长波紫外线，波长400～320nm，其生物学作用：色素沉着明显，产生荧光反应，与光敏剂配合治疗银屑病，白癜风。中波紫外线，波长320～280nm，具有促进上皮生长，加速再生，色素沉着及抗佝偻病作用。短波紫外线，波长280～180nm，引起蛋白质和核酸变化，具有很强的杀菌作用。

按材料功能划分：

1、血液相容性材料 如人工瓣膜、人工气管、人工心脏、血浆分离膜、血液灌流用吸附剂、细胞培养基材等；

2、软组织相容性材料 如隐形眼睛片的高分子材料,人工晶状体、聚硅氧烷、聚氨基酸等,用于人工皮肤、人工气管、人工食道、人工输尿管、软组织修补等领域；

3、硬组织相容性材料 如医用金属、聚乙烯、生物陶瓷等,关节、牙齿、其它骨骼等；

4、生物降解材料 如甲壳素、聚乳酸等,用于缝合线、药物载体、粘合剂等；

5、高分子药物多肽、胰岛素、人工合成疫苗等,用于糖尿病、心血管、癌症以及炎症等

按材料来源分类：

1、自体材料

2、同种异体器官及组织；

3、异体器官及组织；

4、人工合成材料；

5、天然材料

根据组成和性质分为：

1、生物医用金属材料

2、医用高分子材料

3、医用无机非金属材料

生物医用金属材料

较优秀的生物医用金属材料有,医用不锈钢、钴基合金、钛及钛合金、镍钛形状记忆合金、金银等贵重金属、银汞合金、钽、铌等金属和合金

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

医用不锈钢植入活体后,可能发生点蚀,偶尔也产生应力腐蚀和腐蚀疲劳医用不锈钢临床前消毒、电解抛光和钝化处理,可提高耐蚀性

医用不锈钢在骨外科和齿科中应用较多

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

在整形外科中,用于制造人工髋关节、膝关节以及接骨板、骨钉、关节扣钉和骨针等在心脏外科中,用于制造人工心脏瓣膜等

⑶医用钛和钛合金

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

生物医用高分子

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目前已有数十种高分子材料适用于人体的植入材料

软组织材料：故主要用作为软组织材料,特别 是人工脏器的膜和管材聚乙烯膜、聚四氟乙烯膜、硅橡胶膜和管,可用于制造人工肺、肾、心脏、喉头、气管、胆管、角膜聚酯纤维可用于制造血管、腹膜等

硬组织材料：丙烯酸高分子（即骨水泥）、聚碳酸醋、超高分子量聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）、尼龙、硅橡胶等可用于制造人工骨和人工关节

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

生物无机材料主要包括生物陶瓷、生物玻璃和医用碳素材料

按植入生物活体内引起的组织与材料反应,生物陶瓷分为：

⑴近于惰性的生物陶瓷,如氧化铝生物陶瓷、氧化锆生物陶瓷、硼硅酸玻璃；

⑵表面活性生物陶瓷,如磷酸钙基生物陶瓷、生物活性玻璃陶瓷；

⑶可吸收性生物陶瓷,如偏磷酸三钙生物陶瓷、硫酸钙生物陶瓷

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,目前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

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

按增强体形态和性质分为纤维增强、颗粒增强、生物活性物质充填生物医用复合材料

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[1]

1925年摩尔根“基因论”的发表，确立了基因是遗传的基本单位，它存在于细胞的染色体上，决定着生物体的性状。但关于基因的化学本质是什么，它通过什么方式影响生物体的遗传性状，仍然不清楚。揭示基因的本质及其作用方式就成了当时生物学研究的核心问题。对这个问题的研究，开创了分子生物学这门新学科。分子生物学的建立和发展是生物学中信息学派、结构学派和生化遗传学派研究成果结合的产物，是科学史上一次成功的由学科交叉融合而引起的科学革命。发现DNA双螺旋的故事已为人们广为传颂，并作为生物学史上最具传奇色彩的伟大发现而载入生命科学史册

1．信息学派：信息学派主要是由一群对遗传信息世代传递感兴趣的物理学家组成，其代表人物是德尔布吕克（Max Delbrück）。德尔布吕克德国物理学家，1930年在美国洛克菲勒基金资助下，到丹麦哥本哈根理论物理研究所，跟随著名物理学家玻尔（Niels Bohr）作博士后研究。1932年，玻尔在哥本哈根举行的国际光治疗大会上作了“光与生命”的演讲。演讲中玻尔提出了认识生命的新思路，认为对生命现象的研究有可能发现一些新的物理学定律。德尔布吕克深受玻尔思想的影响，决定转入生物学研究。他认为，研究遗传信息的世代传递的机制，基因是最好的切入口。德尔布吕克离开哥本哈根回到柏林后，与遗传学家列索夫斯基（Nikolaï Vladimirovich Timofeeff-Ressovsky）、生物物理学家齐默尔（Karl G Zimmer）合作，从量子理论的角度研究辐射与基因突变的关系，并于1935年出版了《关于基因突变和基因结构的本质》的小册子。书中，他们用量子理论分析讨论了辐射诱导的基因突变的规律，并给出了“基因的量子力学模型”。此模型认为，基因如同分子一样，具有几个不同的，稳定的能级状态。突变被解释为基因分子从一个能级稳态向另一个能级稳态的转变。文章还根据计算，推断了基因的大小。这就是著名的“三人论文”。“三人论文”是一篇完全用物理学的理论和方法对基因进行研究的文章。这篇文章的意义不在于其结论的正确与否，而在于它使许多年轻物理学家们相信，基因是可以通过物理学方法来进行研究的，从而推动了一大批杰出物理学家投入生物学研究。“三人论文”后来成为薛定锷（Erwin Schrödinger）“生命是什么”一书讨论的基础。

1937年，在洛氏基金的资助下，德尔布吕克来到加州理工大学摩尔根实验室进行遗传学研究。在那儿他发现噬菌体是一种比果蝇更适合进行基因研究的材料，并与埃利斯（Emory Ellis）合作，研究噬菌体的增殖、复制规律，建立了噬菌体的定量测定方法。1940年底，在费城召开的一个物理学年会上，德尔布吕克与刚来美国不久的意大利生物学家卢里亚（Salvador Edward Luria）认识了。卢里亚读过“三人论文”，对德尔布吕克极为景仰。当时他刚获得洛氏基金资助，在哥伦比亚大学准备开展X-射线诱导噬菌体突变的研究。共同的兴趣使他们很快建立了合作关系。当时在美国还有一个进行噬菌体研究的科学家是华盛顿大学的赫尔希（Alfred Hershey）。1943年，德尔布吕克约他在自己实验室见面，并讨论了合作研究计划。这样，一个以德尔布吕克—卢里亚—赫尔希为核心的“噬菌体小组”就形成了。

