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1.生物医用材料 1

1.1 生物材料概述 1

1.1.1 重要的基本概念 1

1.1.2 生物材料学的发展历史和现状 2

1.1.3 发展方向 5

1.2 对生物材料的生物响应 6

1.3 生物材料制品测试与FDA许可 7

1.4 生物材料类型 7

1.4.1 金属材料 7

1.4.2 陶瓷材料 8

1.4.3 高分子材料 8

1.4.4 天然衍生和人工合成高分子材料 9

1.5 生物材料的加工 10

1.6 生物材料的重要性质 11

1.6.1 生物材料的降解特性 11

1.6.2 生物材料的表面性质 11

1.6.3 生物材料的本体性质 12

1.6.4 表征技术 13

1.7 化学原理 13

1.7.1 原子结构 13

1.7.2 原子模型 14

1.7.3 原子轨道 15

1.7.4 价电子与元素周期表 18

1.7.5 离子键 19

1.7.6 共价键 20

1.7.7 金属键 24

1.7.8 次级键 25

小结 25

习题 26

参考文献 27

推荐阅读 27

2.生物材料的化学结构 28

2.1 概述：键型与生物材料结构 28

2.2 金属的结构 28

2.2.1 晶体结构 28

2.2.2 晶系 32

2.2.3 晶体结构缺陷 36

2.2.4 固相扩散 39

2.3 陶瓷的结构 42

2.3.1 陶瓷的晶体结构 42

2.3.2 陶瓷晶体结构中的缺陷 46

2.4 聚合物的结构 48

2.4.1 一般结构 48

2.4.2 聚合物的合成 56

2.4.3 共聚物 59

2.4.4 聚合方法 60

2.4.5 聚合物的晶体结构和缺陷 61

2.5 材料表征技术 62

2.5.1 X射线衍射 63

2.5.2 紫外可见光谱（UV-VIS） 67

2.5.3 红外光谱（IR） 71

2.5.4 核磁共振光谱 76

2.5.5 质谱 80

2.5.6 高效液相色谱（HPLC）：体积排阻色谱 82

小结 85

习题 86

参考文献 89

推荐阅读 89

3.生物材料的物理性能 90

3.1 概述：从原子基团到本体材料 90

3.2 结晶性与线缺陷 90

3.2.1 位错 91

3.2.2 形变 94

3.3 结晶性与面缺陷 96

3.3.1 外表面 96

3.3.2 晶界 96

3.4 结晶性与体缺陷 98

3.5 结晶性与聚合物材料 99

3.5.1 聚合物的结晶度 99

3.5.2 聚合物结晶的折叠链模型 100

3.5.3 聚合物晶体中的缺陷 102

3.6 晶态和非晶体材料的热转变 103

3.6.1 黏性流动 103

3.6.2 热转变 103

3.7 热分析技术简介 107

3.7.1 示差扫描量热法 108

小结 111

习题 111

参考文献 113

推荐阅读 113

4.生物材料的力学性能 114

4.1 概述：力学测试模型 114

4.2 力学测试方法、结果与计算 114

4.2.1 拉伸及剪切性能 115

4.2.2 弯曲性能 131

4.2.3 与时间有关的力学性能 133

4.2.4 孔隙率及降解对材料力学性能的影响 142

4.3 断裂与破坏 143

4.3.1 塑性断裂与脆性断裂 143

4.3.2 聚合物的银纹 145

4.3.3 应力集中物 145

4.4 疲劳及疲劳试验 146

4.4.1 疲劳 146

4.4.2 疲劳试验 146

4.4.3 影响疲劳寿命的因素 147

4.5 改善力学性能的方法 148

4.6 力学分析技术 150

4.6.1 力学测试 150

小结 151

习题 153

参考文献 155

推荐阅读 155

5.生物材料的降解 156

5.1 概述：生物环境下的降解 156

5.2 金属和陶瓷的腐蚀／降解 157

5.2.1 腐蚀的基本因素 157

5.2.2 普尔贝图和钝化作用 161

5.2.3 加工参数的影响 162

5.2.4 力学环境的影响 164

5.2.5 生物环境的影响 164

5.2.6 腐蚀的控制方法 165

5.2.7 陶瓷降解 165

5.3 高分子材料的降解 166

5.3.1 高分子降解的主要方式 166

5.3.2 水解造成的链断裂 166

5.3.3 氧化造成的链断裂 167

5.3.4 其他降解方式 168

5.3.5 孔隙率的影响 169

5.4 生物可降解材料 169

5.4.1 生物降解陶瓷 169

5.4.2 生物降解聚合物 170

5.5 降解程度的测定方法 172

小结 173

习题 174

参考文献 175

推荐阅读 176

6.生物材料的加工工艺 177

6.1 概述：生物材料加工的重要性 177

6.2 提高生物材料宏观性能的工艺 177

