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1、会计学1生命生命(shngmng)科学技术选讲科学技术选讲第一页，共113页。本章本章(bn zhn)内容内容仿生学仿生学现代现代(xindi)生生物材料物材料第1页/共113页第二页，共113页。开启新技术开启新技术(jsh)的的钥匙钥匙仿生学第2页/共113页第三页，共113页。目目 录录v前言v信息仿生v控制(kngzh)仿生v拟态仿生力学(l xu)仿生化学仿生整体仿生第3页/共113页第四页，共113页。前前言言(qin yn)一、仿生学简介一、仿生学简介(jin ji)二、仿生学研究二、仿生学研究第4页/共113页第五页，共113页。中国古汉文中国古汉文(hn wn)中的中的仿生思
2、想仿生思想前言(qin yn)一、仿生学简介一、仿生学简介(jin ji)(jin ji)仿生学之起源仿生学之起源第5页/共113页第六页，共113页。凤蓬草凤蓬草 轮子轮子鱼尾鱼尾(y wi)船船橹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 飞机飞机生活生活(shnghu)中中的仿生学的仿生学前言(qin yn)第6页/共113页第七页，共113页。仿生学（仿生学（Bionics）模仿生物系统的原理以建造模仿生物系统的原理以建造(jinzo)技术系统，或者使人造技术系统，或者使人造技术系统具有生物系统特征或类技术系统具有生物系统特征或类似特征的科学。似特征的科学。仿生学的概念
3、仿生学的概念(ginin)前言(qin yn)第7页/共113页第八页，共113页。二二.仿生学研究仿生学研究(ynji)(ynji)仿生学是一门建立在多学科边缘上的综合仿生学是一门建立在多学科边缘上的综合性学科，包括性学科，包括(boku)生理学、神经学、医学、化生理学、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(qin yn)第8页/共113页第九页，共113页。生物体生物体生物生物(shngw)模型模型数学模型数学模型技术技术(jsh)模模型型技术技术(jsh)装置装置仿生学的研究仿生学的研究方法方法前言第9页/共113页第十页，共113页。一、
4、青蛙与电子一、青蛙与电子(dinz)蛙眼蛙眼二、水母与电子二、水母与电子(dinz)耳耳信息信息(xnx)仿生仿生第10页/共113页第十一页，共113页。青蛙青蛙(qngw)与电子蛙眼与电子蛙眼神经节细胞神经节细胞(xbo)有有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”青蛙青蛙青蛙青蛙(qngw)(qngw)的的的的视觉系统视觉系统视觉系统视觉系统信息仿生第11页/共113页第十二页，共113页。青蛙青蛙(qngw)与与电子蛙眼电子蛙眼由透镜（晶状体）在由透镜（晶状体）在视网膜上形成光学图视网膜上形成光学图像后，经过视细
5、胞、像后，经过视细胞、双极细胞、输出双极细胞、输出(shch)细胞（神经细胞（神经节细胞）而送往大脑节细胞）而送往大脑中枢中枢青蛙青蛙青蛙青蛙(qngw)(qngw)的视的视的视的视觉系统觉系统觉系统觉系统信息仿生第12页/共113页第十三页，共113页。“水母耳水母耳”风暴风暴(fngbo)预测仪预测仪水母水母(shu m)耳与电子耳耳与电子耳信息(xnx)仿生第13页/共113页第十四页，共113页。一、蛇的红外探测一、蛇的红外探测(tnc)二、蝙蝠与超声波二、蝙蝠与超声波三、蛾的反雷达技术三、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控制(kngzh)仿生仿生第14页/共11
6、3页第十五页，共113页。蛇蛇田鼠田鼠(tinsh)热血动物热血动物(r xu dn w)身体身体向外散热向外散热蛇通过感受器蛇通过感受器探测探测(tnc)到到热源热源蛇的红外探测蛇的红外探测控制仿生第15页/共113页第十六页，共113页。颊窝颊窝颊窝是一个红外感受器，颊窝是一个红外感受器，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这类蛇能在夜间准确(zhnqu)判断周围恒温判断周围恒温动物的位置。动物的位置。蛇的红外探测蛇的红外探测(tnc)(tnc)控制(kngzh)仿生第16页/共113页第十七页，共113页。飞行中
