醫(yī)用生物材料研究進展.doc

醫(yī)用生物材料研究進展摘要生物醫(yī)用材料（biomedical material）是用于對生物體進行診斷、治療、修復或替換其病損組織、器官或增進其功能的新型高技術材料。它是研究人工器官和醫(yī)療器械的基礎，己成為材料學科的重要分支，尤其是隨著生物技術的蓮勃發(fā)展和重大突破，生物材料己成為各國科學家競相進行研究和開發(fā)的熱點。當代生物材料已處于實現(xiàn)重大突破的邊緣，不遠的將來，科學家有可能借助于生物材料設計和制造整個人體器官，生物醫(yī)用材料和制品產(chǎn)業(yè)將發(fā)展成為本世紀世界經(jīng)濟的一個支柱產(chǎn)業(yè)。 由生物分子構成生物材料，再由生物材料構成生物部件。生物體內(nèi)各種材料和部件有各自的生物功能。它們可以做生物部件的人工代替物，也可以在非醫(yī)學領域中使用。前者如人工瓣膜、人工關節(jié)等；后者則有模擬生物黏合劑、模擬酶、模擬生物膜等。關鍵詞：生物，醫(yī)學，材料，醫(yī)療器械，創(chuàng)傷，組織，植入AbstractBiological medical material ( biomedical material ) is used for diagnosis, treatment, biological repair or replacement of the diseased tissues, organs or promote its function of new high-tech materials. It is the study of artificial organs and medical equipment foundation, has become an important branch of material science, especially with the development of biological technology Lianbo and major breakthrough, biological material has become the scientists to conduct research and development focus. The biological material is to achieve a major breakthrough in edge, not far in the future, scientists may have with the help of biological materials design and manufacture of the body organs, biomedical materials and products industry will become this century the world economy a pillar industry.Biological molecules from biological material, the biological material biological components. Organisms for various materials and elements have respective biological function. They can be used as biological components of artificial substitutes, can also be used in the field of medicine in non. The former such as artificial heart valve, such as artificial joint; the latter have simulated biological adhesive, enzyme mimics, simulated biological membrane.Key words: biology, medicine, materials, medical equipment, trauma, tissue, implantation1、生物醫(yī)用復合材料的研究現(xiàn)狀與應用 陶瓷基生物醫(yī)用復合材料 陶瓷基復合材料是以陶瓷、玻璃或玻璃陶瓷基體，通過不同方式引入顆粒、晶片、晶須或纖維等形狀的增強體材料而獲得的一類復合材料。