噬菌体小组的研究成果主要有：德尔布吕克与卢里亚合作进行的细菌突变规律的研究开辟了细菌遗传学的新领域；1945年卢里亚和赫尔希分别独立发现噬菌体的突变特性；1946年德尔布吕克与赫尔希又分别独立发现，同时感染一个细菌的二种噬菌体可以发生基因重组，证明了，从最简单的生命到人类的遗传物质都遵循着相同的机制。噬菌体小组最值得夸耀的成果是50年代初证明了基因的化学本质是DNA。1944年艾弗里（Oswald T Avery）已经通过肺炎球菌转化试验发现，DNA是遗传物质，但一直未获承认。赫尔希和蔡斯（Martha Chase）分别用35S（与蛋白结合）和32P（结合在DNA上）标记噬菌体，然后用它感染细菌，结果发现噬菌体只有其核酸部分进入细菌，而其蛋白外壳是不进入细菌的。表现为在感染噬菌体的细菌体内复制产生的后代噬菌体主要含有32P标记，而35S的含量低于1%。这清楚地证明，在噬菌体感染的细菌体内，与复制有关的是噬菌体的DNA，而不是蛋白质。1952年，这个结果发表后立刻被广泛接受，对促进沃森（James Watson）和克里克（Francis Crick）确定DNA双螺旋结构的突破，具有重要的意义。

噬菌体小组除了在研究遗传信息的传递机制外，还从1941年起，每年都在纽约长岛的冷泉港举行研讨会，并从1945年起每年暑期都举办“噬菌体研究学习班”。学习班课程主要为那些有志于投身生物学研究的物理学家们开设的。通过冷泉港学习班，扩大了噬菌体研究网络，形成并巩固了以德尔布吕克—卢里亚—赫尔希为核心的噬菌体小组在遗传学研究领域的地位，到50年代初，噬菌体小组已成了一个影响很大的遗传学派。

噬菌体小组早期的研究工作引起著名物理学家薛定锷的注意，并引起了他对生命的思考。1943年，他在爱尔兰的都柏林三一学院作了一系列演讲，阐述了他对生命的思考。1944年，他将这些演讲整理汇编成书出版，这就是被认为是分子生物学的“汤姆叔叔的小屋”的划时代著作《生命是什么》。在此书中，薛定锷讨论了以噬菌体小组为主的信息学派的研究成果，尤其对德尔布吕克的“基因的量子力学模型”最为推崇。在讨论这些研究成果的同时，薛定锷认为“在有机体的生命周期里展开的事件，显示了一种美妙的规律和秩序。我们以前碰到过的任何一种无生命物质都无法与之相比。”“我们必须准备去发现在生命活体中占支配地位的，新的物理学定律”。

《生命是什么》一书对生物学研究产生的影响是震撼性的。著名分子生物学家斯坦特（Gunther Stent）指出：“在这本书里，薛定锷向他的同行物理学家们预告了一个生物学研究的新纪元即将开始”，“不少物理学家受到这样一个可以通过遗传学研究来发现‘其它物理学定律’的浪漫思想的启发，就离开了他们原来训练有素的职业岗位，转而去致力于基因本质的研究”。分子生物学的历史表明，1950年代那些发动分子生物学革命的科学家，包括DNA双螺旋结构的发现者沃森和克里克都是受薛定锷此书的影响，而转而进行基因的结构与功能研究的。

2．结构学派：20世纪30年代起，在生物学领域还有一群物理学家开始从事生物大分子的结构研究，这就是被称为“结构学派”的物理学家。结构学派是由英国卡文迪许实验室的布拉格父子，亨利·布拉格（William Henry Bragg）和劳伦斯·布拉格（William Lawrence Bragg）创立的。20世纪初，他们发现用X-射线照射结晶体可以在背景上获得不同的衍射图像。通过对衍射图像的分析，就可以推出晶体的结构。他们用这个方法成功地确定了一些盐类（如氯化钾）等的分子结构。1915年，布拉格父子同时获得诺贝尔物理学奖。1938年，劳伦斯·布拉格出任卡文迪许教授，开始将X-射线衍射技术推广应用到对生物大分子（蛋白质、核酸）的三维结构研究。50年代初，当时在卡文迪许实验室的佩鲁兹（Max Peruts）领导下，正在进行二种蛋白质的结构分析。一是他自己领导的研究小组，进行血红蛋白的结构研究；另一个是肯德鲁（John Kendrew）领导的研究小组，进行肌红蛋白的结构分析。此外，在伦敦的国王学院（King’s College）的威尔金斯（Maurice Wilkins）和富兰克林（Rosalind Franklin）的研究小组正在进行用X-射线衍射的方法研究核酸的结构，并取得了很多有意义的成果。结构学派的生物学家们主要对生物大分子的结构感兴趣，对功能研究则较少涉及。

3．生化遗传学派：自从1900年孟德尔定律被重新发现之后，“基因是怎样控制特定的性状”的问题就成了遗传学研究的主要问题之一。1902年，英国医生伽罗德（Archibald Garrod）发现一些病孩患尿黑酸症，病人的尿一接触空气就变成黑色。很快这种尿变黑的化学物质就被鉴定出来，即是由酪氨酸转变而成的一种物质。伽罗德对患黑尿病患者的家谱分析发现，此病按孟德尔规则的方式遗传。在进行一系列研究后，1909年伽罗德出版了《新陈代谢的先天缺陷》一书，指出黑尿病患者代谢紊乱是因为酪氨酸分解代谢的第一阶段，即苯环断裂这一步无法进行。因而伽罗德认为，苯环断裂是在某种酶的作用下发生的，病人缺乏这种酶，所以出现黑尿症状。这样就把一种遗传性状（黑尿）与酶（蛋白质）联系起来了。但对遗传因子与酶的这种预测性的设想，却无法得到实验证实。

