- 相關推薦
生物醫(yī)學材料研究進展
生物醫(yī)學材料(biomed ical mate rial)是用于對物體進行診斷、治療、修復，或替換其病損組織器官 ,或增進其功能的新型高技術材料。它是研究人工器官和醫(yī)療器械的基礎,己成為材料學科的重要分支。隨著生物技術的蓬勃發(fā)展不斷突破，生物醫(yī)學材料已成為各國科學家研究和開發(fā)的熱點。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合材料被廣泛地應用于臨床和科研。
一、生物醫(yī)學材料的發(fā)展歷程
20 世紀初, 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)學所淘汰
第二代生物材料起源于20 世紀60～70年代, 在對工業(yè)化的材料進行生物相容性研究基礎上, 開發(fā)了第一代生物材料及產(chǎn)品在臨床的應用, 例如體內(nèi)固定用骨釘和骨板、人工關節(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植入器械的異物反應降到最低。
第三代生物醫(yī)學材料[1]是一類具有促進人體自身修復和再生作用的生物醫(yī)學復合材料. 這種具有活性的材料能夠在生理條件下發(fā)生可控的反應, 并作用于人體. 20 世紀80 年代中期, 生物活性玻璃、生物陶瓷、玻璃-陶瓷及其復合物等多種生物活性材料開始應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, 耐腐蝕強度高, 表面帶有極性, 能與細胞膜表層的多糖和糖蛋白等通過氫鍵相結合, 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)學材料中的代表。表1列 出了近年來生物陶瓷復合材料的發(fā)展情況[2]。
二、生物醫(yī)學材料的分類
1 生物醫(yī)學金屬材料
生物醫(yī)用金屬材料通常采用合金或鈦金, 具有很高的機械強度和抗疲勞特性, 是臨床應用最廣泛的。不銹鋼易加工，價格低廉，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，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。 其主要缺點是用金屬制成的生物材料會有慢炎性癥反應，由于腐蝕可能會造成機械斷裂。
2 生物醫(yī)學高分子材料
生物醫(yī)學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，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，能促進細胞增殖，在肌腱、韌帶、腹膜的修復方面有重要的應用價值。纖維蛋白的生理功能是止血，可促進創(chuàng)傷愈合。多糖類在醫(yī)學上主要用于生成細胞膜、瓣膜。
由共價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材料 [3]。
高分子材料的主要缺點是高分子材料降解后的副產(chǎn)品會引起組織過敏，退化的分子結構變化會導致機械性能降低，刺激吞噬細胞引起的排異反應。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)學無機非金屬材料或生物陶瓷
生物陶瓷的化學性質穩(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度, 耐磨性能良好, 分子中化學鍵的作用力較強: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,或與生物機體形成穩(wěn)定的化學鍵, 因而具有極為廣泛的發(fā)展前景。陶瓷材料的主要缺點是彈性差，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)學復合材料
生物醫(yī)學復合材料是由兩種或兩種以上不同材料復合而成的, 主要用于修復或替換人體組織、器官或增進其功能, 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節(jié);囶押銑剎牧獻魑人工股骨頭在臨床上有良好的應用;高分子材料與生物高分子(如酶抗原、抗體和激素等)結合可以作為生物傳感器。[4]
5 生物醫(yī)學衍生材料
生物醫(yī)學衍生材料是由經(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型和功能, 在維持人體動態(tài)的修復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、熱點研究領域
