生物材料 生物医学工程导论 模板PULSE

生物材料 生物医学材料的发展概况 生物材料的分类及性能 医用金属材料 医用高分子材料 其他生物医学材料 生物医学材料的安全性 生物材料的发展趋势 纳米医学材料简介

4.1 生物医学材料的发展概况 生物医学材料是生物医学科学中的最新分支学科，是生物、医学、化学和材料科学交叉形成的边缘学科。具体涉及到化学、物理学、高分子化学、高分子物理学、生物物理学、生物化学、生理学、药物学、基础与临床医学等很多学科 。 ISO定义，生物材料（Biomaterials）即生物医学材料（Biomedical Materials），它是指“以医疗为目的，用于与组织接触以形成功能的无生命的材料”。另有定义是：具有天然器官组织的功能或天然器官部分功能的材料。 生命科学—生物医学—生物医学材料

生物材料的开发和利用可追溯到3500年前，那时的古埃及人就开始利用棉纤维、马鬃作缝合线缝合伤口；印第安人则使用木片修补受伤的颅骨。2500年前，中国和埃及的墓葬中就发现有假牙、假鼻和假耳。人类很早就用黄金来修复缺损的牙齿，并沿用至今。1588年人们用黄金板修复颚骨。1775年就有用金属固定体内骨折的记载。1851年发明了天然橡胶的硫化方法后，有人采用硬胶木制作了人工牙托的颚骨。 器官移植取得巨大进展，但有难题：排异、器官来源、法律、伦理等。因此医学界对生物医学材料和人工器官的要求日益增加。

目前被详细研究过的生物材料已超过1000种，被广泛应用的有90多种，1800多种制品。西方国家每年耗用生物材料量以10~15%的速度增长，1980年全球医用生物材料及制品的销售额为200亿美元，1990年达500亿美元，1995年近1000亿美元。 我国生物材料的研究起步较晚（五十年代），但发展很快。

4.2 生物材料的分类及性能 两种分类方法 按应用性质来分类： 4.2 生物材料的分类及性能 两种分类方法 按应用性质来分类： 抗凝血材料（心血管材料）、齿科材料、骨科材料、眼科材料、吸附解毒材料（血液灌流用）、假体材料、缓释材料、生物粘合材料、透析及超滤用膜材料、一次性医用材料，等等。

按生物材料的属性分类： 天然生物材料—再生纤维、胶原、透明质酸、甲壳素等。 合成高分子生物材料—硅橡胶、聚氨脂及其嵌段共聚物、涤纶、尼龙、聚丙烯腈、聚烯烃 医用金属材料—不锈钢、钛及钛合金、钛镍记忆合金等 无机生物医学材料—碳素材料、生物活性陶瓷、玻璃材料 杂化生物材料—指来自活体的天然材料与合成材料的杂化，如胶原与聚乙烯醇的交联杂化等 复合生物材料—用碳纤维增强的塑料，用碳纤维或玻璃纤维增强的生物陶瓷、玻璃等

生物材料是研制人工器官及一些重要医疗技术的物质基础，综观人工器官及医疗装置的发展史，每一种新型生物材料的发现都引起了人工器官及医疗技术的飞跃。 生物惰性医用硅橡胶—人工耳、人工鼻、人工颌骨等 血液相容性较好的各向同性碳被复材料—碟片式机械心脏瓣膜 血液亲和性及物理机械性能较好的聚氨酯嵌段共聚物—促使人工心脏向临床应用跨越一大步 可形成假生物内膜的编织涤纶管—人工血管向实用化飞跃。

4.3 医用金属材料 在生物医学材料中，金属材料应用最早，已有数百年的历史。唐代就用银汞合金（主要成份：汞、银、铜、锡、锌）来补牙。 4.3 医用金属材料 在生物医学材料中，金属材料应用最早，已有数百年的历史。唐代就用银汞合金（主要成份：汞、银、铜、锡、锌）来补牙。 医用金属材料是指一类用作生物材料的金属或合金，又称外科用金属材料。它是一类生物惰性材料，除具有较高的机械强度和抗疲劳性能，具有良好的生物力学性能及相关的物理性质外，还必须具有优良的抗生理腐蚀性、生物相容性、无毒性和简易可行及确切的手术操作技术 .

