生物醫(yī)用陶瓷

1、24.3.17,,4.3 生物醫(yī)用陶瓷材料(1)　　　王亞明,24.3.17,生物材料的發(fā)展路線,材料選擇＋制備,產(chǎn)品,,3.0 生物材料的性能要求,24.3.17,指生物材料具備或完成某種生物功能時(shí)應(yīng)該具有的一系列性能。 根據(jù)用途主要分為:承受或傳遞負(fù)載功能。如人造骨骼、關(guān)節(jié)和牙等，占主導(dǎo)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(dǎo)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

2、體等,3.0.1 生物功能性,24.3.17,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(jī)體相互作用的生物學(xué)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組織相容性。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(xué)相容性?？疾炝W(xué)性能與生物體的一致性,3.0.2 生物相容性,24.3.17,接觸人

3、體各種體液（唾液、淋巴液、血液）時(shí)，應(yīng)有良好的耐蝕性。唾液、血液、間質(zhì)液都是以Clˉ、Na+、K+離子為主的電解質(zhì)溶液，生物材料在這種溶液中應(yīng)不發(fā)生反應(yīng)、腐蝕和變質(zhì)。,24.3.17,不會引起凝血，與軟硬組織有良好的粘接性，不會產(chǎn)生吸收物和沉淀物。,對于人體組織無刺激性，無毒副作用，無致癌性。,24.3.17,具有必要的強(qiáng)度、耐磨性和耐疲勞性能。如髖關(guān)節(jié)在靜止?fàn)顟B(tài)承受體重的二分之一，水平步行時(shí)承受的重量為靜止時(shí)的3.3倍，而跑步時(shí)則

4、為4倍以上。此外,每步行一公里大約活動1000次，按照一般的生活情況,每年大約承受1×106 ~ 3×106次重復(fù)負(fù)荷的作用。,24.3.17,1. 生物體對生物材料的響應(yīng)－宿主反應(yīng),A: 血液反應(yīng) 1、血小板血栓； 2、凝血系統(tǒng)激活； 3、纖溶系統(tǒng)激活； 4、溶血反應(yīng)； 5、白細(xì)胞反應(yīng)； 6、細(xì)胞因子反應(yīng)； 7、蛋白粘附；,B: 免疫反應(yīng)

5、 1、補(bǔ)體激活； 2、體液免疫反應(yīng)（抗原－抗體反應(yīng)）； 3、細(xì)胞免疫反應(yīng)。,C: 組織反應(yīng) 1、炎癥反應(yīng)； 2、細(xì)胞粘附 3、細(xì)胞增殖（異常分化） 4、形成蘘膜 5、細(xì)胞質(zhì)的轉(zhuǎn)變,（1）生物學(xué)反應(yīng),24.3.17,（2）生物體對生物反應(yīng)的變化,1.急性全身反應(yīng) 過敏、毒性、溶血、發(fā)熱、神經(jīng)麻痹等2. 慢性全身反應(yīng) 毒性、致畸、免疫、功能障礙等3. 急性局部

6、反應(yīng) 炎癥、血栓、壞死、排異等4. 慢性局部反應(yīng) 致癌、鈣化、炎癥、潰瘍等,24.3.17,2. 材料在生物體內(nèi)的響應(yīng)－材料反應(yīng),金屬腐蝕聚合物降解磨損,生物機(jī)體作用于生物材料－材料反應(yīng)，其結(jié)果可導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)破壞→性質(zhì)改變→喪失其功能?？煞譃槿缦氯齻€(gè)方面：,24.3.17,（1）金屬腐蝕,生物體內(nèi)的腐蝕性環(huán)境：1）含鹽的溶液是極好的電解質(zhì)，促進(jìn)了電化學(xué)腐蝕和水解；2）組織中存在具有催化或迅速破壞外來成分能力的

7、多種分子和細(xì)胞。將對生物金屬材料產(chǎn)生腐蝕。,24.3.17,對于生物材料而言多為局部腐蝕，具體包括應(yīng)力腐蝕開裂、點(diǎn)腐蝕、晶間腐蝕、腐蝕疲勞以及縫隙腐蝕等，導(dǎo)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(yīng)，造成組織的損害。如不銹鋼中溶出的Cr＋6生物組織的毒性。,24.3.17,（2） 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(jī)械、水蒸氣、酸堿及微

