生物医学工程概论 ——复习课 天津工业大学 张雯

一、生物医学工程概述

1.1 生物医学工程的定义 1.2 生物医学工程的研究内容与基本任务 1.3 生物医学工程学科的特点 Tianjin Polytechnic University

1.1 生物医学工程的定义 What is Biomedical Engineering (BME)? 边缘交叉科学 (Interdisciplinary) 综 合：生物学、医学、工程学的理论和方法； 　 近几十年内建立与发展。 Tianjin Polytechnic University

一般定义 应用物理学和工程学的技术来解决生命系统中的问题，突出强调人类疾病的诊断、治疗和预防。 Tianjin Polytechnic University

生物医学工程的目标 几乎所有工程学和物理学都可与生物医学相互结合 探索人类正常生理学 表征组织与器官的病变机理 给出研究和技术开发的最佳手段  提供治疗与预防的有效方法 Tianjin Polytechnic University

基本任务 研究方法 1.2生物医学工程研究内容和基本任务 生物医学工程学的基本任务是运用工程技术手段，研究和解决生物学和医学中的有关问题。 生物医学工程学以应用基础性研究为主，研究的对象是人体(一个多层次的庞大系统)，所涉及的领域十分广泛，并在不断的扩展之中。 Tianjin Polytechnic University

医学、生物学、物理学、化学、力学、材料学、制造学、电子学、计算机科学等…… 1.3 生物医学工程学科的特点 生物医学工程的特点 新兴、综合、交叉与边缘科学 目前涉及较多的学科 医学、生物学、物理学、化学、力学、材料学、制造学、电子学、计算机科学等…… Tianjin Polytechnic University

主要研究领域 各研究领域既相互独立，又相互交叉，相互支撑 生物力学 生物材料学 系统生物建模与仿真 物理因子在治疗中应用及生物学效应 生物医学信号与传感器 生物医学信息处理 医学图像技术 人工器官 各研究领域既相互独立，又相互交叉，相互支撑 Tianjin Polytechnic University

生物力学 主要内容: 研究生物体和力学有关的问题的学科 利用力学的基本原理和方法，结合生理学、医学和生物学来研究生物体特别是人体功能、生长、消亡及运动的规律。 应用生物力学的研究成果，指导人工关节、人工心脏瓣膜等人工器官的设计。 Tianjin Polytechnic University

生物材料 研究用以治疗或替换机体内的组织、器官或增强其功能的材料，以及这些材料与生物体之间的相互作用的学科。 主要分为——医用合成或天然高分子材料、医用金属材料、医学陶瓷，医用复合材料等类。 Tianjin Polytechnic University

生物系统建模与仿真 生物系统建模 对生物的细胞、器官和整体各个层次的行为、参数及其关系建立数学模型的工作，最终希望用数学的形式表达出来。 建模的目的——是更好地了解生物系统的行为及规律，为生物控制奠定基础。 Tianjin Polytechnic University

生物系统的仿真 用电子计算机求解生物系统的数学模型以分析和预测各种条件下生物系统运行机制和状态的工作。 生物系统的仿真 用电子计算机求解生物系统的数学模型以分析和预测各种条件下生物系统运行机制和状态的工作。 Tianjin Polytechnic University

生物医学信号检测与传感器 生物医学信号检测： 生物医学传感器： 对生物体中包含的生命现象、状态、性质及变量和成分等信息的信号进行检测和量化的技术。 生物医学传感器： 获取各种生物信息并将其转换成易于测量和处理的信号的器件，是生物医学信号检测的关键技术。 Tianjin Polytechnic University

生物医学信号处理 生物医学信号——一般都是伴随着噪声和干扰的信号……信号中无用成份亦应视为检测中的干扰。 生物信息处理技术： 研究从被检测的湮没在干扰和噪声中的生物医学信号中提取有用的生物医学信息的方法。 Tianjin Polytechnic University

图像处理: 对已获得的医学图像进行分析、识别、分割、解释、分类以及作三维重建与显示，其目的——是把获得的医学图像的某些部分增强，或提取某些特征，为医生提供感兴趣的信息。 成像与图像处理技术有时是结合成一体的。 Tianjin Polytechnic University

人工器官 当人体器官病伤而不能用常规方法医治时，有可能给病人使用一种人工制造的装置来部分或全部替代病损的自然器官，以补偿、替代或修复自然器官的功能，这样的器件或装置称为人工器官。 Tianjin Polytechnic University