该材料是临床应用最广泛的承力植入材料，由于有较高的强度和韧性，已成为骨和牙齿等硬组织修复和替换、心血管和软组织修复以及人工器官制造的主要材料。 化学周期表中的大部分金属不符合生物材料的要求，仅有小部分或经处理过的可用于临床。目前在临床使用的医用金属材料主要有不锈钢、钴基合金和钛基合金三大类，另外还有记忆合金、贵金属以及纯金属钽、铌和锆等。 锆GAO

常用医用金属材料 不锈钢 钴（Co）基合金 钛（Ti）基合金 形状记忆合金 贵金属 纯金属钽 纯金属铌 纯金属铬

4.3.1 不锈钢 铁基耐蚀合金（一般由铁、铬、镍、钼、锰、硅组成），易加工、价格低廉 。 不锈钢的耐蚀性和屈服强度可以通过冷加工而提高，避免疲劳断裂。 一般不锈钢制成多种形体，如针、钉、髓内针、齿冠、、三棱钉等器件和人工假体而用于临床，不锈钢还用于制作各种医疗仪器和手术器械。

器 械 包

4.3.2 钴（Co）基合金 含有较高的铬和钼，又称钴铬钼合金，具有极为优异的耐腐蚀性（比不锈钢高40倍）和耐磨性，综合力学性能和生物相容性良好，可通过精密铸造成形状复杂的精密修复体，有硬、中、软三种类型。 临床上主要用于 人工关节（特别是人体中受载荷最大的髋关节） 人工骨及骨科内处固定器件的制造 齿科修复中的义齿，各种铸造冠、嵌体及固定桥的制造 心血管外科及整形科等 由于其价格较高，加工困难，应用尚不普及。

人造髋关节的头杆部分。从股骨上端插进金属杆，杆头有一个金属头，它嵌在粘于髋骨窝中的一个塑料臼中。

4.3.3 钛（Ti）基合金 临床应用广泛，其质轻、比强度高、力学性质接近人骨、强度远低于纯钛，耐疲劳、耐蚀性均优于不锈钢和钴基合金，且生物相容性和表面活性好，是较为理想的一种植入材料。 抗断裂强度较低，耐磨性能不尽人意，加工困难。冶炼及成型工艺复杂，要求条件较高。 主要用于：修补颅骨，制成钛网或钛箔用于修复脑膜和腹膜、人工骨、关节、牙和矫形物、人工心脏瓣膜支架、人工心脏部件和脑止血夹、口腔颌面矫形颌修补、手术器械、医疗仪器颌人工假肢等。

头颅微型钢板

钛 板

4.3.4 形状记忆合金 自1951年美国首次报道Au-Cd（金-镉）合金具有形状记忆效应以来，目前已发现有20多种记忆合金，其中以镍钛合金在临床上应用最大。它在不同的温度下表现为不同的金属结构相。如低温时为单斜结构相，高温时为立方体结构相，前者柔软可随意变形，如拉直式屈曲，而后者刚硬，可恢复原来的形状，并在形状恢复过程中产生较大的恢复力。 1969年，那个被阿波罗登月舱带到月球上的环形天线，就是用极薄的记忆合金材料先在正常情况下按预定要求做好，然后降低温度把它压成一团，装进登月舱带上天去。放到月面上以后，在阳光照射下温度升高，当达到转变温度时，天线又“记”起了自己的本来面貌，变成一个巨大的半球形。

形状记忆合金可以分为三种： 单程记忆效应 双程记忆效应 全程记忆效应

特点：奇特的形状记忆功能、质轻、磁性微弱、强度较高、耐疲劳性能、高回弹性和生物相容性好等。 应用： 管腔狭窄的治疗（喉气管狭窄、食管狭窄、胆道狭窄、尿道狭窄及闭锁等）：支架安入管腔狭窄的部位后，能将狭窄管腔撑开，并与管壁相贴紧，固定好；其生物相容性好，长期安放对黏膜无明显损伤；其高回弹性能顺应管道的弯曲，对人体刺激小。 口腔科：用这种材料做成的种植牙具有齿槽骨切口小，固定牢靠等优点。 骨科：人工关节，断骨连接、弯曲脊柱矫正。 血管外科：治疗主动脉瘤、冠状动脉和椎动脉狭窄等。

4.3.5 贵金属（noble metal） 是一种金属或合金，如金子具有极高的抗氧化性和抗腐蚀性。贵金属具有独特稳定的物理和化学性能、优异的加工特性、对人体组织无毒副作用、刺激小等优良的生物学性能。主要用于口腔科的齿科修复，也可用于小型植入式电子医疗器械。

