3.051/BE.340 第二十讲用于器官取代的生物材料 器官替代的治疗方法 1.移植 人供体和动物供体的器官或组织替代 同种异体移植一人供体(例如,肾脏,肝脏,心脏) 异种移植一动物供体(例如,猪动脉瓣膜) 病人可终身完全恢复丧失的功能 缺点 存在排异的可能性一免疫系统的攻击 免疫药物的副作用(类固醇) 有限的供源 自体移植 供体亦是受体 举例:皮肤移植,神经移植,胸部重建,冠状静脉管或冠状动脉替代管(~300,000 每年在美国) 优点: 病人可终身恢复全部丧失的功能 无排斥反应 缺点: 可行的自体供体有限性 在供体处留下创伤/疤痕
1 3.051/BE.340 第二十讲 用于器官取代的生物材料 器官替代的治疗方法 1． 移植 人供体和动物供体的器官或组织替代 同种异体移植—人供体（例如，肾脏，肝脏，心脏） 异种移植—动物供体（例如，猪动脉瓣膜） 优点： z 病人可终身完全恢复丧失的功能 缺点： z 存在排异的可能性—免疫系统的攻击 z 免疫药物的副作用(类固醇) z 有限的供源 2． 自体移植 供体亦是受体 举例：皮肤移植，神经移植，胸部重建，冠状静脉管或冠状动脉替代管（～300，000/ 每年在美国） 优点： z 病人可终身恢复全部丧失的功能 z 无排斥反应 缺点： z 可行的自体供体有限性 z 在供体处留下创伤/疤痕
3.051/BE.340 3.再生组织器官 在支架(合成的活胶原基材料,常用可吸收性的)上生长的细胞提供修复的功能(例 如:皮肤和软骨) 优点 无供体/自供体组织不足的限制 病人可终身修复功能(理论上) 缺 尚未解决的完整组织再生的生物复杂性 可能的免疫反应,这要根据细胞来源而定 4.永久性植入物 用合成材料(例如,髖部修复,大于200,000每年在美国,许多中设计)制成的 修复装置 吸盘:用超高分子量 聚乙烯(2M道尔顿) 股干骨:钴铬,钛, 作衬里的金属 不锈钢) 股骨头部:钴铬, 钛,三氧化二铝 PMMA骨水泥:粘合 剂,减震 (选择:金属珠或HAp涂 层:骨向内生长) 大腿骨
2 3.051/BE.340 3． 再生组织/器官 在支架（合成的活胶原基材料，常用可吸收性的）上生长的细胞提供修复的功能（例 如：皮肤和软骨） 优点： z 无供体/自供体组织不足的限制 z 病人可终身修复功能（理论上） 缺点： z 尚未解决的完整组织再生的生物复杂性 z 可能的免疫反应，这要根据细胞来源而定 4． 永久性植入物 用合成材料（例如，髋部修复，大于 200，000/每年在美国，许多中设计）制成的 修复装置 吸盘：用超高分子量 聚乙烯（2M 道尔顿） 作衬里的金属 股干骨：钴铬，钛， 不锈钢） 股骨头部：钴铬， 钛，三氧化二铝 PMMA 骨水泥：粘合 剂，减震 大腿骨 (选择：金属珠或 HAp 涂 层：骨向内生长)
3.051/BE.340 优点 无供体受限性 不被标准的补体机制所排斥 缺点: ●器官功能不会全部修复 例如:整形外科的替代修复 骨髓的缺损 无再生能力 减少活动范围 常常要被再次替换 慢性炎症 例子:聚乙烯磨损碎片→免疫反应→骨损害 机械性能丧失 例子:水泥的松动 一些其他的长效副反应 应力屏蔽:大腿骨和骨干股之间的模量不匹配 →周围骨的载荷不平衡 →骨质疏松(骨吸收快于骨沉积) 增加了再次骨折的可能性 很明显,械性能在材料选择时起着至关重要的作用
3 3.051/BE.340 优点： z 无供体受限性 z 不被标准的补体机制所排斥 缺点： z 器官功能不会全部修复 例如：整形外科的替代修复 - 骨髓的缺损 - 无再生能力 - 减少活动范围 z 常常要被再次替换 - 慢性炎症 例子：聚乙烯磨损碎片⇒ 免疫反应 ⇒ 骨损害 - 机械性能丧失 例子：水泥的松动 z 一些其他的长效副反应 应力屏蔽：大腿骨和骨干股之间的模量不匹配 ⇒ 周围骨的载荷不平衡 ⇒ 骨质疏松(骨吸收快于骨沉积) ⇒ 增加了再次骨折的可能性 很明显，机械性能在材料选择时起着至关重要的作用
