生物材料综述

材料的生物相容性

摘要随着生物材料需求的不断扩大以及研究的不断深入，对生物材料相容性的要求被不断提高。而如何提高材料的生物相容性的关键在于是否能够深入的把握材料与细胞之间的相互作用，基于此的研究也成为近年来生物材料领域研究的热点。于此同时关于材料生物相容性的评价方法虽然已经形成较为完整的体系，但就某些细节还有待进一步的完善。在前两者的基础上尝试对现有的生物材料进行改性或者设计合成新的生物材料，并最终达到提高材料生物相容性的目的。

关键词生物材料；生物相容性；相互作用；评价方法；表面修饰

引言

自1969年在克莱姆森大学举办的第一次关于生物材料的会议以来，生物材料领域得到了广泛的关注，与其相关的研究也呈现几何式增长。生物材料是用于取代、修复活组织的天然的或人造的材料，它被应用于人的不同部位包括血管、心脏、关节、耳朵、肾脏以及其他器官，关于其的研究、制造、应用大大的提高了人们的生活质量和寿命。生物材料的设计和选择通常需要综合考虑材料的机械性能、生物相容性、耐腐蚀和磨损性以及骨结合性能[1]。本篇综述介绍有关生物材料相容性方面的内容，主要包括以下几部分的内容：a) 生物材料与组织细胞及生物分子之间的相互作用；b）生物相容性的评价方法；c）提高材料生物相容性的常用方法。

相容性是指两种或两种以上的体系共存时互相之间的影响。如果这些体系在共存时互不影响、互不损伤、互不破坏，就可以说这些体系间有完全的相容性。生物相容性是指任何一种外源性物质，包括天然材料、治疗用的外源性细胞、植入的器官、人工材料的植入体或纳米粒子，为治疗目的植入或通过某种方式进入生物体并与生物组织共存时，对生物体和生物组织造成损伤，或引起生物体、生物组织发生反应的能力和性质[2]。其通常包括细胞相容性、血液相容性和组织相容性三个方面。一种材料是否可以用作生物材料的重要度量便是材料的生物相容性，因此如何评价材料的生物相容性以及提高材料的生物相容性的问题成了生物材料领域研究的热点。

1 生物材料与细胞及生物分子相互作用

生物相容性的本质其实是生物材料与体内细胞以及分子之间相互作用的结果，因此为了充分理解材料的生物相容性必须对这种相互作用有更深的了解。同时随着生物材料设计理念的不断革新，从分子水平上控制生物材料与细胞间的相互作用成为第三代生物材料设计的核心概念[3]，这种概念的提出将极大的拓宽生物材料的范围并推动生物材料设计工程化的进一步实现，而这些同样需要对材料

与细胞及分子的相互作用有着深刻的认识。

生物材料植入体内后常常会发生腐蚀或者磨损进而使材料表面的性质(例如电荷分布、微观拓扑结构、亲水性以及化学组成等)发生改变，这种改变无疑将会造成生物材料与细胞及生物分子的相互作用发生改变，同时释放的有机或者无机分子进入内环境后也会引起一系列的交换作用并将影响材料的生物相容性。而上述的相互作用往往发生在纳米尺度上，因此下面将从纳米尺度上简要介绍这些交互作用。

Andre e. nel等人对这种复杂的相互作用有详细的描述[4]。当纳米粒子与细胞被分散在同一介质中，整个体系存在着三种交互作用界面:a)纳米粒子表面，其特性往往由本身的物理化学组成所决定；b)固-液界面，该种界面会由于纳米粒子与周围介质的相互作用而不断发生改变；c) 固-液界面与细胞之间的接触区域（如图1所示）。在上述三种界面上存在着复杂的作用力，尽管经典作用力如静电力、范德华力、耗散力等的基本作用规律仍然适用，但是在纳米尺度下需要考虑粒子表面原子的排布。复杂性的另一点体现在由于细胞膜的非刚性而导致作用界面始终处于动态变化之中，这种动态变化往往受介质的温度、PH等因素的影响。同时还需要考虑到细胞的生命活动如离子的选择性运输、蛋白质的分泌等对交互作用产生的影响。这些因素的存在将会严重阻碍对于纳米粒子和生物材料之间作用力的研究，但是随着诸如原子力显微镜（AFM）、扫描显微镜（SEM）、透射显微镜（TEM）、X射线衍射等表针技术的建立和发展，使得对这些复杂相互作用的研究成为可能。

图1 纳米粒子与细胞及分子的作用界面

这些复杂作用对于生物相容性影响可以从一些特殊的交互作用结果中显现出来，一种常见的纳米粒子与蛋白质分子之间的相互作用而形成的蛋白冠便是其中典型的实例。当纳米颗粒进入内环境中通常通过静电、疏水作用、氢键以及特定化学作用等与蛋白分子发生相互作用，并在较短的时间内吸附蛋白形成纳米颗粒—蛋白冠，这种相互作用与纳米颗粒本身的物理化学性质密切相关。该种复合物的产生的生物效应包括[5]：a)对蛋白知分子结构和功能的影响，这种影响可以通过对纳米粒子的化学修饰进行调控；b)对细胞摄取纳米颗粒的影响，由于摄取机理随纳米颗粒的种类、纳米粒子的表面性质、细胞种类等的不同而有所差异，具体的影响状况还需要进一步研究；c)对纳米颗粒毒性的影响，于此相关的研究也充分证明了这一点[6]。关于上述的生物效应的进一步研究在对于提高材料的生物相容性方面有着重要的价值。

2 生物相容性评价方法

关于生物相容性的评价方法从20世纪后期开始经过十几年的国际间协同研究，目前已经形成了比较完整的生物学评价框架。国际标准化组织(ISO)以10993编号发布了17个相关标准，同时对生物学的评价方法也进行了标准化，其中主要包括：10993-3遗传毒性、致癌性与生殖毒性实验；10993-4与血液相互作用实验选择；10993-5细胞毒性实验(体外法)；10993-6植入后局部反应实验；10993-10刺激与致敏实验；10993-11全身毒性实验[7]。具体的实验方法包括：细胞毒性实验、血液相容性实验、遗传毒性和致癌实验、显性致死实验、植入实验(皮下植入实验、骨内植入实验)、过敏实验等[8]。

2.1 细胞毒性实验

细胞毒性试验是生物材料细胞生物相容性评价最常用的方法，细胞毒性评价方法种类繁多，GB/T16886 标准中按照材料与细胞的接触方式，分为浸提液法（主要是MTT试验法）、直接接触法、分子滤过法和琼脂覆盖法。

MTT（四甲基偶氮唑盐）试验是一种检测细胞生长、存活情况的方法，主要原理是活细胞中的线粒体琥珀酸脱氢酶将MTT分子还原，产生紫色结晶物，DMSO溶解紫色结晶，比色测定吸光值，呈现材料的浸渍液对细胞数量及活性的影响。在一定细胞数范围内，MTT结晶形成的量与细胞数目及活性成正比[9]。该方法可以快速、准确、灵敏地反映出细胞增殖程度和材料对细胞造成的损害程度。近年来MTT法已经在实验中得到广泛的应用，如严晓东等人利用MTT法对采用激光立体成型方法制备的钛锆合金进行细胞毒性实验，结果显示该试件具有良好的细胞生物相容性[10]；黄涛等人将生物珊瑚人工骨材料与小鼠的胚胎干细胞混合体外培养并利用MTT法对细胞的增殖活性进行检测[11]。

分子滤过法是通过评价生物材料对单层细胞琥珀酸脱氢酶活性的影响来检