仿生材料在人体器官领域的应用

《生物材料与人体仿生》结课论文姓名：学号：学院：专业：仿生材料在人体器官领域的应用人体仿生，顾名思义就是对于人体的有些不可治愈的疾病，通过生物材料的研制，应用于人体，使人们的生命得以延长。应用生物学和工程学的原理，对生物材料、生物所特有的功能，定向地组建成具有特定性状的生物新品种的综合性的科学技术。生物工程学是20世纪70年代初，在分子生物学、细胞生物学等的基础上发展起来的，包括基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程等，他们互相联系，其中以基因工程为基础。只有通过基因工程对生物进行改造，才有可能按人类的愿望生产出更多更好的生物产品。仿生材料或生物材料与工业材料的最大区别是在生理环境下使用。移植在生物体内的仿生材料，除了能达到补钙的目的以外，对周围组织和血液不应该有不良的影响，即应具有生物相容性。另外，植入人体的仿生材料，应有足够的力学性能，不能发生脆性破裂、疲劳断裂及腐蚀破坏等，即应具有力学相容性。仿生材料的一个重要应用领域就是生物医用材料。生物医用材料要求具有安全无毒性、组织相容性、血液相容性和一定的机械强度等性能，而这些都是天然生物材料所特有的。所以从材料的角度来研究天然生物材料的结构和性质，再对其模仿，进行仿生设计，研发仿生材料，这将为高品质生物医用材料的制造开辟新的途径。用于组织修复与替代的仿生骨、仿生皮肤、仿生肌腱和仿生血管。进入21世纪以来,随着机器人开发的不断深入以及人们对智能机械系统的强烈需求,作为机器人和智能机械系统驱动关键的人工肌肉已成为仿生领域的研究重点。电活性聚合物驱动器具有应变高、柔软性好、质轻、无噪声等特点,与肌肉有着极为相似的特性,甚至在一些方面的性能已经超过了肌肉,被公认为是最合适的仿肌肉材料,称之为人工肌肉。近二十年来,在电活性聚合物驱动材料方面取得的研究进展使得仿生的人工肌肉研究得以飞速发展。离子肌肉种类繁多,但总体说来离子能量效率相对较低,即便是在最佳条件下还不到30%,而一些电子肌肉却可以达到80%。尽管如此离子肌肉却有其不可替代的优势:响应电压可以低至1~7V,而电子肌肉则每微米厚需要数十甚至上百伏特的电压;离子肌肉更胜一筹的是,它能产生弯曲运动,而不仅仅是伸展或收缩。离子型人工肌肉产生驱动的方式是体系中离子的移动。施加电场促使离子和溶剂移动,离子进入和离开的聚合物区域便发生膨胀和收缩。当然离子运动的前提是必须处于电离状态,所以一般须使体系保持液体状态。但是,随着技术的发展,离子人工肌肉必须在液体环境下工作这一限制将会被打破。除人工肌肉外，生物材料还被应用于其他方面。目前临床应用的人造血管主要为涤纶和膨体聚四氟乙烯两种。膨体聚四氟乙烯的组织相容性极佳，与自体组织切实“融”为一体，手感柔软而富有弹性，还非常牢固，不会被拉长或被撕裂。迄今为止世界上膨体聚四氟乙烯植火手术，尚未发生对该材料的过敏及排斥反应。美国莱斯大学已开发出一种新型聚氨酯材料，可用于直径小于平常水平的人造血管，在生理状态下，这种聚氨酯材料可以释放一定的一氧化氮可以防止血液的凝结。皮肤是人体与外界的一道屏障，非常好的保护了人体组织和器官不受外界细菌的侵害，同时有很好的通透性，控制水分挥发，维持体温，并且帮助人体排出代谢废物。皮肤自上而下分别为表皮层、真皮层和皮下组织，在表皮层和真皮层之间是极薄的基膜。表皮属于上皮组织，主要由角质化的细胞构成；真皮属于结缔组织，胶原纤维是真皮的主要成分，在纤维间隙中充满着白蛋白、球蛋白、粘蛋白等；位于表皮和真皮间的基膜组成十分复杂，其中包括Ⅳ型胶原、非胶原蛋白以及蛋白糖等。在皮肤中还分布着毛囊、神经、血管和汗腺等附属组织通过结构和功能仿生，制备天然皮肤修复与替代材料，其实际就是目前非常热门的仿生组织工程皮肤。从材料科学与工程的观点来看，人体组织可视为细胞与细胞外基质的天然复合材料。随着组织工程的发展，对生物医用材料提出了新的挑战，不仅要求生物材料要具有生物安全性和生物相容性外，还希望其植入人体后能诱发目标细胞粘连、增殖、分化，以及血管、神经的长入等。