二. 生物医用材料

2.1 定义及内涵 2.2 基本性能要求 2.3 分类方法 Tianjin Polytechnic University

2.1 生物医学材料的定义 （1）生物材料 (Biomaterials)： －－其定义随科学技术的发展而演变 （1）生物材料 (Biomaterials)： “植入活体内或与活体结合而设计的与活体系统不起药物反应的惰性物质” －－1960‘s，Clemson Univ., USA 随着生物材料的发展，该定义已明显不适应生物材料的功能与范畴的飞速发展。 －－－载药生物材料、生物活性材料 Tianjin Polytechnic University

生物医用材料一般定义： 对生物体进行诊断、治疗和置换损坏组织、器官或增进其功能的材料。 Tianjin Polytechnic University

2.2 生物医学材料的基本性能要求 B、生物相容性 (Biocompatibility) A、生物功能性 (Biofunctionability) B、生物相容性 (Biocompatibility) C、生物安全性 (Biological Safety) Tianjin Polytechnic University

A、生物医学材料的生物功能性 生物医学材料的生物功能性——生物医学材料在植入后行使功能的能力，或为执行功能，其自身和植入位置应当满足的适当的物理化学要求。 生物医学材料能否有效行使功能，除与其自身物理化学性质相关外，还和其所处的生物环境相关。 Tianjin Polytechnic University

B、生物医学材料的生物相容性 生物相容性——生命体组织与非生命材料产生合乎要求的反应(生物学行为)的一种性能，决定于材料与活体间的相互作用。 Tianjin Polytechnic University

B、生物医学材料的生物相容性 材料与活体间相互作用 宿主反应 材料反应 生物材料的生物相容性评价应该分为两个方面 Tianjin Polytechnic University

B、生物医学材料的生物相容性 （1）宿主反应——生物体对生物材料的响应 即材料对机体系统的作用 包括局部和全身反应，其结果导致对机体的毒副作用和机体对材料的排斥。 炎症、细胞毒性、溶血、刺激性、致敏、致癌、致诱变、致畸、免疫反应等。 Tianjin Polytechnic University

B、生物医学材料的生物相容性 材料的生物相容性与其使用的环境和条件密切相关： 与血液直接接触的材料主要考察其与血液的相互作用，称为血液相容性 与肌肉、骨骼、皮肤等长期接触材料的生物相容性，称为组织相容性 Tianjin Polytechnic University

B、生物医学材料的生物相容性 金属腐蚀 聚合物降解 磨损 主要来自生物环境对材料的腐蚀和降解，可能使材料性质腐蚀变化，甚至破坏。 （2）材料反应——材料在生物体内的响应 主要来自生物环境对材料的腐蚀和降解，可能使材料性质腐蚀变化，甚至破坏。 金属腐蚀 聚合物降解 磨损 Tianjin Polytechnic University

C、生物医学材料的生物安全性 采用生物学方法检测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：材料对受体局部组织； 血液和整体的反应； 对受体的遗传效应等。 Tianjin Polytechnic University

C、生物医学材料的生物安全性 目前已有的标准有： 1、ISO10993.1－1992至 ISO10993.12－1992； 2、美国ASTM（F748－82）标准； 3、我国在美国和日本的基础上，1997年由 卫生部颁布了我们自己的标准。 Tianjin Polytechnic University

2.3 生物医学材料的分类 A、按材料化学组份划分 B、按材料来源划分 C、按使用要求划分 D、按应用部位及功能划分 Tianjin Polytechnic University

A、按材料化学组份划分 (1)、无机生物医学材料 (2)、金属及合金生物医学材料 (3)、高分子生物医学材料 (4)、复合生物医学材料 (5)、生物功能材料 Tianjin Polytechnic University

A、按材料化学组份划分 生物功能材料(Biologically Functional Materials) 采用物理或化学的方法将生物活性分子如酶、抗体、抗原、多糖类、酯类、药物及细胞等固定在材料表面或内部，构成具有生理功能的生物医学材料。 Tianjin Polytechnic University

B、按材料来源分类： 1、自体材料 2、同种异体器官及组织； 3、异体器官及组织； 4、人工合成材料； 5、天然材料 Tianjin Polytechnic University

