浅析生物材1

浅析生物材料将《生物材料与人体仿生》这样一门专业性极强的学科作为选修课来学习，对于作为文科生的我是十分困难的，当初选这门可也是因为对这方面比较感兴趣，说来汗颜，半个学期下来并没有掌握多少关于这方面的知识，但文科生也有个优势：善于阅读。正是因为要做一份结课作业，我才真正说是了解了一点有关这方面的专业知识，但很显然，我了解的知识并不能形成体系，更别说是能写出一份真正意义上的“论文”，以下是我将大量与生物材料有关的知识总结后写出的一篇小文章。这篇文章主要分为三个部分：生物材料研究有价值的近期新闻回顾、以可降解医用镁为例分析生物材料的应用以及生物材料研究和发展方向。一、关于生物材料研究有价值的近期新闻回顾（1）、2009年6月，由天津大学材料科学与工程学院蔡舒教授等人承担的天津市自然科学基金项目“新型仿生骨”生物材料技术完成实验室阶段研究，并将应用于医疗领域。由新型材料制作的“仿生骨”，相当于在人体中放入了一个框架，“引导”患者自己的骨细胞沿着框架生长，当人体的骨细胞长成后，框架还可以在人体内自然消解。这种具有良好生物活性和强度的生物材料，将成为骨修复和替代的新材料，在修复或替代因外伤、病变等造成的骨组织局部缺损或坏死中，可通过植入生物材料辅助细胞和组织在其上再生。（2）、2009年8月，美国犹他州大学研究人员研发出一种新型医用黏合剂，可以有效修复因车祸等原因造成的粉碎性骨折。研究人员是从一种名叫沙塔虫的海洋生物那里获得启发的。这种生物生活在海洋泥沙和礁石空隙里，能分泌出一种黏液，将沙子或贝壳黏在一起筑成巢穴并使其牢牢固定在礁石上。（3）、2009年8月5日,日本媒体日前报道，日本早稻田大学和日本国防医学院的科学家研制出一种手术用“纳米薄膜”。它的厚度只有75纳米，是玻璃纸的千分之一。其可用于修补体内伤口，可在体内自行降解。研究人员称，这是世界上最薄的医用胶布。外科医生通常用缝合或钉合的方法处理伤口，有时他们也会采用覆盖纤维蛋白的医用薄膜，虽然纤维蛋白能使血液凝结，对伤口起到粘合作用，但它常发生与附近组织不必要的粘连。而这种透明的新型黏性薄膜采用一种从螃蟹壳中提取的物质和一种海藻胶质制成，具有极高的柔韧性，能在不用粘合剂的情况下黏附在器官之上，避免发生不必要的组织粘连。（4）、2009年7月23日，在武汉召开的国家自然科学基金委化学科学部“十二五”分析化学学科发展战略研讨会上，中科院院士姚守拙提出，要警惕纳米材料对人体和环境的毒性作用，并建议尽早在国内开展关于纳米毒性的系统性研究。（5）、2010年3月8日加拿大不列颠哥伦比亚大学的研究人员应用人工蛋白质成功研制出一种新型固态生物材料，这种材料可以非常逼真地模拟肌肉的弹性性质。该项成果标志着加拿大科学家在使用人工蛋白质构造固态生物材料方面找到了一条全新的途径，在材料科学和人体组织工程上极具应用前景。相关文章发表在5月6日出版的《自然》杂志上。二、以可降解医用镁为例分析生物材料的应用(一)、镁作为生物材料的优点Mg是一种非常轻的金属，它的密度是1.74g/cm3，在所有的金属结构材料中密度最小，与人体骨的密度接近。镁的断裂韧性比陶瓷生物材料羟基磷灰石要高，而其弹性模量和抗压屈服强度比其它金属植入材料更接近人体骨，是与骨具有最好的生物力学相容性的金属材料。Mg作为人体必需的营养元素，其含量仅次于Ca，K，Na排第四，人体质量每1kg就含有0.5g的Mg。镁在人体内有特定的分布区域，其中大约55%在骨骼中，约25%在肌肉中，约0.8%在细胞外液中，约0.3%在血浆中。在血浆中的浓度是0.5～1mmol/L，其中65%作为自由的镁离子存在，约15%以碳酸盐，磷酸盐，柠檬酸盐及草酸盐等形式存在，约20%是蛋白质，主要以与白蛋白结合的状态存在。细胞内，镁是除了Ca以外第二多的阳离子，其浓度是5～20mmol/L。细胞内所含Mg的80%～90%与腺苷三磷酸(ATP)结合存在，ATP浓度较高的线粒体内的镁浓度比细胞质中的浓度更高。细胞质内的自由镁离子的浓度为0.3～0.6mmol/L［3－5］。Mg的生理功能主要包括:①作为与能量代谢相关的酶的辅助因子来发挥作用;②作为Ca的阻抗剂，抑制在细胞内的Ca的堆积;③与骨骼代谢相关。如果发生了Mg的代谢失常就会产生高血压，动脉硬化，心律不齐等血压循环系统的疾病，以及癫痫等神经系统疾病。Mg的缺乏，会导致神经过敏症，战栗、抑郁症、妄想、不感、兴奋、错乱等神经精神障碍以及心律不齐、频脉、心室性悸动等血液循环系统的障碍;另一方面，如果Mg过量，将会产生恶心、呕吐、肌肉力量低下、血液低下等状况。