生物医用材料.doc

生物医用材料导论一、生物医用材料定义广义的生物材料：一是指用于生物体内的材料，达到治疗康复的目的，例如隐形眼镜、人工髋关节；二是指来源于生物体，可能用于或不再用于生物体内（这种不是本课程研究对象），例如动物皮革用于服装。我们给生物医用材料明确的定义：对生物系统的疾病进行诊断、治疗、外科修复、理疗康复、替换生物体组织或器官（人工器官），增进或恢复其功能，而对人体组织不会产生不良影响的材料。生物医用材料本身并不必须是药物，而是通过与生物机体直接结合和相互作用来进行治疗。生物医用材料是一种植入躯体活系统内或与活系统相接触而设计的人工材料。二、生物医用材料学科的研究内容1.各种器官的作用；2.生物医用材料的性能；3.组织器官与材料之间的相互作用。专题一、生物医用材料的生物相容性及其生物学评价第一节、生物相容性概念和原理生物相容性，是生物医用材料与人体之间相互作用产生各种复杂的生物、物理、化学反应的一种概念。生物医用材料必须对人体无毒、无致敏、无刺激、无遗传毒性、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。生物医用材料与组织、细胞、血液接触时，会产生各种反应，（包括宿主反应（即机体生物学反应）和材料反应）。材料与机体之间存在反应，会使各自的功能和性质受到影响，不仅使生物材料变形变性，还会对机体将造成各种危害。下图列出相互影响产生的后果。多数医用材料很难保持植入时的形状、物理化学性能。引起生物医用材料变化的因素有：(1)生理活动中骨路、关节、肌肉的力学性动态运动；(2)细胞生物电、磁场和电解、氧化作用；(3)新陈代谢过程中生物化学和酶催化反应；(4)细胞粘附吞噬作用；(5)体液中各种酶、细胞因子、蛋白质、氨基酸、多肽、自由基对材料的生物降解作用。生物医用材料及装置植入人体后，引起三种生物学反应：组织反应、血液反应和免疫反应。引起生物体反应的因素有：(1)材料中残留有毒性的低分子物质；(2)材料聚合过程残留有毒性、刺激性的单体；(3)材料及制品在灭菌过程中吸附了化学毒剂和高温引发的裂解；(4)材料和制品的形状、大小、表面光滑程度；(5)材料的酸碱度。生物相容性的分类生物医用材料的生物相容性分为两类：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。第二节 组织相容性组织相容性要求医用材料植入体内后与组织、细胞接触无任何不良反应。在组织相容性中，人们最关心的两个问题是材料与炎症和材料与肿瘤。于是就可能有下述三种情况：毒性反应：如果植入物的毒性大，使周围的细胞组织无法正常代谢，导致细胞死亡，产生“非细菌性脓肿”。其结果是，脓肿组织酸度高，腐蚀性大，将加速对金属表面的腐蚀，而更多的腐蚀产物又加速组织的坏死。包绕反应：如果植入物体积大，毒性适中，周围组织中的成纤维细胞大量沉积胶原纤维，从而形成一层致密的纤维包绕层，使植入物与组织隔开。其结果是，一方面金属不再与组织液过多接触，降低了腐蚀速度，另一方面周围组织降低了与金属表面的接触，从而使副作用降低到最低的限度。活性反应：如果材料体积大但毒性很小，周围组织受影响小，形成的包绕层疏松且薄，包绕层中有血管产生，有时候还可以观察到上皮细胞组织直接与植入物接触。影响生物相容性的因素：1. 材料的化学成分；2. 表面的化学成分；3. 形状和表面的粗糙度：生物医用材料诱发肿瘤可能与下列因素有关：(1)动物试验证实，引起肿瘤的原因与植入材料的外形有明显的相关性。(2)与植入材料的埋植方法有关。连续放置的片状材料恶性肿瘤发生率明显高于打孔放置的片状材料。(3)与植入材料表面的租糙程度有关。若材料表面光滑，肿瘤发生潜伏期短；若材料表面粗糙，肿瘤发生潜伏期延长。(4)被致癌物污染的材料或生物老化时能释放致癌物的材料，植入动物体内能诱发恶性肿瘤。(5)与植入材料在体内形成的纤维包膜厚度有关。植入一年时，材料的外包膜厚度超过0.25mm-0.3mm就有可能诱发恶性肿瘸。(6)材料中残留的有毒或刺激性的小分子物质使局部组织长期受毒或受刺激，可诱发恶性肿瘤。第三节 血液相容性生物材料对血液影响主要有以下几方面：a) 血小板激活、聚集、血栓形成；b) 凝血系统和纤溶系统激活、凝血机能增强、凝血系统加快、凝血时间缩短；c) 红细胞膜破坏、产生溶血；d) 白细胞减少及功能变化；e) 补体系统的激活或抑制；f) 对血浆蛋白和细胞因子的影响。影响血液相容性的因素：1. 材料表面光洁度：表面越粗糙，暴露在血液上的面积就越大，凝血的可能性就增大。2. 表面亲水性：亲水性材料比疏水性材料有更好的血液相容性。3. 表面带电性：表面带负电的材料具有更好的血液相容性。目前使用较多的抗凝血的表面：1. 肝素表面。肝素是一种糖。2. 低温裂解碳。3. 二氧化钛表面，氧化钽表面。凝血大致过程是：材料与血液接触的数秒内，首先被材料吸附的是血浆蛋白（白蛋白、r-球蛋白、纤维蛋白原等），然后血小板在材料表面粘附、聚集、变形，向血小板血栓形成的方向发展，同时血液内一系列凝血因子相继被激活（凝血系统、纤溶系统被激活），参与到材料表面的血栓形成过程，最终形成红血栓。 