2023年生物医用复合材料的发展和应用.doc

生物医用复合材料的开展和应用 班级：材料科学与工程1103班 姓名：李海涛〔2023010400〕史赛赛〔2023010410〕 吴海泉〔 〕董朝力〔 〕 李昂 〔 〕 ：生物医用复合材料(biomedical composite materials)是由两种或两种以上的不同材料复合而成的生物医用材料它主要用于人体组织的修复、替换和人体器官的制造。长期临床应用发现，传统医用金属材料和高分子材料不具生物活性，与组织不易牢固结合，在生理环境中或植入体内后受生理环境的影响，导致金属离子或单体释放，造成对机体的不良影响。而生物陶瓷材料虽然具有良好的化学稳定性和相容性、高的强度和耐磨、耐蚀性，但材料的抗弯强度低、脆性大，在生理环境中的疲劳与破坏强度不高，在没有补强措施的条件下，它只能应用于不承受负荷或仅承受纯压应力负荷的情况。因此，单一材料不能很好地满足临床应用的要求。利用不同性质的材料复合而成的生物医用复合材料，不仅兼具组分材料的性质，而且可以得到单组分材料不具备的新性能，为获得结构和性质类似于人体组织的生物医学材料开辟了一条广阔的途径，生物医用复合材料必将成为生物医用材料研究和开展中最为活泼的领域。 关键词: 陶瓷基;、金属基、 高分子基;、碳纤维、生物相容性、医用高分子材料、医用金属材料、医用无机材料、医用复合材料 一、生物医用复合材料概述： 1、开展状况： 随着社会文明进步、经济开展和生活水平日益提高，人类对自身的医疗康复事业格外重视。与此同时，社会人口剧增，交通工具大量涌现，生活节奏加快，疾病、自然灾害、交通事故、运动创伤和工伤等的频繁发生等，造成人们意外伤害剧增。因此，开展用于人体组织和器官再生与修复的生物医用材料具有重大社会效益。早在公元前3500年，埃及人就用棉花纤维、马鬃缝合伤口；墨西哥印第安人用木片修补受伤的颅骨；公元前500年的中国和埃及墓葬中发现假牙、假鼻和假耳；在1936年创造了有机玻璃后，很快用于制作假牙和补牙，至今仍在使用；1949年，美国首先发表了医用高分子的展望性论文，第一次介绍了利用PMMA作为人的头盖骨、关节和股骨，利用聚酰胺纤维作为手术缝合线的临床应用情况；50年代，有机硅聚合物被用于医学领域，加速了器官代替、整容等的开展。由此我们看出这些用于修复人体器官的材料具有久远的开展历史，它们统称为生物医用材料。 生物医用材料是一种新型材料，具有广泛的应用前景，仅高分子材料，全世界在医学上应用的就有90多个品种、1800余种制品，西方国家在医学上消耗的高分子材料每年以10％～20％的速度增长。随着现代科学技术的开展尤其是生物技术的重大突破，生物材料的应用将更加广泛。 2、定义： 由于生物医用材料是一个新开展起来的领域，并没有严格的定义。以下是一些解释：生物医学材料指的是能够植入生物体或与生物组织相结合的材料，可用于诊断、治疗，以及替换生物机体中的组织、器官或增进其功能。这些材料通过长期植入、短期植入、外表修复分别用于硬组织和软组织修复与替换。 3、分类： ①、按材料组成和性质： 医用高分子材料〔聚乙烯、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、硅橡胶、聚乳酸、聚羟基乙酸〕； 医用金属材料〔不锈钢、钴基合金、钛和钛合金以及贵金属〕； 医用陶瓷材料〔羟基磷灰石材料〕； 医用复合材料〔金属基-陶瓷涂层体系等〕。 ②、按材料在生理环境中的生物化学反响水平： 惰性的生物医用材料、生物活性材料、可生物降解和吸收的生物材料 ③、按用途： 骨骼-肌肉系统修复材料和替换材料〔骨、牙、关节、肌腱〕 软组织材料〔皮肤、乳房、食道、呼吸道膀胱〕 心血管系统材料〔人工心瓣膜、血管、心血管内插管〕 医用膜材料〔血液净化膜和别离膜、气体选择性透过膜、角膜接触镜〕 药物释放材料等。 