C、按照使用要求分为：  植入与非植入材料  血液接触材料  一次性使用材料与重复使用材料  生物活性与生物惰性材料  植入与非植入材料  血液接触材料  一次性使用材料与重复使用材料  生物活性与生物惰性材料  生物降解材料与非生物降解材料等 Tianjin Polytechnic University

D、按材料应用部位及功能划分  硬组织材料  软组织材料  心血管材料  血液代用材料  齿科材料  分离、过滤材料  硬组织材料  软组织材料  心血管材料  血液代用材料  齿科材料  分离、过滤材料  膜透析材料 … … … … Tianjin Polytechnic University

物相容性评价 （2） 研究新的降解材料 （3） 研究具有全面生理功能的人工 生物医用材料的研究和发展方向主要为： (1) 改进和发展生物医用材料的生 物相容性评价 （2） 研究新的降解材料 （3） 研究具有全面生理功能的人工 器官和组织材料 （4） 研究新的药物载体材料 （5） 材料表面改性的研究 Tianjin Polytechnic University

三. 生物降解高分子材料

3.1 简述生物降解高分子材料 3.2 生物降解高分子材料的制备 及应用 Tianjin Polytechnic University

3.1 简述生物降解高分子材料 15世纪美洲玛雅人用天然橡胶做容器，雨具等生活用品。 1870年，美国人Hyatt用硝化纤维素和樟脑制得的“赛璐珞”塑料，是有划时代意义的一种人造高分子材料。 1907年出现合成高分子酚醛树脂，标志着人类应用合成高分子材料的开始 Tianjin Polytechnic University

3.1 简述生物降解高分子材料 1932年，Hermann Staudinger总结了自己的大分子理论，出版了划时代的巨著《高分子有机化合物》成为高分子化学作为一门新兴学科建立的标志，高分子学科出现。 1956年，Szwarc提出“活性聚合”概念，高分子进入分子设计时代。 1970年以后，高分子合成新技术不断涌现，高分子新材料层出不穷。 Tianjin Polytechnic University

焚烧？ 填埋？ ★ 高分子材料使用废弃后，如何处理？ 回收再利用？ 产生有害气体 造成二次污染 占用大量土地； 造成土壤恶化。 难度大； CO、CO2、SO2、NH3、CH4、HCN、HCl、 等 。 回收再利用？ 填埋？ 难度大； 成本高。

高分子材料的降解性 .概念——聚合物的降解反应是指聚合物分子链在机械力、热、高能辐射、超声波或化学反应等的作用下，分裂成较小聚合度产物的反应过程。 Tianjin Polytechnic University

高分子材料的降解类型 生物降解 降解 类型 氧化降解 光降解 机械降解 化学降解 热降解 Tianjin Polytechnic University

生物降解塑料 生物可降解塑料可以在细菌、酶和微生物的侵入、吸收及破坏下产生分子链的断裂，从而达到降解、崩溃的结果。

生物降解塑料 生物降解塑料有两种不同的降解方式: 一种称为生物降解，主要是由微生物的作用使塑料分子链断裂； 另一种称为生物崩溃，虽然也是微生物或细菌的作用，但塑料的降解过程表现为整体的崩溃，是一种突变过程。

A. 在环境领域中的应用 3.2 生物降解高分子材料的制备及应用 （1）淀粉基生物降解材料 目前淀粉填充塑料多用淀粉与PE、PVC、PP 和PS等高聚物共混，通过挤塑、模压、注塑、发泡等方法制得。 但是，填充型材料不能完全降解！ 原 因： 淀粉分子含有大量羟基，分子间及分子内氢键作用很强，从而导致其分解温度低于熔融温度，热塑性差，较难通过传统塑料机械来进行热塑性成型加工。 Tianjin Polytechnic University

A. 在环境领域中的应用 （2）淀粉基完全降解生物材料 现行常用的对淀粉进行增塑的方法主要有以下几种： B. 淀粉的接枝改性法——淀粉分子上的自由基被其他基团取代,从而改变了淀粉的性能,使淀粉具有热塑性（酯化淀粉、醚化淀粉等）； Tianjin Polytechnic University

