1、精選優質文檔-傾情為你奉上生物醫用復合材料生物醫用復合材料(biomedical composite materials)是由兩種或兩種以上的不同材料復合而成的，它主要用于人體組織的修復、替換和的制造1。長期臨床應用發現，傳統醫用和高分子材料不具，與組織不易牢固結合，在生理環境中或植入體內后受生理環境的影響，導致金屬離子或單體釋放，造成對機體的不良影響。而雖然具有良好的化學穩定性和相容性、高的強度和耐磨、耐蝕性，但材料的抗彎強度低、脆性大，在生理環境中的疲勞與破壞強度不高，在沒有補強措施的條件下，它只能應用于不承受負荷或僅承受純壓應力負荷的情況。因此，單一材料不能很好地滿足臨床應用的要求。利用

2、不同性質的材料復合而成的生物醫用復合材料，不僅兼具組分材料的性質，而且可以得到單組分材料不具備的新性能，為獲得結構和性質類似于人體組織的材料開辟了一條廣闊的途徑，生物醫用復合材料必將成為生物醫用材料研究和發展中最為活躍的領域。 1.生物醫用復合材料組分材料的選擇要求 生物醫用復合材料根據應用需求進行設計，由基體材料與增強材料或組成，復合材料的性質將取決于組分材料的性質、含量和它們之間的界面。常用的基體材料有醫用高分子、醫用碳素材料、磷酸鈣基或其他、醫用不銹鋼、鈷基合金等醫用金屬材料；增強體材料有、和鈦基合金纖維、生物玻璃陶瓷纖維、等纖維增強體，另外還有、基生物陶瓷、生物玻璃陶瓷等顆粒增強體。

3、植入體內的材料在人體復雜的生理環境中，長期受物理、化學、生物電等因素的影響，同時各組織以及器官間普遍存在著許多動態的相互作用，因此，生物醫用組分材料必須滿足下面幾項要求：(1)具有良好的和物理相容性，保證材料復合后不出現有損生物學性能的現象；(2)具有良好的生物穩定性，材料的結構不因體液作用而有變化，同時材料組成不引起生物體的；(3)具有足夠的強度和韌性，能夠承受人體的機械作用力，所用材料與組織的彈性模量、硬度、耐磨性能相適應，增強體材料還必須具有高的剛度、彈性模量和抗沖擊性能；(4)具有良好的滅菌性能，保證生物材料在臨床上的順利應用。此外，生物材料要有良好的成型、加工性能，不因成型加工困難而

4、使其應用受到限制。 2.生物醫用復合材料的研究現狀與應用 陶瓷基生物醫用復合材料 是以陶瓷、玻璃或玻璃陶瓷基體，通過不同方式引入顆粒、晶片、晶須或等形狀的增強體材料而獲得的一類復合材料。目前生物陶瓷基復合材料雖沒有多少品種達到臨床應用階段，但它已成為生物陶瓷研究中最為活躍的領域，其研究主要集中于生物材料的活性和骨結合性能研究以及材料增強研究等。 Al2O3、ZrO3等自70年代初就開始了臨床應用研究，但它與生物硬組織的結合為一種機械的鎖合。以高強度氧化物陶瓷為基材，摻入少量生物活性材料，可使材料在保持氧化物陶瓷優良力學性能的基礎上賦予其一定的生物活性和骨結合能力。將具有不同膨脹系數的生物玻璃用

5、高溫熔燒或噴涂的方法，在致密Al2O3陶瓷髖關節植入物表面進行涂層，試樣經高溫處理，大量的Al2O3進入玻璃層中，有效地增強了生物玻璃與Al2O3陶瓷的界面結合，復合材料在緩沖溶液中反應數十分鐘即可有羥基磷灰石的形成。為滿足外科手術對生物學性能和力學性能的要求，人們又開始了以及生物活性陶瓷與生物玻璃的復合研究，以使材料在氣孔率、比表面積、生物活性和機械強度等方面的綜合性能得以改善。近年來，對(HA)和(TCP)復合材料的研究也日益增多。30% HA與70%TCP在1150燒結，其平均抗彎強度達155MPa，優于純HA和TCP陶瓷，研究發現HA-TCP致密復合材料的斷裂主要為穿晶斷裂，其沿晶斷裂

