生物醫(yī)學材料在骨科臨床應用

1、生物醫(yī)用材料在骨科臨床應用,邱貴興北京協(xié)和醫(yī)院骨科,生物材料的概念,生物材料(Biomaterials) 即生物醫(yī)學材料(Biomedical Materials),用于人體組織和器官的診斷 修復或增進其功能的 高技術材料 取代 修復活組織的天然或人造材料 其作用藥物不可替代 能增進或替換因疾病 損傷等失去的某種功能,生物醫(yī)用材料的用途,替代損害的器官或組織 如：人造心臟瓣膜、假牙

2、、人工血管等 改善或恢復器官功能的材料 如：隱型眼鏡、心臟起搏器等 用于治療過程 如：介入性治療血管內支架、用于血液透析的 薄膜、藥物載體與控釋材料等,生物材料發(fā)展概況 — 古代,公元前5000年 黃金修復缺損牙齒 并沿用至今 公元前3500年 古埃及人用棉花纖維 馬鬃縫合傷口 印第安人用木片修補顱骨 公元前2500年 中國和埃及的墓葬中發(fā)現(xiàn)假牙 假鼻和假耳

3、 隋末唐初 銀膏補牙 — 成分是銀、錫、汞 與現(xiàn)代牙齒填充材料類似,生物材料發(fā)展概況 — 近代,1588年 黃金板修復顎骨 1775年 金屬固定體內骨折 1829年 多種金屬的動物實驗發(fā)現(xiàn) 金屬鉑對機體組織刺激最小 1851年 發(fā)明了天然橡膠的硫化方法 開始用天然高分子硬橡木制作人工牙托

4、 和顎骨進行臨床治療 1892年 用硫酸鈣填充骨缺損 陶瓷材料植入人體的最早實例,,生物材料發(fā)展概況 — 現(xiàn)代,生物材料取得實質性進展始于20世紀20年代,生物材料的分類,按材料性質分類 按材料功能分類 按材料來源分類 按使用部位分類,通常按材料性質分類,金屬材料 不銹鋼 鈷基合金 鈦基合金等 廣泛應用于人工假體 人工關節(jié) 醫(yī)療器械 非金屬材

5、料 無機材料 有機材料,無機材料 主要是生物陶瓷分為惰性生物陶瓷 如氧化鋁生物陶瓷表面生物活性陶瓷 如磷酸鈣基生物陶瓷可降解生物陶瓷 如β-磷酸三鈣陶瓷等有機材料 PMMA 聚乙交酯 聚丙交酯 生物膠 聚乳酸,通常按材料性質分類,高分子材料 根據(jù)來源分天然和合成天然

6、如多糖類、蛋白類合成 如硅橡膠、聚乙烯、聚乳酸、聚四氟乙烯等 用于人體器官 組織 關節(jié) 藥物載體等 生物復合材料 不同種材料混合或結合 克服單一 材料缺點 可獲性能更優(yōu)的材料,按材料功能分類,硬組織相容性材料 用于關節(jié) 牙齒及其他骨組織 軟組織相容性材料 用于人工皮膚 人工氣管 人工食

7、道等 血液相容性材料 用于人工血管 人工心臟 血漿分離膜 血液灌流用吸附劑 細胞培養(yǎng)基材等 生物降解材料 用于吸收型縫合線 藥物載體 愈合材料 粘合劑及組織缺損用修復材料,按材料來源分類,自體組織 如人體髂骨 血管等 同種異體器官及組織 異種器官及組織 天然生物材料 動物骨膠原 甲殼素 珊瑚等 人工合成

8、材料 人工合成的新型材料,按使用部位分類,硬組織材料 骨、牙齒用材料 軟組織材料 軟骨、臟器用材料 心血管材料 心血管以及導管材料 血液代用材料 人工紅血球 血漿等 分離、過濾、透析膜材料 血液凈化 腎透析及人工肺氣體透過材料等,對生物醫(yī)用材料的基本要求,良好的生物相容性 良好的化學穩(wěn)定性 滿足生物力學要求 可滅菌 可成型 易加工,生物相容性,無毒 無刺激 無致畸 致敏

9、致突變或致癌 在體內不被排斥 無炎癥 無慢性感染 不引起周圍組織局部或全身性反應 最好能與骨形成化學結合 具有生物活性無溶血 凝血反應等,化學穩(wěn)定性,耐體液侵蝕 不產(chǎn)生有害降解產(chǎn)物 不產(chǎn)生吸水膨潤 軟化變質 自身不變化,生物力學要求,足夠的靜態(tài)強度 如抗彎 抗壓 拉伸 剪切等 有適當?shù)膹椥阅Ａ亢陀捕?耐疲勞 摩擦 磨損,其 它 要 求,良好的空隙度