A. 在环境领域中的应用 （2）淀粉基完全降解生物材料 C. 淀粉包覆改性法——将淀粉用一种或几种高分子包覆,从而使淀粉具有热塑性的方法。 包覆剂常用的有聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、乙烯#醋酸乙烯共聚物(EVA)、聚醚类、聚酯类和偶联剂等。 Tianjin Polytechnic University

B、农业领域 目前使用的农用生物降解材料包括农用覆盖膜和药物控释。 A.农用覆盖膜 采用生物降解材料制成的塑料薄膜，可以保持水分、提高土温，去除杂草，有利于作物生长，废弃物生物降解，不会造成土壤板结，养分流失，避免作物根部破坏，防止作物矮化和死亡。同时农肥和水的需量也相应减少。 Tianjin Polytechnic University

B、农用药物的控释（CR） 农用药物的控释是在其化学成份的有效期内控制药物的释放速度，提高使用效率，并能降低对非目标的损害，同时防止渗透挥发和降解。 利用来源丰富的天然高分子如淀粉、纤维素、甲壳素等制成的高分子材料多可以用于药物控释具有良好的作用。 目前，CR 工艺多应用于化肥领域如尿素，利用尿素与甲醛反应制成颗粒聚合物，聚合物遇水溶解释放尿素。 Tianjin Polytechnic University

C. 包装领域 食品包装如餐饮业、超市、蔬菜基地等， 工业品包装业如家电、仪器仪表、医疗卫生等 日常生活中的包装塑料废弃物也是我国城市废弃物的主要来源，若把非生物降解材料换为可生物降解材料，这将是一个巨大的市场!! Tianjin Polytechnic University

D、医药领域 医用生物降解高分子材料，被植入人体后，不依靠手术将其取出。 外科手术缝合线。 骨固定材料（骨钉、固定板）。 人造皮肤。

理想医用降解材料的基本要求 ①具有生物相容性和生物安全性，聚合物及降解产物均无毒； ②具有需要的生物功能，如降解速度符合治疗要求； ③力学性能、物理化学性能和生物性能可调控，能通过调控分子结构达到指定的性能，不需要添加剂和辅料； ④具有可加工性，可通过常规的加工方法制成需要的装置而不会引起材料性能改变； ⑤原料来源和价格具有商品化的可行性。 Tianjin Polytechnic University

四.生物医用纺织品概述

生物医用纺织品及分类 纺织品在医学方面的应用 Tianjin Polytechnic University

4.1 生物医用纺织品及分类 医用纺织品——是以纤维和织物为基础，以医学应用为特色的纺织品。 从字面上讲，“医用纺织品”是指用于医学目的的纺织品。尽管该术语在20世纪末期才被创造出来，不过，在很久之前，纺织品就被用于医学领域，且已经与人类生活无法分开。 Tianjin Polytechnic University

医用纺织品原料包括： Tianjin Polytechnic University

医用纺织品分类 A.根据用途与性能可将医用纺织品分为 普通医用纺织品和高性能医用纺织品。 普通医用纺织品 包括：外科手术缝合线； 消毒湿巾； 伤口敷料； 止血贴； 纱布球、纱布片； 吸液垫； 手术巾等 口罩、手术服等 Tianjin Polytechnic University 纱布、手套等

医用纺织品分类 高性能医用纺织品——指采用高技术纤维材料制成的，具有不同功能，大体可分为如下4类： A.保健类— 可溶性止血纱布、医疗服装、床单及相关寝具等产品； B.治疗类— 舒适功能纺织品、消痒、止血纺织品、除螨用纺织品等； C.仿器类— 人工肺、人工气管、人工血管等； D.防护类— 防毒服装及各种防辐射服装（防X线、防静电、防磁辐射等）。 Tianjin Polytechnic University

医用纺织品分类 Tianjin Polytechnic University

被褥、尿垫、枕头套、床单、毛巾、袜子、鞋类… 外用医疗纺织品 纱布、绷带、脱脂线、包扎布、棉球、牙线、腹布垫、创膏布、粘胶布… 防射性纺织品 类別 內容 一般医院用品 被褥、尿垫、枕头套、床单、毛巾、袜子、鞋类… 外用医疗纺织品 纱布、绷带、脱脂线、包扎布、棉球、牙线、腹布垫、创膏布、粘胶布… 防射性纺织品 防尘衣、面罩、覆布、手术衣、手术袍 、头罩、鞋套、手套、检验人员用衣… 医机能性纺织品 人工肾脏(肝/脾/纫带/血管/皮膚/骨/关节/齿/腱/毛发)、缝合线… 保健用纺织品 束腹帶、压力服、约束帶、弹性袜、矫正帶、护具… 卫生用纺织品 卫生棉、尿片、纸尿裤、纸巾、棉条… Tianjin Polytechnic University