伴隨著材料科學與技術、細胞生物學和分子生物學的進展，加之醫(yī)學進展和需求的驅動，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用要求。當代生物醫(yī)學材料的發(fā)展已進入一個嶄新的階段，與生物技術結合，賦予材料生物結構和生物功能特別是生物功能，以充分調(diào)動人體自我康復能力，誘導組織或器官再生或恢復和增進其生物功能，實現(xiàn)病變或缺損組織或器官的永久康復，已是本世紀生物材料科學與工程發(fā)展方向和前沿[5]。主要研究集中于以下領域[6]：
1.生物相容性——生物醫(yī)學材料的核心
材料的生物相容性表征材料引起適當?shù)臋C體反應的能力，是生物醫(yī)學材料區(qū)別于其它高技術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，即材料不致引起對機體的毒副作用。在分子水平上深入認識材料與機體相互作用，充分了解和表征材料表面/界面的組成、結構，植入體形態(tài)、構型、多孔結構等生物力學因素，影響組織重建和功能的體內(nèi)生物化學信號（蛋白、生長因子、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， 指導生物學反應可控的材料設計，探索評價材料長期生物相容性和可靠性的分子標記，是當代生物材料科學的核心和基礎。
2.表面及表面改性技術——現(xiàn)階段改進常規(guī)醫(yī)學材料的主要技術
材料表面和表面改性，成為現(xiàn)階段改進和提高常規(guī)材料的主要途徑，也是發(fā)展新一代生物醫(yī)學材料的基礎。其研究熱點主要集中于： （1）清潔表面，即阻礙蛋白和細胞吸附/粘附的表面改性。這對用于心血管系統(tǒng)修復材料特別重要，可使其不吸附血液中的蛋白而獲得抗凝血性能。 （2）特異性表面的設計與改性，即可以選擇性吸附/粘附蛋白和細胞的表面改性，稱可控制生物學反應的表面。通過在材料表面固定有特定結合區(qū)結構的生物分子和蛋白質層，可實現(xiàn)材料對特
定細胞的選擇性粘附。研究材料表面組成、結構和性質與體內(nèi)蛋白分子的相互作用，及其對蛋白和細胞特異性吸附/粘附的影響，是生物醫(yī)學材料科學的基本問題之一。
3.納米生物材料——生物材料的前沿和熱點
生物醫(yī)學材料研究進展 納米生物材料的結構和特點更為類似于天然組織，具有優(yōu)良的生物學和物理化學性能。因此越來越被重視。主要集中于： （1）納米結構的生物醫(yī)學材料，即具有納米結構的材料，如由小于 100nm 納米晶構成的納米生物陶瓷，納米顆粒增強高分子復合材料等。研究發(fā)現(xiàn)，納米磷酸鈣生物陶瓷的生物學活性，隨晶粒度減小而增強，且多孔陶瓷還具有骨誘導性；納米磷酸鈣增強高分子復合材料的結構更接近于可視為羥基磷灰石增強膠原的自然骨；原位聚合納米磷酸鈣與膠原、乳酸或尼龍的復合材料，其生物力學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）納米結構的半透膜和層層自組裝復合納米器件。利用脂類和寡肽分子自識別特性裝配的二維結構，其納米尺度孔隙呈有序周期性排列，可用作藥物、基因和細胞的控釋載體或包囊。層層自組裝是利用聚電解質和納米粒子，在生理環(huán)境下，構建納米薄膜、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)學材料。納米顆�？纱┩讣毎みM入細胞，從而在基因控釋中具有重要應用。裝載基因的納米殼聚糖顆粒已在基因治療中得到應用，納米級的聚酯、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效應還遠未被認識，但是現(xiàn)有研究表明納米生物醫(yī)學材料的納米效應可增進材料的生物學性能，還有可能表現(xiàn)出尚未發(fā)現(xiàn)的優(yōu)良生物學性能。但是，納米生物材料亦可導致生物學風險，這是納米生物材料研究有待且必須解決問題。具有納米結構的自然組織不但未表現(xiàn)出納米效應的風險，且其性能十分優(yōu)良。納米生物材料和軟納米技術已成為當代生物材料科學和工程的十分活躍的新領域。
四、小結
生物材料研究是一項多學科交叉的課題，涉及跨學科的多門類知識，是集基礎科學、工程技術、臨床醫(yī)學和藥學于一體的學科[7]。生物醫(yī)學材料研究的最終目的是用其能夠完全替代或修復人體病變、衰場或扭傷的各種組織和器官,并實現(xiàn)其生理功能。因此，鑒于目前醫(yī)學 、工程技術和基礎科學分離培養(yǎng)的現(xiàn)狀。有志于從事生物醫(yī)學材料研究和開發(fā)的科技工作者,應加強和不同專業(yè)人員的合作，取長補短，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壽而作出自己應有的貢獻。
【生物醫(yī)學材料研究進展】相關文章：
探究生物醫(yī)學材料的現(xiàn)狀與發(fā)展12-10
生物醫(yī)學論文11-07
生物醫(yī)學工程就業(yè)前景02-18
生物醫(yī)學工程就業(yè)前景優(yōu)秀02-17
生物醫(yī)學科技公司廣告語12-28
生物醫(yī)學工程就業(yè)前景9篇02-18
生物醫(yī)學工程專業(yè)就業(yè)方向及前景11-06
課題研究進展情況匯報12-15