医用生物材料研究进展.doc

医用生物材料研究进展摘要生物医用材料（biomedical material）是用于对生物体进行诊断、治疗、修复或替换其病损组织、器官或增进其功能的新型高技术材料。它是研究人工器官和医疗器械的基础，己成为材料学科的重要分支，尤其是随着生物技术的莲勃发展和重大突破，生物材料己成为各国科学家竞相进行研究和开发的热点。当代生物材料已处于实现重大突破的边缘，不远的将来，科学家有可能借助于生物材料设计和制造整个人体器官，生物医用材料和制品产业将发展成为本世纪世界经济的一个支柱产业。 由生物分子构成生物材料，再由生物材料构成生物部件。生物体内各种材料和部件有各自的生物功能。它们可以做生物部件的人工代替物，也可以在非医学领域中使用。前者如人工瓣膜、人工关节等；后者则有模拟生物黏合剂、模拟酶、模拟生物膜等。关键词：生物，医学，材料，医疗器械，创伤，组织，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、生物医用复合材料的研究现状与应用 陶瓷基生物医用复合材料 陶瓷基复合材料是以陶瓷、玻璃或玻璃陶瓷基体，通过不同方式引入颗粒、晶片、晶须或纤维等形状的增强体材料而获得的一类复合材料。目前生物陶瓷基复合材料虽没有多少品种达到临床应用阶段，但它已成为生物陶瓷研究中最为活跃的领域，其研究主要集中于生物材料的活性和骨结合性能研究以及材料增强研究等。 医用羟基磷灰石的研究进展研究进展：1.1纳米羟基磷灰石胶层植入体 金属基纳米羟基磷灰石涂层材料既具有金属的强度、韧性，又具有纳米材料的组织相似性和生物材料的生物相容性，将它作为植入材料和机体在纳米尺度上的结合能十分有效地改善生物相容性、可植入性、结合强度以及电、热等的绝缘性谭延斌等11】对NHA梯度涂层植入体在动物体内的成骨情况和植入体一骨界面的细胞因子的表达进行研究，结果植入体一骨界面能快速地达到骨性结合，TNF-a、IL取IL-6表达水平较低，IL-10水平明显高于钛合金组，说明NHA材料能减少炎性细胞因子的表达，增加抑炎性因子的表达，同时植入体一骨面剪切强度优于钛合金组涂平生等n2】通过NHA涂层人工关节治疗犬骨质疏松症的实验研究，证明含NHA涂层人工关节柄周围结构较好 1.2人工软骨改性及人工角膜支架 聚乙烯醇(PvA)水凝胶具有弹性高、易于成型、无毒副作用及良好的生物相容性【l引，在生物医学领域具有广泛应用，如作为人工软骨【H】但是聚乙烯醇人工软骨假体与骨基底的结合性能差，影响了软骨的固定和修复功能，采用聚乙烯酵与纳米羟基磷灰石复合，可大幅度提高人工软骨与骨基底的结合性能许风兰等Its用纳米羟基磷灰石与聚乙烯醇制备了一种新型的人工角膜，光学中心用柔韧透明的聚乙烯醇水凝胶。周边支架采用纳米羟基磷灰石与聚乙烯醇复合的多孔水凝胶动物实验术后进行裂隙灯和组织学观察表明复合人工角膜生物相容性好，支架与宿主角膜可发生生物性愈合CRLEON应用纳米羟基磷灰石制作人工角膜支架，支架能与角膜基质生成生物性结合Ll引 1.3抗肿瘤作用和药物载体 纳米羟基磷灰石作为骨组织的无机成分，具有良好的生物相容性，且能被组织细胞消化分解，是理想的药物基因载体或搞癌药物的材料纳米羟基磷灰石粒子由于粒径小，具有较大的表面能，因而易被恶性肿瘤细胞所吞噬，其可以通过细胞膜和核膜导致DNA损伤，对细胞周期有阻断，并抑制癌基因c2myc的表达1966年起，shipu等报道了羟基纳米磷灰石粒子对人肺癌及胃癌细胞有抑作用【17】等通过体外细胞毒性实验，观察细胞形态及超微结构等方法，研究纳米羟基磷灰石粒子对骨肉瘤U220S细胞有明显的抑制作用，且随浓度(3125 btgmL到500 vgmL)和作用时间(1 d-3 