这意味着组织工程材料的仿生化。笔者预见，循着仿生材料的基本思路，仿生组织工程皮肤的发展大概要经历三代：第一代是单层（表皮层或真皮层）皮肤修复与替代材料；第二代是双层皮肤修复与替代材料；第三代则应该是具有毛囊、汗腺等附属部件的皮肤复合材料。此外，许多科学家已从生物高分子材料或合成高分子材料中制造出了一二十种人造皮肤。他们把这些材料纺织成带微细孔眼的皮片，上面还盖着薄薄的、模仿“表皮”的制品。如今，科学家已研制出多种人工真皮，如透明质酸膜、聚乳酸膜等，可诱导自体的组织细胞生长，形成新的、结构规则的真皮样组织，从而重建真皮层。近年来，运用仿生学原理和纳米自组装技术制备有机、无机纳米复合材料，并将多肽、生长因子和基因等特定分子识别信号固定在材料表面，对其进行分子设计和生物化处理，研制成新一代有特定结构和功能的仿生“智能”骨基质材料是当今生物材料学研究领域的前沿课题。有人设计了一种“两亲性多肽”，可以自组装成纳米纤维，矿化生成的HA纳米晶体的C轴与纤维长轴一致，与天然骨高度相似，并能通过纳米纤维表面携带的RGD多肽促进对细胞的粘附。我国最新研发的新型材料制作的仿生骨，是一种钙磷基质的多孔支架材料，孔隙率可达50%~90%，具有良好生物活性和强度。植入人体后，犹如放入一个框架，“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。这种材料的生物活性、降解速率都可以满足医学要求，但支架较低的生物力学性能（尤其是降解过程中，随着材料的降解，其力学性能快速失效）是制约其作为骨修复和替代材料在临床应用的瓶颈。针对这一问题，已开展了大量研究并取得了较大进展，但离临床应用还有一定距离。人体血管属于心血管系统，它分为动脉、静脉和毛细血管三类，由中胚层分化而来。血管管壁主要由内膜、中模和外膜组成。内膜由内皮细胞形成，与血液直接接触；中膜主要是平滑肌、胶原纤维和硫酸软骨素等形成，提供力学强度；外膜由结缔组织构成。理想的人工血管应模仿天然血管，具有融合的内皮细胞层和分化、静止的平滑肌细胞层以及足够的力学整合性和弹性模量，能承受循环系统的动脉压力。L’Heureux等应用抗坏血酸培养血管平滑肌细胞制作成粘附细胞板，置于支持物周围形成血管中膜，类似成纤维细胞板包绕在中膜外以形成外膜，然后在管腔内种植内皮细胞。这种构建的血管具有良好的力学性能，能承受2000mmHg的静水压，还具有生物学活性，能表达或分泌LDL、PGI2等物质。Niklason等从仿生原理出发，将管状聚乙醇酸支架用环氧乙烷灭菌后，以5×106个/ml的细胞密度种植平滑肌细胞（SMCs）后用生物反应器培养，几周后3×106个/ml的细胞密度的内皮细胞悬浮于DMEM中，注入到生物反应器内继续培养。8周后结果表明，其外观与天然动脉相同。为增强SMCs的胶原合成能力和交联结构的形成，在培养介质中添加抗坏血酸、铜离子和氨基酸。添加这些介质后在脉动条件下培养的血管，其断裂压力5周后为0.19±0.03MPa，8周后达到0.7±2.4MPa，超过人隐静脉断裂强度0.56±1.02MPa。而没加上述介质的血管，其断裂强度不到0.1MPa。2001年，Hoerstrup等引用仿生压力刺激的血管生物培养技术，构造的血管具有和自然血管相一致的解剖结构，良好的组织强度。现代人类文明的高速发展，人们对生活质量的不断追求，迫切需要高品质的人体组织修复与替代材料。根据人体组织的结构、性能及其形成过程，对生物医用材料进行仿生设计，研发新一代仿生医用材料，将是材料科学发展的必然趋势。除了本文所述的几种人工器官外，还有人工心脏、人工肾、人工肝、人工胰和人工血液等都在研发之中。相信在不久的将来，人类能实现除大脑外所有人体器官的人工制造。仿生医用材料涉及到材料学、医学、细胞学、工程学、仿生学及生物技术、控制论等许多前沿学科与高新技术，它具有巨大的应用前景和社会效应。尽管仿生医用材料的临床应用还处于初步阶段，研究工作在许多方面有待新的突破，但它依然前途光明。