可生物降解材料和组织工程

1、可生物降解材料与组织工程材料科学与工程前沿之可生物降解材料与组织工程生物材料北京航空航天大学材料科学与工程学院主要内容可生物降解材料组织工程生物材料生物医用材料（Biomedical Materials） 生物材料（Biomaterials）对生物体进行诊断、治疗和置换损坏的组织、器官或增进其功能的材料。*生物材料可以是人造的，也可以是天然的或者是它们相结合的功能材料俞耀庭，张兴栋，生物医用材料，2001根据生物医用材料在生物体内的活性分类：惰性生物材料：植入体内后与周围组织之间形成纤维包膜；表面活性材料：植入体内后材料能与周围骨组织形成牢固的化学键结合(骨性结合)；可降解（吸收）材料：植入体

2、内后会逐渐被降解、吸收，被新生组织代替。 生物材料降解机制1、物理：外应力（断裂、磨损）2、化学：水解、氧化、酸碱作用3、生化：酶、微生物水解：a、溶蚀：不溶于水的固体变成水溶性的物质; b、吸收：进入体液的降解产物被细胞吞噬并被转化和代谢。酶解：酶促水解、酶促氧化、自由基作用可生物降解金属材料可生物降解金属材料镁合金铁合金锌合金降解机制：在体液环境下的腐蚀.镁合金降解速度太快（小于4个月）铁合金降解速度太慢（大于8个月）锌合金降解速度介于两者之间镁的物理化学性质物理性质：室温hcp结构，具有金属光泽，呈亮白色；密度1.74g/cm3，熔点923K，沸点为1380K；弹性模量约40GPa，强度

3、低、塑性差、比强度高。化学性质：化学性质活泼，标准电位为-2.37V，易在空气中氧化，易于水发生反应，极易腐蚀。 镁在人体中的生理作用与能量代谢相关的酶的辅助因子；作为Ca的阻抗剂，抑制在细胞内Ca的堆积；与骨骼代谢相关。镁在体液中降解机理镁与水溶液接触表面生成Mg(OH)2，具有减缓腐蚀的作用 氯离子使Mg(OH)2转变为更易溶解的MgCl2进入溶液，当水溶液内的氯离子浓度超过 30 mM/L时，镁表层氢氧化镁膜将遭到破坏而发生点蚀。Mg(OH)2+2Cl-=MgCl2人体生理环境内的氯离子浓度达到150 mM/L，因而镁在人体内会发生严重的腐蚀而降解。Mg+2H2O= Mg(OH)2+H2

4、镁合金植入物在活体中降解ZJ Li et al. Biomaterials 29 (2008) 1329-1344纯Ti和Mg-1Ca合金钉植入兔子股骨1、2、3月后的X射线照片Catheterization and Cardiovascular Interventions 68 (2006) 607617镁合金植入器械已公开报道的各种生物降解镁合金植入器械照片Zheng et al. Mater. Sci. Engi. R 77 (2014) 134主要生物医用镁合金体系工程类镁合金：Mg-Al、Mg-Re系列;主要牌号包括AZ31、WE43等。新型镁合金：主要热点在于Mg-Ca、Mg-Zn

5、、Mg-Sr、Mg-Mn、Mg-Zr等。非晶镁合金：Mg-Zn-Ca体系。可生物降解无机非金属材料可生物降解无机非金属材料降解机制：植入骨组织后，材料通过体液溶解吸收或被代谢系统排出体外，最终使缺损的部位完全被新生的骨组织所取代，植入材料只起到临时支架作用。可降解生物无机非金属材料： 磷酸三钙、磷酸四钙、羟基磷灰石-磷酸三钙（-TCP）陶瓷生物降解最显著，降解下来的Ca、P能进入活体循环系统形成新生骨，具有良好的生物相容性。磷酸三钙TCP成分与晶体结构 化学式为Ca3(PO4)2，是磷酸三钙的低温相（相），在1200转变为高温相（相） 晶体结构如图所示，Ca/P原子比为1.5，属三方晶系，空间

