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1、生命科学纵横生命科学纵横理学院理学院 生命科学与生物工程研究院生命科学与生物工程研究院 生命科学技生命科学技术选讲本章内容本章内容仿生学仿生学现代生物材料现代生物材料开启新技术的钥匙开启新技术的钥匙仿生学目目 录录v前言v信息仿生v控制仿生v拟态仿生v力学仿生v化学仿生v整体仿生前言前言一、仿生学简介一、仿生学简介二、仿生学研究二、仿生学研究中国古汉文中的仿生思想中国古汉文中的仿生思想前言一、仿生学简介一、仿生学简介 仿生学之起源仿生学之起源凤蓬草凤蓬草 轮子轮子鱼尾鱼尾 船橹船橹人眼晶状体人眼晶状体 透镜透镜生物电生物电 电池电池鸟鸟 飞机飞机生活中的仿生学生活中的仿生学前言仿生学仿生学（B
2、ionics）模仿生物系统的原理以建造技术系模仿生物系统的原理以建造技术系统，或者使人造技术系统具有生物系统统，或者使人造技术系统具有生物系统特征或类似特征的科学特征或类似特征的科学。仿生学的概念仿生学的概念前言仿生学仿生学是一门建立在多学科边缘上的综合是一门建立在多学科边缘上的综合性学科，包括生理学、神经学、医学、化性学科，包括生理学、神经学、医学、化学、数学、电子学、信息学等学科。学、数学、电子学、信息学等学科。前言生物体生物体生物模型生物模型数学模型数学模型技术模型技术模型技术装置技术装置仿生学的研究方法仿生学的研究方法前言一、青蛙与电子蛙眼一、青蛙与电子蛙眼二、水母与电子耳二、水母与电
3、子耳信息仿生信息仿生青蛙与电子蛙眼青蛙与电子蛙眼神经节细胞有神经节细胞有4种：种：“边缘侦察器边缘侦察器”“昆虫侦察器昆虫侦察器”“事件侦察器事件侦察器”“光强减弱感受器光强减弱感受器”青蛙的视觉系统信息仿生青蛙与电子蛙眼青蛙与电子蛙眼由透镜（晶状体）由透镜（晶状体）在视网膜上形成光在视网膜上形成光学图像后，经过视学图像后，经过视细胞、双极细胞、细胞、双极细胞、输出细胞（神经节输出细胞（神经节细胞）而送往大脑细胞）而送往大脑中枢中枢青蛙的视觉系统信息仿生“水母耳水母耳”风暴预测仪风暴预测仪水母耳与电子耳水母耳与电子耳信息仿生一、蛇的红外探测一、蛇的红外探测二、蝙蝠与超声波二、蝙蝠与超声波三、蛾
4、的反雷达技术三、蛾的反雷达技术四、动物的天然导航四、动物的天然导航控制仿生控制仿生蛇蛇田鼠田鼠热血动物身体热血动物身体向外散热向外散热蛇通过感受器蛇通过感受器探测到热源探测到热源蛇的红外探测蛇的红外探测控制仿生颊窝颊窝颊窝颊窝是一个红外感受器，是一个红外感受器，对周围温度变化极为敏感，对周围温度变化极为敏感，能感受能感受0.001的温度变化。的温度变化。这类蛇能在夜间准确判断这类蛇能在夜间准确判断周围恒温动物的位置。周围恒温动物的位置。蛇的红外探测蛇的红外探测控制仿生飞行中的蝙蝠飞行中的蝙蝠超声波超声波声音反射波声音反射波蛾蛾蝙蝠的捕食蝙蝠的捕食蝙蝠与超声波蝙蝠与超声波控制仿生蝙蝠的回声定位蝙
5、蝠的回声定位超声信号被反射超声信号被反射蝙蝠与超声波蝙蝠与超声波控制仿生蝙蝠与超声波蝙蝠与超声波蝙蝠的声纳处理蝙蝠的声纳处理脑脑参考波刺激参考波刺激接受器接受器载有信息载有信息的超声波的超声波发出的发出的超声波超声波控制仿生夜蛾的反雷达技术夜蛾的反雷达技术反雷达技术使夜蛾死里逃生反雷达技术使夜蛾死里逃生控制仿生夜蛾的反雷达技术夜蛾的反雷达技术鼓膜器鼓膜器鼓膜器鼓膜器 振动器振动器胸神经节胸神经节神经纤维神经纤维 气囊气囊听觉听觉细胞细胞感受器感受器鼓膜鼓膜角质皱折角质皱折非听觉非听觉细胞细胞听觉系统听觉系统控制仿生千里迁徙千里迁徙万里洄游万里洄游动物的天然导航动物的天然导航控制仿生动物的天然导
