生物醫(yī)用材料的研究進(jìn)展

生物醫(yī)用材料的研究進(jìn)展

1.生物醫(yī)用材料的概念生物材料是指取代和修復(fù)活動(dòng)組織的自然或人工材料。它是生命科學(xué)、材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)、工程學(xué)等多學(xué)科相互滲透和發(fā)展的產(chǎn)物。由于它對(duì)人類健全和完善自身機(jī)體與機(jī)能有著深遠(yuǎn)的科學(xué)意義和巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值,因此,這一領(lǐng)域成為世界各國競(jìng)相研究開發(fā)的熱點(diǎn)。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(zhì),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(jī)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(duì)于植入生物活體內(nèi)的高分子材料(PolymerMaterials),一般應(yīng)具有兩種基本性能,即醫(yī)用功能性和生物相容性。實(shí)際上這也就包含了對(duì)材料其他性能如物理機(jī)械性能、化學(xué)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(jié)合后能達(dá)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(píng)價(jià)一種材料能否在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的根本依據(jù)。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(yīng)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(xì)胞、組織的功能下降,組織不發(fā)生炎癥、癌變以及排異反應(yīng)等。應(yīng)用的條件不同,對(duì)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(shí),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(yīng),即材料對(duì)活系統(tǒng)的作用,包括局部和全身反應(yīng)(如炎癥、細(xì)胞毒性,凝血、過敏、致癌、畸變等排異反應(yīng))以及促進(jìn)組織形成.免疫系統(tǒng)活化等醫(yī)療上的有效反應(yīng)。它是由材料本身的化學(xué)組分、分子或其部分結(jié)構(gòu)在生理環(huán)境下釋放到生物組織以及材料制品對(duì)生物組織的機(jī)械、電化學(xué)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(nèi)與生物肌體、體液、血液等接觸,在各種無機(jī)離子(如K+、Na+、Mg2+、Cl-、HCO3-、PO43-、SO42-等)、小分子無機(jī)物(如O2、CO2、H2O等)和大分子有機(jī)物(酶、蛋白質(zhì)類脂質(zhì)等)的作用下,發(fā)生腐蝕、降解、磨損、失效等物理化學(xué)性質(zhì)上的變化。2.2.生物組織主動(dòng)蛋白材料的設(shè)計(jì)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(duì)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(xiàn)為材料表面的化學(xué)組成、形態(tài)結(jié)構(gòu)、電荷性質(zhì)及其分布等等。另一個(gè)是宏觀尺度水平,這類影響包括材料的物理力學(xué)性質(zhì)、材料的宏觀形態(tài)尺寸等。而且,這類大尺度上的效應(yīng)比分子尺度上發(fā)生的化學(xué)效應(yīng)更為重要。生物系統(tǒng)對(duì)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(shí)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(yīng)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(jù)材料與生物體的相互作用關(guān)系,設(shè)計(jì)組織相容性材料(Tissue-compatibilityMaterials)時(shí)應(yīng)兼顧以上幾個(gè)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(chǎng)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(xiàn),無論材料的本征結(jié)構(gòu)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(shù)狀植入物幾乎不誘發(fā)腫瘤(如表1所示)。而由同一種化學(xué)結(jié)構(gòu)的材料制備的三種不同表面結(jié)構(gòu)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(zhì),但當(dāng)植入軟組織中,卻出現(xiàn)了截然不同的誘發(fā)組織增生性。表2中表面織構(gòu)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(gòu)為200μm拉長孔的B樣品及表面無孔的C樣品,則表現(xiàn)出傳統(tǒng)的硬殼層狀囊性增生?？傊?組織相容性材料的設(shè)計(jì),不但要考慮材料固有的表面化學(xué)結(jié)構(gòu)的相容性,而且,材料的宏觀結(jié)構(gòu),表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(zhì)(如酶、多糖、抗體、抗原、激素)或具有高度功能的細(xì)胞與人工材料復(fù)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(jī)構(gòu),支待高度的細(xì)胞功能,是高度相容的。目前,應(yīng)用較成功的是培養(yǎng)皮膚代用材料。這種人造皮膚是復(fù)合聚合膜,上層為橡膠彈性體,或是聚氨酯,下層為交聯(lián)的膠原蛋白和氨基葡聚糖(可同時(shí)植入皮膚細(xì)胞)。上層的硅橡膠可以阻止體液的流失和細(xì)胞的侵入,下層多孔狀的有機(jī)質(zhì)可以誘導(dǎo)皮膚細(xì)胞和血管的長入。研究結(jié)果表明,這種人造皮膚對(duì)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(shè)和應(yīng)用生物相容性問題是生物材料臨床應(yīng)用中的一個(gè)十分重要的問題。在材料的表面種植、培養(yǎng)細(xì)胞、制備適合細(xì)胞生長的高分子材料(首先要了解細(xì)胞-材料的相互作用)是實(shí)現(xiàn)材料良好的生物相容性的根本途徑。因此,適合細(xì)胞生長的生物材料(組織工程材料)的研究,不僅對(duì)細(xì)胞-材料相互作用機(jī)制的深入理解有著積極的科學(xué)意義,而且對(duì)于為加速組織相容性和血液相容性材料臨床應(yīng)用的突破也有著巨大的價(jià)值。解決材料的生物相容性問題是生物材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵。長期以來,在解決材料的生物相容性問題上,人們對(duì)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(duì)材料進(jìn)行表面分子設(shè)計(jì),改善表面的親/疏水性、引入帶電基團(tuán)、負(fù)載生物活性物質(zhì)等,以盡量減輕血栓的形成來提高材料的血液相