1 3.051/BE.340 第二十讲 用于器官取代的生物材料 器官替代的治疗方法 1． 移植 人供体和动物供体的器官或组织替代 同种异体移植 —人供体（例如，肾脏，肝脏，心脏） 异种移植 —动物供体（例如，猪动脉瓣膜） 优点： z 病人可终身完全恢复丧失的功能 缺点： z 存在排异的可能性—免疫系统的攻击 z 免疫药物的副作用 (类固醇 ) z 有限的供源 2． 自体移植 供体亦是受体 举例 ：皮肤移植，神经移植，胸部重建，冠状静脉管或冠状动脉替代管（～ 300， 000/ 每年在美国） 优点 ： z 病人可终身恢复全部丧失的功能 z 无排斥反应 缺点 ： z 可行的自体供体有限性 z 在供体处留下创伤 /疤痕 2 3.051/BE.340 3． 再生组织 /器官 在支架 （合成的活胶原基材料， 常用可吸收性的） 上生长的细胞提供修复的功能 （例 如：皮肤和软骨） 优点： z 无供体 /自供体组织不足的限制 z 病人可终身修复功能（理论上） 缺点： z 尚未解决的完整组织再生的生物复杂性 z 可能的免疫反应，这要根据细胞来源而定 4． 永久性植入物 用合成材料（例如，髋部修复，大于 200， 000/每年在美国，许多中设计）制成的 修复装置 吸盘：用超高分子量 聚乙烯（ 2M 道尔顿） 作衬里的金属 股干骨：钴铬，钛， 不锈钢） 股骨头部： 钴铬， 钛，三氧化二铝 PMMA 骨水泥：粘合 剂，减震 大腿骨 (选择：金属珠或 HAp 涂 层：骨向内生长 ) 3 3.051/BE.340 优点： z 无供体受限性 z 不被标准的补体机制所排斥 缺点： z 器官功能不会全部修复 例如：整形外科的替代修复 - 骨髓的缺损 - 无再生能力 - 减少活动范围 z 常常要被再次替换 - 慢性炎症 例子：聚乙烯磨损碎片 ? 免疫反应 ? 骨损害 - 机械性能丧失 例子：水泥的松动 z 一些其他的长效副反应 应力屏蔽： 大腿骨和骨干股之间的 模量不匹配 ? 周围骨的载荷不平衡 ? 骨质疏松 (骨吸收快于骨沉积 ) ? 增加了再次骨折的可能性 很明显， 机械性能 在材料选择时起着至关重要的作用 4 3.051/BE.340 生物材料应用中需考虑的机械性能 z 抗挠性 z 强度 z 刚性 z 硬度 我们需测试这些材料的性能指标使它们量化 z 抗疲劳性 (尤其是往复运动 ) z 断裂强度 z 耐磨性 我们来定义一些在上下文中出现的单轴受载的名词： F=外加作用力 A=面积 “弹性”形变 （可恢复） “塑性”形变 （不可恢复） 骨折 5 3.051/BE.340 ε =δ /L o 生物材料举例： z 固定钢板（不锈钢，钴铬，钛） （ B） z 血管修补：编织的涤纶或膨体聚四氟乙烯（ B） z 凝胶： HEMA（ C） z 胸部植入物：硅树脂（ C） z 齿科植入物（铝） （ A） δ =F/A (N/m 2 =Pa) UTS YS 拉力试验缩颈 (现象 ) 刚性 6 3.051/BE.340 ? 抗挠性： 由杨式模量量化（弹性模量—初始的线性应力 -应变区域的斜率） E=σ/ε （ 与药品的几何形状无关—是材料本身的特性） 弯曲模量 （E F）—通过弯曲试验测得强度值 3-点弯曲试验 δ（偏差） I 是第二次中心表面轴向梁横断面的 力矩 （此处的压力和拉力已去除） I =∫ x 2 dA ,此处 x 是到中心轴的距离， A 是横断面积 控制方程： 此处 I=转动惯量（单位： m4） I= 矩形梁 7 3.051/BE.340 ? 强度 ：便于对比，取几个适宜的数据 1． 模量 （因为较高 E 材料与高强度有关） 2． 屈服应力 —在塑性形变开始的应力 3． 终极（拉伸）强度（UTS） —应力-应变曲线的顶端 4． 