6、航动物的天然导航一些动物利用日月星一些动物利用日月星辰导航，也有些动物辰导航，也有些动物利用海流、海水成分、利用海流、海水成分、地磁场、重力场等进地磁场、重力场等进行导航，为研制通讯行导航，为研制通讯设备和新型导航仪器设备和新型导航仪器提供启迪。提供启迪。控制仿生定义：定义：生物界中普遍存在着拟态，现生物界中普遍存在着拟态，现将拟态用于工程技术中去就叫将拟态用于工程技术中去就叫拟态仿生拟态仿生。拟态仿生拟态仿生拟态仿生拟态仿生动物的拟态与保护色动物的拟态与保护色拟态仿生拟态仿生拟态仿生坦克的迷彩着装坦克的迷彩着装拟态仿生三色迷彩的德国三色迷彩的德国“豹豹”I I坦克在电视成像下的效果坦克在电视
7、成像下的效果拟态仿生拟态仿生坦克的迷彩着装坦克的迷彩着装拟态仿生一、生物与造船一、生物与造船二、生物与飞机二、生物与飞机三、生物与建筑三、生物与建筑力学仿生力学仿生生物与造船生物与造船模仿鳕鱼、鲇鱼外形建造的模仿鳕鱼、鲇鱼外形建造的“复仇号复仇号”帆船帆船体形的模仿体形的模仿力学仿生生物与造船生物与造船体形的模仿体形的模仿力学仿生生物与造船生物与造船体形的模仿体形的模仿俄罗斯海军新型核潜艇俄罗斯海军新型核潜艇力学仿生 生物与造船生物与造船模仿鲸的胸鳍给船装上了船鳍模仿鲸的胸鳍给船装上了船鳍结构的模仿结构的模仿力学仿生生物与造船生物与造船结构的模仿结构的模仿模仿鱼和鲸体表粘液合成了几种人工模仿鱼
8、和鲸体表粘液合成了几种人工粘液，以减小湍流。粘液，以减小湍流。力学仿生生物与造船生物与造船结构的模仿结构的模仿潜水艇在航行时会潜水艇在航行时会造成巨大的湍流造成巨大的湍流海豚游泳时身边海豚游泳时身边的水流很小的水流很小力学仿生鹰击长空鹰击长空啸傲云天啸傲云天生物与飞机力学仿生生物与飞机达达芬芬奇奇设设计计的的扑扑翼翼飞飞机机飞鸟与飞机飞鸟与飞机力学仿生生物与飞机飞鸟与飞机飞鸟与飞机力学仿生飞鸟的体形和飞鸟的体形和翅膀在滑进飞翅膀在滑进飞行时与飞机的行时与飞机的飞行极为相似飞行极为相似生物与飞机昆虫与飞机昆虫与飞机昆昆虫虫翅翅膀膀的的运运动动力学仿生昆虫飞行时翅膀的昆虫飞行时翅膀的运动很复杂，其
9、角运动很复杂，其角度的变化控制比目度的变化控制比目前的飞行自动驾驶前的飞行自动驾驶仪还好。仪还好。生物与飞机昆虫与飞机昆虫与飞机飞机仿造蜻蜓的翅膀配重防止振颤飞机仿造蜻蜓的翅膀配重防止振颤力学仿生薄壳结构薄壳结构艺艺术术珍珍品品澳澳大大利利亚亚悉悉尼尼歌歌剧剧院院生物与建筑力学仿生东东京京中中银银舱舱体体楼楼生物与建筑舱体结构舱体结构力学仿生生物与建筑圆顶屋圆顶屋 美美国国佛佛罗罗里里达达的的 未未来来世世界界博博物物馆馆力学仿生一、人工嗅觉一、人工嗅觉二、仿生物膜二、仿生物膜化学仿生化学仿生狗的嗅觉过程狗的嗅觉过程狗的嗅觉狗的嗅觉 狗的鼻子里的雾受一种蛋白质狗的鼻子里的雾受一种蛋白质的控制，
