生物医用复合材料的研究进展

７８生物医用复合材料的研究进展２０１２年３月

生物医用复合材料的研究进展

于成，赵卫生，贾伟

（北京玻钢院复合材料有限公司，北京

１０２１０１）

摘要：生物医用复合材料在当今已得到了飞速发展。本文按基体材料的分类分别介绍了陶瓷基、金属基、高分子基生物医用复合材料的发展情况，指出碳纤维复合材料作为具有优异性能的材料在未来医疗领域将得到飞速发展。

关键词：陶瓷基；金属基；高分子基；碳纤维中图分类号：ＴＢ３３２

文献标识码：Ａ

文章编号：１００３—０９９９（２０１２Ｊ０２—００７８—０４

生物医用复合材料（ｂｉｏｍａｔｅｒｉａｌ

ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅ—

够的力学强度和柔韧性，能够承受生物的机械作用力，选用的医用材料要与生物组织的拉伸弯曲强度和模量、硬度以及耐磨性能相一致；④具有优良的防

菌性能、工艺成型性能，不会因加工困难而使其应用受到限制¨Ｊ。

ｒｉａｌｓ）是采用多种不同特性的材料，通过相应的工艺

方法复合而成，可用于对生命体进行诊断医疗、修复或替换生命体病变的器官组织以及改善器官组织功能的高新材料。它是研究人工器官和医疗设备的基础，己成为复合材料专业的重要分支。通过长时间的临床应用可以看出，传统应用的金属、高分子材料是不具备生物活性的，并且与器官、组织的结合不牢

固，由于生理环境的影响，在上述材料植入体内后，

２生物医用复合材料的分类和研究

现状

根据基体材料的不同，可将生物医用复合材料

大致分为金属基、陶瓷基和高分子基复合材料三类。通过相应的工艺成型方法将各类材料制作成不同医学应用领域的生物复合材料。２．１金属基生物医用复合材料

会导致金属离子或者单体的游离，对生命体造成不

良影响。同时，虽然陶瓷材料具有相对稳定的化学性能和较好的生物相容性，并且拥有优良的耐压性

能、耐磨擦性能和耐生物腐蚀性能，但是这类材料的弯曲强度较低、弹性模量大、耐疲劳性能差，在生理环境中易受破坏，只适用于不承力结构环境中。因此，单一材料不能很好地满足临床应用的要求。生

物医用复合材料通过相应的工艺可制作出与生物组

金属基生物医用复合材料，例如不锈钢、钛合金等，与传统医学材料相比，金属基医用复合材料的力

学强度高、柔韧性优良、耐疲劳性能好、成型工艺优

异。但单一的金属材料在生理环境的应用中面临着

腐蚀的重要问题，金属离子若向生物组织扩散将会

织的结构和性质都类似的替代材料，且其工艺设计

性多样化。随着生物技术的蓬勃发展和重大突破，

引起毒副作用，而自身性质的退化易导致植入失效。

因此一种即不易腐蚀又有很好的生物相容性的金属

生物医用复合材料已开始成为各国研究的热点。

ｌ

生物医用复合材料的选择要求

由于人体复杂的生理环境，植人体内的医用材

基生物医用复合材料是科研人员所要研发的新型

材料。

谈到金属医用材料，首当其冲人们会想起钛基

料将会受到长期的物理、化学等生物因素的影响以及各生物组织或器官间普遍存在着很多的动态的相互作用，所以生物医用材料需要满足以下要求：①具有优良的组织和物理相容性；②具有优良的化学稳

定性，即医用材料的结构或性质不因生物环境的作用而发生变化，同时医用材料不能引起生物体的排

材料。金属钛医用材料由于其高的强度、韧性以及良好的工艺成型而被广泛用于人工骨、人工关节、齿根材料等。对钛进行表面改性获得的钛基涂层复合材料，既具有足够的强度和韧性，又具有良好的生物相容性，被认为是目前综合金属材料和其它材料各自优点的最有效途径之一。Ｍｉｌｅｌｌａ等旧。采用溶胶一