6、群为R3C，a0=1.032nm，c=3.690nm，z=2.1nm。TCP的合成与制备粉末合成与制备湿法工艺干法工艺水热法工艺 必须严格控制材料的纯度、粒度、结晶和细孔尺寸等，以控制降解速率。 TCP陶瓷的制备：粉末的合成成型烧结。 湿法工艺湿法工艺：可溶性钙盐和磷酸盐反应工艺、酸碱中和反应工艺。可溶性钙盐和磷酸盐反应工艺：以Ca(NO3)2和(NH4)2HPO4为原料，搅拌条件下将磷酸氢氨溶液按一定的速度滴加到硝酸钙溶液中，加入氨水调节pH值为1112，经过滤、洗涤、干燥、煅烧（7001100）成陶瓷粉末。反应式为：特点：具有丰富、均匀的微孔，较高的抗压强度和较好的溶解性能及孔隙可调控。磷

7、酸三钙的降解模型 骨与材料相互包围模型 （a）材料未植入体内的理想状态，呈蜂窝状结构，孔道相互连通。具有较大的表面积，适于骨组织长入和组织液渗入；（b）材料植入一定时间后：阴影部分为材料，由于组织液的作用，使材料溶解，参与体内新陈代谢，晶粒细化，形成一些岛状晶粒团；（c）材料植入更久时间后：阴影部分为材料，周围为骨，由于新骨的长入，材料的颈部连接解体，骨与材料相互包围。 （a）（b）（c）磷酸三钙的降解机制 主要观点：一、陶瓷先从表面溶解、膨胀，使结构疏松；被分散为微粒或碎片，随后被巨噬细胞等吞噬、转移，进入体内钙库，参与循环。二、陶瓷在体液冲蚀、磨耗作用下碎裂、分散，然后溶解、析出离子，转移

8、到组织液中，沉积成为新晶相或者无定形物。 磷酸钙植入物在活体中降解ORTHODONTIC WAVES 72 (2013) 23-29磷酸钙及磷酸钙-胶原复合材料植入老鼠受损颅骨2-6周的CT照片磷酸三钙的临床应用理想的骨移植材料：用于修复因创伤、肿瘤或骨病等原因所造成的骨缺损。人工骨、复合人工骨药物载体 可生物降解高分子材料天然生物降解性高分子材料 天然多糖类材料纤维素、甲壳素、淀粉、木质素、海藻酸天然蛋白质材料胶原、纤维蛋白纤维素纤维素是由D-吡喃葡萄糖经由-1,4糖苷键连结的高分子化合物。分子间氢键强，取向度和结晶度高，不溶于一般溶剂，高温下分解而不熔融。植物细胞壁的主要成分，常与木质素、

9、半纤维素、树脂等伴生在一起，是自然界中数量最多的碳水化合物。纤维素的结构纤维素纤维素的结构改性方法改性体反应试剂置换基酯化法硝酸纤维素HNO3-ONO2醋酸纤维素(CH3CO)2O-OCOCH3醚化法甲基纤维素CH3Cl-OCH3乙基纤维素CH3CH2Cl-OCH2CH2OH羟乙基纤维素ClCH2CH2OH-OCH2CH2OH羧甲基纤维素ClCH2COOH-OCH2COONa纤维素化学改性的方法 通过与三个羟基的化学反应，可生成很多重要的衍生物。纤维素的生物医学应用四环素盐酸-醋酸纤维素丁酸盐（CAB）微球体 应用于生物粘附给药系统的纤维素衍生物主要有：羧甲基纤维素（CMC）、羟乙基纤维素（H

10、EC）、羟丙基纤维素（HPC）、羟丙基甲基纤维素（HPMC）等。纤维素类粘附材料可以制成悬浮性给药系统，先粘附在胃粘膜上，当粘膜脱落时，在胃内部形成水凝胶，从而延长药剂在胃部的停留时间。 利用纤维素衍生物的溶胀性，完成药物的释放。 纤维素在医学上最重要的用途是制造各种医用膜。如在血液净化中广泛应用的铜仿膜、醋酸纤维膜、血仿膜等等。 纤维素的生物医学应用由-磷酸钙（TCP）制备多孔-TCP，然后用羟丙基纤维素（HPC）覆盖孔，进行热处理，从而降低了TCP的溶解速率：植入兔胫骨后保持4周，同时改善了-TCP的生物吸收性。以聚（己内酯-甘油）（PCL-T）为增塑剂，水作为孔形成剂，将纤维素醋酸盐（C

