（材料学专业论文）人工角膜用细菌纤维素复合材料的制备及性能研究.pdf

摘要 目前，全球由于角膜疾病而致盲的人数超过一千万，角膜移植是他们复明的 主要方法。对于不能接受角膜移植术的患者来说，人工角膜植入术是这些患者恢 复视力的唯一希望。当前人工角膜材料由光学中心和周边支架两部分组成，通常 由于光学中心与支架、支架与眼组织的结合力差而造成移植手术的失败，此外， 常用的人工角膜材料( 如p m m a 、p h e m a 、p v a 和硅凝胶等) 存在着生物相容 性和力学性能差等缺点。细菌纤维素( b c ) 具有精致的三维纳米网状结构，较 好的生物相容性，高的持水性和力学性能，可同时用作支架和光学中心材料。 b c 作为人工角膜材料虽然具有许多优点，但是它透明性较低，易被细菌感染。 针对b c 的不足之处，本文对其进行改性，制备了b c p v a 和b c p h e m a 透明复合 材料，并采用x r d 、f t i r 、t g 和d s c 等手段研究了复合材料的结构、含水率、 透光率、热稳定性以及力学性能等。 本研究分别以冷冻熔融法和自由基本体聚合法制备了b c p v a 和 b c p h e m a 复合材料。研究结果表明，b c p v a 复合材料的含水率高达7 3 ，与 天然角膜的含水率( 7 8 ) 非常接近，但是b c p h e m a 复合材料的含水率较低( 约 3 7 ) ，需要进一步提高；两种复合材料对可见光具有良好的透光率，同时对紫 外光有一定的吸收作用，其中b c p h e m a 复合材料的透光率在8 0 8 8 之间， 而b c p v a 复合材料的透光率可达9 0 以上。t g 和d s c 分析结果表明，两种复合 材料的热分解温度与纯p v a 和p h e m a 相比都有较大程度的提高，而且随b c 含量 的提高而提高。 复合材料的力学性能测试结果表明，两种复合材料的杨氏模量和拉伸强度显 著高于未增强的基体材料，且随b c 质量分数的增加而增加；但是复合材料的断 裂伸长率有一定程度的降低。 两种复合材料的光学性能、热稳定性和力学性能都能满足人工角膜材料的要 求，其中b c p v a 复合材料的含水率、透明性和力学性能均高于b c p h e m a 复合 材料。由此可见，b c p v a 复合材料的综合性能优于b c p h e m a 复合材料。 关键词：细菌纤维素，人工角膜，聚乙烯醇，聚甲基丙烯酸b 羟乙酯，复合材 料 a b s t r a c t t h e r ea r ep r o b a b l ym o r et h a n10m i l l i o np e o p l ew o r l d w i d es u f f e r i n gf r o m b l i n d n e s so fc o r n e a lo r i g i n ，a n dt h e i rv i s u a lr e c o v e r yr e l i e sh e a v i l yo nt h es u c c e s s f u l g r a f t i n go fd o n o rc o r n e a lt i s s u e h o w e v e r ，t h eo n l ya l t e r n a t i v ef o rr e s t o r i n gv i s i o n a p p e a r st ob et h ep r o s t h o k e r a t o p l a s t yf o rt h ep a t i e n t sw h oa r eu n l i k e l yt ob e n e f i tf r o m p e n e t r a t i n gk e r a t o p l a s t y a tp r e s e n ta r t i f i c i a lc o r n e am a t e r i a l si n c l u d i n go p t i c a lc e n t r e a n dp o r o u ss k i r t s b u tm o s ta r t i f i c i a lc o r n e a sf a i l e db e c a u s eo fp o o ri n t e r a c t i o n b e t w e e nt h ea r t i f i c i a li m p l a n ta n dh o s tc o n r e a ，a n dp o o ra t t a c h m e n to ft h et r a n s p a r e n t c e n t e rt ot h es k i r t m o r e o v e r ，a r t i f i c i a lc o r n e am a t e r i a l s ( s u c ha sp h e m a ，p v aa n d s i l i c o n eg e l s ) u s u a l l yh a v es o m ep r o b l e m s ，s u c ha sp o o rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n d b i o c o m p a t i b i l i t y b a c t e r i a lc e l l u l o s e ( b c ) h a sm a n ya d v a n t a g e sa n dc a nb ea p p l i e da s a r t i f i c i a lc o r n e am a t e r i a l ，d u ot oi t sf i n en a n o f i b e rn e t w o r k ，b i o c o m p a t i b i l i t y ，h i g h w a t e rh o l d i n gc a p a c i t ya n dh i g ht e n s i l es t r e n g t h h o w e v e r ，i th a ss o m ed e f e c t sf o r a r t i f i c i a lc o r n e a ，s u c ha sl o wt r a n s p a r e n c ya n de a s yb a c t e r i a li n f e c t i o n i nt h i sp a p e r , b c p v aa n db c p h e m ac o m p o s i t e sw e r ep r e p a r e dt oo v e r c o m et h e s ep r o b l e m s w a t e rc o n t e n t ，t r a n s m i t t a n c e ，s t r u c t u r e ，t h e r m a ls t a b i l i t ya n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t h ec o m p o s i t e sw e r ei n v e s t i g a t e db yx r d ，f t i r ，t ga n dd s c a n a l y s e s i nt h i sw o r k , b c p v aa n db c p h e m a t r a n s p a r e n tc o m p o s i t e sw e r ep r e p a r e db y f r e e z e t h a wa n db u l kf r e e - r a d i c a lp o l y m e r i z a t i o n ，r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t ss h o w e d t h a tt h ew a t e rc o n t e n to fb c p v ac o m p o s i t e sw a sa sh i g ha s7 3 w h i c hw a sc l o s et o t h a to fn a t u r ec o r n e a ( 7 8 ) h o w e v e r , t h ew a t e rc o n t e n to fb c p h e m a c o m p o s i t e s w a sl o w e r ( a b o u t3 7 1 b o t ho ft h et w oc o m p o s i t e sh a dg o o dt r a n s m i t t a n c e st ot h e v i s i b l el i g h t , m e a n w h i l eh a dc e r t a i na b s o r p t i o nt ot h eu l t r a v i o l e tr a d i a t i o n t h e t r a n s m i t t a n c eo fb c p v a c o m p o s i t e sw a sb e t w e e n8 0 a n d8 8 ，w h i l et r a n s m i t t a n c e o fb c p v ac o m p o s i t e sr e a c h e da b o v e9 0 t h er e s u l t so ft g aa n dd s cs h o w e dt h a t t h et h e r m a ld e g r a d a t i o nt e m p e r a t u r eo fb c p v aa n db c p h e m ac o m p o s i t e sw a s d r a m a t i c a l l yi m p r o v e dc o m p a r e dw i t ht h ep u r ep v aa n dp h e m a a sb cm a s s f r a c t i o ni n c r e a s e d ，t h et w oc o m p o s i t e ss