生物材料

前言

　　雖然本書命名為《生物材料：生物學(xué)與材料科學(xué)的交叉》，但實(shí)際上這個(gè)領(lǐng)域從多個(gè)不同方面進(jìn)行多學(xué)科交叉，并已發(fā)展了近50年。其中包括材料科學(xué)、生物學(xué)、工程學(xué)，以及臨床醫(yī)學(xué)、商業(yè)和法規(guī)等，具有廣闊的前景。從這一背景來看，生物材料的多學(xué)科性質(zhì)是不可避免的。作為這個(gè)領(lǐng)域的專家，我們面臨著特殊的挑戰(zhàn)，我們必須培養(yǎng)具有較寬知識(shí)面的學(xué)生，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)采用新的生物醫(yī)療器械來處理復(fù)雜問題?！　』谶@種考慮，我們編寫了這本介紹生物材料基本概念及涵蓋與之密切相關(guān)知識(shí)的教材，以適用于在大學(xué)工程類專業(yè)第二年或隨后學(xué)習(xí)過程中的主修課程?；谧x者考慮，本書以基本的化學(xué)和物理知識(shí)為主，不要求高深和更為復(fù)雜的數(shù)學(xué)概念，如不等式或任何細(xì)胞生物學(xué)等生物知識(shí)?！　”緯紫葘ι锊牧项I(lǐng)域進(jìn)行了綜述，然后分章介紹。第1章概述了基本的化學(xué)原理，這些原理的理解需要以第2章物質(zhì)的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)。第3章和第4章提供了更多關(guān)于生物材料主要種類（金屬、陶瓷和聚合物）的物理和力學(xué)方面的性能。全書章節(jié)中，對材料進(jìn)行了分類，每位讀者可以針對材料的不同應(yīng)用選擇合適的知識(shí)去閱讀。第5章和第6章，首先討論了亞單元如何形成生物材料，然后闡述了這些材料的降解及加工處理的參數(shù)對其關(guān)鍵性質(zhì)的影響，如材料的降解性、力學(xué)強(qiáng)度等?！　〉?章和第8章解釋了材料科學(xué)和生物學(xué)的關(guān)系，是本書的知識(shí)中心。這兩章的關(guān)鍵技術(shù)是表面改性及其對蛋白質(zhì)吸附的影響。第9章描述了細(xì)胞與生物材料上吸附蛋白質(zhì)的相互作用。第10章和第11章中討論了特定的細(xì)胞響應(yīng)（急性炎癥和傷口愈合）。第12章介紹了植入材料的生物學(xué)響應(yīng)、免疫響應(yīng)和超敏反應(yīng)。第13章介紹了凝血作用。第14章介紹了感染、腫瘤發(fā)生以及病理學(xué)鈣化?！　∪珪?4章可分成材料科學(xué)和生物學(xué)各7章，保證了兩個(gè)方面的均衡介紹。交叉科學(xué)的精髓，也就是表征方法和存在爭議的問題沒有作為孤立的章節(jié)來介紹，而是貫穿全書。　　21世紀(jì)的生物材料學(xué)將面臨更大的挑戰(zhàn)，需要把更復(fù)雜的生物學(xué)知識(shí)融合到改進(jìn)生物材料的設(shè)計(jì)中。我們相信在這些領(lǐng)域必將進(jìn)行知識(shí)的交叉，希望本書能夠?yàn)樵S多未來的生物材料科學(xué)家奠定一個(gè)有益的基礎(chǔ)。

內(nèi)容概要

本書是一本介紹生物與材料科學(xué)相互關(guān)系的書籍，闡述了生物材料學(xué)和生物學(xué)的基本概念及研究進(jìn)展，并提供了生物材料結(jié)構(gòu)、性能及生物學(xué)響應(yīng)的全面信息。全書共分四部分，14章。第一部分（第1～4章）講述生物醫(yī)用材料的基本知識(shí)及其結(jié)構(gòu)與性能；第二部分（第5、6章）講述生物材料的降解及其加工工藝；第三部分（第7～9章）講述生物材料表面特征，以及與蛋白質(zhì)、細(xì)胞的相互作用{第四部分（第10～14章）講述生物材料作為植入體在應(yīng)用過程中發(fā)生的各種反應(yīng)。    本書可作為材料科學(xué)系、生物工程系以及醫(yī)學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的本科生生物材料課的入門教材，另外，本書第三、四部分可以作為研究生和科研人員進(jìn)行材料及組織工程學(xué)行為研究的參考書。

