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文檔簡介

1、摘要長久以來,血液資源短缺,缺口大。在海嘯,地震等災(zāi)難中,缺血是造成死亡的原因之一。因此,研究性能優(yōu)良的人血液替代品成為了一個比較緊促的要求。人工血液是指具有血液功能(包括載氧功能,維持血液滲透壓,維持血液酸堿度,擴充血容量)的人工制劑。目前,根據(jù)使用材料的不同,將人血液替代品分為碳氟化物和經(jīng)化學(xué)修飾的血紅素類。關(guān)鍵詞:人血液替代品,碳氟化物,血紅素AbstractThe shortage of the blood resource has been for a long time. It is also a main cause of death in tsunami. So it is v

2、ery urgent to develop artificial blood. Artificial blood is an artificial agent with blood function (including oxygen carrying capacity, maintenance of blood osmotic pressure, maintenance of blood pH, and expansion of blood volume).At present, according to the use of different materials, artificial

3、blood are devided into carbon fluoride and chemically modified heme.Key words: artificial blood, carbon fluoride, hemoglobin 目錄摘要1Abstract11 人血液血液替代品的研究意義32 血液的簡介33 人血液替代品綜述43.1氟碳化物53.2 經(jīng)化學(xué)修飾的血紅素63.3基因重組型人工替代血液83.4 人血液替代品最新發(fā)展現(xiàn)狀94感言10參考文獻111 人血液血液替代品的研究意義輸血是一種維持人體正常機能和救命的重要手段,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于臨床實踐。然而在實際應(yīng)用中,傳統(tǒng)

4、的輸血措施存在著較大隱患。首先是血型問題, 患者血型的測試昂貴耗時,在需要緊急治療的情況下會延誤時間;其次使血液保存時間短,一般4只有3個星期, 加上近年來獻血者日趨減少 ,血庫存血嚴(yán)重短缺,這一點已經(jīng)對一個國家的戰(zhàn)略安全造成嚴(yán)重威脅;更為嚴(yán)重的是,通過輸血和其他血液制品造成的病毒傳染1 。據(jù)估計,全世界每年獻血量超過7億5千萬單位的捐獻,而世界衛(wèi)生組織191個成員國僅有43%對獻血者進行艾滋病毒,丙肝病毒和乙肝病毒的檢測;每年至少有一億三千萬單位捐獻血液未對上述經(jīng)血液傳播的病毒進行檢測;不安全的輸血或注射導(dǎo)致每年8-16萬人感染HBV,2.3-4.7萬人感染HCV 。因此 ,制造一種安全 、

5、高效、并且能被迅速應(yīng)用于緊急突發(fā)事件的人血液替代品已經(jīng)成為一個緊迫的重要課題。人工血液可代償性地取代人體血液攜帶氧氣的功能把肺部呼吸的氧氣輸送到體內(nèi)各個組織器官。美國是自二戰(zhàn)以來對血液替代品研究投入最多的國家,先后有多家公司的產(chǎn)品進入臨床。日本和加拿大也做了大量工作。我國有關(guān)人工血液的研究起步較晚, 且主要集中在血紅蛋白基氧載體的研究上。2 血液的簡介人體內(nèi)的血液量大約是體重的 78,如體重 60 公斤,則血液量約 42004800 毫升。各種原因引起的血管破裂都可導(dǎo)致出血,如果失血量較少,不超過總血量的 10,則通過身體的自我調(diào)節(jié),可以很快恢復(fù);如果失血量較大,達總血量的 20時,則出現(xiàn)脈搏

6、加快,血氧含量下降、血壓下降等癥狀;如果在短時間內(nèi)喪失的血液達全身血液的 30%或更多,就會造成機體嚴(yán)重的缺血缺氧性損傷,直至危及生命。血液分靜脈血和動脈血。動脈血在體循環(huán)(大循環(huán))的動脈中流動的血液以及在肺循環(huán)(小循環(huán))中從肺回到左心房的肺靜脈中的血液。動脈血含氧較多,含二氧化碳較少,呈鮮紅色。靜脈血血液中含較多二氧化碳的血液,呈暗紅色。注意并不是靜脈中流的血是靜脈血,動脈血中流的是動脈血,因為肺動脈中流的是靜脈血,肺靜脈中流的是動脈血。血液由血漿和血細胞組成。血漿相當(dāng)于結(jié)締組織的細胞間質(zhì),為淺黃色半透明液體,其中除含有大量水分以外,還有無機鹽、纖維蛋白原、白蛋白、球蛋白、酶、激素、各種營養(yǎng)

