生物材料

發(fā)展

       自90年代后期以來，世界生物材料科學和技術(shù)迅速發(fā)展，即使在當今全球經(jīng)濟低迷的大環(huán)境下，生物材料依然保持著每年13%高速增長，充分體現(xiàn)了其強大的生命力和廣闊的發(fā)展前景。

       現(xiàn)代醫(yī)學正向再生和重建被損壞的人體組織和器官、恢復和增進人體生理功能、個性化和微創(chuàng)治療等方向發(fā)展。傳統(tǒng)的無生命的醫(yī)用金屬、高分子、生物陶瓷等常規(guī)材料已不能滿足醫(yī)學發(fā)展的要求，生物醫(yī)學材料科學與工程面臨著新的機遇與挑戰(zhàn)。

       未來，生物醫(yī)用材料的市場占有率大有可能將趕上藥物。因此，加強生物醫(yī)用材料的臨床應用研究和推廣應用，重點發(fā)展我國生物醫(yī)用材料的研究、開發(fā)、生產(chǎn)、營銷緊密結(jié)合的一體化體系是當務之急。

       實際上，國家當前在生物材料科學基礎(chǔ)研究方面已經(jīng)取得了重大突破進展，走在了世界先進行列，但產(chǎn)業(yè)化水平尚待提高，產(chǎn)業(yè)規(guī)模小、發(fā)展相對滯后，還不能滿足全民醫(yī)療保健的實際需要。在國家政策、經(jīng)濟的大力支持下，我國生物材料的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展將提速。企業(yè)應增強自主創(chuàng)新的能力，進一步解決依靠進口的局面，同時加大出口力度，實現(xiàn)跨越發(fā)展，擴大中國生物材料產(chǎn)品在國際上的影響力。

簡介

       原理

       生物材料（Biological materials）又稱生物工藝學或生物技術(shù)。應用生物學和工程學的原理，對生物材料、生物所特有的功能，定向地組建成具有特定性狀的生物新品種的綜合性的科學技術(shù)。生物工程學是70年代初，在分子生物學、細胞生物學等的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，包括基因工程、細胞工程、酶工程、發(fā)酵工程等，他們互相聯(lián)系，其中以基因工程為基礎(chǔ)。只有通過基因工程對生物進行改造，才有可能按人類的愿望生產(chǎn)出更多更好的生物產(chǎn)品。而基因工程的成果也只有通過發(fā)酵等工程才有可能轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品。

       相關(guān)產(chǎn)品

       醫(yī)學上通過生物工程可以生產(chǎn)出大量廉價的防治人類疾病的藥物，如入胰島素、干擾素、生長激素、乙型肝炎疫苗等。生物工程在食品、輕工中的應用面也很廣。1983年美國用生物工程生產(chǎn)的用于制作飲料的高果糖漿的年產(chǎn)量達600萬噸，從而使蔗糖的消耗量減少一半。采用生物工程技術(shù)，使育種工作發(fā)生了很大變化，如把抗病基因轉(zhuǎn)移到煙草中去，已培育出防止害蟲的煙草新品種；把低等生物根瘤菌的固氮基因轉(zhuǎn)移到高等作物的細胞中，使之能自己制造氮肥，也取得了一定成果。世界各國對生物工程十分重視，中國也把生物工程列為重點發(fā)展的科研項目之一。生物工程學的研究將對人類的生產(chǎn)方式和生活方式產(chǎn)生巨大的影響。

性能

       功能性

       指生物材料具備或完成某種生物功能時應該具有的一系列性能。

根據(jù)用途主要分為：

       *承受或傳遞負載功能。如人造骨骼、關(guān)節(jié)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(shù)用填充體等

       相容性

       指生物材料有效和長期在生物體內(nèi)或體表行使其功能的能力。用于表征生物材料在生物體內(nèi)與有機體相互作用的生物學行為。

根據(jù)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(tǒng)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?？疾炝W性能與生物體的一致性

