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生物醫(yī)學(xué)材料研究進(jìn)展
生物醫(yī)學(xué)材料(biomed ical mate rial)是用于對(duì)物體進(jìn)行診斷、治療、修復(fù)，或替換其病損組織器官 ,或增進(jìn)其功能的新型高技術(shù)材料。它是研究人工器官和醫(yī)療器械的基礎(chǔ),己成為材料學(xué)科的重要分支。隨著生物技術(shù)的蓬勃發(fā)展不斷突破，生物醫(yī)學(xué)材料已成為各國(guó)科學(xué)家研究和開發(fā)的熱點(diǎn)。目前已有多種合成和天然高分子材料、金屬和合金材料、陶瓷和碳素材料以及復(fù)合材料被廣泛地應(yīng)用于臨床和科研。
一、生物醫(yī)學(xué)材料的發(fā)展歷程
20 世紀(jì)初, 第一次世界大戰(zhàn)以前所使用的材料為第一代生物醫(yī)學(xué)材料。代表材料有石膏、金屬、橡膠以及棉花等物品。這一代的材料大都已被現(xiàn)代醫(yī)學(xué)所淘汰
第二代生物材料起源于20 世紀(jì)60～70年代, 在對(duì)工業(yè)化的材料進(jìn)行生物相容性研究基礎(chǔ)上, 開發(fā)了第一代生物材料及產(chǎn)品在臨床的應(yīng)用, 例如體內(nèi)固定用骨釘和骨板、人工關(guān)節(jié)、人工心臟瓣膜、人工血管、人工晶體和人工腎等。代表材料有經(jīng)基磷灰石、磷酸三鈣、聚經(jīng)基乙酸、聚甲基丙烯酸輕乙基醋、膠原、多膚、纖維蛋白等。上述生物材料, 具有一個(gè)普遍的共性: 生物惰性。即生物材料發(fā)展所遵循的原則是盡量將受體對(duì)植入器械的異物反應(yīng)降到最低。
第三代生物醫(yī)學(xué)材料[1]是一類具有促進(jìn)人體自身修復(fù)和再生作用的生物醫(yī)學(xué)復(fù)合材料. 這種具有活性的材料能夠在生理?xiàng)l件下發(fā)生可控的反應(yīng), 并作用于人體. 20 世紀(jì)80 年代中期, 生物活性玻璃、生物陶瓷、玻璃-陶瓷及其復(fù)合物等多種生物活性材料開始應(yīng)用于整形外科和牙科。與惰性材料相比,這些材料在體內(nèi)不存在免疫和干擾免疫系統(tǒng)的問題, 材料本身無毒, 耐腐蝕強(qiáng)度高, 表面帶有極性, 能與細(xì)胞膜表層的多糖和糖蛋白等通過氫鍵相結(jié)合, 并有高度的生物相容性。 骨形態(tài)發(fā)生蛋 白(bo n e m o r p ho g e n e tie p r o te in ,BM P ) 材料是第三代生物醫(yī)學(xué)材料中的代表。表1列 出了近年來生物陶瓷復(fù)合材料的發(fā)展情況[2]。
二、生物醫(yī)學(xué)材料的分類
1 生物醫(yī)學(xué)金屬材料
生物醫(yī)用金屬材料通常采用合金或鈦金, 具有很高的機(jī)械強(qiáng)度和抗疲勞特性, 是臨床應(yīng)用最廣泛的。不銹鋼易加工，價(jià)格低廉，常用來做人工器官的針、釘、板等器件。鈷合金耐磨性，耐蝕性較好，是比較優(yōu)良的植入材料。鈦合金耐蝕性強(qiáng)，比重輕，彈性模量與人體骨骼接近，生物相容性好，生物界面結(jié)合牢固，是比較理想的植入材料。另外，鎳鈦形狀記憶合金具有形狀記憶特性和智能性, 可用于矯形外科、心血管外科。 其主要缺點(diǎn)是用金屬制成的生物材料會(huì)有慢炎性癥反應(yīng)，由于腐蝕可能會(huì)造成機(jī)械斷裂。
2 生物醫(yī)學(xué)高分子材料
生物醫(yī)學(xué)高分子材料有天然和合成兩種。天然高分子材料具有降解后被組織相容吸收的特點(diǎn)，主要有膠原蛋白，纖維蛋白和多糖類。膠原與人體組織相容性好，能促進(jìn)細(xì)胞增殖，在肌腱、韌帶、腹膜的修復(fù)方面有重要的應(yīng)用價(jià)值。纖維蛋白的生理功能是止血，可促進(jìn)創(chuàng)傷愈合。多糖類在醫(yī)學(xué)上主要用于生成細(xì)胞膜、瓣膜。
由共價(jià)鍵聚合的高分子材料有橡膠、樹脂、脂類等。合成的軟性材料常用作人體軟組織如血管、食道和指關(guān)節(jié)等; 合成的硬性材料則用作人工硬腦膜、人工心臟瓣膜的球形閥等;液態(tài)的合成材料如室溫硫化硅橡膠可作為注人式組織修補(bǔ)材料 [3]。
高分子材料的主要缺點(diǎn)是高分子材料降解后的副產(chǎn)品會(huì)引起組織過敏，退化的分子結(jié)構(gòu)變化會(huì)導(dǎo)致機(jī)械性能降低，刺激吞噬細(xì)胞引起的排異反應(yīng)。一般情況下親水高分子易退化，疏水高分子不易退化。
