生物材料在医学中的应用与发展分享

1、真诚为您提供优质参考资料，若有不当之处，请指正。生物材料在医学中的应用与发展摘 要 概述了生物材料发展的三个阶段,包括惰性生物材料阶段(替代修复)、生物材料生物化阶段、组织工程支架材料阶段。对这三个阶段中生物材料的研究状况和发展前景进行了详述，并指出目前组织工程的研究为生物材料提供了极大的发展机会:人们在可降解吸收生物材料研究方面取得了越来越多的成绩,认为天然可降解高分子材料是组织工程用支架材料研究的重点.同时还对现阶段生物材料的制备加工方法以及检测和评价方法进行了简单的介绍。文中指出在材料制备加工方法上, 不仅需要改善既存的技术, 而且适应对生物材料的需要, 必须要开发多种实用方法; 在研究

2、生物材料结构上目前使用的一些检测方法已成为材料结构分析的首要之选; 在生物材料的性能, 特别是生物学性能, 研究方法大多结合了物理、化学、生物学和工程学技术，一些信息技术和工程理论的研究方法也要被引入生物材料的研究方法中。关键词 生物材料; 研究方法; 降解; 生物相容性前言生物材料的定义很多,归纳起来可理解为生物材料是一类用于人工器官、修复、理疗康复、诊断、检查、治疗疾病等医疗保健领域,对人体组织、血液不致产生不良影响的功能材料。生物材料的发展已经有非常长的历史,医学水平的提高以及人类生活质量的改善, 也促进了生物材料的发展。生物材料是用以和生命系统结合,以诊断、治疗或替换机体中的组织、器官

3、或增进其功能的材料。根据其功能,它临床应用一般要加工成与药物一起使用或单独的部件。人们致力于对该类功能材料的研究,旨在使该材料制成的器件能够代替或修复人体病损的组织和器官,并实现其生理功能。研究生物材料涉及的学科领域很多,如材料、生物、医学、物理、生物化学及一些现代高技术等,相应的研究包括除生物与材料学科的评价方法外,还会有物理、化学及一些工程的研究方法,并且,不同材料具体不同的功能或用途,决定了它具备多种不同的性能,这也反映了对它的研究具有不同的方法,本文按照材料制备、组成结构及性能的关系,必要时结合其具体用途,概述生物材料的一些研究方法,评析其发展状况。生物材料发展的三个阶段根据发展水平和

4、产业化状况,可以把生物材料分为三个发展阶段: 一惰性生物材料, 即材料与组织细胞无界面作用;二生物材料的生物化, 即材料与组织细胞亲和性改善, 关注界面间的相互作用; 三组织工程支架材料,不仅关注材料与组织细胞的亲和性,还关注材料本身的成型、力学性能和降解能力。 下面分别讨论这三个阶段生物材料的研究状况和发展前景。1 惰性生物材料惰性生物材料是指对人体组织化学惰性, 其物理机械和功能特性与组织匹配,使材料在应用过程中不致产生不利于功能发挥和对其它组织影响的反应,特别是与组织接触或短(长)时间不产生炎症或凝血现象, 无急性毒性或刺激反应,一般无补体激活产生的免疫反应1的一类功能材料。这类材料的应

5、用基于对材料本身性能的全面了解,是人类最早、最广泛应用的生物材料。目前惰性生物材料主要品种有金属材料、非金属材料、有机高分子材料以及复合材料. 金属材料主要集中在不锈钢、钛、金、银等基体金属及钴、镍、银-汞合金; 非金属材料主要有氧化铝、氧化锆、氧化硅、氧化镁、氧化钛、铝酸钙等陶瓷材料;有机高分子材料品种多,应用最为广泛,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、聚甲基丙烯酸羟乙酯、聚氨酯、硅橡胶、天然橡胶、碳纤维、聚砜纤维、聚丙烯中空纤维、吸附树脂等; 复合材料主要有纤维增强聚合物材料或金属-陶瓷复合材料2。这些材料可用于人工血管、人工角膜、人工瓣膜、人工心脏及心

