開創(chuàng)納米技術(shù)在骨科領(lǐng)域的新紀元

1、327文章編號:1008-5572(2003)04-0327-03開創(chuàng)納米技術(shù)在骨科領(lǐng)域的新紀元胡勇,謝輝,徐榮明(浙江省寧波市第六醫(yī)院315040)中圖分類號:R318.5文獻標識碼:B納米(nanometer,nm)是物理學中的一個度量單位,1納米等于10億分之一米。它作為打開微觀世界的一把鑰匙已經(jīng)被科學界所啟用。自從掃描隧道顯微鏡(scanningtunelingmicroscope,STM),原子力顯微鏡(atomicforecmicroscope,AFM),掃描探針顯微鏡(scanningprobemicraoscope,SPM)有機 無機物復合不均勻,從而影響了其生物效能。1994

2、年,英國的Bonefield成功地合成了模擬骨骼亞結(jié)構(gòu)的納米物質(zhì),該物質(zhì)可取代目前骨科常用的合成材料,它的主要成分是經(jīng)與聚乙烯混合壓縮后的羥基磷灰石網(wǎng),其物理特性正好符合理想的骨骼替代物的模數(shù)匹配。在國內(nèi)有關(guān)研究人員也仿造天然骨形成過程,采用控制析出法工藝已成功制備了新型仿生骨材料納米羥晶 膠原復合骨材料(以下簡稱Na2HAP CO),并通過家兔頭顱試驗,應(yīng)用四環(huán)素熒光示蹤,等工具相繼問世后,納米技術(shù)在很多邊緣學科領(lǐng)域的研究已經(jīng)出現(xiàn)了突破性的進展,并且不斷向醫(yī)學領(lǐng)域滲透,但納米技術(shù)(nanoscaltechnology)很少被應(yīng)用到骨科領(lǐng)域。1納米技術(shù)在創(chuàng)傷方面的應(yīng)用放射性同位素43CaCl2

3、標記和放射自顯影等手段觀察骨創(chuàng)愈合情況,并與原Na2HAP CO人工骨材料對比,結(jié)果證明納米羥晶 膠原仿生骨材料確實對骨創(chuàng)愈合具有明顯的促進和加快作用5。該材料能同時誘發(fā)膜內(nèi)成骨和軟骨內(nèi)成骨兩種成骨機制,促進新骨生長,加速骨創(chuàng)愈合。這種新型納米羥晶 膠原仿生骨材料是一種頗有前途的骨缺損修復材料,尤其對血運較差的顱頜面骨的自行再生修復具有更好的療效。2.2仿生關(guān)節(jié)的研究現(xiàn)狀骨創(chuàng)不是很嚴重時骨骼可以在納米技術(shù)是在納米尺度范圍內(nèi)對原子、分子等進行操縱和加工的技術(shù)。納米技術(shù)的基礎(chǔ)是納米材料技術(shù)。納米材料是指某一尺寸在1100nm的材料。當材料達到納米尺度后,就出現(xiàn)諸如小尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)、表面效應(yīng)等不

4、出現(xiàn)于常規(guī)材料的特異性能。當材料的尺度達到納米量級后,其典型特點的材料的表面積大幅度提高1。納米銀敷料抓住了這些原理,把銀及其它一些同樣具備殺菌能力的材料制備成納米數(shù)量級的顆粒后,其殺菌活性就成倍提高。銀(Ag)的殺菌機制不同于化學合成的抗菌劑,主要基于重金屬離子對細菌蛋白質(zhì)的變性作用,因而具有廣譜殺菌及很少產(chǎn)生耐藥菌的特點。納米銀敷料為將25nm的銀離子種植附著在棉紗纖維上,通過銀離子的緩釋后與帶陰電荷的菌體蛋白質(zhì)結(jié)合,使其變形沉淀,銀離子與酶的-SH基結(jié)合形成穩(wěn)定的硫酸鹽,使一系列巰基酶的活性受抑制,從而達到殺菌和抑菌的目的2。但納米銀敷料不應(yīng)與含碘伏、酒精之類的藥物合用。2納米技術(shù)在骨科

