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生物医用材料的发展与应用

姓 名 学 院 专 业 学 号 指导教师

2015年5月16日

生物医用材料的发展与应用

摘要：随着社会文明进步、经济发展和生活水平日益提高，人类对自身的医疗康复事业格外重视。生物医用材料是近年来发展迅速的新型高科技材料，生物医用材料的应用对挽救生命和提高人民健康水平做出了重大贡献，随着现代医学飞速发展不断获得关注，发展前景广阔。本文主要介绍了近年生物医用材料的发展状况、分类以及在医学上的一些应用。

关键词：生物医用材料；发展；应用

The development and application of biomedical materials

Abstract: With the progress of social civilization， economic development and the improvement of the living level， the cause of human medical rehabilitation for their attention. Biomedical materials is a new high-tech material developed rapidly in recent years， the application of biomedical materials has made great contribution to save lives and improve people's health level， along with the rapid development of modern medicine has gained attention， broad prospects for development. This paper mainly introduces the status and development of biomedical materials， classification and application in medicine.

Keyword: Biomedical materials; Development; Application

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前言：

生物医用材料是用于对生物体进行诊断、治疗、修复或替换其病损组织、器官或增进其功能的新型高技术材料。它是研究人工器官和医疗器械的基础，己成为材料学科的重要分支，尤其是随着生物技术的莲勃发展和重大突破，生物材料己成为各国科学家竞相进行研究和开发的热点。当代生物材料已处于实现重大突破的边缘，不远的将来，科学家有可能借助于生物材料设计和制造整个人体器官，生物医用材料和制品产业将发展成为本世纪世界经济的一个支柱产业。

1 生物医用材料的发展

随着社会文明进步、经济发展和生活水平日益提高，人类对自身的医疗康复事业格外重视。与此同时，社会人口剧增，交通工具大量涌现，生活节奏加快，疾病、自然灾害、交通事故、运动创伤和工伤等的频繁发生等，造成人们意外伤害剧增。因此，发展用于人体组织和器官再生与修复的生物医用材料具有重大社会效益。

早在公元前3500年，埃及人就用棉花纤维、马鬃缝合伤口；墨西哥印第安人用木片修补受伤的颅骨；公元前500年的中国和埃及墓葬中发现假牙、假鼻和假耳；在1936年发明了有机玻璃后，很快用于制作假牙和补牙，至今仍在使用；1949年，美国首先发表了医用高分子的展望性论文，第一次介绍了利用PMMA作为人的头盖骨、关节和股骨，利用聚酰胺纤维作为手术缝合线的临床应用情况；50年代，有机硅聚合物被用于医学领域，加速了器官代替、整容等的发展。由此我们看出这些用于修复人体器官的材料具有久远的发展历史，它们统称为生物医用材料。

1.1第一代生物医用材料——生物相容和生物惰性材料

20世纪60-80年代，在对工业化的材料进行生物相容性研究基础上，开发了第一代生物医用材料及产品使用于临床治疗，例如体内固定用骨钉和骨板、人工关节、人工心脏瓣膜、人工血管、人工晶体和人工肾等。上述生物医用材料，具有一个普遍的共性：生物惰性。即生物医用材料所遵循的原则是尽量将受体对植入器械的异物反应降到最低。20年时间，数以千万的患者植入了这一类生物医用材料，生活水平和健康状况得到不同程度的改善。至今，第一代生物医用材料仍在临床上广泛医用，世界销量500多亿美元。

1.2 第二代生物医用材料——生物活性或可生物降解吸收材料

20世纪80-90年代，生物医用材料领域的重点由惰性向生物活性转变，开发了第二代生物医用材料及相关产品。这种材料能够在生理条件下发生可控的反映，并作

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用于人体。与第一代生物医用材料相比，无毒无副作用，不存在免疫和干扰免疫系统的问题，耐腐蚀强度高，表面带有极性，能与细胞表层的多糖和糖蛋白等通过氢键结合。20世纪80年代中期，生物活性材料、生物陶瓷、玻璃—陶瓷及其复合物等多种生物活性材料广泛应用于整形外科和牙科。

