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嘉峪检测网 2024-02-18 09:43
·生物医用材料·
生物医用材料定义 Biomedical Materials ，用于与生命系统接触和发生相互作用的，并能对其细胞、组织和器官进行诊断治疗、替换修复或诱导再生的一类天然或人工合成的特殊功能材料，又称生物材料(Biomaterials)。
发展历程：现代意义上的生物医用材料起源于20世纪40年代中期，与传统材料学相比，生物医用材料学是一个崭新的学科。医用材料本身却有着悠久的历史；
第一代生物材料：
20世纪60年代开始，人们首先根据生物相容性对传统工业化材料进行研究筛选，开发了第一代生物医用材料，并将其应用于临床，以骨钉、骨板、人工关节、人工血管和人工晶状体等为代表。
第一代生物材料共性：生物惰性，即在生物体内能保持稳定，几乎不发生化学和降解反应。通常是在植入体表面形成一层包被性纤维膜，与组织间的结合主要是靠组织张入其粗糙不平的表面或孔中，从而形成一种物理嵌合。
在植入人体后，生物惰性材料不与组织相结合，既不能被吞噬系统所吞噬，也无法作为异物被排出体外，而是被体内分泌的纤维结缔组织膜所包覆与正常组织隔离开。这类材料往往分子键力较强，具有较高的化学稳定性，机械强度和耐磨损性能。
部分氧化物陶瓷、医用碳素材料以及大多数医用金属和高分子材料都是生物惰性材料。第一代生物材料制备的各种医疗器械至今仍在临床大量使用。
第二代生物材料：
20世纪80年代中期，生物活性玻璃、生物陶瓷、可吸收缝合线等多种生物活性材料开始应用于整形外科和牙科。
第二代生物材料共性：生物活性，即材料本身无毒，又具有高度的生物相容性，且在体内可与组织发生化学反应。
另一特点在于，材料在体内具有可控的降解性，即随着机体组织的逐渐生长，植入的材料不断被降解，并最终完全被新生组织替代，在植入部位和宿主组织间不再有明显的界面区分。
活性材料的显著特点是，在植入体内后，材料表面能与周围组织形成牢固的化学键合作用，其中可降解材料能够通过体液溶解、细胞吞噬吸收，或者被代谢系统排出体外，使得缺损部位最终完全被新生的组织所取代。
第三代生物材料：
将生物活性材料和可降解材料这两个独立的概念结合起来，在可降解材料上进行分子修饰，与细胞整合素结合，诱导细胞增殖、分化，以及细胞外基质的合成与组装，从而启动机体的再生系统，属于再生医学范畴。
第三代生物材料以组织工程支架材料、原位组织再生材料、可降解复合细胞和（或）生长因子材料等为代表。
··生物材料的基本要求··
1-生物相容性：
材料在特定的应用范围内（如机体的特定部位）表现出的恰当的宿主反应。“适当的宿主反应”指的是生物材料在与组织和体液接触时表现出良好或和谐的行为。
根据医疗器械是否与血液或组织接触，生物相容性又可分为：
血液相容性：血液（血浆蛋白、血细胞、血管内皮细胞）对外源性物质或材料产生合乎要求的反应；
组织相容性：材料与生物活体组织及体液接触后，不引起细胞、组织的功能下降，组织不发生炎症、癌变以及排异反应等。
2-毒理学测试（低毒）
体外实验——In Vitro基于拉丁语，意思是在玻璃上。用于评估生物材料在试管或受控人工环境中的生物功能性和生物相容性，即：生物体外的受控环境。
体内实验——In Vivo基于拉丁语，意思是活着的。生物材料的生物功能和生物相容性实验将在整个生物体的活组织中完成
3-生物材料的功能高度依赖于材料的某些特殊性能
举例：聚（α-羟基酸）可以被用作可控药物递送载体，原因是：
1.可以负载足量的药物
2.药物在基体中均匀分布
3.药物和基体之间具有足够的结合能力
4.药物释放可控
5.在机体温度下可以长时间保持药物的完整结构和活性
4-为了达到生物材料所需的功能和性能，需要考虑材料的各种性质—化学，物理和机械性能，降解性，稳定性，可加工性、可灭菌性等。
···生物材料的分类方法···
按照在生理环境中的生化反应分类:
惰性生物材料；活性生物材料；可降解和吸收生物材料；
按照生物医用材料用途分类：
硬组织生物材料；软组织生物材料；心血管系统生物材料；口腔生物材料；药物释放材料；诊断材料...
