生物材料

1生物材料的发展、应用与展望摘要：本文介绍了生物材料的发展历程与国内外目前的研究现状。具体介绍了生物材料的分类方法及相关应用。并结合国内外生物材料的研究现状，提出了生物材料的发展方向和趋势。关键词：生物材料；分类；应用；综述1.生物材料及其发展历程生物材料一般是指生物医学材料，在不同的历史时期，生物材料被赋予了不同的意义，其定义是随着生命科学和材料科学的不断发展而演变的。但是，他们都有一些共同的特征。即生物医学材料是一类人工或天然的材料，可以单独或与药物一起制成部件、器件用于组织或器官的治疗、增强或替代，并在有效使用期内不会对宿主引起急性或慢性危害，也有人认为它是一类特殊的功能材料，利用它可以对有机体进行修复、替代与再生。生物医学材料研究的最终目的是用其能够代替或修复人体器官和组织，并实现其生理功能。由于生命现象是极其复杂的，是在几百万年的进化过程中适应生存需要的结果。生命具有一定的生长、再生和修复精确调控能力。这是目前所有人工器官和材料所无法比拟的。因此，目前的生物医学材料与人们的真正期望和要求相差甚远，常常出现各种各样的问题和失败。长期以来，人们一直希望致力于研究能够使损伤、病变组织或器官完美重现和再生的材料和装置。19世纪80年代以来，一类新的、具有激发促进人体组织自身修复和再生作用的第三代生物活性复合材料研究开始兴起。这类生物活性复合材料能够激发、主动诱导人体组织的自身修复、再生能力，从而达到使病变组织、器官最终完全或主要是由再生的自身天然健康组织或器官所取代，成为生物医学材料未来发展最具有活力的方向之一。人类利用生物材料的历史与人类历史一样漫长。自从有了人类，人们就不断地与各种疾病作斗争，生物医学材料是人类同疾病作斗争的有效工具之一。有的学者依据生物医学材料的发展历史及材料本身的特点，将已有的材料分为三代，它们各自都有自己明显的特点和发展时期，代表了生物医学材料发展的不同水平。20世纪初第一次世界大战以前所使用的医用材料可归于第一代生物医学材料，代表材料有石膏、各种金属、橡胶以及棉花等物品，这一代的材料大都被现代医学所淘汰。第二代生物材料的发展是建立在医学、材料科学(尤其是高分子材料学)、生物化学、物理学及大型物理测试技术发展的基础之上的。研究工作者也多由材料学家或主要由材料学家(与医生合作)来承担。代表材料有羟基磷灰石、磷酸三钙、聚羟基乙酸、聚甲基丙烯酸羟乙基酯、胶原、多肽、纤维蛋白等。这类材料与第一代生物材料一样，研究的思路仍然是努力改善材料本身的力学、生化性能，以使其能够在生理环境下有长期的替代、模拟生物组织的功能。第三代生物材料是一类具有促进人体自身修复和再生作用的生物医学复合材料，它以对生物体内各种细胞组织、生长因子、生长抑素及生长机制等结构和性能的了解为基础来建立生物材料的概念。它们一般是由具有生理“活性”的组元及控制载体的“非活性”组元所构成，具有比较理想的修复再生效果。其基本思想是通过材料之间的复合，材料与活细胞的融合，活体材料和人工材料的杂交等手段，赋予材料具有特异的靶向修复、治疗和促进作用，从而达到病变组织主要甚至全部由健康的再生组织所取代。2.生物材料的类型及应用生物材料种类繁多，到目前为止，被详细研究过的生物材料已经超过一千种，在医学临床上广泛应用的也有几十种，涉及材料学科各个领域。依据不同的分类标准，可以分为不同的类型。2.1以材料的生物性能为分类标准22.1.1生物惰性材料生物惰性材料是指一类在生物环境中能保持稳定，不发生或仅发生微弱化学反应的生物医学材料，主要是生物陶瓷类和医用合金类材料。由于在实际中不存在完全惰性的材料，因此生物惰性材料在机体内也只是基本上不发生化学反应。它与组织间的结合主要是组织长入其粗糙不平的表面形成一种机械嵌联，即形态结合。生物惰性材料主要包括以下几类：（1）氧化物陶瓷主要包括氧化铝陶瓷和氧化锆陶瓷。氧化铝陶瓷中以纯刚玉及其复合材料的人工关节和人工骨为主，具体包括纯刚玉双杯式人工髋关节；纯刚玉—金属复合型人工股骨头；纯刚玉—聚甲基丙烯酸酯—钴铬钼合金铰链式膝关节；其他人工骨、人工牙根等。