生物医用材料与血小扳当血小板与进入血管内的材料接触时，血小板会被激活。由于血液分子细胞学的发展，已在分子水平上搞清了血小板激活、粘附、聚集、释放反应。生物医用材料与补体系统补体(complement)是血液中的一群蛋白质。是存在于正常人和动物血清与组织液中的一组经活化后具有酶活性的蛋白质。一般认为补体在机体抵御感染中起重要作用。人体补体系统是由20余种理化性状和免疫特性不同的血清蛋白组成，通常以非活化状态的前体分子形式存在血清中，约占血浆球蛋白总量的15。当因某种原因(植入体内的材料)激话补体时、补体各成分便按一定顺序呈链锁的酶促反应，即补体活化。补体激活对机体产生下面的影响：(1)可引起患者过敏症状。患者首次透析时出现头痛、恶心、呕吐等症状。(2)在透析时观察到患者有血氧下降或低血压现象。这是由于大量嗜中性白细胞聚集于肺毛细血管中，影响肺泡的换氧功能，出现缺氧现象。(3)C3b将引起白细胞在材料表面粘附，促进血小板聚集，参与血栓的形成。(4)出现慢性并发症，如易感染、恶性肿瘤发生率增加、软组织钙化，特别是肺泡细胞纤维化、钙化及动脉硬化。(5)植入物的表面拈附大量的白细胞，是由于C3b结合在材料表面，起到白细胞在材料表面粘附的调理作用。第四节、生物医用材料的生物相容性评价1、生物学评价项目的选择：不同用途的生物医用材料和医疗器械的生物学评价项目的内容和水平都不相同。项目选择主要依据医疗器械和材料的用途、接触人体的部位和接触时间。具体有如下几点：(1)接触部位有体表和体内组织、骨骼、牙齿、血液；(2)接触方式有直接接触和间接接触；(3)接触时间是：暂时接触小于24小时，中短期接触长于24小时至30日，长期接触长于30日；(4)用途：一般的功能、生殖与胚胎发育及生物降解。第五节 骨组织反应用于骨修补和骨替代的材料除了用软组织反应的宿主反应来评价其生物相容性外，还应具备一些特殊的生物学性能：骨生物活性、骨诱导性(osteo-inductive)、骨传导性(osteo-conductive)：1、骨生物活性：大部分材料植入骨组织后，在材料与骨组织的界面上存在一层结蒂组织，由胶原纤维组成。通常，材料生物相容性高，软组织层薄；生物相容性低，软组织层厚。这类生物材料，被认为为无生物活性，材料与骨的界面结合力较低。2、骨诱导性：具有骨诱导性的材料，当其被植入在软组织中时，也能在其表面生长出骨组织。基本原理是材料释放某些元素，诱导软组织中的间充质细胞分化成成骨细胞，再由成骨细胞沉积骨组织。3、骨传导性：只能在骨组织中，促进骨细胞在材料表面生长并沉积羟基磷灰石的材料，通常被认为具有骨传导性。就这一点看，骨传导性与生物活性可以等同。骨传导性不是骨诱导性。4、影响骨相容性的因素：材料化学性质，尤其是表面的化学性质；材料的表面粗糙度。5、评价骨相容性的参数：宏观上用材料-骨界面拉脱应力表示，正应力或剪切应力；微观上用材料-骨界面发生直接结合的比例表示。专题二、生物医用材料表面改性生物材料长期(或临时)与人体接触时，必须充分满足与生物体环境的相容性。一、表面形貌与生物相容性生物材料的生物相容性除了与材料表面化学状态有关外，还与材料的表面形貌密切相关。表面平整光洁的材料与组织接触后，周围形成的是一层较厚的与材料无结合的包裹组织。控制材料表面的粗糙化主要合以下方法：(1)用精密的机械加工方法在材料表面加工出约500m尺寸的螺线、台阶和孔；(2)用微机械和微刻蚀技术获得3m-10m深度且距离和形状均可精确控制的粗糙表面；(3)用等离子体喷徐复型方法及离子束轰击方法获得精确的表面显微形貌。二、生物医用材料的表面修饰材料表面修饰是材料改性的最直接方法。进行表面修饰有以下几种方法：1)种植内皮细胞正常血管的血管壁表面内皮细胞层。是维持血管表面不发生凝血的重要组织。2)涂布白蛋白涂层材料与血液接触时，首先在材料表面吸附血浆蛋白。3)聚氧化乙烯表面接枝材料表面具有一端悬挂的长键结构，是材料表面具有良好血液相容性的一个条件。4)磷脂基团表面将2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱(MPc)接枝到疏水性高分子材料(如聚甲基丙烯酸正丁酯)表面，材料的血液相容性大幅度提高；当在纤维素表面接枝的MPc的摩尔分数达到0.3时，甚至在不加抗凝剂的全血中，血细胞几乎不粘附到树料表面。三、等离子体表面改性等离子体是一种全部或部分电离的气态物质，含有亚稳态和激发态的原子、分子、离子，并且电子、正离子、负离子的含量大致相等。1）等离子体表面聚合等离子体表面聚合是对有机气态单体等离子体化，使它产生各类基团，这些活性基团之间以及活性基团与单体之间进行加成反应，形成聚合膜。2)等离子体表面处理等离子体表面处理主要是用非聚合性的无机气体(如Ar、N2、H2、02)产生的等离子体对高分子材料进行处理，在表面导入各种官能团(如-OH、-OOH等)，使材料表面的润湿性和表面张力显著变化，使蛋白质及细胞在材料表面的粘附行为发生变化，进而对材料的血液相容性和组织相容性产生影响。