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生物医学材料研究新进展

供稿人:马春  供稿时间:2004-6-24   关键字:生物医学材料  研究进展  
■ 碳酸钙涂层聚合物(calcium carbonate-coated polymer)能修复骨骼
据亚利桑那州图森市的Advanced Ceramics Research(ACR)报告:由碳酸钙涂层聚合物构成的补换骨能使骨骼的生长深入其小孔中。比如:若某人手臂肱部的骨骼受损,那么就可用另一只手臂来做CAT扫描或MRI(核磁共振成像),并将其转换成三维图像。CAD(计算机辅助设计)系统可对图像进行处理,ACR的快速定型技术能制作出具有合适尺寸的聚合物骨骼。聚合物骨骼上覆盖着一层非常薄的磷酸钙,在磷酸钙上有许多微型孔。这层包衣使得骨骼细胞依附在假体上。
 
ACR的Ranji Vaidyanathan博士说:“真实骨骼的剩余部分约在八周后依附到聚合物骨骼上。然后,真骨通过多孔的骨架开始生长。当真骨‘吃’骨架时,身体也自然地分泌出磷酸钙。18个月后,骨骼就可以完全恢复,患者也就有了与正常人一样的手。”这一过程已在动物试验和体素培养中得到证实。
 
■ 氧化铝陶瓷衬垫取代了PTFE(聚四氟乙烯)在假体中的应用
美国田纳西州的Wright Medical Technology Inc.,研发出一个使得金属关节与氧化铝陶瓷关节可以在同一金属外壳内互换的系统。美国食品及医药管理局(FDA)正式批准了在市场上销售用于全髋关节置换术(THA)的氧化铝陶瓷与陶瓷相关节。
 
氧化铝陶瓷衬垫结合了高强度与低磨损的特性,这样就使得人工关节的寿命更长,并简化了修正程序。尽管国际上在20多年前就有了陶瓷与陶瓷相关节,但在美国至今还未将其推向商业。
 
陶瓷与陶瓷相关节的益处已在美国的一个五年临床研究中得到证实,该研究包含了在美国进行的最大的陶瓷与陶瓷全髋关节置换术系列。Stephen Murphy医学博士是参与该研究的研究者之一,他说:“从1997年6月开始,我已经做了将近180个陶瓷与陶瓷全髋关节置换术,至今没有一例发生髋关节脱臼,也没有发生磨损或骨质溶解的现象。氧化铝磨损颗粒在体内所导致的反应也比塑胶颗粒更小。氧化铝陶瓷与陶瓷相关节可能很快成为全髋关节置换术的金本位。”
 
■ 碳素纤维心脏瓣膜改进了生物适应性
美国明尼苏达州的MedicalCV Inc.,报道了改进了生物适应性的碳素纤维心脏瓣膜。这种全碳心脏瓣膜由三种成分组成:瓣架(housing), 碟片(disk), 瓣膜成形环(sewing ring)。瓣膜非常独特,因为正是这一单叶瓣膜(具有单一的无铰链绕轴旋转的瓣膜)在瓣架和碟片中应用热解碳来改进生物适应性。其他的单叶瓣膜具有金属瓣架或无热解碳涂层的金属瓣架。
 
在还原条件下,通过在流化床反应堆中热解丙烷来将碳覆盖到石墨培养基上。石墨的高温分解不会象硅烷一样产生有害物质。而其他公司通常用硅烷来生产含硅热解碳。MedicalCV是仅有的两家生产无硅热解碳的公司之一。
 
相对于含硅热解碳来说,纯热解碳能提供更好的血液相容性。比如:试验结果显示出它比其他热解碳物质具有更优的(材料的)疲劳裂缝阻滞性能和断裂韧性。
 
针织的、无缝的PTFE(聚四氟乙烯)瓣膜成形环能促进瓣膜缝合到心脏的大动脉或二尖瓣环。瓣膜成形环非常易于缝合,而且具有独特的防滑结构。
 
通过小小的枢轴和护罩,碟片固定在瓣架中,并在瓣架中自由地旋转。加速的磨损试验证明瓣膜的耐久性是普通人的寿命的五倍多。
 
全碳心脏瓣膜的另一个优点是:它没有固定的旋转凹槽(双叶瓣的设计具有这一特点,而这已被证实是形成血凝块的主要位置)。另外,碟片在瓣架中的独特位置减少了能量的损耗、体积和速度的漏损、以及血液的剪应力,这样对血液细胞产生的溶血或危害就会更少。
 
最近的水力和血液动力学研究表明通过单叶心脏瓣膜的偏心流比通过双叶瓣膜的对称流更自然,而且下游的紊乱更少。
 
■ 纳米涂层膜假体对抗强磁场
纽约市的Biophan研制出一种涂层,这种涂层能保护生物医学假体在MRI(核磁共振成像)扫描中免受强磁场。MRI扫描的强磁场会感应金属假体中的电流。为防止这一点,涂层用一种导电性很差的被约束在绝缘基质中的纳米材料混合物制成。涂层的厚度低于3微米,并能反射大部分的MRI波。它有数百万兆欧姆的电阻,这样就能阻止材料中产生的任何电流。
 
