> > 生物医学材料的特点及应用
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摘? 要
本文对生物医用材料发展现状，要满足的性能，类型，以及常用的一些材料进行了全面的介绍。生物医用材料要满足的首要性能是生物相容性，因为这密切地关系着宿主的生命安全，还要有足够的力学性能，和组织相容性，以及耐生物老化性能。按其在生物体内的状态，这种材料可分近于惰性的生物医学材料，生物活性材料，可生物降解和吸收的材料。
本文介绍一些常用的生物医用材料有，医用金属和合金主要包括，不锈钢，钴基合金，钛和钛基合金；医用高分子生物材料；医用生物陶瓷；医用生物复合材料；生物衍生材料。这些材料在现代医学中起着重要的作用，但其自身仍有许多的不足之处，需要进一步的发展和完善。
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关键词：生物医用材料，生物相容性，生物活性，降解，生物玻璃，衍生
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?Abstract
The development of bio-medical materials, the performance of satisfaction, type, and some commonly used materials were introduced comprehensively in the paper. The primary performance of Bio-medical materials to meet was the biocompatibility, because this was the close relationship with the lives of hosts, and they must have a sufficient mechanical properties, the organizational compatibility, and the performance of resistance biological aging. According the state in the body, materials were divided into near-inert biomedical materials, bio-active materials, and bio-degradation and absorption materials.
?The article described some common bio-medical materials who were medical polymer biomaterials; medical bio-ceramics; medical bio-composite materials; bio-derived materials; and medical metals and alloys that were stainless steel, cobalt-based alloys, titanium and titanium-based alloys. These materials in modern medicine played an imp
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Key words: Bio-medical materials, biocompatibility, bioactivity, degradation, bio-glass, derivative
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狭义的生物医用材料, 是指长期与活体组织接触或植入活体内部, 起某种生物功能的材料。而广义的生物医用材料还包括制造生物医药的原材料、医学诊断试剂、xx送达释放体系用材以及一次性使用的医用材料。生物医用材料及其制品已广泛应用于人体植入体。以现代科技手段生产的生物医用新材料及其制品在代替、修补、辅助修复人体组织器官上取得了显著的进展, 医学上已广泛用于制造人工心脏、心脏瓣膜、人造血管、人工肾、人造皮肤、人工骨, 以及xx释放体系等。已显示出较显著的社会和经济效益, 成为一个新兴产业[1]。预计未来10～20年内, 包括生物医用材料在内的医疗器械产业将达到xx市场规模, 成为世纪世界经济的支柱产业。[2]