10、将气味分子浓缩后传送给鼻子里的气的控制，将气味分子浓缩后传送给鼻子里的气味感受器上的气味辨别蛋白，当气味辨别蛋白味感受器上的气味辨别蛋白，当气味辨别蛋白将不同的气味辨别后，被辨别出的特定的气味将不同的气味辨别后，被辨别出的特定的气味信号，立即被嗅觉细胞传递给大脑，大脑便知信号，立即被嗅觉细胞传递给大脑，大脑便知道了所闻到的是一种什么气味。道了所闻到的是一种什么气味。人工嗅觉化学仿生人工嗅觉嗅敏检测仪嗅敏检测仪采集采集系统系统嗅敏嗅敏元件元件放大放大系统系统报警系统报警系统报警系统报警系统电源电源嗅敏电阻嗅敏电阻是一类以是一类以SnO2为主体的金属半为主体的金属半导体，它是一种表面效应很强的材料
11、。导体，它是一种表面效应很强的材料。化学仿生细胞膜的结构特点细胞膜的结构特点仿生物膜蛋白分子蛋白分子磷脂分子磷脂分子镶嵌蛋白镶嵌蛋白跨膜蛋白跨膜蛋白(形成通道形成通道)跨膜蛋白跨膜蛋白细胞膜的流细胞膜的流动镶嵌模型：动镶嵌模型：(1)脂双层脂双层形形 成框架；成框架；(2)蛋白质蛋白质镶镶 嵌其中；嵌其中；(3)具有动具有动态态 特点。特点。化学仿生仿生物膜人工膜人工膜人工膜的特点人工膜的特点 化学组成和厚度与天然化学组成和厚度与天然膜相似：能有效地分开两种不同的水相；具膜相似：能有效地分开两种不同的水相；具有结构和化学两侧不对称性，易于操作，能有结构和化学两侧不对称性，易于操作，能用来研究膜
12、的向量功能（如传递等）。用来研究膜的向量功能（如传递等）。化学仿生自动化机器自动化机器自动化机器人从月球土壤中提取气体自动化机器人从月球土壤中提取气体智能机器人整体仿生整体仿生智能机器人自自然然语语言言语语音音图图形形图图像像信信息息知识库知识库管理软件管理软件求解问题求解问题推理软件推理软件智能智能接口软件接口软件内内核核软软件件（智智能能操操作作系系统统、编编译译系系统统等等）并并行行处处理理体体系系结结构构知识库知识库硬件硬件推理机推理机硬件硬件智能接智能接口硬件口硬件智能计算机组成智能计算机组成人机接口人机接口软件软件硬件硬件整体仿生智能机器人生物计算机生物计算机生物计算机的特点：生物
13、计算机的特点：v能制成超高密度的线路。能制成超高密度的线路。v能使生物本身固有的自我修复机能得到发挥能使生物本身固有的自我修复机能得到发挥，即使芯片中出了故障本身也能修复即使芯片中出了故障本身也能修复，从而使它，从而使它 成为一种具有永久性的不出故障元件。成为一种具有永久性的不出故障元件。v只要用少量的能量就能工作只要用少量的能量就能工作，不存在发热问题。，不存在发热问题。整体仿生生物材料生物材料v前言前言v天然生物材料天然生物材料v生物医学材料生物医学材料v组织工程材料组织工程材料v仿生和智能材料仿生和智能材料生物材料的定生物材料的定义 根据根据1972年以来国际会议年以来国际会议上所广泛接
14、受的定义，认为：上所广泛接受的定义，认为：l与活体相联系的材料与活体相联系的材料l植入活体内能起某种生物体功能的材料植入活体内能起某种生物体功能的材料l模仿生物功能的材料模仿生物功能的材料v前言生物材料学的研究目的生物材料学的研究目的 在分析天然生物材料微装配、生物功能及在分析天然生物材料微装配、生物功能及形成机制的基础上，发展新型医用材料以用形成机制的基础上，发展新型医用材料以用于人体组织器官的修复与替代；发展仿生高于人体组织器官的修复与替代；发展仿生高性能工程材料。性能工程材料。v前言生物材料研究内容生物材料研究内容 天然生物材料天然生物材料生物医学材料生物医学材料 仿生智能与组织工程材料