目前生物陶瓷基復合材料雖沒有多少品種達到臨床應用階段，但它已成為生物陶瓷研究中最為活躍的領域，其研究主要集中于生物材料的活性和骨結(jié)合性能研究以及材料增強研究等。 醫(yī)用羥基磷灰石的研究進展研究進展：1.1納米羥基磷灰石膠層植入體 金屬基納米羥基磷灰石涂層材料既具有金屬的強度、韌性，又具有納米材料的組織相似性和生物材料的生物相容性，將它作為植入材料和機體在納米尺度上的結(jié)合能十分有效地改善生物相容性、可植入性、結(jié)合強度以及電、熱等的絕緣性譚延斌等11】對NHA梯度涂層植入體在動物體內(nèi)的成骨情況和植入體一骨界面的細胞因子的表達進行研究，結(jié)果植入體一骨界面能快速地達到骨性結(jié)合，TNF-a、IL取IL-6表達水平較低，IL-10水平明顯高于鈦合金組，說明NHA材料能減少炎性細胞因子的表達，增加抑炎性因子的表達，同時植入體一骨面剪切強度優(yōu)于鈦合金組涂平生等n2】通過NHA涂層人工關節(jié)治療犬骨質(zhì)疏松癥的實驗研究，證明含NHA涂層人工關節(jié)柄周圍結(jié)構較好 1.2人工軟骨改性及人工角膜支架 聚乙烯醇(PvA)水凝膠具有彈性高、易于成型、無毒副作用及良好的生物相容性【l引，在生物醫(yī)學領域具有廣泛應用，如作為人工軟骨【H】但是聚乙烯醇人工軟骨假體與骨基底的結(jié)合性能差，影響了軟骨的固定和修復功能，采用聚乙烯酵與納米羥基磷灰石復合，可大幅度提高人工軟骨與骨基底的結(jié)合性能許風蘭等Its用納米羥基磷灰石與聚乙烯醇制備了一種新型的人工角膜，光學中心用柔韌透明的聚乙烯醇水凝膠。周邊支架采用納米羥基磷灰石與聚乙烯醇復合的多孔水凝膠動物實驗術后進行裂隙燈和組織學觀察表明復合人工角膜生物相容性好，支架與宿主角膜可發(fā)生生物性愈合CRLEON應用納米羥基磷灰石制作人工角膜支架，支架能與角膜基質(zhì)生成生物性結(jié)合Ll引 1.3抗腫瘤作用和藥物載體 納米羥基磷灰石作為骨組織的無機成分，具有良好的生物相容性，且能被組織細胞消化分解，是理想的藥物基因載體或搞癌藥物的材料納米羥基磷灰石粒子由于粒徑小，具有較大的表面能，因而易被惡性腫瘤細胞所吞噬，其可以通過細胞膜和核膜導致DNA損傷，對細胞周期有阻斷，并抑制癌基因c2myc的表達1966年起，shipu等報道了羥基納米磷灰石粒子對人肺癌及胃癌細胞有抑作用【17】等通過體外細胞毒性實驗，觀察細胞形態(tài)及超微結(jié)構等方法，研究納米羥基磷灰石粒子對骨肉瘤U220S細胞有明顯的抑制作用，且隨濃度(3125 btgmL到500 vgmL)和作用時間(1 d-3 d)的增加而增加，細胞出現(xiàn)皺縮、核濃縮、核碎裂等凋亡特征納米羥基磷灰石粒子對急性白血病患者的體外白血病生長具有明顯抑制作用【17】發(fā)現(xiàn)納米羥基磷灰石粒子能作為一種載體吸附多柔比星(ADM)、絲裂霉素C、氟尿嘧啶等抗腫瘤藥物，在體外Ca29細胞和HSC23細胞培養(yǎng)中，這種載有ADM的納米羥基磷灰石比單用ADM或納米羥基磷灰石的對照組有著更顯著的生長抑制作用，提示能增強對腫瘤細胞增殖的抑制 2、醫(yī)用高分子材料的主要類別生物醫(yī)用高分子材料主要有天然生物材料和合成高分子材料。2.1 天然生物材料天然生物材料是指從自然界現(xiàn)有的動、植物體中提取的天然活性高分子,如從各種甲殼類、昆蟲類動物體中提取的甲殼質(zhì)殼聚糖纖維,從海藻植物中提取的海藻酸鹽,從桑蠶體內(nèi)分泌的蠶絲經(jīng)再生制得的絲素纖維與絲素膜,以及由牛屈肌腱重新組構而成的骨膠原纖維等。這些纖維都具有很高的生物功能和很好的生物適應性,在保護傷口、加速創(chuàng)面愈合方面具有強大的優(yōu)勢,已引起國內(nèi)外醫(yī)務界廣泛的關注。