7、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蝙蝠(bin f)的捕食的捕食蝙蝠蝙蝠(bin f)与超声波与超声波控制(kngzh)仿生第17页/共113页第十八页，共113页。蝙蝠蝙蝠(bin f)的回的回声定位声定位超声信号超声信号(xnho)被反射被反射蝙蝠蝙蝠(bi(bi n f)n f)与超声波与超声波控制仿生第18页/共113页第十九页，共113页。蝙蝠蝙蝠(bin f)与超声波与超声波蝙蝠蝙蝠(bin f)的声的声纳处理纳处理脑脑参考参考(cnko)波刺激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第19页/共113页第二十页，共
8、113页。夜蛾的反雷达夜蛾的反雷达(lid)技术技术反雷达技术反雷达技术(jsh)使夜蛾使夜蛾死里逃生死里逃生控制(kngzh)仿生第20页/共113页第二十一页，共113页。夜蛾的反雷达夜蛾的反雷达(lid)技术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听觉(tngju)系统系统控制(kngzh)仿生第21页/共113页第二十二页，共113页。千里千里(qin l)迁徙迁徙万里洄游万里洄游(huyu)动物的天然动物的天然(tinrn)导航导航控制仿生第22页/共113页第二十
9、三页，共113页。动物动物(dngw)的的天然导航天然导航一些动物利用一些动物利用(lyng)日月星辰导日月星辰导航，也有些动物利用航，也有些动物利用(lyng)海流、海水海流、海水成分、地磁场、重力成分、地磁场、重力场等进行导航，为研场等进行导航，为研制通讯设备和新型导制通讯设备和新型导航仪器提供启迪。航仪器提供启迪。控制(kngzh)仿生第23页/共113页第二十四页，共113页。定义定义(dngy)：生物界中普遍存在着拟：生物界中普遍存在着拟态，现态，现将拟态用于工程技术中去就叫拟态仿生。将拟态用于工程技术中去就叫拟态仿生。拟态拟态(nti)仿生仿生第24页/共113页第二十五页，共11
10、3页。拟态拟态(nti)仿生仿生动物动物(dngw)的拟态的拟态与保护色与保护色拟态(nti)仿生第25页/共113页第二十六页，共113页。拟态拟态(nti)仿仿生生坦克的迷彩坦克的迷彩(mci)着装着装拟态(nti)仿生第26页/共113页第二十七页，共113页。三色迷彩的德国三色迷彩的德国“豹豹”I”I坦克在电视坦克在电视(dinsh)(dinsh)成像下成像下的效果的效果拟态拟态(nti)仿生仿生坦克坦克(t(tnk)nk)的的迷彩着装迷彩着装拟态仿生第27页/共113页第二十八页，共113页。一、生物与造船一、生物与造船二、生物与飞机二、生物与飞机(fij)(fij)三、生物与建筑三
11、、生物与建筑力学力学(l xu)仿生仿生第28页/共113页第二十九页，共113页。生物生物(shngw)与造船与造船模仿鳕鱼、鲇鱼外形建造模仿鳕鱼、鲇鱼外形建造(jinzo)(jinzo)的的“复仇号复仇号”帆船帆船体形体形(txng)的模仿的模仿力学仿生第29页/共113页第三十页，共113页。生物生物(shngw)与造船与造船体形体形(txng)的的模仿模仿力学(l xu)仿生第30页/共113页第三十一页，共113页。生物生物(shngw)与造船与造船体形体形(t(txng)xng)的的模仿模仿俄罗斯海军俄罗斯海军(hijn)新型核潜艇新型核潜艇力学仿生第31页/共113页第三十二页，
12、共113页。生物生物(shngw)与造船与造船模仿模仿(mf(mfng)ng)鲸的胸鳍给船装上了船鲸的胸鳍给船装上了船鳍鳍结构结构(jigu)的的模仿模仿力学仿生第32页/共113页第三十三页，共113页。生物生物(shngw)与与造船造船结构结构(jigu)(jigu)的的模仿模仿模仿模仿(mf(mfng)ng)鱼和鲸体表粘液合成了几鱼和鲸体表粘液合成了几种人工粘液，以减小湍流。种人工粘液，以减小湍流。力学仿生第33页/共113页第三十四页，共113页。生物生物(shngw)与与造船造船结构结构(jigu)(jigu)的的模仿模仿潜水艇在航行潜水艇在航行(hngxng)时会造成时会造成巨大的