3 生物醫(yī)學(xué)無機(jī)非金屬材料或生物陶瓷
生物陶瓷的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定, 具有良好的生物相容性。生物陶瓷主要包括兩類:惰性生物陶瓷(如氧化鋁、醫(yī)用碳素材料等 ),這類材料具有較高的強(qiáng)度, 耐磨性能良好, 分子中化學(xué)鍵的作用力較強(qiáng):生物活性陶瓷(如輕基磷灰石和生物活性玻璃等 ), 此類材料能在生理環(huán)境中逐步降解吸收,或與生物機(jī)體形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵, 因而具有極為廣泛的發(fā)展前景。陶瓷材料的主要缺點(diǎn)是彈性差，易碎，顆粒狀陶瓷不易保持形狀，塊狀陶瓷的塑性很難。
4 生物醫(yī)學(xué)復(fù)合材料
生物醫(yī)學(xué)復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同材料復(fù)合而成的, 主要用于修復(fù)或替換人體組織、器官或增進(jìn)其功能, 也可用作人工器官的制造。其中鉆欽合金和聚乙烯組織假體常用作人工關(guān)節(jié);囶押銑剎牧獻(xiàn)魑人工股骨頭在臨床上有良好的應(yīng)用;高分子材料與生物高分子(如酶抗原、抗體和激素等)結(jié)合可以作為生物傳感器。[4]
5 生物醫(yī)學(xué)衍生材料
生物醫(yī)學(xué)衍生材料是由經(jīng)過特殊處理的天然生物組織衍生而成的。經(jīng)過處理的生物衍生材料是無生物活性的材料, 但其具有類似天然組織的構(gòu)型和功能, 在維持人體動(dòng)態(tài)的修復(fù)和替換中具有重要作用, 如皮膚掩膜、血液透析膜、人工心臟瓣膜等。
三、熱點(diǎn)研究領(lǐng)域
伴隨著材料科學(xué)與技術(shù)、細(xì)胞生物學(xué)和分子生物學(xué)的進(jìn)展，加之醫(yī)學(xué)進(jìn)展和需求的驅(qū)動(dòng)，傳統(tǒng)的無生命的醫(yī)用金屬、高分子、生物陶瓷等常規(guī)材料已不能滿足臨床應(yīng)用要求。當(dāng)代生物醫(yī)學(xué)材料的發(fā)展已進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段，與生物技術(shù)結(jié)合，賦予材料生物結(jié)構(gòu)和生物功能特別是生物功能，以充分調(diào)動(dòng)人體自我康復(fù)能力，誘導(dǎo)組織或器官再生或恢復(fù)和增進(jìn)其生物功能，實(shí)現(xiàn)病變或缺損組織或器官的永久康復(fù)，已是本世紀(jì)生物材料科學(xué)與工程發(fā)展方向和前沿[5]。主要研究集中于以下領(lǐng)域[6]：
1.生物相容性——生物醫(yī)學(xué)材料的核心
材料的生物相容性表征材料引起適當(dāng)?shù)臋C(jī)體反應(yīng)的能力，是生物醫(yī)學(xué)材料區(qū)別于其它高技術(shù)材料的最重要的特征。早期生物相容性的研究，著重于材料的生物安全性，即材料不致引起對(duì)機(jī)體的毒副作用。在分子水平上深入認(rèn)識(shí)材料與機(jī)體相互作用，充分了解和表征材料表面/界面的組成、結(jié)構(gòu)，植入體形態(tài)、構(gòu)型、多孔結(jié)構(gòu)等生物力學(xué)因素，影響組織重建和功能的體內(nèi)生物化學(xué)信號(hào)（蛋白、生長(zhǎng)因子、酶等），以及它們的相互作用和規(guī)律， 在分子水平上揭示材料生物相容性的本質(zhì)， 指導(dǎo)生物學(xué)反應(yīng)可控的材料設(shè)計(jì)，探索評(píng)價(jià)材料長(zhǎng)期生物相容性和可靠性的分子標(biāo)記，是當(dāng)代生物材料科學(xué)的核心和基礎(chǔ)。
2.表面及表面改性技術(shù)——現(xiàn)階段改進(jìn)常規(guī)醫(yī)學(xué)材料的主要技術(shù)
材料表面和表面改性，成為現(xiàn)階段改進(jìn)和提高常規(guī)材料的主要途徑，也是發(fā)展新一代生物醫(yī)學(xué)材料的基礎(chǔ)。其研究熱點(diǎn)主要集中于： （1）清潔表面，即阻礙蛋白和細(xì)胞吸附/粘附的表面改性。這對(duì)用于心血管系統(tǒng)修復(fù)材料特別重要，可使其不吸附血液中的蛋白而獲得抗凝血性能。 （2）特異性表面的設(shè)計(jì)與改性，即可以選擇性吸附/粘附蛋白和細(xì)胞的表面改性，稱可控制生物學(xué)反應(yīng)的表面。通過在材料表面固定有特定結(jié)合區(qū)結(jié)構(gòu)的生物分子和蛋白質(zhì)層，可實(shí)現(xiàn)材料對(duì)特