       生物材料和納米生物技術(shù)是國際化，跨學科，英文出版的關(guān)于生物材料的制備，性能和評價研究的原創(chuàng)性文獻，由美國科研出版社發(fā)行。涵蓋物理，化學，毒物學，電化學，機械和光學特性的納米材料，生物技術(shù)的應用（制藥，藥物輸送系統(tǒng)，化妝品，食品技術(shù)，生物轉(zhuǎn)化，可再生能源和能源儲存，生物傳感，納米藥物，組織工程，植入式醫(yī)療設(shè)備，生物光子學，納米光動力療法，腫瘤科）。

相容性反應

        宿主反應

       ⑴生物學反應

       A: 血液反應

       ⒈血小板血栓；

       ⒉凝血系統(tǒng)激活；

       ⒊纖溶系統(tǒng)激活；

       ⒋溶血反應；

       ⒌白細胞反應；

       ⒍細胞因子反應；

       ⒎蛋白粘附；

       B:免疫反應

       ⒈補體激活；

       ⒉體液免疫反應（抗原－抗體反應）；

       ⒊細胞免疫反應。

       C:組織反應

       ⒈炎癥反應；

       ⒉細胞粘附

       ⒊細胞增殖（異常分化）

       ⒋形成蘘膜

       ⒌細胞質(zhì)的轉(zhuǎn)變

       ⑵生物體對生物反應的變化

       ⒈急性全身反應

       過敏、毒性、溶血、發(fā)熱、神經(jīng)麻痹等

       ⒉慢性全身反應

       毒性、致畸、免疫、功能障礙等

       ⒊急性局部反應

       炎癥、血栓、壞死、排異等

       ⒋慢性局部反應

       致癌、鈣化、炎癥、潰瘍等

       材料反應

       生物機體作用于生物材料－材料反應，其結(jié)果可導致材料結(jié)構(gòu)破壞和性質(zhì)改變而喪失其功能?？煞譃槿缦氯齻€方面：

       *金屬腐蝕

       *聚合物降解

       *磨損

⑴金屬腐蝕

       生物體內(nèi)的腐蝕性環(huán)境：⑴含鹽的溶液是極好的電解質(zhì)，促進了電化學腐蝕和水解；⑵組織中存在具有催化或迅速破壞外來成分能力的多種分子和細胞。將對生物金屬材料產(chǎn)生腐蝕。

       對于生物材料而言多為局部腐蝕，具體包括應力腐蝕開裂、點腐蝕、晶間腐蝕、腐蝕疲勞以及縫隙腐蝕等，導致生物材料整體破壞。

       雖然金屬材料在生物體內(nèi)保持惰性狀態(tài)，但仍然可能會有物質(zhì)溶入生物組織中，并對生物體組織產(chǎn)生毒性反應，造成組織的損害。如不銹鋼中溶出的Cr+6生物組織的毒性。

⑵聚合物降解

       聚合物在長期使用過程中，由于受到氧、熱、紫外線、機械、水蒸氣、酸堿及微生物等因素作用，逐漸失去彈性，出現(xiàn)裂紋，變硬、變脆或變軟、發(fā)粘、變色等，從而使它的物理機械性能越來越差的現(xiàn)象。

       聚合物老化易形成的碎片、顆粒、小分子量單體物質(zhì)，因此使用它時必須謹慎，對耐久性器件，必須保持一定強度和其它機械性能，老化產(chǎn)物不能對周圍組織有毒害作用。

       例如，醫(yī)用縫合線降解時會產(chǎn)生酸性物質(zhì)，如果量少，很容易被人體中的化學物質(zhì)中和，如果老化產(chǎn)物較大，則會對周圍組織產(chǎn)生損害。

⑶磨損

       人工關(guān)節(jié)常用材料為Ti6Al4V，由于表面易氧化生成TiO2，其耐磨性差，植入人體后，磨損造成在關(guān)節(jié)周圍組織形成黑褐色稠物，從而引起疼痛。鈦合金人工全髖關(guān)節(jié)平均壽命一般都低于10年。

