生物医用材料的研究进展

生物医用材料的研究进展

1.生物医用材料的概念生物材料是指取代和修复活动组织的自然或人工材料。它是生命科学、材料科学、医学、工程学等多学科相互渗透和发展的产物。由于它对人类健全和完善自身机体与机能有着深远的科学意义和巨大的社会经济价值,因此,这一领域成为世界各国竞相研究开发的热点。生物材料的狭义含义是生物医用材料(BiomedicineMaterials)。按照材料的性质,生物医用材料可分为天然生物材料(如猪心瓣膜、牛心包、羊膜等)、金属材料(如钛及其合金)、无机非金属材料(如羟基磷灰石、生物玻璃等)、高分子材料以及杂化生物医用材料。对于植入生物活体内的高分子材料(PolymerMaterials),一般应具有两种基本性能,即医用功能性和生物相容性。实际上这也就包含了对材料其他性能如物理机械性能、化学稳定性、毒性、加工成型性等方面的要求。医用功能是指材料在与生物体组织相结合后能达到诊断或医疗的效果。而生物相容性是指材料和活体组织之间相互容纳的程度。它包含两层含义:血液相容性和组织相容性。生物相容性(Biocompatibility)是生物医用材料区别于其他材料的最重要的特征,是评价一种材料能否在生物医学领域应用的根本依据。因此,生物相容性是生物医用材料研究的中心课题之一。2.生物深刻反应y组织相容性(Tissue-compatibility)是指材料与生物活体组织及体液接触后,不引起细胞、组织的功能下降,组织不发生炎症、癌变以及排异反应等。应用的条件不同,对材料组织相容性的要求不同。2.1.治疗微生物的作用高分子材料在与生物体组织接触时,同样发生各种各样的相互作用。概括起来如图3所示。图3中白色箭头表示的是生物体方面发生的反应,即材料对活系统的作用,包括局部和全身反应(如炎症、细胞毒性,凝血、过敏、致癌、畸变等排异反应)以及促进组织形成.免疫系统活化等医疗上的有效反应。它是由材料本身的化学组分、分子或其部分结构在生理环境下释放到生物组织以及材料制品对生物组织的机械、电化学或其它刺激作用所造成的。黑色箭头表示的是与生物体接触的材料方面的变化。高分子材料在生物体内与生物肌体、体液、血液等接触,在各种无机离子(如K+、Na+、Mg2+、Cl-、HCO3-、PO43-、SO42-等)、小分子无机物(如O2、CO2、H2O等)和大分子有机物(酶、蛋白质类脂质等)的作用下,发生腐蚀、降解、磨损、失效等物理化学性质上的变化。2.2.生物组织主动蛋白材料的设计材料与生物体的相互作用情况决定了材料组织相容性的程度。材料对组织相容性的影响包含着两种特征尺度水平上的因素。一是微观分子水平,这类影响主要表现为材料表面的化学组成、形态结构、电荷性质及其分布等等。另一个是宏观尺度水平,这类影响包括材料的物理力学性质、材料的宏观形态尺寸等。而且,这类大尺度上的效应比分子尺度上发生的化学效应更为重要。生物系统对生物相容性的影响包括生物体种类、植入部位、受体的健康状况、埋植留存时间、使用的生理环境等。一般说来,材料与生物体相互作用的反应主要集中于固体生物材料与体液接触形成的固-液界面上。依据材料与生物体的相互作用关系,设计组织相容性材料(Tissue-compatibilityMaterials)时应兼顾以上几个方面因素。尤其是材料的宏观形态、尺寸、表面形貌不容忽视。在许多场合,这些因素直接决定了材料生物相容性[5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15]。研究发现,无论材料的本征结构如何,大体积薄片植入诱发肿瘤的几率总是最高,而成海绵体、纤维壮和粉术状植入物几乎不诱发肿瘤(如表1所示)。而由同一种化学结构的材料制备的三种不同表面结构的样品(如表2所示),尽管其毒性分析表明均无可被萃取的物质,但当植入软组织中,却出现了截然不同的诱发组织增生性。表2中表面织构为10-20μm圆孔的A样品,允许组织和血管的长入,组织和聚合物紧密接触;而表面织构为200μm拉长孔的B样品及表面无孔的C样品,则表现出传统的硬壳层状囊性增生。总之,组织相容性材料的设计,不但要考虑材料固有的表面化学结构的相容性,而且,材料的宏观结构,表面拓扑结构是极为重要的。近年来,随着组织工程的发展,广泛开展了杂化生物材料的研究。即将生理活性物质(如酶、多糖、抗体、抗原、激素)或具有高度功能的细胞与人工材料复合在一起,制备生物体组织和器官的代用品。这种杂化材料以人工材料为附着机构,支待高度的细胞功能,是高度相容的。目前,应用较成功的是培养皮肤代用材料。这种人造皮肤是复合聚合膜,上层为橡胶弹性体,或是聚氨酯,下层为交联的胶原蛋白和氨基葡聚糖(可同时植入皮肤细胞)。上层的硅橡胶可以阻止体液的流失和细胞的侵入,下层多孔状的有机质可以诱导皮肤细胞和血管的长入。研究结果表明,这种人造皮肤对深度创伤的皮肤再生十分有效。3.生物材料的生物生物建设和应用生物相容性问题是生物材料临床应用中的一个十分重要的问题。在材料的表面种植、培养细胞、制备适合细胞生长的高分子材料(首先要了解细胞-材料的相互作用)是实现材料良好的生物相容性的根本途径。因此,适合细胞生长的生物材料(组织工程材料)的研究,不仅对细胞-材料相互作用机制的深入理解有着积极的科学意义,而且对于为加速组织相容性和血液相容性材料临床应用的突破也有着巨大的价值。解决材料的生物相容性问题是生物材料在生物医学领域应用的关键。长期以来,在解决材料的生物相容性问题上,人们对材料表面的修饰研究得较多,如血液相容性材料的研制上,通常对材料进行表面分子设计,改善表面的亲/疏水性、引入带电基团、负载生物活性物质等,以尽量减轻血栓的形成来提高材料的血液相