1940年，比德尔和塔特姆（ELTatum）开始用红色链孢菌研究基因与酶的关系。他们用X-射线照射诱导产生链孢菌的突变体，发现了几种不同的失去合成能力的链孢菌。他们通过对这些突变体杂交后代的遗传学分析表明，每一种突变体都是单个基因突变的产物，并认为每一个基因的功能相当于一个酶的作用。由此，于1941年他们提出了“一个基因一个酶”的假说。按照这个假说，基因决定酶的形成，而酶又控制生化反应，从而控制代谢过程。1948年，米歇尔（F Mitchell）和雷恩（J Lein）发现，红色链孢菌的一些突变体缺乏色氨酸合成酶，从而为“一个基因一个酶”的理论提供了第一个直接的证据。蛋白质是有机体基因型产生的最直接的表现型，决定了生物性状的表现形式。因此“一个基因一个酶”（后改为一个基因一个蛋白质）的理论为以后DNA→RNA→蛋白质的“中心法则”提供了理论基础，对认识基因控制遗传性状的机制具有重要意义。1958年，伽罗德和塔特姆获得诺贝尔奖。

DNA双螺旋结构的确立

1951年，沃森在意大利参加了一个生物大分子结构的学术会议，会上听了英国国王大学威尔金斯关于DNA的X-射线晶体学的研究结果的报告十分兴奋。沃森是噬菌体小组领袖人物卢里亚的研究生。博士毕业后，被卢里亚送到丹麦哥本哈根的克卡尔（Herman Kacker）实验室做有关核酸的生物化学方面的研究。这使他迅速熟悉了核酸方面的知识，并确认基因的本质是DNA。他认识到，要解开基因的功能之谜，必需首先弄清DNA的结构。威尔金斯的工作给了他极大的启示，在卢里亚的支持下，他来到了当时世界生物大分子结构研究的中心——剑桥的卡文迪许实验室。在这里，他与弗朗西斯·克里克（Francis Crick）相遇。克里克毕业于伦敦科里基大学物理系，二战期间在军队从事过磁铁矿方面的研究。战后在薛定锷《生命是什么》一书的影响下，转向生物学研究。当时作为一名博士研究生正在佩鲁兹研究小组参加血红蛋白结构的研究。沃森的到来，使他了解了DNA研究的新进展。他们一致认为，搞清楚DNA的结构是揭示基因奥秘的关键所在。伦敦国王学院的威尔金斯是克里克的朋友，这使他们很容易地获得威尔金斯小组对核酸研究的新成果。沃森和克里克的合作，可以看成是生物学研究中，信息学派和结构学派结合。这个结合最终导致DNA双螺旋结构的发现。

在沃森—克里克开始着手研究DNA结构之时，对DNA结构的资料还是比较零散的。当时已知：1。DNA是由腺嘌呤（A），鸟嘌呤（G），胸腺嘧啶（T），胞嘧啶（C）4种核苷酸组成；2。每个核苷酸的糖基因以共价键的方式与另一个核苷酸的磷酸基因结合，形成糖—磷酸骨架；3。这些核苷酸长链具有规则的螺旋状结构，每34埃重复一次。但DNA分子究竟是由几条核苷酸链组成，以及链与链之间通过什么方式组成螺旋状分子，则仍然不清楚。1951年沃森—克里克曾提出一个三螺旋模型，1952年，鲍林也提出了一个三链模型，但随即被否定，因与已知的DNA X-射线衍射结果不相符。DNA双螺旋结构的确立主要由于以下的研究成果：1。1952年，沃森在威尔金斯那儿看到了富兰克林在1951年拍摄的一张水合DNA的X-线衍射图，上的强烈的反射交叉清楚地显示了DNA是双链结构。这张图给沃森印象极为深刻，决定建立DNA的双链模型；2。1952年数学家格里菲斯（J Griffith）通过对碱基间的结合力计算，表明A和T与G和C之间相互吸引的证据。同时从查伽夫（F Chargaff）早先已确定的，DNA分子中，嘌呤碱与嘧啶碱之比为1:1的当量定律，也排除了碱基同型配对的可能性。此外，多诺休（J Donohue）指出了碱基的互变异构现象。这些结果都肯定了DNA的二条核苷链中，A-T，G-C的碱基配对原则；3。1952年，富兰克林DNA的X-线衍射结果已经准确地推测出，双链分子糖—磷酸骨架在外侧，碱基在内侧的结论。富兰克林还推测出配对碱基的距离为20埃，旋距为34埃。

根据上述资料，1953年沃森—克里克提出了一个DNA双螺旋模型。这个结构符合已知的有关DNA的实验资料，弃提示了DNA分子复制的可能方式，因而立即受到科学界的重视并很快被接受。DNA双螺旋结构的发现，标志着分子生物学的诞生。此后的15年间，分子生物学取得迅速发展，其中具有重要意义的进展有：

1， 1968年克里克在他的《论蛋白质的作用》一文中，提出了遗传信息的流向是DNA-RNA-蛋白质的著名的“中心法则”。1970年蒂明（Howard Temin）和巴尔的摩（David Baltimore）分别在RNA肿瘤病毒颗粒中发现“依赖RNA的DNA转录酶”（逆转录酶），证明了遗传信息也可以从RNA流向DNA，从而完善了中心法则的内容。1975年，蒂明和巴尔的摩获诺贝尔生理学或医学奖。

2，1954年伽莫夫第一次把决定一个氨基酸的核苷酸组合称之为遗传密码，并提出了“重叠式三联密码”假说。他通过计算给出了64种可能的三联密码。伽莫夫的假说的问题是：1，重叠密码是错误的；2，认为DNA直接指导蛋白质合成是错误的。1961年克里克和布伦纳（SBrenner）通过实验和统计分析否定了遗传密码的重叠问题，提出了“非重叠式三联密码”的假说，并通过实验获得证实。同年，尼伦伯格（MWNirenberg）用生物化学的方法及体外无细胞合成体系，首次成功地确定了三联尿嘧啶UUU是苯丙氨酸的密码子，揭开了破译三联密码的序幕。到1966年就完成了所有20种氨基酸的密码表1968年，尼伦伯格获诺贝尔生理学或医学奖。