       大量的人工髖關(guān)節(jié)是由堅硬的金屬或陶瓷的股骨頭與超高分子聚乙烯的髖臼杯組合成，然而它的壽命也不超過25年。長期隨訪資料顯示，假體失敗的主要原因是超高分子聚乙烯磨損顆粒所造成的界面骨溶解，從而導致假體松動。這種磨損顆粒所導致的異物－巨細胞反應，又稱顆粒病，是晚期失敗的最主要原因。

分類特性

       分類

       生物材料應用廣泛，品種很多，其分類方法也很多。生物材料包括金屬材料（如堿金屬及其合金等）、無機材料（生物活性陶瓷，羥基磷灰石等）和有機材料三大類。有機材料中主要是高分子集合物材料，高分子材料通常按材料屬性分為合成高分子材料（聚氨酯、聚酯、聚乳酸、聚乙醇酸、乳酸乙醇酸共聚物及其他醫(yī)用合成塑料和橡膠等）、天然高分子材料（如膠原、絲蛋白、纖維素、殼聚糖等）；根據(jù)材料的用途，這些材料又可以分為生物惰性（bioinert）、生物活性（bioactive）或生物降解（biodegradable） 材料，高分子聚合物中，根據(jù)降解產(chǎn)物能否被機體代謝和吸收，降解型高分子又可分為生物可吸收性和生物不可吸收性。根據(jù)材料與血液接觸后對血液成分、性能的影響狀態(tài)則分為血液相容性聚合物和血液不相容性。根據(jù)材料對機體細胞的親和性和反映情況，可分為生物相容性和生物不相容性聚合物等。

       特點

       生物材料主要用在人身上，對其要求十分嚴格，必須具有四個特性：

       ⑴生物功能性。因各種生物材料的用途而異，如：作為緩釋藥物時，藥物的緩釋性能就是其生物功能性。

       ⑵生物相容性?？筛爬椴牧虾突铙w之間的相互關(guān)系，主要包括血液相容性和組織相容性（無毒性、無致癌性、無熱原反應、無免疫排斥反應等）。

       ⑶化學穩(wěn)定性。耐生物老化性（特別穩(wěn)定）或可生物降解性（可控降解）。

       ⑷可加工性。能夠成型、消毒（紫外滅菌、高壓煮沸、環(huán)氧乙烷氣體消毒、酒精消毒等）。

       應用發(fā)展

       性能要求

       ⑴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(nèi)要求無不良反應，不引起凝血、溶血現(xiàn)象，活體組織不發(fā)生炎癥、排拒、致癌等。

       ⑵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(yī)用要求。

       ⑶耐生物老化性能

       材料在活體內(nèi)要有較好的化學穩(wěn)定性，能夠長期使用，即在發(fā)揮其醫(yī)療功能的同時要耐生物腐蝕、耐生物老化。

       ⑷成形加工性能

       容易成形和加工，價格適中：

       材料分類

       按材料功能劃分：

       *1、血液相容性材料 如人工瓣膜、人工氣管、人工心臟、血漿分離膜、血液灌流用吸附劑、細胞培養(yǎng)基材等；

       *2、軟組織相容性材料 如隱形眼睛片的高分子材料，人工晶狀體、聚硅氧烷、聚氨基酸等，用于人  工皮膚、人工氣管、人工食道、人工輸尿管、軟組織修補等領(lǐng)域；