按照材料组成分类:
生物医用金属材料；生物医用无机非金属材料；生物医用高分子材料；生物医用复合材料；生物衍生材料（生物再生材料）
金属类生物医用材料：
生物医用金属材料又称外科植入金属材料、医用金属材料，指植入人体内，起到治疗、修复、替代或增进人体组织或器官作用的金属材料。
1.医用不锈钢
302、304， 316，316L，317L；医用奥氏体不锈钢，以超低碳316L和317L不锈钢为代表，在医疗领域得到广泛应用。
医用不锈钢在骨骼系统的置换和修复方面应用最多。不锈钢被广泛用来制作各种人工关节和骨折内固定器械;齿科镶牙、齿科矫形、牙根种植，以及辅助器件;心血管支架;高强度的医用马氏体不锈钢用于加工各种各样的手术医疗器械或工具。
2. 医用钛和钛合金
按相组织结构分类：纯钛（α）, Ti-6Al-4V和Ti-5Al-2.5Fe(α+β型), β型（正在开发）生物相容性更好、弹性模量更低，包括Ti-15Nb、Ti-13Nb-13Zr等。
特点是密度较小、弹性模量较低，因此与人体组织的力学性能匹配度较高，密度也接近人体硬组织。
应用于各种髓、膝、肘、肩、指、踝等人造关节。在创伤骨科，用于制作各种骨折固定器械，如接骨板、骨螺钉、骨髓腔内小棒及骨固定针等。在口腔正畸，口腔种植等领域，可制作义齿，牙床、托环，牙桥和牙冠等;在颅脑外科，微孔钛网可修复损坏的头盖骨;心血管方面，纯钛可用来制造人工心脏瓣膜和瓣笼。
3. 形状记忆合金
形状记忆合金是一种特殊的功能材料，这种金属材料在低温马氏体相发生塑性变形后，经过相变温度范围加热时，马氏体晶体结构发生弹性改变，恢复到初始形状.
镍钛合金形状记忆合金，具有独特而优异的功能性，比如超弹性、形状记忆、 和阻尼性能，同时还具有优异的生物相容性、耐蚀性、耐磨性和力学性能。
应用：在血管科，可用于人工心脏用人工肌肉和血管扩张支架、血管成型架、脑动脉瘤夹、血管栓塞器等。
陶瓷生物医用材料：
包括包括陶瓷、玻璃、碳素等无机非金属材料。此类材料化学性能稳定，具有良好的生物相容性；
1 生物惰性医用无机非金属材料
以氧化铝和氧化锆为主体的生物惰性陶瓷，已被作为一类重要的替代型硬组织修复材料，广泛应用于临床。
A.氧化铝生物陶瓷
氧化铝陶瓷以刚玉为主晶相，合成方法主要包括提拉法，导模法，焰熔法，气相化学沉积生长等。根据制造方式的不同，主要分为单晶氧化铝，多晶氧化铝，和多孔氧化铝三种产物。
特点：氧化铝陶瓷烧结制晶的抗弯强度约为250-450MPa，热压产品强度则可达500MPa以上，由于该相以离子键为主，键力较强，使得氧化铝陶瓷，具有很高 的熔点（>2000℃）和耐化学腐蚀性。与不锈钢，钛及钛合金等常见的金属医用材料相比，氧化铝陶瓷的密度小，体内环境时能够形成很薄的水合层，进而形成生物性相容性良好的保护膜，能够满足无反应植入和长期使用的要求。
应用：在1970年，法国整形外科医生Boutin首次将氧化铝多晶制成了人工关节头和关节窝，用于临床治疗，此后，随着各种氧化铝医用制品的问世，氧化铝陶瓷被应用于人工骨，牙根，关节，螺栓等方向。
B.氧化锆生物陶瓷
特点：与氧化铝相比，氧化锆陶瓷的硬度和耐磨性略差，但它具有更高的断裂韧性和更低的弹性模量，抗弯强度最高可超过2000 MPa，断裂韧性高达15-30 MPa
应用：由于其机械强度优于氧化铝，且具有很好的光导性，通过研磨可以制得合适的陶瓷基桩，其颜色与牙齿相匹配，已在牙科领域得到了广泛的应用。
2. 磷酸盐类生物活性材料
