生物材料生物活性玻璃和弹性复合材料高分子化学论文

生物材料用于骨组织工程的进展和挑战：生物活性玻璃和弹性复合材料

作者：Qizhi Chen1*, Chenghao Zhu1 and George A Thouas2摘要：随着骨损伤和相关疾病所带来的经济负担的不断增长，在组织工程领域中，最活跃的研究范围是生物材料在骨修复领域方面的发展。这篇文章提供了一种最近提出的有关具有生物活性的生物材料用于骨头再生的最新发展。特别要注意的是有关近年来有关含熔融Na的生物活性玻璃和硼酸盐系列的生物活性玻璃的发展，那些掺杂微量元素（如铜，锌，锶），和新颖的弹性复合材料。虽然生物活性玻璃对于骨组织工程已经不是什么新材料，但是它们可调谐的机械性能，以及生物降解率和支持骨和血管再生的能力就和原始的干细胞分化而来的造骨细胞一样优越于其他生物陶瓷。最近有关硼酸盐生物活性玻璃和掺杂有元素兴奋剂的生物活性玻璃的发展进程已经扩展了生物活性玻璃范围。虽然硼等微量元素产生了对骨重塑和相关血管生成的有利影响，但是它所造成毒性的高风险在设计新的合成生物活性材料时必须高度重视，以至于在释放这些因素时必须做到令人满意地低于他们的生物安全水平。弹性复合材料优于更常用的具有热塑性的基质复合材料，由于弹性体明确的弹性性能被认为是理想的替代胶原，所以成为骨组织中的关键的弹性蛋白。人造的骨基质是由弹性复合材料制成，因此，可以为在动态环境中受损的骨头提供具有机械完整性和灵活性的骨基质。

关键词：生物陶瓷，弹性体，复合材料，机械性能，降解

介绍

组织工程学是“应用工程学和生命科学的方法来获得一个基本结构正常的哺乳动物组织,并开发生物替代品来恢复、维持或改善组织功能”。一个常见的方法是：获得一个体外的扩展活组织并为生物材料支架提供适当的支撑结构。它允许外科医生来操纵当地组织环境, 在重建手术中提供更多的生理替代方法。首先是生物相容性的衬底材料。这个材料必须不引起炎症。如所有的材料接触人类身体组织，脚手架必须容易灭菌来防止感染。这特别适用于散装可降解的支架,无论表面还是散装材料必须消毒。此外, 在处理期间，脚手架的机械性能必须是不破坏病人的正常活动。因此，进一步要求脚手架,尤其是在骨工程,具有一个可控连通孔隙度,可以直接让细胞长成一个支持vascularisation的物理结构。一个典型的孔隙度为90%，以及孔隙直径至少有100μm的血管化组织，可靠地生成呈网状结构。材料用于骨组织工程的生物材料包括以下几点:(1)天然或合成聚合物。如蛋白质、热塑性塑料,水凝胶,热塑性弹性体和化学交联弹性体 (2)生物活性陶瓷如钙磷酸盐和生物活性眼镜或玻璃陶瓷(3)高分子复合材料和陶瓷 (4)金属材料制成钛和镁合金。从材料科学的角度来看,骨是一个自然复合的无机磷酸钙和生物聚合物，包括胶原蛋白,它是沉积的骨细胞。复合系统聚合物和陶瓷显然是以选择性的骨组织工程为代表，使用这些材料研究全球。目前可生物降解的热塑性聚合物和生物活性陶瓷,包括制造复合支架的微观结构和力学性能,方法的体外和体内