       *3、硬組織相容性材料 如醫(yī)用金屬、聚乙烯、生物陶瓷等，關(guān)節(jié)、牙齒、其它骨骼等；

       *4、生物降解材料 如甲殼素、聚乳酸等，用于縫合線、藥物載體、粘合劑等；

       *5、高分子藥物多肽、胰島素、人工合成疫苗等，用于糖尿病、心血管、癌癥以及炎癥等。

       按材料來源分類：

       *1、自體材料

       *2、同種異體器官及組織；

       *3、異體器官及組織；

       *4、人工合成材料；

       *5、天然材料

       根據(jù)組成和性質(zhì)分為：

       * 1、生物醫(yī)用金屬材料

       * 2、醫(yī)用高分子材料

       * 3、醫(yī)用無機非金屬材料

       生物醫(yī)用金屬材料：

       較優(yōu)秀的生物醫(yī)用金屬材料有，醫(yī)用不銹鋼、鈷基合金、鈦及鈦合金、鎳鈦形狀記憶合金、金銀等貴重金屬、銀汞合金、鉭、鈮等金屬和合金。

       ⑴醫(yī)用不銹鋼

       具有一定的耐腐蝕性和良好的綜合力學性能，且加工工藝簡便，是生物醫(yī)用金屬材料中應用最多，最廣的材料。

       常用鋼種有US304、316、316 L、317、317L等。

       醫(yī)用不銹鋼植入活體后，可能發(fā)生點蝕，偶爾也產(chǎn)生應力腐蝕和腐蝕疲勞。醫(yī)用不銹鋼臨床前消毒、電解拋光和鈍化處理，可提高耐蝕性。

       醫(yī)用不銹鋼在骨外科和齒科中應用較多。

       ⑵鈷基合金

       鈷基合金人體內(nèi)一般保持鈍化狀態(tài)，與不銹鋼比較，鈷基合金鈍化膜更穩(wěn)定，耐蝕性更好。在所有醫(yī)用金屬材料中，其耐磨性最好，適合于制造體內(nèi)承載苛刻的長期植入件。

       在整形外科中，用于制造人工髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)以及接骨板、骨釘、關(guān)節(jié)扣釘和骨針等。在心臟外科中，用于制造人工心臟瓣膜等。

       ⑶醫(yī)用鈦和鈦合金

       不僅具有良好的力學性能，而且在生理環(huán)境下具有良好的生物相容性。由于其比重小，彈性模量較其他金屬更接近天然骨，故廣泛應用于制造各種能、膝、肘、肩等人造關(guān)節(jié)。此外，鈦合金還用于心血管系統(tǒng)。鈦合金耐磨性能不理想，且存在咬合現(xiàn)象，限制了其使用范圍。

       生物醫(yī)用高分子

       按應用對象和材料物理性能分為軟組織材料、硬組織材料和生物降解材料。其可滿足人體組織器官的部分要求，因而在醫(yī)學上受到廣泛重視。已有數(shù)十種高分子材料適用于人體的植入材料。

       * 軟組織材料：故主要用作為軟組織材料，特別 是人工臟器的膜和管材。聚乙烯膜、聚四氟乙烯膜、硅橡膠膜和管，可用于制造人工肺、腎、心臟、喉頭、氣管、膽管、角膜。聚酯纖維可用于制造血管、腹膜等。

       * 硬組織材料：丙烯酸高分子（即骨水泥）、聚碳酸醋、超高分子量聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）、尼龍、硅橡膠等可用于制造人工骨和人工關(guān)節(jié)。