3)等离子体表面接枝等离子体接枝聚合的过程是：首先将高分子材料进行等离子体表面处理，使表面产生活性基团，形成活性中心，然后与单体接触，引发单体与基体表面进行接枝聚合反应。四、离子注入表面改性由离子源产生离子，通过质量分析器的磁偏转作用对离子进行选择，只选择一种质量的离子通过，离子经强电场或多级电场加速后由静电透镜聚焦，利用静电扫描器扫描，轰击样品的表面，实现离子注入。1)生物陶瓷涂层羟基磷灰石Ca5(PO4)3OH可以看成是磷酸钙和氢氧化钙组成的碱式复盐。自然骨中存在Ca、P元素组成的陶瓷，羟基磷灰石(HA)占骨成分的60，因而可以用HA作为涂层材料进行等离子体喷涂。2)低温液相沉积等离子体喷涂生物活性陶瓷(如羟基磷灰石)的技术虽已得到应用，但受等离子体喷涂过程的视线角度限制，一些形状复杂的植入物表面涂层的成本较高。此外人们发现天然骨中的羟基磷灰石与喷涂形成的羟基磷灰石有一定差别。3)气相沉积气相沉积是在真空条件下引入气态物质，参与气相反应后沉积在材料表面，主要分为化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、物理气相沉积。 4)离子束薄膜合成向材料表面沉积薄膜(蒸发或溅射沉积)的同时，用离子束轰击材料表面，这个方法称为离子束辅助沉积。借助于离子束轰击，可使已沉积在表面的原子获得能量进入材料表层(反冲注入)，并使薄膜致密，在较低温度下(甚至室温)获得高结合力的薄膜。5)溶胶凝胶方法溶胶凝胶方法的原理是：在乙醇等挥发性溶液中，在酸催化剂作用下，金属的烃基氧化物水解，形成含有金属氧化物的薄膜，随后经过加热处理形成所需要的晶态薄膜材料。六、自组装单分子层自组装单分子层是十分新颖的材料表面生物化技术。在硅、玻璃、金、硅橡胶等衬底材料上可以形成高度有序排列的硫烷、三氯硅烷等单分子层。这些分子一端吸附在衬底材料上，另一端(单分子层的表面)为可改变的功能基团X，专题三 生物玻璃生物玻璃是由SiO2, Na2O, CaO, P2O5等氧化物组成的玻璃系列，改变比例，可以得到活性程度不同的生物玻璃。生物玻璃与骨组织结合的原理生物玻璃与骨组织化学结合的本质是在体液中的化学反应，在生物玻璃表面发生的反应导致生成羟基磷灰石层，羟基磷灰石层则可直接与骨发生结合。表面反应的过程目前一致认为分以下5步进行：Stage I：玻璃表面溶出K+，Na+，Ca2+离子，这些离子在玻璃中没有形成网络，因此它们的溶出速度快、而且对性能没有影响。溶出的直接结果是玻璃表面pH值升高到7.4以上；Stage II：形成网络的-Si-O-Si-O-Si-键断裂，硅以Si(OH)4的形式被溶出。 Si(OH)4的溶出速度取决于玻璃中SiO2的含量，含量越高，网络越完全，溶出速度越慢。-Si-O-Si- + H2O - -Si-OH + HO-Si-Stage III： 溶出的Si(OH)4在表面聚合，形成水合的SiO2凝胶层；Stage IV： 生理液中的二价钙离子Ca2+, 磷酸根离子PO43- 迁移至SiO2凝胶表面，形成非晶的CaO- P2O5 层；Stage V：非晶的CaO-P2O5层进一步吸收Ca2+, PO43-, OH-等离子，并发生晶化，最终形成晶态的羟基磷灰石层。专题四、生物医用复合材料的研究进展及趋势一、概述定义：生物医用复合材料是由两种或两种以上的不同材料复合而成的生物医用材料，它主要用于人体组织的修复、替换和人工器官的制造。生物医用复合材料根据应用需求进行设计：基体材料+增强材料或功能材料。常用的基体材料有医用高分子、医用碳素材料、生物玻璃、玻璃陶瓷、磷酸钙基或其他生物陶瓷、医用不锈钢、钴基合金等医用金属材料。增强体材料有碳纤维、不锈钢和钛基合金纤维、生物玻璃陶瓷纤维、陶瓷纤维等纤维增强体，另外还有氧化锆、磷酸钙基生物陶瓷、生物玻璃陶瓷等颗粒增强体。 植入体内的材料在人体复杂的生理环境中，长期受物理、化学、生物电等因素的影响，同时各组织以及器官间普遍存在着许多动态的相互作用。因此，生物医用组分材料必须满足下面几项要求：(1)具有良好的生物相容性和物理相容性，保证材料复合后不出现有损生物学性能的现象；(2)具有良好的生物稳定性，材料的结构不因体液作用而有变化，同时材料组成不引起生物体的生物反应；(3)具有足够的强度和韧性，能够承受人体的机械作用力，所用材料与组织的弹性模量、硬度、耐磨性能相适应，增强体材料还必须具有高的刚度、弹性模量和抗冲击性能；(4)具有良好的灭菌性能，保证生物材料在临床上的顺利应用。(5)生物材料要有良好的成型、加工性能，不因成型加工困难而使其应用受到限制。 二、生物医用复合材料的种类 1、陶瓷基生物医用复合材料陶瓷基复合材料是以陶瓷、玻璃或玻璃陶瓷基体，通过引入颗粒、晶片、晶须、纤维等增强体材料或者生物活性材料而获得的一类复合材料。2、高分子基生物医用复合材料 生物陶瓷增强聚合物复合材料于1981年由Bonfield提出，目前的研究对象主要有：用HA、AW玻璃陶瓷（磷灰石-硅灰石生物活性玻璃陶瓷，成分参见生物医用材料导论p235）、生物玻璃等增强高密度聚乙烯(HDPE)、聚乳酸等高分子化合物。