医用材料应用

2021年1月26日发(作者：羊滔)
生物医用材料的种类及应用


摘要：
生物医用材料是近年来发展迅 速的新型高科技材料，
如人工骨、
高分子材
料、
无机非金属材料、
复 合材料等，
本文根据其物质属性对常用的医用生物材料
进行了分类及各部分最新的应用研究进展 ，
根据分类对常用的医用生物材料在骨
科、整形外科、牙科、口腔外科、心血管外科、眼外科、 耳鼻喉科及普通外科方
面的应用做了详细阐述。
生物医用材料的应用对挽救生命和提高人民健康 水平做
出了重大贡献，随着现代医学飞速发展不断获得关注，发展前景广阔。


关键词：生物医用材料人工骨

生物陶瓷

硅橡胶

复合材料


1
生物医用材料


1.1
生物医用材料的定义


生物医用材料（
Biomedical
Material
）是用于对生物体 进行诊断、治疗、修复或
替换其病损组织、
器官或增进其功能的新型高技术材料。
它是 研究人工器官和医
疗器械的基础，
己成为材料学科的重要分支，
尤其是随着生物技术的 蓬勃发展和
重大突破，
生物材料己成为各国科学家竞相进行研究和开发的热点。
当代生 物材
料已处于实现重大突破的边缘，
不远的将来，
科学家有可能借助于生物材料设计< br>和制造整个人体器官，
生物医用材料和制品产业将发展成为本世纪世界经济的一
个支柱产 业。先由生物分子构成生物材料，再由生物材料构成生物部件。


1.2
生物医用材料的种类


生物材料品种很多，
有不同 的分类方法。
通常是按材料的物质属性分类，
据物质
属性，生物医用材料大致可以分为 以下几种：


（
1
）生物医用金属材料


生物医用金属材料
（
Biomedical Metallic Materials
）
是作为生物医学材料的金属或
合金，具有很高的机械强度和抗疲劳特性，是临床应用 最广泛的承力植入材料，
主要有钴合金（
Co-Cr-Ni
）、钛合金（
Ti-6a1-4v
）和不锈钢的人工关节和人工
骨。


（
2
）生物医用高分子材料


生物医用高分子材料
（
Biomedical Polymer
）
分 为天然医用高分子材料和合成医用
高分子材料，近年来合成高分子医用材料迅速发展，硕果累累。通过分 子设计，
可以获得很多具有良好物理机械性和生物相容性的生物材料。
其中软性材料常用
来作为人体软组织如血管、
食道和指关节等的代用品，
如医用硅橡胶；
合成的硬材料可以用来作人工硬脑膜、
笼架球形的人工心脏瓣膜的球形阀等；
液态的合成
材 料如室温硫化硅橡胶可以用来作注入式组织修补材料。


（
3
）生物医用无机非金属材料或生物陶瓷


生物陶瓷（
Biomedical Ceramics
）这类医用材料化学性质稳定 ，具有良好的生物
相容性。
生物陶瓷主要包括惰性生物陶瓷和生物活性陶瓷两类。
惰性 生物陶瓷
（如
氧化铝、
医用碳素材料等）
具有较高的强度，
耐磨性能 良好，
分子中的键力较强。
生物活性陶瓷
（如羟基磷灰石和生物活性玻璃等）
，
这类材料具有能在生理环境
中逐步降解和吸收，
或与生物机体形成稳定的化学键结合 的特性，
因而具有极为
广阔的发展前景。
根据使用情况，
生物陶瓷可分为与生 物体相关的植入陶瓷和与
生物化学相关的生物工艺学陶瓷。
前者植入体内以恢复和增强生物体的 机能，
是
直接与生物体接触使用的生物陶瓷。
后者用于固定酶、
分离细菌和病 毒以及作为
生物化学反应的催化剂，是使用时不直接与生物体接触的生物陶瓷。


（
4
）生物医用复合材料


生物医用复合材料
（
Biomedical Composites
）是由两种或两种以上不同材料复合
而成的生物医学材料，
主要用于修复或替换人体组织、< br>器官或增进其功能以及人
工器官的制造。其中钴合金