4.3.6 纯金属钽（Ta） 具有良好的抗生理腐蚀性和可塑性，独特的表面负电性使其具有优良的抗血栓性能和生物相容性，还有很高的抗缺口裂纹能力。植入骨内能和周围的新骨形成骨性结合；植入软组织中，肌肉等组织可依附在钽条上正常生长。 退火后的纯钽很软，可加工成板、带、箔、丝等使用。主要用作接骨板、颅骨板、骨螺钉、种植牙根、颌面修复体、义齿及外科手术缝线和缝合针； 钽网可用于肌肉缺损修补；钽丝和箔用于缝合修补受损的神经、肌腱和血管；钽还可以用于血管内支架及人工心脏、植入型电子装置；钽的同位素可用于放射治疗。只是由于钽的资源少、价格较高，使其推广受很大限制。

4.3.7 纯金属铌（Nb） 性能和应用范围与钽非常相似，用于修补颅骨和制作医疗器械。但由于来源困难，价格昂贵，使用受到限制，主要用于制造髓内钉等。

4.3.8 纯金属铬（Cr） 化学性能与金属钛相似，耐蚀性能、加工性能、稳定性和生物相容性都很好，主要用于人工骨和修补颅骨，可加工成各种板、带、线材在临床上使用。医用铬可与钛等同使用，但其价格较贵，在临床中较难推广。

4.4 医用高分子材料 低分子：分子量低于一千,如煤、糖、油、水泥、和抗菌素等。 中分子：分子量在数千范围，如维生素B12等。 4.4 医用高分子材料 低分子：分子量低于一千,如煤、糖、油、水泥、和抗菌素等。 中分子：分子量在数千范围，如维生素B12等。 高分子：分子量在几万至几百万，如蛋白质、棉、毛、木材、松香、橡胶、塑料、合成纤维。 医用高分子材料：在医学上应用的、尤其能在机体内使用的高分子材料。 天然树脂：如松香。 合成树脂：由低分子量的化合物经过各种化学反应而制得的高分子量的树脂状物质，如聚氯乙烯、聚乙烯。塑料主要成分就是合成树脂。 树脂一种源于植物的透明的黄色或棕色的固态或半固态的黏性物质，比如珂玛脂、松脂以及琥珀等，主要用于制漆、清漆、墨水、粘合剂、合成塑料以及药品

一些高分子与低分子化合物的分子量 一些高分子与低分子化合物的分子量 一些高分子与低分子化合物的分子量

命名： 通俗命名法，最简单的命名法，是根据制作高分子化合物的单体名称，前面冠以“聚”字而成。如聚乙烯、聚丙烯 习惯名称或商品名称来命名：如有机玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯）、涤纶（聚对苯二甲酸乙二醇酯）等。 医用高分子制品的研究，包括人工器官、医疗用品（输血输液用具、注射器、心导管、主动脉气囊反搏器、角膜接触镜、中心静脉插管、膀胱造瘘管、医用粘合剂以及各种医用导管、医用膜、创伤包扎材料和各种手术、护理用品等 ）和药用高分子（作为赋形剂 、合成新型药物 ）三大类。

4.4.1 天然高分子生物材料 人类机体的皮肤、肌肉、组织和器官都是由高分子化合物组成的，天然高分子生物材料是人类最早使用的医用材料之一。 天然材料具有不可替代的优点：功能多样性、与机体的相容性、生物可降解性以及对其进行改性与复合和杂化等研究。 目前天然高分子生物材料主要有： 天然蛋白质材料：胶原蛋白和纤维蛋白两种 天然多糖类材料：纤维素、甲壳素和壳聚糖等 它们由于结构和组成的差异，表现出不同的性质，应用于不同的方面。

4.4.1.1 天然蛋白质材料 ——胶原蛋白 脊椎动物的主要结构蛋白，是支持组织和结构组织（皮肤、肌腱和骨骼的有机质）的主要组成成分。 胶原来源广泛，被广泛应用。 由于胶原与人体组织相容性好，不易引起抗体产生，植入人体后无刺激性．无毒性反应，能促进细胞增殖，加快创口愈合并具有可降解性，可被人体吸收，降解产物也无毒副作用。 基本单位为原胶原蛋白，由三条α—肽链相互拧成的三股螺旋状结构的蛋白质，其分子量为30万左右。由不同种类的动物分离出来的胶原结构极其相似。

胶原分散体具有再生特性，可以将其加工成不同形状的制品而用于临床，并越来越受到人们重视。 胶原凝胶用作创伤敷料 粉末用于止血剂和药物释放系统 纺丝纤维用作人工血管、人工皮、人工肌腱和外科缝线 薄膜用于角膜、药物释放系统和组织引导再生材料 管用于人工血管、人工胆管和管状器官 空心纤维用于血液透析膜和人工肺膜 海绵用于创伤敷料和止血剂等。

