生物醫(yī)學材料的應用總結(jié)
生物醫(yī)學材料的應用總結(jié)
篇一：納米生物醫(yī)學材料的應用
納米生物醫(yī)學材料的應用
摘要：納米材料和納米技術(shù)是八十年代以來興起的一個嶄新的領域,隨著研究的深入和技術(shù)的發(fā)展,納米材料開始與許多學科相互交叉、滲透,顯示出巨大的潛在應用價值,并且已經(jīng)在一些領域獲得了初步的應用。本文論述了納米陶瓷材料、納米碳材料、納米高分子材料、微乳液以及納米復合材料等在生物醫(yī)學領域中的研究進展和應用。
關(guān)鍵字：納米材料；生物醫(yī)學；進展；應用
1. 前言
納米材料是結(jié)構(gòu)單元尺寸小于100nm的晶體或非晶體。所有的納米材料都具有三個共同的結(jié)構(gòu)特點:(1)納米尺度的結(jié)構(gòu)單元或特征維度尺寸在納米數(shù)量級(1~100nm),(2)有大量的界面或自由表面,(3)各納米單元之間存在著或強或弱的相互作用。由于這種結(jié)構(gòu)上的特殊性,使納米材料具有一些獨特的效應,包括小尺寸效應和表面或界面效應等,因而在性能上與具有相同組成的傳統(tǒng)概念上的微米材料有非常顯著的差異,表現(xiàn)出許多優(yōu)異的性能和全新的功能,已在許多領域展示出廣闊的應用前景,引起了世界各國科技界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。
“納米材料”的概念是80年代初形成的。1984年Gleiter首次用惰性氣體蒸發(fā)原位加熱法制備成功具有清潔表面的納米塊材料并對其各種物性進行了系統(tǒng)研究。1987年美國和西德同時報道,成功制備了具有清潔界面的陶瓷二氧化鈦。從那時以來,用各種方法所制備的人工納米材料已多達數(shù)百種。人們正廣泛地探索新型納米材料,系統(tǒng)研究納米材料的性能、微觀結(jié)構(gòu)、譜學特征及應用前景,取得了大量具有理論意義和重要應用價值的結(jié)果。納米材料已成為材料科學和凝聚態(tài)物理領域中的熱點,是當前國際上的前沿研究課題之一[1]。
2. 納米陶瓷材料
納米陶瓷是八十年代中期發(fā)展起來的先進材料,是由納米級水平顯微結(jié)構(gòu)組成的新型陶瓷材料,它的晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、氣孔尺寸、缺陷尺寸等都只限于 100nm量級的水平[2]。納米微粒所具有的小尺寸效應、表面與界面效應使納米陶瓷呈現(xiàn)出與傳統(tǒng)陶瓷顯著不同的獨特性能。納米陶瓷已成為當前材料科學、凝聚態(tài)物理研究的前沿熱點領域,是納米科學技術(shù)的重要組成部分[3]。 陶瓷是一種多晶材料,它是由晶粒和晶界所組成的燒結(jié)體。由于工藝上的原因,很難避免材料中存在氣孔和微小裂紋。決定陶瓷性能的主要因素是組成和顯微結(jié)構(gòu),即晶粒、晶界、氣孔或裂紋的組合性狀,其中最主要的是晶粒尺寸問題,晶粒尺寸的減小將對材料的力學性能產(chǎn)生很大影響,使材料的強度、韌性和超塑性大大提高。
常規(guī)陶瓷由于氣孔、缺陷的影響,存在著低溫脆性的缺點,它的彈性模量遠高于人骨,力學相容性欠佳,容易發(fā)生斷裂破壞,強度和韌性都還不能滿足臨床上的高要求,使它的應用受到一定的限制。例如普通陶瓷只有在1 000℃以上,應變速率小于10-4/s時,才會發(fā)生塑性變形。而納米陶瓷由于晶粒很小,使材料中的內(nèi)在氣孔或缺陷尺寸大大減少,材料不易造成穿晶斷裂,有利于提高材料的斷裂韌性;而晶粒的細化又同時使晶界數(shù)量大大增加,有助于晶粒間的滑移,使納米陶瓷表現(xiàn)出獨特的超塑性。許多納米陶瓷在室溫下或較低溫度下就可以發(fā)生塑性變形。例如:納米TiO2(8nm)陶瓷和CaF2陶瓷在180℃下,在外力作用下呈正弦形塑性彎曲。即使是帶裂紋的TiO2納米陶瓷也能經(jīng)受一定程度的彎曲而裂紋不擴散。但在同樣條件下,粗晶材料則呈現(xiàn)脆性斷裂。納米陶瓷的超塑性是其最引入注目的成果。
傳統(tǒng)的氧化物陶瓷是一類重要的生物醫(yī)學材料,在臨床上已有多方面應用,主要用于制造人工骨、人工足關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、骨螺釘、人工齒,以及牙種植體、耳聽骨修復體等等。此外還用作負重的骨桿、錐體人工骨、修補移植海綿骨的充填材料、不受負重影響的人工海綿骨及兼有移植骨作用的髓內(nèi)固定材料等。納米陶瓷的問世,將使陶瓷材料在強度、硬度、韌性和超塑性上都得到提高,因此,在人工器官制造、臨床應用等方面納米陶瓷材料將比傳統(tǒng)陶瓷有更廣泛的應用并具有極大的發(fā)展前景[1]。
目前, 對于具有良好力學性能和生物相容性、生物活性的種植體的需求越來越大, 由于生物陶瓷材料存在強韌性的局限性, 大規(guī)模臨床應用還面臨挑戰(zhàn)。隨著納米技術(shù)和納米材料研究的深入, 納米生物陶瓷材料的優(yōu)勢將逐步顯現(xiàn), 其強度、韌性、硬度以及生物相容性都有顯著提高, 隨著生物醫(yī)用材料研究的不斷完善,納米生物陶瓷材料終將為人類再塑健康人體[4]。
