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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