凝聚態(tài)物理專題納米生物材料

凝聚態(tài)物理專題納米生物材料什么是生物醫(yī)用材料生物醫(yī)用材料（biomedicalmaterials）狹義：長期與活體組織接觸或植入活體內(nèi)部，起某種生物功能的材料。廣義：包括制造生物醫(yī)藥的原材料、醫(yī)學(xué)診斷試劑、藥物輸送釋放體系用材以及一次性使用的生物醫(yī)用材料。2021/3/202生物體材料（biologicalmaterials）生物體材料按形成類型分為硬組織和軟組織兩種。硬組織主要包括生物礦物、生物體硬組織等等。軟組織包括細胞、細胞基質(zhì)、器官等等。2021/3/203生物礦化與生物礦物生物礦化是指生物體系中具有特殊的高級結(jié)構(gòu)和組裝方式的生物礦物形成過程。被生物體攝入的金屬離子，除構(gòu)成一些具有生物活性的配合物外，還通過形成生物礦物以構(gòu)成骨骼、牙齒等硬組織。這些硬組織所包含的礦物質(zhì)如羥基磷灰石、方解石等，從組成上看，與自然界巖石相同，因此被稱為“生物礦物”。2021/3/204生物體材料（biologicalmaterials）2021/3/205一、生物醫(yī)用材料的分類按照材料屬性分類合成高分子材料天然高分子材料金屬與合金材料無機材料復(fù)合材料按照材料用途分類生物惰性（bioinert）材料生物活性（bioactive）材料生物降解（biodegradable）材料2021/3/206二、對生物醫(yī)用材料的一般要求①具有良好的血液相容性和組織相容性②耐生物老化，即長期植入材料的生物穩(wěn)定性好；暫時植入的材料在確定的時間內(nèi)降解為可被人體吸收或代謝的無毒單體或片段③物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定④易于加工成型⑤便于消毒滅菌、無毒無熱源⑥不致癌不致畸2021/3/207（1）有機大分子預(yù)組織：在礦物沉積前構(gòu)造一個有組織的反應(yīng)環(huán)境，該環(huán)境決定了無機物成核的位置。但在實際生物體內(nèi)所發(fā)生的礦化過程中，有機基質(zhì)是處于動態(tài)的;（2）界面分子識別：在己形成的有機大分子組裝體的控制下，無機物從溶液中在有機/無機界面處成核。分子識別表現(xiàn)為有機大分子在界面處通過晶格幾何特征、靜電勢相互作用、極性、立體化學(xué)因素、空間對稱性和基質(zhì)形貌等方面影響和控制無機物成核的部位、結(jié)晶物質(zhì)的選擇、晶型、取向及形貌;（3）生長調(diào)制：無機相通過晶體生長進行組裝得到亞單元，同時形態(tài)、大小、取向和結(jié)構(gòu)受到有機分子組裝體的控制。（4）細胞加工：在細胞參與下亞單元組裝成高級的結(jié)構(gòu)，該階段是造成天然生物礦化材料與人工材料差別的主要原因。生物礦化作用分為四個階段2021/3/208礦物化學(xué)組成生物體/功能碳酸鈣（方解石）CaCO3海藻/外骨骼；軟體動物/視網(wǎng)膜碳酸鈣（方解石）CaCO3魚類/魚耳石；軟體動物/殼碳酸鈣（無定形）CaCO3高等植物/存儲鈣羥基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2牙齒、骨骼、魚鱗/存儲鈣、支撐組織氟磷灰石Ca10（PO4）6F2軟體動物殼、牙齒/存儲鈣、支撐組織磷酸八鈣Ca8H2(PO4)6·5H2O牙齒/存儲鈣、支撐組織草酸鈣CaC2O4·H2O高等植物/存儲鈣石膏CaSO4水母/魚耳石重晶石CaSO4海藻無定形二氧化硅SiO2·nH2O海綿骨骼，硅藻細胞壁磁鐵礦Fe3O4細菌，牙齒針鐵礦α-FeO(OH)牡蠣牙水鐵礦5Fe2O3·9H2O動物，高等植物/鐵蛋白黃鐵礦FeS2細菌磁復(fù)鐵礦Fe3S4細菌黑錳礦Mn3O4細菌硫化鎘CdS細菌生物體內(nèi)主要的無機礦物的種類及其功能2021/3/209碳酸鈣生物體中的碳酸鈣具有5種常見結(jié)晶形態(tài)：方解石、文石、球霰石、水合碳酸鈣和無定形碳酸鈣。2021/3/2010HuaTong,etal.Biomaterials,2004,3923-3929.2021/3/2011磷酸鈣磷酸鈣是生物硬組織中最重要的無機物，主要存在于骨、軟體動物的殼、牙齒以及作為生物傳感器的耳蝸等正常礦化產(chǎn)物中，在病理礦化產(chǎn)物如動脈硬化、尿結(jié)石和牙結(jié)石中也存在。磷酸鈣對生物硬組織的穩(wěn)定性、硬度和功能等方面起著重要作用。生物體內(nèi)的磷酸鈣是在常壓、常溫下沉積而成，以納米晶體結(jié)構(gòu)存在。生物體中的磷酸鈣鹽主要有羥基磷灰石（HAP）和磷酸八鈣（OCP）等。2021/3/2012人們在深入了解了生物礦化的機理后，在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域開展了大量研究工作。賦予材料以生物功能使其植入體內(nèi)后能充分調(diào)動人體自體修復(fù)和完善能力，從而實現(xiàn)損傷或病變組織、器官的永久修復(fù)，已成為二十一世紀生物材料發(fā)展的方向和前沿。