11、A）浇铸成膜：通过调整膜的形态和孔隙率，可使药物（扑热息痛）的渗透系数在10-7到10-5cm s-1内变化。 甲壳素结构 甲壳素大分子间存在有序结构，有、三种不同的晶型。在虾、蟹等甲壳中的甲壳素，相邻分子链的方向是逆向的，为型，晶型较稳定。昆虫甲壳中的甲壳素，邻接分子链方向是平行取向的，为型，分子间的氢键比型的少，所以稳定性较差。 甲壳素是一种天然壳聚糖，又称为甲壳质、几丁质，广泛分布在自然界甲壳纲动物（如虾、蟹）、昆虫（如鞘翅目、双翅目）的甲壳和真菌（如酵母、霉菌）的细胞壁中，产量仅次于纤维素。甲壳素化学名称为（1,4）-2-乙酰胺基-2-脱氧-D-葡聚糖，是通过-（1,4）糖苷键连接在一

12、起的线性生物聚合体，其结构与纤维素非常相似。甲壳素结构 分子间有强烈的氢键作用，结构规整，易于结晶，几乎不溶于常用的有机溶剂、水，也不溶于酸碱水溶液，化学性质相当稳定，经常是对它进行化学改性制成衍生物。 甲壳素及其衍生物的生物特性生物相容性好：作为低等动物的纤维组分，是无毒副作用的天然聚合物，其化学性质和生物性质与人体组织接近，与人体不存在排异；生物活性优异：因为本身空间结构复杂表现出多种生物活性，例如：抑菌、降血清和胆固醇、抑制成纤维细胞生长、抑制肿瘤细胞及促进上皮细胞生长、促进体液免疫和细胞免疫；生物降解性好：在酶的作用下会分解为低分子物质，可以被生物降解而被机体完全吸收。改性方法制备过程

13、优点酰基化酰化反应可在羟基或氨基上进行，通常的酰化试剂为酸酐或酰氯，如直链脂肪酰基、支链脂肪酰基、芳烃酰基改善了溶解性、膜表面润湿性和凝血性羧基化用氯代烷酸或乙醛酸在甲壳素的6位羟基或氨基上引入羧烷基基团，研究最多的是羧甲基化反应可吸附碱土金属离子、增强了保水性、膜透气性、能够抑菌、杀菌酯化在含氧无机酸的酯化剂作用下，与甲壳素的羟基形成有机酯类衍生物，常见的反应有硫酸酯化和磷酸酯化具有抗凝血、抗癌作用醚化与羧甲基反应类似，主要是在羟基上形成相应的醚类衍生物改善水中的溶解度，具有良好的保水性N-烷基化由于-NH2具有很强的亲核作用，在N上很容易引入烷基类取代基易溶于水，且能与阴离子洗涤剂相溶水解

14、这是较常见的降解反应，水解方法一般有辐射法、高硼酸氧化和酸溶液回流具有抗癌作用，对中枢神经有镇静作用，能促进植物生长甲壳素的化学改性 甲壳素的生物医学应用 吸收型手术缝合线：甲壳素能为肌体组织中的溶菌酶所分解，在兔体内试验观察，甲壳素手术缝合线4个月可以完全吸收。伤口包扎材料：当甲壳素膜用于覆盖外伤或新鲜烧伤的皮肤创伤面时，具有减轻疼痛和促进表皮形成的作用。骨相容性材料：多孔甲壳素植入小鼠股部肌袋中，周围组织无明显炎症反应，为发现组织变性和坏死，并可以完全降解。适合作为成骨细胞的支架材料。胶 原（胶原蛋白）：分子量十万左右，主要由3条称为肽链或链的多肽链缠绕成特有的超螺旋构造，每条肽链大约由1

15、000个氨基酸组成。胶 原哺乳动物结缔组织的主要成分，构成人体30%蛋白质。胶原的结构天然胶原不易溶于碱、弱酸及一般浓的中性盐类。它的等电点为7-7.8，在强碱中长时间浸渍，等电点会降至4.7-5.3，并有溶解现象。不易被一般的蛋白酶水解，但能被梭菌或动物的胶原酶断裂。断裂的碎片自动变性，可被普通的蛋白酶水解。 胶 原胶原蛋白的螺旋构造胶原蛋白的立体构造胶原在应用时必须交联，以控制其物理性质和生物可吸收性。交联以后，酶降解速度显著下降。常用的交联剂：戊二醛和环氧化合物。（残留的戊二醛会引起生理毒性反应，必须注意使交联反应完全。）胶原的生物医学应用 人工皮肤：型猪胶原+尼龙筛网+聚乙烯膜制（3层

