內容簡介
本書主要闡述生物材料學的基本內容及原理，包括天然生物材料的組成單元（生物大分子、生物礦物），人體的基本組織和器官，細胞與材料作用的過程，各類生物醫用材料，醫用材料的生物相容性，以及生物材料檢測與評價等。
本書的特點是涉及的面很廣，可供材料科學、生物醫學工程、化學、醫學、環境科學等相關專業的本科學生選作教材，或供科技人員以及高等院校相關專業的師生參考。
本書是普通高等教育“十一五”國家級規劃教材。
前言
本書是“普通高等教育‘十一五’國家級規劃教材”之一。
材料科學被稱為三大科學支柱之一，也是人類技術進步的標誌。而生物材料學又是近年來諸多材料學中脫穎而出的一個燦爛奇葩，開闢了一個嶄新的學科領域。
利用受生物啟發的合成路徑和源於自然的仿生原理設計形貌、結構可控的功能材料，研究其所具有的獨特性能，已成為生命、化學、材料和物理等學科中一個活躍的前沿領域。生物材料學研究的主要目的是在分析天然生物材料自組裝、生物功能及形成機制基礎上，發展新型醫用材料以用於人體組織器官的修復與替代，並且發展仿生高性能工程材料。生物材料學涉及生物材料的組成結構、性能與製備相互關係和規律，其研究開發正以空前的規模飛速發展。之所以如此，原因在於其強大的推動力，一是挽救成千上萬人最寶貴的生命，二是大大提高人的生活質量。從這個意義上來說，生物材料是直接造福於人類生命和健康的一門科學。
生物材料學的內容豐富多彩，所涉及的學科也繁多廣闊。學科相互滲透、交叉、融合已是現代科學發展的一個重要特點，也是科學技術蓬勃發展的生命力之所在。生物材料學已成為生命科學和材料科學的交叉前沿科學。生物材料學與化學、生物、醫學、藥學、物理、納米技術以及其他學科還有密切的關係。生物材料是多個新興的研究方向的基礎，如組織工程、再生醫學、藥物緩釋、生物感測器和人工器官等。
實際使用的生物醫用材料種類繁多。一種新型生物醫用材料從需求到開發、製造和植入的過程，要涉及諸多學科如材料科學、醫學、力學、生物學、生物工程學、管理科學等。因此，生物材料專家應對設計生物材料的基本原理有很好的掌握和理解。這不但包括傳統的材料科學的理論與實踐，還包括材料被植入人體後所發生的複雜相互作用的機制和成功經驗。因此，本書旨在為具有工程學科背景的讀者補充涉及生物材料的生物學基礎知識，同時為具有生物醫學學科背景的讀者補充涉及生物材料的材料學基礎知識。在此基礎上，介紹生物材料學特有的學科知識。
生物材料學已經形成自己獨特的研究對象、研究方法和學科體系。這些是任何其他學科都不能包容的。本書主要闡述生物材料學的基本內容及原理。重點為材料科學專業人員補充生物學基礎知識，包括天然生物材料的組成單元（生物大分子、生物礦物）、人體的基本組織和器官、細胞與材料作用的過程等，具備上述生物學基礎知識才可能設計、製備新一代生物相容材料。本書對生物材料學科主要內容，如生物過程形成的分級結構、自組裝和生物礦化原理，細胞與材料的相互作用，材料的生物相容性機制，生物醫用材料的設計，組織修復癒合原理等，都做了較詳盡的論述，各章節除了有學術上的內涵聯繫外，還有重要的實用價值。本書在總結大量國內外本領域研究現狀的同時，也介紹了作者所在的研究組近年來在生物材料方面的研究成果。本書的特點是涉及的面比較廣，可供材料科學、生物醫學工程、化學、醫學等相關專業的本科生和研究生選作教材或供科技人員以及高等院校相關專業的師生參考。
生物材料概論作為一門新興學科，相關教材還比較少，本書願意為生物材料領域的師生提供一個選擇。本書不僅可作為生物材料專業的研究生和大學本科高年級學生的教學用書，亦可作為從事該領域研究者的參考書。廣大讀者啟迪智慧靈感，開闊視野知識，激發求知慾望，探索創新精神，推動生物材料學科的發展，從而造福於人類的健康。著書若能如此，作者堪以欣慰。
本書引用了幾百篇參考文獻。相當一部分文獻還來不及與各位作者聯繫，特別是國外學者、期刊和出版社，本書已經在各章中清楚標註。在此，作者亦向他們表示深深的感謝。在全書的編寫過程中，譚榮偉、高永華、牛旭鋒、黃智、王明波參加了本書的文獻收集、圖表製作以及文字校對等大量工作，在此表示衷心的感謝。