（2）玻璃陶瓷该材料主要用来制作部分人工关节。（3）Si3N4陶瓷该类材料主要用来制作一些作为替代用的较小的人工骨，目前还不能用作承重材料。（4）医用碳素材料它主要被作为制作人工心脏瓣膜等人工脏器以及人工关节等方面的材料。（5）医用金属材料该类材料是目前人体承重材料中应用最广泛的材料，在其表面涂上活性生物材料后可增加它与人体环境的相容性。同时它还能制作各类其他人体骨的替代物。2.1.2生物活性材料生物活性材料是一类能诱出或调节生物活性的生物医学材料。但是，也有人认为生物活性是增进细胞活性或新组织再生的性质。现在，生物活性材料的概念已建立了牢固的基础，其应用范围也大大扩充。一些生物医用高分子材料，特别是某些天然高分子材料及合成高分子材料都被视为生物活性材料。生物活性材料主要有以下几类：（1）羟基磷灰石它是目前研究最多的生物活性材料之一，作为最有代表性的生物活性陶瓷——羟基磷灰石材料的研究，在近代生物医学工程学科领域一直受到人们的密切关注。羟基磷灰石[Ca10(PO4)6(OH)2]是一种典型的生物活性材料。由于人体骨的主要无机质成分为该材料，故当材料植入体内时不仅能传导成骨，而且能与新骨形成骨键合。在肌肉、韧带或皮下种植时，能与组织密合，无炎症或刺激反应。因此可广泛应用于生物硬组织的修复和替换材料，如口腔种植、牙槽脊增高、耳小骨替换、脊椎骨替换等多个方面。（2）磷酸钙生物活性材料这种材料主要包括磷酸钙骨水泥和磷酸钙陶瓷纤维两类。前者是一种广泛用于骨修补和固定关节的新型材料，有望部分取代传统的PMMA有机骨水泥。国内研究抗压强度已达60MPa以上。后者具有一定的机械强度和生物活性，可用于无机骨水泥的补强及制备有机与无机复合型植入材料。（3）磁性材料生物磁性陶瓷材料主要为治疗癌症用磁性材料，它属于功能性活性生物材料的一种。把它植入肿瘤病灶内，在外部交变磁场作用下，产生磁滞热效应，导致磁性材料区域内局部温度升高，借以杀死肿瘤细胞，抑制肿瘤的发展。动物实验效果良好。（4）生物玻璃生物玻璃主要指微晶玻璃，包括生物活性微晶玻璃和可加工生物活性微晶玻璃两类。目前关于该方向的研究已成为生物材料的主要研究方向之一。2.1.3生物降解材料所谓可降解生物材料是指那些在被植入人体以后，能够不断的发生分解，分解产物能够被生物体所吸收或排出体外的一类材料。主要包括β—TCP生物降解陶瓷和生物陶瓷药3物载体两类。前者主要用于修复良性骨肿瘤或瘤样病变手术刮除后所致缺损；而后者主要用作微药库型载体，可根据要求制成一定形状和大小的中空结构，用于各种骨科疾病。2.1.4生物复合材料生物复合材料又称为生物医用复合材料，它是由两种或两种以上不同材料复合而成的生物医学材料，并且与其所有单体的性能相比，复合材料的性能都有较大程度的提高的材料。制备该类材料的目的就是进一步提高或改善某一种生物材料的性能。该类材料主要用于修复或替换人体组织、器官或增进其功能以及人工器官的制造。它除应具有预期的物理化学性质之外，还必须满足生物相容性的要求。这里不仅要求组分材料自身必须满足生物相容性要求，而且复合之后不允许出现有损材料生物学性能的性质。按基材分生物复合材料可分为高分子基、金属基和陶瓷基三类。它们既可以作为生物复合材料的基材，又可作为增强体或填料，它们之间的相互搭配或组合形成了大量性质各异的生物医学复合材料。利用生物技术，一些活体组织、细胞和诱导组织再生的生长因子被引入了生物医学材料，大大改善了其生物学性能，并可使其具有药物治疗功能，已成为生物医学材料的一个十分重要的发展方向。根据材料植入体内后引起的组织反应类型和水平，它又可分为近于生物惰性的、生物活性的、可生物降解和吸收等几种类型。人和动物中绝大多数组织均可视为复合材料，生物医学复合材料的发展为获得真正仿生的生物材料开辟了广阔的途径。