5、仿生方面的應(yīng)用2.1仿生骨材料研究現(xiàn)狀天然骨是由無機礦物與生物大一些藥物幫助下自行修復,但一旦骨缺損程度范圍比較大的時候,就必須進行骨移植或安裝假肢來修補身體的缺損。目前,臨床已經(jīng)應(yīng)用新體材料(鈦及鈦合金)來修復骨缺損,但假體磨損、骨吸收仍是一個臨床問題。隨著納米技術(shù)的出現(xiàn),納米類人骨也相繼問世了。納米人工骨具有優(yōu)異的生物相容性、力學相容性和生物活性,不但能與自然骨形成生物性骨鏈合,且極易與人體肌肉和血管牢固長在一起,并可誘導軟骨生成,然后磨損及松動的發(fā)生率大大下降,翻修手術(shù)也大幅度減少。這將使一些受傷的病人遠離癱瘓的威脅。納米仿生材料不單只局限于人工骨的應(yīng)用,還在于人工關(guān)節(jié),關(guān)節(jié)面有相當程度

6、的應(yīng)用前景。關(guān)節(jié)是一個比較復雜的結(jié)構(gòu),各結(jié)構(gòu)的力學性能都不一樣,幾個納米單位的不同就會影響它的彈性性能、運動功能,且其結(jié)構(gòu)和力學性能隨不同的功能環(huán)境而不同。Dechow和Hylander6測量了獼猴下頜骨體部頰、舌側(cè)皮質(zhì)骨的彈性模量、剪切模量和泊松比,認為下頜骨分子規(guī)則排列所組成的復合體,前者主要為納米級微晶羥基磷灰石,而后者主要是膠原蛋白和少量多糖,兩者極為均勻、顯然,獲得與骨中晶體尺寸相同的納有序地結(jié)合在一起3,4。米級羥基磷灰石并且與膠原均勻復合是仿生人工骨材料研究中的關(guān)鍵。現(xiàn)有的人工骨報道,不是礦化物顆粒粗大,就是328皮質(zhì)骨的材料性能常數(shù)隨部位和測試方向的不同而明顯改變。也曾有學者采

7、用原子力顯微鏡及Hertz壓痕測量模型7計算對人顳下頜關(guān)節(jié)(TMJ)關(guān)節(jié)盤、軟骨及下頜骨的納米彈性模量進行測量和分析表明:其不同結(jié)構(gòu)或同一結(jié)構(gòu)不同區(qū)域在納米量所承受的局部力學載荷不同8。這些實驗的結(jié)果說明一點:關(guān)節(jié)對其各組成部分的精確度要求相當高,這就要依靠納米技術(shù)通過高分辨率的顯微測定,高技術(shù)的原子裝配。納米水平的人工關(guān)節(jié)和關(guān)節(jié)面不久就會出現(xiàn)在我們面前。從20世紀80年代開始,髖、膝、肩及其他關(guān)節(jié)置換的設(shè)計數(shù)量不斷增加,這些人工關(guān)節(jié)的基礎(chǔ)研究和臨床應(yīng)用中最常見的假體松動仍是21世紀的研究熱點。如何減少磨損、如何使其具有更好的生物相容性,使我們不得不向納米水平看準。一旦納米人工關(guān)節(jié)研制成功,不

8、僅能延長其使用壽命,且使它的機械活動靈敏度、生物活性大大增強。3納米技術(shù)在軟組織損傷修復上的應(yīng)用骨創(chuàng)傷引起軟組織的損傷主要是血管、神經(jīng)、肌肉這三方面的損傷。3.1在血管損傷上的應(yīng)用目前我們已經(jīng)可以利用STM、AFM、SPM這些高分辨率的顯微工具,在納米尺度的范疇內(nèi),隨心所欲的把原子、分子組裝成一個個比紅細胞還小的納米機器人,他們可以在血管內(nèi)任意穿梭。有了這些納米機器人,即使是骨創(chuàng)引起的血管破裂造成局部栓塞,只要注入包裹有磁性顆粒的納米粒子磁性液體,通過外磁場的作用,特異地聚集在病變血管部位,就可以進行診斷和栓塞的治療。到那時血管斷裂后的縫合,血管移植也變成了一件輕而易舉的事。3.2在神經(jīng)損傷方

9、面的應(yīng)用利用STM觀測神經(jīng)細胞創(chuàng)傷性水腫,獲取神經(jīng)元細胞膜和細胞器表面的結(jié)構(gòu)信息(包括細胞膜結(jié)構(gòu)的改變,膜受體,配體的變化,細胞器,酶的改變等信息)及在不同環(huán)境條件下的變化,以及與這種變化相關(guān)聯(lián)的生物的生理過程的靜態(tài)信息9,sleytr通過分子納米技術(shù)研究,確定具有二維晶狀結(jié)構(gòu)的細菌細胞膜的S2層蛋白代表了生物進化過程中最簡單的生物膜10,11,Bayburt12又以S2層蛋白作為神經(jīng)元細胞膜為研究樣本,應(yīng)用納主技術(shù)重新構(gòu)建了間距為10nm的穩(wěn)定磷脂雙分子層蛋白質(zhì)的單位膜。這些研究發(fā)展,使我們用納米技術(shù)來制造納米膜,然后可以及時地進行神經(jīng)細胞膜的修復,防治細胞水腫、神經(jīng)斷裂,可以通過顯微外科的