3，基因表达调控的“操纵子学说”的提出。1960年法国科学家莫诺（J Monod）和雅各布（FJacob）发表了“蛋白质合成的遗传调控机制”一文。在文章中他们正式提出了基因表达的操纵子学说。他们用大肠杆菌乳糖代谢调控系统为模型，揭示了半乳糖苷酶产生的基因调控机制，提出了结构基因、调节基因和操纵基因的概念，并证明了半乳糖苷酶（蛋白质）的产生正是这些基因相互作用的结果。操纵子学说的提出使对基因的研究从结构研究向功能研究的转变，为深入揭示基因控制生物性状（表型）的机制奠定了基础。1965年莫诺和雅各布获诺贝尔生理学或医学奖。操纵子理论有力地证实了美国科学家麦克林托克（BMclintock）1951年在研究玉米遗传特性时提出的“跳跃基因”（转座子）的概念，为真核细胞基因调控的研究开辟了道路。1983年麦克林托克获诺贝尔生理学或医学奖。

4，基因工程枝术的诞生。1962年阿尔伯（WArber）提出细菌体内存在一种可以破坏外来DNA的酶。1970年史密斯（HOSmith）获得了第一个DNA限制性内切酶。纳桑斯则用内切酶将SV40病毒的DNA切割成一些特定的片段，并获得了此病毒基因组的物理图谱。1978年阿尔伯、史密斯和纳桑斯获诺贝尔生理学或医学奖。此后又陆续发现了DNA联接酶、DNA聚合酶，这些工具酶的发现为基因工程技术的出现奠定了基础。1971年美国科学家伯格（P Berg）用限制性内切酶和联接酶将SV40的DNA与入噬菌体的DNA片段连接在一起，形成的杂种分子在大肠杆菌中成功表达，使跨越物种的DNA重组成为现实。基因工程作为一项新技术诞生了，它不但为农业、畜牧业和医药产业的发展提供了广阔的发展空间，而且为进一步深入探索生命起源和开展人造生命（合成生物学）的研究提供了技术手段。伯格的工作为基因工程的诞生奠定了基础，1980年伯格获诺贝尔生理学或医学奖。

从1953年DNA双螺旋结构发现以来的半个多世记中，分子生物学按还原论的路径迅猛发展，取得了许多重要进展。进入21世记以来，人类基因组计划的完成，以及蛋白质组学等各种“组学”的出现，为从整体上认识遗传、变异、及个体发育等基本生物学现象开辟了新方向。早已认识到基因组完全相同的卵孪生子之间在遗传表型上可以表现明显差异，显示了基因型（Genotype）与表现型之间的复杂关系。近年来兴起的表观遗传学（Epigenetics）研究表明，基因组可以通过DNA甲基化（DNA methylation），基因印记，母体效应，基因沉默，RNA编辑等方式改变基因表达的方式。这样就为深入理解环境与遗传的关系提供了可能，从而对医学科学的发展产生深远的影响。

可降解生物材料因植入生物体后可在体内不断分解、且分解产物能被生物体所吸收或排出体外，已成为当前生物材料领域的国际研究前沿与热点。目前在骨植入材料中应用较多的可降解生物材料主要是高分子聚合物如聚乳酸（PLA）、聚羟基乙酸（PGA），然而这些材料的强度一般较低，很难承受较大的负荷，而且降解产物呈酸性，容易引起炎症。镁及其合金不仅具有良好的力学性能，而且对人体无毒、通过腐蚀可在体内逐步降解，因而作为一种极有发展潜力的可降解植入生物材料日益受到人们的青睐。但是现有的镁合金在生理环境下降解速率太快，往往在骨组织没有愈合就失去了应有的承载能力。所以制备出既有一定力学性能，又具有较好耐腐蚀性的镁合金，具有较高的实用价值。

　

　　1　镁合金生物材料的研究现状

　　镁及其合金可用做可降解生物材料，但是其高的腐蚀速率是一个焦点问题。H，Wang等用三种不同手段加工出来的AZ31在Hank模拟体液中浸泡1、2、5、10、15、20天，然后称重，用光学显微镜观察形貌，用TEM观察显微结构，结果表明，通过机械处理，AZ31在Hank溶液中生物降解速率明显降低。德国汉诺威尔大学F·Witte　等人对AZ31、AZ91、WE43、LAE442进行了在活猪体内植入试验，研究了不同可降解镁合金在骨环境中界面降解机制及合金降解速率，得到镁合金的降解取决于合金元素，植入的四种合金都与骨结合良好，并且得到镁离子对骨生长有诱导作用，只是合金降解过快，导致皮下产生氢气气泡；香港城市大学研究了AZ63在模拟体液中的降解情况，并研究热处理对降解情况的对比，通过比较得出，430℃在空气中保存24小时T4处理后，合金的降解速率是铸态合金的1/2[21]；北京大学郑玉峰系统研究了Mg-1x（x为Zn、Mn、Al、Si、Ag、Zr、Y、ln）二元合金的组织性能、力学性能、耐腐蚀性能、细胞毒性、血液相容性，通过研究得到，添加Al，Si，　Sn，Zn或Zr元素能改善合金的力学性能，添加Al，　In，　Mn，　Zn，或　Zr元素能降低合金在模拟体液和汉克斯溶液中的腐蚀速率，Si和Y合金元素却加速了合金的腐蚀[23-24]等等。目前通过动物实验等，正在推进镁合金作为生物医用材料的应用。

　　2　镁合金生物材料的发展趋势

　　迄今为止，被详细研究过的生物材料已有一千多种，医学临床上广泛使用的也有几十种，涉及到材料学的各个领域。目前生物医学材料研究的重点是在保证安全性的前提下寻找组织相容性更好、耐腐蚀、持久性更好的多用途生物医学材料。其发展趋势必然要求：

　　（1）提高生物医学材料的组织相容性，增加材料与活体组织之间相互容纳的程度，避免材料周围组织的局部反应；

　　（2）金属材料在生物医用材料中的应用将越来越广泛，金属生物医学材料的应用已有较长的历史，随着科学技术的发展和外科医疗水平的提高，先后开发了不锈钢、钴合金、工业纯钛及钛合金等一系列金属生物医学材料；

　　（3）　生物医学材料的治疗特性增强，生物医学材料的发展不仅局限于作为人体相应器官的假体和代用品，利用多种学科的交叉研制具有治疗特性的生物医学材料也是未来的重要方向；

　　（4）　具有多种特殊功能生物材料的研制和应用，对合金进行深加工，使其具备多种功能，满足不同情况的需求，也是未来生物医用材料的发展趋势之一。

　　3　镁合金生物材料研究意义及应用展望

　　镁及镁合金具有比强度和比刚度较高、生物可降解吸收性等特点，作为现有金属生物植入材料的新一代替代产品表现出巨大的优势与潜力，已经引起国内外越来越多研究者的关注，但由于人体环境的复杂性，这种新材料的研究还需一个长期过程。生物医用材料的研究与开发对国民经济和社会的发展具有极其重要的意义，生物医用材料具有很高的附加值，其每公斤达1200-150000美元，而建筑材料仅为01-12美元，宇航材料也仅100-1200美元。