13、湍流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第34页/共113页第三十五页，共113页。鹰击长空鹰击长空(yng j chng kng)啸傲啸傲(xio o)云天云天生物生物(shngw)与与飞机飞机力学仿生第35页/共113页第三十六页，共113页。生物(shngw)与飞机达达芬芬奇奇设设计计(shj)的的扑扑翼翼飞飞机机飞鸟飞鸟(fi nio)与飞机与飞机力学仿生第36页/共113页第三十七页，共113页。生物(shngw)与飞机飞鸟飞鸟(f(f i i ninio)o)与飞与飞机机力学(l xu)仿生飞鸟的体形和翅飞鸟的体形和翅膀在滑进飞行时膀在滑进飞行时与飞机
14、的飞行极与飞机的飞行极为相似为相似第37页/共113页第三十八页，共113页。生物(shngw)与飞机昆虫昆虫(k(k nchng)nchng)与飞机与飞机昆昆虫虫(knchng)翅翅膀膀的的运运动动力学仿生昆虫飞行时翅膀的运昆虫飞行时翅膀的运动很复杂，其角度的动很复杂，其角度的变化控制比目前的飞变化控制比目前的飞行自动驾驶仪还好。行自动驾驶仪还好。第38页/共113页第三十九页，共113页。生物(shngw)与飞机昆虫昆虫(k(k nchng)nchng)与与飞机飞机飞机仿造蜻蜓的翅膀飞机仿造蜻蜓的翅膀(chbng)配重防止振颤配重防止振颤力学仿生第39页/共113页第四十页，共113页。薄
15、壳结构薄壳结构(jigu)(jigu)艺艺术术(ysh)珍珍品品澳澳大大利利亚亚悉悉尼尼歌歌剧剧院院生物生物(shngw)与建筑与建筑力学仿生第40页/共113页第四十一页，共113页。东东京京(dn jn)中中银银舱舱体体楼楼生物(shngw)与建筑舱体结构舱体结构(jigu)(jigu)力学仿生第41页/共113页第四十二页，共113页。生物(shngw)与建筑圆顶屋圆顶屋 美美国国(mi u)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(l xu)仿生第42页/共113页第四十三页，共113页。一、人工一、人工(rngng)嗅觉嗅觉二、仿生物膜二、仿生物膜化学化学(huxu)仿
16、生仿生第43页/共113页第四十四页，共113页。狗的嗅觉狗的嗅觉(xiju)(xiju)过程过程狗的嗅觉狗的嗅觉 狗的鼻子狗的鼻子(b zi)里的雾里的雾受一种蛋白质的控制，将气味分受一种蛋白质的控制，将气味分子浓缩后传送给鼻子子浓缩后传送给鼻子(b zi)里的里的气味感受器上的气味辨别蛋白，气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信别后，被辨别出的特定的气味信号，立即被嗅觉细胞传递给大脑，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大脑便知道了所闻到的是一种什么气味。么气味。人工人工(rngng)嗅觉嗅觉化
17、学仿生第44页/共113页第四十五页，共113页。人工嗅觉嗅敏检测仪嗅敏检测仪采集采集(cij)系统系统嗅敏嗅敏元件元件(yunjin)放大放大(fngd)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为主体的金属半导为主体的金属半导体，它是一种表面效应很强的材料。体，它是一种表面效应很强的材料。化学仿生第45页/共113页第四十六页，共113页。细胞膜的结构细胞膜的结构(jigu)(jigu)特点特点仿生物膜仿生物膜蛋白蛋白(dnbi)分子分子磷脂磷脂(ln zh)分子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
18、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)蛋白质镶蛋白质镶 嵌其中；嵌其中；(3)具有动态具有动态 特点。特点。化学仿生第46页/共113页第四十七页，共113页。仿生物膜人工人工(rng(rng ng)ng)膜膜人工膜的特点人工膜的特点 化学组成和厚度与天化学组成和厚度与天然膜相似：能有效地分开两种不同然膜相似：能有效地分开两种不同(b tn)的水相；具有结构和化学两侧不的水相；具有结构和化学两侧不对称性，易于操作，能用来研究膜的对称性，易于操作，能用来研究膜的向量功能（如传递等）。向量功能（如传递等）。化学(huxu)仿生第47页/共113页第四十八页
19、，共113页。自动化机器自动化机器(j q)自动化机器人从月球土壤中提取自动化机器人从月球土壤中提取(tq)气体气体智能智能(zh nn)机机器人器人整体仿生整体仿生第48页/共113页第四十九页，共113页。智能(zh nn)机器人自自然然语语言言语语音音(yyn)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(run jin)（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