本書是作者在多年本科生和研究生教學以及科研實踐基礎上的積累，願意與生物材料領域的同行共享，也敬請同行專家和本書的讀者批評指正。
作 者2009年9月材料科學與工程系列
目錄
目 錄第1章 緒論1
1.1 生物材料的定義1
1.2 生物材料的發展歷程1
1.3 生物材料學的學科特點4
1.4 生物材料中水的作用5
1.4.1 水的溶解性質5
1.4.2 疏水效應7
1.4.3 親水效應8
1.4.4 表面浸潤效應9
1.4.5 水和生物對於材料的反應11
1.5 生物材料相關學科12
1.5.1 組織工程與再生醫學12
1.5.2 生物材料與人工器官14
1.6 生物材料的套用現狀14
參考文獻17
第2章 生物大分子20
2.1 概述20
2.2 蛋白質的成分和結構 21
2.2.1 蛋白質的成分21
2.2.2 蛋白質的結構23
2.3 幾種蛋白質26
2.3.1 膠原26
2.3.2 絲素蛋白29
2.3.3 彈性蛋白33
2.4 多糖34
2.4.1 纖維素及其衍生物34
2.4.2 幾丁質35
2.4.3 卡拉膠 36
2.4.4 海藻酸鈉37
2.4.5 氨基聚糖與蛋白聚糖39
2.5 糖蛋白42
參考文獻43
生物材料概論目 錄第3章 生物礦化作用及生物礦化機制47
3.1 生物礦化概述47
3.2 天然生物礦物的種類49
3.2.1 碳酸鈣50
3.2.2 磷酸鈣58
3.3 幾種天然生物礦物61
3.3.1 貝殼61
3.3.2 珍珠71
3.3.3 魚耳石74
3.3.4 鴕鳥蛋殼76
3.3.5 骨77
3.3.6 牙83
3.4 異常生物礦化84
3.4.1 泌尿繫結石84
3.4.2 心血管系統異常鈣化85
3.4.3 牙的病理礦化88
3.5 生物礦化的基本原理和過程89
3.6 有機基質在礦物形核及生長中的作用90
參考文獻93
第4章 組織和器官99
4.1 組織99
4.1.1 組織的構成99
4.1.2 基本組織102
4.1.3 結締組織--骨104
4.2 器官113
4.2.1 器官的構成113
4.2.2 器官中的細胞再生115
4.2.3 器官中的細胞通訊116
4.2.4 器官的病理學116
4.2.5 肝臟器官117
參考文獻118
第5章 細胞與材料的相互作用120
5.1 蛋白質在生物材料表面的吸附120
5.1.1 與吸附相關的蛋白質的結構和性能121
5.1.2 材料表面性質對蛋白質吸附的影響122
5.1.3 蛋白質吸附過程123
5.1.4 蛋白質吸附研究方法124
5.1.5 蛋白質吸附的Vroman效應124
5.1.6 蛋白質脫附126
5.2 細胞與材料的相互作用126
5.2.1 細胞表面與粘附分子127
5.2.2 細胞與材料的界面反應128
5.2.3 細胞遷移132
5.2.4 細胞繁殖134
5.2.5 生長因子135
參考文獻140
第6章 生物醫用材料143
6.1 金屬143
6.1.1 金屬植入物的製備過程143
6.1.2 金屬植入物的微觀結構與性質146
6.2 聚合物155
6.2.1 均聚物155
6.2.2 共聚物158
6.3 智慧型高分子159
6.3.1 溶液中的智慧型高分子161
6.3.2 溶液中的智慧型高分子-蛋白質結合物162
6.3.3 材料表面上的智慧型高分子163
6.3.4 與蛋白質特定位點生物配對的智慧型高分子材料164
6.3.5 智慧型高分子凝膠165
6.3.6 對生物刺激敏感的智慧型凝膠167
6.4 水凝膠167
6.4.1 水凝膠的分類與基本結構168
6.4.2 一些重要生物醫用和藥用水凝膠的性質170
6.5 生物可吸收與生物可侵蝕材料171
6.5.1 種類171
6.5.2 目前可用的可降解聚合物172
6.5.3 可降解材料的儲存、消毒和包裝177
6.6 陶瓷、玻璃、玻璃-陶瓷177
6.6.1 陶瓷材料-生物組織界面177
6.6.2 可吸收磷酸鈣180
6.7 醫用纖維和紡織品181
6.7.1 生物醫用纖維182
6.7.2 電紡絲方法製備生物醫用纖維184
6.7.3 其他方法製備生物纖維187