6、的程度也大于純單相陶瓷材料。HA-TCP多孔復合材料植入動物體內，其性能起初類似于-TCP，而后具有HA的特性，通過調整HA與TCP的比例，達到滿足不同臨床需求的目的。45SF1/4玻璃粉末與HA制備而成的復合材料，植入兔骨中8取出，骨質與復合材料之間的剪切破壞強度達27MPa，比純HA陶瓷有明顯的提高。 生物醫用陶瓷材料 生物醫用陶瓷材料由于其結構本身的特點，其力學可靠性(尤其在濕生理環境中)較差，生物陶瓷的活性研究及其與骨組織的結合性能研究，并未能解決材料固有的脆性特征。因此生物陶瓷的增強研究成為另一個研究重點，其增強方式主要有顆粒增強、晶須或纖維增強以及相變增韌和層狀復合增強等3，57。

7、當HA粉末中添加10%50%的ZrO2粉末時，材料經13501400熱壓燒結，其強度和韌性隨燒結溫度的提高而增加，添加50%TZ-2Y的復合材料，抗折強度達400MPa、斷裂韌性為2.83.0MPam1/2。ZrO2增韌-TCP復合材料，其彎曲強度和斷裂韌性也隨ZrO2含量的增加而得到增強。納米SiC增強HA復合材料比純HA陶瓷的抗彎強度提高1.6倍、斷裂韌性提高2倍、抗壓強度提高1.4倍，與生物硬組織的性能相當。晶須和纖維為陶瓷基復合材料的一種有效增韌補強材料，目前用于補強醫用復合材料的主要有：SiC、Si3N4、Al2O3、ZrO2、HA纖維或晶須以及C纖維等，SiC晶須增強生物活性玻璃陶

8、瓷材料，復合材料的抗彎強度可達460MPa、斷裂韌性達4.3MPam1/2，其韋布爾系數高。生物醫學材料中的應用人工皮膚、人工食道、人工心肺氣管、燒傷保護膜、手術縫合線、填充物、注射針筒、血袋、引流插管及植入體(implant)、人工臟器止血劑（如止血綿）、微膠囊、皮下注射劑、避孕海綿等，其在國外發達國家中已進入運用普及階段。1、膠原基生物材料的應用(1)心臟瓣膜目前已發展的有2類:一類是機械瓣膜,一類是生物瓣膜。用膠原基材料制作成的生物瓣膜的缺點是植入人體后會產生鈣化,一般在前10a使用期內性能良好。現在,材料科學家正竭力合成新的醫用瓣膜材料,目的是大幅度延長材料的使用壽命,減少二次手術,減

9、輕患者痛苦。(2)血管修復由于心血管疾病日益增加,對替換血管裝置的要求越來越多。應用生物組織基心血管裝置的主要優勢,是直徑小于5mm的心血管置換器。與合成材料相比,生物材料的多樣性為改善置換器的性能提供了有利條件,并且膠原基裝置還具有感染性低、宿主組織能向裝置中滲入生長,而不需要高密度孔結構,以及可與天然血管在物理性質上較好的匹配等優點。(3)可溶性膠原可溶性膠原在適當的緩沖液中,加熱至體溫時,便可在組織中原位形成纖維,或在進入組織之前形成纖維。其對軟組織的擴增、恢復,特別是對矯正各種皮膚斷面缺陷非常有用,還可用于食管包括肌聲帶的修復、牙周方面的治療。(4)創傷、燒傷修復材料膠原敷料有多種形式