定細(xì)胞的選擇性粘附。研究材料表面組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與體內(nèi)蛋白分子的相互作用，及其對(duì)蛋白和細(xì)胞特異性吸附/粘附的影響，是生物醫(yī)學(xué)材料科學(xué)的基本問題之一。
3.納米生物材料——生物材料的前沿和熱點(diǎn)
生物醫(yī)學(xué)材料研究進(jìn)展 納米生物材料的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)更為類似于天然組織，具有優(yōu)良的生物學(xué)和物理化學(xué)性能。因此越來越被重視。主要集中于： （1）納米結(jié)構(gòu)的生物醫(yī)學(xué)材料，即具有納米結(jié)構(gòu)的材料，如由小于 100nm 納米晶構(gòu)成的納米生物陶瓷，納米顆粒增強(qiáng)高分子復(fù)合材料等。研究發(fā)現(xiàn)，納米磷酸鈣生物陶瓷的生物學(xué)活性，隨晶粒度減小而增強(qiáng)，且多孔陶瓷還具有骨誘導(dǎo)性；納米磷酸鈣增強(qiáng)高分子復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)更接近于可視為羥基磷灰石增強(qiáng)膠原的自然骨；原位聚合納米磷酸鈣與膠原、乳酸或尼龍的復(fù)合材料，其生物力學(xué)相容性和生物活性更接近于自然骨，可望成為優(yōu)良的組織工程支架材料。 （2）納米結(jié)構(gòu)的半透膜和層層自組裝復(fù)合納米器件。利用脂類和寡肽分子自識(shí)別特性裝配的二維結(jié)構(gòu)，其納米尺度孔隙呈有序周期性排列，可用作藥物、基因和細(xì)胞的控釋載體或包囊。層層自組裝是利用聚電解質(zhì)和納米粒子，在生理環(huán)境下，構(gòu)建納米薄膜、納米微囊和其它多種納米材料的重要途徑。 （3）納米尺度的生物醫(yī)學(xué)材料。納米顆粒可穿透細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞，從而在基因控釋中具有重要應(yīng)用。裝載基因的納米殼聚糖顆粒已在基因治療中得到應(yīng)用，納米級(jí)的聚酯、短肽等基因控釋載體和系統(tǒng)正在被廣泛的研究。雖然納米生物材料的生物學(xué)效應(yīng)還遠(yuǎn)未被認(rèn)識(shí)，但是現(xiàn)有研究表明納米生物醫(yī)學(xué)材料的納米效應(yīng)可增進(jìn)材料的生物學(xué)性能，還有可能表現(xiàn)出尚未發(fā)現(xiàn)的優(yōu)良生物學(xué)性能。但是，納米生物材料亦可導(dǎo)致生物學(xué)風(fēng)險(xiǎn)，這是納米生物材料研究有待且必須解決問題。具有納米結(jié)構(gòu)的自然組織不但未表現(xiàn)出納米效應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)，且其性能十分優(yōu)良。納米生物材料和軟納米技術(shù)已成為當(dāng)代生物材料科學(xué)和工程的十分活躍的新領(lǐng)域。
四、小結(jié)
生物材料研究是一項(xiàng)多學(xué)科交叉的課題，涉及跨學(xué)科的多門類知識(shí)，是集基礎(chǔ)科學(xué)、工程技術(shù)、臨床醫(yī)學(xué)和藥學(xué)于一體的學(xué)科[7]。生物醫(yī)學(xué)材料研究的最終目的是用其能夠完全替代或修復(fù)人體病變、衰場(chǎng)或扭傷的各種組織和器官,并實(shí)現(xiàn)其生理功能。因此，鑒于目前醫(yī)學(xué) 、工程技術(shù)和基礎(chǔ)科學(xué)分離培養(yǎng)的現(xiàn)狀。有志于從事生物醫(yī)學(xué)材料研究和開發(fā)的科技工作者,應(yīng)加強(qiáng)和不同專業(yè)人員的合作，取長(zhǎng)補(bǔ)短，分工協(xié)作共同努力，為探索人生命的秘密,保障人類的健康和長(zhǎng)壽而作出自己應(yīng)有的貢獻(xiàn)。
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