經(jīng)過近幾年的發(fā)展 ，納米生物陶瓷材料研究已取得了可喜的成績，但從整體來分析，此領域尚處于起步階段，許多基礎理論和實踐應用還有待于進一步研究。如納米生物陶瓷材料制備技術(shù)的研究——如何降低成本使其成為一種平民化的醫(yī)用材料；新型納米生物陶瓷材料的開發(fā)和利用；如何盡快使功能性納米生物陶瓷材料從展望變?yōu)楝F(xiàn)實，從實驗室走向臨床；大力推進分子納米技術(shù)的發(fā)展，早日實現(xiàn)在分子水平上構(gòu)建器械和裝置，用于維護人體健康等，這些工作還有待于材料工作者和醫(yī)學工作者的竭誠合作和共同努力才能夠?qū)崿F(xiàn)[5]。
3. 納米碳材料
納米碳材料由碳元素組成的碳納米材料統(tǒng)稱為納米碳材料。在納米碳材料群中主要包括納米碳管、氣相生長碳纖維、類金剛石碳等;納米碳管、納米碳纖維通常是以過渡金屬 Fe、Co、Ni 及其合金為催化劑，以低碳烴化合物為碳源，以氫氣為載氣，在 873～1473K 的溫度下生成的，其中的超微型氣相生長碳纖
維又稱為碳晶須,具有超常的物化特性，被認為是超強纖維。由它作為增強劑所制成的碳纖維增強復合材料，可以顯著改善材料的力學、熱學及光、電等性能,在催化劑載體、儲能材料、電極材料、高效吸附劑、分離劑、結(jié)構(gòu)增強材料等許多領域有著廣闊的應用前景[6]。
納米碳纖維除了具有微米級碳纖維的低密度、高比模量、比強度、高導電性之外,還具有缺陷數(shù)量極少、比表面積大、結(jié)構(gòu)致密等特點,這些超常特性和良好的生物相容性,使它在醫(yī)學領域中有廣泛的應用前景,包括使人工器官、人工骨、人工齒、人工肌腱在強度、硬度、韌性等多方面的性能顯著提高;此外,利用納米碳材料的高效吸附特性,還可以將它用于血液的凈化系統(tǒng),清除某些特定的病毒或成份。
納米碳材料是目前碳領域中嶄新的高功能、高性能材料,也是一個新的研究生長點。對它的應用開發(fā)正處于起步階段，在生物醫(yī)學領域中，納米碳材料有重要的應用潛能。
4. 納米高分子材料
納米高分子材料也可以稱為高分子納米微�；蚋叻肿映⒘�，主要通過微乳液聚合的方法得到。這種超微粒子具有巨大的比表面積，出現(xiàn)了一些普通微米級材料所不具有的新性質(zhì)和新功能,已引起了廣泛的注意。
聚合物微粒尺寸減小到納米量級后,高分子的特性發(fā)生了很大的變化,主要表現(xiàn)在表面效應和體積效應兩方面。表面效應是指超細微粒的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨著粒徑變小而急劇增大,表面原子的晶場環(huán)境和結(jié)合能與內(nèi)部原子不同,因缺少相鄰原子而呈現(xiàn)不飽和狀態(tài),具有很大的活性,它的表面能大大增加,易與其它原子相結(jié)合而穩(wěn)定下來。體積效應是由于超微粒包含的原子數(shù)減少而使帶電能級間歇加大,物質(zhì)的一些物理性質(zhì)因為能級間歇的不連續(xù)而發(fā)生異常。這兩種效應具體反映在納米高分子材料上,表現(xiàn)為比表面積激增,粒子上的官能團密度和選擇性吸附能力變大,達到吸附平衡的時間大大縮短,粒子的膠體穩(wěn)定性顯著提高。這些特性為它們在生物醫(yī)學領域中的應用創(chuàng)造了有利條件。目前，納米高分子材料的應用已涉及免疫分析、藥物控制釋放載體、及介入性診療等許多方面[7]。
納米級骨修復材料具有傳統(tǒng)材料無可比擬的生物學性能，已在組織工程和生物材料研究中顯示出廣闊的應用前景，將不同生物材料復合加工，研制出類似人骨的材料，將是今后骨修復材料的研究重點。當前用于骨科臨床的納米產(chǎn)品不多，其性能、微觀結(jié)構(gòu)和生物學效應尚有待系統(tǒng)研究。我們相信隨著納米技術(shù)、組織工程技術(shù)和生物技術(shù)的發(fā)展與綜合，必將研制出新一代性能優(yōu)異的納米骨材料，為治愈骨缺損和骨折提供最佳的選擇[8]。
5. 納米復合材料
納米復合材料包括三種形式，即由兩種以上納米尺寸的粒子進行復合或兩種
以上厚薄的薄膜交替疊迭或納米粒子和薄膜復合的復合材料。前者由于納米尺寸的粒子具有很大的表面能，同時粒子之間的界面區(qū)已經(jīng)大到超常的程度，所以使一些通常不易固溶、混溶的組份有可能在納米尺度上復合，從而形成新型的復合材料，研究和開發(fā)無機/無機、有機/無機、有機/ 有機以及生物活性/非生物活性的納米結(jié)構(gòu)復合材料是獲得性能優(yōu)異的新一代功能復合材料的嶄新途徑。
