生物医用材料分类
本帖最后由 无心人 于 2009-7-17 11:01 编辑生物医用材料分类
生物医用材料及其制品种类繁多，是由于不同学科的科学家从各自的研究侧面，形成种类繁杂的现象，有多种分类方法。通常情况下，可根据材料属性、功能、来源、使用部位、使用要求分类。
一、按材料属性分类
按材料的组成和性质分为医用金属材料、高分子材料、无机材料和复合材料。
(一)生物医用金属材料
生物医用金属材料是人类最早利用的生物医用材料之一。它具有高强度、耐疲劳和易加工等优良性能，由包制成的医疗器件植入人体内，具有治疗、修复、替代人体组织或器官的功能，是生物医用材料的重要组成部分，在川省床上占有重要地位。目前，在需承受较高荷载的骨、牙部位仍将其视为首选的植入材料。
1.生物医用金属材料的优缺点
优点:坚固耐用，价格低廉，易加工制造，表面光洁度高。
缺点:易腐蚀，造成长期植入的稳定性差;其弹性和密度与人体组织相距较大，本身无生物活性，难于和生物组织形成牢固地结合。
生物医用金属材料的特性:生物医用金属材料以其优良的力学性能、易加工和可靠性在临床医学中获得了广泛应用，其重要性与医用生物高分子材料并驾齐驱，在整个生物医用材料应用中各占45%左右。
2. 生物医用金属材料的基本条件
作为医用生物金属材料，必须满足四个基本条件:第一是无毒性;第二是耐生理腐蚀性;第三是机械性能;第四是与生物兼容性。
(1)金属材料的毒性。
医用生物金属材料植入人体后，一般希望能在体内永久或半永久地发挥生理功能，所谓半永久对于金属人工关节来说至少在15年以上。在这样一个相当长的时间内，金属表面或多或少会有离子或原子困腐蚀或磨损进入周围生物组织，因此，材料是否对生物组织有毒就成为选择材料的必要条件。金属的毒性主要作用于细胞，可抑制酶的活动，阻止酶通过细胞膜的扩散和破坏溶酶体。一般可通过组织或细胞培养、急性和慢性毒性试验、溶血试验等来检测。
( 2) 生物医用金属材料的耐生理腐蚀性。
人体体液约含1% 氧化制及少量其它盐类和有机化合物，局部酸碱性经常略有变化，温度保持在37℃ 左右，这种环境对金属材料会产生腐蚀，其腐蚀产物可能是离子、氧化物、氯化物等，它们与邻近的组织接触，甚至渗入正常组织或整个生物系统中，对正常组织产生影响和剌激，引起包括组织非正常生长、畸变、过敏或炎症、感染等不良生物反应，甚至诱发癌变。腐蚀作用同时会使材料的力学性能产生衰减，这两种过程通常单独或协同造成材料的失效。
( 3) 生物医用金属材料的机械性能。
医用金属材料常作为受力器件在人体内“服役”，如人工关节、人工椎体、骨折内固定铜板、螺钉、骨钉、骨针、牙种植体等。某些受力状态是相当恶劣的，如人工髓关节，每年要经受约3.6×106次(以每日1万步计)可能数倍于人体体重的载荷冲击和磨损。若要使人工髓关节的使用寿命保持在15年以上，则材料必须具有优良的机械性能和耐磨损性。
( 4) 生物医用金属材料与生物兼容性。
由于金属材料在组成上与人体组织成分相距甚远，因此，金属材料很难与生物组织产生亲合，一般不具有生物洁性，它们通常以其相对稳定的化学性能，获得一定的生物兼容性，植入生物组织后，总是以异物的形式被生物组织所包裹，使之与正常组织隔绝。组织反应一般根据植入物周围所形成的包膜厚度及细胞浸润数来评价。美国材料试验学会的生物医用金属材料中标准规定:金属材料埋植6个月后，纤维包膜厚度>O.3mm为合格。
3. 生物医用金属材料应用范围
(1)生物医用金属材料。
植入骨折内固定板、螺钉、人工关节和牙根种植体、骨钉、骨针、骨棒、脊柱内固定器材、结扎丝、银夹、血管吻合夹(器)、整形材料;
