生物医学材料研究进展

生物医学材料研究进展

　　生物医学材料(biomed ical mate rial)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60～70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(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、工程技术、临床医学和药学于一体的学科[7]。生物医学材料研究的最终目的是用其能够完全替代或修复人体病变、衰场或扭伤的各种组织和器官,并实现其生理功能。因此，鉴于目前医学 、工程技术和基础科学分离培养的现状。有志于从事生物医学材料研究和开发的科技工作者,应加强和不同专业人员的合作，取长补短，分工协作共同努力，为探索人生命的秘密,保障人类的健康和长寿而作出自己应有的贡献。

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