4、 生物医用复合材料的选择要求 由于人体复杂的生理环境，植入体内的医用材料将会受到长期的物理、化学等生物因素的影响以及各生物组织或器官间普遍存在着很多的动态的相互作用，所以生物医用材料需要满足以下要求: ①具有优良的组织和物理相容性; ②具有优良的化学稳定性，即医用材料的结构或性质不因生物环境的作用而发生变化，同时医用材料不能引起生物体的排斥反响; ③具有优良的机械性能，即医用材料要有足够的力学强度和柔韧性，能够承受生物的机械作用力，选用的医用材料要与生物组织的拉伸弯曲强度和模量、硬度以及耐磨性能相一致; ④具有优良的防菌性能、工艺成型性能，不会因加工困难而使其应用受到限制【1】。 二、 生物医用复合材料研究现状 根据基体材料的不同，可将生物医用复合材料大致分为金属基、陶瓷基和高分子基复合材料三类。通过相应的工艺成型方法将各类材料制作成不同医学应用领域的生物复合材料。 1 、金属基生物医用复合材料 金属基生物医用复合材料，例如不锈钢、钛合金等，与传统医学材料相比，金属基医用复合材料的力学强度高、柔韧性优良、耐疲劳性能好、成型工艺优异。但单一的金属材料在生理环境的应用中面临着腐蚀的重要问题，金属离子假设向生物组织扩散将会引起毒副作用，而自身性质的退化易导致植入失效。因此一种即不易腐蚀又有很好的生物相容性的金属基生物医用复合材料是科研人员所要研发的新型材料。 谈到金属医用材料，首当其冲人们会想起钛基材料。金属钛医用材料由于其高的强度、韧性以及良好的工艺成型而被广泛用于人工骨、人工关节、齿根材料等。对钛进行外表改性获得的钛基涂层复合材料，既具有足够的强度和韧性，又具有良好的生物相容性，被认为是目前综合金属材料和其它材料各自优点的最有效途径之一。Milella 等【2】采用溶胶-凝胶技术，通过在钛酸酯的醇溶液中参加少量水，使酯水解聚合成聚合胶体。在此溶液中浸提试样，枯燥并经高温热处理，在钛和钛合金外表制备钛凝胶。如果在二氧化钛溶胶中参加钙盐和磷酸酯，可制得含钙和磷的复合涂层。选用不同的 Ca/P/Ti 配比，屡次浸提，涂层各成分那么呈梯度分布。涂层与基体间是磷酸钙与钛胶的中介层，钙磷的浓度由外到里逐渐减少，而钛的含量正好相反。在植入人体以后表现出良好的生物相容性。朱明刚等【3】同样采用溶胶-凝胶法，由质量比为 2. 86∶ 1的硝酸钙和磷酸三甲脂配制的溶胶液，通过屡次涂敷、烧结，在金属钛外表支撑了孔隙率为12%的 HA 生物涂层。层间形成一个 Ti、Ca、P 的成分过渡区，拉伸实验说明，界面结合强度为 28MPa。 同时，医用钛合金在临床上也得到了广泛应用。苏向东等【4】对 NiTi 合金的生物相容性进行的研究说明，pH 值在酸性、中性及弱碱范围内，0. 9% NaCI生理液、Hank's 模拟体液、Tyrode's 模拟血液的氧化复原电位不同使 NiTi 合金中 Ni 离子释放量呈现出差异，其中 Tyrode's 模拟血液中 Ni 离子的释放量较高; NiTi 合金 Ni 离子释放量的影响表现为随着模拟体液 pH 值的增大而降低，随 Cl－浓度增加而增大;NiTi 合金在生理液中表现出较强的 Ni 元素选择性腐蚀行为，Ti 那么腐蚀微弱，点蚀是其主要的腐蚀。 2、 陶瓷基生物医用复合材料 以陶瓷、玻璃作为基体材料的陶瓷基复合材料是一种具有广阔应用前景的医用材料，它是通过将晶片、晶须、颗粒、纤维等不同的增强材料引入陶瓷中而获得的一类复合材料。有文献数据显示人体骨骼中钙、磷的总含量到达了 58%，因此许多科研人员就将钙磷陶瓷当做一种骨骼移植材料来开发。早期使用的陶瓷材料在植入生命体内后不能与骨组织形成键，例如氧化铝陶瓷，到 70 年代就出现了一些具有生物亲和性的活性陶瓷。随着临床应用，生物活性陶瓷作为一种骨骼修复材料逐渐开始应用。但生物陶瓷材料本身同时具有弯曲强度较低、弹性性能较差的特点，因而单靠陶瓷材料不能满足目前医学水平的开展。