3.051J/BE.340 第一讲生物材料简介:从材料学和生物学角度上的结构层级 什么是生物材料? 根据本课程的教材,目前较为合适的定义为:“用于医用器械、与生物体相互作用的无 生命性材料。” 医用装置实例 年产值(美国)* 手术缝合线(临时性或可生物吸收性) 250M* 导尿管(液体导管) 200M 血袋 隐性眼镜 眼内透镜 2.5M 膝关节和髋关节假体 乳房假体(癌症或美容) 0.25M 牙齿植入物 肾透析(病人) 氧发生器/CPB系统(代替心肺功能的体外循环装置一开胸手术时用)0.3M 血管移植物 起搏器(脉搏启动器) 生物材料的定义是根据它们的用途,而非它们的化学成份。 实例:限内透镜 组成:聚甲基丙烯酸甲酯(简写PMA,又称丙烯酸) 性能: 高折射率 易加工处理 由于同样的原因,该材 环境稳定性好(生物惰性) 料过去曾用作汽车尾 机械性能优良 灯的罩盖 *来自 Ratner,B.D.生物材料学:医用材料简介 n Diego CA: Elsevier, 2004 *来自 Ratner,B.D.生物材料学:医用材料简介 San Diego Ca:学术出版社,1996
1 3.051J/BE.340 第一讲 生物材料简介：从材料学和生物学角度上的结构层级 什么是生物材料? 根据本课程的教材，目前较为合适的定义为：“用于医用器械、与生物体相互作用的无 生命性材料。”* 医用装置实例 年产值（美国）* 手术缝合线（临时性或可生物吸收性） 250M ** 导尿管（液体导管） 200M 血袋 40M 隐性眼镜 30M 眼内透镜 2.5M 膝关节和髋关节假体 0.5M 乳房假体（癌症或美容） 0.25M 牙齿植入物 0.9M 肾透析（病人） 0.3M 氧发生器/CPB 系统（代替心肺功能的体外循环装置—开胸手术时用） 0.3M 血管移植物 0.3M 起搏器（脉搏启动器） 0.4M 生物材料的定义是根据它们的用途，而非它们的化学成份。 实例：眼内透镜 组成：聚甲基丙烯酸甲酯（简写 PMMA，又称 丙烯酸） 性能： } * 来自 Ratner,B.D. 生物材料学：医用材料简介 第二版 San Diego CA:Elsevier, 2004 **来自 Ratner,B.D. 生物材料学：医用材料简介 第一版 San Diego CA:学术出版社，1996 z 高折射率 z 易加工处理 z 环境稳定性好（生物惰性） z 机械性能优良 由于同样的原因，该材 料过去曾用作汽车尾 灯的罩盖
3.051J/BE.340 生物材料涵盖了各类材料一金属材料,陶瓷材料和聚合物材料。 内视透镜(人工晶体) 甲基丙烯酸甲酯,硅树脂 颅骨:316L不锈钢,钛,甲基丙烯酸 耳:羟基磷灰石,三氧化二 甲酯,羟基磷灰石,磷酸三钙 铝,钛,硅树脂 颌面重建:三氧化二铝,羟基磷灰石,磷酸三钙,羟 基磷灰石/聚乳酸,生物玻璃,钛,钛铝-钒合金 齿:甲基丙烯酸甲酯,金,316L不 秀钢,钴铬-钼合金,钛,钛-铝钒 合金,三氧化二铝,羟基磷灰石 可降解缝合线:聚乳酸,聚羟基乙酸,聚己内酯, PTMC, PDO 生物玻璃 心脏:钴-铬-钼合金,钛铝-钒合金, 热解碳,膨体-聚四氟乙烯,聚对苯二 脊柱:钴铬-钼合金,钛,羟基磷 甲酸乙二酯,聚氨酯 灰石,超高分子量聚乙烯 起搏器:316L不锈钢,铂,聚氨酯 硅树脂,聚对苯二甲酸乙二酯 修复关节:316L不锈钢,钴 血管:膨体-聚四氟乙烯,聚 铬-钼合金,钛,钛-铝-钒合金 对苯二甲酸乙二酯 硅树脂,超高分子量聚乙烯 甲基丙烯酸甲酯 腱和韧带:聚乳酸/碳纤维,膨体- 聚四氟乙烯,聚对苯二甲酸乙二酯 超高分子量聚乙烯 骨修复:316L不锈钢,钴-铬-钼合 钛,钛-铝-钒合金,聚乳酸/羟 基磷灰石,聚乳酸,聚羟基乙酸