斥反应；③具有优良的机械性能，即医用材料要有足

收稿日期：２０１１．１２．１３

作者简介：于成（１９８５．），男，学士，助理工程师，主要从事复合材料方面的研究。

。ＦＲＰ／ＣＭ

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万方数据

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凝胶技术，通过在钛酸酯的醇溶液中加入少量水，使酯水解聚合成聚合胶体。在此溶液中浸提试样，干燥并经高温热处理，在钛和钛合金表面制备钛凝胶。如果在二氧化钛溶胶中加入钙盐和磷酸酯，可制得含钙和磷的复合涂层。选用不同的Ｃａ／ＷＴｉ配比，

多次浸提，涂层各成分则呈梯度分布。涂层与基体

间是磷酸钙与钛胶的中介层，钙磷的浓度由外到里逐渐减少，而钛的含量正好相反。在植入人体以后

表现出良好的生物相容性。朱明刚等¨Ｊ同样采用溶

胶．凝胶法，由质量比为２．８６：１的硝酸钙和磷酸三甲脂配制的溶胶液，通过多次涂敷、烧结，在金属钛表面支撑了孔隙率为１２％的ＨＡ生物涂层。层间形成一个Ｔｉ、Ｃａ、Ｐ的成分过渡区，拉伸实验表明，界面结合强度为２８ＭＰａ。

同时，医用钛合金在临床上也得到了广泛应用。

苏向东等Ｈ１对ＮｉＴｉ合金的生物相容性进行的研究

表明，ｐＨ值在酸性、中性及弱碱范围内，０．９％ＮａＣＩ生理液、Ｈａｎｋ’ｓ模拟体液、Ｔｙｒｏｄｅ’ｓ模拟血液的氧化还原电位不同使ＮｉＴｉ合金中Ｎｉ离子释放量呈现出差异，其中Ｔｙｒｏｄｅ’ｓ模拟血液中Ｎｉ离子的释放量较高；ＮｉＴｉ合金Ｎｉ离子释放量的影响表现为随着模拟

体液ｐＨ值的增大而降低，随Ｃｌ一浓度增加而增大；

ＮｉＴｉ合金在生理液中表现出较强的Ｎｉ元素选择性

腐蚀行为，Ｔｉ则腐蚀微弱，点蚀是其主要的腐蚀。

２．２陶瓷基生物医用复合材料

以陶瓷、玻璃作为基体材料的陶瓷基复合材料是一种具有广阔应用前景的医用材料，它是通过将晶片、晶须、颗粒、纤维等不同的增强材料引入陶瓷中而获得的一类复合材料。有文献数据显示人体骨

骼中钙、磷的总含量达到了５８％，因此许多科研人

员就将钙磷陶瓷当做一种骨骼移植材料来开发。早期使用的陶瓷材料在植人生命体内后不能与骨组织

形成键，例如氧化铝陶瓷，到７０年代就出现了一些

具有生物亲和性的活性陶瓷。随着临床应用，生物活性陶瓷作为一种骨骼修复材料逐渐开始应用。但生物陶瓷材料本身同时具有弯曲强度较低、弹性性能较差的特点，因而单靠陶瓷材料不能满足目前医学水平的发展。但将生物活性陶瓷与其它材料进行复合后，就生成了一种同时具备各组分本身性能又增加新性能的陶瓷基生物医用复合材料。