20、软件软件硬件硬件整体仿生第49页/共113页第五十页，共113页。智能(zh nn)机器人生物生物(shngw)计计算机算机生物计算机的特点：生物计算机的特点：能制成超高密度的线路能制成超高密度的线路(xinl)。能使生物本身固有的自我修复机能得到能使生物本身固有的自我修复机能得到发挥发挥，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。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，不存在发热问题。热问题。整体仿生第50页/共113页第五十一页，共113页。生物(shngw)材料第
21、51页/共113页第五十二页，共113页。生物生物(shngw)(shngw)材料材料vv前言前言(qin yn)vv天然生物材料天然生物材料vv生物医学材料生物医学材料vv组织工程材料组织工程材料vv仿生和智能材料仿生和智能材料第52页/共113页第五十三页，共113页。生物材料的定义生物材料的定义 根据根据1972年以年以来国际会议来国际会议上所广泛接受的定义，认为：上所广泛接受的定义，认为：与活体与活体(hu t)相联系的材料相联系的材料植入活体植入活体(hu t)内能起某种生内能起某种生物体功能的材料物体功能的材料模仿生物功能的材料模仿生物功能的材料v前言前言(qin yn)(qin
22、yn)第53页/共113页第五十四页，共113页。生物材料学的研究目的(md)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于人体组织器官的修复与替代；发展仿生高性能工程材料。v前言前言(qin yn)(qin yn)第54页/共113页第五十五页，共113页。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 仿生智能仿生智能(zh nn(zh nn)与组织工程材料与组织工程材料 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前言前言(qin yn)第55页/共113页第五十六页，共113页。成分成分成分成分(c(chhng n
23、g ffn)n)丰富丰富(fngf)元素：元素：C、H、O、N较丰富较丰富(fngf)元素：元素：Ca、P、Cl、K等等微量元素：微量元素：Fe、Cu、Zn、Mn、Mg等等v天然生物材料第56页/共113页第五十七页，共113页。原子原子(yunz)、分子间作用力、分子间作用力 强相互作用：离子键、共价键弱相互作用：静电作用、色散(ssn)力、氢键、疏水键天然生物(shngw)材料第57页/共113页第五十八页，共113页。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结构特征天然生物(shngw)材料第58页/共113页第五十九页，共11
24、3页。分分 类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(xinwi)生物矿物生物矿物天然生物(shngw)材料第59页/共113页第六十页，共113页。胶原胶原 丝心蛋白丝心蛋白(dnbi)(dnbi)角蛋白角蛋白(dnbi)(dnbi)弹性蛋白弹性蛋白(dnbi)(dnbi)肌肉收缩蛋白肌肉收缩蛋白(dnbi)(dnbi)成纤维成纤维(xinwi)(xinwi)胶原的形成：多肽胶原的形成：多肽链链 原胶原原胶原 微纤维微纤维(xinwi)(xinwi)胶原纤维胶原纤维结构蛋白结构蛋白天然生物材料第60页/共113页第六十一页，共113页。多糖因其简单多糖
25、因其简单(jindn)的化学合成和的化学合成和极其丰富的资源而在商业上极具价值。极其丰富的资源而在商业上极具价值。纤维素、壳多糖、角叉菜胶、琼脂等纤维素、壳多糖、角叉菜胶、琼脂等可用于建筑、造纸、食物稳定剂、纺可用于建筑、造纸、食物稳定剂、纺织以及染织等。织以及染织等。天然生物(shngw)材料结构结构(jigu)(jigu)多糖多糖第61页/共113页第六十二页，共113页。柔韧的生物复合材料可认为柔韧的生物复合材料可认为(rnwi)(rnwi)是相对刚硬是相对刚硬的纤维或粒子填充在柔软的基质中而形成。的纤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