以羟基磷灰石，磷酸三钙等为代表的磷酸盐类材料，由于与人体骨组成的相似性，被广泛研究应用。
A 羟基磷灰石
羟基磷灰石（Ca10(PO4)6(OH)2）是自然骨骼和牙齿的主要矿物组成，钙/磷摩尔比为1.67，晶体为六方晶系，结构为六角柱体，单位晶胞中含有10个Ca2+、6个PO43-和2个OH-，这些离子之间通过配位形成的网络结构，具有良好的稳定性。主要用于牙槽骨缺损，脑外科手术的修补填充、制造耳听骨链、整形手术、治疗骨结核等。
优点：有良好的生物相容性，安全无毒；具有优良的生物活性，能够引导新骨的生长。
不足：力学强度较差，特别是断裂韧性较低；机械可加工性差；材料的降解性差，磷酸盐类生物陶瓷材料中降解最慢
B 磷酸三钙
磷酸三钙（Ca3(PO4)2）,钙/磷原子摩尔比是1.5，有α-TCP和β-TCP两种晶相。目前作为生物活性陶瓷广泛应用的是β-TCP ，属于三方晶系。常规的制备方法主要有固相反应法，液相反应法，醇化合物法，前驱体法等。
特点：β-TCP的生物相容性良好，植入体内后能够与骨直接结合，且不会引起局部的炎症反应，或是全身毒副作用，安全可靠，可以作为人体硬组织缺损修复和替代材料。材料钙磷比对其在体内溶解性和吸收有重要影响。磷酸三钙在体内的溶解度为羟基磷灰石的10~20倍，具体的降解速度可以通过调节磷酸三钙的孔隙率，晶粒尺寸，结晶度，掺杂元素等方式进行优化。
C 磷酸盐类骨水泥
特点：自固化骨修复材料，具有低温固化和可塑形性的特点。它能在体内形成蜂窝状结构，使组织长入，与骨形成牢固的生物性键合，可作为非承重的修复体使用。
优点：生物相容性好；具有一定强度；操作简便，可注射，可任意成形；固化过程放热小。
不足：只能用于非承重骨缺损的修复；体内降解速率过慢
3. 生物活性玻璃
A. 45S5生物活性玻璃
主要成份（摩尔百分比）：46.1%二氧化硅，24.4氧化钠、26.9%氧化钙和2.6%五氧化二磷。
特点和应用：植入体内后，能够与人体骨之间形成强烈的化学键合，且不会引起排异、炎症、组织坏死等反应；界面结合能力达到12 MPa；生物活性玻璃的成骨速度较快，一般一个月后骨矿物代谢就能进入高峰期。常用于修复耳小骨、制备骨组织工程支架等。
B溶胶-凝胶法生物活性玻璃
优点：与熔融法相比，操作工艺简单，对设备要求低；化学组成更为丰富
结构多孔、低密度、高比表面；生物活性高
应用：溶胶凝胶法制备的生物活性玻璃中，氧化硅的含量可高达90%，钠、镁、锌、铝、硼、氟等元素都可以被添加到玻璃中，能诱导矿物的沉积，活化骨细胞的基因表达，加快骨细胞的增殖。已被用于牙齿、颌面骨、椎间盘等的临床治疗。
C 介孔生物活性玻璃
介孔，是介于微孔和大孔之间，尺寸大小在2~50纳米之间的孔。
应用：可应用于吸附装载生物大分子和各种药物，用于递送抗生素类的药物以应对植入部位可能的炎症感染等不良反应；
可用于负载促进骨骼、血管新生的生长因子增强材料的生物学性能；
进一步借助聚合物模板、3D打印等方法，可以得到用于骨组织工程的多功能支架。
····高分子生物医用材料····
1.不可降解合成高分子医用材料
在生理环境中能长期保持稳定，不易发生降解、交联或物理磨损的高分子材料，具有良好的物理机械性能，是最早应用于医学领域的高分子材料。
A聚乙烯（polyethylene, PE），最早应用于医学领域的高分子材料之一，其中超高分子量聚乙烯具有极长的分子链，分子量通常大于150万，具有较高的抗冲击强度，在医学上常用于髋关节和膝关节的置换材料以及牙科填料。
