1.1.1 海洋生物材料
1.1.2 医学用生物材料
1.1.3 生物材料生活用品
生物材料的喷涂工艺
皓淀粉基生物降解材 料
这些材料有史以来一直得到广泛应用， 其中一部分因为特殊性能而用作生物材料。
• 材料的特定的功能与材料的特定结构是相 联系的。如对于人造骨骼来说，它一般具 有一定的机械性能；因此出现了适合人体 需求的多种人造骨骼。
表面液晶结构设计，使材料表面与细胞表 面产生类似的物理结构或化学结构，该研 究已经证明表面液晶结构的形成有利于材 料抗凝血性能的提高。
3、组织工程支架材料（真正的生物材料阶段）
材料生物化毕竟不能改变材料的基本 结构，这为材料的长期使用留下隐患， 同时器官(尤其是组织)是一个复杂的系统， 不可能用单一无活性的材料来模仿其全 部或大部分功能。
第一章 生物材料
主讲：李晓生
第一节 生物材料的发展概况
• 其他名称：生物医学材料；生物医用材料 (biomedical materials)
• 定义：用以诊断、治疗、修复或替换机体 组织、器官或增进其功能的材料。
• 生物材料用于人体组织和器官的诊断、修 复或增进其功能的一类高技术材料，即用 于取代、修复活组织的天然或人造材料， 其作用药物不可替代。生物材料能执行、 增进或替换因疾病、损伤等失去的某种功 能，而不能恢复缺陷部位
• 闻名于世的秦始皇兵马俑是典型的陶制品；
• 著名的唐三彩创始于唐高宗时期，用白粘土作胎， 以Cu、Fe、Co等矿物作釉的着色剂，两次烧制后成 为绚丽多彩的陶器精品；
• 江苏宜兴紫砂壶 (紫砂泥由粘土、云母、赤铁矿等组 成，其中Fe2O3含量约7％-10％，TiO2＞1％) 制造技 术精湛，色泽淳朴，造型独特，别具一格。
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。
这类材料具有与人体骨组织的无机成 分有类似的化学组成，材料抗压、抗折强 度与人骨接近]，植入后与组织亲和性良好， 同时有降解作用并诱导成骨细胞(加诱导因 子如BMP)的长入，使植入组织骨化，一段 时间后植入组织转化为正常组织等特点， 也即材料在使用过程中逐渐生物化。
研究重点是惰性生物材料的生物化-即 在不破坏原有材料性能的基础上，通过表 面改性设计使材料在长期使用过程中与细 胞亲和性好，不产生炎症、凝血、畸变、 甚至癌变等反应。研究的重点是抗凝血材 料的设计与制备。抗凝血材料设计思路有 以下五点:
➢我国陶器大 约出现在8000 年前，具有悠 久的历史。 ➢半坡村出土 的碗、钵、釜、 罐、瓶等，甚 至还有吹气能 发声的陶埙。
半坡变体鸟纹盆 半坡陶盆
半坡小口尖底瓶 陶埙
➢从著名的仰韶和龙山文化遗址出土的陶器中， 人们发现当时祖先已经掌握了烧制黑色陶器 和白色陶器的配方和技术。
仰韶白陶瓶
龙山黑陶瓶
因此在器官(或组织)供体来源非常有限 的情况下，如何在体外培养出正常的组织 供手术使用，是医学界和生物医学工程学 界追求的目标之一。组织工程的出现和发 展为这一目标的实现提供了可能。
生物材料在组织工程中占据非常重要 的地位，同时组织工程也为生物材料出了 难题和提供了发展方向。
组织工程用生物材料(支架材料)应具备 一下性能：
• 据考古学家分析，距今约一万年前就有陶器出现， • 人们用粘土或以粘土、长石、石英为主的混合物，
经成型、干燥、烧制（烧制温度低于1200℃），得 到坚硬的陶器。 • 陶是人类创造的第一种“人造材料”，由于高温烧 制产生物理化学变化，得到和粘土不一样的新物质。
新石器时代晚期(公元前3000一前2800年) 黑陶豆 陶体的黑色是因为渗入了碳
兵马俑
唐三彩马
方韵紫砂壶
猪纹陶盆
商 陶酒尊
唐 三彩俑
➢陶的出现，人类可吃煮熟的谷物，喝煮开的水，可 长时间储存食物，促进人类进化。
➢陶器也是最初的耐火材料，为以后的铜、铁冶炼提 供物质条件。
1.2.4 生物材料发展阶段
生物材料的定义很多，归纳起来可 理解为生物材料是一类 用于人工器官、 修复、理疗康复、诊断、检查、治疗疾 病等医 疗保健领域，对人体组织、血液 不致产生不良影响的功能材料。
• 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。
生物工程学是70年代初，在分子生物 学、细胞生物学等的基础上发展起来的， 包括基因工程、细胞工程、酶工程、发 酵工程等，他们互相联系，其中以基因 工程为基础。