7、物質(zhì)、代謝產(chǎn)物等。這些物質(zhì)無一定的形態(tài),但具有重要的生理功能。血細胞分為三類:紅細胞、白細胞、血小板。在機體的生命過程中,血細胞不斷地新陳代謝。紅細胞的平均壽命約120天,顆粒白細胞和血小板的生存期限一般不超過10天。衰老的紅細胞雖無形態(tài)上的特殊變化,但其機能活動和理化性質(zhì)都有變化,如酶活性降低,血紅蛋白變性,細胞膜脆性增大,以及表面電荷改變等,因而細胞與氧結(jié)合的能力降低且容易破碎。衰老的紅細胞多在脾、骨髓和肝等處被巨噬細胞吞噬,同時由紅骨髓生成和釋放同等數(shù)量紅細胞進入外周血液,維持紅細胞數(shù)的相對恒定。血紅蛋白是高等生物體內(nèi)負責(zé)運載氧的一種蛋白質(zhì)(縮寫為Hb或HGB)。是使血液呈紅色的蛋白。血

8、紅蛋白(hemoglobin;haemoglobin;Hb;HGB)每一血紅蛋白分子由四分子的珠蛋白和四分子亞鐵血紅素組成,每個血紅素又由4個吡咯環(huán)組成,在環(huán)中央有一個鐵原子。氧氣結(jié)合在鐵原子上,被血液運輸。血紅蛋白的特性是:在氧含量高的地方,容易與氧結(jié)合;在氧含量低的地方,又容易與氧分離。圖2亞鐵血紅素分子式圖1血紅蛋白三維構(gòu)象 血液的功能可以簡單地概括為以下幾點:(1)血液的運輸功能主要是靠紅細胞來完成的。貧血時,紅細胞的數(shù)量減少或質(zhì)量下降,從而不同程度地影響了血液這一運輸功能,出現(xiàn)一系列的病理變化。(2)血液是體液性調(diào)節(jié)的聯(lián)系媒介。此外,如酶、維生素等物質(zhì)也是依靠血液傳遞才能發(fā)揮對代謝的

9、調(diào)節(jié)作用的。(3)血液不斷循環(huán)及其與各部分體液之間廣泛溝通,故對體內(nèi)水和電解質(zhì)的平衡、酸堿度平衡以及體溫的恒定等都起決定性的作用。(4)血液中的白細胞能吞噬并分解外來的微生物和體內(nèi)衰老、死亡的組織細胞,血漿中的抗體如抗毒素、溶菌素等均能防御或消滅入侵機體的細菌和毒素。上述防御功能也即指血液的免疫防御功能,主要靠白細胞實現(xiàn)。此外,血液凝固對血管損傷起防御作用。3 人血液替代品綜述人工血液也稱人工替代血液,是利用和血紅蛋白相同的加工處理方法,維持血壓不變,在扮演搬運各種物質(zhì)角色的白蛋白中放入血紅素分子,制成白蛋白血紅素,這就是人工血液,嚴(yán)格來說祇能取代人體血液攜帶氧氣的功能,并無法取代白血球的免疫

10、功能與血小板的凝血功能。這種人工血液可把肺部呼吸的氧氣輸送到體內(nèi)各個組織器官。目前,根據(jù)使用材料的不同,人工血液可分為全氟碳化合物、血紅蛋白基氧載體、合成血紅素及其高分子配合物三大類。全氟碳化合物雖大部分已退出人工血液市場,但因其具有治療作用,研究工作仍在進行。為了降低血紅蛋白基氧載體的副作用,已采用多種方法對血紅蛋白進行改性,如采用化學(xué)修飾、微囊包裹 (HbV)、重組和仿生納米等技術(shù)。其中,血紅蛋白囊泡模擬紅細胞的結(jié)構(gòu),其粒徑相對較大(250nm) ,副作用相對較低,是目前血紅蛋白基氧載體的發(fā)展趨勢。人工合成血紅素如欄式卟啉只溶于有機溶劑,為增加其水溶性,可使其與白蛋白、 木糖醇酶和環(huán)糊精等