B 聚丙烯（polypropylene, PP），一些性能与聚乙烯相似，其密度较低，耐热性和耐疲劳性较好，化学稳定性稍差。在医学上，聚丙烯常用于制造丙纶手术缝合线、外科手术用修补网、一次性输液袋和注射器等。
C聚氯乙烯（polyvinyl chloride, PVC），具有很好的阻燃性、高抗冲击强度、耐酸碱腐蚀、耐溶剂性，价格低等优点。PVC主要应用于透析导管、塑料输液瓶、输液器、呼吸面罩、吸氧管等。
D 聚乙烯醇（polyvinyl alcohol, PVA），医药级聚乙烯醇，不同于化工级别聚乙烯醇，它是一种极安全的高分子有机物，对人体无毒，无副作用，具有良好的生物相容性。在医疗中其水性凝胶在眼科、伤口敷料和人工关节方面的有广泛应用，同时聚乙烯醇薄膜在药用膜，人工肾膜等方面也有使用。
E 聚甲基丙烯酸甲酯（poly(methyl methacrylate), PMMA），PMMA微球由于具有优异的生物相容性，可用于药物载体、骨修复、整形材料等生物医用材料领域。
F 脂肪族聚醚是一类含有醚键的重要聚合物，其中最具代表性的是聚环氧乙烷（PEO）、聚环氧丙烷（PPO）、以及它们的共聚物（PEO-PPO）
PEO是一种典型的水溶性高分子。它具有优异的生物相容性、无免疫原性、无抗原性、无毒性、并能抵抗蛋白质的非特异性吸附，常被用于各类药物载体和抗吸附涂层等。其在生物医药领域有着重要的应用，如温敏材料、药物载体、微创生物医学中的可注射材料。其中，Pluronic系列共聚物更是被FDA批准可用作药物辅料。
G 硅橡胶材料，是最早应用的医用高分子材料之一。它具有无味无毒，不怕高温和抵御严寒的特点，在三百摄氏度和零下九十摄氏度时“泰然自若”、“面不改色”，仍不失原有的强度和弹性。硅橡胶还有良好的电绝缘性、耐氧抗老化性、耐光抗老化性以及防霉性、化学稳定性等。
硅橡胶的四种结构（M，D，T，Q）
应用：硅橡胶在现代医学中广泛发挥了重要作用。硅橡胶防噪音耳塞，硅橡胶人造血管，硅橡胶鼓膜修补片，此外还有硅橡胶人造气管、人造肺、人造骨、硅橡胶十二指肠管等，功效都十分理想。
H 聚氨酯（Polyurethanes，PU），全称为聚氨基甲酸酯 ，是主链上含有重复氨基甲酸酯基团的大分子化合物的统称。医用聚氨酯材料具有优良的生物相容性、可黏合性和抗血栓性，同时还具有优良的力学性能，在医用生物材料中扮演了十分重要的角色。聚氨酯材料在人工心脏、肾脏、 人造皮肤、绷带、辅料、 药物控释、 介入治疗导管等方面有着广泛的应用。
2. 可降解合成高分子医用材料
在生物环境中能自发降解并且降解产物无毒的合成高分子材料。可降解高分子材料的一般要求：（包括天然高分子材料）
1）材料进入机体后，不会引起免疫反应和毒性反应；
2）材料的降解时间需要与材料在体内发挥作用的时间相匹配，最终代谢出体外
3）材料的降解产物也需无毒、无免疫原性；
4）材料可加工性能良好。
A.聚乳酸（Polytrimethylene carbonate, PLA），对人体有高度安全性并可被组织吸收，加之其优良的物理机械性能，可应用在生物医药领域。如一次性输液工具、免拆型手术缝合线、药物缓解包装剂、人造骨折内固定材料、组织修复材料、人造皮肤
B聚己内酯（Polycaprolactone，PCL），具有良好的生物降解性、生物相容性和生物吸收性。因此，PCL常被作为手术缝合线、骨科内固定器件、伤口敷料、微纳米药物递送系统、避孕药具和牙科材料。