HA增强HDPE复合材料的最佳抗拉强度可达2226MPa、断裂韧性达2.90.3MPa m1/2。由于该复合材料的弹性模量处于骨杨氏模量范围之内，具有极好的力学相容性，并且具有引导新骨形成的功能。3、金属基生物医用复合材料 作为生物医用材料，金属材料占有极其重要的地位，它具有较好的综合力学性能和优良的加工性能，是国内外较早作为人体硬组织修复和植入的一类材料，但金属材料与机体的亲和性、生物相容性较差，在体液中存在材料腐蚀、渗出离子等问题。因此，除进一步优化材料的整体性能外，必须通过表面涂层、离子注入等技术进行表面处理。随着涂层技术的不断发展，电化学沉积法、浸渍-热解法、水热处理法不断出现。我国采用两步烧结法，用膨胀系数与表面涂层和基体相匹配的材料作为中间层，将中间层材料、表面涂层处理烧结在基体表面形成复合涂层，有效地解决了涂层与基体之间的界面结合性能。 三、生物医用复合材料的研究趋势与展望 1、整体材料性能按梯度变化对生物材料来说，生物相容性、力学适应性、抗血栓性，都是不可缺少的条件。单一结构的生物材料由于其本身的结构所决定，很难满足人体环境的要求。而单纯的几种材料复合，虽然比单一生物材料在使用性能上有所提高，但其界面仍然是一个薄弱环节，一系列性能在此发生突变而导致失效。2、生物医用复合材料研究与生物材料的生理活化研究相结合 材料生理活化研究是生物医用复合材料发展的一个重要方向，利用生物工程技术，将生物活性组元引入生物材料，加速材料与机体组织的结合，并参与正常的生命活动，最终成为机体的一部分。 3、生物医用复合材料研究与仿生材料研究相结合 最为理想的生物材料就是机体自身的组织，天然生物材料经过亿万年的演变进化，形成具有结构复杂精巧、效能奇妙多彩的功能原理和作用机制。因此，参照自然规律，从材料的观点对其进行观察、测试、归纳、抽象，找出有用的规律来指导复合材料的设计与研究，制备成分、结构与天然骨组织相接近的复合替代材料，获得生物相容性好、具有良好生理效应和力学性能的人工骨替代材料。 4、生物医用复合材料研究与组织工程材料研究相结合生物材料的研究目前已从植入材料与生物组织的界面相容性、植入材料的力学相容性研究转移到组织工程材料研究。通过建立组织再生环境，调动生物组织的主动修复能力，诱导组织再生。组织工程材料的研究为利用细胞培养制造生物材料和人造器官开辟了光明前景。专题五、人工心瓣膜瓣膜相当于单向阀门，人的心脏中有四个心瓣膜，保证血液向一个方向流动。在这四个心瓣膜中，左心室的两个瓣膜容易失效，其中又以主动脉瓣最易失效。目前，临床上使用机械型和生物型两种人工心瓣，各有特点和适应症。机械式瓣膜的特点：1)使用寿命长，适合年轻的患者使用；2)尽管瓣膜涂层有较好的血液相容性，但是瓣膜的抗凝血能力仍然低，患者需要长期服用抗凝血药物以抵抗表面凝血。生物瓣膜的特点和适应症：(1) 生物瓣膜使用寿命较短，血液回流比机械瓣大；(2) 相对来讲，生物瓣膜抗凝血性能优于机械瓣，因此适合于年老的患者，或不能长期服用抗凝血药物的患者。专题六 组织工程材料与人工器官-软组织修复与重建组织工程是指用生命科学与工程的原理构建一个生物装置来维护、增进人体细胞和组织的生长，以恢复受损组织或器官的功能。为了降低排异性，必须服用药物，这样又会破坏人体的免疫平衡，可能导致肿瘤等。一、组织工程的基本原理和方法 将体外培养的组织细胞吸附扩增于一种生物相容性良好并可被人体逐步降解吸收的生物材料上，形成细胞生物材料复合物。该生物材料为细胞提供一个生存的三维空间，有利于细胞获得足够的营养物质，进行营养交换，并且能排除废物，使细胞在预先设计的三维支架上生长，然后将此细胞生物材料复合体植入病损部位。二、组织工程材料软组织修复与重建1、组织工程材料应具备的条件(1)材料能够促进组织的生长，使细胞之间能够沟通，并最大限度地获取营养物、生长因子和活性药物分子；(2)在某些场合能防止细胞激活(如外科手术、防粘连的场合)；(3)指导和控制组织的反应(促进某一组织反应，抑制其他反应)(4)促进细胞粘附及激活细胞(皮肤修复中成纤维细胞的粘附和增殖)(5)抑制细胞的粘附和激活细胞(防止血小板粘附在血管上)：(6)防止某一生物反应的攻布(在器官移植中，阻止抗体攻击同种或异种细胞)。(7)易于加工成三维多孔支架：(8)支架要有一定力学强度以支持新生组织的生长，并待成熟后能自行降解；(9)低毒或无毒；(10)能够释放药物或活性物质如生长激素等。组织工程材料按件质和应用大致分为生物降解材料、组织引导材料、组织诱导材料和组织隔离材料。下面分别介绍一些近年研究的组织工程材料。2、生物降解材料：生物降解材料通常分为天然生物降解材料与合成生物降解材料。3、合成生物降解材料天然降解材料虽然具有某些优良性能，但存在一些不足，如力学强度较差，性能随批次不同有差异。合成降解材料则具有强度高、来源充足、易于加工等优点，被广泛应用于组织工程领域。4、组织引导材料组织引导材料主要是引导组织的再生，例如皮肤创伤的修复和神经的再生。皮肤的修复有时伴随生成大量的疤痕细胞，有时还会产生组织收缩。人体皮肤的愈合是靠纤维蛋白支架。人工制作和研究这种支架是组织工程的任务。