26、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%5%胶原胶原 6.7%6.7%基质基质 2%2%水水 86%86%在较大的应力下，胶原纤维取向变化，中胶层在在较大的应力下，胶原纤维取向变化，中胶层在应力方向变硬；载荷消失后，中胶层又能弹性地应力方向变硬；载荷消失后，中胶层又能弹性地恢复原形。恢复原形。生物生物(shngw)(shngw)软组软组织织天然(tinrn)生物材料第62页/共113页第六十三页，共113页。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，应力应力(yngl)(yngl)可相互传递。可相互传递。以蝗虫腱为例：原纤维是几丁质，基体是以蝗虫
27、腱为例：原纤维是几丁质，基体是蛋白。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(tinrn)生物材料生物(shngw)复合纤维第63页/共113页第六十四页，共113页。由生命系统参与合成的天然由生命系统参与合成的天然(tinrn)(tinrn)的生物陶瓷和的生物陶瓷和生物高分子复合材料，如骨骼、牙齿、珍珠、贝壳和生物高分子复合材料，如骨骼、牙齿、珍珠、贝壳和鹿角等。鹿角等。天然(tinrn)生物材料生物
28、(shngw)矿物第64页/共113页第六十五页，共113页。贝壳贝壳贝壳贝壳(bik)(bik)(bik)(bik)的结构的结构的结构的结构:珍珍珠珠(zhnzh)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 棱柱棱柱(lngzh)层层 中层，由棱柱中层，由棱柱(lngzh)状方解状方解 石平行排列而成石平行排列而成 珍珠层珍珠层 最内层，由小平板状最内层，由小平板状 结构单元平行累积而结构单元平行累积而 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。天然生物材料第65
29、页/共113页第六十六页，共113页。定义：指用于医疗的能植入生物体或能与生 物组织(zzh)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 体细胞、组织(zzh)等。v生物医学材料(cilio)第66页/共113页第六十七页，共113页。生物医学材料性能的基本生物医学材料性能的基本(jbn)要求要求具有高度精确的生物具有高度精确的生物(shngw)(shngw)学功能或模仿该功能学功能或模仿该功能具有生物具有生物(shngw)(shngw)相容性相容性 无宿主反应：无宿主反应：即生物即生物(shngw)(shngw)材料在生理环境中材料在生理环境中 对机体不对机体不产生明显而有
30、害产生明显而有害 的效应。的效应。无材料反应：无材料反应：即机体对材即机体对材料也不产生明料也不产生明 显而有害显而有害的影响。的影响。生物医学材料(cilio)第67页/共113页第六十八页，共113页。材料方面：材料类型和形态材料方面：材料类型和形态(xngti)(xngti)、表面和组成，、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。影响影响(yngxing)生物相容性的因素生物相容性的因素生物系统方面：动物种类、植入部位、受体生物系统方面：动物种类、植入部位、受体 状况、存留时间状况、存留时间(shjin)(shjin)和使和使用环境等。用环境等。生物医学材料第68页/
31、共113页第六十九页，共113页。生物生物(shngw)医用材料医用材料类型类型生物医用金属生物医用金属材料材料(cilio)生物医用高分生物医用高分子材料子材料(cilio)生物陶瓷生物陶瓷生物医用复合生物医用复合材料材料(cilio)生物衍生材料生物衍生材料(cilio)生物医学材料(cilio)第69页/共113页第七十页，共113页。生物生物(shngw)医医用金属材料用金属材料是一类用作生物医用材料的金属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，和合金，是一类生物惰性材料，是临床应用是临床应用(yngyng)最广泛的最广泛的承力植入材料。承力植入材料。主要用于骨和牙等硬
