1第二章 生物材料特性（S第一节 生物特性）20140427

第二章生物材料的特性第一节生物特性一、天然生物材料的成分地球上存在92种稳定的化学元素但是天然生物材料的基本组成只是低原子序数的几种轻元素。化学元素及含量化学元素及含量人体和海水的H和O含量很接近这是因为人体中60%的质量是水。水在生物活体中的作用极为重要，因为生物组织失水后就失去生物活性了。人体中的C和P含量比海水和地壳中大许多 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明这两种元素对生命过程很重要生物大分子都是以碳为骨架构成的，细胞干重的过半数都是碳P，细胞中含有丰富的磷脂，骨矿是由磷酸盐构成的。地壳中的Si含量是相当高的。生物体内还含有如下微量元素FeCuMnZnCoMoSeVNiIMg对于生物体内特定种类酶的功能起关键作用二、蛋白质结构一级结构——氨基酸序列指氨基酸残基的排列顺序及可能存在的二硫键的位置。每种蛋白质具有惟一而确切的氨基酸顺序。蛋白质的氨基酸顺序是由遗传决定的。已测定出数百种蛋白质的全部氨基酸顺序构象—二级结构蛋白质二级结构——按主链互相接近的氨基酸残基的空间关系。这些空间关系中有的很规则，具有周期性结构，如α螺旋、β折叠片、胶原螺旋。而，大多数蛋白质呈现密集的球形，这是由于存在β转折结构。蛋白质构型发生变化，例如蛋白质从细胞中分泌出来后，其构象可能发生变化。氨基酸的化学性质，如酸性、极性等，影响构象侧链之间相互作用，如：①具有异性电荷的离子功能团之间形成——盐基连接或静电键合，②极性功能团之间形成——氢键，③非极性功能团之间形成——范德瓦耳力作用，④含硫侧链之间——二硫键。三、原子、分子间作用力原子、分子间的相互作用按强度可分为两大类：强相互作用——指离子键或共价键及其杂化键。弱相互作用——包括涉及偶极子的静电相互作用色散力、氢键和疏水键。在生物大分子中，正是众多的弱相互作用的协同作用决定了结构的稳定性及其构象的可变性。原子、分子间的相互作用强度（一）氢键(hydrogenbond)氢原子与电负性较强的原子形成共价键的同时，又与另一个电负性较大的原子间形成一个较弱的键——称为氢键A—H·····B虚线部分为氢键。电负性较大原子，如O，N，等氢键的键能较小，约为8KJ／mol～50KJ／mol；键长范围为0.25nm～0.34nm（二）疏水键(hydrophobicbond)两个非极性分子(疏水基团)为了避开水相而群集在一起的作用力。疏水键更确切些应称为——疏水性相互作用。这些分子存在的引力是——范德瓦耳力。键是由于疏水性分子从氢键构成的水晶格中被排除而形成的在蛋白质分子的多肽链中，也含有非极性侧链(疏水侧链)的氨基酸残基，如亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、缬氨酸、色氨酸、丙氨酸、脯氨酸。两个非极性侧链之间可以生成疏水键如：非极性侧链与主链骨架的－CH基也可以生成疏水键。疏水键对于维持蛋白质的三、四级结构有重要作用。（三）离子键和离子晶体离子键是由带正电荷的原子(阳离子)与带负电荷的原子(阴离子)依靠库仑静电引力所形成的一种结合力。以离子键结合的晶体称为离子晶体(或称极性晶体)如NaCl等。氯化钠是典型的以离子键结合的离子晶体（四）共价键和共价晶体原子之间通过共用电子对产生结合的相互作用称为——共价键由共价键形成的晶体称共价晶体(或称非极性晶体)共价晶体中的粒子为中性原子故也称原子晶体，如H2分子、金刚石(C)、硅(Si)等。具有代表性的共价晶体为金刚石（五）分子键(范德华力)和分子晶体在原子或分子结合的过程中，没有电子的得失，只有共有或共有化，它们之间的结合力——是很弱的范德华力，这种存在于中性原子或分子之间的结合力称为分子键。分子键本质上是一种物理键，在形成分子键时，价电子的分布几乎没有变化。由范德华力结合起来的晶体称为分子晶体。例如，CO2、HCl等在低温下所形成的晶体为分子晶体。范德华力——是一种分子偶极矩之间的吸引作用力。包括：色散力诱导力静电力色散力——是分子的瞬时偶极间的作用力。