目前應用較廣的醫(yī)用材料多由一些有機高分子制成,受高分子的固有性質(zhì)所限,材料的機械性能不夠理想。碳納米管具有比重低、長徑比高、并且可以重復彎曲、扭折而不破壞結(jié)構(gòu),因此是制備強度高、重量輕、性能好的復合材料的最佳承荷增強材料。很多研究表明,向高分子材料中加入碳納米管可以顯著改善原有聚合物的傳導性、強度、彈性、韌性和耐久性等性質(zhì)。已經(jīng)涉及的高分子材料包括聚氨酯、環(huán)氧樹脂、聚苯乙烯等。對聚氨酯/多壁碳納米管復合膜[9]和聚苯乙烯/多壁碳納米管復合膜[10]的機械拉伸實驗均顯示,當碳納米管與基體間存在良好的界面結(jié)合時,聚合物中的碳納米管可以增強聚合物抗張強度。研究還發(fā)現(xiàn),對碳納米管進行石墨化溫度處理和進行功能化有助于增強碳納米管與聚合物基體間的相互作用[10],對于碳納米管相關(guān)的復合膜和復合纖維的機械性能都有改善作用。Webster等[9]發(fā)現(xiàn),MWNT和聚氨酯形成的復合材料較之傳統(tǒng)的醫(yī)用聚氨酯具有更好的電導性和機械強度,適合制造應用于臨床的在體設備,如可能作為檢查神經(jīng)組織功能恢復情況的探針和骨科應用的假體等。
6. 微乳液
微乳液是由油、水、表面活性劑和表面活性劑助劑構(gòu)成的透明液體，是一類各向同性、粒徑為納米級的、熱力學、動力學穩(wěn)定的膠體分散體系。微乳液是熱力學穩(wěn)定體系，可以自發(fā)形成。微乳液小球的粒徑小于 100nm，微乳液呈透明或微藍色。微乳液結(jié)構(gòu)的特殊性使它具有重要的應用前景。近年來，隨著乳液聚合理論和技術(shù)研究的不斷深入，新型材料制備及分離技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對微乳液的應用研究十分關(guān)注，不斷開發(fā)它在各領域中的應用，其中一些研究成果已轉(zhuǎn)入實用化。
7. 總結(jié)
納米材料是80年代中期發(fā)展起來的新型材料,它所具有的獨特結(jié)構(gòu)使它顯示出獨特而優(yōu)異的性能。盡管已對納米材料的制備、結(jié)構(gòu)與性能進行了大量的研究,但在基礎理論及應用開發(fā)等方面還有大量的工作尚待進行[11]。
8. 展望
納米材料所展示出的優(yōu)異性能預示著它在生物醫(yī)學工程領域,尤其在組織工程支架、人工器官材料、介入性診療器械、控制釋放藥物載體、血液凈化、生物大分子分離等眾多方面具有廣泛的和誘人的應用前景。隨著納米技術(shù)在醫(yī)學領域中的應用,臨床醫(yī)療將變得節(jié)奏更快、效率更高,診斷、檢查更準確,治療更有效[12]。
參考文獻
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篇二：生物醫(yī)用高分子材料的應用與發(fā)展
生物醫(yī)用高分子材料的應用與發(fā)展
摘要：本文綜述了生物醫(yī)用高分子材料的分類、特點及基本條件，概述了醫(yī)用高分子材料的研究現(xiàn)狀及其用途，并淺談了醫(yī)用高分子材料的發(fā)展及展望。
關(guān)鍵詞：生物醫(yī)用高分子材料，應用，展望
生物材料也稱為生物醫(yī)學材料,是指以醫(yī)療為目的,用于與生物組織接觸以形成功能的無生命的材料。主要包括生物醫(yī)用高分子材料、生物醫(yī)用陶瓷材料、生物醫(yī)用金屬材料和生物醫(yī)用復合材料等。研究領域涉及材料學、化學、醫(yī)學、生命科學，生物醫(yī)用高分子材料是一門介于現(xiàn)代醫(yī)學和高分子科學之間的新興學科。它涉及到物理學、化學、生物化學、病理學、血液學等多種邊緣學科。目前醫(yī)用高分子材料的應用已遍及整個醫(yī)學領域(如:人工器官、外科修復、理療康復、診斷治療等)。
由于醫(yī)用高分子材料可以通過組成和結(jié)構(gòu)的控制而使材料具有不同的物理和化學性質(zhì),以滿足不同的需求,耐生物老化,作為長期植入材料具有良好的生物穩(wěn)定性和物理、機械性能,易加工成型,原料易得,便于消毒滅菌,因此受到人們普遍關(guān)注,已成為生物材料中用途最廣、用量最大的品種,近年來發(fā)展需求量增長十分迅速。醫(yī)用高分子材料的研究目前仍然處于經(jīng)驗和半經(jīng)驗階段,還沒有能夠建立在分子設計的基礎上,以材料的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系,材料的化學組成、表面性質(zhì)和生命體組織的相容性之間的關(guān)系為依據(jù)來研究開發(fā)新材料。目前全世界應用的有90多個品種,西方國家消耗的醫(yī)用高分子材料每年以10%~20%的速度增長。隨著人民生活水平的提高和對生命質(zhì)量的追求,我國對醫(yī)用高分子材料的需求也會不斷增加。
1 醫(yī)用高分子材料的特點及基本條件
醫(yī)用高分子材料需長期與人體體表、血液、體液接觸,有的甚至要求永久性植入體內(nèi)。因此,這類材料必須具有優(yōu)良的生物體替代性(力學性能、功能性)和生物相容性。
a·生物功能性:因各種醫(yī)用高分子材料的用途而異,如:作為緩釋藥物時,藥物的緩釋性能就是其生物功能性。
