开创纳米技术在骨科领域的新纪元

1、327文章编号:1008-5572(2003)04-0327-03开创纳米技术在骨科领域的新纪元胡勇,谢辉,徐荣明(浙江省宁波市第六医院315040)中图分类号:R318.5文献标识码:B纳米(nanometer,nm)是物理学中的一个度量单位,1纳米等于10亿分之一米。它作为打开微观世界的一把钥匙已经被科学界所启用。自从扫描隧道显微镜(scanningtunelingmicroscope,STM),原子力显微镜(atomicforecmicroscope,AFM),扫描探针显微镜(scanningprobemicraoscope,SPM)有机 无机物复合不均匀,从而影响了其生物效能。1994

2、年,英国的Bonefield成功地合成了模拟骨骼亚结构的纳米物质,该物质可取代目前骨科常用的合成材料,它的主要成分是经与聚乙烯混合压缩后的羟基磷灰石网,其物理特性正好符合理想的骨骼替代物的模数匹配。在国内有关研究人员也仿造天然骨形成过程,采用控制析出法工艺已成功制备了新型仿生骨材料纳米羟晶 胶原复合骨材料(以下简称Na2HAP CO),并通过家兔头颅试验,应用四环素荧光示踪,等工具相继问世后,纳米技术在很多边缘学科领域的研究已经出现了突破性的进展,并且不断向医学领域渗透,但纳米技术(nanoscaltechnology)很少被应用到骨科领域。1纳米技术在创伤方面的应用放射性同位素43CaCl2

3、标记和放射自显影等手段观察骨创愈合情况,并与原Na2HAP CO人工骨材料对比,结果证明纳米羟晶 胶原仿生骨材料确实对骨创愈合具有明显的促进和加快作用5。该材料能同时诱发膜内成骨和软骨内成骨两种成骨机制,促进新骨生长,加速骨创愈合。这种新型纳米羟晶 胶原仿生骨材料是一种颇有前途的骨缺损修复材料,尤其对血运较差的颅颌面骨的自行再生修复具有更好的疗效。2.2仿生关节的研究现状骨创不是很严重时骨骼可以在纳米技术是在纳米尺度范围内对原子、分子等进行操纵和加工的技术。纳米技术的基础是纳米材料技术。纳米材料是指某一尺寸在1100nm的材料。当材料达到纳米尺度后,就出现诸如小尺寸效应、量子效应、表面效应等不

4、出现于常规材料的特异性能。当材料的尺度达到纳米量级后,其典型特点的材料的表面积大幅度提高1。纳米银敷料抓住了这些原理,把银及其它一些同样具备杀菌能力的材料制备成纳米数量级的颗粒后,其杀菌活性就成倍提高。银(Ag)的杀菌机制不同于化学合成的抗菌剂,主要基于重金属离子对细菌蛋白质的变性作用,因而具有广谱杀菌及很少产生耐药菌的特点。纳米银敷料为将25nm的银离子种植附着在棉纱纤维上,通过银离子的缓释后与带阴电荷的菌体蛋白质结合,使其变形沉淀,银离子与酶的-SH基结合形成稳定的硫酸盐,使一系列巯基酶的活性受抑制,从而达到杀菌和抑菌的目的2。但纳米银敷料不应与含碘伏、酒精之类的药物合用。2纳米技术在骨科

5、仿生方面的应用2.1仿生骨材料研究现状天然骨是由无机矿物与生物大一些药物帮助下自行修复,但一旦骨缺损程度范围比较大的时候,就必须进行骨移植或安装假肢来修补身体的缺损。目前,临床已经应用新体材料(钛及钛合金)来修复骨缺损,但假体磨损、骨吸收仍是一个临床问题。随着纳米技术的出现,纳米类人骨也相继问世了。纳米人工骨具有优异的生物相容性、力学相容性和生物活性,不但能与自然骨形成生物性骨链合,且极易与人体肌肉和血管牢固长在一起,并可诱导软骨生成,然后磨损及松动的发生率大大下降,翻修手术也大幅度减少。这将使一些受伤的病人远离瘫痪的威胁。纳米仿生材料不单只局限于人工骨的应用,还在于人工关节,关节面有相当程度

6、的应用前景。关节是一个比较复杂的结构,各结构的力学性能都不一样,几个纳米单位的不同就会影响它的弹性性能、运动功能,且其结构和力学性能随不同的功能环境而不同。Dechow和Hylander6测量了猕猴下颌骨体部颊、舌侧皮质骨的弹性模量、剪切模量和泊松比,认为下颌骨分子规则排列所组成的复合体,前者主要为纳米级微晶羟基磷灰石,而后者主要是胶原蛋白和少量多糖,两者极为均匀、显然,获得与骨中晶体尺寸相同的纳有序地结合在一起3,4。米级羟基磷灰石并且与胶原均匀复合是仿生人工骨材料研究中的关键。现有的人工骨报道,不是矿化物颗粒粗大,就是328皮质骨的材料性能常数随部位和测试方向的不同而明显改变。也曾有学者采

7、用原子力显微镜及Hertz压痕测量模型7计算对人颞下颌关节(TMJ)关节盘、软骨及下颌骨的纳米弹性模量进行测量和分析表明:其不同结构或同一结构不同区域在纳米量所承受的局部力学载荷不同8。这些实验的结果说明一点:关节对其各组成部分的精确度要求相当高,这就要依靠纳米技术通过高分辨率的显微测定,高技术的原子装配。纳米水平的人工关节和关节面不久就会出现在我们面前。从20世纪80年代开始,髋、膝、肩及其他关节置换的设计数量不断增加,这些人工关节的基础研究和临床应用中最常见的假体松动仍是21世纪的研究热点。如何减少磨损、如何使其具有更好的生物相容性,使我们不得不向纳米水平看准。一旦纳米人工关节研制成功,不