医用防护纺织品 4.2 纺织品在医学方面的应用 医疗防护的必要性 污染的加剧、资源的开采 人类生存的环境恶化 传染病毒潜在侵入机会增加 污染的加剧、资源的开采 人类生存的环境恶化 传染病毒潜在侵入机会增加 威胁着人类。 可见，医护人员在进行诊疗、手术或护理过程中，很容易接触到病人的血液而被感染。因此，配备不同防护需要的防护品对保护医护人员的身体健康乃至生命安全是非常重要的。 Tianjin Polytechnic University

医用防护纺织品 医用防护纺织品的要求： 医用防护品的基本要求是阻隔病毒、病菌； 因此对医用纺织品的总体要求是： 1、能有效隔离微生物、颗粒物质和流体； 2、一定的舒适性；经受消毒处理，能保持足够的完 整性及耐用性； 3、一定的抗撕裂和抗磨损性；不起绒、掉绒； 4、一定的抗化学试剂的性能； 5、有良好的性能价格比。 Tianjin Polytechnic University

医用防护纺织品 医用纺织品应具备的性能： 1、对病毒颗粒的过滤效率足够高 2、抗血液、体液渗透功能 3、良好的透湿性 4、一定的抗菌、阻燃、防静电功能 5、具有耐酒精功能 6、具有良好的耐洗涤性、耐消毒性能 Tianjin Polytechnic University

医用防护纺织品 医用防护纺织品的材料： 目前，新型医用防护纺织品材料主要有： A.新型纤维的非织造布； B.层压复合材料； C.涂层复合材料。 Tianjin Polytechnic University

国内市场上销售的医用防护服主要有三类:非织造类、涂层类、闪蒸法一次成型类 非织造工艺： 纺粘法：切片烘干→切片喂入→熔融挤压→纺丝→冷却拉伸→分丝铺网→纤网加固→后整理→产品 熔喷法：切片→螺杆挤压→热空气牵伸→冷却→成网→后整理→产品 水刺法：原料→混合开松→梳理成网→纤网正反面水刺加固→烘燥→卷取→成品 湿法成网：纤维打浆→布浆器布浆→湿法成网→脱水→烘燥→固结→成卷 普通非织造防护服 防护效率只有40％ Tianjin Polytechnic University

涂层工艺： 干法直接涂层： 基布前整理→涂层→烘干→焙烘→整理→打卷 转移涂层： 在离型纸上涂敷树脂胶→烘干→涂敷黏合剂 基布前整理 →复合→烘干→剥离→打卷 涂层防护服 防水性、阻隔细菌粒子性能好，可重复使用但透湿性能差 涂层机 Tianjin Polytechnic University

涂层工艺： 干法直接涂层： 基布前整理→涂层→烘干→焙烘→整理→打卷 转移涂层： 在离型纸上涂敷树脂胶→烘干→涂敷黏合剂 基布前整理 →复合→烘干→剥离→打卷 涂层防护服 防水性、阻隔细菌粒子性能好，可重复使用但透湿性能差 涂层机 Tianjin Polytechnic University

高聚物溶解→制成纺丝液→喷丝→丝条固化→牵伸→凝聚成网→热轧加固→闪蒸法非织造布 闪蒸法加工技术 目前仍属美国杜邦公司专利 高聚物溶解→制成纺丝液→喷丝→丝条固化→牵伸→凝聚成网→热轧加固→闪蒸法非织造布 质轻、拒水透湿，能有效阻抗干性颗粒物质，但布面屏蔽性能不匀，对血液、体液的阻隔性差 闪蒸法一次成型滤材防护服 Tianjin Polytechnic University

创口贴 弹性胶带 加压止血 吸收垫 浸过苯扎氯铵等药物 杀菌 Tianjin Polytechnic University

优点：压迫止血、防水、保护创面、预防感染、促进愈合，使用简单、携带方便 缺点：只能暂时止血，透气性差，长期使用易导致继发感染 Tianjin Polytechnic University

