生物材料與細(xì)胞的相互作用

1、南通大學(xué)-電子信息學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)工程101 孫巍 10111082023生物材料與細(xì)胞的相互作用1簡介：生物醫(yī)用材料定義：以診斷、治療為目的, 用于與活體組織接觸, 且具有功能的無生命材料。由于生物材料需與活體組織接觸, 材料的毒性、生物相容性、血液相容性受到特別的重視。即在診斷與治療過程中, 生物材料對人體必須是安全的, 是生理惰性的, 屬于無生命材料。隨著細(xì)胞生物學(xué)、基因工程等領(lǐng)域的發(fā)展, 出現(xiàn)了嶄新的醫(yī)療技術(shù), 如組織工程、基因治療等, 由此對生物醫(yī)用材料提出了更高、更新的要求。2 生物材料與細(xì)胞相互作用的評價方法細(xì)胞與材料的相互作用的影響因素生物材料與細(xì)胞相互作用的改進(jìn)3通常評價材料對

2、細(xì)胞生長的影響最直接的方法便是在該材料上進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng), 但也有一定的局限性。例如: 在體外培養(yǎng)的細(xì)胞, 觀察不到材料植入體內(nèi)時的細(xì)胞的響應(yīng), 而在體內(nèi)培養(yǎng)時, 又不容易得到可控制的、可資比較的培養(yǎng)環(huán)境, 因此不能完全準(zhǔn)確地表達(dá)組織工程中生物材料與細(xì)胞的相互影響與作用。此外研究人員使用不同的實(shí)驗(yàn)技術(shù)培養(yǎng)細(xì)胞, 這些技術(shù)上的差別也將影響對材料與細(xì)胞相互作用的評價。在這里介紹的是使用的最多的細(xì)胞體外培養(yǎng)法, 即將細(xì)胞置于生物材料的表面, 測量細(xì)胞在表面的黏附與伸展的程度, 并通過長時間的細(xì)胞培養(yǎng), 確定材料對細(xì)胞活性、細(xì)胞功能以及細(xì)胞遷移和聚集的影響。4細(xì)胞在各個生長時期與生物材料相互作用的評價和表

3、征方法：細(xì)胞的貼附與伸展細(xì)胞的遷移細(xì)胞的聚集5鑒于大多數(shù)從生物體組織中分離出來的細(xì)胞是粘附生長型的, 即細(xì)胞首先必須貼附于材料的表面, 然后才有細(xì)胞的伸展、遷移、分化和其他的生長模式。測量細(xì)胞在材料表面黏附步驟大致可分為3步:1將細(xì)胞分散到材料的表面;2細(xì)胞在培養(yǎng)基存在下培養(yǎng)一定的時間;3在一定的作用力下脫附那些貼附較弱的細(xì)胞。6細(xì)胞貼附程度可以根據(jù)在材料表面貼附的細(xì)胞數(shù)及被淋洗下來的脫附的細(xì)胞數(shù)來確定。利用一種流動的流體產(chǎn)生既可重復(fù)又可控制的脫附力, 來測定細(xì)胞黏附程度,7材料的表面性質(zhì)對細(xì)胞行為的影響對于貼壁型生長細(xì)胞,首先貼附于材料表面,因此細(xì)胞的生長和功能主要取決于材料的表面性質(zhì)。例如

4、:將不同濃度的聚甲基丙烯酸羥乙酯( pHEMA) 涂于聚苯乙烯( 專門用于組織培養(yǎng)的TCPS) 上, 以產(chǎn)生一系列親水性不同的表面, 將細(xì)胞錨著在這些材料上, 發(fā)現(xiàn)隨著表面pHEMA 含量增加, 親水性增強(qiáng), 細(xì)胞黏附與伸展程度則逐漸降低。細(xì)胞貼附率的高低不完全由材料表面的親水性決定。細(xì)胞在材料表面的黏附, 實(shí)質(zhì)上是細(xì)胞外基質(zhì)蛋白、細(xì)胞膜蛋白、細(xì)胞骨架蛋白與材料的相互作用, 因此黏附期比較長, 黏附作用是通過細(xì)胞膜上的受體( receptors) 發(fā)生的, 該受體能特異性地識別材料表面的黏附位點(diǎn)。如果從培養(yǎng)液中或表面涂復(fù)方法使材料表面獲得了一些蛋白如:纖連蛋白( fibronectin, Fn

5、) , 黏連蛋白( vitronectin,Vn) , 層黏連蛋白( laminin, Ln) 等, 這些蛋白被細(xì)胞膜上受體識別, 細(xì)胞則以這些蛋白為介導(dǎo), 黏附于材料的表面。材料的表面性質(zhì)對細(xì)胞行為的影響8圖2 各種高分子表面上細(xì)胞貼附率與水-空氣接觸角的關(guān)系-成纖維細(xì)胞-內(nèi)皮細(xì)胞-L 細(xì)胞9材料的表面形態(tài)對細(xì)胞行為的影響一個材料的細(xì)微結(jié)構(gòu)對細(xì)胞行為和組織生成具有非常大的影響。培養(yǎng)的細(xì)胞在帶有構(gòu)槽的或其他細(xì)微結(jié)構(gòu)的表面或在棱角邊緣上的生長情況與在光滑表面上是有差別的。一般情況下, 細(xì)胞將沿著材料表面的突起部分或是纖維進(jìn)行取向和遷移。這一現(xiàn)象稱為細(xì)胞培養(yǎng)的接觸誘導(dǎo)。細(xì)胞取向的程度取決于表面溝槽

6、的深度與寬度。10生物材料與細(xì)胞的相互作用, 實(shí)質(zhì)上是增強(qiáng)細(xì)胞在材料上的黏附及生長能力。其中細(xì)胞黏附是基礎(chǔ), 黏附特性的差異將影響細(xì)胞的增殖、分化等功能。其綜合的作用亦稱為細(xì)胞親和性。生物材料與細(xì)胞相互作用的改進(jìn)11表面改性指：不改變材料的本體性質(zhì), 而只改變材料的表面性質(zhì)以提高材料的細(xì)胞親和性, 滿足組織工程對生物可降解材料多樣性的需要的方法。表面改性方法通常被用于工程化生物材料, 以期獲得特定的表面性質(zhì)。表面改性可以極大地影響細(xì)胞生長.當(dāng)前高分子生物材料的表面改性作了詳細(xì)的描述。通常表面改性策略有以下4 種方法；表面改性概述1.通過化學(xué)或物理的方法來替代表面的原子或分子( 表面處理、刻蝕、化學(xué)改性) ;2.將新的組分覆蓋在材料的表面( 涂覆、接枝、薄膜沉積) ;3.離子、簇、粒子的表面插入4. 表面誘導(dǎo)粗糙刻蝕。12等離子體改性用低溫等離子體改性高分子材料有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn), 既能使材料表面分子激發(fā)、電離或斷鍵, 又不會使材料熱解或燒蝕, 其改性的深度只是材料表面幾十至幾千埃的范圍。與其他表面改性方法相比, 等離子體法既能較容易地在材料表面引入特定的官能團(tuán)或其他高分子鏈, 還可避免