3.051/BE.340 生物材料应用中需考虑的机械性能 抗挠性 强度 刚性 硬度 我们需测试这些材料的性能指标使它们量化 ·抗疲劳性(尤其是往复运动) ●断裂强度 我们来定义一些在上下文中出现的单轴受载的名词 F=外加作用力 A=面积 (∝F) “弹性”形变 (可恢复) 骨折 塑性”形变 (不可恢复)
4 3.051/BE.340 生物材料应用中需考虑的机械性能 z 抗挠性 z 强度 z 刚性 z 硬度 我们需测试这些材料的性能指标使它们量化 z 抗疲劳性(尤其是往复运动) z 断裂强度 z 耐磨性 我们来定义一些在上下文中出现的单轴受载的名词： F=外加作用力 A=面积 “弹性”形变 （可恢复） “塑性”形变 （不可恢复） 骨折
3.051/BE.340 X 6=F/A (N/m=Pa) 拉力试验缩颈(现象) B 刚性 E 生物材料举例: 固定钢板(不锈钢,钴铬,钛)(B) 血管修补:编织的涤纶或膨体聚四氟乙烯(B) 凝胶:HEMA(C 胸部植入物:硅树脂(C) ●齿科植入物(铝)(A)
5 3.051/BE.340 ε=δ/Lo 生物材料举例： z 固定钢板（不锈钢，钴铬，钛）（B） z 血管修补：编织的涤纶或膨体聚四氟乙烯（B） z 凝胶：HEMA（C） z 胸部植入物：硅树脂（C） z 齿科植入物（铝）（A） δ=F/A (N/m2 =Pa) UTS YS 拉力试验缩颈(现象) 刚性
3.051/BE.340 抗挠性:由杨式模量量化(弹性模量一初始的线性应力-应变区域的斜率) E=0/ε(与药品的几何形状无关一是材料本身的特性) 弯曲模量(E)一通过弯曲试验测得强度值 3-点弯曲试验 F δ(偏差) 8- FL3 控制方程 48E-1 此处上=转动惯量(单位:m4) h 12矩形梁 1是第二次中心表面轴向梁横断面的 力矩(此处的压力和拉力己去除) I=「x2dA,此处x是到中心轴的距离 A是横断面积
6 3.051/BE.340 ¾ 抗挠性：由杨式模量量化（弹性模量—初始的线性应力-应变区域的斜率） E=σ/ε（与药品的几何形状无关—是材料本身的特性） 弯曲模量（EF）—通过弯曲试验测得强度值 3-点弯曲试验 δ（偏差） I 是第二次中心表面轴向梁横断面的 力矩（此处的压力和拉力已去除） I =∫ x 2 dA ,此处 x 是到中心轴的距离， A 是横断面积 控制方程： 此处 I=转动惯量（单位：m4） I= 矩形梁
3.051/BE.340 强度:便于对比,取几个适宜的数据 1.模量(因为较高E材料与高强度有关) 2.屈服应力一在塑性形变开始的应力 3.终极(拉伸)强度(UTS)一应力-应变曲线的顶端 4.断裂强度一断裂时的压力 工程一测量值 实际值一导致颈缩的值(在Ⅹ-部位变化)(低于压缩强度,高于UTS) 5.疲劳强度一能够承受10M循环(水/油)断裂时的最大载荷 循环疲劳:材料在长时间承受循环压力下屈从,该力低于它的UTS但是高于它的“承受极限” →断裂 举例:在行走过程中产生于髋关节处的载荷 脚后跟 受的冲 脚尖离开 人体 快 重量 8 变性 断裂应力 (MPa) 时间 疲劳极限 (未断 裂) Log(#循环)
7 3.051/BE.340 ¾ 强度：便于对比，取几个适宜的数据 1． 模量（因为较高 E 材料与高强度有关） 2． 屈服应力—在塑性形变开始的应力 3． 终极（拉伸）强度（UTS）—应力-应变曲线的顶端 4． 断裂强度—断裂时的压力 工程—测量值 实际值—导致颈缩的值（在 X-部位变化）（低于压缩强度，高于 UTS） 5． 疲劳强度—能够承受 10M 循环（水/油）断裂时的最大载荷 循环疲劳：材料在长时间承受循环压力下屈从，该力低于它的 UTS 但是高于它的“承受极限” ⇒ 断裂 举例：在行走过程中产生于髋关节处的载荷 Log 10 (# 循环) 脚后跟 受的冲 击 快 慢 脚尖离开 时间 人 体 重 量 的 多 变性 断裂应力 （MPa） 疲劳极限 （未断 裂）