11、高分子結(jié)合為配合物,經(jīng)動物實驗表明,這些高分子金屬配合物在體內(nèi)具有運送氧氣功能7。理想的血液替代品除了能像血紅蛋白一樣具有攜帶氧氣的功能外,還應(yīng)該具備以下特點2:1) 無抗原性,無需交叉配血或相容性檢驗2) 運送氧氣和二氧化碳的能力預(yù)天然血紅蛋白相似3) 不與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng),不激活補體,不升高白蛋白,不產(chǎn)生高價鐵4) 無毒,不產(chǎn)生有毒代謝物5) 室溫下穩(wěn)定,可以長期儲存 6) 能進行滅菌處理,不含有病原體3.1氟碳化物氟碳化物作為血液替代品的發(fā)現(xiàn)是一次偶然。1966年Clark 等發(fā)現(xiàn),美國 3M 公司所制全氟碳化合物(perfluorocarbons, PFCs),對氧的溶解度約為水的 2

12、0 倍,攜氧能力為血紅蛋白的數(shù)倍,在氟碳化物 FC-80 中給以一個大氣壓的氧,小鼠得以生存。他們就想到,這個可以用作血液替代品。1967 年 Sloviter 等以白蛋白為穩(wěn)定劑的全氟碳化合物乳劑對大鼠實行腦灌流成功。PFCs 的發(fā)展經(jīng)歷了兩代產(chǎn)品:第一代臨床PFC 是 Fluosol-DA-20,由全氟十氫萘( perfluorodecaline) (圖4) 和全氟三丙基胺被 Pluronic(聚丙二醇與聚環(huán) 氧乙烷的三嵌段共聚物)表面活性劑乳化后得到的混合物,由日本Green Cross 公司生產(chǎn)8,是經(jīng)FDA核準(zhǔn)的血液替代品之一。氟碳化物(PFC)的化學(xué)結(jié)構(gòu)類似鐵氟龍(聚四氟乙烯),主

13、要是由碳原子與氟原子所組成。PFC通常是白色的,完全由人工合成。PFC具有化學(xué)惰性,但在攜帶溶解氣體方面很出色。它們能夠比水或血漿多攜帶20%至30%的氣體,如果存在更多的氣體,它們還能攜帶得更多,并且溶解于氟碳液體中的液體很容易被組織吸收2。PFC既油又滑,因此在使用時必須先進行乳化處理或懸浮在某種溶液中。PFC一般與通常用于靜脈注射的其他藥物混合使用,如卵磷脂或白蛋白。這些乳化劑最終會在離開血液循環(huán)系統(tǒng)時分解,肝臟和腎臟將其從血液中除去,肺會像呼出二氧化碳一樣,將PFC呼出體外5。圖4全氟十氫萘PFC的最大優(yōu)勢在于它的生產(chǎn)不依賴于過期的人血或其它生物來源的血液, 可大量生產(chǎn)。對于信仰宗教不

14、愿接受任何來源H b的人來說, 氟碳類無疑是最佳選擇。但該產(chǎn)品也有一些缺點和副作用2,3。1)它只是一種氧氣的溶解劑。使用時,患者必須呼吸70%-100%濃度的氧氣,才能供給足夠的氧氣溶解量。2)循環(huán)時間短,故有效時間短,高濃度使用可使血粘度升高,使用的最大濃度有限。3)需要適合的溫度和條件。4)輸入時可出現(xiàn)急性和短暫的面色潮紅和背痛,隨之繼發(fā)發(fā)熱和寒戰(zhàn) 5)激活補體系統(tǒng)和吞噬細胞 (第二代產(chǎn)品中尚未發(fā)現(xiàn))。大劑量氟碳可導(dǎo)致肝淤血和短暫的免疫防御功能受損,患者此時有面臨感染的危險。3.2 經(jīng)化學(xué)修飾的血紅素早期人們研究去除紅細胞膜無基質(zhì)的Hb,他可以通過過濾法除菌。但去除紅細胞膜的無基質(zhì)Hb雖