6.7.4 織物的檢測和評價189
6.7.5 纖維和織物的套用189
6.8 複合材料192
6.8.1 增強材料193
6.8.2 基體材料194
參考文獻196
第7章 生物醫用材料表面性質與改性200
7.1 材料表面性能200
7.1.1 表面的基本概念200
7.1.2 表面不規則性201
7.1.3 表面多孔性202
7.1.4 表面參數202
7.2 材料表面分析技術203
7.2.1 表面分析技術概述204
7.2.2 接觸角測定205
7.2.3 電子能譜化學分析206
7.2.4 二次離子質譜分析（SIMS) 208
7.2.5 掃描電子顯微鏡211
7.2.6 紅外光譜學212
7.2.7 掃描隧道顯微學、原子力顯微學和掃描探針顯微學213
7.2.8 表面分析新方法217
7.3 生物醫用材料表面改性219
7.3.1 生物醫用材料表面改性的基本原理222
7.3.2 生物材料表面改性方法223
7.3.3 材料表面的電漿處理226
7.4 常用生物材料表面改性方法227
7.4.1 仿生法化學改性227
7.4.2 矽烷化231
7.4.3 離子注入232
7.4.4 Langmuir-Blodgett(LB)膜沉積233
7.4.5 自組裝單層膜（SAM) 233
7.4.6 表面改性添加劑（SMA) 235
7.4.7 鈍化處理236
7.4.8 帕利靈（聚對二甲苯）塗層236
7.4.9 雷射塗覆237
7.5 材料表面固定生物分子237
7.5.1 表面修飾圖案238
7.5.2 固定化生物分子及套用238
7.5.3 固定細胞配位體240
7.5.4 材料表面固定分子的方法240
參考文獻245
第8章 材料的生物相容性248
8.1 概述248
8.2 生物相容性概念和分類249
8.2.1 血液相容性250
8.2.2 組織相容性257
8.3 材料反應263
8.3.1 膨脹與浸析264
8.3.2 腐蝕與溶解266
8.3.3 蛋白質吸附與生物相容性270
8.4 宿主反應272
8.4.1 免疫反應273
8.4.2 全身反應280
參考文獻284
第9章 生物材料的檢測與評價288
9.1 概述288
9.2 生物相容性的評價指標和方法289
9.2.1 生物安全性原則289
9.2.2 生物功能性原則291
9.3 生物相容性的體外評估292
9.3.1 基本概念292
9.3.2 細胞培養方法293
9.3.3 細胞和組織分析技術297
9.3.4 臨床套用301
9.3.5 新的研究方向301
9.4 生物相容性的體內評價301
9.4.1 體內評價的必要性301
9.4.2 移植場所303
9.4.3 結締組織--骨和骨骼肌軟組織304
9.4.4 結締組織--皮下組織305
9.4.5 肌肉305
9.4.6 上皮組織305
9.4.7 神經306
9.4.8 外科手術方案和植入物的選擇306
9.4.9 組織反應的控制307
9.4.10 組織反應的評價307
9.4.11 組織學與組織化學308
9.4.12 免疫組織化學309
9.4.13 透射電子顯微術310
9.4.14 掃描電子顯微術311
9.4.15 生物化學311
9.4.16 機械性能測試311
9.4.17 組織反應可接受性的評價標準312
9.5 血液-材料相互作用的測試312
9.5.1 凝血過程與凝血途徑312
9.5.2 血栓形成315
9.5.3 血液-材料相互作用評價317
9.5.4 裝置的體內實驗評價319
參考文獻321
第10章 材料在生物環境中的降解325
10.1 概述325
10.2 聚合物材料在生物環境中的降解325
10.2.1 影響聚合物降解的因素325
10.2.2 聚合物在生物環境中降解機理的探討330
10.3 金屬材料在生物環境中的降解337
10.3.1 金屬材料在生物環境中的腐蝕339
10.4 陶瓷材料在生物環境中的降解344
參考文獻345
第11章 組織工程348
11.1 組織工程概述348
11.2 骨組織工程351
11.3 肝組織工程360