通过基因工程对生物进行改造，才
有可能按人类的愿望生产出更多更好的 生物产品。而基因工程的成果也只有通 过发酵等工程才有可能转化为产品。
1.2 生物材料的发展
随着医学 以及材料学的发展，尤其是 新型材料的研究开发成功，如20世 纪40年 代高分子材料的大力发展，为生物材料的 研究与应用提 供了极大的发展机会。
目前可以说从人体天灵盖到脚趾骨、从 内脏到皮肤，从血液到五官，除了脑以及 大多数内分泌器官外， 都可用人工器官来 代替。生物材料发展三阶段
最早的生物材料的应用——镶牙
•生 物 降 解 金 属 材 料 让 骨 骼 更 坚 固
复合材料主要有纤维增强聚合物材料或 金属-陶瓷复合材料。
随着医学水平的提高以及人们生活质量
的改善，惰性生物材料的应用会向更高 层次———生物化或组织工程化生物材 料过渡。
2、生物材料的生物化（有益阶段）
随着材料科学、医学的发展，以及先进 仪器设备的发明，带动了生物材料的发 展。
新型生物材料有代表性的成果是20 世纪70年代发现的钙磷系玻璃陶瓷，如 羟基磷灰石、β-磷酸三钙、珊瑚等。
• 从挖掘的人类当年所使用的各种用途的锋利石片，可 想象人类远祖的艰苦和聪明。
石刀
石斧
石针
•他们能区别、选用各种石头创造出刀、斧、针各种 器具，用于生产、生活和战争。 •石器时代的生产工具极其落后，人类社会的生产力 也极端低下，社会发展极其缓慢，人类文化也是相 当简单和粗俗的。
石器工具
1.2.3 陶器（无机非金属材料）
• 我国生物材料的研究起步较晚（五十年 代），但发展很快。
1.2.1 材料发展的历史演进
• 天然材料 陶瓷 青铜 铁 钢 有色金属 高分子材料 新型材料
1.2.2 典型的无机材料—石器
• 大约25000年前，人类就学会使用材料。
• 人类只能利用岩石、树木、兽皮、骨骼等天然材料并 进行粗糙加工，除此之外别无他物。
设计表面微相分离结构也是材料生物化的 内容，微相分离是血管壁内皮的结构特征， 即亲水糖链和蔬水脂质体形成两相镶嵌结 构，模仿这类结构可望改善材料的抗凝血 性。目前主要通过共混或共聚方法在高分 子聚合物如聚氨酯表面引入微相分离结构。 值得注意的是微相分离结构对材料抗凝血 性能提高的机制没有完全弄清楚，使该方 法的研究受到制约；
（1）首先是无毒，具有良好的生物相 容性和组织相容性；
（2）可降解吸收，在组织形成过程中 材料降解并被吸收；
（3）具有可加工性，尤其是能形成三 维结构并有较大的孔隙率，以便进行营养 物质传输、气体交换、废物排泄；
（4）使细胞按一定形状生长，良好材 料-细胞界面，利于细胞黏附、增殖、激活 细胞特异• 惰性生物材料是指对人体组织化学惰性， 其物理机械和功能特性与组织匹配，使 材料在应用过程中不致产生不利于功能 发挥和对其它组织影响的反应，特别是 与组织接触或短(长)时间不产生炎症或凝 血现象，无急性毒性或刺激反应，一般 无补体激活产生的免疫反应的一类功能 材料。
目前惰性生物材料主要品种有金属材料、 非金属材料、有机高分子材料以及复合 材料。
生 物 高 分 子 材 料
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接枝蛋白质或氨基酸，产生免疫吸附， 这主要是基于蛋白质、氨基酸或核酸与 细胞有更好的亲和性；天然高分子如甲 壳糖、胶原、明胶、蛋白微丝等生物材 料的研究表明，它们的抗凝血性能和组 织亲和性优于一般生物材料，关键在于 一系列处理过程中如何维持天然材料的 结构性能，尤其是维持材料的免疫性能；
• 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”。
1.1 简介
生物材料通常有两个定义：狭义的生 物材料是指天然生物材料，也就是由生物 过程形成的材料。广义的生物材料是指用 于替代、修复组织器官的天然或人造材料
生物材料（Biological materials）又 称生物工艺学或生物技术。应用生物学和 工程学的原理，对生物材料、生物所特有 的功能，定向地组建成具有特定性状的生 物新品种的综合性的科学技术。
金属材料主要集中在不锈钢、钛、金、 银等基体金属及钴、镍、银-汞合金；非 金属材料主要有氧化铝、氧化锆、氧化 硅、氧化镁、氧化钛、铝酸钙等陶瓷材 料；