8、仅能延长其使用寿命,且使它的机械活动灵敏度、生物活性大大增强。3纳米技术在软组织损伤修复上的应用骨创伤引起软组织的损伤主要是血管、神经、肌肉这三方面的损伤。3.1在血管损伤上的应用目前我们已经可以利用STM、AFM、SPM这些高分辨率的显微工具,在纳米尺度的范畴内,随心所欲的把原子、分子组装成一个个比红细胞还小的纳米机器人,他们可以在血管内任意穿梭。有了这些纳米机器人,即使是骨创引起的血管破裂造成局部栓塞,只要注入包裹有磁性颗粒的纳米粒子磁性液体,通过外磁场的作用,特异地聚集在病变血管部位,就可以进行诊断和栓塞的治疗。到那时血管断裂后的缝合,血管移植也变成了一件轻而易举的事。3.2在神经损伤方

9、面的应用利用STM观测神经细胞创伤性水肿,获取神经元细胞膜和细胞器表面的结构信息(包括细胞膜结构的改变,膜受体,配体的变化,细胞器,酶的改变等信息)及在不同环境条件下的变化,以及与这种变化相关联的生物的生理过程的静态信息9,sleytr通过分子纳米技术研究,确定具有二维晶状结构的细菌细胞膜的S2层蛋白代表了生物进化过程中最简单的生物膜10,11,Bayburt12又以S2层蛋白作为神经元细胞膜为研究样本,应用纳主技术重新构建了间距为10nm的稳定磷脂双分子层蛋白质的单位膜。这些研究发展,使我们用纳米技术来制造纳米膜,然后可以及时地进行神经细胞膜的修复,防治细胞水肿、神经断裂,可以通过显微外科的

10、方法缝合,神经细胞是一种固定性细胞,不会再生,所以当神经缺损时必然要神经移植来填补,掌握了纳米技术,这些显微外科手术就变得得心应手。3.3在肌肉损伤方面的应用被锋利的骨碎片戳伤的肌肉往往连肌肉外面的筋膜同时受到损伤,比一些较重的肌肉拉伤可能还要严重,加之肌细胞是一种非再生性细胞。要想一块已经萎缩的肌肉重新恢复活力,那是几乎不可能的,但面对刚戳伤且只有部分肌束受伤时,只要即刻处理,通过一定的物理治疗、功能训练,类固醇与非类醇类抗炎药物的共同治疗,肌肉的损伤在一定程度上就会恢复。这些是显微外科已经可以解决的。但肌肉损伤的诊断只建立在肌束的基础上,对肌纤维的受伤情况,还是要在显微镜下观察。光学相干层

11、析术(OCT)分辨率可达1nm级,较CT,NMRT的精密度高上千倍,能够以200次 g完成生物体内活细胞的动态成像,观察活细胞动态,发现单细胞病变。这种先进的诊断技术,可使骨科医生在微观水平对肌肉骨骼组织的特性有更详尽的了解,让我们彻底地掌握肌纤维的状况,肌膜,肌浆网,肌质的信息结构,可以直接针对个别肌细胞进行治疗,为更彻底地治疗肌肉受损提供了进一步的优越条件。4DNA纳米仿生制造技术治疗骨肿瘤利用DNA复制过程中碱基互补法则的专一性、碱基的单纯性、遗传信息的多样性,多双螺旋结构的拓扑靶向性,结合纳米技术操纵单个原子、分子可以制出与生命过程中每一个环节相类似的各种功能的纳米有机 无机复合机器1

12、3。Mirking和Alivisatos等人在直径13nm的金粒子表面连接两段寡核苷酸链:32thiol2TACCG52AGGTCGTTT232thiol,然后加入带有互补“粘附末端”的双链寡核苷酸,利用碱基配对的原则形成肉眼可见的金粒子聚合体,从而完成了纳米粒子的自组过程14,15。MaoC经过研究发现DNA双螺旋结构比DNA单连结构(支状结构)更适合于用作组装纳米机器场地、材料和序列。并且成功制造出一个微型超分子装置16。最为奇妙的是美国康奈尔大学用金属镍作为螺旋浆,嫁接到ATP酶分子的中轴上,制成了400个马达,置入ATP溶液中,有5个成功转动,8转 分,紧接着他们又在此基础上制成了纳米

13、人体机器人,在人体内游走了2.5h。所有这些预示着应用生物大分子,DNA技术制造分子器件,制造模仿生物大分子的机器,将会为骨肿瘤的治疗提供新的武器。5展望纳米技术在医学这个崭新的大分支中,将会发生一个质的飞跃,同时也给骨科领域带来一个全新的发展动力,指明了一条发展方向。无论是以假乱真的类人骨,还是用纳米量级的显微操作,神经血管缝合、移植,还是作为一种纳米药物,还是基因导入载体,都将推动着骨科领域进入一个由纳米技术主宰的时代。参考文献:1许海燕,孔桦,杨子彬.纳米材料及其在生物医学工程中的应用J.国外医学生物医学工程分册,1998,21(5):2622265.SiegelRW.Creatingn

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