b·生物相容性:醫(yī)用高分子材料的生物相容性包括2個方面:一是材料反應,主要包括材料在生物環(huán)境中被腐蝕、吸收、降解、磨損和失效等;二是宿主反應,包括局部和全身反應,如炎癥、細胞毒性、凝血、過敏、致畸和免疫反應等。 c·可加工性:能夠成型、消毒(紫外滅菌、高壓煮沸、環(huán)氧乙烷氣體消毒、酒精消毒等)。
在物理性能、化學性能實驗、型式檢驗、動物實驗、臨床實驗等不同階段的試驗,材料市場化需要經(jīng)國家和地方食品藥品監(jiān)督管理局的批準,且報批程序復雜、費用高,所以醫(yī)用高分子材料的研發(fā)成本高、風險大。
2 醫(yī)用高分子材料的主要類別
生物醫(yī)用高分子材料主要有天然生物材料和合成高分子材料。
2.1 天然生物材料
天然生物材料是指從自然界現(xiàn)有的動、植物體中提取的天然活性高分子,如從各種甲殼類、昆蟲類動物體中提取的甲殼質(zhì)殼聚糖纖維,從海藻植物中提取的海藻酸鹽,從桑蠶體內(nèi)分泌的蠶絲經(jīng)再生制得的絲素纖維與絲素膜,以及由牛屈肌腱重新組構(gòu)而成的骨膠原纖維等。這些纖維都具有很高的生物功能和很好的生物適應性,在保護傷口、加速創(chuàng)面愈合方面具有強大的優(yōu)勢,已引起國內(nèi)外醫(yī)務界廣泛的關(guān)注。
據(jù)日本、美國的多項專利介紹,由殼聚糖纖維制得的手術(shù)縫合線既能滿足手術(shù)操作時對強度和柔軟性的要求,同時還具有消炎止痛、促進傷口愈合、能被人體吸收的功效,是最為理想的手術(shù)縫合線;殼聚糖纖維制造的人造皮膚,通過血清蛋白質(zhì)對甲殼素微細纖維進行處理,可提高對創(chuàng)面浸出的血清蛋白質(zhì)的吸附性,有利于創(chuàng)口愈合,在各類人造皮膚中其綜合療效最佳。據(jù)研究報道,已用于酶固定化、細胞培養(yǎng)、創(chuàng)面覆蓋材料和人工皮膚以及藥物緩釋材料等醫(yī)學各領域,尤其各種再生絲素膜在人工皮膚、燒傷感染創(chuàng)面上的應用顯示了獨特的優(yōu)勢,臨床應用價值顯著,前景廣闊。
2.2 合成高分子材料
合成高分子材料因與人體器官組織的天然高分子有著極其相似的化學結(jié)構(gòu)和物理性能，因而可以植入人體，部分或全部取代有關(guān)器官。因此，在現(xiàn)代醫(yī)學領域得到了最為廣泛的應用，成為現(xiàn)代醫(yī)學的重要支柱材料。當前研究主要集中在外科置入件用高分子材料和生物降解及藥物控制釋放材料。
外科置入件用高分子材料耐生物老化,作為長期置入材料具有良好的生物穩(wěn)定性和物理、機械性能，易于加工成型,原料易得，便于消毒,受到人們普遍的關(guān)注,這類材料主要用于生物體軟、硬組織修復體、人工器官、人工血管、接觸鏡、膜材、粘結(jié)劑和空腔制品諸方面。其特點是大多數(shù)不具有生物活性，與組織不易牢固結(jié)合，易導致毒性、過
敏性等反應。不過作為承重的植入件用高分子材料還有許多方面的問題，目前研究主要集中在提高材料的對生物體的安全性；提高組織相容性和血液相容性；改善生物學性能，改善提高力學、機械、物理性能。在生物膜材料方面，屬于線性高分子多糖結(jié)構(gòu)的殼聚糖是甲殼質(zhì)脫乙�；难苌�，無毒、無抗原性，可在生物體內(nèi)自行降解.殼聚糖膜有促進創(chuàng)面愈合的作用，具有良好通透性，且含有游離氨基，能結(jié)合酸分子，是天然多糖中唯一的堿性多糖。因而具有許多特殊的物理化學性質(zhì)和生理功能，在醫(yī)學生物材料上可作為人工腎膜和人造皮膚。
生物降解型醫(yī)用高分子材料的主要成分是聚乳酸、聚乙烯醇及改性的天然多糖和蛋白質(zhì)等，在臨床上主要用于暫時執(zhí)行替換組織和器官的功能，或作藥物緩釋系統(tǒng)和送達載體、可吸收性外科縫線、創(chuàng)傷敷料等。其特點是易降解，降解產(chǎn)物經(jīng)代謝排出體外，對組織生長無影響，目前已成為醫(yī)用高分子材料發(fā)展的方向。
高分子藥物控制釋放體系不僅能提高藥效，簡化給藥方式，大大降低了藥物的毒副作用，而且納米靶向控制釋放體系使藥物在預定的部位，按設計的劑量，在需要的時間范圍內(nèi)以一定的速度在體內(nèi)緩慢釋放，而達到治療某種疾病或調(diào)
節(jié)生育的目的，比如高分子多肽或蛋白藥物控制釋放體系新的研究進展，為那些口服無效的多肽或蛋白藥物的臨床應用，展示了令人鼓舞的前景。
3 醫(yī)用高分子材料的幾個典型應用
3.1 人工組織
在各種人工骨、人工關(guān)節(jié)、牙根等方面，醫(yī)藥高分子材料是醫(yī)學臨床上應用量很大的一類產(chǎn)品,涉及醫(yī)學臨床的骨科、頜面外科、口腔科、顱腦外科和整形外科等多個�？�,往往要求具有與替代組織類似的機械性能,同時能夠與周圍組織結(jié)合在一起。最常用的是超高分子量聚乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯等非降解材料，而聚乳酸（PLA）、殼聚糖和聚酸酐等可生物降解材料也得到了廣泛研究和應用。