6.2.1 金属材料 177

6.2.2 陶瓷 180

6.2.3 高聚物 181

6.3 成型工艺 181

6.4 金属材料加工 182

6.4.1 模锻 182

6.4.2 金属铸造 183

6.4.3 粉末成型 184

6.4.4 金属快速加工成型工艺 185

6.4.5 金属焊接 186

6.4.6 机械加工 186

6.5 陶瓷加工技术 186

6.5.1 玻璃成型技术 186

6.5.2 陶瓷的铸造和烧结 187

6.5.3 陶瓷的粉末加工 188

6.5.4 陶瓷的快速制备 188

6.6 聚合物的加工 189

6.6.1 热塑性与热固性 189

6.6.2 聚合物成型 189

6.6.3 聚合物浇铸 191

6.6.4 聚合物的快速制备 192

6.7 加工提高生物相容性 193

6.7.1 消毒 193

6.7.2 天然材料的固定 194

小结 195

习题 195

参考文献 196

推荐阅读 196

7.生物材料的表面特性 197

7.1 概述：表面化学和生物学概念 197

7.1.1 蛋白质吸附和生物相容性 197

7.1.2 调控蛋白质的表面特性 198

7.2 物理化学表面改性技术 199

7.2.1 表面改性技术简介 199

7.2.2 物理化学表面涂层：共价表面涂层 200

7.2.3 物理化学表面涂层：非共价表面涂层 206

7.2.4 无覆盖层的物理化学表面改性方法 208

7.2.5 表面改性的激光方法 210

7.3 生物表面改性技术 210

7.3.1 共价生物涂层 211

7.3.2 非共价生物涂层 213

7.3.3 固定化酶 213

7.4 表面性质和降解 214

7.5 表面图形化技术 214

7.6 表面表征技术 216

7.6.1 接触角分析 216

7.6.2 光学显微镜方法 220

7.6.3 化学分析电子能谱（ESCA）或X射线光电子能谱（XPS） 222

7.6.4 衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR） 225

7.6.5 二次离子质谱（SIMS） 226

7.6.6 电镜：透射电镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM） 228

7.6.7 扫描探针显微镜：原子力显微镜（AFM） 231

小结 234

习题 235

参考文献 237

推荐阅读 238

8.蛋白质与生物材料的相互作用 239

8.1 概述：蛋白质吸附作用的热力学 239

8.1.1 吉布斯自由能与蛋白质吸附 239

8.1.2 控制蛋白质吸附的系统特性 241

8.2 蛋白质结构 243

8.2.1 氨基酸化学 243

8.2.2 一级结构 243

8.2.3 二级结构 243

8.2.4 三级结构 248

8.2.5 四级结构 249

8.3 蛋白质传输和吸附动力学 249

8.3.1 传输到表面 250

8.3.2 吸附动力学 251

8.4 蛋白质吸附的可逆性 252

8.4.1 可逆和不可逆结合 252

8.4.2 解吸附和交换 252

8.5 蛋白质类型、数量的分析技术 255

8.5.1 高效液相色谱（HPLC）：亲和色谱 255

8.5.2 比色法 260

8.5.3 荧光分析 261

8.5.4 酶联免疫分析（ELISA） 262

8.5.5 免疫印迹杂交 262

小结 264

习题 264

参考文献 265

推荐阅读 266

9.细胞与生物材料的相互作用 267

9.1 概述：细胞——表面相互作用及细胞功能 267

9.2 细胞结构 268

9.2.1 细胞膜 269

9.2.2 细胞骨架 270

9.2.3 线粒体 270

9.2.4 细胞核 270

9.2.5 内质网 274

9.2.6 囊泡 274

9.2.7 膜受体及细胞接触 275

9.3 细胞外环境 278

9.3.1 胶原 278

9.3.2 弹性蛋白 280

9.3.3 蛋白聚糖 280

9.3.4 糖蛋白 282

9.3.5 其他ECM成分 283

9.3.6 基质重塑 284

9.3.7 ECM分子在生物材料中应用 285

9.4 细胞与环境的相互作用——影响细胞功能 285

9.4.1 细胞存活 286

9.4.2 细胞增殖 286

9.4.3 细胞分化 288

9.4.4 蛋白质合成 290

9.5 黏附、铺展和迁移的模型 296

9.5.1 基本的黏附模型：DLVO理论 296

9.5.2 DLVO原理的局限和其他模型 297

9.5.3 细胞铺展和迁移模型 298

9.6 技术：测定细胞与材料相互作用影响的试验 301

9.6.1 细胞毒性试验 302

9.6.2 黏附／铺展试验 303