4.4.1.1 天然蛋白质材料 ——纤维蛋白 是纤维蛋白原在生理条件下凝固而成的一种材料。 纤维蛋白可用不同方法进行化学改性，其中包括放射性碘化法、与合成高分子进行接枝和在纤维蛋白上进行酶的固定等。 纤维蛋白主要来源于血浆蛋白，因此具有明显的血液和组织相容性，无毒副作用和其他不良影响。作为止血剂、创伤愈合剂和可降解生物材料在临床上已经应用很久；它的主要生理功能为止血，另外还可明显促进创伤的愈合；还可作为一种骨架，促进细胞的生长；并具有一定的杀菌作用。

纤维蛋白在临床上比较普遍使用的应用形式： 纤维蛋白原的就地凝固，用于眼科手术的组织粘合剂，肺切除后胸腔填充物和外科手术中的止血 纤维蛋白粉末，用作止血剂，可以与抗菌素共用，用作充填慢性骨炎和骨髓炎手术后的骨缺损 纤维蛋白海绵，用作止血剂、扁平瘢的治疗和唾液腺外科手术后的填充物 组织代用品，商品名Bioplast，主要用于关节成型术、视网膜脱离、眼外科治疗、肝脏止血及疝气修复等 纤维蛋白薄膜，用于神经外科：替代硬脑膜和保护末梢神经缝线；用于烧伤治疗：消除颌面窦和口腔间的穿孔。

4.4.1.2 天然多糖类材料 多糖是由许多单糖分子经失水缩聚，通过糖苷键结合而成的天然高分子化合物。 自然界广泛存在的多糖主要有： 均聚糖：多糖水解后只产生一种单糖，如纤维素、淀粉 杂聚糖：水解产物是两种或两种以上的单糖，如菊粉等。 自然界广泛存在的多糖主要有： 植物多糖，如纤维素、半纤维素、淀粉、果胶等； 动物多糖，如甲壳素、壳聚糖、肝素、硫酸软骨素等； 琼脂多糖，如琼脂、海藻酸、角叉藻聚糖等； 菌类多糖，如D—葡聚糖、D—半乳聚糖、甘露聚糖等； 微生物多糖，如右旋糖酐、凝乳糖、出芽短梗孢糖等。 研究较多的多糖类材料为纤维素、甲壳素和壳聚糖。

4.4.1.2 天然多糖类材料 ——纤维素 葡萄糖经由糖苷键连结的高分子化合物。它具有不同的构型和结晶形式，是构成植物细胞壁的主要成分，是存在于自然界中数量最多的碳水化合物。结构复杂，至今仍未被完全了解。 天然的纤维素属于纤维Ⅰ型，再生纤维素属于纤维Ⅱ型，后者结构更为稳定。不同的天然纤维素其结晶度有明显差异，随着结晶度的提高，其抗张强度、硬度、密度增加，但弹性、韧性、膨胀性、吸水性和化学反应性下降。

在医学上的应用形式主要是制造各种医用膜： 硝酸纤维素膜：用于血液透析和过滤，但由于制膜困难及不稳定等缺点，已逐渐被其他材料取代 粘胶纤维（人造丝）或赛珞玢（玻璃纸）管：用于透析，但由于含有磺化物及尿素、肌酐的透析性不好等原因，作为透析用的赛珞玢逐渐被淘汰 再生纤维素（铜珞玢）：是目前人工肾使用较多的透析膜材料，对溶质的传递，纤维素膜起到筛网和微孔壁垒作用 醋酸纤维素膜，主要用于血透析系统 全氟代酰基纤维素：用于制造代膜式肺、人工心瓣膜、人工细胞膜层，各种导管、插管和分流管等

4.4.1.2 天然多糖类材料 ——甲壳素 化学名称为聚N-乙酰-D葡萄糖胺，分子式为（C3H13NO5）n，属于氨基多糖，是仅有的具有明显碱性的天然多糖。 广泛存在于低等植物及甲壳动物的外壳中，其每年生物合成资源最高达1000亿吨，是地球上仅次于植物纤维的第二大生物资源。 是一种来源于动物的天然多糖，普遍存在于虾、蟹等低等动物及昆虫等节肢动物的外壳中。将甲壳动物的外壳通过酸碱处理，脱去钙、盐和蛋白质，即得到甲壳质。