利用这种支架可以引导组织的生长，从而控制新生组织或皮肤的质量。 5、组织诱导材料很多细胞和组织的应答反应在体外很难重现，但是生物活性的生物医用材料可以对这些反应起诱导作用，方法是在材料表面连接活性配体，让材料释放生物活性信息分子；或者将细胞贴附在材料表面，并释放生物信息来达到目的。6、组织隔离材料组织隔离材料是组织工程材料的另一重要方而。组织的正常应答反应是免疫排斥，很多疾病(如糖尿病)的治疗都与植入细胞免疫隔离有关。当同种或异种细胞植入宿主时，首先遇到的是异体排斥，利用生物材料将细胞与宿主隔离，就可以顺利地解决这一难题。三、组织工程支架的研究与制备方法组织工程制成的器官常常需要制备一个临时的多孔支架。支架的功能是指导种植的细胞或者迁移到支架周围的细胞生长或增殖。因此支架应该首先是能够使细胞粘附、分化、增殖、迁移的底物。通常选择生物降解材料。以下介绍组织工程支架的几种制备方法：1)纤维连结法利用聚合物的溶解或熔融，将聚乳酸二氯甲烷溶液灌注到聚乙交酯网状纤维上，经热处理后，制成聚乙交酯增强的网状支架。2)溶剂浇铸和孔隙制取法将细粉状氯化钠分散到聚乳酸氯仿溶液中，然后在玻璃板上浇铸，溶剂挥发后成膜，用水将氯化钠溶解提取出来，留下孔隙，得到多孔膜。膜的结晶度通过热处理调控。3)层压膜法软骨或骨的修复需要三维空间支架。用溶剂浇铸法制成多孔膜后，再将其层压成具有三绝空间的支架，然后按设计的几何形状切割，即按解剖学要求制成可降解的聚乳酸或其共聚物支架。4)熔融膜压法熔融膜压法是将聚合物加热熔融后加压制成膜材。聚乙丙交酯共聚物用熔融膜压法制三维多孔性支架时所用的致孔剂为明胶微球或其他水溶性物质，用水提取致孔剂后可得到多孔性支架。此法可用于聚乙交酯或聚乳酸为原料的支架制备。5)纤维增强法设计骨再生支架，首先要设计三维多孔性、形状不规则的聚合物支架；其次要求其具有高强度，能承受受损骨应力，直到长出新骨。聚羟基酸酯用于骨的矫形，但制成的多孔性材料强度不够好。将羟基磷灰石的短纤维均匀混入聚合物中可提高强度。用溶剂浇铸法将羟基磷灰石与致孔剂和聚合物溶液混合均匀。然后将溶剂挥发，制成增强的多孔膜，再经层压形成三维多孔结构。用羟基磷灰石纤维增强的聚合物多孔支架与末增强的材料相比，其抗压强度显著增加。6)相分离法支架中引入的活性物质植入人体后进行释放，对组织的生长和细胞的功能都有巨大作用。制造多孔聚乳酸支架时为了使活性物质避免化学、高温的恶劣环境，可采用相分离法。将聚合物溶于溶剂，加入活性分子，冷却后形成液液相，急冷，固化，再升华除去溶剂，得到含有活性因子的多孔支架。7)原位聚合法上述方法都是在体外预先制成支架，然后植入人体内。有些情况下(如手术进行中)需要修补损伤部位，这时可用原位聚合的方法实现，将单体置于损伤处进行聚合。四、细胞与材料的界面反应1、细胞与材料界面反应的评价方法通常是在体外用细胞培养的方法来评价细胞与聚合物界面的反应状况。将细胞置于聚合物表面，在细胞培养条件下测定细胞粘附、扩散、生存、功能、死亡等参数。1)细胞的粘附和扩散人体多数细胞是贴壁细胞，生长过程中需贴附于固体表面。在组织工程中细胞的贴壁非常重要，因为贴壁后细胞才能扩散、迁移或分化。很多因素影响细胞贴壁。最简单的测定方法分三步：将细胞分散到聚合物表面；进行细胞培养；在一定作用力下脱附那些贴附较弱的细胞，最后统计贴壁的细胞数。2)细胞的迁移细胞迁移在组织工程中同样是重要的，因为关系到新组织的形成和修复。细胞迁移不易测定，尤其在复杂环境中。在某些特殊条件下，可用种群技术测定细胞的迁移。3)细胞的聚集细胞聚集是研究组织形成的重要途径，它可以提高杂化人工器官的功能及植入组织的重建。某些特定技术可以制取细胞聚集体。最近报道，将细胞结合肽接到聚乙二醇上能促进细胞的聚集。用聚集体的形成和动力学来评价细胞与材料界面反应是一个重要的方法。4)细胞的功能在组织工程研究中往往希望提高某种细胞的特殊功能，如提高肝细胞的蛋白分泌和解毒功能。在软骨细胞、成骨细胞和成纤维细胞中，生成细胞外间质蛋白是重要的生理现象。提高细胞功能是组织工程非常关注的问题，由于细胞功能与材料有着密切关系，所以用细胞功能优劣可评价细胞与材料的界面反应。2、材料化学表面对细胞的影响聚合物表面的化学组成对细胞的贴附和扩散有重要影响。例如，将不同浓度的聚甲基丙烯酸羟乙酯沉积到聚苯乙烯表面，随着沉积量的增多，细胞的贴附能力提高，细胞的扩散也加快，直接影响了细胞的生长和增殖。研究表明，聚合物表面化学组成由苯乙烯变成甲基丙烯酸羟乙酯，由亲油性变为亲水性时，贴附的细胞功能改变了。这一点对组织工程是非常重要的。聚合物表面有亲水基团有利于细胞的贴附和生长。3、降解材料及一般聚合物表面修饰对细胞的影响聚乙、丙交酯及其共聚物制成的纤维已用于临床研究。软骨细胞在聚乙交酯或聚丙交酯多孔网状支架上能够增殖，并分泌氨基葡聚糖；鼠的肝细胞在聚乙、丙交酯共混聚合物上，能连续5天分泌白蛋白。骨细胞附着在聚磷腈聚合物上，用不同衍生物可调控细胞生长与材料降解速度之间的关系。4、材料物理表面对细胞的影响植入体微观形态对细胞生长有重要影响。研究表明，多孔性聚合物膜含有小于5微米的孔能促进新细胞的生长。