11.3.1 肝組織工程支架材料361
11.3.2 肝組織工程的種子細胞362
11.3.3 生長和分化因子363
11.4 組織工程在其他方面的臨床實踐364
11.4.1 皮膚364
11.4.2 角膜366
11.4.3 神經系統366
11.4.4 胰腺367
11.4.5 血管368
11.4.6 心臟瓣膜369
參考文獻370
第12章 仿生製備生物材料373
12.1 仿生製備的基本原理374
12.1.1 成分和結構仿生374
12.1.2 過程和加工仿生374
12.1.3 功能和性能仿生375
12.2 生物礦化材料的自組裝分級結構375
12.2.1 珍珠的自組裝分級結構376
12.2.2 斑馬魚脊椎骨的自組裝分級結構376
12.2.3 象牙的自組裝分級結構378
12.2.4 人牙釉的自組裝分級結構379
12.2.5 魚耳石的自組裝分級結構380
12.3 合成碳酸鈣晶體的晶型及形貌控制383
12.3.1 Mg離子作為添加劑384
12.3.2 有機小分子作為添加劑385
12.3.3 生物大分子作為添加劑386
12.3.4 貝殼中提取蛋白質的體外模擬礦化388
12.3.5 耳石中提取蛋白質的體外模擬礦化391
12.4 微印法（micro-printing）實現結晶位點控制398
12.5 採用過程仿生方法製備磷酸鈣塗層399
參考文獻400
第6章 生物醫用材料143
6.1 金屬143
6.1.1 金屬植入物的製備過程143
6.1.2 金屬植入物的微觀結構與性質146
6.2 聚合物156
6.2.1 均聚物156
6.2.2 共聚物158
6.3 智慧型高分子159
6.3.1 溶液中的智慧型高分子161
6.3.2 溶液中的智慧型高分子-蛋白質結合物163
6.3.3 材料表面上的智慧型高分子164
6.3.4 與蛋白質特定位點生物配對的智慧型高分子材料164
6.3.5 智慧型高分子凝膠166
6.3.6 對生物刺激敏感的智慧型凝膠167
6.4 水凝膠168
6.4.1 水凝膠的分類與基本結構168
6.4.2 一些重要生物醫用和藥用水凝膠的性質171
6.5 生物可吸收與生物可侵蝕材料171
6.5.1 種類172
6.5.2 目前可用的可降解聚合物173
6.5.3 可降解材料的儲存、消毒和包裝178
6.6 陶瓷、玻璃、玻璃-陶瓷178
6.6.1 陶瓷材料-生物組織界面178
6.6.2 可吸收磷酸鈣181
6.7 醫用纖維和紡織品182
6.7.1 生物醫用纖維183
6.7.2 電紡絲方法製備生物醫用纖維185
6.7.3 其他方法製備生物纖維188
6.7.4 織物的檢測和評價190
6.7.5 纖維和織物的套用190
6.8 複合材料193
6.8.1 增強材料194
6.8.2 基體材料195
參考文獻197
第7章 生物醫用材料表面性質與改性201
7.1 材料表面性能201
7.1.1 表面的基本概念201
7.1.2 表面不規則性202
7.1.3 表面多孔性203
7.1.4 表面參數203
7.2 材料表面分析技術204
7.2.1 表面分析技術概述205
7.2.2 接觸角測定206
7.2.3 電子能譜化學分析207
7.2.4 二次離子質譜分析（SIMS) 209
7.2.5 掃描電子顯微鏡212
7.2.6 紅外光譜學213
7.2.7 掃描隧道顯微學、原子力顯微學和掃描探針顯微學214
7.2.8 表面分析新方法218
7.3 生物醫用材料表面改性220
7.3.1 生物醫用材料表面改性的基本原理223
7.3.2 生物材料表面改性方法224
7.3.3 材料表面的電漿處理227
7.4 常用生物材料表面改性方法228
7.4.1 仿生法化學改性228
7.4.2 矽烷化232
7.4.3 離子注入233
7.4.4 Langmuir-Blodgett(LB)膜沉積234
7.4.5 自組裝單層膜（SAM) 234
7.4.6 表面改性添加劑（SMA) 236
7.4.7 鈍化處理237
7.4.8 帕利靈（聚對二甲苯）塗層237