( 2) 医用射线防护用品、装置。
医用射线防护用品:防护服、防护裙、防护手套、防护玻璃板、防护帽、性腺防护器具、防护眼镜、铅橡皮、铅塑料等其它射线防护材料等。
医用射线防护装置:X 射线防护椅、X 射线防护屏等防护装置等。
(二)医用高分子材料
医用高分子材料是生物医用材料领域中最为活跃的领域o 它以其优良的物理化学性能，应用到医学的各个领域。生物医用高分子材料是和医学、生物学发展有关的高分子的材料总称，医用高分子材料是由碳(C)、氢(H)、氧(O)、氮(N)、硫(S)、硅(Si)等元素组成的分子量很高的有机化合物。通常所指的高分子材料主要包括橡胶、塑料、纤维三大类。现代医学的发展，对材料的性能提出了愈来愈高的要求，这是大多数金属材料和无机材料难以满足的，而生物医用高分子材料与生物体(天然高分子)有着极其相似的化学结构，而且其来源丰富、保存方便、品种繁多、性能可变化、应用范围广，如从坚硬的牙齿和骨头、强韧类似筋脏和指甲，到柔软而富于弹性的肌肉组织、透明角膜和晶状体等都可用高分子材料制作，而且其可加工成各种复杂的形状。橡胶、塑料、纤维等生物医用高分子材料在生物医用材料制品中占有相当大的比例。
(三)医用无机材料
无机材料虽然发展历史久远，然而广泛应用在医学领域中，还是在近30 年。主要为生物陶瓷，包括氧化物陶瓷、磷酸盐陶瓷、生物玻璃、碳等。根据在生物机体中引起的组织反应和材料反应，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-磷酸三钙(-Ca3(P04h) 陶瓷等。
(四)医用复合材料
复合材料从广义上讲是不同种材料的混合或结合，克服单一材料的缺点，可获得性能更忧的材料。其分类按基材分为高分子基、陶瓷基、金属基等;接增强体形态和性质分为纤维增强、颗粒增强、生物活性物质充填等。
二、按材料的功能分类
(一)血液兼容性材料
当高分子材料植入人体后，必然要长时间与体内血液接触。高分子材料对血液的兼容性就是高分子医用材料制品植入人体组织后，不引起凝血和溶血的现象，这也是当前国际上最受重视的研究课题之一。
血液中血细胞约占全血容积的45% ，其余为血浆，血浆中含有多种无机盐，主要有K+ 、Na+ 、Ca+ 、Mg2+、Cl-等。
血栓的形成血栓形成与血浆蛋白质、凝固因子、血小板等多种血液成分有关。普通的材料作为异物与生物体内的血液接触时，1-2min之内就会在材料表面产生血栓。当材料表面与血液接触后，首先是蛋白质和脂质吸附在材料表面上，这些分子发生构象的变化，导致血液中各成分发生相互作用。
(二)软组织兼容性材料
对于与生物机体组织非结合性的材料，如软性隐形眼镜片，要求材料对周围组织无刺激性和毒副作用;对于结合性的材料，如人工食道、人工气营、人工输尿营、人工皮肤、软组织修补材料等，要求材料与周围组织有一定粘结性，不产生毒副反应。
(三)硬组织兼容性材料
硬组织生物材料主要用于生物机体的关节、牙齿及其它骨组织。包括生物陶瓷、生物玻璃、铁及合金、钻铭合金、碳纤维、聚乙烯等。
三、人工器官
高分子材料作为人工脏器、人工血管、人工骨儒、人工关节等医用材料，正在得到愈来愈广的应用。到目前为止，除了大脑和胃之外，几乎所有的人体器官都在研制代用的人造器官。
人工器官种类繁多，形状各异，因而其加工成型的方法也是多种多样的。近些年来，对各类人工器官加工成型的方法经历多次改进，积累了丰富经验，为能制成满足使用性能要求的制品，开发了许多新的加工成型方法，针对不同器官采用了:模压、浇铸、涂敷、包埋、熔融、纺 .和编 .等方法。研究应用比较成功的有人工血管、人工食道、人工尿道、人工心脏瓣膜、人工关节、人工骨、整形材料;已取得重大研究成果，但还需不断完善的有人工肾、人工心脏、人工肺、人工膜脏、人工眼球、人造血液等;而一些功能复杂的器霄，如大脑、肝脏、胃、子宫等还没有代用品。常用高分子材料的人工器官有:心脏、肾脏、肝脏、膜脏、肺、皮肤、关节、角膜、玻璃体、鼻、耳、乳房、血管、胆营、鼓膜、食道、喉头、气营、尿道等。
