生物材料

生物材料是已经被工程化以与生物系统相互作用的用于医疗目的的物质，无论是治疗性（治疗、扩充、修理或更换的身体的组织功能）或诊断之一。作为一门科学，生物材料已有近五十年的历史。生物材料的研究被称为生物材料科学或生物材料工程。在其历史上，它经历了稳定而强劲的增长，许多公司投入大量资金开发新产品。生物材料科学涵盖医学、生物学、化学、组织工程学和材料科学。

请注意，生物材料不同于由生物系统产生的生物材料，例如骨骼。另外，在将生物材料定义为生物相容性时应格外小心，因为它是特定于应用程序的。具有生物相容性或适合一种应用的生物材料在另一种应用中可能不是生物相容的。

生物材料可以来自自然界，也可以在实验室中使用多种化学方法利用金属成分、聚合物、陶瓷或复合材料合成。它们通常被用于和/或适于医学应用，并且因此包括执行，增强或替代自然功能的活动结构或生物医学装置的全部或一部分。这样的功能可能是相对被动的（例如用于心脏瓣膜），或者可能是具有更多交互功能的生物活性，例如羟基磷灰石涂层的髋关节植入物。生物材料还每天用于牙科应用、外科手术和药物输送。例如，可以将具有浸渍的药物产品的构建体放入体内，这允许在延长的时间段内延长药物的释放。生物材料也可以是用作移植材料的自体移植，同种异体移植或异种移植。

工程生物材料诱发支持生物材料功能和性能的生理反应的能力被称为生物活性。最常见的是，在生物活性玻璃和生物活性陶瓷中，该术语是指植入的材料以骨传导性或骨产生性作用与周围组织良好结合的能力。骨植入物材料通常被设计为在溶解于周围体液的同时促进骨骼生长。因此，对于许多生物材料而言，良好的生物相容性以及良好的强度和溶解速率是理想的。通常，生物材料的生物活性通过表面生物矿化来衡量，其中天然的羟基磷灰石层在表面形成。如今，通过基于有限的体外实验可以预测生物材料在治疗环境中的分子作用的计算程序的出现，xxx增强了临床上有用的生物材料的开发。

生物材料用于：

1. 关节置换
2. 骨板
3. 眼科手术用人工晶状体（IOL）
4. 骨水泥
5. 人造韧带和肌腱
6. 用于牙齿固定的牙科植入物
7. 血管假体
8. 心脏瓣膜
9. 皮肤修复装置（人造组织）
10. 耳蜗替代品
11. 隐形眼镜
12. 乳房植入物
13. 药物输送机制
14. 可持续材料
15. 血管移植
16. 支架
17. 神经导管
18. 缝合伤口的缝合线、夹子和钉书钉
19. 销钉和螺钉，用于稳定骨折
20. 手术网

生物材料必须与人体相容，并且经常存在生物相容性问题，必须先解决这些问题，然后才能将产品投放市场并用于临床环境。因此，生物材料通常要经受与新药疗法相同的要求。还要求所有制造公司确保所有产品的可追溯性，因此，如果发现有缺陷的产品，则可以追踪同一批次中的其他产品。

生物相容性与生物材料在各种化学和物理条件下在各种环境中的行为有关。该术语可以指材料的特定特性，而不指定在何处或如何使用该材料。例如，材料可以在给定的生物体中引发很少或没有免疫反应，并且可能或可能不与特定的细胞类型或组织整合。能够指导免疫反应而不是试图规避该过程的免疫信息生物材料是一种有希望的方法。一词的模糊性反映的见解的持续发展注入“如何生物材料与互动人体”，并最终“这些相互作用如何确定医疗器械（例如起搏器或髋关节置换术）的临床成功性”。现代医疗设备和假肢通常由多种材料制成，因此谈论特定材料的生物相容性可能并不总是足够的。通过外科手术将生物材料植入体内会触发机体炎症反应，并伴随受损组织的愈合。取决于植入材料的成分、植入物的表面、疲劳机理和化学分解，还有其他几种可能的反应。这些可以是本地的也可以是系统的。这些包括免疫反应，异物反应以及与血管结缔组织隔离的植入物，可能的感染以及对植入物寿命的影响。移植物抗宿主疾病是一种自身免疫和同种免疫疾病，表现出可变的临床过程。它可以以急性或慢性形式出现，影响多个器官和组织，并在临床实践中引起严重的并发症。

一些最常用的生物相容性材料（或生物材料）由于其固有的柔韧性和可调节的机械性能而成为聚合物。塑料制成的医疗器械通常由以下几种制成：环烯烃共聚物（COC）、聚碳酸酯（PC）、聚醚酰亚胺（PEI）、医用级聚氯乙烯（PVC）、聚醚砜（PES）、聚乙烯（PE）、聚醚醚酮（ PEEK）、甚至聚丙烯（PP）。确保生物相容性，材料必须通过一系列监管测试才能获得使用认证。生物相容性测试的主要目标是量化材料的急性和慢性毒性，并确定使用条件下的任何潜在不良影响，因此，给定材料所需的测试取决于其最终用途（即血液、中枢神经系统等）。

除了被证明具有生物相容性的材料外，生物材料还必须针对医疗设备中的目标应用进行专门设计。就控制给定生物材料行为方式的机械性能而言，这一点尤其重要。最相关的材料参数之一是杨氏模量E，它描述了材料对应力的弹性响应。组织和与其耦合的设备的杨氏模量必须紧密匹配，以确保设备和身体之间的最佳兼容性，无论该设备是植入还是外部安装。匹配弹性模量可以限制运动和在植入物和组织之间的生物界面发生分层，并避免应力集中，应力集中会导致机械故障。其他重要特性是抗张强度和抗压强度，这些强度可以量化材料在断裂之前可以承受的xxx应力，并且可以用来设定应力。限制设备可能会在体内或体外受到影响。取决于应用，可能期望生物材料具有高强度，以使其在承受载荷时抗破坏，但是在其他应用中，材料低强度可能是有益的。在强度和刚度之间有一个仔细的平衡，这决定了生物材料装置的失效能力。通常，随着生物材料的弹性增加，极限拉伸强度将降低，反之亦然。神经探针是不需要高强度材料的一种应用。如果在这些应用中使用高强度材料，则组织将永远失效由于硬脑膜和脑组织的杨氏模量为500 Pa左右，因此在设备作用之前（在施加负载的情况下）。发生这种情况时，可能会对大脑造成不可逆转的损害，因此，如果预期施加的负载，则生物材料的弹性模量必须小于或等于脑组织，并且抗张强度较低。

对于可能经历温度波动的植入生物材料（例如牙科植入物），延展性很重要。由于类似的原因，材料必须具有延展性，即拉伸强度不能太高，延展性可使材料弯曲而不会破裂，并且还可以防止温度变化时组织中的应力集中。韧性的材料特性对于牙科植入物以及任何其他刚性的承重植入物（例如髋关节置换）也很重要。韧性描述了材料在施加应力的情况下不变形的能力断裂和具有高韧性使生物材料植入物能够在体内持续更长的时间，尤其是在承受较大的应力或周期性加载的应力（例如跑步过程中施加于髋关节的应力）时。