15、仿生智能与组织工程材料 医学医学工程学工程学生生物物学学材材料料科科学学v前言成分成分丰富元素：丰富元素：C、H、O、N较丰富元素：较丰富元素：Ca、P、Cl、K等等微量元素：微量元素：Fe、Cu、Zn、Mn、Mg等等v天然生物材料原子、分子间作用力 强相互作用：强相互作用：离子键、共价键离子键、共价键弱相互作用：弱相互作用：静电作用、色散力、氢键、静电作用、色散力、氢键、疏水键疏水键天然生物材料天然生物材料天然生物材料水水 核苷酸核苷酸 氨基酸氨基酸 糖类糖类 生物矿物生物矿物装装配配结构特征天然生物材料分 类结构蛋白结构蛋白结构多糖结构多糖生物软组织生物软组织生物复合纤维生物复合纤维生物矿
16、物生物矿物天然生物材料胶原胶原 丝心蛋白丝心蛋白角蛋白角蛋白弹性蛋白弹性蛋白肌肉收缩蛋白肌肉收缩蛋白 成纤维胶原的形成：多肽链成纤维胶原的形成：多肽链 原胶原原胶原 微纤维微纤维 胶原纤维胶原纤维结构蛋白天然生物材料 多糖多糖因其简单的化学合成和极其丰富的资因其简单的化学合成和极其丰富的资源而在商业上极具价值。纤维素、壳多糖、源而在商业上极具价值。纤维素、壳多糖、角叉菜胶、琼脂等可用于建筑、造纸、食物角叉菜胶、琼脂等可用于建筑、造纸、食物稳定剂、纺织以及染织等。稳定剂、纺织以及染织等。天然生物材料结构多糖柔韧的生物复合材料柔韧的生物复合材料可认为是相对刚硬的纤可认为是相对刚硬的纤维或粒子填充在
17、柔软的基质中而形成。维或粒子填充在柔软的基质中而形成。以海葵的骨架为例：以海葵的骨架为例：加州海岸老年海葵中胶层的组成为：加州海岸老年海葵中胶层的组成为：盐盐 5%胶原胶原 6.7%基质基质 2%水水 86%在较大的应力下，胶原纤维取向变化，中胶层在应在较大的应力下，胶原纤维取向变化，中胶层在应力方向变硬；载荷消失后，中胶层又能弹性地恢复力方向变硬；载荷消失后，中胶层又能弹性地恢复原形。原形。生物软组织天然生物材料可承受弯曲和压缩载荷的多组纤维组成，可承受弯曲和压缩载荷的多组纤维组成，应力可相互传递。应力可相互传递。以蝗虫腱为例：原纤维是几丁质，基体是以蝗虫腱为例：原纤维是几丁质，基体是蛋白。
18、蛋白。几丁质是以很强的氢键结合的；蛋白块体几丁质是以很强的氢键结合的；蛋白块体是球状的，它们形成基体并分布在纤维之是球状的，它们形成基体并分布在纤维之间，与其牢牢键合，从而增加了基体的刚间，与其牢牢键合，从而增加了基体的刚度。度。天然生物材料生物复合纤维由生命系统参与合成的天然的生物陶瓷和生物由生命系统参与合成的天然的生物陶瓷和生物高分子复合材料，如骨骼、牙齿、珍珠、贝壳高分子复合材料，如骨骼、牙齿、珍珠、贝壳和鹿角等。和鹿角等。天然生物材料生物矿物贝壳的结构:珍珍珠珠层层横横短短面面角质层角质层棱质层棱质层 角质层角质层 最外层，很薄，由壳最外层，很薄，由壳 质蛋白构成质蛋白构成 棱柱层棱柱
19、层 中层，由棱柱状方解中层，由棱柱状方解 石石平行排列而成平行排列而成 珍珠层珍珠层 最内层，由小平板状最内层，由小平板状 结结构单元平行累积而构单元平行累积而 成，其中无机相占成，其中无机相占 95%，有机基质是一有机基质是一 些蛋白质和多糖。些蛋白质和多糖。天然生物材料定义：指用于医疗的能植入生物体或能与生指用于医疗的能植入生物体或能与生 物组织相接合的天然或人造材料，如物组织相接合的天然或人造材料，如 金属、陶瓷、高分子、人工培养的活金属、陶瓷、高分子、人工培养的活 体细胞、组织等。体细胞、组织等。v生物医学材料生物医学材料性能的基本要求具有高度精确的生物学功能或模仿该功能具有高度精确的