       * 降解材料：脂肪族聚醋具有生物降解特性，已用于可接收性手術(shù)縫線。

       生物醫(yī)用無機非金屬材料

       生物無機材料主要包括生物陶瓷、生物玻璃和醫(yī)用碳素材料。

       按植入生物活體內(nèi)引起的組織與材料反應，生物陶瓷分為：

       ⑴近于惰性的生物陶瓷，如氧化鋁生物陶瓷、氧化鋯生物陶瓷、硼硅酸玻璃；

       ⑵表面活性生物陶瓷，如磷酸鈣基生物陶瓷、生物活性玻璃陶瓷；

       ⑶可吸收性生物陶瓷，如偏磷酸三鈣生物陶瓷、硫酸鈣生物陶瓷。

       生物活性玻璃陶瓷植入活體后，能夠與體液發(fā)生化學反應，并在組織表面生成羚基磷灰石層，故可用于人工種植牙根、牙冠、骨充填料和涂層材料。

       與自然骨比較，生物活性玻璃陶瓷雖然具有較高的強度，但韌性較差，彈性模量過高，易脆斷，在生理環(huán)境中抗疲勞性能較差，還不能直接用于承力較大的人工骨。

       醫(yī)用碳素材料：具有接近于自然骨的彈性模量。

       醫(yī)用碳素材料疲勞性能最優(yōu)，強度不隨循環(huán)載荷作用而下降。無序堆垛的碳材料耐磨性理想。

       醫(yī)用碳素材料在生理環(huán)境中較穩(wěn)定，近于惰性，具有較好的生物相容性，不會引起凝血和溶血反應，特別適合于在生理環(huán)境中使用。

       醫(yī)用碳材料已大量用于心血管系統(tǒng)的修復，如人工心臟瓣膜、人工血管。還可作為金屬和聚合物的涂層材料。

       生物醫(yī)用復合材料

       生物醫(yī)用復合材料是由二種或二種以上不同材料復合而成的。

       按基材分為：高分子基、陶瓷基、金屬基等生物醫(yī)用復合材料。

       按增強體形態(tài)和性質(zhì)分為纖維增強、顆粒增強、生物活性物質(zhì)充填生物醫(yī)用復合材料。

       按材料植入體內(nèi)后引起的組織與材料反應分為：生物惰性、生物活性和可吸收性生物醫(yī)用復合材料。

性能評價

       機械性能

       醫(yī)用金屬作為受力期間，在人體內(nèi)服役，其受力狀態(tài)及其復雜，如人工關(guān)節(jié)，每年要承受約3.6×106次、且數(shù)倍于人體重量的載荷沖擊和磨損。

       人體骨的力學性能因年齡、部位而異，評價骨和材料的機械性能最重要的指標有：抗拉抗壓強度、屈服強度、彈性模量。疲勞極限和斷裂韌性等；

       對于摩擦部位的材料，一般用硬度反映其耐磨性能。

       彈性模量是生物材料的重要性質(zhì)之一，過高過低都不行。模量相對與骨過高，在應力作用下，承受應力的金屬和骨將產(chǎn)生不同的應變，在金屬與骨的接觸面會出現(xiàn)相對位移，從而造成界面處松動；長時間下，還會造成應力屏蔽，引起骨組織的功能退化和吸收。過低，變形較大，起不到固定和支撐作用。

       評價標準

       生物材料的生物學評價一般按用途、接觸方式、接觸人體部位和接觸時間等劃分，但標準還未完全實現(xiàn)統(tǒng)一，且隨著新一般生物相容材料向智能生物材料（如組織工程材料）轉(zhuǎn)變，標準還在完善。

       各國在已基本統(tǒng)一的國際標準化組織提出的生物標準上，保留了各自的特點。

       已有的標準有：

       ⒈ISO10993.1－1992至ISO10993.12－1992；

       ⒉美國ASTM（F748－82）標準；

       ⒊中國在美國和日本的基礎(chǔ)上，1997年由衛(wèi)生部頒布了中國標準

人體影響

       生物材料植入人體內(nèi)后，會對局部組織和全身產(chǎn)生作用和影響。主要包括局部的組織反應和全身的免疫反應。

       ⑴局部組織反應

       ①排異反應：生物材料植人體內(nèi)后，可在植人物周圍發(fā)生不同程度的炎癥反應。這是機體對異物進行酶解和消化的結(jié)果。但大多數(shù)醫(yī)學生物材料比較穩(wěn)定，不會被很快代謝掉。這時膠原纖維會包圍在植入物周圍形成被膜，或稱為包囊，將正常組織與植入物隔離開。纖維包囊形成后可發(fā)生以下變化：纖維囊增厚，從而影響局部血液供應，并為機體代謝產(chǎn)物和材料變性產(chǎn)物提供蓄積場所；纖維囊鈣化或變硬，引起機械性能不相配而產(chǎn)生疼痛；局部持續(xù)性感染，由于纖維囊血運較差，缺乏足夠的免疫細胞，壞死細胞清除較慢，使感染持續(xù)存在或加重。