傳統(tǒng)的金屬－超高分子量聚乙烯（UHMWPE）廣泛應用于人工髖關(guān)節(jié)領域，
Harris等的研究證明，采用電離輻射或γ射線輻射，劑量達到50kGy時就能增加PE的交聯(lián)度、提高PE的抗磨損。目前，高交聯(lián)UHMWPE已作為最有希望的減少PE磨損及其后續(xù)骨溶解的措施，獲得了臨床的廣泛應用。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）即通常所指的普通骨水泥，最常用于人工關(guān)節(jié)置換術(shù)中填充骨和假體之間的縫隙，可使人工假體機械嵌插負重面積增加，負重能力增強。黃平等，研究表明，骨水泥病灶充填治療骨盆四肢轉(zhuǎn)移性骨腫瘤能提高生存時間，改善生活質(zhì)量。
常用作骨科材料的可降解吸收高分子材料主要有聚乳酸、甲殼素等，而抗生素－聚酸酐緩釋劑也已得到了深入的研究。聚乳酸（PLA）屬于聚酯類材料，不僅具有良好的生物相容性，還具有適宜的生物降解特性、優(yōu)良的力學性能和可加工性，在實驗及臨床應用中表現(xiàn)出良好的骨修復作用，由 PLA制作的螺釘、髓內(nèi)棒、針、膜已商業(yè)化。聚酸酐是20世紀80年代初美國麻省理工學院Langer等發(fā)現(xiàn)的一類新型可生物降解的合成高分子材料，現(xiàn)已廣泛用于化療劑、抗生素藥物、多肽和蛋白制劑（如胰島素、生長因子）、多糖（如肝素）等藥物的控釋研究。慶大霉素等抗生素與聚酸酐組成的緩釋給藥系統(tǒng)應用于骨髓炎的治療也已取得初步成功。對于聚酸酐釋藥模型、劑型工藝和質(zhì)量標準的研究將是未來的重點之一。
3.2 人工臟器
隨著科學的發(fā)展，由高分子材料制成的人工臟器正在從體外使用型向內(nèi)植型發(fā)展，為滿足醫(yī)用功能性、生物相容性的要求，把酶和生物細胞固定在合成高分子材料上，能夠克服合成材料的缺點，從而制成各種臟器滿足醫(yī)學要求。作為軟組織材料的一個重要組成部分的人工器官,其應用前景已為人們所看好。隨著人工臟器性能的不斷完善,其在臨床上的應用必將越來越廣泛。主要有：人工肺、人工腎(透析型、過濾型、吸附型)、人工肝臟、人工心臟、人工食管、人工膀胱等。
美國開發(fā)了“左心室同軸對稱輔助泵”。此設備是氣動的，壓縮空氣使聚氨酯橡膠球式泵腔張合，幫助輸送血液。球囊外包一金屬鈦殼，在鈦殼和球囊與血液接觸的表面按嚴格規(guī)定栽植了聚酯纖維，以有利于生物襯里的生成。通過手術(shù)將此設備安置在左心室頂部(人血口)和主動脈(出血口)之間，壓縮空氣管從胸腔
和腹部引出。膜式人工肺從1955年開始試制。曾用過聚乙烯、醋酸纖維素、聚四氟乙烯等，但對氣體的透過性不夠好。正在研制的富氧膜有硅橡膠(SR)、聚烷基砜(PAS)、硅酮、聚碳酸酯，它們的綜合性能很好。加拿大皮埃爾、莫林等研制的一種人工肺，構(gòu)造比較簡單，沒有電子或機械儀器，是用具有特殊性能的人造海綿制成的。，但要把這種人工肺移植到人體，尚需解決排異反應和凝血等問題。
人工腎血液透析器所用中空纖維的材質(zhì)大多為再生纖維素或纖維素酯，如ENKA Glanzstoff公司的銅胺膜（cuprophane），Cordis DOW公司的醋酸纖維素膜，東華大學開發(fā)的粘膠法纖維素和非水溶劑法纖維素膜。東華大學研制的聚丙烯腈中空纖維腹水超濾濃縮回輸器，已在上海華東醫(yī)院和中山醫(yī)院臨床應用，治療效果明顯，東華大學與上海德圓科技發(fā)展公司合作制成的腹水透析濃縮器及其配套設備，已經(jīng)國家醫(yī)藥管理總局和上海醫(yī)藥局批準生產(chǎn)和應用。
3.3 藥用高分子
目前藥用高分子材料主要以下 3 種用途：（1）藥物制劑和包裝用高分子材料。（2）高分子藥物，包括帶有高分子鏈的藥物和具有藥理活性的高分子；（3）
高分子緩釋藥物載體。與低分子藥物相比,藥高分子材料具有低毒、高效、緩釋、長效、可定點釋放等優(yōu)點。高分子材料制備藥物控制釋放制劑主要有兩個目的:1)為了使藥物以最小的劑量在特定部位產(chǎn)生治療藥效;2)優(yōu)化藥物釋放速率以提高療效,降低毒副作用。
近期研究如：Meyer DE,Chikoti A 等將異丙基丙烯酰胺聚合物( PNIPAM) 用于局部高熱性實質(zhì)性腫瘤靶向給藥, 用于控釋藥物的包衣, PNIPAM聚合物被用于眼藥水的制備, 發(fā)現(xiàn)體外試驗中無細胞毒性,在小鼠實驗中也沒發(fā)現(xiàn)嚴重的神經(jīng)毒性。最近 Krum Kafedjiiski等人合成了殼聚糖- 硫代酰胺鹽, 解決了其他衍生物不夠穩(wěn)定的特點, 雖然在水溶液中的溶脹沒有明顯提高, 但空白
基質(zhì)片中 3h 內(nèi)的累積釋放呈零級動力學。所以說,chitosan- TEA 有望成為各種給藥系統(tǒng)的新型輔料。Carmen Calinesu 等合成了三種不同分子量的CM-HAS, 用于含有生物成分的劑型, 調(diào)節(jié)和保護藥物的釋放。CM- HAS 作為一種新型的藥用輔料可以用于疫苗和生物菌的控釋和靶向給藥。