8、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(jī)械性能越來越差的現(xiàn)象。,24.3.17,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(shí)必須謹(jǐn)慎，對耐久性器件，必須保持一定強(qiáng)度和其它機(jī)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(shí)會產(chǎn)生酸性物質(zhì)，如果量少，很容易被人體中的化學(xué)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。,24.3.17,（

9、3） 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。 目前，大量的人工髖關(guān)節(jié)是由堅(jiān)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(dǎo)致假體松動。這種磨損顆粒所導(dǎo)

10、致的異物－巨細(xì)胞反應(yīng)，又稱顆粒病，是晚期失敗的最主要原因。,24.3.17,24.3.17,耳,頭蓋骨,牙齒,心臟,起博器,骨固定,假關(guān)節(jié),血管,脊椎,降解縫合線,頜骨再造,晶狀體,PLA　聚乳酸PGA　聚羥基乙酸PTMC　聚三亞甲基碳酸脂PCL　聚已內(nèi)脂PUR　聚胺脂ePTFE　膨脹聚四弗乙烯UHMWPE　超高分子量聚乙烯PET　聚對苯二甲酸乙二醇酯HA　羥基磷灰石SS　不銹鋼,,承載髖關(guān)節(jié),腱和韌帶,常用的生物材料

11、,24.3.17,人工骨 人工關(guān)節(jié),因疾病或創(chuàng)傷而遭到破壞的骨、關(guān)節(jié)組織功能，可以通過置換人造假體，如人工關(guān)節(jié)或人工骨，加以修復(fù)和重建。,24.3.17,,生物材料,24.3.17,3.1 按生物醫(yī)用材料替換形式分類,3.1.1 異體移植,3.1.2 自體移植,3.1.3 再生組織/器官,3.1.4 永久性移植,24.3.17,3.1.1異

12、體移植,組織或器官替換（人或動物做為組織或器官的供體）,同種異體移植(Allograft)：組織移植中的受體與供體為同一種類；從一個(gè)人體內(nèi)取得組織植入到另一人體內(nèi)。?。祟惞w（如腎、肝及心臟）異種移植(Xenograft)?。瓌游锕w（如豬的動脈瓣膜）,缺點(diǎn),優(yōu)點(diǎn),可完全修復(fù)病人喪失的功能,排異反應(yīng)－－免疫系統(tǒng)攻擊,免疫抑制藥物的副作用（如類固醇）,供體源有限,24.3.17,受體,,24.3.17,3.1.2 自體移植,在

13、組織移植中供體與受體是同一個(gè)人，從一個(gè)人的一個(gè)位置取得組織再移植至此人的另一個(gè)位置,例如：皮膚移植、神經(jīng)移植等,缺點(diǎn),優(yōu)點(diǎn),可完全修復(fù)病人喪失的功能,在切除位置留下外傷/疤痕,無排異反應(yīng),自體組織源有限,,,,24.3.17,3.1.3再生組織/器官,在支架裝置（合成的或膠原基多孔可吸收材料）上生長的細(xì)胞提供再造功能（例如，皮膚和軟骨）,缺點(diǎn),優(yōu)點(diǎn),不受供體/自供體組織的限制,完全的器官重建還沒有解決,可能引起免疫反應(yīng)，取決于細(xì)胞源,病

14、人受損組織功能的重建,24.3.17,股骨頸骨折股骨頭壞死,3.1.4 永久性移植,用合成材料制作的修復(fù)裝置,24.3.17,當(dāng)今人工關(guān)節(jié)的產(chǎn)生,Dr. Peter Ring1970’s,Dr. Sir John Charnley1960’s,Dr. GK McKee1950’s,人工關(guān)節(jié)之父,24.3.17,股骨柄：CoCr, Ti, 不銹鋼,PMMA骨水泥：結(jié)合、吸收振動,與骨結(jié)合部位金屬表面用HAp涂層：　誘導(dǎo)骨向內(nèi)生長

15、(bone ingrowth),股骨頭：CoCr, Ti, Al2O3,股骨,金屬髖杯襯超高分子量聚乙烯髖杯,24.3.17,優(yōu)點(diǎn),缺點(diǎn),無供體/自體組織的任何限制沒有典型修復(fù)機(jī)制的“排斥”反應(yīng),常需要二次植入　?。匝装Y　　　e.g., PE磨屑－－免疫反應(yīng)－－骨破壞(bone breakdown)　　＊力學(xué)失效　　　e.g.,骨水泥松動,不能“完全”重建器官的功能　　e.g., 矯形修復(fù)　　　　?。撬枞笔В╫ri