20、生物学功能或模仿该功能具有生物相容性具有生物相容性 无宿主反应：无宿主反应：即生物材料在生理环境中即生物材料在生理环境中 对机体不产生明显而有害对机体不产生明显而有害 的效应。的效应。无材料反应：无材料反应：即机体对材料也不产生明即机体对材料也不产生明 显而有害的影响。显而有害的影响。生物医学材料材料方面：材料方面：材料类型和形态、表面和组成，材料类型和形态、表面和组成，物理、物理、化学及力学性质等。化学及力学性质等。影响生物相容性的因素生物系统方面：生物系统方面：动物种类、植入部位、受体动物种类、植入部位、受体 状况、存留时间和使用环境等。状况、存留时间和使用环境等。生物医学材料生物医用材料
21、类型生物医用金属材料生物医用金属材料生物医用高分子材料生物医用高分子材料生物陶瓷生物陶瓷生物医用复合材料生物医用复合材料生物衍生材料生物衍生材料生物医学材料生物医用金属材料是一类用作生物医用材料的金属和合金，是是一类用作生物医用材料的金属和合金，是一类生物惰性材料，是临床应用最广泛的承一类生物惰性材料，是临床应用最广泛的承力植入材料。力植入材料。主要用于骨和牙等硬组织修复和替换，心血主要用于骨和牙等硬组织修复和替换，心血管和软组织修复以及人工器官制造中的结构管和软组织修复以及人工器官制造中的结构元件。元件。已用于临床的医学金属材料主要有已用于临床的医学金属材料主要有不锈钢不锈钢、基合金基合金、
22、钛基合金钛基合金和和多孔金属多孔金属四大类。四大类。生物医学材料骨水泥型金属关节，其中：骨水泥型金属关节，其中：4.金属柄；金属柄；4a.金属宽臼杯金属宽臼杯植入口腔的叶片状植入口腔的叶片状带孔金属植入体带孔金属植入体生物医学材料 是用作生物医学材料的高分子及其复合是用作生物医学材料的高分子及其复合 材料，可来自人工合成，也可来自天然材料，可来自人工合成，也可来自天然 产物。产物。按性质可分为按性质可分为非降解型非降解型和和可生物降解型。可生物降解型。生物医用高分子材料生物医学材料生物医用高分子材料的分类生物医学材料胶原、纤维素、聚氨基酸、胶原、纤维素、聚氨基酸、甲壳素等甲壳素等可生物降解型可
23、生物降解型非降解型非降解型包括包括要求要求用途用途聚乙烯、聚丙烯、芳聚乙烯、聚丙烯、芳香酸脂、聚硅氧烷等香酸脂、聚硅氧烷等能长期保持稳定，不能长期保持稳定，不发生降解，具有良好发生降解，具有良好的机械性能的机械性能降解产物能被机体正常吸降解产物能被机体正常吸收、利用或排出体外收、利用或排出体外人体软、硬组织修复人体软、硬组织修复体体,人工器官粘合剂，人工器官粘合剂，管腔等的制造管腔等的制造药物释放、送达载体、非永药物释放、送达载体、非永久性植入装置久性植入装置高分子聚合物做成高分子聚合物做成的鼻状骨架的鼻状骨架可生物降解的聚合物载体可生物降解的聚合物载体生物医学材料l是是作为生物医学材料的陶瓷