1.3 第三代生物医用材料——生物活性和生物降解性材料

20世纪90年代后期，能在高分子水平上刺激细胞产生特殊应答反映的具有的新一代生物医用材料诞生。作为细胞外基质，它们可在分子水平上激活基因、刺激细胞增殖、诱导其组织分化进而构筑成新的组织和器官。这类生物医用材料将生物活性与降解材料两个独立的概念结合起来，在可降解材料上进行分子修饰，引起细胞整合素的相互作用，诱导细胞增值、分化，以及细胞外基质的合成和组装，从而启动起动集体的再生系统，也属于再生医学的范畴。

2 生物医用材料的分类和应用 2.1 天然生物医用材料

天然生物材料是指从自然界现有的动、植物体中提取的天然活性材料，如从各种甲壳类、昆虫类动物体中提取的甲壳质壳聚糖纤维，从海藻植物中提取的海藻酸盐，从桑蚕体内分泌的蚕丝经再生制得的丝素纤维与丝素膜，以及由牛屈肌腱重新组构而成的骨胶原纤维等。这些纤维都具有很高的生物功能和很好的生物适应性，在保护伤口、加速创面愈合方面具有强大的优势，已引起国内外医务界广泛的关注。

据日本、美国的多项专利介绍，由壳聚糖纤维制得的手术缝合线既能满足手术操作时对强度和柔软性的要求，同时还具有消炎止痛、促进伤口愈合、能被人体吸收的功效，是最为理想的手术缝合线;壳聚糖纤维制造的人造皮肤，通过血清蛋白质对甲壳素微细纤维进行处理，可提高对创面浸出的血清蛋白质的吸附性，有利于创口愈合，在各类人造皮肤中其综合疗效最佳。据研究报道，已用于酶固定化、细胞培养、创面覆盖材料和人工皮肤以及药物缓释材料等医学各领域，尤其各种再生丝素膜在人工皮肤、烧伤感染创面上的应用显示了独特的优势，临床应用价值显著，前景广阔。

2.2 生物医用高分子材料

生物医用高分子材料是一类可对有机体组织进行修复、替代与再生的具有特殊功能的合成高分子材料，可以通过聚合等方法进行制备。

生物医用高分子材料可满足人体组织器官的部分要求，因而在医学上受到广泛重视。目前已有数十种高分子材料适用于人体的植入材料。生物高分子材料与生物软组

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织结构接近， 故主要用作为软组织材料，特别是人工脏器的膜和管材。聚乙烯膜、聚四氟乙烯膜、硅橡胶膜和管，可用于制造人工肺、肾、心脏、喉头、气管、胆管、角膜。聚酷纤维可用于制造血管、腹膜等。生物医用高分子材料有时也用作为硬组织材料，丙烯酸高分子（即骨水泥）、聚碳酸醋、超高分子量聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酷、尼龙、硅橡胶等可用于制造人工骨和人工关节。脂肪族聚醋具有生物降解特性，已用于可接收性手术缝线。

目前研制和开发的医用高分子材料大多数还没有达到十分理想的状态，如使用人工心脏瓣膜的人需要终身使用抗凝血药物。又如人工角膜、人工皮肤等也未完全满足生理要求。总而言之，目前使用的医用高分子材料本身还存在一些问题，与医学上高要求还存在较大差距，材料对人体还不够安全，血液相容性和组织相容性还不够理想，力学性能还不能满足某些应用要求，不能代替人体器官中的大部分功能。今后的研究任务是解决医用高分子材料的上述不足，使材料更接近人体组织，具备人体器官的功能和作用。

2.3生物医用陶瓷材料

生物医用陶瓷主要成分是氧化铝、生物碳、生物玻璃、羟基磷石灰石、磷酸钙陶瓷等，主要用于骨和牙齿、承重关节头等硬组织的修复和替换以及药物释放载体，生物碳还可以用作血液接触材料，如人工心脏瓣膜等。

生物陶瓷材料化学性质稳定，具有良好的生物相容性。生物陶瓷主要包括惰性生物陶瓷和生物活性陶瓷两类。惰性生物陶瓷（如氧化铝、医用碳素材料等）具有较高的强度，耐磨性能良好，分子中的键力较强。生物活性陶瓷（如羟基磷灰石和生物活性玻璃等），这类材料具有能在生理环境中逐步降解和吸收，或与生物机体形成稳定的化学键结合的特性，因而具有极为广阔的发展前景。