10、方法縫合,神經(jīng)細胞是一種固定性細胞,不會再生,所以當神經(jīng)缺損時必然要神經(jīng)移植來填補,掌握了納米技術(shù),這些顯微外科手術(shù)就變得得心應(yīng)手。3.3在肌肉損傷方面的應(yīng)用被鋒利的骨碎片戳傷的肌肉往往連肌肉外面的筋膜同時受到損傷,比一些較重的肌肉拉傷可能還要嚴重,加之肌細胞是一種非再生性細胞。要想一塊已經(jīng)萎縮的肌肉重新恢復活力,那是幾乎不可能的,但面對剛戳傷且只有部分肌束受傷時,只要即刻處理,通過一定的物理治療、功能訓練,類固醇與非類醇類抗炎藥物的共同治療,肌肉的損傷在一定程度上就會恢復。這些是顯微外科已經(jīng)可以解決的。但肌肉損傷的診斷只建立在肌束的基礎(chǔ)上,對肌纖維的受傷情況,還是要在顯微鏡下觀察。光學相干層

11、析術(shù)(OCT)分辨率可達1nm級,較CT,NMRT的精密度高上千倍,能夠以200次 g完成生物體內(nèi)活細胞的動態(tài)成像,觀察活細胞動態(tài),發(fā)現(xiàn)單細胞病變。這種先進的診斷技術(shù),可使骨科醫(yī)生在微觀水平對肌肉骨骼組織的特性有更詳盡的了解,讓我們徹底地掌握肌纖維的狀況,肌膜,肌漿網(wǎng),肌質(zhì)的信息結(jié)構(gòu),可以直接針對個別肌細胞進行治療,為更徹底地治療肌肉受損提供了進一步的優(yōu)越條件。4DNA納米仿生制造技術(shù)治療骨腫瘤利用DNA復制過程中堿基互補法則的專一性、堿基的單純性、遺傳信息的多樣性,多雙螺旋結(jié)構(gòu)的拓撲靶向性,結(jié)合納米技術(shù)操縱單個原子、分子可以制出與生命過程中每一個環(huán)節(jié)相類似的各種功能的納米有機 無機復合機器1

12、3。Mirking和Alivisatos等人在直徑13nm的金粒子表面連接兩段寡核苷酸鏈:32thiol2TACCG52AGGTCGTTT232thiol,然后加入帶有互補“粘附末端”的雙鏈寡核苷酸,利用堿基配對的原則形成肉眼可見的金粒子聚合體,從而完成了納米粒子的自組過程14,15。MaoC經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)比DNA單連結(jié)構(gòu)(支狀結(jié)構(gòu))更適合于用作組裝納米機器場地、材料和序列。并且成功制造出一個微型超分子裝置16。最為奇妙的是美國康奈爾大學用金屬鎳作為螺旋漿,嫁接到ATP酶分子的中軸上,制成了400個馬達,置入ATP溶液中,有5個成功轉(zhuǎn)動,8轉(zhuǎn) 分,緊接著他們又在此基礎(chǔ)上制成了納米

13、人體機器人,在人體內(nèi)游走了2.5h。所有這些預(yù)示著應(yīng)用生物大分子,DNA技術(shù)制造分子器件,制造模仿生物大分子的機器,將會為骨腫瘤的治療提供新的武器。5展望納米技術(shù)在醫(yī)學這個嶄新的大分支中,將會發(fā)生一個質(zhì)的飛躍,同時也給骨科領(lǐng)域帶來一個全新的發(fā)展動力,指明了一條發(fā)展方向。無論是以假亂真的類人骨,還是用納米量級的顯微操作,神經(jīng)血管縫合、移植,還是作為一種納米藥物,還是基因?qū)胼d體,都將推動著骨科領(lǐng)域進入一個由納米技術(shù)主宰的時代。參考文獻:1許海燕,孔樺,楊子彬.納米材料及其在生物醫(yī)學工程中的應(yīng)用J.國外醫(yī)學生物醫(yī)學工程分冊,1998,21(5):2622265.SiegelRW.Creatingn

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