24、，通常由在生理环境中存作为生物医学材料的陶瓷，通常由在生理环境中存 在的离子（在的离子（Ca、P、K、Na等）或对人体只有极小毒等）或对人体只有极小毒 性的离子（性的离子（Al、Ti等）所构成。等）所构成。生物陶瓷l包括包括:近惰性生物陶瓷：近惰性生物陶瓷：氧化铝、氧化锆生物陶瓷等。氧化铝、氧化锆生物陶瓷等。表面活性生物陶瓷：表面活性生物陶瓷：羟基磷石灰生物活性陶瓷、羟基磷石灰生物活性陶瓷、生物活性玻璃陶瓷等。生物活性玻璃陶瓷等。可吸收生物陶瓷：可吸收生物陶瓷：石膏、磷酸三钙陶瓷等。石膏、磷酸三钙陶瓷等。l主要用于肌肉主要用于肌肉-骨骼系统的修复和替换，也可用于心血骨骼系统的修复和替换，也可用
25、于心血 管系统的修复和制作药物释放与传递载体。管系统的修复和制作药物释放与传递载体。生物医学材料用生物陶瓷制成的插入式软骨生物医学材料l由两种或两种以上不同材料复合而成的生物由两种或两种以上不同材料复合而成的生物医学材料。如医学材料。如医用高分子材料医用高分子材料、医用金属医用金属和和合合金金以及以及生物陶瓷生物陶瓷既可作为生物医用复合材料的既可作为生物医用复合材料的基材，又可作为其增强体或填料。基材，又可作为其增强体或填料。l主要用于修复或替换人体组织、器官或增进主要用于修复或替换人体组织、器官或增进其功能以及人工器官的制造。其功能以及人工器官的制造。生物医用复合材料生物医学材料l 由经过由
26、经过特殊处理特殊处理的天然生物组织形成的生物医的天然生物组织形成的生物医 学材料，这是一种无生命活力的材料。学材料，这是一种无生命活力的材料。特殊处理包括特殊处理包括：A、维持组织原有构型的轻微处理维持组织原有构型的轻微处理 B、拆散原有构型，重建新的物理形态的强烈处理拆散原有构型，重建新的物理形态的强烈处理生物衍生材料l主要用做人工心瓣膜、血管修复体、皮肤掩膜、主要用做人工心瓣膜、血管修复体、皮肤掩膜、纤维蛋白制品、骨修复体、巩膜修复体、鼻种植纤维蛋白制品、骨修复体、巩膜修复体、鼻种植 体、血液唧筒、血浆增强剂和血液透析膜等。体、血液唧筒、血浆增强剂和血液透析膜等。生物医学材料人 工 心 瓣
27、 膜生物医学材料材料在生物体内的反应 （材料反应）膨胀浸析膨胀浸析腐蚀和降解腐蚀和降解生物分子与材料表面的反应生物分子与材料表面的反应生物医学材料膨胀浸析膨胀膨胀 物质从组织进入材料，使完全致物质从组织进入材料，使完全致 密的材料体积增大的过程。密的材料体积增大的过程。浸析浸析 液体进入材料内部或材料的某些液体进入材料内部或材料的某些 成分溶解在组织液相中，使材料成分溶解在组织液相中，使材料 产生孔隙的过程。产生孔隙的过程。生物医学材料有害吸收例子变形的心脏瓣膜阀约束框架约束框架球芯球芯环性阀座环性阀座缝纫环缝纫环阀阀式式心心脏脏瓣瓣膜膜简简图图因球芯吸收了某些材料而发生了膨胀，使阀球脱出或塞
28、入框架中。因球芯吸收了某些材料而发生了膨胀，使阀球脱出或塞入框架中。生物医学材料腐蚀腐蚀是生物医用金属材料在机体内的重要反是生物医用金属材料在机体内的重要反应，它实质上是一种电子迁移的电化学反应。应，它实质上是一种电子迁移的电化学反应。均匀腐蚀均匀腐蚀电蚀电蚀缝隙腐蚀缝隙腐蚀点蚀点蚀晶间腐蚀晶间腐蚀浸析腐蚀浸析腐蚀冲蚀冲蚀应力和疲劳腐蚀应力和疲劳腐蚀腐腐蚀蚀的的类类型型腐蚀和降解生物医学材料植入物的组成成分植入物的组成成分制造因素制造因素运送和植入过程中的操作运送和植入过程中的操作解剖学位置解剖学位置植入区的化学变化植入区的化学变化磨损条件的改变磨损条件的改变影影响响腐腐蚀蚀的的因因素素降解降
