生物材料在醫(yī)學中的應用與發(fā)展分享

1、真誠為您提供優(yōu)質參考資料，若有不當之處，請指正。生物材料在醫(yī)學中的應用與發(fā)展摘 要 概述了生物材料發(fā)展的三個階段,包括惰性生物材料階段(替代修復)、生物材料生物化階段、組織工程支架材料階段。對這三個階段中生物材料的研究狀況和發(fā)展前景進行了詳述，并指出目前組織工程的研究為生物材料提供了極大的發(fā)展機會:人們在可降解吸收生物材料研究方面取得了越來越多的成績,認為天然可降解高分子材料是組織工程用支架材料研究的重點.同時還對現(xiàn)階段生物材料的制備加工方法以及檢測和評價方法進行了簡單的介紹。文中指出在材料制備加工方法上, 不僅需要改善既存的技術, 而且適應對生物材料的需要, 必須要開發(fā)多種實用方法; 在研究

2、生物材料結構上目前使用的一些檢測方法已成為材料結構分析的首要之選; 在生物材料的性能, 特別是生物學性能, 研究方法大多結合了物理、化學、生物學和工程學技術，一些信息技術和工程理論的研究方法也要被引入生物材料的研究方法中。關鍵詞 生物材料; 研究方法; 降解; 生物相容性前言生物材料的定義很多,歸納起來可理解為生物材料是一類用于人工器官、修復、理療康復、診斷、檢查、治療疾病等醫(yī)療保健領域,對人體組織、血液不致產(chǎn)生不良影響的功能材料。生物材料的發(fā)展已經(jīng)有非常長的歷史,醫(yī)學水平的提高以及人類生活質量的改善, 也促進了生物材料的發(fā)展。生物材料是用以和生命系統(tǒng)結合,以診斷、治療或替換機體中的組織、器官

3、或增進其功能的材料。根據(jù)其功能,它臨床應用一般要加工成與藥物一起使用或單獨的部件。人們致力于對該類功能材料的研究,旨在使該材料制成的器件能夠代替或修復人體病損的組織和器官,并實現(xiàn)其生理功能。研究生物材料涉及的學科領域很多,如材料、生物、醫(yī)學、物理、生物化學及一些現(xiàn)代高技術等,相應的研究包括除生物與材料學科的評價方法外,還會有物理、化學及一些工程的研究方法,并且,不同材料具體不同的功能或用途,決定了它具備多種不同的性能,這也反映了對它的研究具有不同的方法,本文按照材料制備、組成結構及性能的關系,必要時結合其具體用途,概述生物材料的一些研究方法,評析其發(fā)展狀況。生物材料發(fā)展的三個階段根據(jù)發(fā)展水平和

4、產(chǎn)業(yè)化狀況,可以把生物材料分為三個發(fā)展階段: 一惰性生物材料, 即材料與組織細胞無界面作用;二生物材料的生物化, 即材料與組織細胞親和性改善, 關注界面間的相互作用; 三組織工程支架材料,不僅關注材料與組織細胞的親和性,還關注材料本身的成型、力學性能和降解能力。 下面分別討論這三個階段生物材料的研究狀況和發(fā)展前景。1 惰性生物材料惰性生物材料是指對人體組織化學惰性, 其物理機械和功能特性與組織匹配,使材料在應用過程中不致產(chǎn)生不利于功能發(fā)揮和對其它組織影響的反應,特別是與組織接觸或短(長)時間不產(chǎn)生炎癥或凝血現(xiàn)象, 無急性毒性或刺激反應,一般無補體激活產(chǎn)生的免疫反應1的一類功能材料。這類材料的應

5、用基于對材料本身性能的全面了解,是人類最早、最廣泛應用的生物材料。目前惰性生物材料主要品種有金屬材料、非金屬材料、有機高分子材料以及復合材料. 金屬材料主要集中在不銹鋼、鈦、金、銀等基體金屬及鈷、鎳、銀-汞合金; 非金屬材料主要有氧化鋁、氧化鋯、氧化硅、氧化鎂、氧化鈦、鋁酸鈣等陶瓷材料;有機高分子材料品種多,應用最為廣泛,它有聚乙烯、聚丙烯,聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸羥乙酯、聚氨酯、硅橡膠、天然橡膠、碳纖維、聚砜纖維、聚丙烯中空纖維、吸附樹脂等; 復合材料主要有纖維增強聚合物材料或金屬-陶瓷復合材料2。這些材料可用于人工血管、人工角膜、人工瓣膜、人工心臟及心