15、然有運輸氧氣的功能,但不能作為有效的血液替代品。因為血紅素與氧分子的親和力,與紅血球內(nèi)的一重要分子(2,3-DPG)有相當(dāng)密切的關(guān)系。經(jīng)由純化過程所取得的血紅素溶液,由于紅血球被打破,造成 2,3-DPG 分子的流失,導(dǎo)致血紅素對氧的親和力過高,而降低了其在人體組織或器官中的釋氧功能。同時它的循環(huán)時間短,對人體會產(chǎn)生毒副作用,如腹痛,血尿等。因此若以血紅素為基質(zhì)來制備人工替代血液,必須對純化出來的血紅素溶液做適當(dāng)?shù)奈锢砘蚧瘜W(xué)修飾,以符合人體的生理要求3。 圖3 2,3-DPG (1)聚合型人工替代血液:又可分為分子內(nèi)部交聯(lián)型血紅素、分子與分子間交聯(lián)型血紅素與共軛交聯(lián)型血紅素。分子內(nèi)部交聯(lián)型血紅

16、素是指血紅素分子內(nèi)部的交聯(lián)可以用 PLP(pyridoxyl 5-phosphate)分子代替 2,3-DPG 分子,做為修飾血紅素對氧分子親和力的交聯(lián)劑。分子內(nèi)部交聯(lián)型血紅素:血紅素分子內(nèi)部的交聯(lián)可以用 PLP( pyridoxyl 5-phosphate)分子代替 2,3-DPG 分子,做為修飾血紅素對氧分子親和力的交聯(lián)劑。由于 PLP 和 2,3-DPG 對脫氧狀態(tài)的血紅素分子結(jié)合的位置相同,因此可以穩(wěn)定其去氧結(jié)構(gòu),使血紅素對氧的親和力降低。這樣的分子內(nèi)部交聯(lián)也同時穩(wěn)定了血紅素的四聚體結(jié)構(gòu),避免在人體血液循環(huán)過程中被快速分解掉,因此可以改善血紅素分子在人體內(nèi)滯留的半衰期。分子與分子間交聯(lián)

17、型血紅素是指分子內(nèi)部交聯(lián)后的血紅素分進一步以另一交聯(lián)劑將血紅素分子與分子間交聯(lián)起來。這樣可以有效地增加其在人體血液循環(huán)中的半衰期達六至七倍。目前較常用的交聯(lián)劑為戊二醛。共軛交聯(lián)型血紅素為利用交聯(lián)劑將血紅素分子以共價鍵結(jié)的方式鍵結(jié)在水溶性高分子鏈上,目的除了增加血紅素分子的體積以減緩血紅素分子由腎絲球體漏出外,亦可避免血液中其它蛋白質(zhì)吸附,以降低人體免疫系統(tǒng)的攻擊。聚合血紅素最重要的就是控制其分子量分布及適當(dāng)?shù)臄y氧能力,較適當(dāng)?shù)姆肿恿看笮〖s在 20萬40 萬 dalton,以不超過 50 萬 dalton 為佳,也就是相當(dāng)于二至八個血紅素分子聚合的大小。若聚合程度過高,則聚合后的血紅素溶液黏度會

18、過大,導(dǎo)致血液流變性質(zhì)的改變。若血紅素分子聚合程度過低,則無法得到適當(dāng)?shù)臄y氧能力以及在人體內(nèi)的適當(dāng)半衰期。HBOC的主要不良反應(yīng)包括以下幾點:1) 血管活性體循環(huán)血壓和肺動脈壓升高。2) 腎毒性 大量無基質(zhì)Hb的寡聚體經(jīng)腎排泄堵塞腎小管,引起急性腎小管壞死。經(jīng)化學(xué)修飾的無基質(zhì)Hb在一期臨床試驗中未發(fā)現(xiàn)有腎毒性。3) 激活補體4) 消化道反應(yīng)。引起腸道平滑肌細胞痙攣經(jīng)檢驗,進行臨床試驗的絕大多數(shù)產(chǎn)品結(jié)果顯示均不適合在臨床上作為人工血液大規(guī)模應(yīng)用9。這些問題歸根結(jié)底來源于與人體紅血球較大的尺寸和構(gòu)造差異。越來越多的研究發(fā)現(xiàn),血紅蛋白基氧載體必須要有類似紅細胞的結(jié)構(gòu)和粒徑10。只有采用同人體紅血球相

