生物医学材料研究进展.doc

生物医学材料研究进展 生物医学材料(biomedicalmaterial)是用于对物体进行诊断、治疗、修复或替换其病损组织器官,或增进其功能的新型高技术材料它是研究人工器官和医疗器械的基础,己成为材料学科的重要分支随着生物技术的蓬勃发展不断突破生物医学材料已成为各国科学家研究和开发的热点目前已有多种合成和天然高分子材料、金属和合金材料、陶瓷和碳素材料以及复合材料被广泛地应用于临床和科研 一、生物医学材料的发展历程 20世纪初,第一次世界大战以前所使用的材料为第一代生物医学材料代表材料有石膏、金属、橡胶以及棉花等物品这一代的材料大都已被现代医学所淘汰 第二代生物材料起源于20世纪6070年代,在对工业化的材料进行生物相容性研究基础上,开发了第一代生物材料及产品在临床的应用,例如体内固定用骨钉和骨板、人工关节、人工心脏瓣膜、人工血管、人工晶体和人工肾等代表材料有经基磷灰石、磷酸三钙、聚经基乙酸、聚甲基丙烯酸轻乙基醋、胶原、多肤、纤维蛋白等上述生物材料,具有一个普遍的共性:生物惰性即生物材料发展所遵循的原则是尽量将受体对植入器械的异物反应降到最低 第三代生物医学材料1是一类具有促进人体自身修复和再生作用的生物医学复合材料.这种具有活性的材料能够在生理条件下发生可控的反应,并作用于人体.20世纪80年代中期,生物活性玻璃、生物陶瓷、玻璃陶瓷及其复合物等多种生物活性材料开始应用于整形外科和牙科与惰性材料相比,这些材料在体内不存在免疫和干扰免疫系统的问题,材料本身无毒,耐腐蚀强度高,表面带有极性,能与细胞膜表层的多糖和糖蛋白等通过氢键相结合,并有高度的生物相容性骨形态发生蛋白(bonemorphogenetieprotein,BMP)材料是第三代生物医学材料中的代表表1列出了近年来生物陶瓷复合材料的发展情况2 二、生物医学材料的分类 1生物医学金属材料 生物医用金属材料通常采用合金或钛金,具有很高的机械强度和抗疲劳特性,是临床应用最广泛的不锈钢易加工价格低廉常用来做人工器官的针、钉、板等器件钴合金耐磨性耐蚀性较好是比较优良的植入材料钛合金耐蚀性强比重轻弹性模量与人体骨骼接近生物相容性好生物界面结合牢固是比较理想的植入材料另外镍钛形状记忆合金具有形状记忆特性和智能性,可用于矫形外科、心血管外科其主要缺点是用金属制成的生物材料会有慢炎性症反应由于腐蚀可能会造成机械断裂 2生物医学高分子材料 生物医学高分子材料有天然和合成两种天然高分子材料具有降解后被组织相容吸收的特点主要有胶原蛋白纤维蛋白和多糖类胶原与人体组织相容性好能促进细胞增殖在肌腱、韧带、腹膜的修复方面有重要的应用价值纤维蛋白的生理功能是止血可促进创伤愈合多糖类在医学上主要用于生成细胞膜、瓣膜 由共价键聚合的高分子材料有橡胶、树脂、脂类等合成的软性材料常用作人体软组织如血管、食道和指关节等;合成的硬性材料则用作人工硬脑膜、人工心脏瓣膜的球形阀等;液态的合成材料如室温硫化硅橡胶可作为注人式组织修补材料3 高分子材料的主要缺点是高分子材料降解后的副产品会引起组织过敏退化的分子结构变化会导致机械性能降低刺激吞噬细胞引起的排异反应一般情况下亲水高分子易退化疏水高分子不易退化 3生物医学无机非金属材料或生物陶瓷 生物陶瓷的化学性质稳定,具有良好的生物相容性生物陶瓷主要包括两类:惰性生物陶瓷(如氧化铝、医用碳素材料等),这类材料具有较高的强度,耐磨性能良好,分子中化学键的作用力较强:生物活性陶瓷(如轻基磷灰石和生物活性玻璃等),此类材料能在生理环境中逐步降解吸收,或与生物机体形成稳定的化学键,因而具有极为广泛的发展前景陶瓷材料的主要缺点是弹性差易碎颗粒状陶瓷不易保持形状块状陶瓷的塑性很难 4生物医学复合材料 生物医学复合材料是由两种或两种以上不同材料复合而成的,主要用于修复或替换人体组织、器官或增进其功能,也可用作人工器官的制造其中钻钦合金和聚乙烯组织假体常用作人工关节;囶押铣刹牧献魑人工股骨头在临床上有良好的应用;高分子材料与生物高分子(如酶抗原、抗体和激素等)结合可以作为生物传感器4 