h o w e da ni n c r e a s ei nt h e r m a ld e g r a d a t i o n t e m p e r a t u r e t h er e s u l t so fm e c h a n i c a l p r o p e r t i e st e s t i n go ft h ec o m p o s i t e ss h o w e dt h a t y o u n g sm o d u l u sa n dt e n s i l es t r e n g t hw e r ed r a m a t i c a l l yi m p r o v e di nc o m p a r i s o nt o t h a to fm a t r i xm a t e r i a l s ，a n di n c r e a s e dw i t ht h eb cm a s sf r a c t i o n h o w e v e r ，t h e e l o n g a t i o na tb r e a kd e c r e a s e d o p t i c a lp r o p e r t i e s ，t h e r m a l s t a b i l i t i e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h et w o c o m p o s i t e sc o u l dm e e tt h er e q u i r e m e n t so f a r t i f i c i a lc o r n e am a t e r i a l s h o w e v e r , w a t e r c o n t e n ta n dt r a n s m i t t a n c eo fb c p v ac o m p o s i t e sw e r eb e t t e rw h e nc o m p a r e dt o b c p h e m ac o m p o s i t e s e v i d e n t l y , t h eo v e r a l lp r o p e r t i e so fb c p v ac o m p o s i t e s w e r es u p e r i o rt ob c p h e m ac o m p o s i t e s k e yw o r d s ：b a c t e r i a lc e l l u l o s e ，a r t i f i c i a lc o r n e a ，p o l y v i n y la l c o h o l ，p o l y ( 2 一h y d r o x y e t h y lm e t h a c r y l a t e ) ，c o m p o s i t e s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤递盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文版权使用授权书 彳r 本学位论文作者完全了解苤凄盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向罔家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 龊牛魄 料嗍：僻刁只 导师签名：听婶易灶 ，u 磐嗍堋叫月7 同 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 角膜在正常的生理条件下可以长期地保持完整性和透明性，但它却是眼睛外 膜中最容易受到损害的部分。在一定条件下它的防护能力就会崩溃【1 1 。角膜表面 严重损伤引起的角膜疾病是造成眼盲的主要原因之一，在全世界眼盲患者中，有 三分之一的患者是由于角膜疾病而导致的眼盲，仅次于白内障而居第二位。在我 国一些地区，角膜盲居各类盲目之首。由于角膜的内皮细胞是不能自动修复或替 代的，这些角膜疾病患者需要通过手术用供体的健康角膜来替代其损伤角膜，这 就导致了对眼库角膜的极大需求量。而且随着人口的老龄化，对供体角膜的需求 也在增加。但是在许多国家和地区角膜的提供极其短缺，有许多患者由于缺乏植 入角膜而得不到治疗。在现代眼科医学中角膜穿透移植术是最成功的类型之一， 其在组织的存活和视力的恢复方面都有较高的成功率。但是当宿主角膜大范围的 瘢痕化、深度血管化、泪膜特性有改变或有青光眼存在时，角膜移植的成功率将 大为降低，即使手术后采用大量药物或多次手术补救，多数最终仍会以治疗失败 告终。对有些病症，穿透性角膜移植的成功率几乎为零【2 1 。 对于缺乏植入角膜或角膜严重受损而又不能接受角膜移植手术以及进行了 角膜移植手术但术后有不良反应以及多次发生角膜移植排斥反应的角膜盲患者 来说，人工角膜植入术则成为其重建视力的最后手段和希望。理想的人工角膜应 该能在眼内长期稳定存在，中央视区保持透明，外周部允许基质角膜细胞长入等 特点。