d)的增加而增加，细胞出现皱缩、核浓缩、核碎裂等凋亡特征纳米羟基磷灰石粒子对急性白血病患者的体外白血病生长具有明显抑制作用【17】发现纳米羟基磷灰石粒子能作为一种载体吸附多柔比星(ADM)、丝裂霉素C、氟尿嘧啶等抗肿瘤药物，在体外Ca29细胞和HSC23细胞培养中，这种载有ADM的纳米羟基磷灰石比单用ADM或纳米羟基磷灰石的对照组有着更显著的生长抑制作用，提示能增强对肿瘤细胞增殖的抑制 2、医用高分子材料的主要类别生物医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从自然界现有的动、植物体中提取的天然活性高分子,如从各种甲壳类、昆虫类动物体中提取的甲壳质壳聚糖纤维,从海藻植物中提取的海藻酸盐,从桑蚕体内分泌的蚕丝经再生制得的丝素纤维与丝素膜,以及由牛屈肌腱重新组构而成的骨胶原纤维等。这些纤维都具有很高的生物功能和很好的生物适应性,在保护伤口、加速创面愈合方面具有强大的优势,已引起国内外医务界广泛的关注。据日本、美国的多项专利介绍,由壳聚糖纤维制得的手术缝合线既能满足手术操作时对强度和柔软性的要求,同时还具有消炎止痛、促进伤口愈合、能被人体吸收的功效,是最为理想的手术缝合线;壳聚糖纤维制造的人造皮肤,通过血清蛋白质对甲壳素微细纤维进行处理,可提高对创面浸出的血清蛋白质的吸附性,有利于创口愈合,在各类人造皮肤中其综合疗效最佳。据研究报道,已用于酶固定化、细胞培养、创面覆盖材料和人工皮肤以及药物缓释材料等医学各领域,尤其各种再生丝素膜在人工皮肤、烧伤感染创面上的应用显示了独特的优势,临床应用价值显著,前景广阔。2.2 合成高分子材料合成高分子材料因与人体器官组织的天然高分子有着极其相似的化学结构和物理性能，因而可以植入人体，部分或全部取代有关器官。因此，在现代医学领域得到了最为广泛的应用，成为现代医学的重要支柱材料。当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药物控制释放材料。外科置入件用高分子材料耐生物老化,作为长期置入材料具有良好的生物稳定性和物理、机械性能，易于加工成型,原料易得，便于消毒,受到人们普遍的关注,这类材料主要用于生物体软、硬组织修复体、人工器官、人工血管、接触镜、膜材、粘结剂和空腔制品诸方面。其特点是大多数不具有生物活性，与组织不易牢固结合，易导致毒性、过敏性等反应。不过作为承重的植入件用高分子材料还有许多方面的问题，目前研究主要集中在提高材料的对生物体的安全性；提高组织相容性和血液相容性；改善生物学性能，改善提高力学、机械、物理性能。在生物膜材料方面，属于线性高分子多糖结构的壳聚糖是甲壳质脱乙酰基的衍生物，无毒、无抗原性，可在生物体内自行降解.壳聚糖膜有促进创面愈合的作用，具有良好通透性，且含有游离氨基，能结合酸分子，是天然多糖中唯一的碱性多糖。因而具有许多特殊的物理化学性质和生理功能，在医学生物材料上可作为人工肾膜和人造皮肤。生物降解型医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质等，在临床上主要用于暂时执行替换组织和器官的功能，或作药物缓释系统和送达载体、可吸收性外科缝线、创伤敷料等。其特点是易降解，降解产物经代谢排出体外，对组织生长无影响，目前已成为医用高分子材料发展的方向。高分子药物控制释放体系不仅能提高药效，简化给药方式，大大降低了药物的毒副作用，而且纳米靶向控制释放体系使药物在预定的部位，按设计的剂量，在需要的时间范围内以一定的速度在体内缓慢释放，而达到治疗某种疾病或调节生育的目的，比如高分子多肽或蛋白药物控制释放体系新的研究进展，为那些口服无效的多肽或蛋白药物的临床应用，展示了令人鼓舞的前景。3、医用高分子材料的几个典型应用3.1 人工组织在各种人工骨、人工关节、牙根等方面，医药高分子材料是医学临床上应用量很大的一类产品,涉及医学临床的骨科、颌面外科、口腔科、颅脑外科和整形外科等多个专科,往往要求具有与替代组织类似的机械性能,同时能够与周围组织结合在一起。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）、壳聚糖和聚酸酐等可生物降解材料也得到了广泛研究和应用。