生物材料在骨科临床应用

null生物医用材料 在骨科临床应用生物医用材料 在骨科临床应用邱贵兴 北京协和医院骨科生物材料的概念生物材料的概念生物材料(Biomaterials) 即生物医学材料(Biomedical Materials) 用于人体组织和器官的诊断 修复或增进其功能的 高技术材料 取代 修复活组织的天然或人造材料 其作用药物不可替代 能增进或替换因疾病 损伤等失去的某种功能生物医用材料的用途生物医用材料的用途 替代损害的器官或组织 如：人造心脏瓣膜、假牙、人工血管等 改善或恢复器官功能的材料 如：隐型眼镜、心脏起搏器等 用于治疗过程 如：介入性治疗血管内支架、用于血液透析的 薄膜、药物载体与控释材料等生物材料发展概况 — 古代 生物材料发展概况 — 古代 公元前5000年 黄金修复缺损牙齿 并沿用至今 公元前3500年 古埃及人用棉花纤维 马鬃缝合伤口 印第安人用木片修补颅骨 公元前2500年 中国和埃及的墓葬中发现假牙 假鼻和假耳 隋末唐初 银膏补牙 — 成分是银、锡、汞 与现代牙齿填充材料类似生物材料发展概况 — 近代 生物材料发展概况 — 近代 1588年 黄金板修复颚骨 1775年 金属固定体内骨折 1829年 多种金属的动物实验发现 金属铂对机体组织刺激最小 1851年 发明了天然橡胶的硫化 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 开始用天然高分子硬橡木制作人工牙托 和颚骨进行临床治疗 1892年 用硫酸钙填充骨缺损 陶瓷材料植入人体的最早实例生物材料发展概况 — 现代 生物材料发展概况 — 现代 生物材料取得实质性进展 始于20世纪20年代生物材料的分类生物材料的分类 按材料性质分类 按材料功能分类 按材料来源分类 按使用部位分类通常按材料性质分类 通常按材料性质分类 金属材料 不锈钢 钴基合金 钛基合金等 广泛应用于人工假体 人工关节 医疗器械 非金属材料 无机材料 有机材料null无机材料 主要是生物陶瓷 分为惰性生物陶瓷 如氧化铝生物陶瓷 表面生物活性陶瓷 如磷酸钙基生物陶瓷 可降解生物陶瓷 如β-磷酸三钙陶瓷等 有机材料 PMMA 聚乙交酯 聚丙交酯 生物胶 聚乳酸通常按材料性质分类 通常按材料性质分类 高分子材料 根据来源分天然和合成 天然 如多糖类、蛋白类 合成 如硅橡胶、聚乙烯、聚乳酸、 聚四氟乙烯等 用于人体器官 组织 关节 药物载体等 生物复合材料 不同种材料混合或结合 克服单一 材料缺点 可获性能更优的材料按材料功能分类按材料功能分类 硬组织相容性材料 用于关节 牙齿及其他骨组织 软组织相容性材料 用于人工皮肤 人工气管 人工食道等 血液相容性材料 用于人工血管 人工心脏 血浆分离膜 血液灌流用吸附剂 细胞培养基材等 生物降解材料 用于吸收型缝合线 药物载体 愈合材料 粘合剂及组织缺损用修复材料按材料来源分类按材料来源分类 自体组织 如人体髂骨 血管等 同种异体器官及组织 异种器官及组织 天然生物材料 动物骨胶原 甲壳素 珊瑚等 人工合成材料 人工合成的新型材料按使用部位分类按使用部位分类 硬组织材料 骨、牙齿用材料 软组织材料 软骨、脏器用材料 心血管材料 心血管以及导管材料 血液代用材料 人工红血球 血浆等 分离、过滤、透析膜材料 血液净化 肾透析及人工肺气体透过材料等对生物医用材料的基本要求对生物医用材料的基本要求 良好的生物相容性 良好的化学稳定性 满足生物力学要求 可灭菌 可成型 易加工生物相容性生物相容性 无毒 无刺激 无致畸 致敏 致突变或致癌 在体内不被排斥 无炎症 无慢性感染 不引起周围组织局部或全身性反应 最好能与骨形成化学结合 具有生物活性 无溶血 凝血反应等化学稳定性化学稳定性 耐体液侵蚀 不产生有害降解产物 不产生吸水膨润 软化变质 自身不变化生物力学要求 生物力学要求 足够的静态强度 如抗弯 抗压 拉伸 剪切等 有适当的弹性模量和硬度 耐疲劳 摩擦 磨损其 它 要 求其 它 要 求 良好的空隙度 体液及组织易长入 易加工成形 使用操作方便 消毒灭菌不变质等性能null生物材料在骨科的应用不锈钢 钴基合金 钛合金 记忆合金生物材料在骨科领域 — 发展最迅速 应用最广泛一、 金属材料 null不锈钢为铁基合金 成本低 在体内有腐蚀和组织反应等 添加Mo可克服铬钝化膜在氧化 环境中耐腐蚀性能 如加Mo的316、317 降低碳含量 如使用超低碳的 316L可防止晶间腐蚀.