绷带织品 氨纶皱纹弹力绷带 由纯棉纱和氨纶包芯纱制织； 肤感舒适，透气性良好，无致敏性，可消毒，可重洗涤。 普通纱布绷带 由纯棉纱和氨纶包芯纱制织；  肤感舒适，透气性良好，无致敏性，可消毒，可重洗涤。 普通纱布绷带 柔软、透气，固定效果差 粘胶石膏绷带 粉状煅石膏、聚乙烯醇、聚醋酸乙烯乳液制成匀浆，涂布于纱布上，烘干，切割而成 硬度高，适应性强，耐高温，高寒，无毒，无过敏 Tianjin Polytechnic University

手术缝合线 80年代以来，新开发了海藻酸盐纤维、聚乳酸纤维、聚乙醇酸纤维等。 20世纪50年代，尼龙、涤纶线等 20世纪60、70年代，胶原纤维和甲壳素纤维 80年代以来，新开发了海藻酸盐纤维、聚乳酸纤维、聚乙醇酸纤维等。 Tianjin Polytechnic University

手术缝合线 长期以来，外科用可吸收手术缝合线主要是羊肠线和聚乙醇酸缝合线。 羊肠线 易产生抗体反应，强度下降过快，吸收时间、张力强度、人体组织反应等因素难以控制。 聚乙醇酸缝合线 对细菌抵抗能力差，在空气中易分解。 Tianjin Polytechnic University

手术缝合线 聚乙交酯 第一个用于可吸收缝合线的聚合物，临床中应用广泛。 优点：强度高、生物相容性和可降解性好，可被机体自行吸收和排泄，对人体无不良反应。 缺点：熔点高导致纺丝困难，纤维柔性差，手术过程中可能损伤人体组织。 采用共聚的方法，在高分子链中引入丙交酯链段，改善其柔顺性。 Tianjin Polytechnic University

人造血管 人造血管的性能要求： 良好的生物相容性 较高的缝接强度 一定的弹性和柔顺性 一定的表面粗糙度 性能和尺寸的稳定性 切割边缘不脱散或抽丝 可多次消毒 具有止血性 多种形状和尺寸 Tianjin Polytechnic University

目前，人造血管使用最多的原料是聚酯、聚四氟乙烯纤维。 针织人造血管 多孔结构，易与人体组织相容，易渗血 拉绒或预凝结 机织人造血管 孔隙较小，较硬挺 常用于心脏周围高压区域的血管置换 内径小于10mm的血管，一般采用非织造的方法生产。 Tianjin Polytechnic University

人造血管 人造血管的表征： 1 渗透率和孔隙率 2 人造血管强度 3 人造血管几何特征 4 对管道内部应力的形变响应性 可通过致密化处理和预凝得到改善。 2 人造血管强度 包括径向和纵向拉伸强度、顶破强度、手术线固位强度、重复针刺强度等。 3 人造血管几何特征 通常为圆柱形，由管道的壁厚和松弛内径来描述。 4 对管道内部应力的形变响应性 模拟体内血管承压，测试人造血管在一定压力下的承压内径、纵向和径向顺应性以及弯折直径、半径。 Tianjin Polytechnic University

人造骨骼 陶瓷人造骨 X射线确定骨骼形状及大小，计算机系统专门定做精细度达0.1mm，术前2~3小时即可制作完成细胞组织能继续生长 能否长期保持坚固性还需检验？ 海草人造骨 形成的钙化骨骼，表面布满直径5~10微米的小孔，与天然骨骼相似，尤其适于假牙 Tianjin Polytechnic University

人造骨骼 磷酸钙和骨胶原人造骨 强度与弹性接近真正的骨骼，可被吸收。 动物身上实验，三个月可再生出新的骨骼 生物玻璃人造骨 含磷和钙，接触体液形成磷酸钙层，与原骨牢固结合。 机械强度高，无疲劳现象，无毒无排异反应，具生物活性，加工成型容易。 生物玻璃纳米纤维 Tianjin Polytechnic University

人造骨骼 依靠人体体液某些离子形成新骨，在骨骼接合界面发生分解、吸收、析出等反应，实现骨骼牢固结合。 最好的人造骨材料 —钛 无毒，强度和韧性好，良好的生物相容性，但耐磨性差，缺乏生物活性。 钛骨钉 Tianjin Polytechnic University