Ｔｏｗｌｅｒ【５１通过运用烧结纳米ＺｒＯ：材料制备了高

万方数据

致密度的ＨＡＰ．ＺｒＯ：生物陶瓷复合材料，为降低烧结温度而使用的纳米ＺｒＯ：，使ＨＡ在高温下不会分

解、ＨＡ相仍为主相。在传统的烧结过程中这种分解经常发生，而且与纯ＨＡ相比，复合材料的强度要

高于前者。黄传勇等【６１运用化学共沉淀法制备了羟

基磷灰石及二氧化锆超细粉，通过优化不同材料的

组合烧结，制备出ＨＡＰ—ＺｒＯ：二元体系的生物陶瓷

复合材料，并通过红外光谱分析、Ｘ线衍射、扫描电镜、透射电镜等测试手段揭示了材料矿物的组成以

及显微结构。二元体系生物陶瓷复合材料ＨＡＰ－

ＺｒＯ：的弯曲强度达到了１２０ＭＰａ，断裂韧性达到

１．７４ＭＰａ ｍｄ履，性能几乎为纯ＨＡ的两倍，接近人体

骨组织。致密人骨的弯曲强度可达１６０ＭＰａ，断裂韧

性为２．２ＭＰａ ｍ。１尼。结果表明，生物陶瓷复合材料在力学性能、化学稳定性及生物相容性方面具有较好表现，生物陶瓷复合材料应用前景广阔。目前国

外已制备了含有ＺｒＯ，的纳米羟基磷灰石复合材料，

材料的强度和韧性等性能可达到甚至超过致密的人体骨骼的相应指标。通过调节ＺｒＯ：与ＨＡＰ之间的含量，使该纳米复合人工骨材料具备优良的生物相

容性。生物陶瓷复合材料的研究已经成为现代医学领域中一个不可或缺的重要组成部分。目前人们刚

刚意识到生物陶瓷复合材料在医学领域的应用前景，这方面的研究也仅停留在试验阶段。因此，对

于生物陶瓷复合材料方面的理论基础研究是崭新的。

２．３高分子基生物医用复合材料

医用高分子材料是高分子基生物复合材料，部分可来自天然产物，也可人工合成。高分子医用材料按其性质可分为生物降解型和非降解型。生物降

解型高分子医用材料主要用于送达载体和药物释放及非永久性植入装置等，可以在生物体环境作用下

发生性能蜕变和结构破坏，并要求其降解产物可被机体吸收或者进行正常的新陈代谢排出体外，包含

胶原、纤维素、线性脂肪族聚酯、聚氨基酸及聚乙烯醇等。非降解型高分子材料主要用于对人体软、硬

组织修复体、人造血管、接触镜、人工器官、粘接剂及

管腔制品等的制造，且要求在生物体环境中能长期

保持稳定，不发生降解、交联及物理磨损等，物理机

械性能良好。虽然绝对稳定的聚合物不存在，但还

是要求材料本身和降解产物不能对机体产生明显毒

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副作用，同时不致发生灾难性破坏，包括聚丙烯、聚乙烯、芳香酸酯、聚甲醛、聚丙烯酸酯、聚硅氧烷等。按使用用途分类，医用高分子材料可分为软组织、心血管系统医用修复材料。其中用于心血管系统的医用高分子材料应着重要求修复材料的抗凝血性好，不破坏血小板和不干扰电解质，不改变血液中的蛋

白、不破坏红细胞等。

医用高分子材料在体内一般不产生异体排斥反应，但是利用单一的高分子作为医用支撑材料，其本身不足的力学性能则成为其发展的软肋。利用高分子材料作为基体相，金属、陶瓷、纤维等作为增强相的高分子基复合材料已成为全球医用材料新的发展

趋势。

研究认为，聚乳酸（ＰＬＡ）是最多的常被用作骨科的材料。属于生物降解可吸收材料，具有很好的生物相容性。赵建华等¨１制备出了一种新型的ＰＤＬ—ＬＡ／ＨＡ／ＤＢＭ复合材料。测试得到该材料孔径

为１００—４００斗ｍ，孔隙率为７１．３％，初始抗压强度为

１．７１ＭＰａ。将其制成人工骨植入兔挠骨大段，发现该种复合材料降解前期能保持良好的空间结构和力学性能，并具有很好的骨传导作用，能有效修复骨缺损。Ｉｇｎｊａｔｏｖｉｃ，Ｎｅｎａｄ，Ｓａｖｉｃ等【８ｏ将羟基聚乳酸与磷灰石复合后，将获得的复合材料移植到Ｂａｌｂ／ｃ