然而直到现在人们所研制的人工角膜并不是很成功，所以寻找一种利于组 织长入，生物相容性好，无毒副作用而且能生物固定的材料作为人工角膜的原料 是众多科学家所努力的方向之一。细菌纤维素作为一种天然高分子材料，由于其 良好的生物相容性、透明性、机械性能，对细胞组织无毒副作用以及精细的网状 结构等特点，可作为一种理想的人工角膜材料。 1 2 人工角膜 1 2 1 角膜邮1 1 2 1 1 角膜的形态及功能 角膜位于眼球壁的最外层纤维膜前1 6 的部分，是视觉光学系统中的最重要 l 第一章绪论 的组成部分之一，本身无血管但富含感觉神经，在正常状态下是一种清澈、透明 的组织，而且几乎可匕l 透过1 0 0 的可见光。其表面光滑、亮泽，质韧而有弹性。 角膜虽仅为眼球壁的前l ，6 但却有很高的屈光能力，其约占整个眼球屈光力的 7 0 。角膜前附着一层泪膜且保持液态，靠瞬目刷于角膜表面使其更光滑、可 减少散光。角膜表面呈圆形，前面稍凸周围切面为楔状，犹如表盖镶嵌于表壳一 样与巩膜相接。 角膜的水平直径为1 1 5 1 20m m ，垂直直径l o5 1 10m m 。角膜的厚度不 均匀，中央最薄，约0 5m m ，由角膜中央到角膜缘厚度逐渐增加，在角膜缘处 的厚度约l2r a m 。由于厚度不同，角膜曲率也不相同，角膜的前面曲率半径平 均为78m t n ，角膜后面曲率半径平均为67m m 。角膜中央4m m 区域几乎呈球 形弧度称为光学区或视区。 由此也可以看出角膜的两大主要功能即保护眼球内容物和作为主要的光学 成分发挥作用。角膜所具有的弹性和厚度使其在眼内能维持眼内压。 1 2 1 2 角膜的组织结构 角膜由5 层组织构成，从前到后依次为上皮层、前弹力( b o w m a n ) 层、基质 层、后弹力( d e s c c m e t ) 层和内皮细胞层，如图l - l 所示。 一j z ，：一一：一 j ：j 之：；i ，j ：毒一。一j ：二：j ：三：互耋乏：三乞”：；：叠= i ：；之嚣 囤l l 角膜的组织结构 f i g1 - 1o r g a n i z a t i o ns h u d u m o f c o r n e a 角膜上皮细胞层由复层鳞状上皮细胞及其基底膜所构成。健康的正常角膜上 皮未角质化，由5 7 层构成，厚度约为5 0 9 0t t m 。其主要的分裂活跃细胞层 是基底层，其子代细胞向顶端移动并最终进 以泪液膜，所以上皮细胞层再生能 力强损伤后可以再生，且不留瘢痕。 前弹力层位于上皮细胞层基底膜的下边是一层均匀透明薄膜是由角膜基 质浅层分化的一部分，厚约1 0 1 6 岬，由胶原纤维组成，无细胞结构及细胞核。 第一章绪论 该层缺乏再生能力，如果发生破损它基本的纤维结构不能复原，但可由上皮增生 的疤痕组织所取代。 基质层又称实质层或间质层，是角膜的主要结构部分，占角膜总厚度的9 0 ， 由富含胶原和硫酸蛋白多糠的细胞外基质构成。蛋白在其中由前向后分布并不均 匀，基质的主要细胞是角膜细胞，散布在整个基质中，互相之间以缝隙连接接触。 损伤后不能再生，可由不透明的瘢痕组织所代替。 后弹力层位于角膜基质层和内皮细胞层之间，是由内皮细胞分泌产生的一层 透明均质的玻璃状膜，随年龄的增长而变厚，在前房角处分成细条，移行于小梁 组织中。此膜有弹性，较坚韧，对化学物质抵抗力强，而对机械性损伤抵抗力弱。 此膜损伤后有再生能力。 内皮细胞层位于角膜的最后一层，前邻后弹力膜，后面直接与房水接触，由 一层扁平的六角形细胞组成。内皮细胞损伤后一般不能再生，且能引起基质层的 水肿，缺损区主要依靠邻近内皮细跑的扩展和移行来覆盖。 1 2 2 生物医用材料 生物医学材料或叫生物材料，是和生物系统相互作用，用以诊断、治疗修复 或替换机体中的组织、器官或增进其功能的材料 7 1 。生物医学材料是与人类生命 和健康密切相关的，对人体组织、血液不致产生不良反应的材料。它包括由化学 或物理方法合成或改性的材料本身，也包括由材料加工成的制品。随着生物材料 的不断发展，其概念的内涵也在不断地丰富和完善。现化医学的进步与生物材料 的发展密不可分，如各种介入诊断和治疗导管、药物传递控释系统、创伤和烧伤 敷料、血管内支架、人工关节与功能性假等己得到广泛的应用【8 】。 1 2 2 1 生物医用材料的分类 生物材料根据临床用途，可分为骨骼一肌肉系统修复和替换材料、软组织材 料、齿科材料、心血管材料、医用膜材料、组织胶黏剂和缝合线材料、药物释放 载体材料、临床诊断及生物传感器材料【9 1 。根据在生物环境中发生的生物化学反 应水平，生物材料可分为生物惰性材料和生物活性材料。生物材料按照材料组成 和性质可以分为医用金属材料、医用高分子材料、生物陶瓷材料、生物医用复合 材料和生物衍生材料【l o 】。 生物医用金属材料是用作生物医学材料的金属或合金，又称外科用金属材料 或医用金属材料，是一类惰性材料。这类材料具有高的机械强度、良好的韧性和 抗弯曲疲劳性能，优异的加工性能等优点，是临床应用最广泛的承力植入材料。 除此之外还具有优良的抗生理腐蚀性及生物相容性。医用金属材料应用中的主要 第一章绪论 问题是由于生理环境的腐蚀而造成的金属离子向周围组织扩散及植入材料自身 性质的退变，前者可能导致毒副作用，后者常常导致植入的失败。已经用于临床 的医用金属材料主要有不锈钢、钴合金和钛合金等三大类。