被科学家誉为继蛋白质、糖、脂肪、维生素、矿物质以外的第六生命要素。甲壳素有强化免疫、降血糖、降血脂、降血压、强化肝脏机能、活化细胞、调节植物神经系统及内分泌系统等功能，还可作为保健材料，用于健康无害烟、护肤产品、保健内衣等。 作为医用生物材料可用于： 医用敷料：甲壳素具有良好的组织相容性，可灭菌、促进伤口愈合、吸收伤口渗出物且不脱水收缩 药物缓释剂： 基本为中性，可与任何药物配伍 止血棉、止血剂：在血管内注射高粘度甲壳素，可形成血栓口愈合剂，使血管闭塞，从而在手术中达到止血目的，较注射明胶海绵等常规止血方法，操作容易，感染少。

甲壳素缝线的电镜照片

甲壳素人工皮的电镜照片

4.4.1.2 天然多糖类材料 ——壳聚糖 是甲壳素去除部分乙酸基后的产物（甲壳素的衍生物），甲壳素继续用浓碱乙酸基化则得到壳聚糖，具有一定的粘度，无毒、无害、无副作用。 不溶于水和碱液，但可溶于多种酸溶液中。 它具有较多的侧基官能团，可进行酯化、醚化、氧化、磺化以及接枝交联等反应对其进行改性。特别是磺化产品，其结构与肝素极其相似，可作为肝素的代用品作抗凝剂。 健康食物

适用广，生物相容性良好的新型生物材料正在受到人们的普遍重视，目前在医学多上用于： 可吸收性缝合线，用于消化道和整形外科 人工皮，用于整形外科、皮肤外科，用于Ⅱ、Ⅲ度烧伤，采皮伤和植皮伤等 细胞培养，制备不同形状的微胶囊，培养高浓度细胞，如包封的是活细胞，则构成人工生物器官 海绵，用于拔牙患 、囊肿切除、齿科切除部分的保护材料 眼科敷料，可生成较多的成胶原和成纤维细胞 隐形眼镜 膜，用于药物释放系统和组织引导再生材料 固相酶载体

4.4.2 合成高分子生物材料 合成高分子材料已经迅速地取代了除了食品以外的许多宝贵天然资源。 合成高分子生物材料是指利用聚合方法制备的一类生物材料。由于合成高分子可以通过组成和结构控制而具有多种多样的物理和化学性质。 医用高分子材料科学是一门新兴的边缘学科，是生物医学工程的一个主要分支，合成高分子材料已成为制造各种人工器官、软硬组织修复体、医用粘结剂、缝合线、人造血液等的最主要的也是用量最大的生物材料。

合成高分子材料的组成物（单体，添加剂等）可能向生物环境释放，有可能导致毒性反应。 其弹性模量低和弹性常使其不能用于承受较大负荷的体位的修复。 合成高分子生物材料可分为： 生物不可降解的：硅橡胶、聚氨酯、环氧树脂、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸酯水凝胶、α一氰基丙烯酸酯类、聚酸胺和饱和聚酯等。 生物可降解的：聚乙烯醇、聚乳酸、聚乙内酯、乳酸一乙醇酸共聚物和聚β一羟基丁酸酯等。

4.4.2 合成高分子生物材料 ——硅橡胶 平均分子量>40万，有机硅弹性体的主要成分，是含有硅原子的特种合成橡胶的总称。 它具有优异的生理特性：无毒无味、生物相容性好、耐生物老化、较好的抗凝血性、长期植入体内物理性能下降甚微、耐高温严寒（ -90°－ 250°）良好的电绝缘性、耐氧老化性、耐光老化性以及防霉性、化学稳定性等。 在医学上主要用于粘合剂、导管、整形和修复外科（人工关节、皮肤扩张、烧伤的皮肤创面保护、人工鼻梁、人工耳廓和人工眼环）、缓释和控释等。

防噪音耳塞：佩戴舒适，阻隔噪音，保护耳膜。 胎头吸引器：操作简便，使用安全，可根据胎儿头部大小变形，吸引时胎儿头皮不会被吸起，可避免头皮血肿和颅内损伤等弊病，能大大减轻难产孕妇分娩时的痛苦。 人造血管：具有特殊的生理机能，能做到与人体“亲密无间”，人的机体也不排斥它，经过一定时间，就会与人体组织完全事例起来稳定性极为良好。 鼓膜修补片：其片薄而柔软，光洁度和韧性都良好。是修补耳膜的理想材料，且操作简便，效果颇佳。 此外还有硅橡胶人造气管、人造肺、人造骨、硅橡胶十二指肠管等，功效都十分理想。

硅橡胶医用导管类

4.4.2 合成高分子生物材料 ——聚氨酯（PU，Polyurethane） 是聚醚、聚酯和二异氰酸酯的总称。 具有良好的延伸性和抗挠曲性，强度高、耐磨损，血液相容性、抗血栓性能好，且不损伤血液成分，使其在医疗领域得到广泛应用。 主要用于人工心脏搏动膜、心血管医学元件、人工心脏、辅助循环、人工血管、体外循环血液路、药物释放体系、缝合线与软组织粘合剂绷带、敷料、吸血材料、人工软骨和血液净化器具的密封剂等。