32、组织修复和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替换，心血管和软组织修复以及人工器官制造中的结构元件。人工器官制造中的结构元件。已用于临床的医学金属材料主要已用于临床的医学金属材料主要有不锈钢、基合金、钛基合金和有不锈钢、基合金、钛基合金和多孔金属四大类。多孔金属四大类。生物医学材料(cilio)第70页/共113页第七十一页，共113页。骨水泥骨水泥(shun)(shun)型金属关节，其中：型金属关节，其中：4.4.金属柄；金属柄；4a.4a.金属宽臼杯金属宽臼杯植入口腔的叶片植入口腔的叶片(ypin)(ypin)状状带孔金属植入体带孔金属植入体生物医学材料(cilio)第
33、71页/共113页第七十二页，共113页。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，可来自材料，可来自(li z)(li z)人工合成，也可来自人工合成，也可来自(li z)(li z)天然天然 产物。产物。按性质可分为非降解型和可生物降解型。按性质可分为非降解型和可生物降解型。生物生物(shngw)医用医用高分子材料高分子材料生物医学材料(cilio)第72页/共113页第七十三页，共113页。生物生物(shngw)医用高分子材料的分医用高分子材料的分类类生物医学材料(cilio)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
34、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第73页/共113页第七十四页，共113页。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(gji)可生物降解可生物降解(shn
35、w jin ji)的聚合物载体的聚合物载体生物医学材料(cilio)第74页/共113页第七十五页，共113页。l是作为生物医学材料的陶瓷，通常是作为生物医学材料的陶瓷，通常(tngchng)(tngchng)由在生理环由在生理环境中存境中存 l 在的离子（在的离子（CaCa、P P、K K、NaNa等）或对人体只有极小毒等）或对人体只有极小毒l 性的离子（性的离子（AlAl、TiTi等）所构成。等）所构成。生物陶生物陶瓷瓷l包括包括:近惰性生物陶瓷：氧化铝、氧化锆生物陶瓷等。近惰性生物陶瓷：氧化铝、氧化锆生物陶瓷等。l 表面活性生物陶瓷：羟基磷石灰表面活性生物陶瓷：羟基磷石灰(shhu)(s
36、hhu)生物活性陶瓷、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：石膏、磷酸三钙陶瓷等。可吸收生物陶瓷：石膏、磷酸三钙陶瓷等。l主要主要(zhyo)(zhyo)用于肌肉用于肌肉-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，也可用于心血l 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。生物医学材料第75页/共113页第七十六页，共113页。用生物陶瓷制成的插入式软骨(rung)生物医学材料(cilio)第76页/共113页第七十七页，共113页。l由两种或两种以上不同材料复合而成的生物医由两种或两种以上不同材料复合而成的生物医学
37、材料。如医用高分子材料、医用金属和合金以及生学材料。如医用高分子材料、医用金属和合金以及生物陶瓷既可作为生物医用复合材料的基材，又可作为物陶瓷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。其增强体或填料。l主要用于修复主要用于修复(xif)(xif)或替换人体组织、器官或增进或替换人体组织、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。生物生物(shngw)(shngw)医用医用复合材料复合材料生物医学材料(cilio)第77页/共113页第七十八页，共113页。l 由经过特殊处理的天然生物组织形成由经过特殊处理的天然生物组织形成(xngchng)(xngchng)的