五.组织工程学及相关材料

组织工程学概述 支架设计及制备技术 生物材料的表面工程 钛骨钉 Tianjin Polytechnic University

5.1 组织工程学概述 定义——应用工程学和生命科学的原理和方法来了解正常的和病理的哺乳类组织的结构-功能的关系，并研制活的生物组织代用品，用于修复、改善损伤组织结构与功能的一门科学。 它是继细胞生物学和分子生物学之后，生命科学发展史上又一个新的里程碑。 标志着医学将走出器官移植的范畴，进入制造组织和器官的新时代。 钛骨钉 Tianjin Polytechnic University

组织工程应用的领域 ★骨组织工程 ★软骨组织工程 ★肌腱组织工程 ★韧带组织工程 ★皮肤组织工程 ★血管组织工程 ★骨组织工程 ★软骨组织工程 ★肌腱组织工程 ★韧带组织工程 ★皮肤组织工程 ★血管组织工程 ★周围神经组织工程 ★肝脏组织工程 ★泌尿系统组织工程 ★小肠组织工程 ★胰腺组织工程 ★牙及牙周组织工程 ★肌组织工程（骨胳肌、心肌、平滑肌） Tianjin Polytechnic University

组织工程基本过程 体外培养高 浓度组织细胞 细胞 增殖 细胞黏附生长在三 维多孔支架材料上 按预制形态的 三维支架生长、 增殖和组织分化 支架材料要求： 生物相容性好； 可被人体逐步降解； 属于细胞外基质。 体外培养高 浓度组织细胞 细胞 增殖 细胞黏附生长在三 维多孔支架材料上 按预制形态的 三维支架生长、 增殖和组织分化 组织工程化细胞和 生物材料的结构物 植入机体缺损部位 细胞在支架上 进行新陈代谢 钛骨钉 Tianjin Polytechnic University

组织工程学的原理 体外培养扩增的正常组织细胞－种子细胞； 生物相容性良好、可被机体吸收的生物支架材料； 细胞与支架材料复合体在生物反应器中的培养； 植入机体组织、器官的缺损部位。 三要素：支架材料 （细胞的载体材料） 种子细胞（细胞的分离和培养） 信号因子(细胞因子或生长因子) 钛骨钉 Tianjin Polytechnic University

细胞载体材料的特殊要求（1） 1.多孔且需要高的孔隙率 -----具备大的比表面积粘附大量的细胞 -----所种植的细胞在生长及ECM的形成中 需要充分合适的空间 2.内部均匀分布和相互联通的孔结构 -----有利于细胞在整个支架体内部均匀分 布，也有利于细胞养分的传输 钛骨钉 Tianjin Polytechnic University

细胞载体材料的特殊要求（2） 3.支架材料易于加工成不同的厚度和形状 -----对于不同的组织修复，组织的形态对其功能至关重要 4.良好的相容性和一定的机械强度 -----支架材料和细胞的复合体最终还必须植入到体内，有时候是骨及软骨的损伤处 5.可以通过生物降解最终消失 钛骨钉 Tianjin Polytechnic University

组织工程支架的要求 符合生物安全性要求 合适的可生物降解吸收性 合适的孔尺寸、高孔隙率和相连的孔形态 特定的三维外形 支架设计及制备技术 符合生物安全性要求 合适的可生物降解吸收性 合适的孔尺寸、高孔隙率和相连的孔形态 特定的三维外形 高表面积和合适的表面理化性质 与植入部位组织力学性能相匹配的结构强度 材料表面 工程 钛骨钉 Tianjin Polytechnic University

5.2 支架设计及制备技术 支架材料： 天然高分子材料 合成降解聚合物 生物陶瓷 生物复合材料 钛骨钉 Tianjin Polytechnic University

表：三维支架制备技术 制备技术 加工 材料 要求 孔径 /m 孔隙率/% 结构 溶剂流涎盐沥滤 流涎 溶解 30~300 ~90 球状孔径、盐粒会残留 挤出沥滤 模具 热塑性 50~500 <80 纤维粘合 编织 织物 20~100 <85 孔隙结构不规整 乳液冷冻干燥 20~200 >90 热诱导相分离 <100 <97 孔隙高度贯穿，微孔结构 超临界流体技术 非晶相 <50 10~30 非贯穿孔，微孔结构 三维打印 固体自由成型 45~150 <60 100%贯穿孔（三角、五角、蜂窝状） 钛骨钉 Tianjin Polytechnic University