目前,对于那些植入了起搏器和类似装置的人来说,很难进行MRI检查。这是由于与组织损失相关的升温电压。由于心房脉冲产生时的感应电压,装了起搏器的病人在MRI装置中经常遭受心悸的困扰。因此,现在MRI成像中心通常都拒绝对植入了起搏器和其他类似装置的病人进行MRI检查。
最近,在纽约西部成像中心的活性MRI成像系统中做了Biophan技术的两项测试。将对照试样在不到一分钟的时间里加热到22℃以上。若加进Biophan技术,温度就降到1℃左右,这样就低于会造成组织损伤的温度,而且也符合美国食品及药物管理局(FDA)的安全指导方针。第二个测试结果表明:在加进Biophan安全技术后,由MRI高频场在金属物中产生的感应电能会减弱89%。
 
■ 磁流能改善义肢的灵活性
美国北卡罗来纳州加里市的Lord Corp.,与德国的Biedermann Motech合作研制了一种弥补性装置,通过重新创造一种自然的步法,该装置能改善受截肢手术的病人的义肢的灵活性。他们共同努力将Lord的磁共振(MR)技术与Biedermann智能磁学弥补术(Smart Magnetix Prosthetic project)结合在一起。这种义肢有一个由电池操作和电子控制的MR膝部调节器装置,它能适应在几毫秒内发生变化的任何可能的动作,并能提供更好的步伐稳定性和速度。
 
MR技术基于一种分散在载波媒体中的物质(这种物质是大小在微米级、由磁性激活的微粒)。在磁场中,这种微粒会排列起来并抵抗流动,这样,当需要移动时就会产生非常大的力量。考虑到流体流变学的实时控制,在MR微粒中的材料能在几毫秒内响应所应用的磁场。MR技术提供无限变化的实时阻尼控制。MR调节器能迅速响应使用者的需求变化。通过与电子和软件相结合,MR调节器的响应率比当前水平快20倍。
 
Biedermann 的董事长Lutz Biedermann 说:“下坡和下楼梯对做过截肢手术的人来说一直是一件可怕的事情。但Lord的可控制材料能使他(她)们在行走中获得信心,并得到高质量的生活。Biedermann Motech能为使用者在运动中提供无差别和无限制的稳定可靠的支持。”
 
■ 将晶体的光学特性转换成塑胶特性以用于假体中
加利福尼亚大学的研究员们发现了如何将硅晶体传感器的光学特性转换成塑胶特性,这一成果带来了灵活的可植入装置的发展,这种装置能监控药物在体内的输送、弱关节的紧张状态、甚至是缝合处的恢复情况。
 
为了将硅晶体的光学特性转换成生物适合的(即:不会引起排斥的)聚合体,Machael J.Sailor教授和他的小组成员们首先用电气化学蚀刻技术来处理硅晶片,以生成一种多孔硅片(这种硅片包含一排排的、仅有毫微米大小的孔)。这使得硅片具有光子晶体的光学特性,这意味着它具有能精确控制光发射的周期性结构。
 
一旦芯片具有光子结构,熔胶就被注入到小孔中,而硅就被溶解掉,剩下一个灵活的、生物适合的芯片镜像(它叶具有光子晶体的特性)。聚合体的特性使得晶体作出调整以反映应用所需的电磁波的波长。例如:科学家们可以制作出聚合体以对波长(这种波长能穿透到人的体内深处)作出反应。
 
■ 双面贻贝涂层既有依附性又有排斥性
以色列的西北大学正在研发一种来自海洋贻贝的双面涂层(这种涂层的一面具有依附性而另一面又具有排斥性)。具有依附性的这一面是一种基于由贻贝分泌的粘合蛋白的粘胶,并被设计成依附于移植物的表面。具有排斥性的一面被设计成用于阻止细胞和蛋白质的形成,因为细胞和蛋白质会弄脏植入的装置(如:冠状动脉支架、尿管、渗析管等)。
 
据PhillipB.Messersmith博士说,“我们的目标是利用贻贝能依附于各种不同类型的表面(包括PTFE)这一特性,以研制出一种只需用单一的方法就能处理各类移植物表面的化合物。”这样的涂层比现有的涂层具有更广泛的通用性,并更具成本效益。
 
贻贝的足丝能产生一种粘胶,这种粘胶能将生物固定在岩石或其他物体上,使其能经受住波浪的重击。对这种粘胶的化学分析显示出其粘性主要是源于贻贝足丝粘合蛋白,在贻贝足丝粘合蛋白中含有称为二羟基苯丙氨酸(亦作DOPA)的高浓度氨基酸。
 
Messersmith博士决定利用这种粘性将排斥分子、丙二醇固定住。这样就能生成一种双面的化合物,其有粘性的一面依附于表面,而无粘性的一面则阻止蛋白质细胞的附着。研究者们已经证实了这种化合物能容易地附着于黄金和钛的表面,并使它们能在两周时间内阻止细胞的附着。他们计划继续研究,以使化合物的这种特性能持续更长时间。

这种化合物也可作为船舶的涂层,以阻止海洋生物(如:藤壶,甚至是贻贝)的附着。


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