此外还有形状记忆合 金、贵金属以及纯金属钽、铌、锆等。 生物医用高分子材料可来自人工合成，也可来自天然产物。医用高分子材料 按性质可分为非降解型和可生物降解型。非降解型高分子要求在生物环境中能长 期保持稳定，不发生降解、交联或物理磨损等，并具有良好的力学性能。如聚乙 烯、聚丙烯、聚硅氧烷、聚甲醛等，该类材料要求其本身不对机体产生明显的毒 副作用，主要用于人体软、硬组织修复，人工器官，人造血管等的制造。可生物 降解型高分子是指可在生物环境作用下发生结构破坏和性能蜕变，要求其降解产 物能通过正常的新陈代谢或被机体吸收利用或排出体外。该类材料包括胶原、线 性脂肪族聚酯、甲壳素、纤维素、聚氨基酸和聚乙烯醇等，主要用于药物释放载 体、非永久性植入载体、组织诱导再生和组织工程等 1 l , 1 2 。 生物医用陶瓷材料又可称为生物医用无机非金属材料，此类材料化学性能稳 定，具有良好的生物相容性。生物陶瓷可按其在体内的活性分为惰性的生物陶瓷 和活性生物陶瓷。惰性生物陶瓷，如氧化铝、氧化锆以及医用碳素材料等，这类 陶瓷材料的结构都比较稳定，而且都具有较高的强度、耐磨性及化学稳定性。生 物活性陶瓷，如羟基磷灰石、生物活性玻璃等，在生理环境中可通过其表面发生 的生物化学反应与生体组织形成化学键结合；可降解吸收陶瓷，如石膏、磷酸三 钙陶瓷；在生理环境中可被逐步降解和吸收，并随之为新生组织替代，从而达到 修复或替换被损坏组织的目的。各种不同种类的生物陶瓷的物理、化学和生物性 能差别很大，在医学领域有着不同的用途【1 3 1 。 生物医用复合材料是由两种或两种以上材料复合材而成的，主要用于修复或 替换人体组织、器官或增进其功能以及人工器官的制造等，按其基体材料的不同 可分为金属基、高分子基和陶瓷基复合材料。生物医用复合材料根据应用需求进 行设计，由基体材料与增强材料或功能材料组成，复合材料的性质将取决于组分 材料的性质、含量和它们之间的界面。利用不同性质的材料复合而成的生物医用 复合材料，不仅兼具组分材料的性质，而且可以得到单组分材料不具备的新性能， 为获得结构和性质类似于人体组织的生物医学材料开辟了一条新的途径，生物医 用复合材料必将成为生物医用材料研究和发展中最为活跃的领域【1 4 】。 生物衍生材料是由天然生物组织经过去脂、去细胞、去抗原等特殊处理形成 的生物医用材料，又称生物再生材料【1 5 】。生物组织可以是同种或异种动物体的组 织。特殊处理包括维持组织原有构型的较轻微处理以及拆散组织原有构型的强烈 处理。经过处理的生物组织已失去生命力。但是，由于生物衍生材料其组成类似 4 第一章绪论 于自然组织，或者有类似于细胞外基质等自然组织的构型和功能，仍含有各类生 长因子，它在维持人体动态过程的修复和替换中具有重要的作用。生物衍生材料 主要用于人工心瓣膜、血管修复体、皮肤掩膜、纤维蛋白制品、骨修复体、巩膜 修复体、鼻种植体、血液系统、血浆增强剂和血液透析膜等。 1 222 生物医用材料的物性要求， 作为体内植入物的材料，与人体健康密切相关，不仅要对人体的组织、血液、 免疫等系统不产生不良影响，而且还要在生理条件下能长期稳定。虽然生物医用 材料的物性要求与其使用条件密切相关，但仍有一些基本的物性要求 1 6 , 1 7 。 ( 1 ) 力学性能。人体是一个生命体，各组织以及器官间普遍存在着许多动 态相互作用，因此植入体内的材料要考虑在应力作用下的性质。 ( 2 ) 生物稳定性。对于永久性植入体内的材料要求具有良好的生物稳定性， 即在生物的复杂环境中材料的高次结构及低次结构不发生变化，不解聚，同时本 身的组成不引起生物体的生物反应。 ( 3 ) 低溶出物及可渗出物。材料在合成以及加工过程中很难避免没有低分 子的物质渗入。这类物质包括引发剂、催化剂、残余单体、中间产物及添加剂等。 材料植入体内后的许多生理反应大都和溶出物、渗出物的存在有关。一些单体及 小间体会引起严重的生理反应。生物体组织液的p h 值一般保持在7 2 7 4 左右， 接近中性，但考虑到有时候出于种种代谢产物的生成，p h 值会发生变化，这时 候溶解性问题就显得更为重要了。 ( 4 ) 灭菌性能。生物医用材料及其制品必须经过消毒灭菌才能使用。对于 一般玻璃或金属制品，用常规的高温蒸汽消毒即可，但是有很多高分子材料却经 受不住高温的侵袭。无论是热，还是湿气都会对材料的一些性质产生显著的影响， 从而会引起高分子形态和表面状况的改变，同时也会影响材料的血液相容性等生 物学性能。 ( 5 ) 生物相容性。植入人体内的生物医用材料必须对人体无毒性、无致敏 性、无刺激性、无遗传毒性和无致癌性，对人体组织、血液、免疫等系统不产生 不良反应。因此，材料的生物相容性优劣是生物医用材料研究设计中首先考虑的 重要问题。生物相容性一般按材料接触人体部位的不同，可分为两大类。若材料 用于心血管系统与血液直接接触，主要考察与血液的相互作用，称为血液相容性； 若与心血管系统外的组织和器官接触，主要考察与组织的相互作用，称为组织相 容性或一般生物相容性。一般来说，植入人体内的各种医用材料和装置都首先要 求具有优良的组织相容性。 除此之外，材料加工成型性能和价格也十分重要。材料必须通过各种专门的 第一章绪论 加工技术，制成所要求形状、尺寸才能付诸于临床应用。