3.051/BE.340 易疲劳的材料 有延展性的/塑性材料一金属和聚合物 有缺陷/各向异性的材料(多相复合) 裂缝首先发生在缺损/交界处 →随后的负载使裂缝蔓延出去 →发生灾难性的断裂 仿生对策 限制裂纹扩散(如:多层-骨) 再生组织(HAp植入或骨) 模量(GPa) 杨式模量终极拉伸强疲劳强度弯曲强度 材料 度QPa) (MPa) 钴铬铸件 214 450 655 240-280 钛 110 480 240 钛铝钒合金 120 316不锈钢 200 250 600260-280 氧化铝 550 皮层骨 17.4 115 121 208 甲基丙烯酸 2.2 甲酯水泥 超高分子量 聚乙烯
8 3.051/BE.340 易疲劳的材料： z 有延展性的/塑性材料—金属和聚合物 z 有缺陷/各向异性的材料（多相复合） 裂缝首先发生在缺损/交界处 ⇒ 随后的负载使裂缝蔓延出去 ⇒发生灾难性的断裂 仿生对策： z 限制裂纹扩散（如：多层-骨） z 再生组织（HAp 植入或骨） 材料 模量（GPa） 杨式模量 (MPa) 终极拉伸强 度(MPa) 疲劳强度 (MPa) 弯曲强度 (MPa) 钴铬铸件 214 450 655 240-280 钛 110 480 550 240 钛铝钒合金 120 795 860 300-600 316 不锈钢 200 250 600 260-280 氧化铝 380 --- 260 550 皮层骨 17.4 115 121 208 甲基丙烯酸 甲酯水泥 2.2 --- 29 90 超高分子量 聚乙烯 1 25 34
3.051/BE.340 韧性:会产生裂纹总的必要部分的测量(每单位体积材料)一应力-应变曲线下的总面 积 单位:(FA)(LL)= 韧性=∫cds=∫(a/D)lL 能量/体积 钢>三氧化二铝>聚甲基丙烯酸甲酯 硬度:度量对塑性变形的承受力;单位缺口面积的力 韧性测试 金刚石锥体顶端 缺口痕迹 dy Vicker的韧性数:HV=F/d12 注意:在受压情况下硬度与屈服强度有关 耐磨性:考査在滑动接触过程中材料的可移动及重置性 关节修复和固定中的关键问题 →加速腐蚀,耐磨产品(聚乙烯衬里) 米制的耐磨性:μ=摩擦的滑动系数
9 3.051/BE.340 ¾ 韧性：会产生裂纹总的必要部分的测量（每单位体积材料）—应力-应变曲线下的总面 积 韧性= 钢＞三氧化二铝＞聚甲基丙烯酸甲酯 ¾ 硬度：度量对塑性变形的承受力；单位缺口面积的力 韧性测试： Vicker 的韧性数：HV=F/d1 2 注意：在受压情况下硬度与屈服强度有关 ¾ 耐磨性：考查在滑动接触过程中材料的可移动及重置性 关节修复和固定中的关键问题 ⇒加速腐蚀，耐磨产品（聚乙烯衬里） 米制的耐磨性：μ=摩擦的滑动系数 金刚石锥体顶端 缺口痕迹 单位：（F/A）（L/L）= 能量/体积
3.051/BE.340 考虑在承受压力情况下,两个表面互相靠近:塑性接合是主要摩擦源 F 对于延展性材料而言,接触面积伴随F而增加: 压输HXA这里的H是硬度(或抗压屈服应力) 克服接合处的剪切应力的滑动力是 F剪切=YS剪切A =F剪/F压输=(YS)剪/H(较弱材料的材料常数) 对于μ较低:1.材料硬(离子注入钛) 2.剪切屈服应力低 润滑剂/界面(如:吸盘的超高分子量聚乙烯衬垫) 金属/金属 金属/非金属连接膝关节的软骨金属/润滑金属 0.3-1 0.3-0.5 0.005-0.002 0.05-0.12
10 3.051/BE.340 考虑在承受压力情况下，两个表面互相靠近：塑性接合是主要摩擦源 对于延展性材料而言，接触面积伴随 Fcom而增加： F 压缩 =H×A 这里的 H 是硬度(或抗压屈服应力) 克服接合处的剪切应力的滑动力是： F 剪切 =YS 剪切 A μ=F 剪切/F 压缩=(YS)剪切/H （较弱材料的材料常数） 对于μ较低： 1. 材料硬（离子注入钛） 2.剪切屈服应力低 -润滑剂/界面（如：吸盘的超高分子量聚乙烯衬垫） μ值 金属/金属 金属/非金属 连接膝关节的软骨 金属/润滑金属 0.3-1 0.3-0.5 0.005-0.002 0.05-0.12