6、臟輔助設備、心臟補片、人工晶狀體、人工中耳骨、人工食道、喉、乳房、腎、肝、胰、膽道、輸尿管、陰莖、皮膚、承力骨、顱骨、關節(jié),以及醫(yī)療輔助設備如醫(yī)用插管、輸液管、輸血管、手套、避孕套、繃帶、止血海綿、組織黏結劑等。材料表面的鈍化也是惰性生物材料的研究內容, 表面鈍化的內容是在材料表面覆蓋白蛋白,抑制血小板在基材上的沉積,使凝血反應難以發(fā)生,或設計類金剛石表面,使材料表面不會引起任何細胞毒素作用、溶血作用和補體激活現(xiàn)象,另外該表面具有機械、熱、化學和生理環(huán)境下的穩(wěn)定性優(yōu)點,可望成為最有發(fā)展?jié)摿Φ亩栊陨锊牧?。隨著醫(yī)學水平的提高以及人們生活質量的改善, 惰性生物材料的應用會向更高層次生物化或組織工

7、程化生物材料過渡。 但就目前商品化和普及應用水平看,尤其是醫(yī)學的目的從治病救人轉軌到預防保健過程中,需要大量常用人工器官和生物材料為主體的醫(yī)療器械,使惰性生物材料在相當長一段時間內占統(tǒng)治地位是研究開發(fā)的重點。2 生物材料的生物化隨著材料科學、醫(yī)學的發(fā)展, 以及先進儀器設備的發(fā)明, 帶動了生物材料的發(fā)展。 集中表現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)新型生物材料,以及更多關注惰性生物材料所制成的人工器官和醫(yī)療器械在使用過程中與組織或血液產(chǎn)生的界面反應。 新型生物材料有代表性的成果是20世紀70年代發(fā)現(xiàn)的鈣磷系玻璃陶瓷, 如羥基磷灰石、B- 磷酸三鈣、珊瑚等4。這類材料具有與人體骨組織的無機成分有類似的化學組成,材料抗壓、抗折

8、強度與人骨接近5, 植入后與組織親和性良好,同時有降解作用并誘導成骨細胞(加誘導因子如BMP) 的長入6,使植入組織骨化, 一段時間后植入組織轉化為正常組織等特點,也即材料在使用過程中逐漸生物化。另一個研究重點是惰性生物材料的生物化：即在不破壞原有材料性能的基礎上, 通過表面改性設計使材料在長期使用過程中與細胞親和性好,不產(chǎn)生炎癥、凝血、畸變、甚至癌變等反應。 研究的重點是抗凝血材料的設計與制備。 抗凝血材料設計思路有以下五點:(1)在惰性生物材料表面引入活性藥物如肝素、尿激酶、前列腺素等或類肝素化7-10,這種生物化方法的關鍵是以物理或化學方法引入這些高抗凝血活性物質,材料在使用過程中表面維

9、持一定量的抗凝血活性藥物;( 2)表面接枝親水性分子鏈11-12，是疏水高分子生物材料生物化的一大內容,主要在表面接枝PEO或甲基丙烯酸羥乙酯等親水鏈, 使材料在體液或血液環(huán)境中表面完全親水；(3) 設計表面微相分離結構也是材料生物化的內容, 微相分離是血管壁內皮的結構特征,即親水糖鏈和疏水脂質體形成兩相鑲嵌結構, 模仿這類結構可望改善材料的抗凝血性。目前主要通過共混或共聚方法在高分子聚合物如聚氨酯表面引入微相分離結構。 值得注意的是微相分離結構對材料抗凝血性能提高的機制沒有完全弄清楚,使該方法的研究受到制約; (4) 接枝蛋白質或氨基酸, 產(chǎn)生免疫吸附13,這主要是基于蛋白質、氨基酸或核酸與

10、細胞有更好的親和性;天然高分子如甲殼糖、膠原、明膠、蛋白微絲等生物材料的研究表明, 它們的抗凝血性能和組織親和性優(yōu)于一般生物材料,關鍵在于一系列處理過程中如何維持天然材料的結構性能,尤其是維持材料的免疫性能;(5) 表面液晶結構設計, 使材料表面與細胞表面產(chǎn)生類似的物理結構或化學結構,該研究已經(jīng)證明表面液晶結構的形成有利于材料抗凝血性能的提高14。.3 組織工程支架材料材料生物化畢竟不能改變材料的基本結構,這為材料的長期使用留下隱患,同時器官( 尤其是組織) 是一個復雜的系統(tǒng),不可能用單一無活性的材料來模仿其全部或大部分功能。 因此在器官( 或組織) 供體來源非常有限的情況下,如何在體外培養(yǎng)出