Ｓｉｎ

ｇｅｎ老鼠体中。ｌ周后，对移植样品进行光谱图分

析，于吸收带中形成新的胺及肤；３周后，在３４２０ｃｍ。１处和１６５０ｃｍ一处光谱图的峰表明有新胶原蛋白形成，且ＰＵＡ中的羰基在１７６０ｃｍ叫处吸收

强度降低表明了ＰｕＡ在老鼠体内有吸收发生。

聚甲基丙烯酸甲酯（ＰＭＭＡ）最早应用于上世纪

４０年代，作为一种常用的齿科粘合剂开始出现在非降解型医用高分子材料行列中。由于这种粘合剂的

硬度与粘结力均不够高，不久后就出现了以多官能度甲基丙烯酸酯为基料，无机粉末为填料的复合粘

合剂，性能大大提高，至今仍在齿科修复中广泛应用。随着技术的不断提高，改性聚甲基丙烯酸类高分子材料开始应用于人工脏器的修复和代替，如肝

脏、肾脏、关节、骨连接、角膜、玻璃体等。

３碳纤维复合材料

碳纤维增强高分子复合材料作为生物医学的新

型材料，得到了飞速发展，尤其在内固定材料方面。传统的金属内固定材料由于存在所谓的“应力遮挡

｝ＦＲＰ／ＣＭ

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效应”，使骨骼在愈合过程中出现血运破坏，即使骨骼愈合后也极易出现再骨折和骨质疏松等现象。碳纤维增强高分子复合材料以其优异的力学性能和生物相容性正得到研究者的普遍关注。

ＡＨ【９１等对碳纤维环氧树脂复合材料与钛合金和不锈钢的骨折内固定板进行了对比分析，发现碳纤维环氧树脂复合材料具有高耐疲劳性、低模量和良好的生物相容性。通过体内临床试验，对１３３例

前臂骨折患者应用钛合金和不锈钢板进行固定，其中骨连接错位３％；骨不连５％；松动６％；感染５％；

板断裂３％。而在４０例前臂骨折患者中应用碳纤维环氧树脂固定，原来所有骨折处均呈现良好的骨

连接，在６个月内６７％呈现骨重建，无一板断裂，不良组织反应１２．５％。Ｗｉｌｌｉａｍｓ【ｌＯ］等通过８个月的对

猫股骨使用相同形状的不锈钢板（弹性模量

２１０ＧＰａ）和碳纤维环氧树脂复合材料板（弹性模量

６５ＧＰａ）进行固定对比，发现与不锈钢板连接的股骨

流失了大量矿质，但复合材料板却很少引起骨质疏

松。Ｊｏｃｋｉｓｃｈ［１¨等通过真空灌注工艺制备了短切碳

纤维增强聚醚醚酮（Ｃ／ＰＥＥＫ）的复合材料。这类复合材料的弯曲强度可达到３０７ＭＰａ，约为人骨强度的３倍（８０—１００ＭＰａ），平均应变２．０９，弹性模量为

１７ＧＰａ与人骨（１７—２０ＧＰａ）相当。通过对兔子的肌

肉植入试验，证实纯聚醚醚酮和短切碳纤维增强聚

醚醚酮复合材料（Ｃ／ＰＥＥＫ）在植人体内１２周后，发

生非特异性异物反应。同时通过对猎犬的骨折内固

定试验，证实短切碳纤维增强聚醚醚酮复合材料（Ｃ／ＰＥＥＫ）具有优异的柔韧性，即使在极端的条件下。Ｃ／ＰＥＥＫ也不会发生折断。曾丽平等¨纠研制出

短切碳纤维增强纳米羟基磷灰石（ＨＡ）／聚甲基丙烯

酸甲酯（ＰＭＭＡ）复合材料人工骨板，其材料结构特

点在无机纤维与ＰＭＭＡ复合体表面涂覆了羟基磷

灰石微粉，与单一ＰＭＭＡ相比，提高了复合材料的力学性能，综合性能优于人体颅骨、胫骨，改善了材料的生物活性和生物相容性，力学强度（拉伸强度、压缩强度）测试结果显示，材料力学性能保持基本稳

