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凝聚态物理专题 纳米生物材料及组织工程材料 什么是生物医用材料 * * 生物医用材料（biomedical materials） 狭义：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。 广义：包括制造生物医药的原材料、医学诊断试剂、药物输送释放体系用材以及一次性使用的生物医用材料。 生物体材料（biological materials） 生物体材料按形成类型分为硬组织和软组织两种。 硬组织主要包括生物矿物、生物体硬组织等等。 软组织包括细胞、细胞基质、器官等等。 生物矿化与生物矿物 生物矿化是指生物体系中具有特殊的高级结构和组装方式的生物矿物形成过程。被生物体摄入的金属离子，除构成一些具有生物活性的配合物外，还通过形成生物矿物以构成骨骼、牙齿等硬组织。这些硬组织所包含的矿物质如羟基磷灰石、方解石等，从组成上看，与自然界岩石相同，因此被称为“生物矿物”。 生物体材料（biological materials） 一、生物医用材料的分类 按照材料属性分类 合成高分子材料 天然高分子材料 金属与合金材料 无机材料 复合材料 按照材料用途分类 生物惰性（bioinert）材料 生物活性（bioactive）材料 生物降解（biodegradable）材料 二、对生物医用材料的一般要求 ① 具有良好的血液相容性和组织相容性 ② 耐生物老化，即长期植入材料的生物稳定性好；暂时植入的材料在确定的时间内降解为可被人体吸收或代谢的无毒单体或片段 ③ 物理性质和力学性质稳定 ④ 易于加工成型 ⑤ 便于消毒灭菌、无毒无热源 ⑥ 不致癌不致畸 （1）有机大分子预组织：在矿物沉积前构造一个有组织的反应环境，该环境决定了无机物成核的位置。但在实际生物体内所发生的矿化过程中，有机基质是处于动态的; （2）界面分子识别：在己形成的有机大分子组装体的控制下，无机物从溶液中在有机/无机界面处成核。分子识别表现为有机大分子在界面处通过晶格几何特征、静电势相互作用、极性、立体化学因素、空间对称性和基质形貌等方面影响和控制无机物成核的部位、结晶物质的选择、晶型、取向及形貌; （3）生长调制：无机相通过晶体生长进行组装得到亚单元，同时形态、大小、取向和结构受到有机分子组装体的控制。 （4）细胞加工：在细胞参与下亚单元组装成高级的结构，该阶段是造成天然生物矿化材料与人工材料差别的主要原因。 生物矿化作用分为四个阶段 细菌 CdS 硫化镉 细菌 Mn3O4 黑锰矿 细菌 Fe3S4 磁复铁矿 细菌 FeS2 黄铁矿 动物，高等植物/铁蛋白 5Fe2O3·9H2O 水铁矿 牡蛎牙 α-FeO(OH) 针铁矿 细菌，牙齿 Fe3O4 磁铁矿 海绵骨骼，硅藻细胞壁 SiO2·nH2O 无定形二氧化硅 海藻 CaSO4 重晶石 水母/鱼耳石 CaSO4 石膏 高等植物/存储钙 CaC2O4·H2O 草酸钙 牙齿/存储钙、支撑组织 Ca8H2(PO4)6·5H2O 磷酸八钙 软体动物壳、牙齿/存储钙、支撑组织 Ca10（PO4）6F2 氟磷灰石 牙齿、骨骼、鱼鳞/存储钙、支撑组织 Ca10(PO4)6(OH)2 羟基磷灰石 高等植物/存储钙 CaCO3 碳酸钙（无定形） 鱼类/鱼耳石；软体动物/壳 CaCO3 碳酸钙（方解石） 海藻/外骨骼；软体动物/视网膜 CaCO3 碳酸钙（方解石） 生物体/功能 化学组成 矿物 生物体内主要的无机矿物的种类及其功能 碳酸钙 生物体中的碳酸钙具有5种常见结晶形态：方解石、文石、球霰石、水合碳酸钙和无定形碳酸钙。 Hua Tong, et al. Biomaterials,2004,3923-3929. 磷酸钙 磷酸钙是生物硬组织中最重要的无机物，主要存在于骨、软体动物的壳、牙齿以及作为生物传感器的耳蜗等正常矿化产物中，在病理矿化产物如动脉硬化、尿结石和牙结石中也存在。 磷酸钙对生物硬组织的稳定性、硬度和功能等方面起着重要作用。生物体内的磷酸钙是在常压、常温下沉积而成，以纳米晶体结构存在。生物体中的磷酸钙盐主要有羟基磷灰石（HAP）和磷酸八钙（OCP）等。 人们在深入了解了生物矿化的机理后，在生物医用材料领域开展了大量研究工作。赋予材料以生物功能使其植入体内后能充分调动人体自体修复和完善能力，从而实现损伤或病变组织、器官的永久修复，已成为二十一世纪生物材料发展的方向和前沿。对于生物医用材料而言，磷酸钙具有与脊椎动物的硬组织，如骨骼、牙齿等相似的矿物成分和结构，因此，科学家们力图从Ca-P生物材料方面进行新材料的制备，并取得了大量的成果。 Chitosan film Hydroxyapatite COOH COOH NH2 Ca2+ PO43- Aspartic Acid SC