29、解是聚合物在生物体内的重要反应，包括：是聚合物在生物体内的重要反应，包括：l聚合物吸水后的自然水解。聚合物吸水后的自然水解。l组织分泌的以酶和自由基为主的物质对其进行的组织分泌的以酶和自由基为主的物质对其进行的 生物降解。生物降解。生物医学材料反应机理：反应机理：A.变性变性B.有机金属化合物的形成有机金属化合物的形成C.界面发生分子粘附界面发生分子粘附D.带电界面的影响带电界面的影响生物分子与材料表面的反应生物医学材料宿 主 反 应l宿主反应的宿主反应的定义定义 生物医学材料植入生物体内，会引起活体系统生物医学材料植入生物体内，会引起活体系统 对材料的反应，包括植入材料附近的局部组织对材料的
30、反应，包括植入材料附近的局部组织 反应及整个活体全身的反应反应及整个活体全身的反应l 宿主反应的宿主反应的类型类型 局部反应；全身反应局部反应；全身反应l 重要的宿主反应重要的宿主反应 植入材料的致癌作用植入材料的致癌作用生物医学材料生物医学材料的应用合成高分子可吸收性缝线合成高分子可吸收性缝线 这种缝线由对人体无害的可被生物降解的高分这种缝线由对人体无害的可被生物降解的高分子聚合材料制成。子聚合材料制成。聚合释放药物体系聚合释放药物体系 1 1、生物可侵蚀体系。、生物可侵蚀体系。2 2、扩散、扩散/生物可侵蚀体系。生物可侵蚀体系。3 3、生物降解聚合物由共价键与药物活性因子、生物降解聚合物由
31、共价键与药物活性因子 结合，经水解作用而被释放。结合，经水解作用而被释放。生物医学材料所谓人工器官是用以暂时或永久代替人体所谓人工器官是用以暂时或永久代替人体某个器官功能的人工装置。如人工血管、某个器官功能的人工装置。如人工血管、人工肺、人工肾、人工心脏等。人工肺、人工肾、人工心脏等。人工器官生物医学材料由各种原因导致血管破裂或被切除一由各种原因导致血管破裂或被切除一段后，血液循环通路被破坏；人工血段后，血液循环通路被破坏；人工血管就是一根特制的管子可连接血管的管就是一根特制的管子可连接血管的两断端，使血液循环得以恢复。两断端，使血液循环得以恢复。人工血管的发展：人工血管的发展：象牙管象牙管
32、玻璃管、金属管玻璃管、金属管 合成纤维管合成纤维管人工血管生物医学材料人工血管的放大剖面图生物医学材料各种人工血管纤维编织法编带编带编织编织平织平织生物医学材料腹主动脉狭窄手术示意腹腔静脉腹腔静脉肠系膜上动脉肠系膜上动脉肾动脉肾动脉肠系膜下动脉肠系膜下动脉 人人造造人人工工血血管管生物医学材料左腿股动脉破裂修补术人工血管人工血管生物医学材料v组织工程材料组织工程学组织工程学 组织工程学是一门涉及应用组织工程学是一门涉及应用工程学和生命科学原理和方法来了解正常和工程学和生命科学原理和方法来了解正常和病理的哺乳类组织的结构功能关系，以及研病理的哺乳类组织的结构功能关系，以及研制生物代用品以恢复、维
33、持或改善其功能的制生物代用品以恢复、维持或改善其功能的一门学科。一门学科。组织工程材料组织工程材料 组织工程材料就是应用于组组织工程材料就是应用于组织工程的活体或人造材料。织工程的活体或人造材料。组织工程基本过程细胞 组织 器官 组织工程材料 研究用于直接移植或制造体外器官的干研究用于直接移植或制造体外器官的干 细胞培养。细胞培养。体外生成所需的细胞品系、细胞衬里和体外生成所需的细胞品系、细胞衬里和 器官。器官。研制用于细胞或器官包裹的生物相容性研制用于细胞或器官包裹的生物相容性 材料。材料。组织工程材料研究内容组织工程材料用于包裹细胞的胶囊这种胶囊主要由带孔的塑料薄膜组成，其这种胶囊主要由带