3.4 其他
一次性高分子用品(注射器、輸血輸液袋等)、高分子繃帶材料(彈性繃帶、高分子代用石膏繃帶、防滑脫繃帶)、醫(yī)用縫合線、護理用高分子材料,如:吸水性樹脂(尿不濕、衛(wèi)生巾、彈性冰、防褥瘡護理材料)等護理和醫(yī)療用具均選用高分子材料制的。常用的材料有：聚氯乙烯(PVC)是常用的制造一次性醫(yī)用導管的材料。聚乳酸酯是第一批被FDA認可的可降解材料,現(xiàn)正開發(fā)用于手術(shù)縫線、骨釘?shù)?有很好的發(fā)展前景。
除上述幾個方面的用途之外,醫(yī)用高分子材料還可用于醫(yī)療診斷(如免疫熒光微球)和生物工程試劑等方面。
總之,醫(yī)用高分子材料在生命科學、醫(yī)療器械、藥物等領域中已得到廣泛而重要的應用,但還有巨大潛力可挖,隨著生命科學的發(fā)展及生物材料的研究,將為人類社會做出更大的貢獻。
4 展望
目前對醫(yī)用高分子材料的研究主要集中在以下幾個方面:
a·提高材料對人體的安全性;
b·提高組織相容性和血液相容性;
c·改善生物學性能;
d·改善、提高力學、機械、物理性能
我國醫(yī)用高分子材料的研究起步較早、發(fā)展較快，但同發(fā)達國家相比,我國的醫(yī)用高分子相關(guān)產(chǎn)業(yè)的規(guī)模以及研究開發(fā)的水平都還有較大的差距。我國加入WTO后醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)將面臨重大挑戰(zhàn)和機遇,所以應在國家的大力支持下,跨部門、跨學科通力合作,通過走自力更生與技術(shù)引進相結(jié)合之路,在生物材料、分子設計、仿生模擬、智能化藥物控施等方面重點投入。
更多醫(yī)用高分子材料的研究將更多地挽救臨危病人,高分子長效緩釋藥物將給人類的健康帶來福音。由于一切生命物質(zhì)的基本單元都是有機分子,而人體就是由多種功能高分子復雜組裝起來的有機結(jié)合體,因此,從分子設計理論的角度來看,由人工合成各種功能的生物醫(yī)用高分子都是可能的,功能高分子具有向一切領域縱深發(fā)展的美妙前景。
篇三：納米材料在生物醫(yī)學中的應用
納米材料在生物醫(yī)學中的應用
【摘 要】納米材料和納米技術(shù)在最近幾年得到了科學界的重視，其在各個領域的應用都越來越廣泛。由于納米材料的特殊的尺寸效應，納米顆粒、納米管以及各種納米技術(shù)在生物醫(yī)學方面的應用正蓬勃發(fā)展，勢頭十足。在這些應用領域發(fā)展的同時，人們也逐漸認識到其中的一些問題，如納米材料的生物毒性等，并逐漸進行研究和改進。
【關(guān)鍵詞】納米材料 納米顆粒 納米管生物 醫(yī)學 生物毒性
納米材料是指尺度在1nm—100nm范圍內(nèi)的材料，常見的有零維納米顆粒和一維納米材料，后者包括納米棒、納米線和納米管等等。納米技術(shù)是指在納米尺度范圍內(nèi)，操縱原子、分子或原子團、分子團，使它們重新排列組合,創(chuàng)造具有特定功能的新物質(zhì)的科學技術(shù)。納米材料的研究和納米技術(shù)在最近幾年得到了廣泛的重視和發(fā)展，并被應用到很多領域。
納米材料自從在微電子和半導體工業(yè)中得到了成功應用之后，現(xiàn)在正逐漸被應用于生物醫(yī)學方面，并取得了良好的效果。納米微粒在性能上與通常所用的宏觀材料完全不同，具有很多特殊性。這些特殊的性能主要是與其特殊的體積所引起，主要表現(xiàn)為表面與界面效應、小尺寸效應和宏觀量子隧道效應等。納米微粒的這些特殊性能使得其在實際應用中具有很多特殊的效果，如比表面積大、表面活性中心多、表面反應活性高、強烈的吸附能力、較高催化能力、低毒性以及不易受體內(nèi)和細胞內(nèi)各種酶降解等。這些特殊的表現(xiàn)，使得其在生物醫(yī)學方面得到廣泛的應用。納米微粒在生物醫(yī)學應用上占據(jù)了很大的地位，但一維納米材料如納米管在一些特殊的生物應用中具有獨特的優(yōu)勢，也開始受到重視。納米管具有較大的內(nèi)部空腔體積，從小分子到蛋白質(zhì)分子等許多化學或生物物質(zhì)都可被填充其中；此外，納米管具有明顯的內(nèi)、外表面和開放的端口，便于進行不同的化學或生物化學修飾改性。下面分別介紹兩者在生物醫(yī)學方面的應用。
1、納米微粒在生物醫(yī)學上的應用
應用于生物體內(nèi)應用的納米材料，它本身既可以是具有生物活性，也可以不具有生物活性，但它在滿足使用需要時還必須易于被生物體接受，而不引起不良反應。目前納米微粒在這方面的應用十分的廣泛，如生物芯片、納米生物探針、
核磁共振成像技術(shù)、細胞分離和染色技術(shù)、作為藥物或基因載體、生物替代納米材料、生物傳感器等很多領域。下面對一些比較成熟的技術(shù)作一些介紹。
1.1 生物芯片