断裂强度 —断裂时的压力 工程 —测量值 实际值 —导致颈缩的值（在 X-部位变化） （低于压缩强度，高于 UTS） 5． 疲劳强度 —能够承受 10M 循环（水/油）断裂时的最大载荷 循环疲劳 ： 材料在长时间承受循环压力下屈从， 该力低于它的 UTS 但是高于它的 “承受极限” ? 断裂 举例：在行走过程中产生于髋关节处的载荷 Log10 (# 循环) 脚后跟 受的冲 击 快 慢 脚尖离开 时间 人体 重量 的多 变性 断裂应力 （ MPa） 疲劳极限 （未断 裂） 8 3.051/BE.340 易疲劳的材料： z 有延展性的/塑性材料—金属和聚合物 z 有缺陷/各向异性的材料（多相复合） 裂缝首先发生在缺损/交界处 ? 随后的负载使裂缝蔓延出去 ?发生灾难性的断裂 仿生对策： z 限制裂纹扩散（如：多层-骨） z 再生组织（HAp 植入或骨） 材料 模量（GPa） 杨式模量 (MPa) 终极拉伸强 度(MPa) 疲劳强度 (MPa) 弯曲强度 (MPa) 钴铬铸件 214 450 655 240-280 钛 110 480 550 240 钛铝钒合金 120 795 860 300-600 316 不锈钢 200 250 600 260-280 氧化铝 380 --- 260 550 皮层骨 17.4 115 121 208 甲基丙烯酸 甲酯水泥 2.2 --- 29 90 超高分子量 聚乙烯 1 25 34 9 3.051/BE.340 ? 韧性： 会产生裂纹总的必要部分的测量（每单位体积材料）—应力-应变曲线下的总面 积 韧性= 钢＞三氧化二铝＞聚甲基丙烯酸甲酯 ? 硬度： 度量对塑性变形的承受力；单位缺口面积的力 韧性测试： Vicker 的韧性数 ： HV=F/d 1 2 注意：在受压情况下硬度与屈服强度有关 ? 耐磨性 ：考查在滑动接触过程中材料的可移动及重置性 关节修复和固定中的关键问题 ?加速腐蚀，耐磨产品（聚乙烯衬里） 米制的耐磨性： μ=摩擦的滑动系数 金刚石锥体顶端 缺口痕迹 单位： （ F/A） （ L/L） = 能量 /体积 10 3.051/BE.340 考虑在承受压力情况下，两个表面互相靠近：塑性接合是主要摩擦源 对于延展性材料而言，接触面积伴随 F com而增加： F 压缩 =H×A 这里的 H 是硬度(或抗压屈服应力) 克服接合处的剪切应力的滑动力是： F 剪切 =YS 剪切 A μ=F 剪切 /F 压缩 =(YS) 剪切 /H （较弱 材料的材料常数） 对于μ较低： 1. 材料硬（离子注入钛） 2.剪切屈服应力低 -润滑剂/界面（如：吸盘的超高分子量聚乙烯衬垫） μ值 金属/金属 金属/非金属 连接膝关节的软骨 金属/润滑金属 0.3-1 0.3-0.5 0.005-0.002 0.05-0.12 11 3.051/BE.340 骨替代材料理想的性能 ? 刚性好（ 结构上支撑，低变形能量损失） ? 弯曲强度高，顺从性 （1/E） （避免掉落时折断） ? 重量轻 （轻，可减少行走时的能量损失） ? 寿命长 （耐性高，疲劳强度） 自身股骨与髋骨假体如何不同？ z 强度和刚性 材料 压缩模量 GPa 压缩强度 MPa 皮质骨（大腿骨） 18.2 195 网状骨（大腿骨） 2.9 68 钛 110 550 聚甲基丙烯酸甲酯 2.5 92 氧化铝 380 4500 z 机械性能是各向异性 12 3.051/BE.340 性能 拉伸 L T 压缩 L T 模量（GPa） 17.9 10.1 18.2 11.7 压缩强度（MPa） 135 53 105 131 z 各向异性的起因：骨结构 骨是 一种复合材料 （微观复合） 富胶原-有机/羟基磷灰石晶体 骨小梁 内环骨板 外环骨板 间骨板 哈弗系统 （骨单位） 骨内膜 福尔克曼管（穿通管） 哈弗管（中央管） 血管 骨外膜 Sharpery 纤维（穿通纤维） 图片由 OCW 提供。