生物材料和再生医学的进展.doc

生物材料和再生医学的进展物材料又称为生物医用材料,是指以医疗为目的,用于诊断、治疗、修复或替换人体组织器官或增进其功能的材料1。最初应用于临床的生物材料完全来源于自然界已有的物质。但随着人们对免疫系统的认识不断加深,这类材料绝大部分均被证实对人体具有一定的致病性或毒性。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。自世纪80年代以来,以医疗、保健及增进生活质量等为目的的生物材料取得了快速的发展,分别由40余种不同材料制成的植入器械(假体)中,已经有超过50种植入器械被应用于临床。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。这个原则维持了20多年。在此期间,数以千万的患者植入了由惰性材料制成的器械,他们的生活质量也在植入后的年内有了明显的改善。第一代生物材料制备的各种器械至今仍在临床大量使用,世界年销量达多亿美元。从第二代生物材料开始,生物材料领域的重点逐渐由生物惰性转向生物活性。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。以生物活性玻璃(由Na2O-CaO-P2O5-SiO2组成)为例,它与组织的作用机制包含了一系列共11个反应步骤2。其中,最初的5个反应发生于材料表面。首先,Na+与和H3O+发生快速的离子交换反应,紧接着表面硅烷醇发生缩聚反应,生成高表面积硅胶。为具有生物活性的碳酸羟基磷灰石层(相当于骨的无机矿物层)的非均匀形核和结晶化提供了大量的反应位点。且碳酸羟基磷灰石层的生长也为之后的6个细胞反应提供了理想的反应条件。这6个反应包含了成骨细胞的增殖与分化,并最终在新生骨上形成一个具有足够机械强度的表面。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。其中,羟基磷灰石(hydroxyapatite,HA)的分子式为Ca10(PO4)6(OH)2,其化学成分、晶体结构与人体骨骼中的无机盐十分相似。与惰性材料相比,HA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3。合成的HA通常作为多孔植入物、粉状以及金属植入物的涂层,从而达到生物活性固定4,5。特别是作为人工骨,具有极好的骨结合性能骨组织沿该涂层生长并形成强韧的表面,并具有骨组织应答(即骨传导的作用。生物活性玻璃和玻璃-陶瓷则可制成中耳假体,用于听骨链修复和治疗传导性听力丧失,除此之外,它们也是一种良好的牙槽骨保持材料,能有效地延缓牙槽骨吸收并保护牙槽。在脊椎肿瘤的治疗上,具有足够机械强度和韧性的生物活性玻璃-陶瓷也可用作椎骨的替代物。到90年代时,生物活性材料(如聚乙烯基质中的羟基磷灰石颗粒)已经在中耳的修复与骨组织替代上发挥着越来越重要的作用。除具有活性外,第二代生物材料的另一个优势在于材料具有可控的降解性。随着机体组织的逐渐生长植入的材料不断被降解,并最终完全被新生组织所替代,在植入位置和宿主组织间将不再有明显的界面区分。以可吸收缝合线为例,它是由聚乳酸和聚羟基乙酸合成的生物可降解材料制成,最终能够水解成CO2和水。到1984年,采用可降解聚合物作为缝合材料已经成为常规的临床治疗手段之一。在整形外科领域及给药系统中,使用可降解材料制成的骨折固定板和螺钉及其在缓释给药中的使用初步发展起来。现今人口快速老龄化,生物惰性、生物活性及可降解植入物在临床的成功应用具有非常重要的意义。然而,对于人工关节及人工心脏瓣膜8存活时间的分析显示,约有1/31/2的假体在植入后1025年间丧失功能,使患者需要重新接受修复手术。对于植入失败率的改善在20多年的研究中进展极小,而继续重复这条道路将需要进行更多的动物及人体试验,和更多的资金。在失败率方面,第一代和第二代生物材料所取得的进展有限,因为任何用于修复和恢复机体的人工生物材料均只能为暂时性的替代品。活的组织可以对生理负荷的改变或生物化学刺激产生应答,而合成的材料则不具备这种功能,也正是材料的这一缺陷,限制了人工器官的使用寿命。促使在以后的研究中,将工作重心转移到基于生物学方法进行组织修复和再生上来。再生医学是从20世纪80年代后期逐步兴起并发展起来的,但一直缺乏一个明确的定义9。到90年代后期由于干细胞技术方面的突破,才把干细胞、组织工程、组织器官代用品等纳入到再生医学里面来。就再生医学本身而言,在国际上还未被明确界定,且存在一些不同的看法,从广义上来讲,再生医学是利用人类的自然治愈能力,使受到巨大创伤的机体组织或器官获得自己再生能力为目的的医学。目前,再生医学所包含的内容主要包括以下四大模块:干细胞与克隆技术、组织工程、组织器官代用品、异种器官移植。该领域已经成为一个多学科交叉并迅速发展的领域。动物能够进行胚胎发育,但再生能力差异很大,这反映了胚胎后发育能力的广泛进化现象。已有的研究结果显示,发育调控基因在后生动物胚胎建立总体和局部区域起到重要作用,并且在再生过程中也有表达。对水蛭同源异型框Hox基因的研究表明,虽然与正常发育的表达模式一致,Hox基因在再生过程的表达中却表现出一些独特的时空性质。在脊椎动物中,有尾两栖类肢体再生的遗传调控研究的大量数据也表明,再生这种发育模式与胚胎发育有相似及不同之处。基因在生物体沿前后轴形成身体各部分同一性的决定中起着重要作用,且进化保守。在蝾螈肢体的发育过程中,Hox A13和Hox A9以同线性方式表达,然而在再生过程中,Hox A13和并不按照时空同线性的规则表达,而是在同一残肢细胞中重新开始表