第一情报 ---材料工业

生物医用材料未来发展趋势

供稿人:ISTIS  供稿时间:2006-8-15   关键字:生物医用材料  
组织工程材料面临重大突破
组织工程是指应用生命科学与工程的原理和方法,构建一个生物装置,来维护、增进人体细胞和组织的生长,以恢复受损组织或器官的功能。它的主要任务是实现受损组织或器官的修复和再建,延长寿命和提高健康水乎。其方法是,将特定组织细胞"种植"于一种生物相容性良好、可被人体逐步降解吸收的生物材料(组织工程材料)上,形成细胞――生物材料复合物;生物材料为细胞的增长繁殖提供三维空间和营养代谢环境;随着材料的降解和细胞的繁殖,形成新的具有与自身功能和形态相应的组织或器官;这种具有生命力的活体组织或器官能对病损组织或器宫进行结构、形态和功能的重建,并达到永久替代。近10年来,组织工程学发展成为集生物工程、细胞生物学、分子生物学、生物材料、生物技术、生物化学、生物力学以及临床医学于一体的一门交叉学科。
 
生物材料在组织工程中占据非常重要的地位,同时组织工程也为生物材料提出问题和指明发展方向。由于传统的人工器官(如人工肾、肝)不具备生物功能(代谢、合成),只能作为辅助治疗装置使用,研究具有生物功能的组织工程人工器官已在全世界引起广泛重视。构建组织工程人工器官需要三个要素,即"种子"细胞、支架材料、细胞生长因子。最近,由于干细胞具有分化能力强的特点,将其用作"种子"细胞进行构建人工器官成为热点。组织工程学已经在人工皮肤、人工软骨、人工神经、人工肝等方面取得了一些突破性成果,展现出美好的应用前景。
 
例如,存在于脂肪组织基质中的脂肪干细胞(ADSCs)是一类增殖能力强、具有多向分化潜能的成体干细胞,被发现不但具有与骨髓基质干细胞(BMSc)相似的向成骨、软骨、脂肪、肌肉和神经等细胞多分化的能力,而且表达与BMSc相同的表面标志如CD29、CD105、CD106及CD166等。2004年12月16日,德国MacroPore Biosurgery公司(法兰克福)与Giessen大学联合对外公布了一项使用脂肪干细胞治疗七岁女孩颅骨缺损的临床报告,治疗结果显示新骨形成,并且颅骨创伤区周围颅顶几近完全连续,从而证实脂肪干细胞在组织工程临床应用方面的前景十分令人鼓舞。
生物医用纳米材料初见端倪
纳米技术在90年代获得了突破性进展,在生物医学领域的应用研究也不断得到扩展。目前的研究热点主要是药物控释材料及基因治疗载体材料。
 
药物控释是指药物通过生物材料以恒定速度、靶向定位或智能释放的过程。具有上述性能的生物材料是实现药物控释的关键,可以提高药物的治疗效果和减少其用量和毒副作用。由于人类基因组计划的完成及基因诊断与治疗不断取得进展,科学家对使用基因疗法治疗肿瘤充满信心。基因治疗是导人正常基因于特定的细胞(癌细胞)中,对缺损的或致病的基因进行修复;或者导人能够表达出具有治疗癌症功能的蛋白质基因,或导人能阻止体内致病基因合成蛋白质的基因片断来阻止致病基因发生作用,从而达到治疗的目的。这是治疗学的一个巨大进步。基因疗法的关键是导人基因的载体,只有借助于载体,正常基因才能进人细胞核内。目前,高分子纳米材料和脂质体是基因治疗的理想载体,它具有承载容量大,安全性高的特点。此外,生物医用纳米材料在分析与检测技术、纳米复合医用材料、与生物大分子进行组装、用于输送抗原或疫苗等方面也有良好的应用前景。
 
一种新型的纳米材料——树枝状聚合物(dendrimers)正在被人们用于基因治疗的载体研究之中,它最早由美国化学家Tomalia DA 博士于80年代初发明并成功合成。10多年来,dendrimers在生物医学领域从简单的药物运送载体,到复杂的医疗成像等多个方面都得到了应用。主要包括:纳米级生物传感器、纳米级催化剂、微型纳米泵、纳米级药物及基因载体,以及免疫诊断纳米试剂等。Dendrimers具有精确的纳米构造,其合成方法有发散法和会聚法。由合成步骤决定了dendrimers精确的代数(generations,或层数layers)与体积。Dendrimers的直径范围从GO代到G10代分别为10Å~130Å。与普通高分子聚合物不同,dendrimers具有低粘度、高溶解性、可混合性以及高反应性等特点。同时。其体积和形态还可在合成过程中加以专一性的控制。比如,设计出具有巨大内部疏水空间(hydrophobic void spaces),而表面却是亲水性质的树枝状聚合物。
血液净化材料重在应用
采用滤过沉淀或吸附的原理,将体内内源性或外源性毒物(致病物质)专一性或高选择性地去除,从而达到治病的目的,是治疗各种疑难病症的有效疗法。尿毒症、各种药物中毒、免疫性疾病(系统性红斑狼疮、类风湿性关节炎)、高脂血症等,都可采用血液净化疗法治疗,其核心是滤膜、吸附剂等生物材料。
 
