生物医用材料导论教案.doc

第1章 绪论 1.1 概述 生物医用材料是与生物系统相互作用且在医学领域得以应用的材料，其中生物系统包括细胞、组织、器官等，医学领域的应用则包括对疾病的诊断、治疗、修复或替换生物体组织或器官，增进或恢复其功能等。生物医用材料本身不是药物，其作用不必通过药理学、免疫学或代谢手段实现，其治疗途径是与生物机体直接结合并产生相互作用，但有时为了促进生物医用材料更好地发挥其功能，也会将其与药物结合。 人类利用生物医用材料的历史十分悠久。在公元前约3500年，古埃及人就利用棉花纤维、马鬃做缝合线缝合伤口，用柳树枝和象牙来修补受损的牙齿，墨西哥的印第安人则使用木片修补受伤的颅骨。在中国和埃及的墓葬中就发现了公元前2500年的假牙、假鼻、假耳。公元600年，玛雅人用海贝壳制作具有珠光的牙齿，在外观上甚至已经达到了如今所要求的骨整合水平。尽管当时人们极度缺乏材料学、生物学、医学方面的相关知识，但这并不妨碍人们利用身边的某些天然材料来治愈伤口、解决人体生理或解剖功能丧失的问题。 从16世纪开始，金属材料开始在骨科领域得到大量应用，1588年，人们利用黄金板修复颚骨。1775年，金属材料开始被用来固定体内骨折。1851年，硫化天然橡胶制成的人工牙托和颚骨问世。在这一时期，生物医用材料的发展非常缓慢，一方面受到当时自然科学理论水平和工业技术水平的限制，另一方面也与医生、科学家、工程师三者之间缺少合作有关，当患者的生命受到严重危害时，往往依靠医生单打独斗，凭借自己的小发明来解决问题。 进入20世纪中期以后，随着医学、材料学（尤其是高分子材料学）、生物化学、物理学的迅速发展，高分子材料、陶瓷材料和新型金属材料不断涌现，如：聚羟基乙酸、聚甲基丙烯酸羟乙酯、胶原、多肽、纤维蛋白、羟基磷灰石、磷酸三钙、形状记忆合金等，这些材料主要由材料学家研究设计，因此许多材料并不是专门针对医用而设计的，在临床应用过程中可能存在生物相容性问题，例如最初的血管植入物材料聚酯纤维（俗称涤纶）就来源于纺织工业，会与血液发生生物反应而导致血管阻塞。但不可否认的是，这些新材料的出现推动了生物医用材料的发展，各种不同性能的材料可以满足不同的临床需求，也为各种人工器官的研制奠定了基础。 20世纪80年代后，人类开始将生物技术应用于生物医用材料的研制，将特定组织细胞“种植”于一种生物相容性良好的、可被人体逐步降解吸收的生物医用材料上，形成细胞—生物医用材料复合物，其中生物医用材料不断降解并为细胞的增长繁殖提供三维空间和营养代谢环境，而细胞经过繁殖逐渐形成新的具有与自身功能和形态相应的组织或器官，最终实现对病损组织或器官在结构、形态和功能等方面的重建，达到永久替代。这种将细胞生物学和材料科学相结合，在体外或体内构建组织或器官的技术，被称为组织工程，它打破了人们自古以来形成的“生物医用材料是一类无生命的材料”的观点，赋予了材料生命。 表1-1 部分生物医用材料的临床应用 迄今为止，被详细研究过的生物医用材料已有千余种，临床医学上广泛使用的也有几十种。不同的生物医用材料具有不同的使用性能。一般而言，临床医学对生物医用材料有以下基本要求： （1）材料无毒、不致癌、不致畸，不引起人体细胞的突变和不良组织反应。 （2）与人体生物相容性好，不引起中毒、溶血、凝血、发热和过敏等现象。 （3）具有与天然组织相适应的力学性能。 （4）针对不同的使用目的而具有特定的功能。 随着科学技术的不断发展，当代生物医用材料不仅强调材料自身理化性能和生物安全性、可靠性，还更强调赋予材料生物结构和生物功能，以使其在体内调动并发挥机体自我修复和完善的能力，重建或修复受损的人体组织和器官。然而生命现象是极其复杂的，是在几百万年的进化过程中适应生存所需要的结果，生命所具有的生长、再生、修复和精确调控能力是目前所有生物医用材料均无法比拟的，因此，生物医用材料的现状距离人们的真正期望和要求还相差很远。 1.2 生物医用材料的分类 生物医用材料按用途可分为骨、牙、关节、肌腱等骨骼—肌肉系统修复材料，皮肤、乳房、食道、呼吸道、膀胱等软组织材料，人工心脏瓣膜、血管、心血管内插管等心血管系统材料，血液净化膜和分离膜、气体选择性透过膜、角膜接触镜等医用膜材料，组织粘合剂和缝线材料，药物释放载体材料，临床诊断及生物传感器材料，齿科材料等。 生物医用材料按材料在生理环境中的生物化学反应水平分为惰性生物医用材料、活性生物医用材料、可降解和吸收的生物医用材料。 生物医用材料按材料的组成和性质可以分类如下： 1．生物医用金属材料 生物医用金属材料是用作生物医用材料的金属或合金，又称外科用金属材料或医用金属材料。这类材料具有高的机械强度和抗疲劳性能，是临床应用最广泛的承力植入材料。该类材料的应用非常广泛，包括硬组织、软组织、人工器官和外科辅助器材等各个方面。