2 3.051J/BE.340 生物材料涵盖了各类材料—金属材料，陶瓷材料和聚合物材料。 内视透镜（人工晶体）： 甲基丙烯酸甲酯，硅树脂 耳：羟基磷灰石，三氧化二 铝，钛，硅树脂 颅骨：316L 不锈钢，钛，甲基丙烯酸 甲酯，羟基磷灰石，磷酸三钙 齿：甲基丙烯酸甲酯，金，316L 不 锈钢，钴-铬-钼合金，钛，钛-铝-钒 合金，三氧化二铝，羟基磷灰石， 生物玻璃 颌面重建：三氧化二铝，羟基磷灰石，磷酸三钙，羟 基磷灰石/聚乳酸，生物玻璃，钛，钛-铝-钒合金 可降解缝合线：聚乳酸，聚羟基乙酸，聚己内酯， PTMC，PDO 心脏：钴-铬-钼合金，钛-铝-钒合金， 热解碳，膨体-聚四氟乙烯，聚对苯二 甲酸乙二酯，聚氨酯 起搏器：316L 不锈钢，铂，聚氨酯， 硅树脂，聚对苯二甲酸乙二酯 脊柱：钴-铬-钼合金，钛，羟基磷 灰石，超高分子量聚乙烯 修复关节：316L 不锈钢，钴- 铬-钼合金，钛，钛-铝-钒合金， 硅树脂，超高分子量聚乙烯， 甲基丙烯酸甲酯 血管：膨体-聚四氟乙烯，聚 对苯二甲酸乙二酯 肌腱和韧带：聚乳酸/碳纤维，膨体- 聚四氟乙烯，聚对苯二甲酸乙二酯， 超高分子量聚乙烯 骨修复：316L 不锈钢，钴-铬-钼合 金，钛，钛-铝-钒合金，聚乳酸/羟 基磷灰石，聚乳酸，聚羟基乙酸
3.051J/BE.340 什么决定材料的选择? 历史观点→当今看法 现今→将来_ 材料整体性能:与人体器官性 能相匹配 基于对天然材料、材料与生物 机械性能(例如:模量) 器官界面的更深刻理解,对生 化学性能(例如:可降解性 物材料进行更加合理的 ●光学性能(例如:白度、透明) 2.加工性能 3.联邦规则: 76‘医疗器械修正案 ? (所有新的生物材料在投放市场前都必须获得安全及有效性许可证) 材料被采用的工程图解 应用(最终目标) 性能(使用所需性能) 结构(满足性能要求的结构) 加工处理(满足设计要求的结构) “结构”是指什么?材料各结构层次的组装方式 不同结构层次的重要性使得合成材料和生物系统都有许多其各自的长度等级
3 3.051J/BE.340 什么决定材料的选择？ 历史观点 ⇒ 当今看法 现今⇒ 将来 1. 材料整体性能：与人体器官性 能相匹配 z 机械性能（例如：模量） z 化学性能（例如：可降解性） z 光学性能（例如：白度、透明） 基于对天然材料、材料与生物 器官界面的更深刻理解，对生 物材料进行更加合理的设计 2．加工性能 3．联邦规则： 76‘医疗器械修正案 ？ （所有新的生物材料在投放市场前都必须获得安全及有效性许可证） 材料被采用的工程图解 应 用（最终目标） 性 能 (使用所需性能) 结 构（满足性能要求的结构） 加工处理 （满足设计要求的结构） “结构”是指什么？材料各结构层次的组装方式 不同结构层次的重要性使得合成材料和生物系统都有许多其各自的长度等级
3.051J/BE.340 结构层阶 合成材料 人体组织 基本化学结构 分子 (水分子,肽分子,盐分子) 较高序列结构 细胞器(溶酶体,细胞核, 生物材料 工程领域 微结构 细胞 组件 1031m 组织 部件 器官 装置 个体 从结构尺度上说,生物材料工程研究范围横跨8个数量级 成纤维细胞在微格式化表面排列 工程长度尺度:103至10米 细胞粘附在RGD肽束上,该肽束与梳 状共聚物链末端相链接 工程长度尺度:107至1038米 嵌于膜中的细胞附着受体与RGD 细胞质 序列反应 工程长度尺度:10至100米 细胞外环境