5生物医学衍生材料 生物医学衍生材料是由经过特殊处理的天然生物组织衍生而成的经过处理的生物衍生材料是无生物活性的材料,但其具有类似天然组织的构型和功能,在维持人体动态的修复和替换中具有重要作用,如皮肤掩膜、血液透析膜、人工心脏瓣膜等 三、热点研究领域 伴随着材料科学与技术、细胞生物学和分子生物学的进展加之医学进展和需求的驱动传统的无生命的医用金属、高分子、生物陶瓷等常规材料已不能满足临床应用要求当代生物医学材料的发展已进入一个崭新的阶段与生物技术结合赋予材料生物结构和生物功能特别是生物功能以充分调动人体自我康复能力诱导组织或器官再生或恢复和增进其生物功能实现病变或缺损组织或器官的永久康复已是本世纪生物材料科学与工程发展方向和前沿5主要研究集中于以下领域6： 1.生物相容性生物医学材料的核心 材料的生物相容性表征材料引起适当的机体反应的能力是生物医学材料区别于其它高技术材料的最重要的特征早期生物相容性的研究着重于材料的生物安全性即材料不致引起对机体的毒副作用在分子水平上深入认识材料与机体相互作用充分了解和表征材料表面/界面的组成、结构植入体形态、构型、多孔结构等生物力学因素影响组织重建和功能的体内生物化学信号（蛋白、生长因子、酶等）以及它们的相互作用和规律在分子水平上揭示材料生物相容性的本质指导生物学反应可控的材料设计探索评价材料长期生物相容性和可靠性的分子标记是当代生物材料科学的核心和基础 2.表面及表面改性技术现阶段改进常规医学材料的主要技术 材料表面和表面改性成为现阶段改进和提高常规材料的主要途径也是发展新一代生物医学材料的基础其研究热点主要集中于：（1）清洁表面即阻碍蛋白和细胞吸附/粘附的表面改性这对用于心血管系统修复材料特别重要可使其不吸附血液中的蛋白而获得抗凝血性能（2）特异性表面的设计与改性即可以选择性吸附/粘附蛋白和细胞的表面改性称可控制生物学反应的表面通过在材料表面固定有特定结合区结构的生物分子和蛋白质层可实现材料对特 定细胞的选择性粘附研究材料表面组成、结构和性质与体内蛋白分子的相互作用及其对蛋白和细胞特异性吸附/粘附的影响是生物医学材料科学的基本问题之一 3.纳米生物材料生物材料的前沿和热点 生物医学材料研究进展纳米生物材料的结构和特点更为类似于天然组织具有优良的生物学和物理化学性能因此越来越被重视主要集中于：（1）纳米结构的生物医学材料即具有纳米结构的材料如由小于100nm纳米晶构成的纳米生物陶瓷纳米颗粒增强高分子复合材料等研究发现纳米磷酸钙生物陶瓷的生物学活性随晶粒度减小而增强且多孔陶瓷还具有骨诱导性；纳米磷酸钙增强高分子复合材料的结构更接近于可视为羟基磷灰石增强胶原的自然骨；原位聚合纳米磷酸钙与胶原、乳酸或尼龙的复合材料其生物力学相容性和生物活性更接近于自然骨可望成为优良的组织工程支架材料（2）纳米结构的半透膜和层层自组装复合纳米器件利用脂类和寡肽分子自识别特性装配的二维结构其纳米尺度孔隙呈有序周期性排列可用作药物、基因和细胞的控释载体或包囊层层自组装是利用聚电解质和纳米粒子在生理环境下构建纳米薄膜、纳米微囊和其它多种纳米材料的重要途径（3）纳米尺度的生物医学材料纳米颗粒可穿透细胞膜进入细胞从而在基因控释中具有重要应用装载基因的纳米壳聚糖颗粒已在基因治疗中得到应用纳米级的聚酯、短肽等基因控释载体和系统正在被广泛的研究虽然纳米生物材料的生物学效应还远未被认识但是现有研究表明纳米生物医学材料的纳米效应可增进材料的生物学性能还有可能表现出尚未发现的优良生物学性能但是纳米生物材料亦可导致生物学风险这是纳米生物材料研究有待且必须解决问题具有纳米结构的自然组织不但未表现出纳米效应的风险且其性能十分优良纳米生物材料和软纳米技术已成为当代生物材料科学和工程的十分活跃的新领域 四、小结 生物材料研究是一项多学科交叉的课题涉及跨学科的多门类知识是集基础科学、工程