4.4.2 合成高分子生物材料 ——环氧树脂（Epoxy Resin） 基本特性是所用单体中至少含有一个环氧基团。环氧基可与含有“活泼氢”的化合物发生反应，因此可用适当的胺或某些酸类催化作均聚反应。 主要用途：与玻璃布一起用于骨折的开放性复位和固定，粘合骨头加强氧化铝的髋关节髁，牙科充填材料，电子起搏器与体液分开的保护层（灌封）。眼睑修补术和加固颅动脉瘤和脑电极探针的绝缘等。 髁ke

4.4.2合成高分子生物材料——聚氯乙烯（PVC，氯纶） 是由单体氯乙烯聚合而成的合成树脂，是用量最大的医用高分子材料。 原料丰富、聚合容易、抗凝血性能良好，但耐热性不高（<70℃）。通过添加物的应用可使改变为具有可屈挠性能。 在医学中用量最大的是制作塑料输血输液袋，可提高红细胞和血小板的生存率；还可用于医用导管、人工输尿管、胆管和心脏瓣膜、血泵隔膜、增补面部组织、青光眼引流管和中耳孔等。软质PVC的毒性问题仍有争议，目前只能用于制造与人体短期接触的制品。 塑料袋成分，单体有毒

聚氯乙烯树脂

4.4.2合成高分子生物材料 ——聚四氟乙烯（PTFE） 又名泰氟隆（Teflon），热塑性塑料，最好的耐高温塑料，结晶熔点高达327℃，几乎完全是化学惰性的，具有自润滑性或非粘性，不易被组织液浸润。 主要用于人工输尿管、胆管、气管、喉、韧带和肌腱人工血液、人工心脏瓣膜、下颌骨、髋关节和皮肤、增强皮肤、修复眼眶骨、组织引导再生材料、人工血管、涤纶缝线和涂层、外科用引流管及插管、巩膜的系扣和在耳鼻手术上作为插入的薄膜以防止粘连；食管扩张器、心脏瓣膜的缝合环、血液相容性丝绒、修补肺动脉和室间隔的缺损、血管闭塞物、缝线及动脉修补、包裹动脉癌及内淋巴液分流器等。

4.4.2 合成高分子生物材料 ——聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA） 又称有机玻璃，属于丙烯酸类塑料，是目前塑料中透明度最好的一种。具有良好的生物相容性、耐老化性，机械强度较高。 用于剜出后的植入物、隐形眼镜、可植入透镜、人工角膜和假牙、人工喉、食管和腕骨、闭塞器、喉支持膜、牙科夹板、气管切开导管和吻合钮、鼻窦的植入性引管、经皮装置和用于实验的标本箱及人工器官外壳等；增补面部的软和硬组织，特别是修补眼窝的爆裂骨折；颅骨缺损时的替代骨片；充填乳突切除后的遗留腔隙；听小骨部分的替代物和脊椎鼓节段的固定，颅内动脉瘤的加固和充填静脉瘤囊以使之稳定，牙科某些直接充填树脂的基础等。

爱尔康一片式PMMA人工晶体

Acrysof 丙烯酸酯折叠人工晶体

4.5其他生物医学材料 4.5.1无机生物医学材料 18世纪初开始应用。无毒、与生物体组织有良好的生物相容性、耐腐蚀。 包括生物陶瓷、生物玻璃和碳素材料三大类，主要用于齿科、骨科修复和植入材料。 基本都是脆性材料，容易破裂，发展方向应向开发复合（多相）生物材料以及在金属基体上加涂无机生物陶瓷涂层（薄膜）材料的方面引导。

4.5.1无机生物医学材料 ——生物陶瓷 有各种不同的化学成分，根据其在生理环境中的化学活性和性质可分为四类： 近似于惰性：三氧化二铝、氧化锆等氧化物生物陶瓷，Si3N4、钛酸钡等非氧化物生物陶瓷以及医用碳素等，这类材料长期暴露于生理环境下能保持稳定。 表面活性：羟基磷灰石生物活性陶瓷和生物活性玻璃陶瓷，在生理环境中可通过其表面发生的生物化学反应与组织形成化学键性结合，起到了适合新生骨沉积的生理支架作用，也就是所谓的“骨引导”和“骨传导”作用。

