01 / 导读
导读
引用
Agrawal, C. M., Ong, J. L., Appleford, M. R., & Mani, G. (2025). Introduction to Biomaterials: Basic Theory with Engineering Applications (2nd ed.). Cambridge University Press.
章节概要
第二版共十七章，约500页，后附索引。前八章讲材料及其制备与测量；接下来五章讲蛋白质、细胞和机体反应的生物学；最后四章讲连接二者的应用与工艺。
第1–2章：导论；材料的基本性质
第1章简要回顾生物材料的历史，以及长期以来对保证植入物在预期时间内保持可用的重视。它解释了化学键的类型（离子键、金属键、共价键），以及这些化学键如何决定金属、聚合物、陶瓷和复合材料的性质，并以生物材料的影响与未来作结。第2章的主题在目录中列为力学性质、电化学性质和表面性质。
第3章：金属：结构与性质
讲医疗器械所用的金属：工业纯钛、钛合金、不锈钢、钴铬合金、镁合金、镍钛诺和钽。书中附有相图，帮助学生理解温度如何决定相和结构。
第4章：聚合物
从聚合物化学讲起（加聚与缩聚、分子量的各种平均值、线型、支化与交联结构、非晶态与结晶态），然后概览医学中使用的聚合物，包括聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、有机硅、水凝胶、聚氨酯和纳米聚合物，既有可降解的也有不可降解的。
第5–6章：陶瓷；天然生物材料
第5章给出陶瓷的定义和分类，讲述氧化铝、硅酸盐玻璃与生物活性玻璃、氧化锆、磷酸钙、碳和纳米陶瓷，涉及可生物降解和表面反应型陶瓷。第6章讲天然聚合物，分为蛋白质类（胶原蛋白、弹性蛋白、丝）和多糖类（壳聚糖、纤维素、藻酸盐、透明质酸、硫酸软骨素），另外还有珊瑚。
第7–8章：表面改性；生物材料的表征
第7章介绍改变器械表面的技术（喷砂、等离子体辉光放电处理、热喷涂、物理与化学气相沉积、接枝、自组装单分子层、层层组装），并说明每种技术的原理、优点与局限。第8章介绍表征表面与本体性质的方法，包括接触角、红外光谱、XPS、俄歇电子能谱、SIMS、轮廓测量、原子力显微镜、扫描电镜、透射电镜、X射线衍射和色谱方法，说明其工作原理与局限。
第9–11章：生物系统；蛋白质化学与相互作用；细胞—生物材料相互作用
第9章介绍细胞环境：质膜、细胞骨架、细胞连接与信号通路，以及常用的生物学测试技术。第10章是出版社所说的新增章节之一，讲蛋白质的结构与性质、蛋白质单分子层、蛋白质相互作用涉及的作用力、在生物材料表面的吸附，以及分析吸附蛋白质的方法。第11章转向细胞外空间、细胞与非细胞基质相互作用所用的蛋白质和通路、黏附机制，以及材料环境的作用。
第12–13章：机体对生物材料的反应；生物相容性测试
第12章讲材料表面的血栓形成（血小板、接触激活、凝血通路）、补体系统及其激活通路、急性与慢性炎症、异物反应和纤维包裹。第13章列出生物相容性试验：细胞毒性、致敏、刺激、从急性到慢性的全身毒性、致热原性、遗传毒性、植入、血液相容性、致癌性，以及生殖与发育毒性。
第14–15章：组织工程；药物递送系统
第14章讲组织工程的基本原理和相关细胞类型、支架的性质、聚合物支架、天然聚合物支架和陶瓷支架的制备，以及评估支架结构、细胞和新生组织的方法。第15章讲扩散控制、水渗透控制、化学控制、响应型和颗粒型药物递送系统。
第16–17章：生物医学植入物的灭菌；临床应用
第16章说明灭菌为何重要，回顾从蒸汽、环氧乙烷、γ射线和干热，到紫外线、电子束、气体等离子体和二氧化氯等方法，以及在其中做出选择的原则。第17章介绍生物材料在心血管辅助装置与支架、牙齿修复体与种植体、宫内节育器、神经假体、眼科、骨科植入物、肾透析膜、皮肤产品和声带注射中的应用，并给出市售产品的实例和各自选材的理由。