　　随着人口老龄化和各类创伤的增加，近几年来生物医用材料和制品的市场一直保持20％左右的年增长率，发展态势已可以与信息和汽车产业在世界经济中的地位相比，正在成长为本世纪世界经济的一个支柱，对国民经济的发展有着不可忽视的重要作用。例如，随着人口老龄化和中青年创伤的增加，对生物医学材料和制品的需求持续增长。在我国，人口老龄化已成为社会问题，同时中、青年创伤高速增加，生物医学材料及制品存在着巨大的潜在市场，特别是随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，对生物医学材料和制品的需求急速增高。

　　因此对于我国发展医用金属材料是一个趋势。伴随着新型金属材料的研制和表面改性技术的采用，生物医用金属材料腐蚀研究又开辟了新的研究和发展空间；镁合金具有足够的强度，良好的生物相容性和体内可降解性，有望成为新型骨植入材料。但是它的力学性能不够，且耐蚀性较差；不含对人体有害元素的合金，其力学性能相对钛合金、不锈钢等医用合金强度低，不能用于承载部位；作为骨植入材料，其目的是维持骨折复位、重建后的稳定，因此从力学角度考虑要求其在骨组织完全愈合之前必须保持原有力学性能基本不变。

　　

　　可降解生物医用镁合金相对于传统金属医用材料来说，具有无可比拟的优越性，如作为骨内植物，可有效避免应力遮挡效应，并可避免骨折痊愈后二次手术给病人带来的痛苦和费用；作为心血管支架材料，可有效减少血管内膜增生、再狭窄、晚期血栓等问题。因此，被誉为“革命性的金属生物材料”而受到全球高度瞩目。

　　尽管目前已有动物体内及人体临床实验，然而绝大多数为商用镁合金，缺乏生物安全性。作为生物医用材料，在设计时必须考虑材料的生物安全性、强韧性、耐蚀性（特别是类似于均匀腐蚀降解方式）。因此，需要设计具有生物安全性、高强韧性、耐蚀性和腐蚀均匀性的新型生物医用镁合金；需要对其强韧性设计制备理论、在体内的降解代谢机制及体内降解产物的生物安全性、降解行为的可控性等方面进行系统深入的研究，进而为可降解生物医用镁合金的临床医学应用提供更加可靠的科学依据。上海交通大学轻合金精密成型国家工程研究中心团队近年来在上述领域进行了一些有益的探索，并取得了令人鼓舞的进展。相信经过科研工作者的不断努力探索，可降解生物医用镁合金一定会有光明的应用前景，成为惠及人类健康的新型金属生物材料。

　　参考文献

　　[1]　李世谱　生物医用材料导论M武汉理工大学出版社　2000：20–40

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　　[3]　DF　Williams，　DM　Brunette，　P　Tengvall，　et　al　Titanium　in　Medicine[J]　Springer，　2001，　p　15

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生物医学工程是个交叉学科，与生物工程密切相关，其主要特点是将工程学的方法应用到医学领域中。它将工程技术与医学相结合以提高医疗水平，帮助患者得到更好的照料以及提高健康个体的生活质量。研发是生物医学工程师工作的主要内容，它覆盖一个非常宽广的领域：生物信息学、医学图像、图像处理、生理信号处理、生物力学、生物材料、系统分析、三维建模等等。生物医学工程的应用实例有生物兼容的假体（prosthesis）、医疗器械、诊断设备、MRI 和 EEG 这样的成像设备以及医用药品。

生物医学工程(Biomedical-Engineering)是一门新兴的边缘学科，它综合工程学、生物学和医学的理论和方法，在各层次上研究人体系统的状态变化，并运用工程技术手段去控制这类变化，其目的是解决医学中的有关问题，保障人类健康，为疾病的预防、诊断、治疗和康复服务。它有一个分支是生物信息方面主要攻读生物和化学

生物医学工程产业是现代医药产业的两大支柱，生物医药产业由生物技术产业与医药产业共同组成。各国、各组织对生物技术产业的定义和圈定的范围很不统一，提供，甚至不同人的观点也常常大相径庭。生物医学工程是综合应用生命科学与工程科学的原理和方法，从工程学角度在分子、细胞、组织、器官乃至整个人体系统多层次认识人体的结构、功能和其他生命现象，研究用于防病、治病、人体功能辅助及卫生保健的人工材料、制品、装置和系统技术的总称。 生物医学工程兴起于20世纪50年代，它与医学工程和生物技术有着十分密切的关系，而且发展非常迅速，成为世界各国竞争的主要领域之一。 生物医学工程学与其他学科一样，其发展也是由科技、社会、经济诸因素所决定的。这个名词最早出现在美国。1958年在美国成立了国际医学电子学联合会，1965年该组织改称国际医学和生物工程联合会，后来成为国际生物医学工程学会。 生物医学工程学除了具有很好的社会效益外，还有很好的经济效益，前景非常广阔，是各国争相发展的高技术之一。以1984年为例，美国生物医学工程和系统的市场规模约为110亿美元。美国科学院估计，到2000年其产值预计可达400～1000亿美元。 生物医学工程学是在电子学、微电子学、现代计算机技术，化学、高分子化学、力学、近代物理学、光学、射线技术、精密机械和近代高技术发展的基础上，在与医学结合的条件下发展起来的。它的发展过程与世界高技术的发展密切相关，同时它采用了几乎所有的高技术成果，如航天技术、微电子技术等。

生物医学工程学系，其前身可追溯到1977年在国内率先设立的生物医学工程与仪器专业，以后相继建成了我国生物医学工程学科的第一个硕士学位授予点、第一个博士学位授予点、第一个博士后科研流动站。该系所依托的生物医学工程一级学科是21世纪生命科学的重要支柱以及引领当今国际未来的前沿学科，旨在利用现代工程技术手段解决生物医学上的检测、诊断、治疗、管理等问题以及深入探索生命系统的各种运动机理及其规律性。作为国家“211工程”和“985振兴计划”重点建设学科，浙江大学生物医学工程学科在新一轮的教育部生物医学工程一级学科整体水平评估中学术声誉位列全国首位，与此同时，该学科自2002年成为国家重点学科后，2007年又再次被确认为国家重点学科。新近隶属该系的生物医学工程专业被列入浙江大学首批特色专业建设项目