定，说明该复合材料安全可靠。Ｈａｓｔｉｎｇｓ【１３１制备出

高强度、低模量的碳纤维树脂复合材料，当碳纤维含

量为１２．５％时，其弯曲强度为２００ＭＰａ，弹性模量为

１４ＧＰａ，因此认为这也是一种很好的骨折内固定复

合材料。从上述实验可知，碳纤维增强高分子复合

２０１２年第２期玻璃钢／复合材料

ｕｓｉｎｇｌｌａｎｏ．ｓｉｒｅｄ２２０９－２２１１．

８ｌ

材料具有更高的力学强度、弹性模量和耐疲劳性能，

碳纤维增强高分子复合材料不但可用作一般的非承

ｐａｒｔｉｃｌｅｓ［Ｊ】．Ｍａｔ

Ｓｅｉ

Ｌｅｆｔ，２０００。ｌ（９）：

载骨骼，同时也可用作骨折内固定板或钉。在治疗负载骨骼（如长骨、大皮质骨）的骨折方面，碳纤维增强高分子复合材料是不可替代的，它将成为今后

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Ｎｅｎａｄａ，Ｓａｖｉｅ

ａｓ

ａ

４展望

综上所述，生物医用复合材料具有优异的性能

Ｖｏｊｉｎｂ，Ｎａｊｍａｎｓｔｅｖｏｂ．ＡｓｔｕｄｙｏｆＨＡＰ／

ＰＩ．Ｉ．Ａｃｏｍｐｏｓｉｔｅ

ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｆｏｒｂｏｎｅｐｏｗｄｅｒ．ｕＢｉｎｇＦＴ ＩＲｓｐｅｃ

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ＭＳ，ＦｒｅｎｃｈＴＡ。Ｈａｓｔｉｎｇｓ

Ｊｏｉｎｔ

优势。是单一组分或结构的医用材料所无法比拟的。

将不同性能的组分通过合适的工艺方法进行复合制备，就会得到生物体所要求的一些新型材料。随着碳纤维在航空领域的应用，它的优异性能被

ＱＷ．ｅｌ

ａ１．Ｃａｒｂｏｎｆｄ）ｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅ

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以其优异的力学性能将在医用材料领域得到飞速发展。

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ＴＨＥ

ＤＥＶＥＬｏＰＭＥＮＴ

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ＹＵＣｈｅｎｇ，ＺＨＡＯＷｅｉ—ｓｈｅｎｇ，ＪＩＡＷｅｉ

（ＢｅｉｊｉｎｇＣｏｍｐｏｓｉｔｅＭａｔｅｒｉａｌｓＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０２１０１，Ｃｈｉｎａ）

ｔｏ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｅｈａｓｒａｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｏｄａｙ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ

ｔｈｅｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍａｔｒｉｘｍａ－

ｔｅｒｉａｌ，ｔｈｅｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｏｆｃｅｒａｍｉｃ—ｂａｓｅｄ，ｍｅｔａｌ－ｂａｓｅｄ，ｐｏｌｙｍｅｒ—ｂａｓｅｄｂｉｏｍｅｄｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｐｏｉｎｔｅｄｆｕｔｕｒｅ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｅｒａｍｉｃ ｂａｓｅｄ；ｍｅｔａｌ—ｂａｓｅｄ；ｐｏｌｙｍｅｒ ｂａｓｅｄ；ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ

ｏｕｔ

ｔｈｅｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓｗｏｕｌｄｄｅｖｅｌｏｐｆａｓｔｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｍｅｄｉｃａｌｍａｔｅｒｉａｌｓｉｎｔｈｅ

ＦＲＰ／ＣＭ２０１２．Ｎｏ．２

万方数据

生物医用复合材料的研究进展

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

于成， 赵卫生， 贾伟， YU Cheng， ZHAO Wei-sheng， JIA Wei北京玻钢院复合材料有限公司,北京,102101玻璃钢/复合材料

Fiber Reinforced Plastics/Composites2012(2)

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