和聚乙烯组织 的假体常用作关节材料；碳
-
钛合成材料是临床应用良好的人工股
骨头；高分子材料与 生物高分子（如酶、抗源、抗体和激素等）结合可以作为生
物传感器。


(5)
生物医用衍生材料


生物医用衍生材料
（
Biomedical Derived Materials< br>）
是经特殊处理的生物组织所形
成的一类材料，
包括维持组织原有构型，
仅消除其免疫排斥反应的较轻微处理过
的组织，如经戊二醛处理定型的猪心瓣膜、牛心包、人颈动脉、 脐动脉、冻干的
骨片等，以及经拆散原有构型处理的再生胶原、壳聚糖、透明质酸等的粉体、纤
维膜、海绵体、凝胶等。其结构与人体组织极为相似，生物相容性好，但是目前
尚处于起步阶段。其制备 的困难和临床运用仍是今后研究的主要方向。


2
生物医用材料的应用


生物医学材料应用广泛，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发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。


2.1
人工骨


随着生物医学和材料 的发展，
各种人工制备的生物材料植入骨内修复骨缺损的临
床应用效果很好。
这些人工 合成或提取的植入材料生物相容性好，
对骨形成具有
明显的诱导作用，被泛称为人工骨
(Artificial Bone)
。在生物性能方面，人工骨无
毒性，不致癌，不致畸， 不引起中毒、溶血凝血、发热和过敏等现象；与人体组
织相容性好，
不引起人体细胞的突变和组 织细胞的反应；
化学性质稳定，
抗体液、
血液及酶的作用；具有与天然组织相适应的物 理机械特性。目前，国内、外研制
的人工骨种类较多，
按材料结构与性能大致可分为两类，即无机材料和有机材料；
按其来源又可分为人工合成的高分子材料和天然生物材料两大类。
目前无机材料
人工骨研究较多的主要包括磷酸钙类材料
[1]
，如羟基磷灰石（
HA
）和磷酸三钙
（
TCP
）及生物玻璃（
Bioglass, BG
）等。人工骨修复材料的研究成果显示，纳 米
级骨修复材料具有传统材料无可比拟的生物学性能
[2]
，已在组织工程和生物材< br>料研究中显示出广阔的应用前景，
将不同生物材料复合加工，
研制出类似人骨的
材料，将是今后骨修复材料的研究重点
[3]
。当前用于骨科临床的纳米产品不多，
其 性能、微观结构和生物学效应尚有待系统研究。相信随着纳米技术
[4]
、组织
工程技 术和生物技术的发展与综合，必将研制出新一代性能优异的纳米骨材料
,
为治愈骨缺损和骨折提供更好的选择。


2.2
高分子材料


医用硅橡胶
(Silicone Rubber)
是美容外科中应用较广的生物材料
(
组织代用品
)
。
它是高分子有机化合物聚硅酮的一种橡胶样固体形态，
又称二甲基硅氧烷。
生物< br>性能：硅橡胶具有优良的生物性能：无毒、生理惰性、耐生物老化，对人体组织
反应极小，
植入人体组织后不会引起异物反应，
不会导致周围组织发生炎症。
具
有优良的生物可 接受性，不致癌，使用温度范围宽，可以高温灭菌，其安全性高
于
PVC
，但也有不 足，其机械强度偏低，容易吸尘。硅橡胶作为医用材料经过
几十年的临床应用，
已得到医学界的 普遍认同，
其制品已经广泛应用于医学的各
个部门，
有上百个品种，
逐步形成 了产品系列，
下面简要介绍一些常用的医用硅
橡胶制品。


2.2.1
颅脑外科制品


硅橡胶制品用于颅脑外科的主要有：< br>人工颅骨、
硅钛复合修补材料、
脑积水分流
装置、脑室外引流管等。硅钛复合修 补材料已越来越多地应用于颅骨缺损修复，
对颅脑手术后颅骨
>3cm
的缺损进行修补 。目前医学上用数字化塑形技术结合钛
板进行颅骨缺损修补术，
将患者颅骨的二维图像转化为三 维，
再用数字化塑形钛
板技术将患者受损的颅骨做形态上的修复，对设备和器械材料的要求更高 。