C 聚乳酸-羟基乙酸共聚物（poly（lactic-co-glycolic acid)，PLGA），由两种单体—乳酸和羟基乙酸随机聚合而成，是一种可降解的功能高分子有机化合物。PLGA有良好的生物相容性和生物降解性能且降解速度可控，在生物医学工程领域有广泛的用途。目前已被制作为完全可降解塑料手术缝合线，人工导管，药物缓释载体，组织工程支架材料等。
D 聚氨基酸（Polyamino acid）,是一类由氨基酸单体构成的医用高分子，单体之间一般是由α-氨基和羧基缩合的肽键连接。聚氨基酸具有与天然蛋白/多肽类似的二级结构，其降解产物是氨基酸单体，生物相容性良好。聚氨基酸由于其侧基可功能化的特点，目前常被用作药物和基因传输的载体。
E 聚乙醇酸（Polyglycolic acid，PGA）, 是一种具有良好生物降解性和生物相容性的合成高分子材料，体内逐渐降解为无害的水和二氧化碳。聚乙醇酸的生物医学应用主要表现在医用缝合线、药物控释载体、骨折固定材料、组织工程支架等。
F 聚磷腈（polyphosphazenes）主链由磷和氮原子交替组成，属有机金属聚合物。通常是采用六氯环三磷腈开环聚合形成一个活泼的中间体聚二氯磷腈，然后与含胺基、烷氧基、羟基的化合物进行置换反应，得到稳定的高分子量聚合物。从材料的最终用途来分，聚磷腈主要包括药物控制释放载体和组织工程材料。
3. 天然高分子医用材料
分类：
A天然多糖高分子(壳聚糖/甲壳素，纤维素，淀粉，海藻酸，透明质酸等，掌握结构、结构特点、生物学性能和医用材料用途)
1) 纤维素及其衍生物 纤维素分子本身是水溶性的，但由于存在很强的分子间氢键，纤维素很难溶于水和有机溶剂，限制了其在生物医学上的应用。但纤维素有丰富的活性羟基，化学修饰可以得到多种衍生物， 如羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、羧甲基纤维素等，都能很好地溶于水或有机溶剂。
羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、羧甲基纤维素这三种改性纤维素具有良好的生物相容性，常用于制作药片的包衣、医用水凝胶、药物控释载体等。
氧化纤维素一般指纤维素C6位伯羟基选择性氧化位羧基的产物，这种选择性氧化产物可以被活体组织慢慢吸收，主要用于可吸收的止血材料。
2) 淀粉及其衍生物 目前常见的淀粉衍生物有羧甲基淀粉、羟乙基淀粉等，水中溶解性大大改善。利用其突出的降解性，目前淀粉及其衍生物常用于制备药物辅料、药物递送载体，或与其他生物可降解高分子共混制备组织工程支架、凝胶、薄膜等。
3) 甲壳素和壳聚糖 甲壳素：又名甲壳质、几丁质等，广泛存在于甲壳类及昆虫类等无脊椎动物的外壳，是一种结构与纤维素类似的多糖，由N-乙酰氨基葡萄糖以β-(1,4)糖苷键缩合而成。甲壳素是地球上含量最大的含氮有机化合物，是最重要的生物资源之一。
壳聚糖：又名壳多糖、脱乙酰几丁质，由β-(1，4)糖苷键缩合而成，是甲壳素脱N-乙酰氨基的产物，同样带有正电荷。一般来说， N-乙酰氨基脱去55%以上的甲壳素就可以成为壳聚糖（商用壳聚糖的脱乙酰度为50%-90%）。
甲壳素、壳聚糖及其衍生物在医用材料中的应用目前集中于外科缝合线、伤口敷料等方面。甲壳素/壳聚糖基敷料具有生物相容性好、止血抗菌、可在体内自行降解、促进伤口愈合等特点。此外，甲壳素、壳聚糖还应用于皮肤、肝脏、角膜等组织的工程支架。
来源：Internet
