生物材料
材料分类
按材料功能划分:
按材料来源分类:
*1、自体材料
*3、异体器官及组织;
根据组成和性质分为:
生物医用金属材料
⑴医用不锈钢
具有一定的
耐腐蚀性
和良好的综合力学性能,且加工工艺简便,是生物医用金属材料中应用最多,最广的材料。
常用钢种有US304、316、316 L、317、
317L
等。
⑵钴基合金
钴基合金人体内一般保持钝化状态,与
不锈钢
比较,钴基合金
钝化膜
更稳定,耐蚀性更好。在所有
医用金属材料
中,其
耐磨性
最好,适合于制造体内承载苛刻的长期植入件。
不仅具有良好的力学性能,而且在
生理环境
下具有良好的
生物相容性
。由于其比重小,
弹性模量
较其他金属更接近天然骨,故广泛应用于制造各种能、膝、肘、肩等人造关节。此外,钛合金还用于
心血管系统
。钛合金耐磨性能不理想,且存在咬合现象,限制了其使用范围。
按
应用对象
和材料物理性能分为软组织材料、
硬组织
材料和生物降解材料。其可满足人体
组织器官
的部分要求,因而在医学上受到广泛重视。已有数十种高分子材料适用于人体的植入材料。
* 降解材料:
脂肪族
聚醋具有
生物降解
特性,已用于可接收性手术缝线。
生物医用无机非金属材料
按植入生物活体内引起的组织与材料反应,生物陶瓷分为:
生物活性玻璃陶瓷植入活体后,能够与体液发生
化学反应
,并在组织表面生成羚基
磷灰石
层,故可用于人工种植牙根、
牙冠
、骨充填料和涂层材料。
与
自然骨
比较,生物活性玻璃陶瓷虽然具有较高的强度,但韧性较差,弹性模量过高,易脆断,在生理环境中抗疲劳性能较差,还不能直接用于承力较大的人工骨。
医用碳素材料:具有接近于自然骨的弹性模量。
医用碳素材料疲劳性能最优,强度不随
循环载荷
作用而下降。无序堆垛的
碳材料
耐磨性理想。
医用碳素材料在生理环境中较稳定,近于惰性,具有较好的生物相容性,不会引起凝血和
溶血反应
,特别适合于在生理环境中使用。
医用碳材料已大量用于心血管系统的修复,如人工心脏瓣膜、
人工血管
。还可作为金属和
聚合物
的涂层材料。
生物医用复合材料是由二种或二种以上不同材料复合而成的。
按基材分为:高分子基、陶瓷基、金属基等生物医用复合材料。
按材料植入体内后引起的组织与材料反应分为:
生物惰性
、
生物活性
和可吸收性生物医用复合材料。
生物材料
机械性能
医用金属作为受力期间,在人体内服役,其受力状态极其复杂,如人工关节,每年要承受约3.6×106次、且数倍于人体重量的载荷冲击和磨损。
对于摩擦部位的材料,一般用硬度反映其耐磨性能。
弹性模量是生物材料的重要性质之一,过高过低都不行。模量相对与骨过高,在应力作用下,承受应力的金属和骨将产生不同的应变,在金属与骨的接触面会出现
相对位移
,从而造成界面处松动;长时间下,还会造成应力屏蔽,引起
骨组织
的功能退化和吸收。过低,变形较大,起不到固定和支撑作用。
生物材料植入人体内后,会对局部组织和全身产生作用和影响。主要包括局部的组织反应和全身的免疫反应。
⑴局部组织反应
①
排异反应
:生物材料植人体内后,可在植人物周围发生不同程度的炎症反应。这是机体对异物进行酶解和消化的结果。但大多数医学生物材料比较稳定,不会被很快代谢掉。这时
胶原纤维
会包围在
植入物
周围形成被膜,或称为包囊,将正常组织与植入物隔离开。纤维
包囊形成
后可发生以下变化:纤维囊增厚,从而影响局部血液供应,并为机体
代谢产物
和材料变性产物提供蓄积场所;纤维囊钙化或变硬,引起机械性能不相配而产生疼痛;局部
持续性感染
,由于纤维囊血运较差,缺乏足够的
免疫细胞
,坏死细胞清除较慢,使感染持续存在或加重。
②钙化:生物
材料表面
形成钙化经常导致材料丧失功能。引起钙化有材料本身的原因,也有机体的原因,如材料的表面性质、死亡细胞的沉积、局部
营养不良
、体内钙磷含量、
机械运动
等因素,都是产生或加速钙化的原因。对于软组织和心血管植入材料,应尽可能避免或减少钙化的发生。而植入物刺激的钙化对
骨性
组织的修复是有利的,如陶瓷以及
复合材料
制备的表面活性植入物,通过钙化与组织结合,可防止界面活动。
③感染:感染是植入材料最常见的
并发症
。植入材料常常增加临床手术的感染
发生率
。其原因一方面是材料的污染,另一方面,植入材料本身具有很强的加重组织感染的易感性,植入材料通过限制
巨噬细胞
的迁移,阻断抗感染的生理过程;某些植入物的表机或其释放出的
可溶性成分
,可干扰巨噬细胞的杀菌机制等。因此,
生物医学材料
应在不影响其性能的情况下,采用适当方法严格灭菌。其植入手术应加强无菌操作。避免因感染导致的植入失败。
④血液反应:主要是
血栓形成
,见于植入
循环系统
与血液密切接触的生物医学材料。因此,与血液接触的植入材料都必须有优良的
抗凝血
性能。
⑤
肿瘤
:生物材料的致癌性是一个引人注目的问题。尽管在临床极少见,但在
动物实验
中却屡见不鲜。可能与以下因素相关:植入材料在生物老化过程中释放
致癌物质
;植入材料被致癌物质污染l纤维包膜增厚,导致局部组织
代谢障碍
,代谢产物长期积蓄,细胞发生突变的可能性增加;植入物的表面形状、粉末状或海绵状的材料几乎不会发生
恶性肿瘤
,纤维状的材料也很少发生,只有表面光滑的材料才容易发生。因此在材料的选择和应用上,避免使用可能产生刺激性、乃至有毒可溶物质的材料,尽可能使用表面粗糙的材料,植入时尽量减少材料与组织的间隙等。
⑵免疫反应:有些生物材料植入后可导致全身性的
免疫反应
,包括
体液免疫
和细胞免疫反应。
临床研究
发现这种免疫反应的发生与
补体
的激活密切相关。例如高分子材料可通过
补体系统
经典途径
的激活,涤纶人工血管材料植入后可通过经典途径和
旁路途径
激活补体。植人材料引起的免疫反应常见于应用接触血液的生物医学材料,如人工透析使用的
透析膜
等。在临床上可表现为
过敏反应
,容易感染,恶性肿瘤发生率高,
软组织钙化
或纤维化,特别是
肺纤维化
、钙化及
动脉硬化
等。