有些材料尽管性能不错， 但是由于加工成型困难而限制了它的使用。 1 2 3 人工角膜的发展 法国眼科医生g u i l l a u m ep e l l i e rd eq u e n g s y 在人类历史上第一次提出了人 工角膜的概念；他在自己1 7 8 9 年出版的书中描述了一种带银边薄玻璃片的人工 角膜材料。但是在以后的很长一段时间里没有人继续他的工作，直到1 8 1 7 年 w e b e r 开创了人工角膜植入术的先河，首次将一片水晶人工角膜植入患者眼中， 虽然在患者眼上仅存留了6 个月，却使人们认识到混浊的角膜可通过透明的物体 置换而使患者重见光明。于是，许多眼科专家用不同光学材料制造人工角膜，进 行了大量的动物实验和临床试用，但由于当时对生物组织与异质材料之间的生物 相容性问题缺乏足够的认识，只单一地考虑到材料的透明性，终因机体的排异作 用而使人工角膜只能在眼内存留短暂的时间，均因发生感染或脱落而失败【1 】。 在1 9 0 5 年德国眼科学家z i r n l 【l8 】成功地进行了人对人同种角膜移植术后，眼 科界将治疗角膜盲的研究热点转向了角膜移植术，而人工角膜的研究基本上处于 停滞状态。直至第二次世界大战期间，s t o n e 和h e r b e r 等发现某些飞行员眼组 织中能长期存留有机玻璃碎片而不发生任何排异反应，从而启发人们采用有机玻 璃制作人工角膜，相继出现了不同类型的有机玻璃人工角膜。 从2 0 世纪6 0 年代开始，人工角膜的研究进入了新的阶段，特别是对人工角 膜材料的选择作了大量研究工作。用于人工角膜的材料开始越来越丰富，其设计 和制作也越来越多样化，并逐渐从单一材料向复合材料发展。对人工角膜的生物 相容性、机械稳固性及光学性能的要求也越来越高。当人工角膜的设计出现了光 学中心部分与周边多孔支架部分后，人工角膜材料的研究也就进入了飞速发展的 阶段。由于要求具有生物相容性的支架部分不一定具有透明性，而必须透明的光 学中心部分则不一定严格要求其生物相容性，这就为人工角膜材料提供了更大的 选择范围【j 圳。 其实早在1 8 世纪人工角膜概念最早的创始者就己经提出了人工角膜孔隙性 边裙的设想，但是一直被人们所忽视。直到2 0 世纪8 0 年代末，人工角膜的研究 者才逐渐理解到受体角膜和人工角膜边裙的连接要通过细胞长进裙边的孔隙中， 二者达到真正的生物学愈合，才有可能降低人工角膜植入术后的脱出率，所以孔 隙性边裙的研究才得到真正的肯定和充分的重视f 啦0 1 。孔隙性支架材料的应用标 志着人工角膜的研究进入了现代发展期。这种边裙的孔隙要足够大以便于角膜基 质细胞长入，但也不能太大以防纤维包裹形成，这种孔隙限制大小但是不限制长 度，也就是说可以是弯曲而连续的，允许连续的细胞和胶原长入有孔的材料中。 6 第一章绪论 这一观点的发展最终形成具有多孔边裙的核心一裙周式( c o r e a n d s k i r t ) 人工角 膜。 1 2 4 人工角膜的分类【2 1 】 按使用目的可分为增视性人工角膜和临时性人工角膜。增视性人工角膜，用 于治疗不宜接受角膜移植或术后失败的角膜患者，以达到重建视力并永久保持的 目的。临时性人工角膜，用于观察眼内情况，主要是在需要进行眼内检查或操作 而又有角膜白斑的患者，如视网膜脱离复位手术、玻璃体切割手术或白内障摘除 手术完成后，拆除临时性人工角膜并进行同种角膜移植术，使患者的联合手术得 以顺利进行。临时性人工角膜的要求不高，只需植入后在一定的时间内保持透明 和眼球的完整性即可。 按手术方式可分为穿透性人工角膜和非穿透性人工角膜。穿透性人工角膜是 指透明的人工角膜贯穿受体角膜全层，以获得复明及增视效果。非穿透性人工角 膜是指异质移植盘角膜层间植入术。将异质( 如p m m a ) 盘植入尽量深的层间 角膜，以治疗疼痛性、大泡性角膜病变和角膜内皮上皮营养不良性角膜病变等 疾病。 按材料性质分为合成人工角膜、生物角膜、混合人工角膜和其他人工角膜。 合成人工角膜是用各种高分子合成材料制作的人工角膜。生物角膜是用非角膜组 织的生物材料制作的人工角膜。混合人工角膜是以水凝胶等物质中包埋角膜细胞 为基质，表面接种角膜上皮细胞，培养后制成混合人工角膜，用于非穿透性人工 角膜植入术。各类人工角膜又根据其所用的材料不同，设计的形状各异而种类繁 多，并随着新材料的发现而不断变化。 1 2 5 人工角膜的材料 随着材料和技术的发展而不断进步人工角膜设计种类也越来越多，人工角膜 植入术的设计也经历了由表面人工角膜、埋藏人工角膜到穿透性人工角膜的发展 过程。穿透性人工角膜是目前常用的人工角膜，包括中央光学镜柱和周边多孔支 架两部分。由于要求具有生物相容性的支架部分不一定具有透明性，而必须透明 的光学中心部分则不一定严格要求其生物相容性，这就为人工角膜材料提供了更 大的选择范围。 1 2 5 1 人工角膜光学中心部分材料 中央镜柱材料主要功能是保持透明的光学特性并具有一定的屈光作用，虽然 不与植床角膜组织直接接触，但良好生物相容性仍是选择材料的主要指标之一。 第一章绪论 许多透明材料被用于人工角膜的光学部分，最早使用的是无机玻璃，无机玻 璃人工角膜是治疗角膜盲的最早尝试。具有光学性能好、理化性质稳定、容易被 水湿润、抗高温、易消毒的优点。