可吸收性：如石膏、磷酸三钙陶瓷，在生理环境中可逐渐被降解吸收，诱导骨质生长，并随之被新组织所替代，从而达到修复或替换病损组织的目的 。 复合型：生物陶瓷与生物陶瓷或与其他无机材料、有机材料复合而成的复合型材料。根据临床的不同要求可以制成不同类型的复合材料。 在临床上生物陶瓷主要用于肌肉一骨骼系统的修复和替换，也可用于心血管系统的修复、制作药物释放和传递的载体。复合型的生物陶瓷还可以用于制造人工腱和韧带等。

Al2O3-金属组合全髋关节

4.5.1 无机生物医学材料 ——生物玻璃 是经特别设计的化学组成可诱发生物活性的含氧化硅化合物。一般把原料粉末按成分要求配比混合均匀，将粉末在高温炉内熔化，再将融化好的玻璃浇注成型（板、条、块等形状），然后在适当温度进行退火处理（消除应力），即可得到玻璃。 如将某些玻璃在适当的高温进行晶化处理，则玻璃中可析出大量微小晶体，这样的玻璃称为微晶玻璃、结晶化玻璃或玻璃陶瓷。

生物玻璃材料大致可分为两类：非活性的近似惰性的和生物活性的。 在非活性生物玻璃及生物玻璃陶瓷中包括： 人工骨用生物医学玻璃，它具有良好的耐酸碱腐蚀特性、生物相容性和耐磨性能； 治疗用生物医学玻璃，可埋入肿瘤部位，通过在磁场下发热的特性或其内部的同位素放出的射线杀死癌细胞，也有良好的生物相容性； 人工齿冠用生物医学玻璃陶瓷，具有制作容易、审美性高、强度高、适应性好、生物相容性好、类似天然齿等优点。

活性生物玻璃及生物玻璃陶瓷，通常要求SiO2的含量低于60%，同时含有NaO以及CaO／P2O5。这种材料生物相容性好，植入体内后能在界面上通过一系列离子交换和溶解—沉淀反应，在其表面形成磷灰石晶体，残留下的玻璃被巨嗜细胞侵蚀，玻璃表面被基质类物质覆盖，玻璃附近的软骨芽细胞和造骨细胞的增殖趋于活跃，不久就形成了骨胶原纤维和磷灰石结晶，从而和软组织及组织成骨键合，骨组织和软组织很容易在其表面生长，其生物活性主要与化学组成相关。这种材料强度低，断裂韧性差，主要用于非承力的骨、指骨、牙齿等，也可作为钛合金牙种植体的表面涂层。

4.5.1 无机生物医学材料 ——碳素材料 指作为生物医学使用的各种碳素及其复合材料 具有极好的抗血栓性，作为生物医学材料使用的主要有三种：玻璃碳、低温各向同性碳和超低温各向同性碳。这三种碳在生理环境中化学性质稳定，也不发生疲劳破坏，是生物相容性非常好的一类惰性材料。它的最大优点是血液相容性好，不可渗透性，再加上优良的力学性能，使其在医学上得到广泛使用，

主要用于制造心血管修复体的重要材料、人工骨、人工牙根、肌腱和人工韧带等，还可用于人工软骨、人工中耳、人工关节运动磨损表面作为减磨涂层和血液净化等。尤其是它的较高的抗血栓性、耐磨性、低比重和长期使用不劣化等性能，使碳素材料几乎是目前唯一可选用的人工心脏瓣膜材料。

4.5.2 杂化生物材料与组织工程 4.5.2.1 杂化生物材料 是由活体材料和非活体材料组成的复合体。它主要包括合成材料与生物体高分子材料或与细胞的杂化。从广义上讲，它包括所有的人工材料与生物体高分子和生理活性物质的杂化。例如： 胶原/聚乙烯醇杂化材料，可增进组织细胞的增殖 胶原/葡萄糖膜上被覆一层硅橡胶可作为人工皮使用 杂化生物材料主要包括三类： 用于组织结构材料的多糖类等生理活性物质杂化材料 以固定酶为代表的功能性杂化材料 杂化细胞

与生理活性物质杂化较典型的材料有： 表面肝素化材料，主要用于抗凝血材料；固定化前列腺素材料，可以防治血小板减少和血栓形成；固定化肝素共前列腺素材料，可同时发挥抑制凝血系统和抑制血小板系统的功效而达到理想的抗凝血效果；固定化肝素与抗菌素材料，可防止血栓形成及同时避免感染，固定化肝素与尿激酶材料，即可阻止血栓形成，又可将已经形成的血栓核溶解等等。 与生物体高分子杂化主要包括与酶、抗体、抗原、激素和细胞等的杂化。这类材料除可作为人体组织、器官的结构材料外，还可利用其情报机能作为信息转换的手段，制备有用的物质以及制造药物等；并可用于生物传感器、细胞培养材料、诊断治疗和免疫隔离等方面。