4 3.051J/BE.340 结构层阶 合成材料 人体组织 基本化学结构 10-10 m 分子 （水分子，肽分子，盐分子….） 较高序列结构 细胞器（溶酶体，细胞核， 线粒体） 生物材料 工程领域 微结构 细胞 组件 10-3 m 组织 部件 器官 装置 个体 从结构尺度上说，生物材料工程研究范围横跨 8 个数量级！ 成纤维细胞在微格式化表面排列 工程长度尺度：10-3 至 10-6 米 细胞粘附在 RGD 肽束上，该肽束与梳 状共聚物链末端相链接 工程长度尺度：10-7 至 10-8 米 嵌于膜中的细胞附着受体与 RGD 序列反应 工程长度尺度：10-9 至 10-10 米 细胞质 脂膜 细胞外环境
3.051J/BE.340 结构长度尺度 1.基本化学结构 (原子和分子:0.1-1纳米) 键的长度尺度一严重影响生物材料的性能 级键合 离子键:电子给予体,电子接收体陶瓷,玻璃(无机材料) 共价键:共享电子玻璃,聚合物 ●金属键:晶格中环绕电子核的电子云 二级分子间键合 静电 氢键 范德华力(偶极-偶极,偶极-诱导偶极,色散力) 疏水性作用力(水中熵趋动非极性基的束状聚集) 物理缠绕(对于高分子量聚合物) 例1:氧化铝一三氧化二铝 用于硬组织的修复 (金刚砂) 如:齿科植入物 性能 耐腐蚀 高强度 源于离子键 耐磨损 生物相容性好 蛋白质的电荷与静电的相互 作用→非变性吸附蛋白层→ “掩饰” CourtesyofBICON,LLC(htp/wwwbicon.com)已获准允许使用
5 3.051J/BE.340 结 构 长 度 尺 度 1．基本化学结构 （原子和分子：0.1-1 纳米） 键 的长度尺度—严重影响生物材料的性能 一级键合 z 离子键：电子给予体，电子接收体 陶瓷，玻璃（无机材料） z 共价键：共享电子 玻璃，聚合物 z 金属键：晶格中环绕电子核的电子云 二级/分子间键合 z 静电 z 氢-键 z 范德华力（偶极-偶极，偶极-诱导偶极，色散力） z 疏水性作用力（水中熵趋动非极性基的束状聚集） z 物理缠绕（对于高分子量聚合物） 例 1：氧化铝—三氧化二铝 用于硬组织的修复— （金刚砂） 如：齿科植入物 性能: Courtesy of BICON, LLC.(http://www.bicon.com).已获准允许使用。 z 耐腐蚀 z 高强度 z 耐磨损 z “生物相容性好” 源于离子键 蛋白质的电荷与静电的相互 作用⇒非变性吸附蛋白层⇒ “掩饰
3.051J/BE.340 例2:环氧乙烷(PEO) (CH2CH2O) 用作防止蛋白形成涂层和水凝胶 性能: ●韧性好 源于一级键合 和二级键合 可水解 水溶性好 生物惰性 强氢键,与水形成独特的3nn配位体→ 似水层→“掩饰” 蛋白 接枝聚环氧乙烷 分 变性蛋白 要点提示: 生物相容性”主要由一级化学结构所决定! 生物相容性:是指材料表现出的一种适当的宿主反应能力 化学结构 蛋白吸附 细胞粘附 细胞分泌 宿主反应
6 3.051J/BE.340 例 2：环氧乙烷（PEO） （CH2CH2O）n 用作防止蛋白形成涂层和水凝胶 性能： 要点提示： “生物相容性”主要由一级化学结构所决定！ 生物相容性：是指材料表现出的一种适当的宿主反应能力。 z 韧性好 z 可水解 z 水溶性好 z 生物惰性 源于一级键合 和二级键合 强氢键，与水形成独特的3 n.n.配位体⇒ 似水层⇒ “掩饰” 接枝聚环氧乙烷 蛋白 变性蛋白 化学 结构 蛋白 吸附 细胞 粘附 细胞 分泌 宿主 反应
3.051J/BE.340 2.较高序列结构(1-100纳米) 晶体:原子或分子在三维空间的周期排列。 金属,陶瓷,聚合物(半结品性) 结晶性降低其溶解性能和生物溶蚀 (可生物降解性聚合物和可生物吸收性陶瓷) 网状结构:显示短程有序和特征长度。 无机玻璃,凝胶 例1:生物活性玻璃 用于硬结缔组织的修补取代 网状结构形成体:(~50wt%):二氧化硅,五氧化二磷 网状结构修饰体:(高!~50wt%):氧化钠,氧化钙 性能 体内外部分可溶(促进骨结合儿源于较松散的离子网络结构 易加工(复杂形状)