根据 Martin,R.B.等的 《骨组织结构》 New York:Springer-Verlag,1998 改 编。 13 3.051/BE.340 骨结构： 两种骨 皮质骨（致密） ： z 孔隙率低（<10%:在骨单位中心的哈弗斯导管） z 在长骨中段和皮质骨中发现的骨小梁 z 复合层结构 每层： 定向的胶原纤维 （20Wt%） 和羟基磷灰石[Ca 10(PO4)6(OH)2]2×20× 40 纳米微晶 （70Wt%） 纤维 小纤维：三螺 旋结构胶原 含有丰富谷氨酸和天 冬氨酸末端 ? 缝隙中的羟基磷灰石 取向纤维形成片层 片层集中改变方向 交叉帘布层或螺旋结构 儿童期： 环状片层 围绕导管的密致骨 成人期： 次级密致骨取代了环状骨 密致骨 哈弗斯导管 14 3.051/BE.340 模拟各向异性复合物 举例：一种单轴定向、连续的 2 相结构 沿纵轴方向加载： 沿横轴方向加载： (注意：课本中给出其它复合物结构的的等式，如自由取向纤维/基材复合物) Voigt 模型：相等张力（平行张 力模型） E=E 1 V 1 +E 2 V 2 （ V i 是 i 成份的体积分数） (从 Fi=A i E i ε i 演变而来 ) Reuss 模型： 相等张力（系列 张力模型） 15 3.051/BE.340 作为连续纤维（密致骨）/基材（基本）复合物的密致骨模型 多层复合的结构优点： 断裂韧度 朝垂直于载荷方向开口的裂纹被有交叉 帘布层的纤维阻挡 → 抵抗循环疲劳 16 3.051/BE.340 小梁（罗眼状的/多孔）骨： z 高孔隙率 z 200 微米厚的支柱 z 在立方形骨（脊椎动物，脚趾） ，扁骨，长骨端部可发现 压缩行为 增浓作用 避免坍塌 17 3.051/BE.340 骨重塑 z 骨结构是动态的，响应下列因素： - 负载 - 局部的生理结构 例如：股骨中的皮质骨每年大约 3%转变 z 骨损毁和重建是通过细胞组完成的（基本多细胞单位或 BMUs） - 破骨细胞 ：骨吸收细胞，与巨噬细胞有关 - 成骨细胞 ：骨沉积细胞，与成纤维细胞有关 - 骨细胞 ：成骨细胞在骨单位中被捕获，变成不活动 z 疲劳可以直接重塑形 假设 1 ：松解隔离骨单位 ? 低应力状态 ? 激活新 BMUs(如：骨细胞发出信号释放或降低 在骨衬细胞中的应力) 假设 2 ：裂纹扰乱骨突起网络 ? 抑制信号移动 ? 骨衬细胞开始重塑 骨单位 裂缝 骨细胞 突起 骨细胞 18 3.051/BE.340 生物体自然骨有 粘弹性 响应 短时间范围：类似固体 长时间范围：类似液体 粘性液体和弹性固体成分模型（阻尼器和弹簧） 不同应力下的压缩： 弹簧：σ=Eε 阻尼器：σ=ηdε/dt 依据测试条件加以解决：蠕动，应力松弛，循环 载荷等 19 3.051/BE.340 整形外科植入前景 ? 聚合物/纤维复合物 ? 聚合物/陶瓷复合物 ? 生骨材料 生骨材料 可全部吸收性植入物 ? 组织工程 ETEX 骨替代品 1. 高磷酸钙复合物（如：磷酸三钙）与水混合 2. 羟基磷灰石厚浆体在 37度下成型 3. 硬化成多孔、可生物吸收的材料 4. 一段时间（10 周左右） ，植入物被骨取代 优点 ：具备全部功能的骨恢复 （包括：骨髓腔，血管，神经，干细胞） 存在问题： 1． 机械性能不理想： - 羟基磷灰石多孔支架—脆，强度低 - 可能需要暂时性固定装置(钢板) - 对股骨这样的长骨还不可行 可能的解决方案：复合结构（如：假如纤维） 2．吸收过程慢