但由于其耐受性差、质重、易发生碎裂、加工 困难等缺点，已逐渐被新型材料所取代。 甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 是一种较为理想的光学中心材料，它具有很高的透 光率和屈光指数，性能稳定，对老化及环境变化有很高的抵抗性。p m m a 无生 物降解性、可抗酸、碱及有机溶剂，质轻，不易破裂，可塑性强，加工容易。用 p m m a 设计制作的人工角膜材料虽然经实验研究和临床应用证明了角膜组织对 其有较好的耐受性。但也还存在一定的缺点，如硬度较高、给植入后测量眼压带 来困难；不能高压加热蒸汽消毒，增加了人工角膜再消毒的麻烦；表面上皮细胞 粘附性差，不能形成连续的角膜上皮，术后有潜伏感染、渗漏、溶解等危险【2 1 】。 硅凝胶主要成分是二甲基乙烯基硅氧基为端基的聚甲基硅氧烷具有长期稳 定性，是目前应用较多的人体医用材料。硅凝胶的主要优点是质轻，无毒，热稳 定性好，透光率高，分子结构稳定，抗老化性能、生物兼容性好。其主要缺点是 抗张力差，质硬，表面蛋白等污垢附着性大且不易处理而降低透光率。 聚乙烯醇共聚水凝胶也被认为是穿透性人工角膜的中央透明部分的理想材 料，实验结果表明接种于水凝胶片并移植于兔角膜的角膜上皮细胞能保持粘附并 具有增殖能力1 2 3 1 。 丙烯酸酯是制作人工晶体的常用材料。s t r m p e l l i 和m a r c h i l 等1 2 4 】使用丙烯酸 酯镜柱制成的牙齿人工角膜获得了成功，镜柱的前面为凸面，而后面则为凹面， 直径为2 5m m 的镜柱可有效保证良好视力。 1 2 5 2 人工角膜的周边支架材料 由于大多数人工角膜的并发症发生在组织与植入物的交界面，理想的人工角 膜材料应当能通过使组织能长入而消除这种界面。人工角膜支架在提高现代人工 角膜的成功率方面起着极为重要的作用，在结构上为桥梁作用，在功能上，一方 面须具有良好的生物相容性与角膜组织相融合，同时又不被生物降解而长期保 留；另一方面，必须具有相应的强度使光学镜柱得以固定并紧密结合而不渗漏。 聚四氟乙烯是一种具有高度生物相容性的惰性透明，纤维血管组织可长入其 中的多孔高分子聚合物。l e g e a i s 等【2 5 】将其埋于角膜组织研究其耐受性，发现 e p t f e 在正常兔角膜有很好的耐受性，并发现用结膜瓣覆盖e p t f e 是使纤维血 管长入而防止排异脱落的基础。p r o p l a s t 是一种聚四氟乙烯与碳纤维的多孔复合 物，孔径为8 0 - 1 4 0g m ，具有好的生物相容性，其多孔性为固定植入物的成纤 维细胞提供了现成的途径1 26 | 。这种多孔材料具有可浸润、稳定性好和易于加工的 第一章绪论 优点。p r o p l a s t 人工角膜植入免眼中，表明有很好的耐受性，可使纤维血管组织 长入而且被包裹起来。 聚甲基丙烯酸1 3 羟乙酯经其单体的本体聚合及交联得到一种透明的无孔或 微孔材料，是可水溶胀性的水凝胶，制作的人工角膜在兔眼内有良好的耐受性， c r a w f o r d 掣2 7 】进行的临床和组织学观察表明，成纤维细胞和毛细血管长入了海 绵的空隙，长入的细胞在观察期内保持活性，可与宿主组织长期紧密结合。但是 该人工角膜不能促进上皮化，并且与周围组织的粘合力低，韧性及强度差，缝线 后较难与周边角膜组织达到水密结合状态。 羟基磷灰石主要化学成分类似于人体骨骼的主要无机成分，在体液中稳定， 其孔隙结构类似于人体骨哈佛氏系统，具有内部彼此相连的微孔。1 9 9 7 年，l e o n 等1 2 8 首次报道了天然珊瑚礁羟基磷灰石应用于人工角膜的动物实验，在植入1 2 个月内，没有出现感染、房水渗漏、植入物脱出等严重并发症。病理检查及扫描 电镜都证实材料的微孔内有纤维血管组织长入。m e h t a 等【2 9 】比较了羟基磷灰石与 聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸1 3 羟乙酯及玻璃在与细胞粘连和促进细胞分裂方面的 作用，结果证明羟基磷灰石的效果是最好的。 此外，还有许多的材料可以作为支架材料，国内外都有大量的报道。如碳纤 维、涤纶、钛、金、牙片等。 1 3 细菌纤维素 纤维素是地球上最为丰富的一类生物高分子聚合物，植物光合作用的主要产 物之一，广泛存在于树木、棉花等植物中，地球上每年由植物产生的纤维素达亿 万吨。但合成纤维素并不是植物所独有的功能，某些真菌和藻类也能够产生纤维 素。早在1 4 0 0 多年前出版的齐民要术中就记载了在传统食醋酿造过程中， 醪液中常会生成类似凝胶膜状物，称之为菌膜，但是一直到1 8 8 6 年，英国人b r o w n 等利用化学分析方法确定此类物质为纤维素【3 0 1 。这种由微生物合成的纤维素统称 为细菌纤维素( b c ) ，后来人们经过广泛研究发现其化学结构与植物纤维素是相同 的，但是其宏观分子结构和某些特性与植物纤维素是不同的。细菌纤维素与植物 纤维素的最大区别在于化学纯度，前者是一种纯纤维素，而后者通常与难以除去 的半纤维素及木质素相连。b c 也具有极为精致的网状结构，从而使其在造纸、 纺织、化妆品、食品以及生物医用材料等方面得到了广泛的应用1 3 1 。 