但将生物活性陶瓷与其它材料进行复合后，就生成了一种同时具备各组分本身性能又增加新性能的陶瓷基生物医用复合材料。 Towler【5】通过运用烧结纳米 ZrO2材料制备了高致密度的 HAP-ZrO2生物陶瓷复合材料，为降低烧结温度而使用的纳米 ZrO2，使 HA 在高温下不会分解、HA 相仍为主相。在传统的烧结过程中这种分解经常发生，而且与纯 HA 相比，复合材料的强度要高于前者。黄传勇等【6】运用化学共沉淀法制备了羟基磷灰石及二氧化锆超细粉，通过优化不同材料的组合烧结，制备出 HAP-ZrO2 二元体系的生物陶瓷复合材料，并通过红外光谱分析、X 线衍射、扫描电镜、透射电镜等测试手段揭示了材料矿物的组成以及显微结构。二元体系生物陶瓷复合材料 HAP-ZrO2的弯曲强度到达了 120MPa，断裂韧性到达1. 74MPa·m-1 /2，性能几乎为纯 HA 的两倍，接近人体骨组织。致密人骨的弯曲强度可达 160MPa，断裂韧性为 2. 2MPa·m-1 /2。结果说明，生物陶瓷复合材料在力学性能、化学稳定性及生物相容性方面具有较好表现，生物陶瓷复合材料应用前景广阔。目前国外已制备了含有 ZrO2的纳米羟基磷灰石复合材料，材料的强度和韧性等性能可到达甚至超过致密的人体骨骼的相应指标。通过调节 ZrO2与 HAP 之间的含量，使该纳米复合人工骨材料具备优良的生物相容性。生物陶瓷复合材料的研究已经成为现代医学领域中一个不可或缺的重要组成局部。目前人们刚刚意识到生物陶瓷复合材料在医学领域的应用前景，这方面的研究也仅停留在试验阶段。因此，对于生物陶瓷复合材料方面的理论根底研究是崭新的。 3 、高分子基生物医用复合材料 医用高分子材料是高分子基生物复合材料，局部可来自天然产物，也可人工合成。高分子医用材料按其性质可分为生物降解型和非降解型。生物降解型高分子医用材料主要用于送达载体和药物释放及非永久性植入装置等，可以在生物体环境作用下发生性能蜕变和结构破坏，并要求其降解产物可被机体吸收或者进行正常的新陈代谢排出体外，包含胶原、纤维素、线性脂肪族聚酯、聚氨基酸及聚乙烯醇等。非降解型高分子材料主要用于对人体软、硬组织修复体、人造血管、接触镜、人工器官、粘接剂及管腔制品等的制造，且要求在生物体环境中能长期保持稳定，不发生降解、交联及物理磨损等，物理机械性能良好。虽然绝对稳定的聚合物不存在，但还是要求材料本身和降解产物不能对机体产生明显毒副作用，同时不致发生灾难性破坏，包括聚丙烯、聚乙烯、芳香酸酯、聚甲醛、聚丙烯酸酯、聚硅氧烷等。按使用用途分类，医用高分子材料可分为软组织、心血管系统医用修复材料。其中用于心血管系统的医用高分子材料应着重要求修复材料的抗凝血性好，不破坏血小板和不干扰电解质，不改变血液中的蛋白、不破坏红细胞等。 医用高分子材料在体内一般不产生异体排斥反响，但是利用单一的高分子作为医用支撑材料，其本身缺乏的力学性能那么成为其开展的软肋。利用高分子材料作为基体相，金属、陶瓷、纤维等作为增强相的高分子基复合材料已成为全球医用材料新的开展趋势。 研究认为，聚乳酸( PLA) 是最多的常被用作骨科的材料。属于生物降解可吸收材料，具有很好的生物相容性。赵建华等【7】制备出了一种新型的PDL-LA / HA / DBM 复合材料。测试得到该材料孔径为 100 ～400μm，孔隙率为 71. 3%，初始抗压强度为1. 71MPa。将其制成人工骨植入兔挠骨大段，发现该种复合材料降解前期能保持良好的空间结构和力学性能，并具有很好的骨传导作用，能有效修复骨缺损。Ignjatovic，Nenad，Savic 等【8】将羟基聚乳酸与磷灰石复合后，将获得的复合材料移植到 Balb/c Sin-gen 老鼠体中。1 周后，对移植样品 进行 光 谱 图 分析，于 吸 收 带 中 形 成 新 的 胺 及 肤; 3 周 后，在3420cm－ 1处和 1650cm－ 1处光谱图的峰说明有新胶原蛋