1.生物医用材料的性能特点
作为体内移入物的材料, 不仅要在生物条件下物理机械性能长期稳定, 而且要对人体的组织、血液、免疫等系统不产生不良影响[3]。
1.1生物相容性
生物相容性是生物医学材料特定应用中伴随着适应宿主反应发挥有效作用的能力。生物医学材料和生物系统接触后，一方面材料要受生理环境的作用，引起可能导致其降解和性质蜕变的材料反应，另一方面材料也将对周围组织和整个机体发生作用，引起诸如炎症、局部或全身毒性等宿主反应。所以要求：没有毒性和过敏反应，具有化学稳定性；具有良好的耐蚀性；没有致癌性和抗原性；不会引起血液凝固和溶血；不会引起异常的新陈代谢；不会在生物体内变质，产生吸收物和在生物体内变质等[4]。
应该注意的是，在某种应用条件下是生物相容的材料在另一种条件下则不一定是生物相容的。直接接触血液，主要考查与血液互相作用的生物相容性，称血液相容性；直接与肌肉、骨骼、皮肤等组织接触并互相作用的生物相容性，称一般生物相容性。
1.2力学性能
一些生物医学材料的最终使用是制成生物体内可接受的器官和器件，由此，这样的生物医学材料必须与生物结构（包括器官）的力学性能相容。为此，生物医学材料应具备有适当的力学性能：有一定的静载强度（包括抗拉、压缩、弯曲和剪切强度）；有适当的弹性模量和硬度；有良好的耐磨性；（其中摩擦磨损是人工关节材料的关键）有耐腐蚀和耐腐蚀疲劳性；具有良好的润滑性等[5]。
力学的相容性并不是要求力学性能一定要高，而是取决于它所受的应力大小，要和相应的被置换的组织相匹配。
1.3和组织的结合性
这种结合可以是组织长入不平整的植入表面而形成的机械嵌联。也可以是植入材料和生理环境间发生化学反应而形成的化学键结合。
1.4耐生物老化性能
材料在活体内要有较好的化学稳定性, 能够长期使用, 即在发挥其医疗功能的同时要耐生物腐蚀、耐生物老化[6]。
2. 生物医用材料类型
生物医学材料的功能常通过加工成器件或制品来实现。它的成功使用涉及多方面因素，如材料的组成和结构，制品的形态和制造工艺，临床手术和技术，以及受体自身的状况等。按材料在生理环境的生物化学反应水平可分为：近于惰性的生物医学材料，生物活性材料，可生物降解和吸收的材料[7]。
2.1近于惰性的生物医学材料
在生理环境中能保持稳定，长期暴露于生理环境中仅发生轻微、甚至不发生化学变化的材料。主要有合成的非降解聚合物材料、医用金属和合金，氧化铝和医用碳素等近乎惰性的生物陶瓷和复合材料等。
2.2生物活性材料
可诱发或调节特殊生物活性的材料。通常指植入生物体内后，可在材料界面上诱发特殊生物反应，从而导致材料和组织间形成键性结合的材料。主要有生物活性陶瓷及生物活性复合材料。
2.3可生物降解和吸收的材料
在生物环境中可全部或部分被降解和吸收的材料。伴随着材料的降解和吸收，新生组织将逐步渐渐替代。这类材料或通过控制其降解吸收速率，使之与xx组织生长替代相匹配而发生作用；或起着一种激励xx组织长入的“骨架”作用，这个骨架及最终被吸收或部分保留，的xx组织已长入其中。这类材料主要有可吸收陶瓷、可吸收医用复合材料、可生物降解和吸收的聚合物材料、以及生物衍生材料等
3常见生物医用材料的应用
生物体结构经过20 亿年的物竞天择,几乎是xx无缺的。但是,有时遭到外界的伤害后很难自我修复, 仿生学就这样应运而生了。仿生学通常指模仿或利用生物体结构、生化功能和生化过程的技术。我们可以这样说,除了大脑外,机体所有的组织和器官均可人工再造和再生。对生物材料而言,一种是指xx生物材料,是由生命过程形成的材料,如结构蛋白(胶原纤维、蚕丝等) 和生物矿物(骨、牙、贝壳等) ; 另一种是指医用生物材料, 是通常意义上的生物材料。早期的生物医用材料主要是人工合成材料, 如金属、陶瓷、高分子等。近年来随着组织工程的发展,xx材料、活体细胞与无生命材料合成的杂化材料等在生物医用材料领域得到了广泛的应用。
3.1医用金属和合金
主要用于承受力的骨、关节和牙等硬组织的修复的替换。不锈钢、钴基合金。钛及钛基合金是生物医学合金的三大支柱[8]。
3.1.1不锈钢?