(一)人工心脏和人工心脏瓣膜
心脏是人体血液循环系统中的动力器官，经过心脏与肺的协同工作，使血液不断地氧合更新，并在全身不断循环将新鲜血液送往各个器官，从而保证人体正常的生命活动。心脏发生病变，往往危及生命。以人工心脏代替人体自身的心脏是多年来人们追求的目标。用于人工心脏泵体的高分子材料，除具备一般高分子材料的性能外，还特别要求具有柔性、弹性、耐疲劳强度和抗血栓性。
若以一般成年人的心脏每分钟平均搏动70次为例，每日搏动次数高达10万次以上，当从事体力劳动时，还会成倍增加，一年就要搏动3680多万次。
因此，作为永久性人工心脏泵的材料要考虑到足够的安全系数，必须具备优异的耐挠曲性能。心脏每跳动一次，搏出的血液量约在30-70ml。因而每分钟将有4-5 L 的血液流经心脏，多时可达14-15 L，为确保血液循环畅通无阻，用高分子材料制成的心脏泵体和隔膜的内表面必须具有优异的抗凝血性能。
用于人工心脏的主要材料有:硅橡胶、聚氯乙烯、聚四氟乙烯和聚烯等。
用于心脏瓣膜的材料有:硅橡胶、热解碳和生物瓣。
人工心脏的实验研究是1957年由美国的W.J.Kolff和T.Akutsu正式开始的。1958年他们以塑料制成的人工心脏泵，由水压驱动使狗存活了两个多小时，从而迈出了人工心脏走向实应用的第一步。以后，法国、德国、苏联、西班牙及中国也相继开展了人工心脏研究。实验中动物死亡原因，除因动物长大，原心脏已不符合要求以外，主要有手术失败、驱动装置故障、呼吸功能不全等，而血栓形成也是相当重要原因之一，因此材料的血液兼容性是至关重要的。1982年12月2日，由美国犹他大学心脏外科医生W. C.DeITies第一次成功的实现了全人工心脏在临床上的应用，接受治疗的是61岁的患心肌病的牙科医生，全人工心脏生活了112天。1984年11月25日，美国的另一位严重心脏病患者置换J缸vik-7型人工心脏的手术也获得了成功，且在术后不久更换了小型驱动装置(仅5kg) ，走出病房。目前世界各国人工心脏的制作工作仍在积极进行，目的是开发抗血栓性好、耐久性优良、功能更完备、驱动装置小型化、能源植入化的全人工心脏。
心脏瓣膜在心脏中所起的作用是极为重要的，如果说心脏是血液的泵体，瓣膜就是单向的阀门，它们只允许血液朝一个方向流动。当血液需要通过时就开启，当需要阻止血液通过时就闭锁，从而保证血液在身体中的正常循环。人体心脏中有四个瓣膜:三尖瓣、肺动脉瓣、主动脉瓣和二尖瓣。无论哪一个瓣膜发生病变，如增厚、狭窄或闭锁不全都会引起不良后果，会出现心肌劳损、左心或右心衰竭，这些都属于心脏病变的重要类型，严重时可导致心力衰竭死亡。采用天然心瓣(人体或动物)进行置换曾是早期治疗的有效方法，但后来发现，远期效果不够理想。而采用人工心脏瓣膜进行移植，在全世界已成功解除了数十万人的病痛。人工心脏瓣膜主要有:球形瓣、蝶形瓣和生物瓣等几种类型。由于心脏瓣膜植入心腔后，始终全部浸没在血液之中，因此对于材料的要求十分苛刻。它不仅要具有高强度和耐疲劳性，而且要有优异的抗凝血性。人工心瓣的合成材料有:聚四氟乙烯、聚氨醋、聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸醋、聚甲醒、硅橡胶等，其中硅橡胶和含氟橡胶性能较好。但材料的老化、血栓形成、肉芽组织增生、摩擦损耗等仍是需要解决的问题。