生物芯片是在很小幾何尺度的表面積上，裝配一種或集成多種生物活性，僅用微量生理或生物采樣即可以同時檢測和研究不同的生物細胞、生物分子和DNA的特性以及它們之間的相互作用，從而獲得生命微觀活動的規(guī)律。其主要分為蛋白質(zhì)芯片和基因芯片(即DNA芯片)兩類，具有集成、并行和快速檢測的優(yōu)點，其發(fā)展的最終目標是將樣品制備、生化反應到分析檢測的全過程集成化以獲得所謂的微型全分析系統(tǒng)。納米基因芯片技術(shù)正是利用了大多數(shù)生物分子自身所帶的正或負電荷，將電流加到測試板上使分子迅速運動并集中，通過電子學技術(shù)，分子在納米基因芯片上的結(jié)合速度比傳統(tǒng)方法提高一千倍。與常規(guī)技術(shù)相比，納米基因芯片具有很多優(yōu)點，如微電子技術(shù)使帶電荷的分子運動速度加快，分子雜交的時間僅以分鐘計而非傳統(tǒng)技術(shù)的以小時計；靈活性強，測試基板可安排為各種點陣結(jié)構(gòu)，可同時對一個樣本進行多種測試，分析多種測試結(jié)果；用戶容易按自己的要求建立測試點陣；可現(xiàn)場進行置換擴增，使測試敏感，更有力度等等。生物芯片最典型的應用就是進行分子診斷，用于基因研究和傳染病研究等等。
1.2 納米生物探針
納米探針一種探測單個活細胞的納米傳感器，探頭尺寸僅為納米量級，當它插入活細胞時，可探知會導致腫瘤的早期DNA 損傷。一些高選擇性和高靈敏度的納米傳感器可以用于探測很多細胞化學物質(zhì)，可以監(jiān)控活細胞的蛋白質(zhì)和感興趣的其他生物化學物質(zhì)。還可以探測基因表達和靶細胞的蛋白生成，用于篩選微量藥物，以確定那種藥物能夠最有效地阻止細胞內(nèi)致病蛋白的活動。隨著納米技術(shù)的進步，最終實現(xiàn)評定單個細胞的健康狀況。使用能夠接受激光產(chǎn)生熒光的半導體量子點（一種半導體納米微晶粒），可以改善由于傳統(tǒng)有機熒光物質(zhì)激發(fā)光譜范圍窄、發(fā)射峰寬而且容易脫尾等現(xiàn)象。使用納米生物熒光探針可以快速準確的選擇性標記目標生物分子，靈敏測試細胞內(nèi)的失蹤劑，標記細胞，也可以用于細胞表面的標記研究。此外進行其它改造可以用以檢測很多其他東西，如Cognet等人用10 nm的金顆粒標記膜蛋白用于蛋白質(zhì)的成像檢測，克服了熒光標記的褪色及閃動的缺點，檢測靈敏度高，信號穩(wěn)定。另有人選用葡萄糖包覆超順磁性的
Fe3O4納米粒子，通過葡萄糖表面的酞基化實現(xiàn)與抗體的偶聯(lián)，制得Fe3O4/葡萄糖/抗體磁性納米生物探針，將此探針進行層析實驗，結(jié)果表明，該探針完全適用于快速免疫檢測的需要。
1.3 核磁共振成像技術(shù)
該技術(shù)是現(xiàn)在醫(yī)學中使用較多的一種技術(shù)，其使用的納米微粒主要是納米級的超順磁性氧化鐵粒子。根據(jù)產(chǎn)品的顆粒大小可以分為兩種類型，一類是普通的超順磁性氧化鐵納米粒子，一般直徑在40—400 nm；另一類是超微型超順磁性氧化鐵納米粒子，其最大直徑不超過30 nm。該技術(shù)是因為人體的網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)具有一分豐富的巨噬細胞，這些吞噬細胞是人體細胞免疫系統(tǒng)的組成部分，當超順磁性氧化鐵納米粒子通過靜脈注射進入人體后，與血漿蛋白結(jié)合，并在調(diào)理素作用下被網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)識別，吞噬細胞就會把超順磁性氧化鐵納米粒子作為異物而攝取，從而使超順磁性氧化鐵集中在網(wǎng)狀內(nèi)皮細胞的組織和器官中。吞噬細胞吞噬超順磁性氧化鐵使相應區(qū)域的信號降低，而腫瘤組織因不含正常的吞噬細胞而保持信號不變，從而可以鑒別腫瘤組織。使用納米顆�？梢允沟脵z測出的病灶直徑從使用普通顆粒的1.5cm下降到0.3cm。
1.4 細胞分離和染色技術(shù)
血液中紅細胞的大小為6000—9000 nm，一般細菌的長度為2000—3000 nm，引起人體發(fā)病的病毒尺寸一般為幾十納米，因此納米微粒的尺寸比生物體內(nèi)的細胞和紅細胞小的多，這就為生物學研究提供了一條新的途徑，即利用納米顆粒進行細胞分離和細胞染色等。如研究表明，用SiO2納米顆�？蛇M行細胞分離。在SiO2納米顆粒表面，包覆一層與待分離細胞有較好親和作用的物質(zhì)，這種納米顆�？梢苑稚⒃诤喾N細胞的膠體溶液，通過離心技術(shù)使細胞分離。這種方法有明顯的優(yōu)點和實用價值。使用不同的納米顆粒與抗體的復合體與細胞、某些組織器器官和骨骼系統(tǒng)相結(jié)合，就相當于給組織貼上了標簽，利用顯微技術(shù)可以分辨各種組織，即用納米顆粒進行細胞染色技術(shù)。
1.5 作為藥物或基因載體
傳統(tǒng)的給藥方式主要是口服和注射。但是，新型藥物的開發(fā)，特別是蛋白質(zhì)、核酸等生物藥物，要求有新的載體和藥物輸送技術(shù)，以盡可能降低藥物的副作用，并獲得更好的藥效。粒子的尺寸直接影響藥物輸送系統(tǒng)的有效性。納米結(jié)構(gòu)的藥