據(jù)日本、美國的多項專利介紹,由殼聚糖纖維制得的手術縫合線既能滿足手術操作時對強度和柔軟性的要求,同時還具有消炎止痛、促進傷口愈合、能被人體吸收的功效,是最為理想的手術縫合線;殼聚糖纖維制造的人造皮膚,通過血清蛋白質(zhì)對甲殼素微細纖維進行處理,可提高對創(chuàng)面浸出的血清蛋白質(zhì)的吸附性,有利于創(chuàng)口愈合,在各類人造皮膚中其綜合療效最佳。據(jù)研究報道,已用于酶固定化、細胞培養(yǎng)、創(chuàng)面覆蓋材料和人工皮膚以及藥物緩釋材料等醫(yī)學各領域,尤其各種再生絲素膜在人工皮膚、燒傷感染創(chuàng)面上的應用顯示了獨特的優(yōu)勢,臨床應用價值顯著,前景廣闊。2.2 合成高分子材料合成高分子材料因與人體器官組織的天然高分子有著極其相似的化學結(jié)構和物理性能，因而可以植入人體，部分或全部取代有關器官。因此，在現(xiàn)代醫(yī)學領域得到了最為廣泛的應用，成為現(xiàn)代醫(yī)學的重要支柱材料。當前研究主要集中在外科置入件用高分子材料和生物降解及藥物控制釋放材料。外科置入件用高分子材料耐生物老化,作為長期置入材料具有良好的生物穩(wěn)定性和物理、機械性能，易于加工成型,原料易得，便于消毒,受到人們普遍的關注,這類材料主要用于生物體軟、硬組織修復體、人工器官、人工血管、接觸鏡、膜材、粘結(jié)劑和空腔制品諸方面。其特點是大多數(shù)不具有生物活性，與組織不易牢固結(jié)合，易導致毒性、過敏性等反應。不過作為承重的植入件用高分子材料還有許多方面的問題，目前研究主要集中在提高材料的對生物體的安全性；提高組織相容性和血液相容性；改善生物學性能，改善提高力學、機械、物理性能。在生物膜材料方面，屬于線性高分子多糖結(jié)構的殼聚糖是甲殼質(zhì)脫乙酰基的衍生物，無毒、無抗原性，可在生物體內(nèi)自行降解.殼聚糖膜有促進創(chuàng)面愈合的作用，具有良好通透性，且含有游離氨基，能結(jié)合酸分子，是天然多糖中唯一的堿性多糖。因而具有許多特殊的物理化學性質(zhì)和生理功能，在醫(yī)學生物材料上可作為人工腎膜和人造皮膚。生物降解型醫(yī)用高分子材料的主要成分是聚乳酸、聚乙烯醇及改性的天然多糖和蛋白質(zhì)等，在臨床上主要用于暫時執(zhí)行替換組織和器官的功能，或作藥物緩釋系統(tǒng)和送達載體、可吸收性外科縫線、創(chuàng)傷敷料等。其特點是易降解，降解產(chǎn)物經(jīng)代謝排出體外，對組織生長無影響，目前已成為醫(yī)用高分子材料發(fā)展的方向。高分子藥物控制釋放體系不僅能提高藥效，簡化給藥方式，大大降低了藥物的毒副作用，而且納米靶向控制釋放體系使藥物在預定的部位，按設計的劑量，在需要的時間范圍內(nèi)以一定的速度在體內(nèi)緩慢釋放，而達到治療某種疾病或調(diào)節(jié)生育的目的，比如高分子多肽或蛋白藥物控制釋放體系新的研究進展，為那些口服無效的多肽或蛋白藥物的臨床應用，展示了令人鼓舞的前景。3、醫(yī)用高分子材料的幾個典型應用3.1 人工組織在各種人工骨、人工關節(jié)、牙根等方面，醫(yī)藥高分子材料是醫(yī)學臨床上應用量很大的一類產(chǎn)品,涉及醫(yī)學臨床的骨科、頜面外科、口腔科、顱腦外科和整形外科等多個專科,往往要求具有與替代組織類似的機械性能,同時能夠與周圍組織結(jié)合在一起。最常用的是超高分子量聚乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯等非降解材料，而聚乳酸（PLA）、殼聚糖和聚酸酐等可生物降解材料也得到了廣泛研究和應用。傳統(tǒng)的金屬超高分子量聚乙烯（UHMWPE）廣泛應用于人工髖關節(jié)領域，Harris等的研究證明，采用電離輻射或射線輻射，劑量達到50kGy時就能增加PE的交聯(lián)度、提高PE的抗磨損。目前，高交聯(lián)UHMWPE已作為最有希望的減少PE磨損及其后續(xù)骨溶解的措施，獲得了臨床的廣泛應用。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）即通常所指的普通骨水泥，最常用于人工關節(jié)置換術中填充骨和假體之間的縫隙，可使人工假體機械嵌插負重面積增加，負重能力增強。