可用来制 作人工关节和骨折内固定器等 目前最常用于手术工具的制造 1、不锈钢null加Mo的钴基合金 耐腐蚀性是不锈钢如316的40倍 钴铬钼合金的生物相容性超过铁铬镍和钴铬合金 钴基合金的耐磨性是所有医用金属材料中最好的 更适于体内的长期植入物 用于人工关节 接骨板 骨钉等2、钴基合金null骨科应用以纯钛和TC4 (Ti-6Al-4V)为主 强度不如钴基合金 耐腐蚀性好 与人体组织反应很弱 钛合金的密度小 弹性模量低 接近于天然骨 有良好的耐疲劳性能 广泛用于制作人工关节 接骨板 骨螺钉 髓内钉等3、钛基合金null1951年美国 首次报道Au-Cd（金-镉）合金具形状记忆效应 目前已有20多种记忆合金 其中镍钛合金临床上应用最大 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 高温为立方体结构相 前者柔软可随意变形 后者刚硬可恢复原形状 并在形状恢复过程中产生较大的恢复力4、形状记忆合金null脊椎矫正植入体特点 奇特的形状记忆功能 质轻 磁性微弱 强度较高 耐疲劳性 高回弹性和生物相 容性好 应用 人工关节 骨折连接 脊柱侧凸矫形等5、纯金属钽（Ta）5、纯金属钽（Ta） 良好生物相容性和可塑性 无毒性 独特的表面负电性使其具优良抗血栓性和生物相容性 很高的抗缺口裂纹能力 能和周围的新骨形成骨性结合 植入软组织可依附在表面正常生长 退火后的纯钽很软 可加工成板 带 箔 丝等 主要用作接骨板 骨螺钉 钽网用于肌肉缺损修补 钽丝和箔用于修补受损的神经 肌腱 由于钽资源少 价格较高 推广受限制生物陶瓷生物陶瓷是经高温处理所成的 无机非金属材料二、非金属材料（一）无机材料分类及骨科应用分类及骨科应用 惰性生物陶瓷 生物体内与组织反应很小 如氧化铝陶瓷 用于人工关节 活性生物陶瓷 生理环境下与组织界面形成化学键结合 系骨性结合 如羟基磷灰石等陶瓷及生物活性玻璃 生物活性微晶玻璃 用于需骨长入的假体表面涂层 人工植骨材料等 可吸收生物陶瓷 在生物体内逐渐降解 被骨组织吸收 如磷酸三钙等 多用于填充植骨材料null高纯氧化铝生物陶瓷制备关节头 无钒钛合金制备 关节柄 在柄部涂覆生物活性陶瓷涂层 有效解决人工关节易磨损 生物相容性不佳 松动 下沉等问题 提高使用寿命null 可降解陶瓷药物载体植入骨病灶区可持续缓慢释放药物 有效治疗骨结核 骨肿瘤等 且兼有补骨作用生物医用高分子材料生物医用高分子材料 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 按来源分天然和人工合成两种（二）有机材料天然高分子生物材料 — 胶原蛋白天然高分子生物材料 — 胶原蛋白组织相容性好 植入人体后无刺激性 无毒性反应 促进细胞增殖 加快创口愈合并具可降解性 可被人体吸收 降解产物无毒副作用 胶原凝胶 — 创伤敷料 粉末 — 止血剂和药物释放系统 纺丝纤维 — 人工血管 人工皮 人工肌腱 外科缝线 海绵 — 创伤敷料和止血剂等天然高分子生物材料 — 纤维蛋白 天然高分子生物材料 — 纤维蛋白 主要来源于血浆蛋白 具血液和组织相容性 无毒副作用和其他不良影响 临床已应用很久 纤维蛋白粉末 — 止血剂 可与抗菌素共用 充填慢性骨炎和骨髓炎手术后骨缺损 纤维蛋白海绵 — 止血的填充物 组织代用品 商品名Bioplast — 关节成型术合成高分子生物材料 — 