16、）， 用于浅、深、混合度、各种III类烧伤，疗效显著，具有天然皮肤的表皮和真皮的功能，可替代猪皮或尸体皮用于外科手术。胶原可以用于制造人工皮肤、止血海绵、创伤辅料、手术缝合线、组织工程基质等。人体真皮胶原蛋白膜：用胃蛋白酶限制性降解法从异体真皮中提取胶原蛋白，在真空冷冻条件下干燥获得。 透水性强、粘附性好、较少抗原性，临床应用治疗烧伤创面效果较好，可作为自体皮肤细胞的载体和代替真皮移植用于烧伤面的覆盖。 合成生物降解性高分子生物医用材料 聚羟基乙酸(PDA)和聚乳酸(PLA)聚乙二醇(PEG)聚己酸内酯(PCL) 聚氰基丙烯酸酯(PACA)聚对二氧杂环己烷酮及其共聚物聚酸酐聚膦腈氨基酸类聚合物

17、聚-羟基丁酸酯和羟基戊酸酯聚羟基乙酸PGA和聚乳酸PLA 催化剂加热OCH2COOCH2COnCOCOOO乙交酯 glycolide聚羟基乙酸polyglycolidePGA催化剂加热乳酸lactide聚乳酸polylactideCOCOOOCH3CH3OCH2COOCH2COnCH3CH3PLA生物降解：PGA在体内降解为羟基乙酸单体，易于参加代谢。PLA在体内降解成乳酸，是糖的代谢产物。然后进一步分解成二氧化碳和水排出体外。PLA具有不同的旋光异构体，包括左旋（L-LA）和右旋（D-LA）乳酸，其均聚物有3种立体构型：聚L-乳酸（P- L-LA）、聚D-乳酸（P- D-LA）、聚D, L-

18、乳酸（P- D, L-LA）。常用的是聚左旋乳酸 P-L-LA 和聚消旋乳酸P-D, L-LAPLLA为半结晶聚合物，力学性能良好，降解吸收时间很长，一般为3年，适用于制作内植骨固定装置的材料。P-D,L-LA是无定形聚合物，降解和吸收的速度较快，一般为3-6个月，常用于药物控释系统和软组织修复材料。 聚羟基乙酸PGA和聚乳酸PLA 性质PGA是具有单一结构单元的脂肪族聚酯聚羟基乙酸PGA和聚乳酸PLA产品 PGA、PLA及其共聚物易于加工成各种结构形状的产品。其共聚物可通过改变两者的比例来调控其降解时间和机械强度。模塑、挤压、溶剂浇铸等技术，材料拉伸强度/MPa剪切强度/MPa弯曲强度/MP

19、a模量/GPaPGA试样57150506.5SR-PGA棒210-270200-280335-39510-15SR-PGA钉240-250300种类弹性模量/GPa应力/MPa断裂强度/MPa伸长率/%玻璃化温度(Tg)/ 熔点(Tm)/ PLA3.3377.377.33.945-50225-235P-D, LA2.1646462.640-45未知P-L-LA2.1759573.355-60170-175PGA和PLA的力学性质 PGA和PLA的生物医学应用 骨科修复PGA棒用于固定骨折部位：有289例病人在移位性踝部骨折的固定中应用了SR-PGA棒，固定部位能够较好的愈合。生物降解的PLA制

20、成盘和螺杆：进行了19例踝部骨折固定的临床研究，在6周内骨折部分就完成了结合。 外科手术可降解的缝合线：Vihtonen等采用PGA缝线对24只兔子侧股骨固定，其中9只正常痊愈；Zieren 研究了采用PGA缝线方法对部分胸骨进行固定；可制成纱、毡、布用于制造外科用的保护伤口表面的织物，如用于烧伤、创伤及外科切口等。 药物释放材料以PLA和PLGA微球体为载体的疫苗传输体系：生物降解的PLGA 微球体抗原性破伤风累毒素（TT）的释放；PLGA作为胰岛素的释放载体。聚乙二醇PEG催化剂OCH2CH2nCH2CH2O环氧乙烷epoxy ethane聚乙二醇poly(ethylene glycol)