10、,如膜扁、海綿狀及粒狀等,能重新溶解,并吸收創傷滲出液,可與宿主細胞外基質相互作用,以促進細胞在新結締組織上的粘附、移動、生長和沉積;能誘導分化及成纖維細胞的趨化性,延遲傷口收縮,加速創傷修復。(5)膠原止血劑膠原與血小板作用后,引起后繼的與血液聚集相關聯的一系列過程的進行,從而可迅速凝血。作為止血劑使用的膠原,可以是粉狀、扁狀及海綿狀等多種物理形態。與膠原類止血材料相競爭的有纖維素、明膠和纖維衍生物,后者優勢是價格較低,但是膠原的止血效果更好。(6)明膠膠原經溫和水解而產生肽鍵的不可逆斷裂后,所得的主要產物是明膠。最近的研究表明:明膠特別是水解明膠,對多種皮膚病均有治療作用,其用于手足皸裂、

11、皮膚搔癢、魚鱗病等皮膚病,效果非常顯著。在治療中水解明膠無刺激性和副作用,它能滋潤皮膚、修補和促進傷口愈合。此外,它在內科病學中也有用武之地,對慢性胃炎、十二指腸潰瘍、胃潰瘍有更佳的治療效果。(7)人工皮膚眾所周知,第一個面市的組織工程材料的商品是人工皮膚,也是到目前為止在臨床應用方面最為成功的組織工程材料。國內在這方面有較多的研究,其一般方法是:先從某種含有膠原的原料中提取膠原,經過酶消化、純化,制成膠原的分散液,再向其中加入其它物質(一般是殼聚糖或高分子物質等),均勻混合制成膠原膜。必要時,還可以用甲醛進行交聯。Yan2nas等人報道了在氣相醛介質中,膠原與糖胺聚糖交聯,制備分子量Mc為8

12、0060000的膠原糖胺聚糖材料的方法。由這種材料制造的人造皮膚,比其它方法制備的同類材料的長期貯存更穩定。(8)固定化酶載體和膠囊膠原蛋白分子肽鏈上具有多種反應基團,如羥基、羧基和氨基等,易于吸收和結合多種酶和細胞,實現固定化,它具有與酶和細胞親合性好、適應性強的特點。另外膠原是一種成膜性好的物質,并具有生物相容性,在體內可被逐步吸收,因此,膠原蛋白固定化酶特別適合于人工應用材料。膠原在醫藥工業中的另一重要用途是基于膠原微囊包封的藥物輸送系統。微囊包封就是把細小顆粒獨立包裹上保護性的涂層。涂層起到分離、貯存和運輸的作用,以便被包裹物在預定的條件下釋放出來,從而起到控制或緩釋的效果。釋放的條件

13、取決于濕度、pH、化學結合作用,釋放的機理與保護層的構造有關,如膜的過濾性、腐蝕、破裂等。微膠囊的直徑一般在3800m之間,核的重量占10%90%。被包裹的核材料種類很多,包括粘合劑、農藥、活細胞、香水、藥劑和墨水等。膠囊外殼材料多數為有機聚合物,也有的采用脂類和蠟。現在,以明膠改性聚合物制造控制藥物釋放的微球和微膠囊正越來越常見。(9)膠原膜膠原不僅可以保護和促進角膜上皮細胞的生長,而且還可作為“藥膜”,使在結膜囊內的藥物逐漸釋放入眼內,從而在短時間內在眼內達到較高濃度,并維持較長時間,還可減少藥物的毒性,具有廣闊的發展前景盡管膠原以其優良的性質得到重視,但其不可避免的弱點也限制了它的應用。

14、如膠原具有天然材料共有的弱點:物理機械性能差,其生物降解性在某些應用上也是一個弱點。而合成材料盡管其力學性能良好并且性能穩定,但生物相容性普遍較差。因此產生了“復合材料”的概念,即制備膠原-高分子復合材料,使其同時具有2種材料的共同優點,取長補短,從而向實現發展“理想”的生物材料的目標邁進了一步,并將為醫用生物材料的變革性發展提供廣闊的前景生物醫學材料是指一類具有特殊性能、特種功能，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。現在各種合成材料和天然高分子材料、金屬和合金材料、陶瓷和碳素材料以及各種復合材料，其制成品都已經被廣泛應用于臨床和科研。一、生物