6、脏辅助设备、心脏补片、人工晶状体、人工中耳骨、人工食道、喉、乳房、肾、肝、胰、胆道、输尿管、阴茎、皮肤、承力骨、颅骨、关节,以及医疗辅助设备如医用插管、输液管、输血管、手套、避孕套、绷带、止血海绵、组织黏结剂等。材料表面的钝化也是惰性生物材料的研究内容, 表面钝化的内容是在材料表面覆盖白蛋白,抑制血小板在基材上的沉积,使凝血反应难以发生,或设计类金刚石表面,使材料表面不会引起任何细胞毒素作用、溶血作用和补体激活现象,另外该表面具有机械、热、化学和生理环境下的稳定性优点,可望成为最有发展潜力的惰性生物材料3。随着医学水平的提高以及人们生活质量的改善, 惰性生物材料的应用会向更高层次生物化或组织工

7、程化生物材料过渡。 但就目前商品化和普及应用水平看,尤其是医学的目的从治病救人转轨到预防保健过程中,需要大量常用人工器官和生物材料为主体的医疗器械,使惰性生物材料在相当长一段时间内占统治地位是研究开发的重点。2 生物材料的生物化随着材料科学、医学的发展, 以及先进仪器设备的发明, 带动了生物材料的发展。 集中表现在发现新型生物材料,以及更多关注惰性生物材料所制成的人工器官和医疗器械在使用过程中与组织或血液产生的界面反应。 新型生物材料有代表性的成果是20世纪70年代发现的钙磷系玻璃陶瓷, 如羟基磷灰石、B- 磷酸三钙、珊瑚等4。这类材料具有与人体骨组织的无机成分有类似的化学组成,材料抗压、抗折

8、强度与人骨接近5, 植入后与组织亲和性良好,同时有降解作用并诱导成骨细胞(加诱导因子如BMP) 的长入6,使植入组织骨化, 一段时间后植入组织转化为正常组织等特点,也即材料在使用过程中逐渐生物化。另一个研究重点是惰性生物材料的生物化：即在不破坏原有材料性能的基础上, 通过表面改性设计使材料在长期使用过程中与细胞亲和性好,不产生炎症、凝血、畸变、甚至癌变等反应。 研究的重点是抗凝血材料的设计与制备。 抗凝血材料设计思路有以下五点:(1)在惰性生物材料表面引入活性药物如肝素、尿激酶、前列腺素等或类肝素化7-10,这种生物化方法的关键是以物理或化学方法引入这些高抗凝血活性物质,材料在使用过程中表面维

9、持一定量的抗凝血活性药物;( 2)表面接枝亲水性分子链11-12，是疏水高分子生物材料生物化的一大内容,主要在表面接枝PEO或甲基丙烯酸羟乙酯等亲水链, 使材料在体液或血液环境中表面完全亲水；(3) 设计表面微相分离结构也是材料生物化的内容, 微相分离是血管壁内皮的结构特征,即亲水糖链和疏水脂质体形成两相镶嵌结构, 模仿这类结构可望改善材料的抗凝血性。目前主要通过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离结构。 值得注意的是微相分离结构对材料抗凝血性能提高的机制没有完全弄清楚,使该方法的研究受到制约; (4) 接枝蛋白质或氨基酸, 产生免疫吸附13,这主要是基于蛋白质、氨基酸或核酸与

10、细胞有更好的亲和性;天然高分子如甲壳糖、胶原、明胶、蛋白微丝等生物材料的研究表明, 它们的抗凝血性能和组织亲和性优于一般生物材料,关键在于一系列处理过程中如何维持天然材料的结构性能,尤其是维持材料的免疫性能;(5) 表面液晶结构设计, 使材料表面与细胞表面产生类似的物理结构或化学结构,该研究已经证明表面液晶结构的形成有利于材料抗凝血性能的提高14。.3 组织工程支架材料材料生物化毕竟不能改变材料的基本结构,这为材料的长期使用留下隐患,同时器官( 尤其是组织) 是一个复杂的系统,不可能用单一无活性的材料来模仿其全部或大部分功能。 因此在器官( 或组织) 供体来源非常有限的情况下,如何在体外培养出

11、正常的组织供手术使用, 是医学界和生物医学工程学界追求的目标之一。组织工程的出现和发展为这一目标的实现提供了可能。组织工程是近十年发展起来的一门新兴学科, 它是应用生命科学和工程的原理与方法,研究、开发用于修复、增进或改善人体各种组织或器官损伤后功能和形态的新学科,作为生物医学工程的一个重要分支,是继细胞生物学和分子生物学之后,生命科学发展史上又一个新的里程碑。 组织工程的关键是构建细胞和生物材料的三维空间复合体,该结构是细胞获取营养、气体交换、废物排泄和生长代谢的场所, 是新的具有形态和功能的组织、器官的基础。 生物材料在组织工程中占据非常重要的地位, 同时组织工程也为生物材料出了难题和提供