不锈钢分为三类：马氏体不锈钢，硬度高，强度好，耐腐蚀性不是{zg}，用于外科手术器械。沉淀硬化型不锈钢，含Co、Cr、Ni等，产生时效强化，耐蚀性能与钴基合金相当，力学性能也好，可代替钴基合金制作人工关节等承载植入体。奥氏体不锈钢，具有很好的抗腐蚀性能，同不能通过相变强化，只能通过加工强化；碳会引起晶间腐蚀，超低碳的不锈钢得到广泛的临床应用[9]。
医用不锈钢都含有较多的金属合金元素，他们在人体内所允许的浓度非常低。钢中的金属离子溶出会在机体内引起一些组织学上的反应。例如铁，它与血红细胞结合可形成铁血黄素、铬与生物体内的丝蛋白结合、镍的富集可诱发肿瘤的形成、钒有很强的细胞毒性等。由于腐蚀、磨损等导致金属离子溶出，在组织液引起机体的某些反应，会出现水肿、感染及组织坏死等。因此，必须严格限制不锈钢在生物体内的金属离子的溶出。
??不锈钢广泛地用来制作各种人工关节和骨折内固定器械，各种规格的截骨连接器、加压钢板、鹅头骨螺钉，多种规格的皮质骨和松质骨加压螺钉、脊椎钉、骨牵引钢丝、人工锥体等。这些置入体可替代生物体的关节、骨折修复等。
?????在齿科，不锈钢广泛用于镶牙、矫形、牙根种植及如齿冠、齿桥、固定支架、卡环、基托、娇形弓丝等。
?????在心血管系统，不锈钢用于各种植入电极、传感器的外壳和合金导线、人工心脏瓣膜以及血管内扩张支架等。
3.1.2钴基合金
?????主要有钴铬钼合金、钴铬钼镍合金、钴镍铬钼钨合金和MP35N钴镍合金及其烤瓷合金；此外，精密铸造含钛的钴基合金在一些国家也有应用。这几种合金中，只有钴铬钼合金可以在铸态下直接使用，其他的都是锻造合金。
??????钴基合金在人体内，大多数情况下保持钝化状态，只有很少数数量的偶然可见的腐蚀现象。钴铬合金比不锈钢的钝化膜更稳定、内腐蚀性更好。钴铬钼合金的点腐蚀倾向非常小，对应力腐蚀断裂也不敏感。用铸造钴基合金造人工关节，发生疲劳的几率和不锈钢差不多。若用锻造钴基合金，还可以大大降低腐蚀疲劳的几率。
??????钴基合金的耐腐蚀性能是所有医用金属材料中{zh0}的，一般没有明显的组织学反应。但钴基合金关节的松动率较高，可能是金属磨损微粒在体内引起组织的反应以及机体对金属离子的过敏所致。磨损物存在植入器官的组织环境中会引起巨细胞和细胞的死亡，导致疼痛和植入器件松动。钴、镍、铬可产生皮肤过敏反应。钴在组织中的综合作用通过血液渠道的阻塞导致组织死亡和引起植入器件松动。采用金属-聚乙烯系统可降低这种坏作用。
?钴基合金和不锈钢是医用金属材料中应用最广的两类材料。钴基合金更适合于制造体内承载荷苛刻的长期植入件。钴基合金作各种关节、接骨板、骨钉、接骨丝等；在心脏外科，用于制造人工心脏瓣膜，心血管支架等；在齿科，使用于制造卡环。基托、义齿等。还可用于脊椎矫形、颅骨修复等[10]。
3.1.3钛和钛基合金
??????应用较多的是Ti6Al4V和Ti5Al2.5Sn合金，他们在室温下都是a＋b两相混合组织。可通过固溶处理和时效强化合金。钛合金最显著的特点是密度较小（接近人体硬组织）、弹性模量较低，故与人体组织的弹性模量匹配优越。钛合金植入件还可以进行钝化处理，是表面生成保护性氧化膜，进一步提高抗腐蚀能力。
??主要应用于整形外科，尤其是四肢骨和颅骨整复。各种骨节固定器械、各种人工关节。脊椎矫正稳定的U形卡环。在颅脑科，微孔钛网可修复损坏的头盖骨和硬膜；钛合金还可制作颅骨板。在口腔及颌面外科，纯钛网可作骨头托架；钛和钛合金可制作义齿、牙床、托环、牙桥和牙冠等。在心血管方面，纯钛可作人工心脏瓣膜和瓣笼。在心脏起博器中，密封的钛盒能有效防止潮气渗入电子元器件。一些用物理方法刺激骨生长的电子装置也采用钛材。例如，钛对碘-125放射的X射线有较高的透射性且本身生物相容性良好，钛可作碘-125间隙植入无的密封材料而应用于放射性xx领域[11]。
3.2 医用高分子生物材料
这类材料或由它构成（或部分构成）的医疗装置或器件，用于诊断、xx或替代人体的组织、器官或增进其功能[12]。
按产品性能可分为非降解型和可生物降解型聚合物材料。后者包括可生物吸收的聚合物材料。非降解型聚合物材料是与生物体接触后具有长期稳定性的材料，如对组织、血液、水解、xx等作用稳定的材料。严格来说，没有{jd1}稳定的聚合物，因为他们总会发生老化。这类材料应用很广，如制作人造血管、非降解型缝合线、软组织、氧载体、接触镜、各种医用膜材、管材和中空纤维等。可生物降解聚合物材料在参与生理活性反应时，要发生解体作用。可生物吸收聚合物材料是指在降解成小分子后，可被机体吸收利用或通过代谢过程而排出体外。如可吸收缝线、医用粘结剂、人工皮、血管、骨架、螺钉、针、缓释xx、人工血浆等[13]。