38、生的生物医物医 l 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。l 特殊处理包括：特殊处理包括：l A 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 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生物(shngw)衍生材料衍生材料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、l 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l 体、血液体、血液(xuy)(xuy)唧筒、血浆增强剂和血液唧筒、血浆增强剂和血液(xuy)(xuy)透析膜
39、等。透析膜等。生物医学材料第78页/共113页第七十九页，共113页。人人工工(r r n ng g n ng g)心心瓣瓣膜膜生物医学材料(cilio)第79页/共113页第八十页，共113页。材料材料(cilio)(cilio)在生物体内的反应在生物体内的反应 （材料（材料(cilio)(cilio)反应）反应）膨胀浸析膨胀浸析膨胀浸析膨胀浸析腐蚀和降解腐蚀和降解腐蚀和降解腐蚀和降解生物生物生物生物(shngw)(shngw)(shngw)(shngw)分子与材料表分子与材料表分子与材料表分子与材料表面的反应面的反应面的反应面的反应生物医学材料(cilio)第80页/共113页第八十一页，
40、共113页。膨胀膨胀(png(png zhng)zhng)浸析浸析膨胀膨胀 物质从组织进入物质从组织进入(jnr)(jnr)材料，材料，使完全致使完全致 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 液体进入液体进入(jnr)(jnr)材料内部或材材料内部或材料的某些料的某些 成分溶解在组织液相中，使材成分溶解在组织液相中，使材料料 产生孔隙的过程。产生孔隙的过程。生物医学材料(cilio)第81页/共113页第八十二页，共113页。有害吸收有害吸收有害吸收有害吸收(xshu)(xshu)(xshu)(xshu)例子例子例子例子变形的心脏瓣变形的心脏瓣变形的心脏瓣变形的心脏瓣膜阀膜
41、阀膜阀膜阀约束约束(yush)框架框架球芯球芯环性阀座环性阀座缝纫缝纫(fngrn)环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。生物医学材料第82页/共113页第八十三页，共113页。腐蚀腐蚀(fsh)(fsh)是生物医用金属材料在机体内的重要反应，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。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
42、型型腐蚀腐蚀(fsh)(fsh)和降解和降解生物医学材料(cilio)第83页/共113页第八十四页，共113页。植入物的组成植入物的组成(z chn)成分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(fsh)的的因因素素降解是聚合物在生物体内的重要降解是聚合物在生物体内的重要(zhngyo)反应，包括：反应，包括：聚合物吸水后的自然水解。聚合物吸水后的自然水解。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
43、第84页/共113页第八十五页，共113页。反应反应(fnyng)机理：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生物(shngw)(shngw)分子与材料表面的反分子与材料表面的反应应生物医学材料(cilio)第85页/共113页第八十六页，共113页。宿宿 主主 反反 应应l l宿主反应的定义宿主反应的定义宿主反应的定义宿主反应的定义l l 生物医学材料植入生物体内，会引起生物医学材料植入生物体内，会引起生物医学材料植入生物体内，会引起生物医学材料植入生物体内，会引起(ynq)(ynq)(ynq)(
44、ynq)活体系统活体系统活体系统活体系统l l 对材料的反应，包括植入材料附近的局部组对材料的反应，包括植入材料附近的局部组对材料的反应，包括植入材料附近的局部组对材料的反应，包括植入材料附近的局部组织织织织l l 反应及整个活体全身的反应反应及整个活体全身的反应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 宿主宿主(szh)(szh)反应的类型反应的类型 局部反应；全身反应局部反应；全身反应l 重要的宿主重要的宿主(szh)(szh)反应反应l 植入材料的致癌作用植入材料的致癌作用生物医学材料第86页/共113页第八十七页，共113页。生物医学材料生物医学材料(cilio)的应用的应用
