生物材料在医学中的应用与发展

生物材料在医学中的应用与发展

[摘要]概述了生物材料发展的三个阶段,包括惰性生物材料阶段(替代修复)、生物材料生物化阶段、组织工程支架材料阶段。对这三个阶段中生物材料的研究状况和发展前景进行了详述，并指出目前组织工程的研究为生物材料提供了极大的发展机会:人们在可降解吸收生物材料研究方面取得了越来越多的成绩,认为天然可降解高分子材料是组织工程用支架材料研究的重点.同时还对现阶段生物材料的制备加工方法以及检测和评价方法进行了简单的介绍。文中指出在材料制备加工方法上, 不仅需要改善既存的技术, 而且适应对生物材料的需要, 必须要开发多种实用方法; 在研究生物材料结构上目前使用的一些检测方法已成为材料结构分析的首要之选; 在生物材料的性能, 特别是生物学性能, 研究方法大多结合了物理、化学、生物学和工程学技术，一些信息技术和工程理论的研究方法也要被引入生物材料的研究方法中。

[关键词] 生物材料; 研究方法; 降解; 生物相容性

前言

生物材料的定义很多,归纳起来可理解为生物材料是一类用于人工器官、修复、理疗康复、诊断、检查、治疗疾病等医疗保健领域,对人体组织、血液不致产生不良影响的功能材料。生物材料的发展已经有非常长的历史,医学水平的提高以及人类生活质量的改善, 也促进了生物材料的发展。

生物材料是用以和生命系统结合,以诊断、治疗或替换机体中的组织、器官或增进其功能的材料。根据其功能,它临床应用一般要加工成与药物一起使用或单独的部件。人们致力于对该类功能材料的研究,旨在使该材料制成的器件能够代替或修复人体病损的组织和器官,并实现其生理功能。

研究生物材料涉及的学科领域很多,如材料、生物、医学、物理、生物化学及一些现代高技术等,相应的研究包括除生物与材料学科的评价方法外,还会有物理、化学及一些工程的研究方法,并且,不同材料具体不同的功能或用途,决定了它具备多种不同的性能,这也反映了对它的研究具有不同的方法,本文按照材料制备、组成结构及性能的关系,必要时结合其具体用途,概述生物材料的一些研究方法,评析其发展状况。

生物材料发展的三个阶段

根据发展水平和产业化状况,可以把生物材料分为三个发展阶段: 一惰性生物材料, 即材料与组织细胞无界面作用;二生物材料的生物化, 即材料与组织细胞亲和性改善, 关注界面间的相互作用; 三组织工程支架材料,不仅关注材料与组织细胞的亲和性,还关注材料本身的成型、力学性能和降解能力。下面分别讨论这三个阶段生物材料的研究状况和发展前景。

1 惰性生物材料

惰性生物材料是指对人体组织化学惰性, 其物理机械和功能特性与组织匹配,使材料在应用过程中不致产生不利于功能发挥和对其它组织影响的反应,特别是与组织接触或短(长)时间不产生炎症或凝血现象, 无急性毒性或刺激反应,

一般无补体激活产生的免疫反应[1]的一类功能材料。这类材料的应用基于对材料本身性能的全面了解,是人类最早、最广泛应用的生物材料。

目前惰性生物材料主要品种有金属材料、非金属材料、有机高分子材料以及复合材料. 金属材料主要集中在不锈钢、钛、金、银等基体金属及钴、镍、银-汞合金; 非金属材料主要有氧化铝、氧化锆、氧化硅、氧化镁、氧化钛、铝酸钙等陶瓷材料;有机高分子材料品种多,应用最为广泛,它有聚乙烯、聚丙烯,聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸羟乙酯、聚氨酯、硅橡胶、天然橡胶、碳纤维、聚砜纤维、聚丙烯中空纤维、吸附树脂等; 复合材料主要有纤维增强聚合物材料或金属-陶瓷复合材料[2]。这些材料可用于人工血管、人工角膜、人工瓣膜、人工心脏及心脏辅助设备、心脏补片、人工晶状体、人工中耳骨、人工食道、喉、乳房、肾、肝、胰、胆道、输尿管、阴茎、皮肤、承力骨、颅骨、关节,以及医疗辅助设备如医用插管、输液管、输血管、手套、避孕套、绷带、止血海绵、组织黏结剂等。

材料表面的钝化也是惰性生物材料的研究内容, 表面钝化的内容是在材料表面覆盖白蛋白,抑制血小板在基材上的沉积,使凝血反应难以发生,或设计类金刚石表面,使材料表面不会引起任何细胞毒素作用、溶血作用和补体激活现象,另外该表面具有机械、热、化学和生理环境下的稳定性优点,可望成为最有发展潜力的惰性生物材料[3]。

随着医学水平的提高以及人们生活质量的改善, 惰性生物材料的应用会向更高层次生物化或组织工程化生物材料过渡。但就目前商品化和普及应用水平看,尤其是医学的目的从治病救人转轨到预防保健过程中,需要大量常用人工器官和生物材料为主体的医疗器械,使惰性生物材料在相当长一段时间内占统治地位是研究开发的重点。

2 生物材料的生物化

随着材料科学、医学的发展, 以及先进仪器设备的发明, 带动了生物材料的发展。集中表现在发现新型生物材料,以及更多关注惰性生物材料所制成的人工器官和医疗器械在使用过程中与组织或血液产生的界面反应。新型生物材料有代表性的成果是20世纪70年代发现的钙磷系玻璃陶瓷, 如羟基磷灰石、B- 磷酸三钙、珊瑚等[4]。这类材料具有与人体骨组织的无机成分有类似的化学组成,材料抗压、抗折强度与人骨接近[5], 植入后与组织亲和性良好,同时有降解作用并诱导成骨细胞(加诱导因子如BMP) 的长入[6],使植入组织骨化, 一段时间后植入组织转化为正常组织等特点,也即材料在使用过程中逐渐生物化。

另一个研究重点是惰性生物材料的生物化：即在不破坏原有材料性能的基础上, 通过表面改性设计使材料在长期使用过程中与细胞亲和性好,不产生炎症、凝血、畸变、甚至癌变等反应。研究的重点是抗凝血材料的设计与制备。抗凝血材料设计思路有以下五点:

(1)在惰性生物材料表面引入活性药物如肝素、尿激酶、前列腺素等或类肝素化[7-10],这种生物化方法的关键是以物理或化学方法引入这些高抗凝血活性物质,材料在使用过程中表面维持一定量的抗凝血活性药物;

( 2)表面接枝亲水性分子链[11-12]，是疏水高分子生物材料生物化的一大内容,主要在表面接枝PEO或甲基丙烯酸羟乙酯等亲水链, 使材料在体液或血液环境中表面完全亲水；