10、體液及組織易長入 易加工成形 使用操作方便 消毒滅菌不變質等性能,生物材料在骨科的應用,不銹鋼 鈷基合金 鈦合金 記憶合金,生物材料在骨科領域 — 發(fā)展最迅速 應用最廣泛,一、 金屬材料,不銹鋼為鐵基合金 成本低在體內有腐蝕和組織反應等添加Mo可克服鉻鈍化膜在氧化環(huán)境中耐腐蝕性能如加Mo的316、317降低碳含量 如使用超低碳的316L可防止晶間腐蝕.可用來制作人工關節(jié)

11、和骨折內固定器等目前最常用于手術工具的制造,,1、不銹鋼,加Mo的鈷基合金 耐腐蝕性是不銹鋼如316的40倍鈷鉻鉬合金的生物相容性超過鐵鉻鎳和鈷鉻合金鈷基合金的耐磨性是所有醫(yī)用金屬材料中最好的更適于體內的長期植入物用于人工關節(jié) 接骨板 骨釘?shù)?CoCrMo合金制股骨帽,2、鈷基合金,骨科應用以純鈦和TC4 (Ti-6Al-4V)為主強度不如鈷基合金耐腐蝕性好與人體組織反應很弱鈦合金的密

12、度小彈性模量低接近于天然骨有良好的耐疲勞性能廣泛用于制作人工關節(jié) 接骨板 骨螺釘 髓內釘?shù)?3、鈦基合金,1951年美國首次報道Au-Cd（金-鎘）合金具形狀記憶效應目前已有20多種記憶合金 其中鎳鈦合金臨床上應用最大不同的溫度下表現(xiàn)為不同的金屬結構相 如低溫時為單斜結構相 高溫為立方體結構相前者柔軟可隨意變形 后者剛硬可恢復原形狀并在形狀恢復過程中產(chǎn)生較大的恢復力,4、形狀記憶合金,脊椎矯

13、正植入體,特點 奇特的形狀記憶功能 質輕 磁性微弱 強度較高 耐疲勞性 高回彈性和生物相 容性好應用 人工關節(jié) 骨折連接 脊柱側凸矯形等,5、純金屬鉭（Ta）,良好生物相容性和可塑性 無毒性 獨特的表面負電性使其具優(yōu)良抗血栓性和生物相容性 很高的抗缺口裂紋能力 能和周圍的新骨形成骨性結合 植入軟組織可依

14、附在表面正常生長 退火后的純鉭很軟 可加工成板 帶 箔 絲等 主要用作接骨板 骨螺釘 鉭網(wǎng)用于肌肉缺損修補 鉭絲和箔用于修補受損的神經(jīng) 肌腱 由于鉭資源少 價格較高 推廣受限制,生物陶瓷,是經(jīng)高溫處理所成的無機非金屬材料,二、非金屬材料,（一）無機材料,惰性生物陶瓷 生物體內與組織反應很小 如氧化鋁陶瓷 用于人工關節(jié) 活性

15、生物陶瓷 生理環(huán)境下與組織界面形成化學鍵結合 系骨性結合 如羥基磷灰石等陶瓷及生物活性玻璃 生物活性微晶玻璃 用于需骨長入的假體表面涂層 人工植骨材料等 可吸收生物陶瓷 在生物體內逐漸降解 被骨組織吸收 如磷酸三鈣等 多用于填充植骨材料,分類及骨科應用,高純氧化鋁生物陶瓷制備關節(jié)頭 無釩鈦合金制備關節(jié)柄 在柄部涂覆生物活性

16、陶瓷涂層 有效解決人工關節(jié)易磨損 生物相容性不佳 松動下沉等問題 提高使用壽命,可降解陶瓷藥物載體,植入骨病灶區(qū)可持續(xù)緩慢釋放藥物有效治療骨結核 骨腫瘤等 且兼有補骨作用,生物醫(yī)用高分子材料,分子量在幾萬至幾百萬 如蛋白質 棉 毛 木材 松香 橡膠 塑料 合成纖維 按來源分天然和人工合成兩種,（二）有機材料,天然高分子生物材料 — 膠原蛋白,組織相容性好 植入人體后無刺激性 無毒性反應

