陶瓷，如氧化鋁生物陶瓷；表面生物活性陶瓷，如磷酸鈣基生物陶瓷；可降解生物陶瓷，如-磷酸三鈣陶瓷等；（3）醫用高分子材料：根據來源分為天然的和合成的，天然的如多糖類、蛋白類，合成的聚氨酯、聚乙烯、聚乳酸、聚四氟乙烯等，用于人體器官、組織、關節、藥物載體等；（4）醫用復合材料：生物醫學復合材料是由兩種或兩種以上不同材料復合而成的, 主要用于修復或替換人體組織、器官或增進其功能, 也可用作人工器官的制造。一般可以克服單一材料的性能缺點，可獲得性能更優的材料；（5）生物衍生材料：生物醫學衍生材料是由經過特殊處

16、理的天然生物組織衍生而成的。經過處理的生物衍生材料是無生物活性的材料, 但其具有類似天然組織的構型和功能, 在維持人體動態的修復和替換中具有重要作用, 如皮膚掩膜、血液透析膜、人工心臟瓣膜等。 按材料功能：（1）硬組織相容性材料：主要用于生物機體的關節、牙齒及其他骨組織；（2）軟組織相容性材料：主要用于人工皮膚、人工氣管、人工食道等； （3）血液相容性材料：主要用于人工血管、人工心臟、血漿分離膜、血液灌流用吸附劑、細胞培養基材等； （4）生物降解材料：主要用于吸收型縫合線、藥物載體、愈合材料、粘合劑以及組織缺損用修復材料。廣義生物材料的發展：生物材料醫學用途的發展過程： 一般認為，生物材料的發

17、展大致經歷了三代。 一般將第一次世界大戰以前所使用的生物材料為第一代生物醫學材料。代表材料有石膏、金屬、橡膠以及棉花等物品。這一代的材料大都已被現代醫學所淘汰。 第二代生物醫學材料的發展是建立在醫學、材料科學（尤其是高分子材料學）、生物化學、物理學以及大型物理測試技術發展的基礎上的, 研究人員也多由材料學家和醫生來擔任。代表材料有羥基磷灰石、磷酸三鈣、聚羥基乙酸、聚甲基丙烯酸羥乙基醋、膠原、多膚、纖維蛋白等。這類材料與第一代生物醫學材料一樣, 其研究思路仍舊是從改善材料本身的力學性能和生化性能, 使其在生理環境下能夠長期地替代生物組織。 第三代生物醫學材料是一類具有促進人體自身修復和再生作用的

18、生物醫學復合材料。它是在生物體內各種細胞組織、生長因子、生長抑素及生長機制的結構和性能的基礎上建立的叫, 由具有生理“活性”的組元及控制載體的“非活性”組元構成, 有較理想的修復再生效果。它通過材料之間的復合、材料與活細胞的融合、活體組織和人工材料的雜交等手段, 賦予材料特異的靶向修復、治療和促進作用, 從而使病變組織大部分甚至全部由健康的再生組織取代。其中骨形態發生蛋白材料是第三代生物醫學材料中的代表.生物材料實質上是一種特殊的功能材料。是一類與人類生命和健康密切相關的新材料。凡是應用于人體的生物材料都應具有良好的生物性能，這是保證其臨床安全有效應用的重要技術指標。參考文獻 1 何天白,胡漢

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