细胞在棱角、沟纹上与在乎面上的表现是不一样的。多数情况下，细胞沿着纤维或螺纹处取向或迁移，取向程度取决于螺纹深度。聚砜表面具有4平方微米或25平方微米的平台时比有100 平方微米的平台效果要好。因此，人们设计制作了不同大小的“岛屿”，使材料表面有便于细胞贴附的地方(也有某些区域不长细胞)。较大的岛屿(10000平方微米)能促进肝细胞生长，较小的岛屿(1600 平方微米)能提高白蛋白分泌。近年来有人在金的表面自组装了一些分子，比较精确地研究了某一种物质表面对细胞生长的影响。总之，不同形态和组成的表面对细胞的生长有不同的影响。5、细胞与悬浮聚合物的影响在组织工程中，有时需要贴壁细胞附着在聚合物微载体上：在人工肝支持装置中，微载体的表面性质对细胞生长具有重要影响。组织工程另一重要研究领域是将细胞悬浮在微囊里，用囊膜来保护细胞不受抗体的攻击，这一方法己用于人工胰。五、组织与细胞的微环境构建完善的组织工程装置，不仅要研究聚合物材料的性质，还需探讨组织生长的最佳微环境，给细胞提供一个能够生长、增殖、分化的良好环境。组织生长是复杂的调控过程，涉及一些生长因子和周围的细胞外基质。它们之间的相互作用决定了细胞的定位、迁移和生长，人们认识这种相互作用对于组织工程来说至关重要，因为常要对这些物质进行仿生或模拟，使生物材料界面更好地与细胞相容。生长发育的组织细胞会和一系列不同的调节剂相互作用，每一作用都和特异的受体-配体相联系，这些相互作用可刺激细胞的增殖或死亡。例如，化学变化或细胞外基质梯度的变化会发出信号，让细胞沿着轨道到达某一个区域，然后另外一组信号令细胞停止走动而固定下来。这些终止或辨认细胞的信号是十分复杂的。在造血细胞生长系统里，细胞活素复合物和胞外基质的相互作用是初期发育细胞的固定化信号。在其他发育系统里也同样存在这种细胞-基质-细胞活素之间的相互作用，可见，细胞经过调控最终形成组织是一个复杂的过程。组织微环境主要涉及三个方面，即：细胞要素、可溶性生长因子、胞外基质。1、细胞要素细胞的发育是按照明确的层次进行的。在个体发育中，任何器官细胞都迁移到一个适合组织生长的区域，然后进行快速的增殖和分化。某些有增殖能力的细胞，都按一定层次进行增殖。例如在造血系统中，不断生成血细胞，在人一生中大约能生成70倍体重的血细胞。这里有一种可再生的细胞，称为干细胞。它除了具有增殖再生能力，还能生成子代细胞。骨细胞的生长是通过细胞之间的胞内信号相互作用进行的。与其他系统一样，胞外信号由细胞活素和胞外基质分子传递到相应的细胞表面受体，从而形成骨组织。2、可溶性生长因子可溶性特异生长因子是细胞增殖和分化不可少的物质。它与内分泌激素(如促蛋白合成类固醇或生长激素)不同。内分泌激素主要对细胞功能和组织的形成起重要作用，是调节体内平衡的；可溶性生长因子则指导细胞分化。3、胞外基质胞外基质（ECM）是由蛋白质和糖胺聚糖经化学和物理交联形成的复合物。它的主要成分是胶原、蛋白多糖和一些糖蛋白。在造血细胞的微环境中，胞外基质、可溶性因子(生长素)等都是不可缺少的物质，它们可以保证骨髓中颗粒白细胞占优势，红细胞在脾脏中占优势。1)蛋白多糖和糖胺聚糖蛋白多糖对细胞的增殖和分化起重要作用。在造血系统里，由于蛋白多糖和糖胺聚糖的刺激作用，加快了造血细胞的增殖，从而促进了器官的生长。从骨髓胞外基质中提取的蛋白多糖，能刺激人体前髓细胞分化；从皮肤成纤维细胞的胞外基质中分离出来的蛋白多糖却没有这个功能。2)血小板反应蛋白血小板反应蛋白是二硫键连接的糖蛋白三聚体，分子量为450000。它的主要功能是促使细胞结合，以及结合胞外基质中的其他的蛋白分子。研究发现，多数细胞均能合成血小板反应蛋白，并分泌到胞外基质中。固定化的血小板反应蛋白不仅能粘附细胞，而且能促进细胞生长并防止癌细胞的攻击。3)纤维结合素纤维结合素是球形蛋白，普遍存在于胞外基质中，能促使细胞与细胞的粘连。造血细胞能合成纤维结合素，并与其粘连。研究表明，纤维结合素可将淋巴细胞前体与其他表型相同的细胞粘连到一起。4)胶原蛋白胶原蛋白是组织细胞的结构蛋白。它以多种形式存在于胞外基质中，很多蛋白都与它连接，并与整合素直接相连。骨髓细胞在体外培养能分泌出、型胶原说明生血细胞生存时，在胞外基质中需要有上述几种胶原。型胶原由骨组织中90的蛋白组成。六、组织工程中的人工器官组织工程可以分为两个方面：第一方面，在体外用分离的细胞建造人工组织；第二方面，在体内调整细胞的生长和功能，例如植入聚合物导管促使损伤的神经细胞生长并连接。1、人工皮肤第一个用组织工程技术制作成功并用于临床的器官是人工皮肤，由于组织来源是别人的或自体的皮肤，在体外培养植入创伤面，故无异体排斥作用，具有人体皮肤的全部功能。常规制皮的方法是，在培养皿中，用非转化的细胞制成二维薄层，这些单层细胞不具有三维立体的组织性能，所以没有分化功能。组织工程技术，则是在体外制备三维的、具有生命活性的基质细胞，三维支架可以使细胞像在体内一样生长和组装。人体皮肤细胞在体内的生长，借助结缔组织形成的三维基质作为骨架，骨架含有各种生长因子，供组织细胞分化和构建。