评价。在过去的10年里,Nacontaining的新工艺生物活性玻璃针对健康的骨骼生长或血管化进行开发研究。与此同时，在组织工程领域,可降解弹性聚合物已经得到了越来越多的注意。主要因为内在结构弹性的生物组织已经证明了复合支架由生物陶瓷和化学交联弹性体这两个有益方面的生物相容性。本文旨在提供一个更新的进展生物材料开发的骨组织工程,集中在生物活性眼镜和弹性复合材料中显示并推进骨组织工程的潜力。生物降解和表面易受侵蚀的热塑性聚合物基于他们的机械性能、高分子生物材料可分为弹性体和非弹性的热塑性塑料。可生物降解的热塑性塑料。综合讨论这些聚合物及其物理性质，详细提供了使用最广泛的由生物可降解聚合物合成的3 d支架饱和脂肪族聚酯,通常poly-α-hydroxy酯包括聚乳酸(PLA)、聚羟基乙酸(PGA)，聚己内酯。这些聚合物允许通过deesterification水解降解。一旦退化,乳酸和乙醇酸单体通过组织代谢。可降解缝合线和骨骼内部固定设备,已经通过了美国食品和药品管理局。然而,突然释放这些酸性降解产物可以引起强烈发炎反应。

生物活性玻璃和钙磷酸盐，这个可能抵消这种酸性降解的物质是另一个提出使用复合材料的重要原因。其他性能的热塑性塑料由它们优秀的加工性能来生成一个宽范围的降解率。通过使用不同的分子重量和化学计量比。在过去的10年里,越来越多的研究小组的工作在生物可降解生物材料的发展上开展弹性骨组织工程的应用程序。有一个疏水性聚合物,接受一个异构水解过程,主要是仅限于聚合物水界面。此属性称为表面侵蚀。三个代表表面易受侵蚀的聚合物：聚兰格、芥酸二聚酸酐和聚磷腈。这些表面聚合物一直作为药品。当用作脚手架材料时，表面侵蚀特征提供了三个关键的优势:(1)保留机械完整性,维护质量的体积比,(2)最小的毒性作用,由于低溶解度和浓度的降解产物(3)显著增强的骨长入到多孔支架。可生物降解的热塑性橡胶合成弹性体可以分为两类:热塑性弹性体和交联弹性体,交联弹性体是一个在共价键中创建硫化的过程,交联在热塑性弹性体中是一个较弱的偶极子或氢键。线性热塑性弹性体通常包括:氢键硬段和无定形软段,氢键硬段提供机械强度和刚度,而软段提供的是灵活性。

基于热塑性复合材料，从生物学的角度来看,结合聚合物和陶瓷制造支架这是一个自然的策略。骨组织工程,因为从结构上讲,本质上是一种天然的结合聚合物和生物磷灰石。从材料科学看来,一个单一的材料类型并不总是提供必要的机械或和具有化学特性的应用程序。在这些情况下,结合两种材料优势的复合材料设计可能是最合适的。

结论

理想的组织工程化——骨替代应该是一种材料,允许骨进行改造,这目标尚未实现。设计一个支架,它是需要权衡利弊的。在生物活性陶瓷中，生物活性玻璃提供大量的优势。在生物的监管下，硅的角色是骨生成和解决潜在困境。最近的进展是用硼酸来发展生物活性眼镜和跟踪元素掺杂生物活性玻璃，扩大生物活性玻璃的剧目。尽管硼化物和其他微量元素有益于骨重建和相关的血管生成,高水平的毒性风险必须高度重视,所以释放这些元素必须被令人满意地低于他们的生物安全水平。两个主要的散装降解和表面易受侵蚀的聚合物,散装降解类型是比表面腐蚀更有前途的集团,被替换成了新的骨组织是其中最重要的一个理想脚手架材料。正如前面所讨论的。交联合成弹性体(尤其是聚酯弹性体)是最具吸引力的，在组织工程的矩阵，作为替代胶原蛋白。这是因为他们是弹性和最佳匹配的弹性生物组织。其次,他们能够提供机械稳定性和结构完整性，使组织和器官不引起灾难性的机械植入失败。第三,聚酯弹性体允许紧密控制结构和力学性能,适合各种不同应用程序。最后,最重要的是,聚酯弹性体,其中大部分可以安全地击穿通过自然水解的代谢产物,来匹配愈合受伤的骨组织,而这很难通过电流热塑性塑料和热塑性橡胶。然而,在骨组织工程支架未来的研究中，为建立最合适的陶瓷或矿物填料材料和加工条件，弹性体可能提供许多潜在的途径。

2010级化学一班倪扬扬

学号：201006010053