2.2.2
五官科制品


包括：人工鼻梁 、人工下巴、下颌骨
[7]
、人工耳、中耳炎通气管、泪道探通装
置、泪道栓、
[6][5]

鼻孔支架、止鼾器、鼻腔止血气囊、眼科用环扎环、环扎带等、其中一些制 品在
医疗和美容治疗中应用广泛。
当自体组织难以进行修复时，
硅橡胶制品可以灵活< br>逼真的对进行机体组织进行重建，
如种植硅橡胶义耳，
硅橡胶义耳植入对象是因
外伤后外耳缺失或先天性耳畸形患者，种植硅橡胶


[8]
义耳后的患者不 仅恢复原有的外耳解剖形态，还解决了义耳的固定问题。硅
橡胶义耳是形态逼

真的人工材料，
不受年龄限制，
不排异。
种植义耳是耳缺失的有效替代修复方法< br>之一。


2.2.3
麻醉科制品


包括 ：气管插管、气管支架、人工呼吸机波形管、人工呼吸器、呼吸机球囊、呼
吸机面罩、喉罩、气管切开套 管、人工喉。高抗撕硅橡胶制成的人工喉代替除去
的软骨，可使患者较快地恢复呼吸、说话、饮食等功能 。临床麻醉新技术的研发
为硅橡胶制品带来了新的发展动力，
尤其是硅橡胶喉罩置入全身麻醉的 临床实例
[9]
，喉罩
(laryngeal mask airway,LMA)< br>是介于气管导管和面罩之间的一种特殊人工
气道，具有气管导管和面罩的共同特点。喉罩操作简便 ，成功率高，可避免或减
轻气管插管相关的心血管反应，
对心脑血管疾病的患者尤具优越性。< br>但喉罩也存
在一些缺陷，
如气道的密闭性有时较差，
导致正压通气时容易漏气；
应用喉罩时
有发生胃内容物反流误吸的危险，
禁用于有呕吐反流误吸危险的患者；咽喉部存
在感染或其它病理组织学改变的患者和呼吸道出血者亦不适宜使用喉罩。


2.2.4
消化系统制品


主要有：胃管、双腔肠套管 、十二指肠管、胃减压管、胃减容球、洗胃管、胃束
带等。
胃减容球是一种植入胃部并且由无菌 食盐水填充的柔软的硅橡胶圆球。
胃
束带是通过手术在胃中形成一个小
“胃囊”
和可调节出口，
使患者吃很少的食物
就出现充分的饱足感，
进行腹腔镜可调胃束带手 术是目前常用的减重手术，
主要
依靠可调胃束带降低有效胃容积来减少摄食量，
从而达 到减轻体重的目的。
此手
术具有可逆性、
可调节性、
创伤小及未改变消化道结 构等优点，
在国内外快速发
展。


2.2.5
心外科制品


用于心外科的硅橡胶制品有：
胸 腔引流管、
体外循环机泵管、
人工心脏球型二尖
瓣、人工肺硅胶膜、胸腔隔离膜等。胸 膜腔负压是维持气体交换的重要条件，开
胸手术后，
由于气体进人胸膜腔，
肺因其本身 的弹性回缩而塌陷，
手术后需胸膜
腔内放置胸腔引流管，以排出积气和积液，重建胸膜腔负压， 使肺复张，平衡两
侧胸内压力，并且有利于患者的术后恢复
[11]
。


2.2.6
外科制品


包括：腹腔引流管、腹膜透析管、
T
型管、
Y
型管、
TY
型管、多孔引流管、毛
细引流管、腹腔引流装置、负压引流球、 负压引流器、异型管等。肠外瘘治疗用
硅橡胶堵漏片，能耐肠液腐蚀，且对人体无刺激，可有效阻止肠液 外溢，保持肠
道通畅，恢复肠道营养。硅橡胶制负压引流器具有高效引流和减压、抗感染、促
进 创面愈合以及减少换药次数等多方面的优点，
使用负压引流器持续负压封闭引
流
(va cuum sealing drainage,VSD)
是近年来新兴的一种创伤治疗技术
[ 12]
，
其良好的