国内生物医院临床机构

中国已经把儿童健康和成材上升到了国家战略的高度，所以，生物医学的“绿色--微创--非侵害性”首先应用于与民族未来息息相关的儿童医院，比如北京儿童医院等国内知名的专业研究儿童疑难杂症的医学机构已经全面引进生物医学技术，改变了使用药物通过 肝、肾排泄从而增加肝、肾功能的损害，部分治疗中的兴奋剂、抗精神类处方影响儿童骨骼发育的伤害，使“绿色医疗”的理念得到了充分的发挥。国内部分知名儿童医院的生物医学临床应用，表明我国的儿童的健康保护事业和儿童疑难病的治疗已经与国际发达国家接轨。 1．掌握电子技术的基本原理及设计方法；

2．掌握信号检测和信号处理及分析的基本理论；

3．具有生物医学的基础知识；

4．具有微处理器和计算机应用能力；

5．具有生物医学工程研究与开发的初步能力；

6．具有一定人文社会科学基础知识；

7．了解生物医学工程的发展动态；

8．掌握文献检索、资料查询的基本方法。 · 生物电子与神经系统的工程

· 生物信息学和计算生物学

· 生物材料

· 生物力学和生物转运

· 生物医疗仪器、传感器、人工器官和纳米技术

· 生物医学工程

· 生物医学成像、图像处理及可视化

· 生物医学建模

· 临床工程、耐磨和实时健康监测系统

· 基因工程

· 基因组学

· 医学生物化学

· 医学细胞生物学

· 纳米生物分析

· 核磁共振/ CT /心电技术和电磁场仿真

· 生理信号处理

· 蛋白质组学

· 医学工程中的软件、工具和应用

· 结构药物设计 主编

李孟森 教授 北京大学 (Prof Mengsen Li, Peking University)

编委会

董健 教授 复旦大学 (Prof Jian Dong, Fudan University)

范代娣 教授 西北大学 (Prof Daidi Fan, Northwest Universty)

官家发 教授 中国科学院 (Prof Jiafa Guan, Chinese Academy of Sciences)

洪葵 教授 武汉大学 (Prof Kui Hong, Wuhan University)

胡火珍 教授 四川大学 (Prof Huozhen Hu, Sichuan University)

梁淑芳 教授 四川大学 (Prof Shufang Liang, Sichuan University)

刘鹏 教授 兰州大学 (Prof Peng Liu, Lanzhou University)

任宇红 教授 华东理工大学 (Prof Yuhong Ren, East China University of Science and Technology)

孙建国 工程师 美国Tufts大学 (Dr Jianguo Sun, Tufts Universtiy)

唐惠儒 教授 中国科学院 (Prof Huiru Tang, Chinese Academy of Sciences)

王金福 教授 浙江大学 (Prof Jinfu Wang, Zhejiang University)

王久存 副教授 复旦大学 (Dr Jiucun Wang, Fudan University)

尤学一 教授 天津大学 (Prof Xueyi You, Tianjin University)

俞强 研究员 中国科学院 (Dr Qiang Yu, Chinese Academy of Sciences)

张俊波 教授 北京师范大学 (Prof Junbo Zhang, Beijing Normal University)

张建中 研究员 中国疾病预防控制中心 (Dr Jianzhong Zhang, Chinese Center for Disease Control and Prevention)

张健 教授 上海交通大学 (Prof Jian Zhang, Shanghai Jiao Tong University)

彭勇 教授 中国燕山大学 (Prof Yong Peng, Yanshan University) 《生物医学》期刊论文被以下收据库收录：

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万方

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WorldCat 1 PGRMC1蛋白功能及其在肿瘤发生发展中的作用

The Function of PRGMC1 and Its Role in Tumorgenesis and Tumor Development

马 雯,夏祥颖,梁淑芳

DOI:1012677/HJBM201332002

2 D-丝氨酸与丝氨酸消旋酶

D-Serine and Serine Racemase

冯延琼,肖虹,石亚伟

DOI:1012677/HJBM201332003

生物材料(biomaterials)是用于与生命系统接触和发生相互作用的，并能对其细胞、组织和器官进行诊断治疗、替换修复或诱导再生的一类天然或人工合成的特殊功能材料，又称生物医用材料。生物材料是材料科学领域中正在发展的多种学科相互交叉渗透的领域，其研究内容涉及材料科学、生命科学、化学、生物学、解剖学、病理学、临床医学、药物学等学科，同时还涉及工程技术和管理科学的范畴。生物材料有人工合成材料和天然材料; 有单一材料、复合材料以及活体细胞或天然组织与无生命的材料结合而成的杂化材料。生物材料本身不是药物，其治疗途径是以与生物机体直接结合和相互作用为基本特征。