16、gin of blood stem cells)　　　　　＊無再生能力　　　　?。苫顒臃秶鷾p小,24.3.17,24.3.17,其它長期副作用　　＊應(yīng)力遮擋（stress-shielding)：骨柄與股骨之間彈性模量不匹配　　?。谥車巧陷d荷不平衡　　　　　－－骨質(zhì)疏松（骨吸收>有沉積）　　　　　　?。俅螖嗔训目赡苄栽龃?24.3.17,Healthy bone,Osteoporotic bone,24.3.

17、17,很顯然，力學(xué)性能在材料選擇中起關(guān)鍵作用!,生物醫(yī)用材料所需要的力學(xué)性能：,每一種力學(xué)參量的測試方法(這里不詳述),24.3.17,24.3.17,動脈血管移植(滌淪或膨脹PTFE),牙種植體 (氧化鋁),骨固定板(不銹鋼，CoCr, Ti),水凝膠或硅膠,24.3.17,,24.3.17,對于骨替代材料需滿足的力學(xué)性能：,剛性(結(jié)構(gòu)支撐，低變形能量損耗)彎曲強(qiáng)度輕質(zhì)(重量輕，走路時(shí)省力)長壽命(高耐久性，疲勞強(qiáng)度),應(yīng)力

18、屏蔽作用,現(xiàn)有骨替代材料存在問題：,24.3.17,3.2 按生物醫(yī)用材料上的組織反應(yīng)分類,生物惰性材料 　(Al2O3, ZrO2等),生物活性材料 　(HAp等)　　指材料可與生物組織形成結(jié)合，例如與骨組織形成化學(xué)鍵合。,生物降解材料 　(TCP, Bioglass等)　　指材料替換組織后在體內(nèi)解體，化學(xué)副產(chǎn)物可通過新陳代謝作用被分散和吸收。,指材料植入人體后仍維持自身結(jié)構(gòu)并不引起人體免疫反應(yīng)。,24.3.17,24.3.17,

19、3.2.1 生物惰性材料,1、生物惰性金屬材料,特 性： 多數(shù)醫(yī)用金屬材料是生物惰性材料。 種 類： 不銹鋼、鈷基合金和鈦基合金等三大類。此外，還有形狀記憶合金、貴金 屬以及純金屬鉭、鈮等。 應(yīng)用范圍： 骨和牙等硬組織修復(fù)和替換，心血管和軟組織修復(fù)以及人工器官的制造。 主要問題： 生理環(huán)境的腐蝕；金屬離子向周

20、圍組織擴(kuò)散；自身性質(zhì)的退變。,24.3.17,24.3.17,微米晶Ni-Ti在接近室溫時(shí)就展現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)：在低于轉(zhuǎn)變溫度進(jìn)行塑性變形，溫度升高，回復(fù)到原來形狀。,316L不銹鋼(Fe-Ni-Cr),晶界處Cr耗盡時(shí)則引起腐蝕,,用于骨固定板與血管內(nèi)支架等,Ni-Ti形狀記憶合金,應(yīng)用：牙矯正、動脈血管支架、整形外科植入物等,NiTi自膨脹支架,24.3.17,舉例：動脈支架,正常,,體液下耐蝕循環(huán)載荷(1~2Hz心臟跳動),2

21、4.3.17,24.3.17,不銹鋼、鈦合金、CoCr合金髖關(guān)節(jié),應(yīng)力屏蔽抗磨損性差,產(chǎn)生問題：,24.3.17,如氧化鋁、氧化鋯等。與生物機(jī)體組織不發(fā)生反應(yīng)，植入生物體內(nèi)后，容易使機(jī)體產(chǎn)生排異現(xiàn)象，在種植體與生物機(jī)體之間形成一定厚度的纖維組織。活體組織和種植體之間是不緊密的機(jī)械結(jié)合。 會產(chǎn)生微小的滑動，會引起植入體的磨損，從而給植體的固定帶來影響，最終引起植體的抗疲勞性能降低，甚至松動斷裂。,2、生物惰性陶瓷材料,24