根据使用情况，生物陶瓷可分为与生物体相关的植入陶瓷和与生物化学相关的生物工艺学陶瓷。前者植入体内以恢复和增强生物体的机能，是直接与生物体接触使用的生物陶瓷。后者用于固定酶、分离细菌和病毒以及作为生物化学反应的催化剂，是使用时不直接与生物体接触的生物陶瓷。

用作生物医学材料的陶瓷材料，可以是单晶体也可以是多晶体；可以是致密也可以是多孔的；可以是单相也可以是多相的。主要用于人体骨骼-肌肉系统的修复的替换，也用于心血管系统的修复以及药物运送和缓释载体。

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2.4 生物医用金属材料

生物医用金属材料是作为生物医学材料的金属或合金，具有很高的机械强度和抗疲劳特性，是临床应用最广泛的承力植入材料，主要用于承受力的骨、关节和牙等硬组织的修复的替换。不锈钢、钴基合金、钛及钛基合金是生物医学合金的三大支柱。

⑴不锈钢

不锈钢广泛地用来制作各种人工关节和骨折内固定器械，各种规格的截骨连接器、加压钢板、鹅头骨螺钉，多种规格的皮质骨和松质骨加压螺钉、脊椎钉、骨牵引钢丝、人工锥体等。这些置入体可替代生物体的关节、骨折修复等。在齿科，不锈钢广泛用于镶牙、矫形、牙根种植及如齿冠、齿桥、固定支架、卡环等。在心血管系统，不锈钢用于各种植入电极、传感器的外壳和合金导线、人工心脏瓣膜以及血管内扩张支架等。

⑵钴基合金

主要有钴铬钼合金、钴铬钼镍合金、钴镍铬钼钨合金和MP35N钴镍合金及其烤瓷合金；此外，精密铸造含钛的钴基合金在一些国家也有应用。这几种合金中，只有钴铬钼合金可以在铸态下直接使用，其他的都是锻造合金。

钴基合金在人体内，大多数情况下保持钝化状态，只有很少数数量的偶然可见的腐蚀现象。钴铬合金比不锈钢的钝化膜更稳定、内腐蚀性更好。钴铬钼合金的点腐蚀倾向非常小，对应力腐蚀断裂也不敏感。用铸造钴基合金造人工关节，发生疲劳的几率和不锈钢差不多。若用锻造钴基合金，还可以大大降低腐蚀疲劳的几率。

钴基合金适合于制造体内承载荷苛刻的长期植入件。钴基合金作各种关节、接骨板、骨钉、接骨丝等；在心脏外科，用于制造人工心脏瓣膜，心血管支架等；在齿科，使用于制造卡环。基托、义齿等。还可用于脊椎矫形、颅骨修复等。

⑶钛及钛基合金

应用较多的是Ti6Al4V和Ti5Al2.5Sn合金，他们在室温下都是a＋b两相混合组织。可通过固溶处理和时效强化合金。钛合金最显著的特点是密度较小（接近人体硬组织）、弹性模量较低，故与人体组织的弹性模量匹配优越。钛合金植入件还可以进行钝化处理，是表面生成保护性氧化膜，进一步提高抗腐蚀能力。

主要应用于整形外科，尤其是四肢骨和颅骨整复。各种骨节固定器械、各种人工关节。脊椎矫正稳定的U形卡环。在颅脑科，微孔钛网可修复损坏的头盖骨和硬膜；钛合金还可制作颅骨板。在口腔及颌面外科，纯钛网可作骨头托架；钛和钛合金可制

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作义齿、牙床、托环、牙桥和牙冠等。在心血管方面，纯钛可作人工心脏瓣膜和瓣笼。在心脏起博器中，密封的钛盒能有效防止潮气渗入电子元器件。