17、 促進細胞增殖加快創(chuàng)口愈合并具可降解性 可被人體吸收降解產(chǎn)物無毒副作用膠原凝膠 — 創(chuàng)傷敷料粉末 — 止血劑和藥物釋放系統(tǒng)紡絲纖維 — 人工血管 人工皮 人工肌腱 外科縫線海綿 — 創(chuàng)傷敷料和止血劑等,天然高分子生物材料 — 纖維蛋白,主要來源于血漿蛋白 具血液和組織相容性無毒副作用和其他不良影響 臨床已應用很久 纖維蛋白粉末 — 止血劑 可與抗菌素共用充填慢性骨炎和骨髓炎手術后骨缺損 纖維蛋白海綿

18、 — 止血的填充物 組織代用品 商品名Bioplast — 關節(jié)成型術,合成高分子生物材料 — 硅橡膠,平均分子量>40萬 有機硅彈性體的主要成分 含有硅原子的特種合成橡膠的總稱 無毒無味 生物相容性好 耐生物老化 抗凝血性較好 長期植入體內物理性能下降甚微 耐高溫嚴寒( -90°- 250°) 良好的電絕緣性 耐氧老化 耐光老化 防霉 化學穩(wěn)定性

19、 主要用于人工髓核 DIAM,合成高分子生物材料— 聚四氟乙烯（PTFE）,又名泰氟隆（Teflon） 最好的耐高溫塑料 — 熱塑性塑料 結晶熔點327℃ 幾乎完全是化學惰性的 具自潤滑性或非粘性 不易被組織液浸潤 可做成膜狀材料 用于脊柱減壓手術 肌腱吻合手術等防粘連,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 機械強度較高 用于

20、骨水泥,可吸收內固定材料 抗彎強度≥120MPa 植入體內無需取出 對組織無刺激 能被人體完全吸收最終代謝為二氧化碳、水等 適用于人體松質骨骨折截骨術和關節(jié)融合術的骨塊（段）固定,合成高分子生物材料 — 聚乳酸,組 織 工 程,近年來新興的多學科交叉生命科學 目的是修復和再生受損組織或器官 幫助恢復受損組織的功能 提高生活質量 解決器官短缺和免疫抑制等問題,組 織 工 程,定義

21、 利用工程學和生命科學基本原理 開發(fā)能恢復 維持或 改善受損組織或器官功能的生物替代物 綜合了細胞生 物學 工程學 材料學和臨床醫(yī)學領域 用活細胞和細胞 外基質或骨架構造一個新的功能化組織或器官 研究領域 新型聚合物的合成 信號傳導 培養(yǎng)細胞的基因調節(jié)和移 植有關的免疫問題等研制產(chǎn)品 包括軟骨組織、腱組織、骨組織等,生物材料的發(fā)展趨勢,復合型 兩種以上材料混合或結合

22、 克服單一材料缺點 雜化型 合成材料與生物體高分子材料或細胞的雜化 功能型 在生理環(huán)境下表現(xiàn)為特殊功能的材料 形狀記憶材料 組織引導再生材料 智能型 能模仿生命系統(tǒng) 并具感知和驅動雙重功能 感知 反饋和響應是該材料的三大要素 高新技術 傳感器和執(zhí)行元件與傳統(tǒng)材料結合 賦予材料新性能 使其具更多

23、生物特性,生物材料的發(fā)展趨勢,當前國內外生物材料開發(fā)研究的主要趨勢是 致力于提高材料的生物相容性 致力于開發(fā)生物相容性好 更能適應人體生理需要的新材料,納米醫(yī)學材料,1納米（ Nanometre， nm）=1毫微米 即10-9米 相當于4個原子的直徑或細胞內DNA雙螺旋結構的半徑納米科學技術（NanoST） 在納米級微觀環(huán)境下工作 操縱原子、分子或原子團和分

24、子團使其形成所需要物質 以0.1到100nm的空間尺度范圍 作為研究與應用的對象 研究其內在規(guī)律與特點 運用這 些特性制造具有特定功能的物品與設備的一項高新科學技術 納米尺度的生物大分子能導電 納米微粒的抗菌作用等特性 只有在納米級時才可顯現(xiàn)出來,納米技術是20世紀90年代發(fā)展起來的 納米材料的獨特特性： 小尺寸效應 界面效應 納米結構單元間交互作用納米陶瓷材料 — 人

25、工骨關節(jié)等 強度 韌性 硬度以及超塑性都顯著提高新型納米抗炎敷料 表面結構發(fā)生根本性變化 面積顯著增大 殺菌效果增加百倍利用納米技術的DNA復制與自我生長、自我制造機理 研制出有生物相容性的人體器官和骨骼修復劑與自生長 材料 人血代用品等 利用納米薄層能分解有機物、抑制細菌滋生的自我清潔