1 3 1 细菌纤维素的产生菌种 目前发现的能产生纤维素的菌种较多，常见的有吲：醋酸杆菌属、产碱菌属、 第一章绪论 八叠球菌属、根瘤菌属、假单胞菌属、固氮菌属和气杆菌属、土壤杆菌属、无色 杆菌属等。其中木醋杆菌( a x y l i n u s ) 是最早发现也是研究较为透彻的纤维素产生 菌株，可以利用多种底物生长，是目前已知合成纤维素能力最强的微生物菌株， 也是研究纤维素生物合成过程和机制的模式菌株。最近，又将它重新划分到新属 葡萄糖酸杆菌属中，定名为g x y l i n u s 。醋酸杆菌是醋杆菌属的细菌，常联结成链 状，为非运动性的专性好氧性细菌，它能在2 1 1 的醋酸的强酸性条件氧化 乙醇。 1 3 2 细菌纤维素的结构 细菌纤维素的化学结构与植物纤维素是相同的，都是由葡萄糖以p 1 ，4 糖苷 键连接而成的高分子化合物，其结构式如图1 2 所示。但是它的宏观结构与普通 植物纤维素相比有很大的不同，具有特殊的结构特性。细菌纤维素由独特的丝状 纤维组成，纤维直径在0 0 1 0 1g r n 之间，每一丝状纤维由一定数量的微纤维组 成，微纤维的大小与结晶度有关。细菌纤维素的结构随菌株种类和培养条件的不 同而有所变化1 3 引。 图1 - 2 细菌纤维素的分子链结构式 f i g 1 - 2m o l e c u l a rs t r u c t u r eo fb c 。瑙囊h nc h e o h 木醋杆菌产生的纤维素是亚稳态的i 型，是由位于细胞壁上的约5 0 - - 一8 0 个孔 往外分泌纤维素，先由1 0 1 5 条直链多糖聚合成1 5n n l 的胶状聚合物，然后再由 上述聚合物形成走向与菌体长轴平行的纤维束，纤维束进一步伸长，束间由氢键 相互连接，多束合并形成一根长度不定的纤维丝带。最后这些纤维丝带形致密的 网状结构，这些网状结构也是靠大量的氢键来维持的。也正是因为这样的结构， 使得细菌纤维素具有较高的结晶度。 1 3 3 细菌纤维素的性质 细菌纤维素和植物或海藻产生的天然纤维素具有相同的分子结构单元，但是 由于特殊的宏观形态使它具有许多独特的性质。细菌纤维素是一种“纯纤维素”， 不含木质素和半纤维素，有高化学纯度和高结晶度，提纯过程简单细菌纤维素分 1 0 第一章绪论 子具有高度规则的晶体结构，细菌纤维素的结晶度高于普通植物纤维，而低于藻 类和动物纤维素。在静态培养条件下，具有高杨氏模量、高抗张强度和极佳的形 状维持能力。纯术醋杆菌纤维素做成干膜，其杨氏模量脚挪1 可超过1 5g p a ，经熟 处理后其杨氏模量可与金属铝相当，远大于目前已知的有机聚合物。细菌纤维索 有较高的生物相容性、适应性和良好的生物可降解性。由于细菌纤维素纤维直径 仅为植物纤维直径的1 1 1 0 1 1 0 0 ，其表面积约为植物纤维的3 0 0 倍，具有根强的 亲水性，通常情况下，吸水率太于1 ：5 0 ，经过特殊处理能吸收6 0 7 0 0 倍于其干 重的水分，有非凡的持水性( 可高i 盘9 8 以上) 。细菌纤维素还有根多“孔道”， 因而还有良好的透水、透气性能。细菌纤维素可以采用不同的培养方法，如静态 培养和动态培养，而得到不同高级结构的纤维素，并且通过调节培养条件，也可 得到性质有差异的细菌纤维素。与静态法相比，动态法生产的细菌纤维素聚合度 和结晶度低，其杨氏模量也低，但具有较高的吸水性p 6 如。除此之外，细菌纤维 还有一定的透明性口目，图l - 3 是经风干的纯细菌纤维素膜放在印刷纸片上时的照 片，这说明它有一定的透明性，而且有很好的屈光能力，有文献报道它的折射指 数约为1 5 7 妒9 1 。 m l - 3 风干纯细菌纤维素腆删 f i g 一1 - 3 a i r - d r l e d b c f i l m 细菌纤维索的性质可阻在其培养过程中或者在培养结束之后进行修饰 4 0 j 。一 些物质如纤维素衍生物、硫酸、靛基化磷酸盐以及其它一些多糖物质( 淀糟、葡 聚糖) 等加入到培养基中时，可以改变纤维素的宏观形态、拉伸强度、光密度以 及吸收特性。细菌纤维索还可以与其它物质相结台，将某些物质与干的或者是湿 的细菌纤维素相结合，可以使其具有某些人们想要的理化性质。这些物质可i ；【是 由有机物或无机物构成的颗粒或纤维，如铝、玻璃、琼脂、角叉藻聚糖、支链淀 粉、葡聚糖、聚丙烯酰胺、肝紊，明胶、胶原等。这些物质通过渗透、叠加或吸 第一章绪论 附与细菌纤维素片层结合在一起，或与分解的高聚物混合在一块，然后经过进一 步的成形处理，便可得到各种不同的产物。 1 3 4 细菌纤维素的合成 细菌纤维素的生物合成是一个复杂的过程，大致可分为聚合、分泌、组装与 结晶四个过程，这四个过程是高度耦合的，并和细胞膜上的特定位点密切相关【4 l 】。 这四个过程分别为：( 1 ) 在葡萄糖激酶的作用下将葡萄糖转化为6 磷酸葡萄糖 ( g 6 p ) ；( 2 ) 在异构酶作用下将6 磷酸葡萄糖( g 6 p ) 转化成1 磷酸葡萄糖( g 1 p ) ； ( 3 ) 1 磷酸葡萄糖在焦磷酸化酶的作用下生成尿苷二磷酸葡萄糖( u d p g ) ；( 4 ) 由纤维素合成酶将u d p g 合成为d 1 ，4 糖苷链，最后装配形成纤维素。 d 1 ，4 糖苷链的空间装配过程具有阶段性【4 2 】。在第一个阶段，1 0 1 5