書籍目錄

譯者的話序前言致謝1.生物醫(yī)用材料  1.1  生物材料概述    1.1.1  重要的基本概念    1.1.2  生物材料學(xué)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀    1.1.3  發(fā)展方向  1.2  對生物材料的生物響應(yīng)  1.3  生物材料制品測試與FDA許可  l.4  生物材料類型    1.4.1  金屬材料    1.4.2  陶瓷材料    1.4.3  高分子材料    1.4.4  天然衍生和人工合成高分子材料  1.5  生物材料的加工  1.6  生物材料的重要性質(zhì)    1.6.1  生物材料的降解特性    1.6.2  生物材料的表面性質(zhì)    1.6.3  生物材料的本體性質(zhì)    1.6.4  表征技術(shù)  1.7  化學(xué)原理    1.7.1  原子結(jié)構(gòu)    1.7.2  原子模型    1.7.3  原子軌道    1.7.4  價(jià)電子與元素周期表    1.7.5  離子鍵    1.7.6  共價(jià)鍵    1.7.7  金屬鍵    1.7.8  次級(jí)鍵  小結(jié)  習(xí)題  參考文獻(xiàn)  推薦閱讀2.生物材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)  2.1  概述：鍵型與生物材料結(jié)構(gòu)  2.2  金屬的結(jié)構(gòu)    2.2.1  晶體結(jié)構(gòu)    2.2.2  晶系    2.2.3  晶體結(jié)構(gòu)缺陷    2.2.4  固相擴(kuò)散  2.3  陶瓷的結(jié)構(gòu)    2.3.1  陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)    2.3.2  陶瓷晶體結(jié)構(gòu)中的缺陷  2.4  聚合物的結(jié)構(gòu)    2.4.1  一般結(jié)構(gòu)    2.4.2  聚合物的合成    2.4.3  共聚物    2.4.4  聚合方法    2.4.5  聚合物的晶體結(jié)構(gòu)和缺陷  2.5  材料表征技術(shù)    2.5.1  X射線衍射    2.5.2  紫外可見光譜（UV-VIS）    2.5.3  紅外光譜（IR）    2.5.4核磁共振光譜    2.5.5  質(zhì)譜    2.5.6  高效液相色譜（HPLC）：體積排阻色譜  小結(jié)  習(xí)題  參考文獻(xiàn)  推薦閱讀3.生物材料的物理性能  3.1  概述：從原子基團(tuán)到本體材料  3.2  結(jié)晶性與線缺陷    3.2.1  位錯(cuò)    3.2.2  形變  3.3  結(jié)晶性與面缺陷    3.3.1  外表面    3.3.2  晶界  3.4  結(jié)晶性與體缺陷  3.5  結(jié)晶性與聚合物材料    3.5.1  聚合物的結(jié)晶度  ……4.生物材料的力學(xué)性能5.生物材料的降解6.生物材料的加工工藝7.生物材料的表面特性8.蛋白質(zhì)與生物材料的相互作用9.細(xì)胞與生物材料的相互作用10.生物材料植入體與急性炎癥11.傷口愈合合生物材料12.生物材料的免疫反應(yīng)13.生物材料和血栓14.生物材料植入體內(nèi)引起的感染、腫瘤、鈣化反應(yīng)索引