34、孔的塑料薄膜组成，其中含有可分泌特定药物或蛋白质的细胞。中含有可分泌特定药物或蛋白质的细胞。特点：特点：可使特定物质能集中到达特定位点可使特定物质能集中到达特定位点可以避免免疫排斥所带来的问题可以避免免疫排斥所带来的问题易损坏，不易取放易损坏，不易取放组织工程材料植入型植入型 这种方法指直接把包裹胶囊植入患者这种方法指直接把包裹胶囊植入患者身体内的选择部位，之后，胶囊中的细胞身体内的选择部位，之后，胶囊中的细胞产生分泌物发生效用，而周围的组织则为产生分泌物发生效用，而周围的组织则为胶囊中的细胞提供营养物质。胶囊中的细胞提供营养物质。包裹胶囊的分类体外型体外型 这种方法是抽出患者的血液并使其通这
35、种方法是抽出患者的血液并使其通过体外含有营养或纯化物质的胶囊，从而过体外含有营养或纯化物质的胶囊，从而完成对血液成分的改变。完成对血液成分的改变。组织工程材料组织工程材料含有大田鼠细胞的胶囊含有大田鼠细胞的胶囊埋入人体脊柱中，埋入人体脊柱中，1717周周后，胶囊内的细胞仍在后，胶囊内的细胞仍在分泌用于治疗的大田鼠分泌用于治疗的大田鼠蛋白质，并且胶囊没有蛋白质，并且胶囊没有损坏。损坏。含含1 1千千5 5千个细胞千个细胞含含1 1百万百万 10 10 亿个细胞亿个细胞含多于含多于10 10 亿个细胞亿个细胞三种不同容量的胶囊组织工程材料v仿生和智能材料 仿生材料仿生材料 仿制天然生物材料或具有生
36、物功能，甚至仿制天然生物材料或具有生物功能，甚至是真正有生物活性的材料。是真正有生物活性的材料。l仿珍珠层材料仿珍珠层材料l人工酶人工酶l人工生物膜人工生物膜信息转换膜信息转换膜能量转换膜能量转换膜运输膜运输膜智能材料智能材料智能材料是指模仿生物系统中同时具有感知是指模仿生物系统中同时具有感知和驱动双重功能的材料，又称机敏材料。和驱动双重功能的材料，又称机敏材料。感知感知、反馈反馈和和响应响应是智能材料的三大要素。是智能材料的三大要素。仿生和智能材料 主动智能材料：主动智能材料：材料本身具有选择性、材料本身具有选择性、变形性、自恢复、开变形性、自恢复、开 关性等功能。关性等功能。被动智能材料：
37、被动智能材料：材料本身不具备感知材料本身不具备感知、驱动等功能，需外驱动等功能，需外 加一反馈系统才能实加一反馈系统才能实 现这些功能。现这些功能。智能材料分类仿生和智能材料如：变色玻璃、形状记忆合金、如：变色玻璃、形状记忆合金、增韧氧化锆陶瓷、增韧氧化锆陶瓷、正温度系数热敏陶瓷、正温度系数热敏陶瓷、陶瓷变阻器陶瓷变阻器 合成弹性多肽等。合成弹性多肽等。智能材料有哪些？仿生和智能材料能自诊断断裂的飞机机翼能自诊断断裂的飞机机翼控制湍流和噪声的机械蒙皮控制湍流和噪声的机械蒙皮人工肌肉和皮肤人工肌肉和皮肤定向投药等定向投药等正在研究的智能材料和系统仿生和智能材料课程到此全部结束！期末考试说明开卷！考试日期和地点：12月12号，周一下午2:10分 九教中101教室请提前20分钟来教室，要 签到，并交平时作业。允许带的资料：电脑（但是不允许上网）书籍（不要太多，2-3本足可）不允许带的资料：任何写了字的纸张或本子考试题型填空题名词解释简答题论述题科学过程题生物学与社会题课题论述题谢谢大家的参与！关于生物问题欢迎和我交流讨论！