7.4.9 雷射塗敷238
7.5 材料表面固定生物分子238
7.5.1 表面修飾圖案239
7.5.2 固定化生物分子及套用239
7.5.3 固定細胞配位體241
7.5.4 材料表面固定分子的方法241
參考文獻246
第8章 材料的生物相容性249
8.1 概述249
8.2 生物相容性概念和分類250
8.2.1 血液相容性251
8.2.2 組織相容性258
8.3 材料反應264
8.3.1 膨脹與浸析265
8.3.2 腐蝕與溶解267
8.3.3 蛋白質吸附與生物相容性271
8.4 宿主反應273
8.4.1 免疫反應274
8.4.2 全身反應281
參考文獻285
第9章 生物材料的檢測與評價289
9.1 概述289
9.2 生物相容性的評價指標和方法290
9.2.1 生物安全性原則290
9.2.2 生物功能性原則292
9.3 生物相容性的體外評估293
9.3.1 基本概念293
9.3.2 細胞培養方法294
9.3.3 細胞和組織分析技術298
9.3.4 臨床套用302
9.3.5 新的研究方向302
9.4 生物相容性的體內評價302
9.4.1 體內評價的必要性302
9.4.2 移植場所304
9.4.3 結締組織--骨和骨骼肌軟組織305
9.4.4 結締組織--皮下組織306
9.4.5 肌肉306
9.4.6 上皮組織306
9.4.7 神經307
9.4.8 外科手術方案和植入物的選擇307
9.4.9 組織反應的控制308
9.4.10 組織反應的評價308
9.4.11 組織學與組織化學309
9.4.12 免疫組織化學310
9.4.13 透射電子顯微術311
9.4.14 掃描電子顯微術312
9.4.15 生物化學312
9.4.16 機械性能測試312
9.4.17 組織反應可接受性的評價標準313
9.5 血液-材料相互作用的測試313
9.5.1 凝血過程與凝血途徑313
9.5.2 血栓形成316
9.5.3 血液-材料相互作用評價318
9.5.4 裝置的體內實驗評價320
參考文獻322
第10章 材料在生物環境中的降解326
10.1 概述326
10.2 聚合物材料在生物環境中的降解326
10.2.1 影響聚合物降解的因素326
10.2.2 聚合物在生物環境中降解機理的探討331
10.3 金屬材料在生物環境中的降解338
10.3.1 金屬材料在生物環境中的腐蝕340
10.4 陶瓷材料在生物環境中的降解345
參考文獻346
第11章 組織工程349
11.1 組織工程概述349
11.2 骨組織工程352
11.3 肝組織工程361
11.3.1 肝組織工程支架材料362
11.3.2 肝組織工程的種子細胞363
11.3.3 生長和分化因子364
11.4 組織工程在其他方面的臨床實踐365
11.4.1 皮膚365
11.4.2 角膜367
11.4.3 神經系統367
11.4.4 胰腺368
11.4.5 血管369
11.4.6 心臟瓣膜370
參考文獻371
第12章 仿生製備生物材料374
12.1 仿生製備的基本原理375
12.1.1 成分和結構仿生375
12.1.2 過程和加工仿生375
12.1.3 功能和性能仿生376
12.2 生物礦化材料的自組裝分級結構376
12.2.1 珍珠的自組裝分級結構377
12.2.2 斑馬魚脊椎骨的自組裝分級結構377
12.2.3 象牙的自組裝分級結構379
12.2.4 人牙釉的自組裝分級結構380
12.2.5 魚耳石的自組裝分級結構381
12.3 合成碳酸鈣晶體的晶型及形貌控制384
12.3.1 Mg離子作為添加劑385
12.3.2 有機小分子作為添加劑386
12.3.3 生物大分子作為添加劑387
12.3.4 貝殼中提取蛋白質的體外模擬礦化389
12.3.5 耳石中提取蛋白質的體外模擬礦化392
12.4 微印法（micro-printing）實現結晶位點控制399
12.5 採用過程仿生方法製備磷酸鈣塗層400
參考文獻401