生物材料表面对细胞的影响 表面自由能 表面蛋白质吸附能力 表面亲水—疏水平衡 表面荷电性能 表面拓扑结构 表面生物活性 钛骨钉 Tianjin Polytechnic University

5.3 生物材料表面工程  仿生表面工程 工程化生物材料表面引发特定的细胞生理响应，给细胞创造一个良好的人工ECM环境。  要求： 良好的生物相容性；适宜的表面亲水－疏水平衡；具有较强的细胞识别功能；适宜的表面拓扑结构；可消除非特异性识别；易于加工和成型等。 钛骨钉 Tianjin Polytechnic University

5.3 生物材料表面工程 （1）生物大分子的表面固定化 将具有生物活性的大分子通过物理吸附、包埋或化学键合的方法固定在材料的表面。 ECM黏附蛋白（纤连蛋白、层连蛋白） ECM多糖及其类似物（透明质酸、壳聚糖） 细胞黏附多肽（RGD） 细胞活性因子 钛骨钉 Tianjin Polytechnic University

5.3 生物材料表面工程 （2）生物材料表面拓扑结构化 生物材料表面图案化 光刻蚀表面拓扑结构 物理－化学性能不同的图案化表面 刺激响应高分子图案化表面 多糖图案化表面 细胞黏附因子图案化表面 钛骨钉 Tianjin Polytechnic University

组织工程学的发展前景 组织工程学是目前医学科学、材料科学、工程学 新发展的交叉前沿学科，它将改变人们对组织和 器官移植的老观念。 寻找更新和更有效的生物材料作为载体；在支架 构建中，利用先进的计算机技术和工程学原理。 在细胞生物学方面进行深入研究。 在临床应用方面，由整形外科波及临床医 学个学科。 钛骨钉 Tianjin Polytechnic University

六、药物缓释材料的研究进展 钛骨钉

缓、控释药物制剂的定义 缓释制剂—— 是指在规定释放介质中，按要求缓慢地非恒速释放药物的制剂。与普通制剂比较，给药频率有所减少，且能显著增加患者的顺应性。 钛骨钉 Tianjin Polytechnic University

缓、控释药物制剂的定义 控释制剂—— 是指在规定释放介质中，按要求缓慢地恒速或接近恒速释放药物的制剂。血药浓度比缓释制剂更加平稳，且能显著增加患者的顺应性。 钛骨钉 Tianjin Polytechnic University

缓、控释制剂的特点 ♠ 对半衰期短的或需要频繁给药的药物，可以减少服药次数，提高病人服药的顺应性，使用方便。 ♠ 使血药浓度平稳，峰谷波动小，有利于保持药物恒定的疗效，增加药物治疗的稳定性，并可避免药物血药浓度超过治疗范围而引起毒副作用。 ♠ 可减少用药总剂量，用最小剂量达到最大药效。 钛骨钉 Tianjin Polytechnic University

缓、控释制剂的特点 ♠ 缓释、控释制剂较一般制剂大，制备工艺复杂，价格较高。 ♠ 某些药物不宜制成缓释、控释制剂，故仍存在一定的局限性。 ♠ 剂量调节灵活度降低，如临床上遇到某种特殊情况（如出现较大副作用）往往不能立刻停止治疗。 钛骨钉 Tianjin Polytechnic University

缓、控释制剂的类型 骨架型缓/控释制剂：亲水凝胶骨架片、腊质骨架片、不溶性骨架片、丸等； 膜控型缓/控释制剂：微孔膜包衣片、丸，肠溶膜控片、丸等； 渗透泵型控释片； 植入式缓/控释制剂； 透皮给药系统； 脉冲给药系统； 钛骨钉 Tianjin Polytechnic University

药物缓释材料的分类 目前正在开发的药物缓释用高分子材料主要是： A.天然高分子：多糖类(如壳聚糖、环糊精) 、 蛋白质类(如胶原、白蛋白等); B.合成高分子：聚乳酸、 聚酸酐、 氨基酸类聚合物、 聚磷酸酯、 聚膦腈、 聚碳酸酯 …… C.复合材料: 有机-无机复合、有机-有机…… 钛骨钉 Tianjin Polytechnic University