12、了发展方向。 生物材料的制备加工方法以及检测和评价方法1 常用的结构检测方法通过各种技术获得生物材料后,人们为了更深刻地了解它的特性,往往必须先研究材料的组成和微观结构。在研究生物材料的微观形貌、组成、结构最常用的检测方法主要有:扫描电镜观察(SEM)、透射电镜观察(TEM)、X射线电光分光光谱法(XPS)、X射线衍射法(XRD)、傅立叶变换红外光谱法(FTIR- ART)、原子力显微镜(AFM)、X射线能谱分析(EDX)等,这些研究手段或单独或连用来研究材料的组成和结构;有些设备具有多样功能,不只能观测材料的形貌结构,还能用来测定材料的成分。从目前研究生物材料的文献来看,以上方法似乎早已成为

13、研究者研究材料微观结构的首要之选。2 理化性能的研究方法生物材料的性质包含很广泛的内容,主要有三大类:物理性能、化学性能以及生物学性能。不同用途的材料会对它们的各项性能有不同轻重的要求。例如,对于生物降解材料,人们会重点关注它在生物体内逐渐分解或破坏的行为和程度,即其降解性。因此,研究生物材料的理化性能,并不是每一项目都给予关注。目前,羟基磷灰石(HA)是生物材料界研究比较多的一种生物陶瓷材料,它正广泛地应用于很多方面,并有进一步扩大应用范围的可能。因此,它各个方面的性能受到了广泛的重视,通过对它性能研究方法的了解,可以认识一些生物材料性能的研究方法。3 生物学评价方法生物相容性是生物材料能否

14、应用于临床的关键因素之一。评价一个生物材料的生物学性能,主要看材料与机体的相互作用,包括材料反应和宿主反应。由于不同材料的用途不同,其生物学评价项目内容和水平亦不同,项目内容的不同,具体要确定的研究方法也会不同15-21。国外对生物材料器件评价根据体外、体内及体外和体内之间的位置,分为短期和长期,它们的方法各不同。较为复杂的是体内植入材料,它的短期的评价方法有刺激实验、致敏实验、细胞毒性实验、全身急性毒性实验、血液相容性实验、热原实验、植入实验和致突变遗传毒性实验,长期的评价方法包括亚慢性毒性实验、慢性毒性实验、致癌实验、生殖和发育毒性实验及体内降解实验。材料的生物学性能的评价系统是一个极其复

15、杂而又处于动态变化的,其方法也是极其复杂,并随研究内容的发展而变化。常规的生物学评价实验方法,对研究智能性生物医用材料或组织工程所需的细胞基质支架材料的生物相容性,很难满足新的功效性能的要求。在研究新材料的同时应设计、研究建立智能性要求的新的生物相容性实验方法,如材料对本细胞培养、粘附、克隆化的实验方法;细胞扩增过程中细胞生长与凋亡基因调控的实验方法;人体各种促进细胞功能或抵制细胞功能的细胞因子与材料相互作用产生的正、负效应的实验方法;材料在体内降解过程中降解产物对体内代谢影响的实验方法。这些新的生物学评价实验方法的建立将促进智能性仿生生物材料的研究和开发。结束语随着社会日益增加对生物材料的需

16、要,将会促进材料合成技术的发展,改善对现有生物材料的改性,特别是表面改性技术,设计出便捷高效的方法,制造出功能更完善的组织工程材料;在新材料的设计和研究中,通常把研究对象要求的生物相容性作为一个重要问题考虑。因此,今后也会重点考虑对生物学性能的评价和检测方式的研究,与此同时,也将会考虑理化性能对生物学性能的影响,通过加强对材料组成结构、物理化学性能的研究方法的研究,促进人们对生物学性能的了解。参考文献1 胡大海, 陈 壁. 组织修复的再生生物学与工程学 J. 国外医学生物医学工程分册. 2000, 23(3): 155.2 OKAZAKI JM, OHMAEH. Carbonfiber rei

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