       ②鈣化：生物材料表面形成鈣化經(jīng)常導致材料喪失功能。引起鈣化有材料本身的原因，也有機體的原因，如材料的表面性質(zhì)、死亡細胞的沉積、局部營養(yǎng)不良、體內(nèi)鈣磷含量、機械運動等因素，都是產(chǎn)生或加速鈣化的原因。對于軟組織和心血管植入材料，應盡可能避免或減少鈣化的發(fā)生。而植入物刺激的鈣化對骨性組織的修復是有利的，如陶瓷以及復合材料制備的表面活性植入物，通過鈣化與組織結(jié)合，可防止界面活動。

       ③感染：感染是植入材料最常見的并發(fā)癥。植入材料常常增加臨床手術(shù)的感染發(fā)生率。其原因一方面是材料的污染，另一方面，植入材料本身具有很強的加重組織感染的易感性，植入材料通過限制巨噬細胞的遷移，阻斷抗感染的生理過程；某些植入物的表機或其釋放出的可溶性成分，可干擾巨噬細胞的殺菌機制等。因此，生物醫(yī)學材料應在不影響其性能的情況下，采用適當方法嚴格滅菌。其植入手術(shù)應加強無菌操作。避免因感染導致的植入失敗。

       ④血液反應：主要是血栓形成，見于植入循環(huán)系統(tǒng)與血液密切接觸的生物醫(yī)學材料。因此，與血液接觸的植入材料都必須有優(yōu)良的抗凝血性能。

       ⑤腫瘤：生物材料的致癌性是一個引人注目的問題。盡管在臨床極少見，但在動物實驗中卻屢見不鮮。可能與以下因素相關(guān)：植入材料在生物老化過程中釋放致癌物質(zhì)；植入材料被致癌物質(zhì)污染l纖維包膜增厚，導致局部組織代謝障礙，代謝產(chǎn)物長期積蓄，細胞發(fā)生突變的可能性增加；植入物的表面形狀、粉末狀或海綿狀的材料幾乎不會發(fā)生惡性腫瘤，纖維狀的材料也很少發(fā)生，只有表面光滑的材料才容易發(fā)生。因此在材料的選擇和應用上，避免使用可能產(chǎn)生刺激性、乃至有毒可溶物質(zhì)的材料，盡可能使用表面粗糙的材料，植入時盡量減少材料與組織的間隙等。

       ⑵免疫反應：有些生物材料植入后可導致全身性的免疫反應，包括體液免疫和細胞免疫反應。臨床研究發(fā)現(xiàn)這種免疫反應的發(fā)生與補體的激活密切相關(guān)。例如高分子材料可通過補體系統(tǒng)經(jīng)典途徑的激活，滌綸人工血管材料植入后可通過經(jīng)典途徑和旁路途徑激活補體。植人材料引起的免疫反應常見于應用接觸血液的生物醫(yī)學材料，如人工透析使用的透析膜等。在臨床上可表現(xiàn)為過敏反應，容易感染，惡性腫瘤發(fā)生率高，軟組織鈣化或纖維化，特別是肺纖維化、鈣化及動脈硬化等。

術(shù)語

       定義

       生物材料通常有兩個定義：狹義的生物材料是指天然生物材料，也就是由生物過程形成的材料。廣義的生物材料是指用于替代、修復組織器官的天然或人造材料。

       材料學

       生物材料學是涉及生物材料的組成結(jié)構(gòu)、性能與制備相互關(guān)系和規(guī)律的科學。其主要目的是在分析天然生物材料微組裝、生物功能及形成機理的基礎(chǔ)上，發(fā)展仿生學高性能工程材料，及用于人體組織器官修復與替代的新型醫(yī)用材料。其主要研究內(nèi)容有：生物過程形成的材料結(jié)構(gòu)、生物礦化原理，材料生物相溶性機理，生物材料自主組裝、自我修復的原理。