基本介绍 中文名 ：生物材料 外文名 ：Biological materials 时间 ：九十年代 特点 ：广阔的发展前景 学科 ：生物学 发展,简介,原理,相关产品,性能,功能性,相容性,相容性反应,宿主反应,材料反应,分类特性,分类,特点,套用发展,性能要求,材料分类,性能评价,机械性能,评价标准,人体影响,术语,定义,材料学, 发展 自90年代后期以来，世界生物材料科学和技术迅速发展，即使在当今全球经济低迷的大环境下，生物材料依然保持着每年13%高速增长，充分体现了其强大的生命力和广阔的发展前景。 现代医学正向再生和重建被损坏的人体组织和器官、恢复和增进人体生理功能、个性化和微创治疗等方向发展。传统的无生命的医用金属、高分子、生物陶瓷等常规材料已不能满足医学发展的要求，生物医学材料科学与工程面临着新的机遇与挑战。 未来，生物医用材料的市场占有率大有可能将赶上药物。因此，加强生物医用材料的临床套用研究和推广套用，重点发展我国生物医用材料的研究、开发、生产、行销紧密结合的一体化体系是当务之急。 实际上，国家当前在生物材料科学基础研究方面已经取得了重大突破进展，走在了世界先进行列，但产业化水平尚待提高，产业规模小、发展相对滞后，还不能满足全民医疗保健的实际需要。在国家政策、经济的大力支持下，我国生物材料的产业化发展将提速。企业应增强自主创新的能力，进一步解决依靠进口的局面，同时加大出口力度，实现跨越发展，扩大中国生物材料产品在国际上的影响力。 简介 原理 生物材料（Biological materials）又称生物工艺学或生物技术。套用生物学和工程学的原理，对生物材料、生物所特有的功能，定向地组建成具有特定性状的生物新品种的综合性的科学技术。生物工程学是70年代初，在分子生物学、细胞生物学等的基础上发展起来的，包括基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程等，他们互相联系，其中以基因工程为基础。只有通过基因工程对生物进行改造，才有可能按人类的愿望生产出更多更好的生物产品。而基因工程的成果也只有通过发酵等工程才有可能转化为产品。 相关产品 医学上通过生物工程可以生产出大量廉价的防治人类疾病的药物，如入胰岛素、干扰素、生长激素、B型肝炎疫苗等。生物工程在食品、轻工中的套用面也很广。1983年美国用生物工程生产的用于制作饮料的高果糖浆的年产量达600万吨，从而使蔗糖的消耗量减少一半。采用生物工程技术，使育种工作发生了很大变化，如把抗病基因转移到菸草中去，已培育出防止害虫的菸草新品种；把低等生物根瘤菌的固氮基因转移到高等作物的细胞中，使之能自己制造氮肥，也取得了一定成果。世界各国对生物工程十分重视，中国也把生物工程列为重点发展的科研项目之一。生物工程学的研究将对人类的生产方式和生活方式产生巨大的影响。 性能 功能性 指生物材料具备或完成某种生物功能时应该具有的一系列性能。 根据用途主要分为： 承受或传递负载功能。如人造骨骼、关节和牙等，占主导地位 控制血液或体液流动功能。如人工瓣膜、血管等 电、光、声传导功能。如心脏起博器、人工晶状体、耳蜗等 填充功能。如整容手术用填充体等 相容性 指生物材料有效和长期在生物体内或体表行使其功能的能力。用于表征生物材料在生物体内与有机体相互作用的生物学行为。 根据材料与生物体接触部位分为： 血液相容性。材料用于心血管系统与[[血液]]接触，主要考察与血液的相互作用 与心血管外的组织和器官接触。主要考察与组织的相互作用，也称一般生物相容性 力学相容性。考察力学性能与生物体的一致性 生物材料和纳米生物技术是国际化，跨学科，英文出版的关于生物材料的制备，性能和评价研究的原创性文献，由美国科研出版社发行。涵盖物理，化学，毒物学，电化学，机械和光学特性的纳米材料，生物技术的套用（制药，药物输送系统，化妆品，食品技术，生物转化，可再生能源和能源储存，生物感测，纳米药物，组织工程，植入式医疗设备，生物光子学，纳米光动力疗法，肿瘤科）。 相容性反应 宿主反应 ⑴生物学反应 A: 血液反应 ⒈血小板血栓； ⒉凝血系统激活； ⒊纤溶系统激活； ⒋溶血反应； ⒌白细胞反应； ⒍细胞因子反应； ⒎蛋白粘附； B:免疫反应 ⒈补体激活； ⒉体液免疫反应（抗原－抗体反应）； ⒊细胞免疫反应。 C:组织反应 ⒈炎症反应； ⒉细胞粘附 ⒊细胞增殖（异常分化） ⒋形成蘘膜 ⒌细胞质的转变 ⑵生物体对生物反应的变化 ⒈急性全身反应 过敏、毒性、溶血、发热、神经麻痹等 ⒉慢性全身反应 毒性、致畸、免疫、功能障碍等 ⒊急性局部反应 炎症、血栓、坏死、排异等 ⒋慢性局部反应 致癌、钙化、炎症、溃疡等 材料反应 生物机体作用于生物材料－材料反应，其结果可导致材料结构破坏和性质改变而丧失其功能。可分为如下三个方面： 金属腐蚀 聚合物降解 磨损 ⑴金属腐蚀 生物体内的腐蚀性环境：⑴含盐的溶液是极好的电解质，促进了电化学腐蚀和水解；⑵组织中存在具有催化或迅速破坏外来成分能力的多种分子和细胞。将对生物金属材料产生腐蚀。 对于生物材料而言多为局部腐蚀，具体包括应力腐蚀开裂、点腐蚀、晶间腐蚀、腐蚀疲劳以及缝隙腐蚀等，导致生物材料整体破坏。 虽然金属材料在生物体内保持惰性状态，但仍然可能会有物质溶入生物组织中，并对生物体组织产生毒性反应，造成组织的损害。如不锈钢中溶出的Cr+6生物组织的毒性。 ⑵聚合物降解 聚合物在长期使用过程中，由于受到氧、热、紫外线、机械、水蒸气、酸碱及微生物等因素作用，逐渐失去弹性，出现裂纹，变硬、变脆或变软、发粘、变色等，从而使它的物理机械性能越来越差的现象。 聚合物老化易形成的碎片、颗粒、小分子量单体物质，因此使用它时必须谨慎，对耐久性器件，必须保持一定强度和其它机械性能，老化产物不能对周围组织有毒害作用。 例如，医用缝合线降解时会产生酸性物质，如果量少，很容易被人体中的化学物质中和，如果老化产物较大，则会对周围组织产生损害。 ⑶磨损 人工关节常用材料为Ti6Al4V，由于表面易氧化生成TiO2，其耐磨性差，植入人体后，磨损造成在关节周围组织形成黑褐色稠物，从而引起疼痛。钛合金人工全髋关节平均寿命一般都低于10年。 大量的人工髋关节是由坚硬的金属或陶瓷的股骨头与超高分子聚乙烯的髋臼杯组合成，然而它的寿命也不超过25年。长期随访资料显示，假体失败的主要原因是超高分子聚乙烯磨损颗粒所造成的界面骨溶解，从而导致假体松动。这种磨损颗粒所导致的异物－巨细胞反应，又称颗粒病，是晚期失败的最主要原因。 分类特性 分类 生物材料套用广泛，品种很多，其分类方法也很多。生物材料包括金属材料（如碱金属及其合金等）、无机材料（生物活性陶瓷，羟基磷灰石等）和有机材料三大类。有机材料中主要是高分子集合物材料，高分子材料通常按材料属性分为合成高分子材料（聚氨酯、聚酯、聚乳酸、聚乙醇酸、乳酸乙醇酸共聚物及其他医用合成塑胶和橡胶等）、天然高分子材料（如胶原、丝蛋白、纤维素、壳聚糖等）；根据材料的用途，这些材料又可以分为生物惰性（bioinert）、生物活性（bioactive）或生物降解（biodegradable） 材料，高分子聚合物中，根据降解产物能否被机体代谢和吸收，降解型高分子又可分为生物可吸收性和生物不可吸收性。