传统的金属超高分子量聚乙烯（UHMWPE）广泛应用于人工髋关节领域，Harris等的研究证明，采用电离辐射或射线辐射，剂量达到50kGy时就能增加PE的交联度、提高PE的抗磨损。目前，高交联UHMWPE已作为最有希望的减少PE磨损及其后续骨溶解的措施，获得了临床的广泛应用。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）即通常所指的普通骨水泥，最常用于人工关节置换术中填充骨和假体之间的缝隙，可使人工假体机械嵌插负重面积增加，负重能力增强。黄平等，研究表明，骨水泥病灶充填治疗骨盆四肢转移性骨肿瘤能提高生存时间，改善生活质量。常用作骨科材料的可降解吸收高分子材料主要有聚乳酸、甲壳素等，而抗生素聚酸酐缓释剂也已得到了深入的研究。聚乳酸（PLA）属于聚酯类材料，不仅具有良好的生物相容性，还具有适宜的生物降解特性、优良的力学性能和可加工性，在实验及临床应用中表现出良好的骨修复作用，由 PLA制作的螺钉、髓内棒、针、膜已商业化。聚酸酐是20世纪80年代初美国麻省理工学院Langer等发现的一类新型可生物降解的合成高分子材料，现已广泛用于化疗剂、抗生素药物、多肽和蛋白制剂（如胰岛素、生长因子）、多糖（如肝素）等药物的控释研究。庆大霉素等抗生素与聚酸酐组成的缓释给药系统应用于骨髓炎的治疗也已取得初步成功。对于聚酸酐释药模型、剂型工艺和质量标准的研究将是未来的重点之一。3.2 人工脏器随着科学的发展，由高分子材料制成的人工脏器正在从体外使用型向内植型发展，为满足医用功能性、生物相容性的要求，把酶和生物细胞固定在合成高分子材料上，能够克服合成材料的缺点，从而制成各种脏器满足医学要求。作为软组织材料的一个重要组成部分的人工器官,其应用前景已为人们所看好。随着人工脏器性能的不断完善,其在临床上的应用必将越来越广泛。主要有：人工肺、人工肾(透析型、过滤型、吸附型)、人工肝脏、人工心脏、人工食管、人工膀胱等。美国开发了“左心室同轴对称辅助泵”。此设备是气动的，压缩空气使聚氨酯橡胶球式泵腔张合，帮助输送血液。球囊外包一金属钛壳，在钛壳和球囊与血液接触的表面按严格规定栽植了聚酯纤维，以有利于生物衬里的生成。通过手术将此设备安置在左心室顶部(人血口)和主动脉(出血口)之间，压缩空气管从胸腔和腹部引出。膜式人工肺从1955年开始试制。曾用过聚乙烯、醋酸纤维素、聚四氟乙烯等，但对气体的透过性不够好。正在研制的富氧膜有硅橡胶(SR)、聚烷基砜(PAS)、硅酮、聚碳酸酯，它们的综合性能很好。加拿大皮埃尔、莫林等研制的一种人工肺，构造比较简单，没有电子或机械仪器，是用具有特殊性能的人造海绵制成的。，但要把这种人工肺移植到人体，尚需解决排异反应和凝血等问题。人工肾血液透析器所用中空纤维的材质大多为再生纤维素或纤维素酯，如ENKA Glanzstoff公司的铜胺膜（cuprophane），Cordis DOW公司的醋酸纤维素膜，东华大学开发的粘胶法纤维素和非水溶剂法纤维素膜。东华大学研制的聚丙烯腈中空纤维腹水超滤浓缩回输器，已在上海华东医院和中山医院临床应用，治疗效果明显，东华大学与上海德圆科技发展公司合作制成的腹水透析浓缩器及其配套设备，已经国家医药管理总局和上海医药局批准生产和应用。参考文献：1李世普。生物医用材料导论【M】。武汉：武汉工业大学出版社，2000。88123。2王桂香，潘芊秀，王怀生高等学校化学学报，2005，26(10)：1812-18163高玉莲，田燕妮化学研究与应用，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张幼珠,吴徽宇,田保中.药物丝素膜的性能及在烧伤感染创面上的应用J.纺织学报,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