生物醫學材料研究進展

生物醫學材料(biomed ical mate rial)是用於對物體進行診斷、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療器械的基礎,己成爲材料學科的重要分支。隨着生物技術的蓬勃發展不斷突破，生物醫學材料已成爲各國科學家研究和開發的熱點。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複合材料被廣泛地應用於臨牀和科研。

一、生物醫學材料的發展歷程

20 世紀初, 第一次世界大戰以前所使用的材料爲第一代生物醫學材料。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代醫學所淘汰

第二代生物材料起源於20 世紀60～70年代, 在對工業化的材料進行生物相容性研究基礎上, 開發了第一代生物材料及產品在臨牀的應用, 例如體內固定用骨釘和骨板、人工關節、人工心臟瓣膜、人工血管、人工晶體和人工腎等。代表材料有經基磷灰石、磷酸三鈣、聚經基乙酸、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。即生物材料發展所遵循的原則是儘量將受體對植入器械的異物反應降到最低。

第三代生物醫學材料[1]是一類具有促進人體自身修復和再生作用的生物醫學複合材料. 這種具有活性的材料能夠在生理條件下發生可控的反應, 並作用於人體. 20 世紀80 年代中期, 生物活性玻璃、生物陶瓷、玻璃-陶瓷及其複合物等多種生物活性材料開始應用於整形外科和牙科。與惰性材料相比,這些材料在體內不存在免疫和干擾免疫系統的問題, 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, 並有高度的生物相容性。 骨形態發生蛋 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學材料中的代表。表1列 出了近年來生物陶瓷複合材料的發展情況[2]。

二、生物醫學材料的分類

1 生物醫學金屬材料

生物醫用金屬材料通常採用合金或鈦金, 具有很高的機械強度和抗疲勞特性, 是臨牀應用最廣泛的。不鏽鋼易加工，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, 可用於矯形外科、心血管外科。 其主要缺點是用金屬製成的生物材料會有慢炎性症反應，由於腐蝕可能會造成機械斷裂。

2 生物醫學高分子材料

生物醫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後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，可促進創傷癒合。多糖類在醫學上主要用於生成細胞膜、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;液態的合成材料如室溫硫化硅橡膠可作爲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後的副產品會引起組織過敏，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 生物醫學無機非金屬材料或生物陶瓷

生物陶瓷的化學性質穩定, 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境中逐步降解吸收,或與生物機體形成穩定的化學鍵, 因而具有極爲廣泛的發展前景。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 生物醫學複合材料

生物醫學複合材料是由兩種或兩種以上不同材料複合而成的, 主要用於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製造。其中鑽欽合金和聚乙烯組織假體常用作人工關節;?鈦合成材料作穩斯す曬峭吩諏俅採嫌辛己玫撓τ?高分子材料與生物高分子(如酶抗原、抗體和激素等)結合可以作爲生物傳感器。[4]

5 生物醫學衍生材料

生物醫學衍生材料是由經過特殊處理的天然生物組織衍生而成的。經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

伴隨着材料科學與技術、細胞生物學和分子生物學的進展，加之醫學進展和需求的驅動，傳統的無生命的醫用金屬、高分子、生物陶瓷等常規材料已不能滿足臨牀應用要求。當代生物醫學材料的發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展方向和前沿[5]。主要研究集中於以下領域[6]：

1.生物相容性——生物醫學材料的核心

材料的生物相容性表徵材料引起適當的機體反應的能力，是生物醫學材料區別於其它高技術材料的最重要的特徵。早期生物相容性的研究，着重於材料的生物安全性，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，充分了解和表徵材料表面/界面的組成、結構，植入體形態、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——現階段改進常規醫學材料的主要技術

材料表面和表面改性，成爲現階段改進和提高常規材料的主要途徑，也是發展新一代生物醫學材料的基礎。其研究熱點主要集中於： （1）清潔表面，即阻礙蛋白和細胞吸附/粘附的表面改性。這對用於心血管系統修復材料特別重要，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結構的生物分子和蛋白質層，可實現材料對特

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

生物醫學材料研究進展 納米生物材料的結構和特點更爲類似於天然組織，具有優良的生物學和物理化學性能。因此越來越被重視。主要集中於： （1）納米結構的生物醫學材料，即具有納米結構的材料，如由小於 100nm 納米晶構成的納米生物陶瓷，納米顆粒增強高分子複合材料等。研究發現，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複合材料的結構更接近於可視爲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、乳酸或尼龍的複合材料，其生物力學相容性和生物活性更接近於自然骨，可望成爲優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複合納米器件。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週期性排列，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）納米尺度的生物醫學材料。納米顆粒可穿透細胞膜進入細胞，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，但是現有研究表明納米生物醫學材料的納米效應可增進材料的生物學性能，還有可能表現出尚未發現的優良生物學性能。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出納米效應的風險，且其性能十分優良。納米生物材料和軟納米技術已成爲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、臨牀醫學和藥學於一體的學科[7]。生物醫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,並實現其生理功能。因此，鑑於目前醫學 、工程技術和基礎科學分離培養的現狀。有志於從事生物醫學材料研究和開發的科技工作者,應加強和不同專業人員的合作，取長補短，分工協作共同努力，爲探索人生命的祕密,保障人類的健康和長壽而作出自己應有的貢獻。