硅橡胶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 含有硅原子的特种合成橡胶的总称 无毒无味 生物相容性好 耐生物老化 抗凝血性较好 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 耐光老化 防霉 化学稳定性 主要用于人工髓核 DIAM合成高分子生物材料 — 聚四氟乙烯（PTFE）合成高分子生物材料 — 聚四氟乙烯（PTFE） 又名泰氟隆（Teflon） 最好的耐高温塑料 — 热塑性塑料 结晶熔点327℃ 几乎完全是化学惰性的 具自润滑性或非粘性 不易被组织液浸润 可做成膜状材料 用于脊柱减压手术 肌腱吻合手术等防粘连合成高分子生物材料 — 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）合成高分子生物材料 — 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA） 具良好生物相容性 耐老化性 机械强度较高 用于骨水泥 合成高分子生物材料 — 聚乳酸可吸收内固定材料 抗弯强度≥120MPa 植入体内无需取出 对组织无刺激 能被人体完全吸收 最终代谢为二氧化碳、水等 适用于人体松质骨骨折 截骨术和关节融合术的骨块（段）固定合成高分子生物材料 — 聚乳酸组 织 工 程组 织 工 程 近年来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 程组 织 工 程 定义 利用工程学和生命科学基本原理 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 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 研究领域 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 研制产品 包括软骨组织、腱组织、骨组织等生物材料的发展趋势生物材料的发展趋势 复合型 两种以上材料混合或结合 克服单一材料缺点 杂化型 合成材料与生物体高分子材料或细胞的杂化 功能型 在生理环境下表现为特殊功能的材料 形状记忆材料 组织引导再生材料 智能型 能模仿生命系统 并具感知和驱动双重功能 感知 反馈和响应是该材料的三大要素 高新技术 传感器和执行元件与传统材料结合 赋予材料新性能 使其具更多生物特性生物材料的发展趋势生物材料的发展趋势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 纳米医学材料纳米医学材料 1纳米（ Nanometre， nm）=1毫微米 即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 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 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 纳米尺度的生物大分子能导电 纳米微粒的抗菌作用等特性 只有在纳米级时才可显现出来null 纳米技术是20世纪90年代发展起来的 纳米材料的独特特性： 小 尺寸 手机海报尺寸公章尺寸朋友圈海报尺寸停车场尺寸印章尺寸 效应 界面效应 纳米结构单元间交互作用 纳米陶瓷材料 — 人工骨关节等 强度 韧性 硬度以及超塑性都显著提高 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 利用纳米技术的DNA复制与自我生长、自我制造机理 研制出有生物相容性的人体器官和骨骼修复剂与自生长 材料 人血代用品等 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null谢 谢