与细胞杂化是在人工器官上培养活体细胞，使之增殖，有利于人工器官的植入；除了作为人体组织和器官的结构材料外，利用细胞本身的信息功能可得到新的功能性控制材料，亦可促进细胞更快地生长。 杂化生物材料主要用于人工胰脏、人工肝脏、人工胸腺、人工肾脏、人工皮和人工血管等。

4.5.2.2 组织工程 在杂化生物材料的基础上发展的。 组织工程是近年来一门新兴的多学科交叉生命科学，目的是修复和再生受损组织或器官，帮助病人恢复受损组织的功能，提高生活质量，解决器官短缺和免疫抑制等问题。 组织工程的定义：它利用工程学和生命科学的基本原理，开发能恢复、维持或改善受损组织或器官功能的生物替代物。它综合了细胞生物学、工程学、材料学和临床医学领域，用活细胞和细胞外基质或骨架构造一个新的功能化组织或器官。 组织工程领域的研究包括新型聚合物的合成、信号传导、培养细胞的基因调节和移植有关的免疫问题等。

组织工程研究的三个方面是：（1）替换被分离除去的细胞或功能发挥所需要的细胞替代物；（2）产生或传递组织诱导物质，如生长因子、信号分子等；（3）结合细胞与生物材料，具体是在基质表面或内部接种细胞 。 人们研制了许多组织工程产品，包括皮肤组织、软骨组织、腱组织、骨组织、心脏瓣膜、肝组织等。

4.6 生物医学材料的安全性 生物医学材料的安全性评价：指采用生物学的方法来检测被检材料对受体的毒副作用，从而预测该材料在医学实际应用中的安全性；包括对局部组织、血液与整体反应及对受体的遗传效应。 生物材料的安全性评价本身是一个不断发展的领域，“安全性”是相对的概念。 根据材料与制品使用目的的不同制定各种安全性评价程序。 ASTM（美国材料试验标准 ）。

4.7 生物材料的发展趋势 生物材料的开发和研究已逐步转向 复合型 杂化型 功能型：指在生理环境下表现为特殊功能的材料，形状记忆材料，组织引导再生（Guided Tissue Regeneration，GTR）材料。 智能型：指能模仿生命系统，同时具有感知和驱动双重功能的材料。感知、反馈和响应是该材料的三大要素。将高新技术、传感器和执行元件与传统材料结合在一起，赋予材料新的性能，使无生命的材料具有越来越多的生物特性。 当前国内外生物材料开发研究的主要趋势，是致力于提高材料的生物相容性，致力于开发生物相容性好、更能适应人体生理需要的新材料。

4.8 纳米医学材料简介 1纳米（ Nanometre， nm）=1毫微米，即十亿分之一米（10-9米），相当于4个原子的直径或细胞内DNA双螺旋结构的半径。 纳米科学技术（NanoST）：在纳米级微观环境下工作，它是一种操纵原子、分子或原子团和分子团使其形成所需要物质，以0.1到100nm的空间尺度范围作为研究与应用的对象，研究其内在规律与特点，并运用这些特性制造具有特定功能的物品与设备的一项高新科学技术，许多特性如，纳米尺度的生物大分子能导电、纳米微粒的抗菌作用等只有在纳米级时才可显现出来。

纳米聚酯

纳米材料的独特特性就在于它的小尺寸效应与界面效应以及纳米结构单元之间的交互作用。 此技术是于20世纪90年代发展起来的。 纳米材料的独特特性就在于它的小尺寸效应与界面效应以及纳米结构单元之间的交互作用。 纳米陶瓷材料用于人工骨关节、牙齿修复、耳骨修复等，其强度、韧性、硬度以及超塑性都有显著提高。 新型纳米抗炎敷料，表面结构发生根本性变化，面积显著增大，杀菌效果增加百倍以上。 利用纳米技术的DNA复制与自我生长、自我制造机理，可研制出有生物相容性的各种人体器官和骨骼修复剂与自生长材料、人血代用品等。 可利用纳米薄层能分解有机物、抑制细菌滋生的自我清洁特性可制成各种无菌器械用于临床。 在医疗保健领域，用掺入多种微量矿物质元素的微元化纤维及陶瓷纤维等纳米材料，可制成衣物、垫料等，有助于关节炎等病症的治疗、屏蔽电磁波能量，保障人体不受侵害。 加入了纳米材料的食品还可杀菌并提高胃肠吸收能力。