9.6.3 迁移试验 304

9.6.4 DNA和RNA试验 306

9.6.5 蛋白质试验：免疫染色 308

小结 309

习题 310

参考文献 312

推荐阅读 313

10.生物材料植入体与急性炎症 314

10.1 概述：固有性免疫及获得性免疫反应 314

10.1.1 白细胞的特征 315

10.1.2 固有性免疫的来源 316

10.2 炎症的临床症状及其起因 316

10.3 组织巨噬细胞及中性粒细胞的作用 317

10.3.1 中性粒细胞的迁移 317

10.3.2 中性粒细胞的作用 317

10.4 其他白细胞的作用 320

10.4.1 单核细胞／巨噬细胞 320

10.4.2 巨噬细胞的作用 320

10.4.3 其他的粒细胞 322

10.5 急性炎症的终止 322

10.6 技术：炎症反应的体外检测 323

10.6.1 白细胞的检测 323

10.6.2 其他检测 325

小结 325

习题 326

参考文献 326

推荐阅读 326

11.伤口愈合和生物材料 328

11.1 概述：肉芽组织的形成 328

11.2 异体反应 330

11.3 纤维囊的形成 331

11.4 慢性炎症 332

11.5 炎症消退的4种类型 333

11.6 修复与再生：皮肤伤口愈合 333

11.6.1 皮肤修复 333

11.6.2 皮肤再生 335

11.7 技术：体内检测炎症反应 336

11.7.1 对动物模型发展的考虑 337

11.7.2 评价的方法 339

小结 340

习题 341

参考文献 342

推荐阅读 343

12.生物材料的免疫反应 344

12.1 概述：获得性免疫概述 344

12.2 抗原呈递和淋巴细胞的成熟 345

12.2.1 主要的组织相容性复合体（MHC）分子 345

12.2.2 淋巴细胞的成熟 348

12.2.3 克隆种群的活化和形成 349

12.3 B细胞和抗体 350

12.3.1 B细胞的类型 350

12.3.2 抗体的特征 350

12.4 T细胞 353

12.4.1 T细胞的类型 353

12.4.2 辅助T细胞（Th） 353

12.4.3 细胞毒性T细胞（Tc） 354

12.5 补体系统 354

12.5.1 经典途径 354

12.5.2 旁路途径 356

12.5.3 膜攻击复合物 357

12.5.4 补体系统的调节 357

12.5.5 补体系统的作用 358

12.6 对生物材料的不良免疫反应 358

12.6.1 对生物材料的先天性和获得性免疫反应对比 359

12.6.2 超敏反应 359

12.7 技术：免疫反应检测 362

12.7.1 体外检测 362

12.7.2 体内检测 363

小结 364

习题 365

参考文献 365

推荐阅读 366

13.生物材料和血栓 367

13.1 概述：止血 367

13.2 血小板的作用 367

13.2.1 血小板的特征和功能 367

13.2.2 血小板活化 368

13.3 凝血级联反应 369

13.3.1 内源性途径 370

13.3.2 外源性途径 371

13.3.3 共同途径 371

13.4 抗凝血的意义 373

13.5 血管内皮的作用 374

13.6 血液相容性实验 375

13.6.1 一般检测 375

13.6.2 离体评估 375

13.6.3 在体评估 376

小结 377

习题 378

参考文献 380

推荐阅读 380

14.生物材料植入体内引起的感染、肿瘤、钙化反应 381

14.1 概述：生物材料植入对生物体的影响 381

14.2 感染 381

14.2.1 常见的病原体和感染的类型 382

14.2.2 感染的步骤 382

14.2.3 细菌和生物材料的表面性质，基质的性质 383

14.2.4 细菌吸附中的选择性与非选择性作用 386

14.2.5 总结植入感染情况 387

14.3 细菌感染的检测 388

14.3.1 细菌表面的表征 388

14.3.2 体外和体内的感染模型 389

14.4 肿瘤 390

14.4.1 肿瘤的确定和形成 390

14.4.2 化学和异物致癌 391

14.4.3 异物致癌 391

14.4.4 异物致癌原因 392

14.5 肿瘤实验技术 392

14.5.1 体外实验 392

14.5.2 体内实验 393

14.6 钙化病理 393

14.6.1 介绍钙化病理 393

14.6.2 钙化机制 394

14.6.3 降低钙化的方法 394

14.7 钙化 395

14.7.1 体外钙化实验 395

14.7.2 体内钙化实验 395

14.7.3 检测 395

小结 397

习题 398

参考文献 399

推荐阅读 399

索引 401