血清中的Mg浓度如果达到2.5mmol/L左右，深部肌腱反射现象就会减弱或者消失，2.5～4mmol/L时就会产生呼吸麻痹，更高的浓度会导致心脏停止跳动。通常食物中所含的镁30%～50%由肠胃吸收。另外，肾脏是Mg代谢调节的中心，血浆中的自由Mg离子和Mg盐每天由肾小球进行过滤，其95%～98%由肾小管进行再吸收。由于肾小管的再吸收将影响到血浆中Mg的浓度，如果从肠胃吸收的Mg的吸收量增加，则肾小管的再吸收量就会减少，排泄量增加，使得血浆中的Mg浓度保持一定。因此，采用镁合金作为医用可降解生物材料具有良好的医学安全性。（二）、镁合金在生物植入材料领域的近期研究进展上世纪八、九十年代，人体可吸收性生物材料聚乳酸(PLLA，poly-L-lacticacid)的应用研究非常盛行。这些人体吸收性植入材料现今也在被使用，但是因为强度不够而应用受限。同时因为比现行的金属植入材料更厚，用于狭窄患处时的传输性和美观性都存在问题，因此，对于具有体内可降解性的金属植入材料的需求越来越大。在2001年，有纯铁的支架被植入兔子血管中的实验报告。并且进行了迷你猪的动脉植入实验。但由于氧化铁的腐蚀产物在植入支架周围形成，观测到小噬细胞等炎症性细胞的产生;同时，埋入18个月后支架依然残存，分解速度过慢。因此，进入本世纪之后，降解更快的镁合金在可降解医用植入材料领域重新得到了越来越多的关注。目前，镁合金作为可降解生物材料研究领域进展最大的是在可吸收镁合金心血管支架方面。镁合金支架在植入初期可对病变血管产生支撑作用，防止病变血管发生负性重构。随着病变血管周围环境的改善及血管结构重塑的完成，血管壁内的镁合金支架可缓慢腐蚀，直至完全降解，从而可以避免在植入后期，支架对血管壁的刺激而导致的内膜增生及再狭窄发生。镁合金支架的降解性能除对普通心血管病人具有良好的治疗效果外，对患有先天性心血管疾病的婴儿、青少年等尤其具有重要的治疗意义(因未成年人血管尺寸不断随年龄而增大，不同时期需安放不同尺寸的支架，传统不可降解金属支架一旦植入很难取出更换)。世界上第一个镁合金支架是由德国Biotronik公司采用激光雕刻技术对WE43(Mg-4%Y-3%RE，质量分数)镁合金管进行加工而成。目前已从动物实验阶段进展到人体临床实验阶段。动物实验中将镁合金支架和316L不锈钢支架植入正常的猪冠状动脉内，植入28d后发生了内皮化，镁合金支架新生的内膜厚度比316L不锈钢薄，同时，血管内腔的截面积比316L不锈钢更大，表现出比不锈钢支架更好的特性，如图3所示［15］。在临床试验中，采用该镁合金支架对20例下肢严重缺血的病人进行了植入治疗，支架直径为2mm，长度为10mm或15mm。（三）、总结与展望镁合金材料与其他金属材料相比不仅具有相似的韧性，而且其可降解的特性可避免二次手术给病人带来的痛苦，同时作为金属材料，更易加工和灭菌。因此，镁合金作为可降解生物材料具有巨大的应用潜力，目前可降解生物镁合金已被誉为“革命性的金属生物材料”而受到广大医疗工作者和生物材料研究者的高度瞩目。镁合金最终能否成为医用生物材料并应用于临床，材料的安全性、足够的力学性能和降解速率的可控性是必须满足的3个基本条件。一些新开发的医用镁合金，由于其中加入了其它元素，这些元素将对人体产生怎样的影响，仍然需要进行大量的研究;另一方面，镁合金生物植入材料在人体内的降解速度要与组织新生或愈合的速度严格匹配，这就要求我们继续深入研究镁合金在人体不同部位降解的机理和控制方法。镁合金在医疗领域应用的研究再次启动之后只经历了不长的时间，在人体内的安全性和分解特性数据几乎没有。因此，为了实现镁合金在医疗领域的应用，建立以生物体内外实验为基础的数据收集和评价方法也应成为生物镁合金材料研发过程中不可忽视的一个重要方面。三、生物材料研究和发展方向新形式下生物材料科学的研究方向,生物相容性是生物医学材料科学的核心。新一代生物材料的设计与合成是生物医学材料研究追求的目标,纳米生物材料及软纳米技术是生物材料的前沿与热点,先进的翻造方法学是生物材料科学的一个重点,表面和表面工程是现阶段发展新一代生物医学材料的主要途径。生产企业代表的经验是:生物材料和产品发展迅速,产品更新换代周期短,因而需要强大的研发能力和技术支撑,与研发力量强的国家工程中心、高等院校、科研院所相结合,建立企业的创新中心是有效的途径,另外国家政策对生物材料和制品产业的发展有极大的影响,特别是进口产品与国产品在政策上的一致性,希望与国外企业能在公平的基础上进行市场竞争,希望政府能出台保护民族产业的国家相关措施。临床医生提出:研发产品要紧扣临床需求,以市场为向导,进行科技持续创新,只要国内产品质量提升、性能稳定、价格合理,临床医生会大量使用国内产品,会大力支持本土企业。