是由两个非极性分子中瞬时偶极矩产生。例如，CO2、CH4虽都是非极性的，但由于电子运动的结果，可在原子和分子内部发生短暂的极化。一般分子量愈大，分子内所含的电子数愈多，分子的变形性愈大，色散力亦愈大。诱导力——是分子的固有偶极与诱导偶极间的作用力。是非极性分子与极性分子靠近时，非极性分子受极性分子永久偶极矩的影响而诱导出来的。诱导力的大小与分子的极性、变形性等有关系。取向力(静电力)——是分子的固有偶极间的作用力。是两个极性分子永久偶极矩间的相互作用。取向力的大小与分子的极性和温度有关。极性分子的偶极矩愈大，取向力愈大；温度愈高，取向力愈小在极性分子间有色散力、诱导力和取向力。在极性分子与非极性分子间有色散力和诱导力。在非极性分子间只有色散力。实验证明，对大多数分子来说，色散力是主要的；只有偶极矩很大的分子(如水)，取向力才是主要的；而诱导力通常是很小的。四、天然生物材料的结构特征——分级与自由组装复合天然生物材料与周围环境之间能够形成错综复杂的内部结构和整体多样性。错综复杂的结构是由几种基本化合物构成的：水、核苷酸(4种)、氨基酸(20种)、糖生物矿物(4类)生物材料结构的复杂性主要表现在这几种基本化合物的组装方式上。尽管各种天然生物材料有其特定的组装方式，但它们都具有空间上的分级结构。分级结构指在不同尺度上，结构的组装规则不同例如蛋白质就有几级结构。蚕丝蛋白分级结构示意图五、天然生物材料的活性细胞是生命的结构和功能的基本单位。在某种意义上说，有活性的生物材料都是细胞与细胞外基质组成的复合材料。例如骨骼肌，本身主要由细胞构成，其细胞较大，长可达数厘米，直径可为10μm～100μm，每个细胞称为一个肌肉纤维。多组细胞由结缔组织结合在一起形成肌肉束。而骨，这种硬组织则可视为由骨系细胞、细胞外基质及分布于基质内外的无机矿物相构成的复合材料。组成生物材料的分子与构成无生命物质的分子没有本质上的差别但生物材料却具有比无生命物质复杂得多的自组装分级结构和优异的功能，这都与细胞在运动繁殖、分化、更新、重建中的调节作用密切相关。例如，细胞能在材料上爬行，这种爬行运动是伤口愈合、人体植入材料修复等功能的基础。细胞在材料表面贴附、运动以及吞噬材料的规律和机理等，目前知道不多。从生物材料的角度了解细胞与细胞外物质的相互作用等，为生命科学和材料科学提供大量的信息，这对生物医用材料、组织 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 材料的研制、开发 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 仿生材料——有指导意义。六、材料的生物性能植入物与周围活组织的相互作用即——材料的生物性能。例如骨和关节软骨等材料的生物性能包括两个方面：一是材料反应二是宿主反应材料反应材料在生物活体中的响应。主要包括：材料在生物环境中被腐蚀、吸收、降解、磨损和失效的情况。腐蚀主要是体液对材料的化学浸蚀作用，体液对金属植入体有较大影响；吸收作用可改变材料的功能特性，使材料的弹性模量降低，屈服应力增高；降解可使材料的理化性质退变，甚至解体而失效，这对高分子和陶瓷材料影响较大。宿主反应——生物医学材料存留于生物体期间所引起的活体系统对材料的反应。包括材料植入部位邻近的组织对材料的局部反应以及远离材料植入部位的组织和器官，乃至整个活体系统对材料的全身反应。宿主反应是由于构成材料的元素、分子或其他降解产物(如微料、碎片等)在生物环境的作用下被释入邻近组织乃至整个活体系统而造成的可能发生的宿主反应，包括：局部反应、全身毒性反应、过敏反应、致突反应、致畸反应、致癌反应和适应性反应。按时间长度，可将宿主反应分为近期反应和远期反应宿主反应可能是消极的反应如细胞毒性、溶血、凝血、刺激性、全身毒性、致敏、致癌、诱变性、致畸性以及免疫等反应其结果可能导致对组织的机体的毒副作用和机体对材料的排斥作用宿主反应也可能是积极的反应如：新血管内膜，在人工动脉表面生长、韧带假体，对软组织的附着、组织，长入多孔材料的孔隙、以及硬组织，依托植入物重建等，其结构有利于组织的生长和重建。