2.5 生物医用复合材料

生物医用复合材料是由两种或两种以上的不同材料复合而成的生物医用材料，它主要用于人体组织的修复、替换和人工器官的制造。

生物医用复合材料根据应用需求进行设计：基体材料+增强材料或功能材料。常用的基体材料有医用高分子、医用碳素材料、生物玻璃、玻璃陶瓷、磷酸钙基或其他生物陶瓷、医用不锈钢、钴基合金等医用金属材料。常用增强体材料有碳纤维、不锈钢和钛基合金纤维、生物玻璃陶瓷纤维、陶瓷纤维等纤维增强体，另外还有氧化锆、磷酸钙基生物陶瓷、生物玻璃陶瓷等颗粒增强体。

生物医学复合材料，组分材料的选择受到很多限制。首先，自身必须满足生物相容性的要求，而且复合之后不允许出现有损材料生物学性能的性质；其次必须满足可靠性和比强度等要求，并且应当易于加工和价格合理。

含生物活性物质的复合材料在生物医学中引入活体组织、活性细胞、生长因子等生物活性物质，使得无生命的生物医学材料具有了生命活力，从而促进被损坏的组织康复。例如，在胶原/硫酸软骨素多孔膜散布表皮细胞所得到的皮肤掩膜，覆盖于烧伤创面上，不仅促进新皮形成，而且掩膜也能吸收。又如在多孔磷酸钙陶瓷中注入新鲜的脊髓细胞，不仅植入体孔隙中成骨提前，而且成骨均匀，具有应用于大的骨缺损修复的潜力。在多孔磷酸钙陶瓷中混入可诱导骨形成的骨形态发生蛋白，也具有类似于骨髓细胞的作用，现已应用于临床。

人工材料越接近于人体组织，越容易为人体所接受。生物医学复合材料结构和性质的多样性，为研制仿生的生物医学材料展示了广阔的前景。随着对人体自身组成部分认识的深化和生物技术的发展，人类已开始在分子水平上通过蛋白质、组成细胞的物质、细胞外基质和活性细胞等去构建人体组织器官，这将是又一代崭新的生物医学复合材料。

2.6 纳米生物医用材料

生物医用纳米材料是指具有纳米效应的生物医用材料。纳米生物医用材料就是纳米材料与生物医用材料的交叉，将纳米微粒与其他材料相复合制成各种各样的复合材料。随着研究的进一步深入和技术的发展，纳米材料开始与许多学科相互渗透，显示出巨大的潜在应用价值，并且已经在一些领域获得了初步的应用。

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⑴纳米人工红细胞

纳米人工红细胞的原理是用一个可以双向旋转涡轴的选通栅门来控制氧气从小球中释放，通过调节涡轴旋转的速度和方向，使小球内的氧气根据人体需氧的多少以一定的速率释放到外部血液中，同时使供氧装置在富氧的地方具有吸收氧气的功能而在需氧的地方具有释放氧气的功能；同理，它还必须能在适当的地方吸收和释放二氧化碳。初步设计的人工纳米红细胞是一个金刚石的氧气容器，内部有1000个大气压，泵动力来自血清葡萄糖，它输送氧的能力是同等体积天然红细胞的233倍，并具有生物碳活性。它可以应用于贫血的局部治疗、人工呼吸、肺衰竭和体育运动需要的额外耗氧等。

⑵纳米人工眼球

我国四川大学研制的纳米人工眼球通过电脉冲刺激大脑神经，使患者可“看”到外部的精彩世界。纳米眼球的外壳是用纳米材料制成，纳米材料是一种活性复合材料，眼球的外壳里面安置微型摄像机与集成电脑芯片，通过这两个部件将影像信号转化成电脉冲刺激大脑的枕叶神经，从而实现可视功能。

⑶纳米人工鼻

纳米人工鼻实际上是一种气体探测器，与燃气监视器道理相同，可同时监测多种气体。英国伯明翰大学正在研制“纳米鼻”来预报致哮喘病发作的环境因素，一旦空气中含有易引发哮喘病的气体如臭氧、一氧化碳及氮的氧化物时，其显示器就会发出信号。

3 结语

生物医用材料以其先进的科学技术和优良效果有着广泛的用途和发展前景，材料的选择和研制是当今材料研究课题的一个重要方向。无疑当今的生物医用材料的研制具有着重要的科学意义和巨大的社会经济效益。

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