21、PEG生物降解：PEG在有氧分解首先分解成小分子的乙醛与一元羧酸，然后小分子进过酶的作用，被生物体逐渐降解。+H2OHOPEG分子量200600者常温下是液体，分子量在600以上者就逐渐变为半固体状，随着平均分子量的不同，性质也有差异。从无色无臭粘稠液体至蜡状固体。聚乙二醇PEG两亲性嵌段接枝高分子进行药物载负，PEG为亲水端。聚乙二醇-g-疏水性高分子 载药示意图 PEG的生物医学应用 医用高分子改性材料采用PEG对医用高分子表面吸附，接枝等，改善与血液接触的医用高分子材料的生物相容性；利用聚乙二醇水溶液的粘度对剪切速率较敏感和细菌不易在聚乙二醇上生长的特性，将其作为隐形眼镜表面层高分子药物

22、缓释和固定化酶的载体将PEG水溶液涂敷于药丸外层，可控制丸内药物及固定化酶在体内扩散，以提高药效。PEG作为烷醇避孕药膜，保证避孕药的缓释。临床药物利用PEG的亲水性特征，将其用作水溶性药物的软膏基质。PEG4000作为渗透性缓泻剂。二、组织工程 组织工程 (Tissue Engineering) 应用生命科学与工程学的原理与技术，在正确认识哺乳动物的正常及病理两种状态下结构与功能关系的基础上，研究开发用于修复、维护、促进人体各种组织或器官损伤后的功能和形态的生物替代物的一门新兴学科。 美国国家科学基金会，1987年组织工程的主要方式细胞和生物材料结合：从活组织中分离组织特异细胞；在体外扩增后

23、种植到生物相容性良好并且可生物降解材料的多孔支架内。体外培养一定时间后把此细胞/支架结构植入体内，进行组织缺损部位的重建。组织工程学的三大要素 （三）细胞载体材料支架材料 分离的细胞自身不可能形成组织，它们需要生长的临时支架材料，这种三维支架常常模拟其自然对应物-体内的细胞外基质，它们既起物理支架的作用，又是实质细胞载体外培养和后期植入的粘附物质。 （二）细胞生长因子 在组织器官的再造中，各类组织诱导因子、生长因子和血管形成刺激因子将有利于组织的形成。 （一）细胞的分离和培养 从供体组织的健康部位收集个体细胞，分离后，再移植到患者所需要的部位。生长因子(Growth factor) 强有力的细

24、胞行为的蛋白类调节剂，可调节细胞的增殖、迁移、分化及蛋白表达，对细胞增殖、组织或器官的修复和再生都有重要的促进作用。组织工程的重要影响因素之一，也可开发成生物材料和生物材料系统的组成部分。 转化生长因子-家族（TGF- ）成纤维细胞生长因子家族（FGF）血管内皮细胞生长因子家族（VEGF）胰岛素样生长因子家族（IGF）血小板衍化生长因子家族（PDGF）采用聚乙交酯-丙交酯(PLGA)和聚乙二醇(PEG)的混合微粒作为转化生长因子（TGF-1）控释系统的载体 A、载体材料B、TGF-1 /PLGA-PEG微粒在PBS缓冲液中孵育28天后转化生长因子（TGF-1）该生长因子释放后，能在体外促进骨缺损处骨髓基质细胞的增生和成骨细胞的分化，有利于诱导骨组织的再生。生物材料支架 合适的表面化学性能以利于细胞黏附，分化及增殖；适当的降解率，无害的降解产物；无细胞毒性；足够的机械强度；最小的免疫及炎症反应；生产、纯化及加工的简单性；满足组织的连接及血管化的孔洞。 对支架材料的要求骨组织工程支架材料陶瓷材料类别 典型材料 羟基磷灰石钙磷陶瓷硅酸盐玻璃陶瓷陶瓷基复合材料 Ca10(PO4)6(OH)2Ca3(PO4)2生物玻璃磷灰石/硅灰石玻璃陶瓷与立方氧化锆分散相 骨组织工程支架材料 高分子材料 代表：羟基酸聚合物。力学性能和加工性良好，能满足许多组织工程表面积与细胞要求。以一定比例的P