生物医学聚合物材料具有耐生物老化特性，对于长期植入材料，生物稳定性好；具有良好的机械性能，如抗张强度、抗弯强度、抗压强度、抗冲击强度、耐曲挠疲劳性、耐磨性、硬度及尺寸稳定性均好；易加工成形；原材料易得，价格便宜，便于xx。有良好的生物相容性。
生物医用高分子材料可满足人体组织器官的部分要求, 因而在医学上受到广泛重视。目前已有数十种高分子材料适用于人体的植入材料。生物高分子材料与生物软组织结构接近, 故主要用作为软组织材料, 特别是人工脏器的膜和管材。聚乙烯膜、聚四氟乙烯膜、硅橡胶膜和管, 可用于制造人工肺、肾、心脏、喉头、气管、胆管、角膜。聚酷纤维可用于制造血管、腹膜等。生物医用高分子材料有时也用作为硬组织材料, 丙烯酸高分子（即骨水泥）、聚碳酸醋、超高分子量聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酷、尼龙、硅橡胶等可用于制造人工骨和人工关节。脂肪族聚醋具有生物降解特性, 已用于可接收性手术缝线。
目前研制和开发的医用高分子材料大多数还没有达到十分理想的状态,如使用人工心脏瓣膜的人需要终身使用抗凝血xx。又如人工角膜、人工皮肤等也未xx满足生理要求。总而言之, 目前使用的医用高分子材料本身还存在一些问题, 与医学上高要求还存在较大差距, 材料对人体还不够安全, 血液相容性和组织相容性还不够理想, 力学性能还不能满足某些应用要求, 不能代替人体器官中的大部分功能。今后的研究任务是解决医用高分子材料的上述不足, 使材料更接近人体组织, 具备人体器官的功能和作用。
3.3医用生物陶瓷
医用生物陶瓷主要成分是氧化铝、生物碳、生物玻璃、羟基磷石灰石、磷酸钙陶瓷等, 主要用于骨和牙齿、承重关节头等硬组织的修复和替换以及xx释放载体,生物碳还可以用作血液接触材料,如人工心脏瓣膜等。陶瓷材料和金属材料、高分子材料相比,具有优良的耐高温性能、耐腐蚀性能、抗氧化性能和很高的机械强度等, 在高温下使用更显示出特有的潜力和优势。然而,由于陶瓷材料本身脆性大、韧性低而导致它的使用可靠性差和抗破坏能力差的致命缺点,使其在工程反应的应用受到了很大程度的限制[14]。
用作生物医学材料的陶瓷材料，可以是单晶体也可以是多晶体；可以是致密也可以是多孔的；可以是单相也可以是多相的。主要用于人体骨骼-肌肉系统的修复的替换，也用于心血管系统的修复以及xx运送和缓释载体。
生物陶瓷按其结构分为致密生物陶瓷（孔隙率小于5%）和多孔陶瓷（孔隙率大于5%） 。多孔型生物陶瓷植入体内后，活性组织能长入孔隙之中，从而对多孔陶瓷有补强的作用并有利于与组织的结合。为了使软组织长入，孔隙线度必须大于10m；为了使骨组织长入，孔隙线度必须大于100m。为了使长入孔隙的组织能获得营养和氧，孔隙的深度一般为孔隙的线度的10倍左右。生物陶瓷中还残留一些因烧结不xx而在晶粒间遗留的微米级微孔，它对生物陶瓷在体内降解有强烈的影响。
与组织间的结合有四种基本类型：
（1）形态结合 主要发生在致密生物惰性陶瓷与组织间的结合。典型有氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷等。形态结合是组织长入植入体粗糙不平的表面形成的机械锁合。
（2）生物学结合? 主要发生在多孔生物惰性陶瓷与组织间的结合。典型材料有多孔的多晶氧化铝陶瓷等。生物结合是通过骨和组织长入多孔植入体表面或内部交联的孔隙而实现的结合。要求植入体和组织的界面不发生相对移动，否则组织和血管会在界面除被截断，导致孔隙内活体组织坏死，周围组织发炎[15]。
（3）生物活性结合? 主要发生在表面生物活性陶瓷与组织间的结合。可分两种类型：一类如致密羟基磷灰石陶瓷，其表面就是羟基磷灰石；另一类如生物玻璃生物活性玻璃陶瓷，其表面不是羟基磷灰石，但在生理环境中可以通过生物化学反应在表面形成羟基磷灰石层，通过表面的羟基磷灰石在体内发生选择性化学反应而与组织实现结合。是一种化学键结合。这种结合长高于自然骨和材料自身强度，一直断裂总是发生在骨或材料之中，而很少发生于界面。