黃平等，研究表明，骨水泥病灶充填治療骨盆四肢轉(zhuǎn)移性骨腫瘤能提高生存時間，改善生活質(zhì)量。常用作骨科材料的可降解吸收高分子材料主要有聚乳酸、甲殼素等，而抗生素聚酸酐緩釋劑也已得到了深入的研究。聚乳酸（PLA）屬于聚酯類材料，不僅具有良好的生物相容性，還具有適宜的生物降解特性、優(yōu)良的力學性能和可加工性，在實驗及臨床應用中表現(xiàn)出良好的骨修復作用，由 PLA制作的螺釘、髓內(nèi)棒、針、膜已商業(yè)化。聚酸酐是20世紀80年代初美國麻省理工學院Langer等發(fā)現(xiàn)的一類新型可生物降解的合成高分子材料，現(xiàn)已廣泛用于化療劑、抗生素藥物、多肽和蛋白制劑（如胰島素、生長因子）、多糖（如肝素）等藥物的控釋研究。慶大霉素等抗生素與聚酸酐組成的緩釋給藥系統(tǒng)應用于骨髓炎的治療也已取得初步成功。對于聚酸酐釋藥模型、劑型工藝和質(zhì)量標準的研究將是未來的重點之一。3.2 人工臟器隨著科學的發(fā)展，由高分子材料制成的人工臟器正在從體外使用型向內(nèi)植型發(fā)展，為滿足醫(yī)用功能性、生物相容性的要求，把酶和生物細胞固定在合成高分子材料上，能夠克服合成材料的缺點，從而制成各種臟器滿足醫(yī)學要求。作為軟組織材料的一個重要組成部分的人工器官,其應用前景已為人們所看好。隨著人工臟器性能的不斷完善,其在臨床上的應用必將越來越廣泛。主要有：人工肺、人工腎(透析型、過濾型、吸附型)、人工肝臟、人工心臟、人工食管、人工膀胱等。美國開發(fā)了“左心室同軸對稱輔助泵”。此設備是氣動的，壓縮空氣使聚氨酯橡膠球式泵腔張合，幫助輸送血液。球囊外包一金屬鈦殼，在鈦殼和球囊與血液接觸的表面按嚴格規(guī)定栽植了聚酯纖維，以有利于生物襯里的生成。通過手術將此設備安置在左心室頂部(人血口)和主動脈(出血口)之間，壓縮空氣管從胸腔和腹部引出。膜式人工肺從1955年開始試制。曾用過聚乙烯、醋酸纖維素、聚四氟乙烯等，但對氣體的透過性不夠好。正在研制的富氧膜有硅橡膠(SR)、聚烷基砜(PAS)、硅酮、聚碳酸酯，它們的綜合性能很好。加拿大皮埃爾、莫林等研制的一種人工肺，構造比較簡單，沒有電子或機械儀器，是用具有特殊性能的人造海綿制成的。，但要把這種人工肺移植到人體，尚需解決排異反應和凝血等問題。人工腎血液透析器所用中空纖維的材質(zhì)大多為再生纖維素或纖維素酯，如ENKA Glanzstoff公司的銅胺膜（cuprophane），Cordis DOW公司的醋酸纖維素膜，東華大學開發(fā)的粘膠法纖維素和非水溶劑法纖維素膜。東華大學研制的聚丙烯腈中空纖維腹水超濾濃縮回輸器，已在上海華東醫(yī)院和中山醫(yī)院臨床應用，治療效果明顯，東華大學與上海德圓科技發(fā)展公司合作制成的腹水透析濃縮器及其配套設備，已經(jīng)國家醫(yī)藥管理總局和上海醫(yī)藥局批準生產(chǎn)和應用。參考文獻：1李世普。生物醫(yī)用材料導論【M】。武漢：武漢工業(yè)大學出版社，2000。88123。2王桂香，潘芊秀，王懷生高等學?；瘜W學報，2005，26(10)：1812-18163高玉蓮，田燕妮化學研究與應用，2007，19(6)：5895934Wang HS，Wang GX，Pan QX，Electroanatysis，2005，1 7(20)：1 854一l 8605Wang，B，Zhang，J-J，Pan，Z-Y，Tao，X一Q。，Wang，H-S，Biosensors and Bioelectronics(2008)，doi：101016jbios2008060536張幼珠,吳徽宇,田保中.藥物絲素膜的性能及在燒傷感染創(chuàng)面上的應用J.紡織學報,2001,22(3):4042.7Zejli H，Temsamani K，Sharrock P，Chemosphere，2005，60：115711618Zejli H，Temsamani KR，et al，ElectrochemCommun2006，8：1 5441 5489MAE1 Mhammedi，et a1，JHa