核心概念
第1–8章：材料及其制备
- 化学键与材料类别：离子键、金属键和共价键是金属、聚合物、陶瓷和复合材料性质的基础。
- 医用金属的相图：用来把温度与相和结构联系起来。
- 天然与合成聚合物：蛋白质类和多糖类材料与合成聚合物并列介绍。
- 表面改性与表征：改变表面的方法，以及测量表面的仪器。
第9–13章：生物学与机体反应
- 蛋白质吸附：蛋白质如何结合到材料表面，以及如何对其进行分析。
- 细胞黏附：细胞外环境，以及细胞附着在材料上的机制。
- 凝血、补体与炎症：植入之后出现的机体反应。
- 生物相容性试验：第13章列出的各类试验。
第14–17章：应用与工艺
- 组织工程支架：制备途径与评估方法。
- 药物释放机制：扩散控制、水渗透控制和化学控制系统，以及响应型和颗粒型系统。
- 灭菌方法：为植入物选择灭菌方法。
评析
优点
- 设计紧凑。 十七章、约500页，使本书比该领域的大型多人合著参考书短得多；出版社称其为“简明”教材，各章由同一个四人作者团队撰写，而不是由几十位撰稿人分头完成。
- 从材料到生物学再到实践的清晰路径。 章节顺序从化学键和材料类别开始，经过表面与表征，进入蛋白质、细胞和机体反应，然后是组织工程、药物递送、灭菌和临床器械。
- 第二版新增的生物学章节。 出版社强调新增了蛋白质化学与相互作用、免疫学与组织反应、生物相容性等章节，补上了许多生物材料课程容易显得单薄的交界部分。
- 学习辅助。 出版社列出了学习目标、章节小结、实例、延伸阅读和习题，还有穿插的历史小栏目，并提到有免费资源和仅限教师的在线资源。
局限
- 应用部分被压缩。 所有临床应用共用第17章，约25页要涵盖列出的十一个领域，因此每种器械只得到简短的处理。
- 没有关于监管或器械设计的章节。 目录中没有讲监管审批、质量体系或器械设计流程的章节；在本书靠后的部分，灭菌是唯一的工艺类章节。
- 版本很新。 本书于2025年底出版，尚无长期使用的记录，也没有找到针对它的独立书评。第一版出版于2013年。
在课程中的定位
在生物材料书单中，这是简明、贴近课程形态的一部教材。Wagner 等人的 Biomaterials Science 是约1,600页的多人合著参考书，涵盖更多器械、更多主题以及监管生命周期，适合查阅和研究生层次的深入学习。Chen 和 Thouas 的 Biomaterials: A Basic Introduction 面向既缺乏材料科学又缺乏生物学基础的学生，Temenoff 和 Mikos 的 Biomaterials: The Intersection of Biology and Materials Science 则是把材料与生物两条线索并行展开的本科教材。
Agrawal 等人的这本介于二者之间：比平缓的入门书更偏工程，但比大型参考书短得多。Black 的 Biological Performance of Materials 是专题专著，当主要关注生物相容性和机体反应时，适合在读完本书之后阅读。
如何使用本书
对已经学过基础化学、生物学和材料科学，或学过涉及基本材料性质的第一门工程课程的学生来说，本书最为合适。作为一学期的课程，第1至8章提供材料背景，可以依次阅读；第9至13章构成生物学核心，最好按顺序读，因为后面的章节建立在前面的基础上；第14至17章可根据课程的侧重点选读。
有生物学背景的学生可以略读第1章中关于化学键的讨论以及金属和陶瓷两章，把精力放在第7、8章和第12至17章。有工程背景的学生则应在第9至13章上多花些时间。可以利用每章开头的学习目标、结尾的小结和习题来检查理解程度，并到出版社的资源页面查找更多材料。