2.2以材料的属性为分类标准2.2.1生物医用金属材料生物医用金属材料是用作生物医学材料的金属或合金，又称外科用金属材料或医用金属材料，是一类惰性材料。这类材料具有高的机械强度和抗疲劳性能，是临床应用最广泛的承力植入材料。该类材料的应用非常广泛，遍及硬组织、软组织、人工器官和外科辅助器材等各个方面。除了要求它具有良好的力学性能及相关的物理性质外，优良的抗生理腐蚀性和生物相容性也是其必须具备的条件。医用金属材料应用中的主要问题是由于生理环境的腐蚀而造成的金属离子向周围组织扩散及植入材料自身性质的退变，前者可能导致毒副作用，后者常常导致植入的失败。已经用于临床的医用金属材料主要有不锈钢、钴基合金和钛基合金等三大类。此外，还有形状记忆合金、贵金属以及纯金属钽、铌、锆等。2.2.2生物医用高分子材料医用高分子材料是生物医学材料中发展最早、应用最广泛、用量最大的材料，也是一个正在迅速发展的领域。它有天然产物和人工合成两个来源。该材料除应满足一般的物理、化学性能要求外，还必须具有足够好的生物相容性。按性质医用高分子材料可分为非降解型和可生物降解型两类。对于前者，要求其在生物环境中能长期保持稳定，不发生降解、交联或物理磨损等，并具有良好的物理机械性能。并不要求它绝对稳定，但是要求其本身和少量的降解产物不对机体产生明显的毒副作用，同时材料不致发生灾难性破坏。而可降解型高分子材料可在生物环境作用下发生结构破坏和性能蜕变，其降解产物能通过正常的新陈代谢或被机体吸收利用或被排出体外，主要用于药物释放和送达载体及非永久性植入装置。2.2.3生物医用无机非金属材料生物医用非金属材料，又称生物陶瓷。包括陶瓷、玻璃、碳素等无机非金属材料。此类材料化学性能稳定，具有良好的生物相容性。一般来说，生物陶瓷主要包括惰性生物陶瓷、活性生物陶瓷和功能活性生物陶瓷三类。其中惰性生物陶瓷和活性生物陶瓷在前面已经简要作了介绍，而功能活性生物陶瓷是近年来提出的一个新概念。它主要包括以下两类：4（1）模拟性生物陶瓷材料该类材料是将天然有机物(如骨胶原、纤维蛋白以及骨形成因子等)和无机生物材料复合，来模拟人体硬组织成分和结构，以改善材料的力学性能和手术的可操作性，并能发挥天然有机物的促进人体硬组织生长的特性。（2）带有治疗功能的生物陶瓷复合材料该类材料是利用骨的压电效应能刺激骨折愈合的特点，使压电陶瓷与生物活性陶瓷复合，在进行骨置换的同时，利用生物体自身运动对置换体产生的压电效应来刺激骨损伤部位的早期硬组织生长。具体来说是由于肿瘤中血管供氧不足，当局部被加热到43～45℃时，癌细胞很容易被杀死。现在最常用的是将铁氧体与生物活性陶瓷复合，填充在因骨肿瘤而产生的骨缺损部位，利用外加交变磁场，充填物因磁滞损耗而产生局部发热，杀死癌细胞，又不影响周围正常组织。3.生物材料的发展趋势展望生物材料科学是20世纪新兴学科中最耀眼的新星之一。现在，生物材料科学已成为一门与人类现代医疗保健系统密切相关的边缘学科。其重要性不仅因为它与人类自身密切相关，还因为它跨越了材料、医学、物理、生物化学和现代高科技等诸多学科领域。现在对于该材料的研究已从被动地适应生物环境发展到有目的地设计材料，以达到与生物组织的有机连接。并随着生命科学和材料科学的发展，生物材料必将走向功能性半生命方向。生物材料的临床应用已从短期的替换和填充发展成永久性牢固种植，并与其它高科技(如电子技术、信息处理技术)相结合，制备富有应用潜力的医疗器械。生物材料的研究在世界各国也日益受到重视。目前，以下几个方面是生物材料今后研究发展的几个主要方向：（1）发展具有主动诱导、激发人体组织和器官再生修复功能的，能参与人体能量和物质交换产生相互结合的功能性活性生物材料，将成为生物材料研究的主要方向之一。（2）把生物陶瓷与高分子聚合物或生物玻璃进行二元或多元复合，来制备接近人体骨真实情况的骨修复或替代材料将成为研究的重要方向之一。（3）制备接近天然人骨形态的、纳微米相结合的、用于承重的、多孔型生物复合材料将成为方向之一。（4）用于延长药效时间、提高药物效率和稳定性、