生物材料与细胞的相互作用

1、南通大学-电子信息学院 生物医学工程101 孙巍 10111082023生物材料与细胞的相互作用1简介：生物医用材料定义：以诊断、治疗为目的, 用于与活体组织接触, 且具有功能的无生命材料。由于生物材料需与活体组织接触, 材料的毒性、生物相容性、血液相容性受到特别的重视。即在诊断与治疗过程中, 生物材料对人体必须是安全的, 是生理惰性的, 属于无生命材料。随着细胞生物学、基因工程等领域的发展, 出现了崭新的医疗技术, 如组织工程、基因治疗等, 由此对生物医用材料提出了更高、更新的要求。2 生物材料与细胞相互作用的评价方法细胞与材料的相互作用的影响因素生物材料与细胞相互作用的改进3通常评价材料对

2、细胞生长的影响最直接的方法便是在该材料上进行细胞培养, 但也有一定的局限性。例如: 在体外培养的细胞, 观察不到材料植入体内时的细胞的响应, 而在体内培养时, 又不容易得到可控制的、可资比较的培养环境, 因此不能完全准确地表达组织工程中生物材料与细胞的相互影响与作用。此外研究人员使用不同的实验技术培养细胞, 这些技术上的差别也将影响对材料与细胞相互作用的评价。在这里介绍的是使用的最多的细胞体外培养法, 即将细胞置于生物材料的表面, 测量细胞在表面的黏附与伸展的程度, 并通过长时间的细胞培养, 确定材料对细胞活性、细胞功能以及细胞迁移和聚集的影响。4细胞在各个生长时期与生物材料相互作用的评价和表

3、征方法：细胞的贴附与伸展细胞的迁移细胞的聚集5鉴于大多数从生物体组织中分离出来的细胞是粘附生长型的, 即细胞首先必须贴附于材料的表面, 然后才有细胞的伸展、迁移、分化和其他的生长模式。测量细胞在材料表面黏附步骤大致可分为3步:1将细胞分散到材料的表面;2细胞在培养基存在下培养一定的时间;3在一定的作用力下脱附那些贴附较弱的细胞。6细胞贴附程度可以根据在材料表面贴附的细胞数及被淋洗下来的脱附的细胞数来确定。利用一种流动的流体产生既可重复又可控制的脱附力, 来测定细胞黏附程度,7材料的表面性质对细胞行为的影响对于贴壁型生长细胞,首先贴附于材料表面,因此细胞的生长和功能主要取决于材料的表面性质。例如

4、:将不同浓度的聚甲基丙烯酸羟乙酯( pHEMA) 涂于聚苯乙烯( 专门用于组织培养的TCPS) 上, 以产生一系列亲水性不同的表面, 将细胞锚着在这些材料上, 发现随着表面pHEMA 含量增加, 亲水性增强, 细胞黏附与伸展程度则逐渐降低。细胞贴附率的高低不完全由材料表面的亲水性决定。细胞在材料表面的黏附, 实质上是细胞外基质蛋白、细胞膜蛋白、细胞骨架蛋白与材料的相互作用, 因此黏附期比较长, 黏附作用是通过细胞膜上的受体( receptors) 发生的, 该受体能特异性地识别材料表面的黏附位点。如果从培养液中或表面涂复方法使材料表面获得了一些蛋白如:纤连蛋白( fibronectin, Fn

5、) , 黏连蛋白( vitronectin,Vn) , 层黏连蛋白( laminin, Ln) 等, 这些蛋白被细胞膜上受体识别, 细胞则以这些蛋白为介导, 黏附于材料的表面。材料的表面性质对细胞行为的影响8图2 各种高分子表面上细胞贴附率与水-空气接触角的关系-成纤维细胞-内皮细胞-L 细胞9材料的表面形态对细胞行为的影响一个材料的细微结构对细胞行为和组织生成具有非常大的影响。培养的细胞在带有构槽的或其他细微结构的表面或在棱角边缘上的生长情况与在光滑表面上是有差别的。一般情况下, 细胞将沿着材料表面的突起部分或是纤维进行取向和迁移。这一现象称为细胞培养的接触诱导。细胞取向的程度取决于表面沟槽

6、的深度与宽度。10生物材料与细胞的相互作用, 实质上是增强细胞在材料上的黏附及生长能力。其中细胞黏附是基础, 黏附特性的差异将影响细胞的增殖、分化等功能。其综合的作用亦称为细胞亲和性。生物材料与细胞相互作用的改进11表面改性指：不改变材料的本体性质, 而只改变材料的表面性质以提高材料的细胞亲和性, 满足组织工程对生物可降解材料多样性的需要的方法。表面改性方法通常被用于工程化生物材料, 以期获得特定的表面性质。表面改性可以极大地影响细胞生长.当前高分子生物材料的表面改性作了详细的描述。通常表面改性策略有以下4 种方法；表面改性概述1.通过化学或物理的方法来替代表面的原子或分子( 表面处理、刻蚀、化学改性) ;2.将新的组分覆盖在材料的表面( 涂覆、接枝、薄膜沉积) ;3.离子、簇、粒子的表面插入4. 表面诱导粗糙刻蚀。12等离子体改性用低温等离子体改性高分子材料有其独特的优点, 既能使材料表面分子激发、电离或断键, 又不会使材料热解或烧蚀, 其改性的深度只是材料表面几十至几千埃的范围。与其他表面改性方法相比, 等离子体法既能较容易地在材料表面引入特定的官能团或其他高分子链, 还可避免