45、合成高分子可吸收性缝线合成高分子可吸收性缝线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子聚这种缝线由对人体无害的可被生物降解的高分子聚这种缝线由对人体无害的可被生物降解的高分子聚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。合材料制成。合材料制成。合材料制成。聚合释放药物体系聚合释放药物体系聚合释放药物体系聚合释放药物体系 1 1 1 1、生物可侵蚀体系。、生物可侵蚀体系。、生物可侵蚀体系。、生物可侵蚀体系。2 2 2 2、扩散、扩散、扩散、扩散/生物可侵蚀体系。生物可侵蚀体系。生物可侵蚀体系。生物可侵蚀体系。3 3 3 3、生物降解聚合物
46、由共价键与药物活性因子、生物降解聚合物由共价键与药物活性因子、生物降解聚合物由共价键与药物活性因子、生物降解聚合物由共价键与药物活性因子(ynz)(ynz)(ynz)(ynz)结合，经水解作用而被释放。结合，经水解作用而被释放。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(cilio)第87页/共113页第八十八页，共113页。所谓人工器官所谓人工器官(qgun)(qgun)是用以暂时或永久代是用以暂时或永久代替人体某个器官替人体某个器官(qgun)(qgun)功能的人工装置。功能的人工装置。如人工血管、人工肺、人工肾、人工心脏等。如人工血管、人工肺、人工肾、人工心脏等。人
47、工人工(rng(rngng)ng)器器官官生物医学材料(cilio)第88页/共113页第八十九页，共113页。由各种原因导致血管破裂或被切除一段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；人工血管就后，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两断端，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。使血液循环得以恢复。人工血管的发展：人工血管的发展：象牙象牙(xingy)(xingy)管管 玻璃管、金属管玻璃管、金属管 合成纤维管合成纤维管人工人工(rngng)(rngng)血管血管生物医学材料(cilio)第89页/共113页第九十页，共113页。人工
48、血管(xugun)的放大剖面图生物医学材料(cilio)第90页/共113页第九十一页，共113页。各种人工各种人工(rngng)血管纤维编织法血管纤维编织法编带编带编织编织(binzh)平织平织生物医学材料(cilio)第91页/共113页第九十二页，共113页。腹主动脉狭窄手术(shush)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(cilio)第92页/共113页第九十三页，共113页。左腿股动脉左腿股动脉左腿股动脉左腿股动脉(dngmi)(dngmi)(dngmi)(dngmi)破破破破裂修补术裂修补术裂修补术
49、裂修补术人工人工(rngng)血管血管生物医学材料(cilio)第93页/共113页第九十四页，共113页。v组织组织(zzh)工程材料工程材料组织工程学组织工程学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工程学和生命科学原理和方法来了解正常工程学和生命科学原理和方法来了解正常工程学和生命科学原理和方法来了解正常和和和和病理的哺乳类组织的结构病理的哺乳类组织的结构病理的哺乳类组织的结构病理的哺乳类组织的结构(jigu)(jigu)(jigu)(jigu)功能关功能关功能关功能关系，以
50、及研系，以及研系，以及研系，以及研制生物代用品以恢复、维持或改善其功能制生物代用品以恢复、维持或改善其功能制生物代用品以恢复、维持或改善其功能制生物代用品以恢复、维持或改善其功能的的的的一门学科。一门学科。一门学科。一门学科。组织工程材料组织工程材料(cilio)(cilio)组织工程材料组织工程材料(cilio)(cilio)就是应用于组织工程的活体或人就是应用于组织工程的活体或人造材料造材料(cilio)(cilio)。第94页/共113页第九十五页，共113页。组织工程(gngchng)基本过程细胞 组织 器官 组织(zzh)工程材料第95页/共113页第九十六页，共113页。研究用于直