11、正常的組織供手術使用, 是醫(yī)學界和生物醫(yī)學工程學界追求的目標之一。組織工程的出現(xiàn)和發(fā)展為這一目標的實現(xiàn)提供了可能。組織工程是近十年發(fā)展起來的一門新興學科, 它是應用生命科學和工程的原理與方法,研究、開發(fā)用于修復、增進或改善人體各種組織或器官損傷后功能和形態(tài)的新學科,作為生物醫(yī)學工程的一個重要分支,是繼細胞生物學和分子生物學之后,生命科學發(fā)展史上又一個新的里程碑。 組織工程的關鍵是構建細胞和生物材料的三維空間復合體,該結構是細胞獲取營養(yǎng)、氣體交換、廢物排泄和生長代謝的場所, 是新的具有形態(tài)和功能的組織、器官的基礎。 生物材料在組織工程中占據(jù)非常重要的地位, 同時組織工程也為生物材料出了難題和提供

12、了發(fā)展方向。 生物材料的制備加工方法以及檢測和評價方法1 常用的結構檢測方法通過各種技術獲得生物材料后,人們?yōu)榱烁羁痰亓私馑奶匦?往往必須先研究材料的組成和微觀結構。在研究生物材料的微觀形貌、組成、結構最常用的檢測方法主要有:掃描電鏡觀察(SEM)、透射電鏡觀察(TEM)、X射線電光分光光譜法(XPS)、X射線衍射法(XRD)、傅立葉變換紅外光譜法(FTIR- ART)、原子力顯微鏡(AFM)、X射線能譜分析(EDX)等,這些研究手段或單獨或連用來研究材料的組成和結構;有些設備具有多樣功能,不只能觀測材料的形貌結構,還能用來測定材料的成分。從目前研究生物材料的文獻來看,以上方法似乎早已成為

13、研究者研究材料微觀結構的首要之選。2 理化性能的研究方法生物材料的性質包含很廣泛的內容,主要有三大類:物理性能、化學性能以及生物學性能。不同用途的材料會對它們的各項性能有不同輕重的要求。例如,對于生物降解材料,人們會重點關注它在生物體內逐漸分解或破壞的行為和程度,即其降解性。因此,研究生物材料的理化性能,并不是每一項目都給予關注。目前,羥基磷灰石(HA)是生物材料界研究比較多的一種生物陶瓷材料,它正廣泛地應用于很多方面,并有進一步擴大應用范圍的可能。因此,它各個方面的性能受到了廣泛的重視,通過對它性能研究方法的了解,可以認識一些生物材料性能的研究方法。3 生物學評價方法生物相容性是生物材料能否

14、應用于臨床的關鍵因素之一。評價一個生物材料的生物學性能,主要看材料與機體的相互作用,包括材料反應和宿主反應。由于不同材料的用途不同,其生物學評價項目內容和水平亦不同,項目內容的不同,具體要確定的研究方法也會不同15-21。國外對生物材料器件評價根據(jù)體外、體內及體外和體內之間的位置,分為短期和長期,它們的方法各不同。較為復雜的是體內植入材料,它的短期的評價方法有刺激實驗、致敏實驗、細胞毒性實驗、全身急性毒性實驗、血液相容性實驗、熱原實驗、植入實驗和致突變遺傳毒性實驗,長期的評價方法包括亞慢性毒性實驗、慢性毒性實驗、致癌實驗、生殖和發(fā)育毒性實驗及體內降解實驗。材料的生物學性能的評價系統(tǒng)是一個極其復

15、雜而又處于動態(tài)變化的,其方法也是極其復雜,并隨研究內容的發(fā)展而變化。常規(guī)的生物學評價實驗方法,對研究智能性生物醫(yī)用材料或組織工程所需的細胞基質支架材料的生物相容性,很難滿足新的功效性能的要求。在研究新材料的同時應設計、研究建立智能性要求的新的生物相容性實驗方法,如材料對本細胞培養(yǎng)、粘附、克隆化的實驗方法;細胞擴增過程中細胞生長與凋亡基因調控的實驗方法;人體各種促進細胞功能或抵制細胞功能的細胞因子與材料相互作用產(chǎn)生的正、負效應的實驗方法;材料在體內降解過程中降解產(chǎn)物對體內代謝影響的實驗方法。這些新的生物學評價實驗方法的建立將促進智能性仿生生物材料的研究和開發(fā)。結束語隨著社會日益增加對生物材料的需

16、要,將會促進材料合成技術的發(fā)展,改善對現(xiàn)有生物材料的改性,特別是表面改性技術,設計出便捷高效的方法,制造出功能更完善的組織工程材料;在新材料的設計和研究中,通常把研究對象要求的生物相容性作為一個重要問題考慮。因此,今后也會重點考慮對生物學性能的評價和檢測方式的研究,與此同時,也將會考慮理化性能對生物學性能的影響,通過加強對材料組成結構、物理化學性能的研究方法的研究,促進人們對生物學性能的了解。參考文獻1 胡大海, 陳 壁. 組織修復的再生生物學與工程學 J. 國外醫(yī)學生物醫(yī)學工程分冊. 2000, 23(3): 155.2 OKAZAKI JM, OHMAEH. Carbonfiber rei

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