物輸送是納米醫(yī)學領域的一個關(guān)鍵技術(shù)，具有提高藥物的生物可利用度、改進藥物的時間控制釋放性能、以及使藥物分子精確定位的潛能。納米結(jié)構(gòu)的藥物輸送系統(tǒng)的優(yōu)勢體現(xiàn)在能夠直接將藥物分子運送到細胞中，而且可以通過健康組織把藥物送到腫瘤等靶組織。如通過制備大于正常健康組織的細胞間隙、小于腫瘤組織內(nèi)孔隙的載藥納米粒子，就可以把治療藥物選擇性地輸送到腫瘤組織中去。當前研究的用于藥物輸送的納米粒子主要包括生物型粒子、合成高分子粒子、硅基粒子、碳基粒子以及金屬粒子等。用納米控釋系統(tǒng)輸送核苷酸有許多優(yōu)越性，如能保護核苷酸，防止降解，有助干核苷酸轉(zhuǎn)染細胞，并可起到定位作用，能夠靶向輸送核苷酸等。還可以對于一些藥材，如中藥加工成由納米級顆粒組成的藥，有助于人體的吸收。
納米微粒在生物醫(yī)學上的應用遠不止上面提到的這些，利用納米微粒技術(shù)制備生物替代納米材料、生物傳感器等也已有很大發(fā)展。如納米人工骨的研究成功，并已進行臨床試驗。功能性納米粒子與生物大分子如多肽、蛋白質(zhì)、核酸共價結(jié)合，在靶向藥物輸運和控制釋放、基因治療、癌癥的早期診斷與治療、生物芯片和生物傳感器等許多方面顯示出誘人的應用前景和理論研究價值。
2、納米管在生物醫(yī)學上的應用
如前面所述，納米管以其特殊的性能，在生物醫(yī)學方面得到較多的研究和應用。目前研究較多的納米管有碳納米管、硅納米管、脂納米管和肽納米管等。這些納米管主要是用于生物分離、生物催化、生物傳感和檢測等生物技術(shù)領域。
2.1 納米管用于生物分離技術(shù)
對納米管的內(nèi)、外表面進行不同修飾后,可用作納米相萃取器，如用其進行手性異構(gòu)分子的分離。由于異構(gòu)體分子之間的理化性質(zhì)差別非常小，因此傳統(tǒng)分離方法的選擇性往往都很低。將抗體通過一定的化學試劑固定在硅納米管的內(nèi)外表面，利用抗體對異構(gòu)體的特異結(jié)合作用，賦予納米管手性識別能力，可以實現(xiàn)對特定手性異構(gòu)體的拆分，該思路使得納米管在手性生物物質(zhì)分離方面的應用前景大為拓展。將用模板法制備的納米管可以留在膜孔內(nèi)可以用于分離。其分離機理之一即是上面提到的對納米管的修飾，另一機理是調(diào)節(jié)納米管的直徑尺寸使之與混合物中相對較小的物質(zhì)分子的尺寸相匹配，實現(xiàn)小分子與大分子物質(zhì)的分
離，即所謂的篩分法。納米管的應用使得對生命體中各種氨基酸、核酸分子的手性研究有了很大的進展。
2.2 納米管用于生物催化技術(shù)
納米管用于生物催化技術(shù)的最主要的一個原因就是其大的比表面積，如含酶納米管可以在生物催化反應器中使用。通過醛基硅烷將葡萄糖氧化酶( GOD)結(jié)合到硅納米管(管徑60 nm) 的內(nèi)外表面，形成的GOD納米管催化劑可催化葡萄糖的氧化反應,且無泄漏。雖然與目前常用的其他共價法固定化酶介質(zhì)(如聚合物、硅膠)相比，納米管固定化酶的活性降低幅度還較大，但納米管的微小尺寸、大比表面(120～700 m2·g - 1 )和優(yōu)良的機械性使其更適合作為催化劑或載體用于生物微反應器。這些納米管可以攜帶酶參加反應，其自身還能起到催化作用，如對于神經(jīng)組織還是骨組織而言，使用碳納米管含量較高的復合材料，均能促進組織再生，同時顯著地抑制對植入設備產(chǎn)生不利影響的膠質(zhì)痕跡和纖維組織的形成。
2.3 納米管用于生物傳感和檢測
納米管生物傳感器是目前納米管生物技術(shù)中研究最為活躍的領域。使用酶修飾電極是生物傳感器的基本構(gòu)件和關(guān)鍵，但實際上在酶的電化學反應中通常需要外加促進劑和電子媒介。研制適宜的電極材料和固定化方法對實現(xiàn)酶的直接電子轉(zhuǎn)移反應和生物活性的維持非常重要。一般用聚合物膜來達到此要求，但由于其穩(wěn)定性較差，制約其應用。相比之下，碳納米管的機械強度高，比表面大，化學穩(wěn)定性高，導電能力強且對環(huán)境和被吸附分子的變化敏感，是生物傳感器中理想的固定化酶介質(zhì)。除此之外，碳納米管還有其它特點，如它可以改善參加反應的生物分子的氧化還原可逆性；降低氧化還原反應中的過電位；還可以直接進行電子傳遞，用于電流型酶傳感器。由于碳納米管具有一定的吸附特性，吸附的氣體分子與碳納米管發(fā)生相互作用，改變其費米能級引起其宏觀電阻發(fā)生較大改變，可以通過檢測其電阻變化來檢測氣體成分，因此碳納米管還可用于制造氣敏傳感器。將碳納米管用作原子力顯微鏡（AFM）的探針是比較理想的，它具有直徑小、長徑比大、化學和機械性能好、剛性極大等優(yōu)點，制的AFM分辨率比普通的高，可用于分子生物學的研究。
納米管還被用作養(yǎng)料或藥物定向釋放工具，還可以對單細胞進行操作，有望在人工器官與組織工程、藥物(基因) 運載、重大疾病的早期診斷、生物醫(yī)學儀
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