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生物医学材料的发展趋势

日期:2014/6/30 13:02 点击数:310 
当前国内外生物材料开发研究的主要趋势,是致力提高材料的生物相容性,致力于开发生物柏容性更好、更能适合人体牛理需要的新材料。单凭“经验”对现有材料进行纯化或简单改性,已远远不能满足当今医学发展对生物材料越来越高的要求。开始重视牛物棚容性的分子漩计学研究,并尝试应用分子设计学方法和仿生学方法,开发生物相容性更好的新材料。此外,通过对材料的表面修饰或生物化处理,使材料与 活体的接触界面有一个相容性和适应性较佳的过渡层,也是提高材料生物相容性的分 子设计内容之一,近年来倍受再视。 2004年第七届世界生物材料大会,会议宣读的论文1200余篇,基本反映了生物医 学材料的发展趋势。特别是大会包括的6个重点报告代表了21世纪生物材料的一些主要方向。 
        l. 血管生长原理在组织工程中的应用
        Judah Forkman在报告中提出以下6点原理:

        ①血管内皮细胞在含有胶原或纤维蛋白附着层上生长最好,很多的聚合物制料不具备这个条件;

        ②新生毛细管向植人物孔 隙长人时,它不仅向组织提供营养,将代谢物带出,而且使内皮细胞产生一些生长因子,如BFGF、PDGF、IGF -l、HB - EGF、G—GSF和IL-6;

        ③在植人体内,引入新血管时,需要不断地分泌一个血管生长激活剂,如BFGF或VEGF,为的是克服众多的内
源性血管内皮细胞中的抑制剂;

        ④组织缺氧可提高调节VEGF的表达,但其它血管生长蛋白对氧是不敏感的;

        ⑤带有突变基因的内皮细胞,注入山管内,町使活性新生血管定位;

        ⑥有时在某些组织植入叫抑制新生血管生长是有利的,如将胎儿组织移植脑 中。

        2.仿生形态合成 Geoffrey Aozin用仿生形态合成法合成多层结构的无机材料。它的骨架结构与天然生物矿化过程所形成的相似,研究者是在有组织的反应介质中自组装形成多层结构,他们对多层次构件的想法是受到自然界中矿物结构形成的启发。他们所取得的结果是仿造出和自然界存在的多层次生物体。
        直到目前材料科学家尚不能复制自然美妙的创 举。在合成中最大的挑战就是仿生形态以及无机多层次中间结构的控制。研究者的战 略思想是利用无机微囊模板创造合成出无机复制品,这个方法是仿造自然巧妙的手法。 以三维空问,从纳米级延伸到中介状态(10 - 1000nm)然后到宏观状态(>1000nm), 这样佑造自然界制造材料的骨架会导致一系列的新型材料,其性质对电、光和高技术 工业将产生巨大的意义和作用。

        3.基因治疗中的生物材料基因治疗严格说来是将基因组装到人体基因组中。体内基因治疗可借助生物材料慢慢释放载体来提高疗效,微囊技术是将细胞用一层半透膜包埋起来然后进行植入, 这一技术具有基因治疗的巨大潜力,目前这一技术利刚工程茼呵释放生物活性分子治疗不同种类的疾病,如贫血、血友病、缺少人生长素患者,以及神经变性疾病等。

        4.在植人体对软组织反应中巨噬细胞、细胞活素以及植料等因素的重要性 当生物材料植入软组织中,或多或少会引发异体反应。其特征是在植入物界面出现炎症细胞,以及脱掉一层胶原膜,这一组织会干扰植入体和其周围组织之问的负荷 和分子交换,植人物与组织需形成一个机械结合键。
        目前是依靠组织长人植人物中的 不规则孔隙,来达到结合目的。组织相容性的植人物,首先是不诱发异体反应,但是 往往发现巨噬细胞的出现,这些细胞产生大量炎症传递介质、细胞活素、生长激素和粘接分子。近年发现组织巨噬细胞是在创伤愈合时组织分化的主要控制冈素,细胞活 素尤其是TGF -8族对疤痕的大小起着重要作用。近年LARS M等人研究重点是评价哪些材料囡素对植人体对周围组织结构的影响,现在已知在界面的机械剪切力,会危害 界面细胞。因此材料的宏观和微观设计是非常重要的,并且与材料的柔韧性同等重要。
         所以材料的表面化学以及联接的不同配体都是重要的考虑因素。植人材料表面的某些特殊HB体,可使植人体表面,生妊的某些组织细胞,产生预定的组织反应,这一技术 在降解性植人材料中尤其重要。

        5.敏感型聚合物的分子设计及其在医学和生物技术方面的应用目前较多地研究了外界刺激对材料结构和性能的变化,常称为“智能材料”。这些 材料不仪是新的生物材料,同时在蛋白质生物技术、医学渗断和导向药物释放方面均 有用处,Trueo Okano研究了带有末端羧基的聚N异丙基丙烯眺胺(PIPAAM),发现聚 合物在最低l‰界温度以上呈亲油性表面。将肝细胞和内皮细胞固定在聚合物表面,当温度下降到34℃时,其表面变成亲水性,这时,结合的细胞就自动脱落下来,叫以很 方便地将培养的细胞从表面上收回,比用酶法获得的细胞活力要高。同样对血小板也 可获类似开/关效果,用类似聚合物即PIPAAM与烷基甲基丙烯酸酯共聚水凝胶,可调 控药物释放也取得很好的效果。

        6.生物材料的分子模拟 计算机的化学和分子模拟,是个迅速发展的领域,而且住生物材料中具有巨大
的潜力,如蛋白质吸附与解吸,药物缓释细胞膜界向反应以及关于牛物矿物化机理的 理解。Larry、Hench在应用半经验方法中指出,在氨基酸如丙氨酸和目鲺酸与古有不含水台硅四㈣体的氧化硅簇的反应中,存在着差别很大的能奄和结合能,这些差别主 耍决定于氨基酸的几何形状和取向。
        用Zindo计算的亚稳态电子分布,预示在高浓度生 物固定的二氧化硅样品中,存在光合成的激活过程。利用口-牲氨酸蛋白模板可以模拟双原子生物硅化的机理,并且指出有机底物可提供能量品棱使无机相从低浓度溶液 中定向地生长出来。同一报告还介绍了计算机协助药物分子的设计。 由以上报告可以清楚地看出,2l世纪生物材料的发展和动向,在结构方面是结构 形态的模拟,用汁算机模拟设计生物材料以及活体组织工程的研究,所用的于段是生物技术和分子生物学原理,新型的材料将包括活体细胞,生长幽子、基因、酶、抗体、 抗原等活性成分,以及随外界环境改变性能的智能生物材料。

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