组织工程技术是这样模拟的：将人体成纤维细胞种植到尼龙网上，铺在薄的硅橡胶膜上，尼龙网起三维支架的作用，硅膜保持供给营养液；随着细胞的生长释放出蛋白和生长因子，最后长成三维的皮组织。因为成纤维细胞无免疫原件，所以不会产生异体排斥作用，细胞植到网状支架上很快就进行扩散和伸展。2、人工肝支持装置人工肝支持装置是利用组织工程原理设计的一种能够代替人体肝脏功能的体外装置。随着细胞生物学、组织工程学、生物材料学的发展，由单一地清除血中毒物，发展到全面替代肝功能。组织工程人工肝的核心部分是细胞反应器。它的功能是在一个较小的体积内保持大量肝细胞的活性和生理功能。3、人工血液早期的血液代用品以氟碳化合物为主，实现了临床应用。但是氟碳化合物在体内的代谢对人体有毒副作用。随后发展起来的以血红蛋白(Hb)为基础的人工血液具有广阔前景。直接使用天然血红蛋白，肾脏会产生严重毒性。这是因为在提取过程中，血红蛋白由原来的四聚体裂解为二聚体，分子量减小，所以必须对天然血红蛋白进行修饰，将天然血红蛋白交联成聚合体，同时进行修饰，才能成为血液代用品。血红蛋白的分子修饰大体有三种方法：血红蛋白分子间交联，成为聚合血红蛋白；重组血红蛋白；结合血红蛋白。修饰血红蛋白血液代用品的研究可分为第一代、第二代、第三代三个阶段。具体方法可以自查资料。4、人工神经组织工程近年的研究表明，神经细胞不能分裂但可以修复。受损神经的两个断端能借助管状导管(通常称神经导管)的引导、促进和导向，使神经细胞生长和修复。早期的神经导管是用硅橡胶制成的。电荷对神经细胞修复具有促进作用。研究发现，将电极放在硅橡胶管的两端，细胞生长速度加快；驻极体聚四氟乙烯导管，对细胞的修复有促进作用。5、人工血管A、国际上的研究主要集中在制作小口径血管(小于6mm)及心脏瓣膜。将细胞贴附在聚合物支架上植入体内，愈合成机体的一部分，发挥正常的生理功能。支架一般是多孔的，新生组织能够长入孔内。可选材料有涤纶、特氟隆等纤维编织物。B、人工血管今后的研究力向是从材料角度选择、设计、制作支架材料，使其不仅具有血液相容性，而且能够促进受损血管迅速修复和生长，待支架完成使命后从体内降解消除。6、人工胰人工胰的作用是使糖尿病患者血糖维持正常水平，防止小血管疾病和其他并发症的发生发展；人工胰分为机械型和生物型两大类。生物型人工胰是基于免疫隔离原理，把植入的细胞借助一个半透膜与宿主隔开。分子量小的营养物、电解质、氧、分泌的活性物质，可以在半透膜的两侧进行交换；而免疫细胞、抗体等则被隔开。生物型人工胰有三种装置：动静脉短路装置：胰岛细胞分散在半透膜之间扩散室装置：将胰岛细胞植入聚丙烯等制成的管状扩散室中，再植入体内微囊化胰细胞：用超薄膜(8微米)将胰岛细胞进行包埋，微囊化胰岛细胞具有很大的比表面，易于植入体内(用针头注射)，所以发展较快。7、组织工程材料研究方向探讨近年来组织工程的发展对医用材料提出了更高的要求：材料不应只是“惰性”植入体，还要能引导和诱导细胞组织器官修复再生。为实现这一目标，需要进行以下方面的研究：(1)新型可降解材料并控制其降解速度，降解产物不含毒性，具有不同强度、不同孔径结构，并能释放各种生物活件物质；(2)用物理、化学和生物方法改造和修饰原有材料，使其具备生物功能；(3)研究材料与细胞之间的反应机制和促进细胞再生的规律和原理(4)研究细胞基质的作用和原理，研制生物功能的三维支架；(5)研制具有选择通透性的膜材(6)用自组装方法制备无机、有机结构交替的仿天然材料；(7)利用智能高分子材料传导细胞与材料之间的应答反应；(8)大力发展对细胞和组织具有诱导作用的材料，促进受损器官的修复和再生；(9)用基因工程手段改造细胞，使其具有特殊功能；(10)在体外大量培养、增殖、储存和运输细胞及其复合物。专题七 硬组织修复与骨组织工程材料 硬组织修复与重建材料是生物医学材料中发展最早、最成熟的领域。这不仅表现在临床中被广泛接受与使用，还表现在形成了“生物活性”这个核心概念，这就是要有利于植入材料与活体组织形成键合。而非生物活性的材料在植入材料与活体组织界面处则会形成非粘附的纤维组织层。在生物活性概念的启发下，科学家对已有的生物惰性材料的“生物活化改性”和“生物活性材料”的设计两个方面开展了广泛研究，使生物医用材料的研究向前发展了一大步。一、生物活性陶瓷生物活性陶瓷，是指能与活体骨组织、活体软组织形成化学键合的陶瓷材料。对于硬组织替换材料，这种键合主要是由羟基磷灰石在界面处的沉积而实现的。界面结合强度随时间增长而增强，与骨折愈合的情形相似。典型的生物活性陶瓷主要包括两类：一类是生物活性玻璃和玻璃陶瓷，另一类是磷酸钙基生物陶瓷。1、生物活性玻璃陶瓷及其骨键合机制1)生物活性玻璃其基本假说是“调节玻璃或玻璃陶瓷的成分，使之植入体内不会形成纤维包囊也不会被机体排斥，而是与宿主组织形成化学键合”。主要集中于两方面的研究：实现陶瓷材料与骨之间的直接化学键合；对发生在生物材料和骨界面处的化学、生物、力学反应的科学认识。后来，研究目标又涵盖了对生物陶浇与软组织键合的认识。体外试验证明，这种生物玻璃表面具有明显的异相成核和生长羟基磷灰石的能力。但是，作为对照组的单纯试样，却在组织学观察切样制备过程中，从植入部位脱出。