章節(jié)摘錄

　　通過體內(nèi)實(shí)驗(yàn)和體外實(shí)驗(yàn)，分析樣品在一定時(shí)間內(nèi)的降解程度，包括樣品損失重量和物理、化學(xué)性質(zhì)的檢測，肉眼可觀察的某些變化，如顏色、裂縫大小等。通常，材料的表面性質(zhì)需要利用光學(xué)顯微鏡或電子顯微鏡進(jìn)一步檢測，表面性質(zhì)的一些檢測技術(shù)將在第7章中介紹?！　∫u(píng)估植入到體內(nèi)的金屬材料的腐蝕，僅僅檢測重量的變化是不夠的，因?yàn)樵诟g的過程中，金屬的重量變化微不足道。因此發(fā)展了多種檢測金屬降解的分析方法（第11章、第12章）。其中一項(xiàng)重要的技術(shù)就是電化學(xué)檢測，根據(jù)測量電流來檢測被測金屬在模擬體液中的電動(dòng)勢改變。這種方法的依據(jù)是金屬腐蝕的氧化一還原反應(yīng)，本質(zhì)是產(chǎn)生電子移動(dòng)（即電流）。根據(jù)數(shù)據(jù)繪圖，以電動(dòng)勢位為y軸，以電流為z軸，所獲得的曲線可以用于評(píng)價(jià)體內(nèi)環(huán)境下金屬的腐蝕速率。小結(jié)　　·一般不希望在生物材料應(yīng)用過程中發(fā)生不可控降餌，該類降解常常會(huì)造成材料結(jié)構(gòu)的破壞和功能的失效。但是，可以根據(jù)需要、降解影響因素設(shè)計(jì)可控降解材料，如控制釋放生物因子?！　　そ饘俳到猓ǜg）是通過氧化一還原反應(yīng)發(fā)生的，其結(jié)果是氧化（陽極）端的金屬緩慢溶解。　　·金屬腐蝕的影響因素很多，能斯特方程和普爾貝圖譜可以預(yù)測金屬在各種條件下的腐蝕活性?！　　そ饘俚募庸?、處理都會(huì)影響其腐蝕，金屬內(nèi)部或兩個(gè)金屬接觸面的細(xì)小裂縫可以導(dǎo)致金屬的裂縫腐蝕，整個(gè)過程中縫隙區(qū)作為陽極；金屬鈍化層表面上的細(xì)微瑕疵可使金屬發(fā)生點(diǎn)腐蝕；當(dāng)晶界表面處于高能狀態(tài)，可以作為陽極發(fā)生晶間腐蝕。　　·力學(xué)環(huán)境也會(huì)影響金屬的腐蝕，彎曲的金屬棒或平板會(huì)使拉伸邊緣作為陽極，而受壓一側(cè)作為陰極，發(fā)生電偶腐蝕；金屬的細(xì)小裂縫在腐蝕環(huán)境中受拉力會(huì)使金屬變脆，發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂；植入體內(nèi)金屬的鈍化層處在重復(fù)彎曲、負(fù)載和運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下，這會(huì)導(dǎo)致疲勞腐蝕；疲勞腐蝕不涉及負(fù)載，但與力學(xué)因素將金屬表面的鈍化層破壞有關(guān)?！　　そ饘偎幍纳飳W(xué)環(huán)境也可以影響其降解速率，如蛋白質(zhì)的存在、細(xì)胞或細(xì)菌等。　　·陶瓷降解主要通過溶解方式，且對應(yīng)力誘導(dǎo)的降解非常敏感；而聚合物典型的降解方式是溶脹／溶解或斷鏈，鏈斷裂降解的機(jī)制是通過水解（由于水的存在）或氧化（由于活性自由基的存在）來實(shí)現(xiàn)的?！　　ど锟山到馓沾梢话阃ㄟ^溶解實(shí)現(xiàn)降解（受到陶瓷中各成分溶解性和介質(zhì)pH的影響），降解過程伴隨著物理解體。陶瓷的降解速率決定于其材料的化學(xué)敏感性、結(jié)晶程度、有效水的量、材料的比表面積，降解還與材料所處的力學(xué)環(huán)境有關(guān)?！　　ぞ酆衔锏拿附馊Q于可供酶剪切的基團(tuán)數(shù)量和酶的有效濃度，聚合物的水解可以通過以下方法來控制：聚合物中活性基團(tuán)、鏈間次級(jí)鍵、有效水量和材料的表面積。　　·當(dāng)水浸人材料內(nèi)部的速率大于材料水解速率時(shí)，會(huì)發(fā)生本體水解；當(dāng)水浸人材料內(nèi)部的速率小于水解速率時(shí)，會(huì)發(fā)生表面水解。

編輯推薦

　　21世紀(jì)的生物材料學(xué)將面臨更大的挑戰(zhàn)，需要把更復(fù)雜的生物學(xué)知識(shí)融合到改進(jìn)生物材料的設(shè)計(jì)中。我們相信在這些領(lǐng)域必將進(jìn)行知識(shí)的交叉，希望《生物材料：生物學(xué)與材料科學(xué)的交叉》能夠?yàn)樵S多未來的生物材料科學(xué)家奠定一個(gè)有益的基礎(chǔ)。

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無

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