（4）降解和吸收? 发生于吸收生物陶瓷与组织之间的结合。典型材料有硫酸钙、磷酸三钙和其它磷酸钙盐。它们通过在体内降解吸收并随之为组织替换来实现与组织间的结合。这种结合机制虽然十分理想，但由于不存在稳定界面，又不能提供植入初期临床要求的强度，又因材料组成的选择受到生物学要求的限制，材料降解吸收率又随受体和植入部位而变化，故很难使陶瓷降解吸收率和组织生长替换速率相匹配。这就是目前这类材料只有吸收线材料的原因[16]。
多孔羟基磷灰石陶瓷作为骨的替换的例子：自然骨有重量70%（体积50%）的多孔羟基磷灰石骨架结构，所以以多孔羟基磷灰石作为骨的替换材料是很自然的。在骨基质中，其主要成分是胶原（20wt%），磷酸钙盐即骨盐（69wt%），主要以结晶羟基磷灰石的形式存在，水（9wt%）。胶原在骨组织中以骨胶纤维的形式存在，属于Ⅰ型胶原蛋白，其纤维直径在100～2000nm之间，纤维之间存在编织两种排列方向。多孔羟基磷灰石陶瓷模仿骨的结构，具有骨的诱导性，能为新生骨组织长入提供的支架和通道。
3.4医用生物复合材料
人们发现自然界的生物材料几乎都是复合材料, 优良的性能靠其简单组分的精细符合结构特征来保证。医用生物复合材料主要成分为活体组织、金属、陶瓷、高分子等,主要用于修复或替换人体软、硬组织和器官或增进其功能以及人工器官的制造。与基体具有良好的生物相容性,生物活性高,是理想的医用生物材料。利用生物工程技术, 将活性组元引入人造材料制成具有生物活性的杂化材料是生物复合材料发展的一个重要方向[17]。
生物医学复合材料的构想起源于xx组织。人体的绝大多数组织都可视为复合材料。其中很大部分具有高的强度和韧性等优良力学性质，实际上是一种纤维增强的复合材料。它们由相对是刚性的胶原纤维包埋于柔性的有机基质中构成。胶原纤维承受施加于组织的动态负荷，起着影响或阻止裂纹扩展的作用，基质通过纤维/基质界面传递应力，保护纤维表面不被破坏并阻止来自纤维的裂纹扩展。两者结合使这些组织具有高的强度和韧性[18]。
生物医学复合材料，组分材料的选择受到很多限制。首先，自身必须满足生物相容性的要求，而且复合之后不允许出现有损材料生物学性能的性质；其次必须满足可靠性和比强度等要求，并且应当易于加工和价格合理。医用聚合物材料、金属和合金以及生物陶瓷都可既作生物医学复合材料的基体材料，又可作为其增强体或填料。
常用的基体材料有医用聚合物材料，包括可生物降解和吸收的聚合物材料；医用碳素材料、生物玻璃、玻璃陶瓷和磷酸钙基生物陶瓷等生物陶瓷材料。
含生物活性物质的复合材料在生物医学中引入活体组织、活性细胞、生长因子等生物活性物质，使得无生命的生物医学材料具有了生命活力，从而促进被损坏的组织康复。例如，在胶原/硫酸软骨素多孔膜散布表皮细胞所得到的皮肤掩膜，覆盖于xx创面上，不仅促进新皮形成，而且掩膜也能吸收。又如在多孔磷酸钙陶瓷中注入新鲜的脊髓细胞，不仅植入体孔隙中成骨提前，而且成骨均匀，具有应用于大的骨缺损修复的潜力。在多孔磷酸钙陶瓷中混入可诱导骨形成的骨形态发生蛋白，也具有类似于骨髓细胞的作用，现已应用于临床。
?人工材料越接近于人体组织，越容易为人体所接受。生物医学复合材料结构和性质的多样性，为研制仿生的生物医学材料展示了广阔的前景。随着对人体自身组成部分认识的深化和生物技术的发展，人类已开始在分子水平上通过蛋白质、组成细胞的物质、细胞外基质和活性细胞等去构建人体组织器官，这将是又一代崭新的生物医学复合材料。
3.5 生物衍生材料
生物衍生材料的主要成分是活性生物组织, 用于人工心脏瓣膜、皮肤掩膜、骨修复体、血管化学修复体等。将活性生物组织处理改性成无活性生物材料, 其结构与人体组织极为相似, 生物相容性好, 但目前仍处于刚起步阶段[19]。
4结论
（1）??? 生物医用材料的发展，给忍受各种病痛折磨的人们带来了福音，已经显示出较显著的社会和经济效益，成为了一个新兴的产业。
（2）??? 生物医用材料对其自身性能要求非常的严格，不仅要求有足够的力学性能，还要有好的生物相容性以及和组织的结合性。
（3）??? 生物医用材料按其在生理环境的生物化学反应水平可分为：近于惰性的生物医学材料，生物活性材料，可生物降解和吸收的材料。它们在实际应用中各有长处，但总体上说，它们的性能是依次升高的，当然价格也是依次升高的。
（4）当今，生物医用材料，不论是传统的医用材料，还是新兴的医用材料都有自身的不足之处，有待于进一步的发展，使其于人体的组织更加的相似，生物相容性更好。
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