(二)人工肝脏
目前，人工肝脏正处于研究之中。肝脏具有对参与维持生命的物质进行生物合成及解毒
等各种代谢功能。在肝脏不能维持本来功能出现肝功能不全时，人工肝脏可通过人工方法发挥其辅助肝功能作用以维持生命，而真正的"全人工肝脏"还没有。
(三)人造血管
血管属于弹性组织，一般分为三层。外层，主要成分是松散的结缔组织;中层，是血管
中最厚层，是以平滑肌、胶原纤维、弹性纤维等多层同心筒形结构，并由胶原纤维和弹性纤维连接起来;内层，是由胶原纤维、弹性纤维和平滑肌等组成的松散结构。
血管的营径一般是:大动脉>1.3em，中动脉0.5em，小动脉0.062-0.15mm，毛细血管0.004mm，小静脉0.01mm，腔静脉1.6em。
血管的功能是输送血液，使全身的组织和器官不断进行新陈代谢活动。如果血管出现阻塞或破裂，就会影响血液的正常循环，严重时，将危及生命。有人曾用象牙、玻璃和金属材料制作人工血管，都因出现血液凝固而失败。采用高分子合成纤维制成的人工血管，代替截除的天然血管，已成功地用于十余万患者，取得了良好效果。
可以制作人工血管的高分子材料有:聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚偏氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯睛、聚乙烯醇、聚四氟乙烯、聚眈腊、聚醋、聚氨醋、聚氨基酸以及纤维素衍生物等，己有商品生产。人工血管的使用性能如弹性、柔性，尤其是抗凝血性能至关重要。这些性能除与材料本身有关外，还与加工成型方法有密切关系。用平织和卷织方法的编织物，制成人工血管后，再经过蛇腹型加工的聚醋和聚囚氟乙烯的人工血管，称为标准的人工血管，在临床上应用最广，使用效果最佳。
(四)人工骨、人工关节
高分子材料最早应用于人工骨憾。第一例医用高分子材料是以聚甲基丙烯酸甲醋作头盖骨。现在，尼龙、聚醋、聚乙烯、聚四氟乙烯都已成功地用于人工骨锵材料。
人工关节有很多，如髓关节、膝关节、肘关节、肩关节、腕关节、指关节等，其中以髓关节和膝关节承受的力最大。1963年出现了第一例金属骨股头¬¬—聚四氟乙烯髓骨臼的人工关节，开始了高分子人工关节的时代。
近年来，人工关节大多是以不锈钢、陶瓷等高强材料制作，以高分子材料为关节日配合而成的。
聚乙烯是人工骨的较理想的高分子材料。其摩擦系数远远小于不锈钢。据报道，用不锈钢做骨股头、聚乙烯作臼组成的人工髓关节，年磨损量仅为0.14mm，而用陶瓷做骨股头、聚乙烯作臼组成的人工髓关节，年磨损量仅0.07 mm。陶瓷材料比不锈钢有更好的耐磨蚀性。因此，有人认为，陶瓷骨股头聚乙烯组成的人工髓关节是一种很有前途的人工关节。
(五)植入材料和人工器官
1.植入器材
骨板、骨钉、骨针、骨棒、脊柱内固定器材、结扎丝、聚骸器、骨蜡、骨修复材料、脑动脉瘤夹、银夹、血管吻合夹(器)、整形材料、心脏或组织修补材料、眼内充填材料、节育环、神经补片。
2. 植入性人工器官
人工食道、人工血管、人工椎体、人工关节、人工尿道、人工瓣膜、人工肾、义乳、人工颅骨、人工顿骨、人工心脏、人工肌脏、人工耳蜗、人工旺门封闭器。
3. 接触式人工器官
人工喉、人工皮肤、人工角膜。
4. 支架
血管支架、前列腺支架、胆道支架、食道支架。
5. 器官辅助装置
植入式助听器、人工肝支持装置;助听器、外挂式人工喉。 真好！对我很有用。谢谢楼主。
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