7 3.051J/BE.340 2．较高序列结构（1-100 纳米） 晶体：原子或分子在三维空间的周期排列。 网状结构：显示短程有序和特征长度。 无机玻璃，凝胶 例 1：生物活性玻璃 用于硬结缔组织的修补取代 网状结构形成体：（~50wt%）： 二氧化硅，五氧化二磷 网状结构修饰体：（高！~50wt%）：氧化钠，氧化钙 性能： z 体内外部分可溶（促进骨结合） 源于较松散的离子网络结构 z 易加工（复杂形状） 金属，陶瓷，聚合物（半结晶性） 结晶性降低其溶解性能和生物溶蚀 （可生物降解性聚合物和可生物吸收性陶瓷）
3.051J/BE.340 例2:水凝胶 用于隐性眼睛,药物输送载体,人工组织 X连接,溶胀的聚合物网络 交联度:~1/ξ3 性能 可维持形状 柔韧性好 源于交联网络结构 包裹分子的低速释放 自组装:两性分子的聚集 胶束,溶致液晶,嵌段共聚物 实例:阳离子脂质体 用于基因治疗 质体(+) NA片断 性能 易在水中分散 能包含释放DNA源自超分子自组装 能透过细胞膜(-)
8 3.051J/BE.340 例 2：水凝胶 用于隐性眼睛，药物输送载体，人工组织 X-连接，溶胀的聚合物网络 交联度：~1/ξ3 性能： z 可维持形状 z 柔韧性好 源于交联网络结构 z 包裹分子的低速释放 自组装：两性分子的聚集 胶束，溶致液晶，嵌段共聚物 实例：阳离子脂质体 用于基因治疗 DNA 片断 性能： z 易在水中分散 z 能包含/释放 DNA 源自超分子自组装 z 能透过细胞膜（-） 质体（+）
3.051J/BE.340 3.微结构(1微米+) 晶“粒”:各向异性晶体 实例:不锈钢Fe-NiCr 用作骨折固定板和刻蚀支架 在晶界处耗尽,产生腐蚀 10微米 球晶:呈放射状分散在无定形相中 半结聚合物,玻璃陶瓷 0微米 沉淀物:以包涵体形式存在的第二相 金属,陶瓷,聚合物 实例:在钻铬合金中的碳化物 性能: 硬度 耐腐蚀性(在晶粒边界处形成) 源于沉淀物 50 um
9 3.051J/BE.340 3．微结构（1 微米+） 晶“粒”： 各向异性晶体 10 微米 球晶：呈放射状分散在无定形相中 10 微米 沉淀物：以包涵体形式存在的第二相 金属，陶瓷，聚合物 实例：在钴-铬合金中的碳化物 性能： 实例：不锈钢 Fe-Ni-Cr 用作骨折固定板和刻蚀支架 在晶界处耗尽，产生腐蚀 半结晶聚合物，玻璃-陶瓷 z 硬度 z 耐腐蚀性(在晶粒边界处形成) 源于沉淀物
3.051J/BE.340 多孔性:生物材料在使用过程中常被希望具有的性能 例1:生物可吸收多孔支架 聚乳酸(PLA) 用于组织再生 体液和细胞可穿过 结构性稳定 源于似孔微结构 孔大小:10-100微米 例2:多孔性金属涂层 钛或钴-铬-钼合金 用于硬组织取代修复植入物 性能 加强细胞粘附 组织的内生长 源于多孔的微结构 孔径:10-100微米 要点提示: 较高序列结构和微结构很大程度上决定了动力学过程和机械反应
10 3.051J/BE.340 多孔性：生物材料在使用过程中常被希望具有的性能 例 1：生物可吸收多孔支架 聚乳酸（PLA） 用于组织再生 性能： 例 2：多孔性金属涂层 钛或钴-铬-钼合金 用于硬组织取代修复植入物 孔径：10-100 微米 要点提示： 较高序列结构和微结构很大程度上决定了动力学过程和机械反应。 z 体液和细胞可穿过 z 结构性稳定 源于似孔微结构 孔大小：10-100 微米 性能： z 加强细胞粘附 z 组织的内生长 源于多孔的微结构