根据材料与血液接触后对血液成分、性能的影响状态则分为血液相容性聚合物和血液不相容性。根据材料对机体细胞的亲和性和反映情况，可分为生物相容性和生物不相容性聚合物等。 特点 生物材料主要用在人身上，对其要求十分严格，必须具有四个特性： ⑴生物功能性。因各种生物材料的用途而异，如：作为缓释药物时，药物的缓释性能就是其生物功能性。 ⑵生物相容性。可概括为材料和活体之间的相互关系，主要包括血液相容性和组织相容性（无毒性、无致癌性、无热原反应、无免疫排斥反应等）。 ⑶化学稳定性。耐生物老化性（特别稳定）或可生物降解性（可控降解）。 ⑷可加工性。能够成型、消毒（紫外灭菌、高压煮沸、环氧乙烷气体消毒、酒精消毒等）。 套用发展 性能要求 ⑴生物相容性 生物相容性主要包括血液相容性、组织相容性。材料在人体内要求无不良反应，不引起凝血、溶血现象，活体组织不发生炎症、排拒、致癌等。 ⑵力学性能 材料要有合适的强度、硬度、韧性、塑性等力学性能以满足耐磨、耐压、抗冲击、抗疲劳、弯曲等医用要求。 ⑶耐生物老化性能 材料在活体内要有较好的化学稳定性，能够长期使用，即在发挥其医疗功能的同时要耐生物腐蚀、耐生物老化。 ⑷成形加工性能 容易成形和加工，价格适中。 材料分类 按材料功能划分： 1、血液相容性材料 如人工瓣膜、人工气管、人工心脏、血浆分离膜、血液灌流用吸附剂、细胞培养基材等； 2、软组织相容性材料 如隐形眼睛片的高分子材料，人工晶状体、聚矽氧烷、聚胺基酸等，用于人工皮肤、人工气管、人工食道、人工输尿管、软组织修补等领域； 3、硬组织相容性材料 如医用金属、聚乙烯、生物陶瓷等，关节、牙齿、其它骨骼等； 4、生物降解材料 如甲壳素、聚乳酸等，用于缝合线、药物载体、粘合剂等； 5、高分子药物多肽、胰岛素、人工合成疫苗等，用于糖尿病、心血管、癌症以及炎症等。 按材料来源分类： 1、自体材料 2、同种异体器官及组织； 3、异体器官及组织； 4、人工合成材料； 5、天然材料 根据组成和性质分为： 1、生物医用金属材料 2、医用高分子材料 3、医用无机非金属材料 生物医用金属材料 较优秀的生物医用金属材料有，医用不锈钢、钴基合金、钛及钛合金、镍钛形状记忆合金、金银等贵重金属、银汞合金、钽、铌等金属和合金。 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套用最多，最广的材料。 常用钢种有US304、316、316 L、317、317L等。 医用不锈钢植入活体后，可能发生点蚀，偶尔也产生应力腐蚀和腐蚀疲劳。医用不锈钢临床前消毒、电解抛光和钝化处理，可提高耐蚀性。 医用不锈钢在骨外科和齿科中套用较多。 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。 在整形外科中，用于制造人工髋关节、膝关节以及接骨板、骨钉、关节扣钉和骨针等。在心脏外科中，用于制造人工心脏瓣膜等。 ⑶医用钛和钛合金 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，故广泛套用于制造各种能、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。 生物医用高分子 按套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。 软组织材料：故主要用作为软组织材料，特别 是人工脏器的膜和管材。聚乙烯膜、聚四氟乙烯膜、矽橡胶膜和管，可用于制造人工肺、肾、心脏、喉头、气管、胆管、角膜。聚酯纤维可用于制造血管、腹膜等。 硬组织材料：丙烯酸高分子（即骨水泥）、聚碳酸醋、超高分子量聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）、尼龙、矽橡胶等可用于制造人工骨和人工关节。 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 生物无机材料主要包括生物陶瓷、生物玻璃和医用碳素材料。 按植入生物活体内引起的组织与材料反应，生物陶瓷分为： ⑴近于惰性的生物陶瓷，如氧化铝生物陶瓷、氧化锆生物陶瓷、硼矽酸玻璃； ⑵表面活性生物陶瓷，如磷酸钙基生物陶瓷、生物活性玻璃陶瓷； ⑶可吸收性生物陶瓷，如偏磷酸三钙生物陶瓷、硫酸钙生物陶瓷。 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 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。 按增强体形态和性质分为纤维增强、颗粒增强、生物活性物质充填生物医用复合材料。 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。 性能评价 机械性能 医用金属作为受力期间，在人体内服役，其受力状态及其复杂，如人工关节，每年要承受约36×106次、且数倍于人体重量的载荷冲击和磨损。 人体骨的力学性能因年龄、部位而异，评价骨和材料的机械性能最重要的指标有：抗拉抗压强度、屈服强度、弹性模量。疲劳极限和断裂韧性等； 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，还会造成应力禁止，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。 评价标准 生物材料的生物学评价一般按用途、接触方式、接触人体部位和接触时间等划分，但标准还未完全实现统一，且随着新一般生物相容材料向智慧型生物材料（如组织工程材料）转变，标准还在完善。 各国在已基本统一的国际标准化组织提出的生物标准上，保留了各自的特点。 已有的标准有： ⒈ISO109931－1992至ISO1099312－1992； ⒉美国ASTM（F748－82）标准； ⒊中国在美国和日本的基础上，1997年由卫生部颁布了中国标准 人体影响 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 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套用上，避免使用可能产生 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套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。 术语 定义 生物材料通常有两个定义：狭义的生物材料是指天然生物材料，也就是由生物过程形成的材料。广义的生物材料是指用于替代、修复组织器官的天然或人造材料。 材料学 生物材料学是涉及生物材料的组成结构、性能与制备相互关系和规律的科学。其主要目的是在分析天然生物材料微组装、生物功能及形成机理的基础上，发展仿生学高性能工程材料，及用于人体组织器官修复与替代的新型医用材料。其主要研究内容有：生物过程形成的材料结构、生物矿化原理，材料生物相溶性机理，生物材料自主组装、自我修复的原理。