2)生物活性玻璃与骨的键合机制陶瓷与骨之间的键合最初提出了 7种可能的类型，即通过磷酸根基团键合、氨基键合、羟基键合、氢键键合、结构氢键键合、混合型键合和外延生长无机物键合。动物体内试验支持下述观点：界面处以胶原与羟基磷灰石的混合型键合和羟基磷灰石外延生长键合为两种主要的键合方式。但是目前仍然缺乏从分子水平上对界面结合机理的深入认识。3)生物活性玻璃陶瓷这类玻璃陶瓷在体内环境中能长时间地保持较高的力学强度，即使是在载荷条件下也是如此。因此，它们主要用作承力的脊柱修复体。它们与骨键合的界面结合强度均高于材料本身或者骨组织的强度。生物活性玻璃的一个显著特点就是通过调整其多元组成，改善力学强度和成型加工性能和可以制成多种形态的制品。2、羟基磷灰石生物活性陶瓷及其骨键合羟基磷灰石生物活性陶瓷是由羟基磷灰石构成的一种磷酸钙基生物陶瓷。它主要用于人体硬组织(骨、牙)的修复和替换，也用于人工血管、气管等软组织及药物控释和送达载体，还是一种优良的生物化学吸附剂。1)羟基磷灰石和磷灰石 磷灰石是具有相同结构的无机磷酸钙大家族的总称，羟基磷灰石可表征其典型结构。羟基磷灰石的化学式为，简称HA，属六方晶系。羟基磷灰石广泛存在于动物的骨和牙中，也存在于人体的一些病态组织(如唾液结石、脑结石、尿道结石、扁桃体石、结节结石和颈椎后韧带骨化)之中。存在于自然骨中的磷灰石称为骨磷灰石。骨磷灰石是一种晶体结构不完善的羟基磷灰石。同时，由于羟基磷灰石结构中沿六方轴存在一个“隧道”，其中的离子易被其他离子替换，因此，骨磷灰石中的磷灰石结合有少量碳酸根、氟、镁、钠及柠檬酸等离子。目前合成经基磷灰石的主要方法有：水溶液沉淀法，用于大量制造HA粉体；固相反应法，即高温下通过固相反应合成；水热法，如通过水热反应用磷酸根置换珊瑚(CaCO3)中的碳酸根，用于复制具有珊瑚多孔结构的羟基磷灰石陶瓷，以及制备大的HA单晶。2)羟基磷灰石生物活性陶瓷HA生物陶瓷通常利用陶瓷烧结技术制备，可制成多孔和致密的颗粒及各种形态的块状修复体。3)HA生物活性陶瓷的生物学性能及其与骨键合 羟基磷灰石生物活性陶瓷具有良好的生物相容性，植入体内不仅安全、无毒，还能传导骨生长，即新骨可以从植入体与原骨结合处沿着植入体表面或内部贯通性孔隙攀附生长。3、可降解生物陶瓷及其降解机制材料的生物降解是指在生命体系中材料从形态上由整体分化成部分和化学成分上由复杂变成简单的过程。可降解生物陶瓷是一种暂时性的替代材料。植入体内后会被逐渐吸收和降解，同时新生骨逐渐生长以替代之。最早应用的生物降解陶瓷为石膏，其生物相容性虽好，但被吸收速率很快，与新骨生长速率不能匹配。4、磷酸钙基骨水泥磷酸钙骨水泥选用特定的磷酸钙盐以类似水泥固化的常温湿法合成羟基磷灰石。磷酸钙骨水泥的主要特点是；对软、硬组织有良好的生物相容性和生物活性；起始的糊状物可以经预固化成型、注射等多种方式使用；制备过程条件温和、简便；固化产物有较大的比表面积；可用于药物控制释放等。由于其弯曲强度不够，目前仅限用于非受力部位的骨修复。磷酸钙骨水泥的出现，拓展了磷酸钙陶瓷制备与成型方法。今后的发展重点是：进一步扩大组成变化，缩短固化时间，提高生物降解性，引入聚合物相以控制固化过程中的体液渗入等。5、生物活性陶瓷复合增强金属纤维加到增强生物活性玻璃中可用于临床负荷部位的骨修复。可通过热压将不锈钢纤维与生物玻璃进行复合，纤维的体积含量可达40-60。 将生物活性羟基磷灰石颗粒掺入氧化物陶瓷，赋予高强度生物惰性氧化物陶瓷。二、钛合金的表面生物活化医用金属材料常称金属植入材料，是应用最早的生物医用材料。金属与合金虽然具有足够的强度和韧性，但属于生物惰性材料。与骨的结合是一种机械锁合。利用表面改性技术不仅可提高金属表面的稳定性和耐磨性，而且可赋予生物活性，即可使新骨直接沉积于金属表面，而无纤维结缔组织的中间隔层。钛合金表面生物活化改性的研究已获得重大进展，并导致“生物活性金属”概念的出现。1、医用全属表面生物活化原理骨替换材料植入体内后，与骨组织的结合方式分为形态固定、生物固定、骨键合。后者也称生物活性结合。上述各种方法的应用主要归纳为两类：(I)在医用金属材料表面涂覆HA或其他磷酸盐涂层；(2)针对钛和钛合金进行特有的生物活化处理，即在钛表面制备活性二氧化钛层。三、金属植入材料的功能涂层骨和关节系统是人体主要承受负荷的组织和器官。它们缺损后的修复和替换材料应有较高的力学强度，因而较高力学强度的金属材料一直是矫形外科的主要材料。如前所述，金属材料和骨组织在组成和性质上差异很大，金属植入体内后与骨组织间往往形成纤维组织膜，使金属骨界面不能稳定结合。1、等离子喷涂羟基磷灰石涂层及其作用等离子喷涂技术是利用两直流电极间产生的电弧使通过电极间的气体电离而形成热等离子体，将粉末材料送人等离子焰中加热熔融(或部分熔融)，并高速喷射在金属基体上快速凝固而形成涂层。HA涂层是由等离子焰熔触或部分熔融的HA颗粒高速撞击金属基体表面，发生变形并快速凝固面形成的。HA颗粒间以熔碰部分由内聚力结合，涂层和金属基体靠表面粘结力及HA颗粒熔融部分变形与粗化的金属表面形成机械联锁而结合。2、电化学沉积磷酸钙涂层方法1)电泳沉积以HA或其他