生物醫(yī)用材料的研究進展

生物醫(yī)用材料的研究進展

1.生物醫(yī)用材料的概念生物材料是指取代和修復活動組織的自然或人工材料。它是生命科學、材料科學、醫(yī)學、工程學等多學科相互滲透和發(fā)展的產物。由于它對人類健全和完善自身機體與機能有著深遠的科學意義和巨大的社會經濟價值,因此,這一領域成為世界各國競相研究開發(fā)的熱點。生物材料的狹義含義是生物醫(yī)用材料(BiomedicineMaterials)。按照材料的性質,生物醫(yī)用材料可分為天然生物材料(如豬心瓣膜、牛心包、羊膜等)、金屬材料(如鈦及其合金)、無機非金屬材料(如羥基磷灰石、生物玻璃等)、高分子材料以及雜化生物醫(yī)用材料。對于植入生物活體內的高分子材料(PolymerMaterials),一般應具有兩種基本性能,即醫(yī)用功能性和生物相容性。實際上這也就包含了對材料其他性能如物理機械性能、化學穩(wěn)定性、毒性、加工成型性等方面的要求。醫(yī)用功能是指材料在與生物體組織相結合后能達到診斷或醫(yī)療的效果。而生物相容性是指材料和活體組織之間相互容納的程度。它包含兩層含義:血液相容性和組織相容性。生物相容性(Biocompatibility)是生物醫(yī)用材料區(qū)別于其他材料的最重要的特征,是評價一種材料能否在生物醫(yī)學領域應用的根本依據。因此,生物相容性是生物醫(yī)用材料研究的中心課題之一。2.生物深刻反應y組織相容性(Tissue-compatibility)是指材料與生物活體組織及體液接觸后,不引起細胞、組織的功能下降,組織不發(fā)生炎癥、癌變以及排異反應等。應用的條件不同,對材料組織相容性的要求不同。2.1.治療微生物的作用高分子材料在與生物體組織接觸時,同樣發(fā)生各種各樣的相互作用。概括起來如圖3所示。圖3中白色箭頭表示的是生物體方面發(fā)生的反應,即材料對活系統(tǒng)的作用,包括局部和全身反應(如炎癥、細胞毒性,凝血、過敏、致癌、畸變等排異反應)以及促進組織形成.免疫系統(tǒng)活化等醫(yī)療上的有效反應。它是由材料本身的化學組分、分子或其部分結構在生理環(huán)境下釋放到生物組織以及材料制品對生物組織的機械、電化學或其它刺激作用所造成的。黑色箭頭表示的是與生物體接觸的材料方面的變化。高分子材料在生物體內與生物肌體、體液、血液等接觸,在各種無機離子(如K+、Na+、Mg2+、Cl-、HCO3-、PO43-、SO42-等)、小分子無機物(如O2、CO2、H2O等)和大分子有機物(酶、蛋白質類脂質等)的作用下,發(fā)生腐蝕、降解、磨損、失效等物理化學性質上的變化。2.2.生物組織主動蛋白材料的設計材料與生物體的相互作用情況決定了材料組織相容性的程度。材料對組織相容性的影響包含著兩種特征尺度水平上的因素。一是微觀分子水平,這類影響主要表現為材料表面的化學組成、形態(tài)結構、電荷性質及其分布等等。另一個是宏觀尺度水平,這類影響包括材料的物理力學性質、材料的宏觀形態(tài)尺寸等。而且,這類大尺度上的效應比分子尺度上發(fā)生的化學效應更為重要。生物系統(tǒng)對生物相容性的影響包括生物體種類、植入部位、受體的健康狀況、埋植留存時間、使用的生理環(huán)境等。一般說來,材料與生物體相互作用的反應主要集中于固體生物材料與體液接觸形成的固-液界面上。依據材料與生物體的相互作用關系,設計組織相容性材料(Tissue-compatibilityMaterials)時應兼顧以上幾個方面因素。尤其是材料的宏觀形態(tài)、尺寸、表面形貌不容忽視。在許多場合,這些因素直接決定了材料生物相容性[5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15]。研究發(fā)現,無論材料的本征結構如何,大體積薄片植入誘發(fā)腫瘤的幾率總是最高,而成海綿體、纖維壯和粉術狀植入物幾乎不誘發(fā)腫瘤(如表1所示)。而由同一種化學結構的材料制備的三種不同表面結構的樣品(如表2所示),盡管其毒性分析表明均無可被萃取的物質,但當植入軟組織中,卻出現了截然不同的誘發(fā)組織增生性。表2中表面織構為10-20μm圓孔的A樣品,允許組織和血管的長入,組織和聚合物緊密接觸;而表面織構為200μm拉長孔的B樣品及表面無孔的C樣品,則表現出傳統(tǒng)的硬殼層狀囊性增生?？傊?組織相容性材料的設計,不但要考慮材料固有的表面化學結構的相容性,而且,材料的宏觀結構,表面拓撲結構是極為重要的。近年來,隨著組織工程的發(fā)展,廣泛開展了雜化生物材料的研究。即將生理活性物質(如酶、多糖、抗體、抗原、激素)或具有高度功能的細胞與人工材料復合在一起,制備生物體組織和器官的代用品。這種雜化材料以人工材料為附著機構,支待高度的細胞功能,是高度相容的。目前,應用較成功的是培養(yǎng)皮膚代用材料。這種人造皮膚是復合聚合膜,上層為橡膠彈性體,或是聚氨酯,下層為交聯的膠原蛋白和氨基葡聚糖(可同時植入皮膚細胞)。上層的硅橡膠可以阻止體液的流失和細胞的侵入,下層多孔狀的有機質可以誘導皮膚細胞和血管的長入。研究結果表明,這種人造皮膚對深度創(chuàng)傷的皮膚再生十分有效。3.生物材料的生物生物建設和應用生物相容性問題是生物材料臨床應用中的一個十分重要的問題。在材料的表面種植、培養(yǎng)細胞、制備適合細胞生長的高分子材料(首先要了解細胞-材料的相互作用)是實現材料良好的生物相容性的根本途徑。因此,適合細胞生長的生物材料(組織工程材料)的研究,不僅對細胞-材料相互作用機制的深入理解有著積極的科學意義,而且對于為加速組織相容性和血液相容性材料臨床應用的突破也有著巨大的價值。解決材料的生物相容性問題是生物材料在生物醫(yī)學領域應用的關鍵。長期以來,在解決材料的生物相容性問題上,人們對材料表面的修飾研究得較多,如血液相容性材料的研制上,通常對材料進行表面分子設計,改善表面的親/疏水性、引入帶電基團、負載生物活性物質等,以盡量減輕血栓的形成來提高材料的血液相