15、醫學材料的分類 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發和組織細胞的反應；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 醫用金屬材料（biomedical Metallic Materials）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，主要有鈷合金（Co-Cr-Ni）、鈦合金（Ti-6Al-4V）和

16、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 生物醫學高分子材料（Biomedical Polymer）有天然的和合成的兩種，發展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。其中軟性材料常用作人體軟組織如血管、食道和指關節等的代用品；合成的硬材料可以用作人工硬腦膜、籠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 生物陶瓷（Biomedical Ceramics）化學性質穩定，具有良好的生物

17、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 生物醫學復合材料（Biomedical Composites）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。其中鈦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

18、（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 生物醫學衍生材料（Biomedical Derived Materials）是經過特殊處理的天然生物組織形成的生物醫學材料，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。二、全球生物醫學材料市場主要產品 目前大量用于醫療器械（植入器械、體外循環系統等）的生物醫學材料主要有20種，其中醫用高分子12種，金屬4種，陶瓷2種，其它2種。利用現有的生物醫學材料，已開發應用的醫用植入體、人工器官等近300種，主要包括:心臟和心血管系統（

19、起搏器、心臟瓣膜、人造血管、導管和分流管等）；矯形外科（人工關節、骨板、骨螺釘等內固定器械、骨缺損填充或修復體、脊柱和脊柱融合器械、功能化模擬神經肌肉和人工關節軟骨等）；整形外科（顱、頜面、耳、鼻等修復體和人工乳房等）；軟組織修復（人工尿道、人工膀胱和腸、體內、外分流管、人工氣管、縫線和組織粘合修補材料等）；牙科（牙種植體、牙槽骨替換、增高和充填劑等）；感覺神經系統（人工晶體、接觸鏡、神經導管、中耳修復體、經皮導線、重建聽力和視力修復體等），及藥物和生物活性物質控釋載體等。生物材料醫學應用與機體免疫效應概況射線束技術在功能材料改性中的應用射線束技術在功能材料的改性方面具有巨大的潛力。與傳統方法

20、相比，射線束技術具有易于控制、效率高、有利環保等優點，適用于高附加值產品的制備。本實驗室的工作主要有：強流離子注入貴金屬或過渡族金屬離子制備可見光靈敏高效納米二氧化鈦光催化薄膜，高能電子束輻照沉積貴金屬制備紫外與可見光靈敏高效納米二氧化鈦光催化薄膜，強流離子注入和高能電子束輻照沉積制備高效抗菌材料和生物醫學材料等。強流離子注入制備可見光靈敏高效納米二氧化鈦光催化薄膜 表1 過渡族金屬離子注入(450退火)對TiO2薄膜性能的影響 注入的金屬離子V+Cr+Fe+未注入注入劑量 cm-26×10166×10166×10160光學帶隙 eV3.053.083.113.4

21、5可見光催化效率提高倍數4.84.25.51.0電子束輻照沉積貴金屬TiO2及光催化效率研究 表2 電子束輻照沉積貴金屬對TiO2薄膜性能的影響 沉積的貴金屬AgPdPtAu未沉積紫外光催化效率提高倍數2.272.262.431.771.0可見光催化效率提高倍數2.943.44.071.351.0密度泛函理論(DFT)分析金屬摻雜銳鈦礦二氧化鈦晶體電子結構 小結：本課題研究的目的是利用射線束技術提高TiO2在可見光作用下的光催化效率。上面簡單介紹了利用射線束技術在銳鈦礦二氧化鈦中摻雜不同的金屬元素，獲得高效、寬光譜的光催化薄膜的實驗和理論計算結果。利用強流離子注入技術，在TiO2薄膜中注入V、Cr和Fe三種過渡金屬元素，使可催