目前已研究和开发用于制备血液净化高分子膜的材质多达数十种,但是由于临床对血液透析、血浆滤过和血浆置换用高分子膜的要求非常苛刻,即必须具备良好的通透性、机械强度以及血液相容性,所以实际已获得临床使用的只有以下几种,即纤维素类膜、聚丙烯腈膜、聚碳酸酯膜、聚砜膜、聚烯烃膜和聚乙烯醇膜。虽然以上血液净化用膜已经产业化并已应用到临床,但仍存在许多问题需要解决,如毒物的去除效率问题、血液相容性问题等。缩短透析和滤过的时间,提高毒害物质的清除率和血液相容性是临床治疗的要求和血液净化膜材料研究者追求的主要目标。
 
血液净化吸附材料的类型主要有活性炭吸附剂、合成树脂类吸附剂、免疫吸附剂和生物型人工肝脏等。活性炭吸附剂现已广泛应用于吸附血液中的各种内源性和外源性的有害物质,如肌酐、尿酸、酚类、脂肪酸、中分子物质、胆红素、安眠药、农药等;合成树脂类吸附剂是另一类有实际使用价值的医用吸附剂,是具有网状结构的高分子聚合物,可根据需要进行人工合成,使其具备特定的吸附性能;免疫吸附剂是利用抗体或抗原固定化的方法合成的吸附剂,对致病物质具有吸附速度快、特异性强、治疗效果好、副作用小等优点,使其成为血液净化临床治疗的首选吸附剂,专一性免疫吸附剂的研究也成为血液净化材料领域的研究热点;生物型人工肝脏是在体外建立的更接近肝脏功能的模拟体系,对于延长患者的生命尤为重要。
复合生物材料仍是开发重点
作为硬组织修复材料的主体,复合生物材料受到广泛重视。它具有强度高、韧性好的特点,目前已广泛应用于临床。通过具有不同性能材料的复合,可以达到"取长补短"的效果,有效解决材料的强度、韧性及生物相容性问题。根据使用方式的不同研究较多的是:合金、碳纤维/高分子材料、无机材料(生物陶瓷、生物活性玻璃)/高分子材料的复合研究。
 
在目前研究的复合材料中,羟基磷灰石(HA)复合材料是研究应用最为广泛的材料之一。利用HA的骨传导性和优的生物活性,作为涂层材料与金属复合应用,可以用作修复负重部位骨缺损的人体植入物,也可以作为固定用螺钉、人工关节和种植体材料,广泛用于骨科、整形外科和牙科;HA与生物可降解材料(包括人工合成的生物可降解性聚合物和天然材料提纯的可降解材料,如氨基多糖、胶原、聚乳糖等)的复合,可以帮助新组织逐渐长入替代材料,具有固位和塑性效果;HA与非降解高分子材料(如聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯、涤纶等)复合,在临床上丰要用于修复某些需要永久替换的器官或组织,如韧带、心脏瓣膜、血管、人工肋骨等;HA与天然材料(主要是指一些从动物结缔组织,如骨、肌腱或皮肤中提取的、经特殊化学处理、具有某些生物活性或特殊性能的蛋白质物质,如胶原、骨形成蛋白、纤维蛋白粘合剂、明胶等)复合,在临床上主要用作不负重部位的骨修复材料等。
材料表面改性是永久性课题
生物相容性包括血液相容性和组织相容性,是生物材料应用的基本要求。除了设计、制造性能优异的新材料外,通过对传统材料进行表面化学处理(表面接枝大分子或基团)、表面物理改性(等离子体、离子注人或离子束)和生物改性是有效途径。材料表面改性的新方法和新技术被认为是生物材料研究的永久性课题。
 
例如,种植内皮细胞的人工血管具有抑制血小板激活的作用,可以维持血管表面不发生凝血。目前,内皮细胞化研究的热点是:怎样获得结合牢固的、均匀覆盖的单层内皮细胞层,以减少因基质的暴露而导致的血栓。涂布白蛋白涂层,可以阻止凝血的发生,防止机体形成血栓。聚氧化乙烯表面接枝及磷脂基团表面都能阻止抗凝血过程的发生,这两种方法均是表面修饰的重点。

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