對于生物醫(yī)用材料而言，磷酸鈣具有與脊椎動物的硬組織，如骨骼、牙齒等相似的礦物成分和結(jié)構(gòu)，因此，科學(xué)家們力圖從Ca-P生物材料方面進行新材料的制備，并取得了大量的成果。2021/3/2013ChitosanfilmHydroxyapatiteCOOHCOOHNH2Ca2+PO43-AsparticAcidSCSsolutionNucleationcentreHAPgrowthonthesurfaceofmodifiedchitosanfilmvertically.HAPgrowthonthesurfaceofmodifiedchitosanfilmhorizontally.chitosan/L-Asp膜在SCS溶液中誘導(dǎo)過程的示意圖ZhihongZhu,etal.Biosensors&Bioelectronics,2006,291-297.2021/3/2014組織工程材料和人造器官組織工程學(xué)是由美國國家科學(xué)基金委員會于1987年正式提出和確定的，是應(yīng)用細胞生物學(xué)、生物材料和工程學(xué)的原理，研究開發(fā)用于修復(fù)或改善人體病損組織或器官的結(jié)構(gòu)、功能的生物活性替代物的一門科學(xué)。

組織工程學(xué)的研究領(lǐng)域涉及到了物理學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)、工程學(xué)及生命科學(xué)。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，包括基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)的遺傳學(xué)、組織胚胎學(xué)、細胞生物學(xué)、分子生物學(xué)等；在臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域包括骨科、整形外科、胸外科、神經(jīng)外科、口腔頜面外科、五官科、普外科、康復(fù)醫(yī)學(xué)等。在材料學(xué)方面，主要涉及可降解高分子材料、陶瓷材料；生物衍生材料包括天然生物衍生材料和提純衍生材料（如膠原）等。2021/3/2015生物材料在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用（1）人工臟器（2）硬組織修復(fù)與骨組織工程（3）血管移植材料與組織工程（4）眼科的生物材料（5）齒科的生物材料（6）人工皮膚與組織工程（7）縫合線和黏合劑（8）藥物控制釋放系統(tǒng)2021/3/20162021/3/20172021/3/2018ZhihongZhu,etal.KeyEngineeringMaterials,2006,717-720.2021/3/2019KobayashiM.,etal.Bone,2006,1235-1239.2021/3/2020組織工程學(xué)的核心內(nèi)容：（1）合適的種子細胞的來源（2）可供細胞貼附生長的生物支架或細胞外基質(zhì)（3）用于促進組織再生的生長因子（4）組織的相容性等問題。2021/3/2021生物材料所必須具備的基本性能：（1）良好的生物相容性，植入體內(nèi)的材料本身及其降解物質(zhì)對機體不產(chǎn)生毒副作用（2）具有三維空間結(jié)構(gòu)和高孔隙率（3）具有一定的機械強度和良好的可塑性（4）材料的降解速度可以調(diào)控（5）良好的細胞親和性（6）易于消毒2021/3/2022DNA模板對納米材料晶體生長的調(diào)控作用陳霞等,高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報,2000,21:1115.2021/3/20232021/3/20242021/3/2025多糖模板對納米材料晶體生長的調(diào)控作用2021/3/20262021/3/20272021/3/2028蛋白質(zhì)模板對納米材料晶體生長的調(diào)控作用2021/3/20292021/3/2030單分子膜對納米材料晶體成核及生長調(diào)控作用單分子膜能催化晶體的成核對晶體生長具有選擇性對晶體的某一晶相具有選擇性對晶體的某一晶面具有選擇性不同聚集態(tài)的單分子膜對晶體的選擇性不同2021/3/2031SatoK.,etal.JCollInterfSci,2001,240:1332021/3/2032自組裝膜體系中的納米材料晶體生長控制自組裝膜(self-assembledmonolayers,SAMs)在平衡條件下,分子間通過非共價鍵(氫鍵,范德華力,靜電力,疏水作用力,ππ堆積作用等)相互作用自發(fā)形成的一類結(jié)構(gòu)明確,穩(wěn)定,具有某種特定功能或性能的分子聚集體或超分子結(jié)構(gòu).SAMs具有分子水平上的高度有序有機分子單層膜.2021/3/20332021/3/2034有機硫化合物