19、近的細胞形態(tài)來設(shè)計紅細胞替代物,才能更有效地發(fā)揮血紅蛋白的氧傳輸功能,并減小其副作用。(2) 包覆型人工替代血液:用磷脂質(zhì)經(jīng)由乳化技術(shù)將血紅素包覆起來,形成直徑約 100200nm大小的血紅蛋白囊泡(HbV),如此可以避免血紅素在體內(nèi)被快速分解掉,增加其在人體血液循環(huán)中的半衰期,且在人體膠體滲透壓的限制下,可以有正常的血紅素濃度。在包覆過程中同時也把 2,3-DPG 分子包覆在磷脂質(zhì)里面,以調(diào)控血紅素分子對氧分子的親和力4。血紅蛋白包裹形成囊泡是為了消除血紅蛋白分子的毒性,其作用效果依賴于血紅蛋白和脂質(zhì)體的比率11。HbV 分子存在的問題與天然分子的組裝和粒子的分散有關(guān),例如粒徑分布、蛋白的純

20、化、高血紅蛋白含量、血液的匹配性、 長期儲存的穩(wěn)定性和快速的降解性等問題12,13。其膜復(fù)合物的組分是紅細胞的23 倍, 可在內(nèi)皮網(wǎng)狀細胞中迅速完全降解。然而,大劑量的 HbV 會引起暫時性的肝脾腫大和免疫反應(yīng)的改變12。雖然有不利之處,但是,HbV 可以消除修飾血紅蛋白的副作用,與其他血紅蛋白基氧載體(如修飾的血紅蛋白溶 液) 最大的區(qū)別是 HbV 的 P50 和流變學(xué)特性都可調(diào)整。HbV模擬紅細胞結(jié)構(gòu)的特征如下: (1) HbV 可被薄的雙分子層包裹形成懸浮液,脂質(zhì)體用來防止血小板和補體激活13,PEG修飾保證了其可在室 溫 下儲存2 年以上14。(2)250nm 的粒徑大小適中;(3)

21、具有細胞結(jié)構(gòu)的特性避免了血紅蛋白分子所有的副作用15 ;(4) 磷脂血紅蛋白囊泡具有選擇性進入內(nèi)皮網(wǎng)狀系統(tǒng)降解的優(yōu)勢,這也是紅細胞降解的場所16。 3.3基因重組型人工替代血液基因重組型人工替代血液:主要是利用基因技術(shù),將血紅素的 或 鏈的基因轉(zhuǎn)殖到大腸桿菌里面,由大腸桿菌來表現(xiàn),制造出血紅素分子。利用基因技術(shù)可以改變 或 鏈上某些特定的氨基酸,例如將 鏈上第 108 個氨基酸,由原來的天門冬胺酸改變成離胺酸,可以使得血紅素對氧的親和力降低。第一代重組血紅蛋白是Somatogen 克隆的人血紅蛋白(rHb1.1, Optro),其結(jié)合氧的方式與紅細胞血紅蛋白相似9,具有有效的氧氣運送功能。RH

22、b1. 1 進行了 期和 期臨床實驗,但存在許多如肺血管和系統(tǒng)性血管活性、血紅蛋白外滲、血清酶等的增加以及血紅蛋白與內(nèi)毒素的反應(yīng)等副作用9。第二代 rHb的研發(fā) ( Baxter)是通過基因重組技術(shù)消除血紅蛋白與 NO 結(jié)合產(chǎn)生的副作用, 通常采用定點突變的辦法,合成許多血紅蛋白變異體。利用基因重組技術(shù)可將四聚體血紅蛋白進行交聯(lián),血紅蛋白變異體可在空間上阻止Hb與 NO 的結(jié)合。臨床試驗表明,二代產(chǎn)品的安全性和有效性增加。3.4 人血液替代品最新發(fā)展現(xiàn)狀2006年英國shelffield化學(xué)博士TWYMAN等報道了一種以卟啉鐵()為中心的高度分支的聚乙二醇,其大小和形狀與天然Hb相似。這種Hb

23、分子類似化合物在體外研究顯示能可逆的結(jié)合釋放氧氣5次以上。 2011年,英國科學(xué)家利用干細胞制造的人造血液可能在兩年內(nèi)在人類身上試用。據(jù)悉,這種人造血不會感染,并可適用于所有血型的人員。2011年,巴黎第六大學(xué)呂克杜埃的團隊用這種紅血細胞,對人類志愿者實施了第一例少量輸血手術(shù)。這些細胞能像普通的紅血細胞一樣正常工作,在輸血26天后,仍有大約50%的細胞在血液中循環(huán)。2013年,羅馬尼亞科學(xué)家研制出一種人造血液-由水、無機鹽以及一種深海昆蟲體內(nèi)提取的蚯蚓血紅蛋白合成的材料,可短時間替代血液實現(xiàn)氧氣和二氧化碳交換代謝。與人血紅蛋白相比,蚯蚓血紅蛋白與氧化性物質(zhì)反應(yīng)為陰性( 過氧化氫、一氧化氮、亞硝

24、酸鹽)。將蚯蚓血紅蛋白用 PEG 和戊二醛聚合交聯(lián),限制了其從血管溢出和降低其抗原性,具有一定氧結(jié)合力和自動氧化能力, 被認為具備血液替代品的性能。這一成果如果得以成功推廣應(yīng)用,則有望緩解血庫的供給短缺,甚至避免血液污染的風(fēng)險,同時通過化學(xué)修飾,實現(xiàn)對氣體的高溶解度,避免氣泡的產(chǎn)生,大大提高輸血的適用范圍和臨床功效。2013年12月,日本研究人員成功利用干細胞培育出能夠攜帶氧的紅細胞,在此基礎(chǔ)上有望大量培育用于輸血的紅細胞,幫助醫(yī)療系統(tǒng)緩解用血緊張狀況。2015年6月25日,英國國家醫(yī)療服務(wù)系統(tǒng)血液與移植部門宣布將于2017年啟動人造血液制品的早期臨床試驗,其中的“人造血液”,指的就是通過造血

25、干細胞在實驗室中體外培養(yǎng)得到的紅細胞。4感言人工血液可代償性地取代人體血液攜帶氧氣的功能把肺部呼吸的氧氣輸送到體內(nèi)各個組織器官。近年來,由于戰(zhàn)爭、嚴(yán)重自然災(zāi)害、恐怖事件等原因,對血液代用品的需求巨大,僅靠血庫供血難以滿足需求。全世界每年要輸三千萬單位血液,由于血液供給不足,在未來 30 年里每年約缺四百萬單位血液。同時面對輸血傳播疾病帶來的恐懼,有學(xué)者提出“無血醫(yī)學(xué)”的倡儀,即通過跨學(xué)科的合作盡量避免輸異體血。血液代用品的出現(xiàn)無疑是無血醫(yī)學(xué)倡導(dǎo)者的又一選擇。人血液替代品在解決血資源短缺的問題方面有著極大地潛力。人工血液的成功開發(fā),如同人類登月一樣意義重大。經(jīng)過多年努力,人工氧載體的研究已經(jīng)有長

26、足進步。雖然人工血液存在著不足,但他的潛力卻很大。隨著科技的發(fā)展,新材料的不斷出現(xiàn),人血液替代品的性能越來越好。人工氧載體的發(fā)展趨勢可以概括為以下兩點:一是利用納米微球技術(shù), 將血紅蛋白包裹形成納米微球, 使其更適合用作人工氧載體;二是盡可能選用低毒甚至無毒, 且可生物降解和具有生物相容性的材料。進一步克服其局限性。拓寬臨床應(yīng)用是人血液替代品科研工作者以后要努力地方向。參考文獻1 黃宇彬,小松晃之,土田英俊 應(yīng)用化學(xué),2004,21(11):0-02 Squires JE. Artificial blood. Science 2002 295(5557):1002-10053王翔,高瑋,楊力-

27、自主創(chuàng)新與持續(xù)增長中國科協(xié)年會-20094賈永會,童名容?;瘜W(xué)修飾血紅蛋白的研究概況 J。離子交換與吸附1995,11(2):182-1875Chang TM, .Modified hemolobin blood substitutes: present status and future perspectivesJ. Biohechnol annuRev 1998,4:75-1126TWYMAN L J,GE Y Porphyrin cored hyperbranched polymers as heme protein models JChem Commun( Camb) ,2006,15( 15) :1658 16607殷曉春, 王榮民, 何玉鳳,等. 人工氧載體研究

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