生物材料的生物适配性(精)/生物材料科学与工程丛书

第1章 绪论 　　1.1 生物材料的发展 　　生物材料（biomaterials）又被称为生物医用材料，是指与生物系统接触或发生相互作用，并能诊断、治疗、修复、替换、诱导再生或增进其功能的一类天然或人工合成的功能材料。生物材料是材料科学领域中正在发展的多个学科相互交叉渗透的领域，其研究内容涉及材料科学、生命科学、化学、生物学、解剖学、病理学、临床医学、药物学等学科，同时还涉及工程技术和管理科学的范畴。生物材料有人工合成材料和天然材料，有单一材料、复合材料以及活体细胞或天然组织与无生命的材料结合而成的杂化材料。生物材料本身不是药物，其参与的治疗途径以与生物机体直接结合和相互作用为基本特征。生物材料与人类的生命和健康紧密相关，人类发展的历程从某一方面来说是人类对材料不断认识、了解并加以利用的过程，材料构成了人类科技和文明的物质基础。在21世纪的今天，生物材料已被广泛应用于骨、牙、皮肤等临床医学以及生物技术等领域。作为一个诞生仅仅大约40年的学科领域，生物材料学已成为当代材料学科的重要分支，尤其是随着生物技术的蓬勃发展和不断取得重大突破，生物材料已成为各国科学家竞相研究和开发的热点。 　　虽然生物材料这一概念在20世纪40年代才被明确，但是生物材料一直伴随着人类社会的发展。自从人类诞生的那一天起，生物材料就是人们与各种疾病、创伤斗争的有力工具。在史前阶段，人类就已经开始在体内植入材料以解决机体出现的各种问题，而人类对合适的生物材料的渴求与探寻更是从未停滞。 　　春秋战国时期的典籍《列子 汤问》中即记载了偃师造人的故事。周穆王在西巡途中遇见了一位叫作偃师的人，偃师向周穆王进献了一个歌舞艺人，这个艺人“领其颅，则歌合律；捧其手，则舞应节。千变万化，惟意所适”。后来周穆王发现这个歌舞艺人“内则肝胆、心肺、脾肾、肠胃，外则筋骨、支节、皮毛、齿发，皆假物也，而无不毕具者”。这也许是人类对于使用生物材料重新构建人体组织器官想法的*早记载。直到近现代，不论是1818年英国作家玛丽 雪莱创作的长篇小说《弗兰肯斯坦》中用尸体拼凑出的怪物，还是1977年电影《星球大战》中达斯 维达的机械身体，亦或是漫威电影中冬日战士的义肢，都表明人类对重塑器官或者肢体的能力的渴望与追求一直伴随着人类社会的发展。 　　在距今9000多年的肯尼维克人（Kennewick man）骨骼中发现异物可以在人体内长期存在。考古学家认为他是一个身材高大、健康且充满活力的人，在现在的华盛顿南部地区活动，他的右髂骨内埋有一石质箭头，且伤口已经愈合，因此对他的活动能力影响不大，这种非特意的植入物说明人体对自然界的材料具有一定的包容性。 　　长久以来人类一直在不断地尝试、探索和研究利用材料来达到重建或替代缺损组织这一目的。在距今7000年前古埃及人的遗骸中发现了用于修复牙齿缺损的黄金假牙[1]；公元前3500～前3200年，棉花、马鬃毛、亚麻线等已被用于伤口缝合处理；在公元前2500年左右的中国和埃及墓穴中发现了人造手、假鼻、假耳等；公元2世纪的记载中，丝线等被用于结扎破裂血管以止血[2]；公元600 年左右玛雅人将海贝壳用于牙修复，并且已达到现代的骨整合水平；同时期唐代《新修本草》中记载了一种用于补牙的银膏，由银、汞、锡及其他杂金属元素组成，成分与现代龋齿填充材料类似[3]。然而由于时代、科技以及生产力水平的局限，早期人类对于生物材料的利用还处于比较原始的阶段；同时由于对生物相容性和灭菌等相关知识了解不够充分，在使用生物材料的尝试中所取得的效果十分有限。 　　随着时代的发展、科技的进步，对于生命和人体的认识逐渐深入，人们对于生物材料的应用开始迈上新的台阶。1829年，人们开始以动物为模型系统地研究金、银、铅、铂等金属植入体内的效果，并得出铂具有较为良好的生物相容性的结论；1849年，银丝线成功用于多例外科手术缝合；1860年左右，以玻璃为原料的隐形眼镜被制作出来，并分别对动物和人进行了实验；1886年，镀镍螺钉和镀镍钢板开始用于骨骼固定；1926年开始用不锈钢材料进行骨缺损替代治疗；1929年，钴铬钼合金成功应用于齿科。但同时期高分子聚合物的种类还十分稀少，鲜有聚合物作为植入物的报道。1933年Biscegle发现使用聚合物膜包裹的小鼠肿瘤细胞能够在猪的腹腔内长时间存活，同时延迟其被免疫细胞杀死的时间[4]；1941年尼龙绳材料被用作手术缝合线；1947年聚乙烯被报道作为植入材料；但在1949年发表的一篇论文中认为，除了特氟龙以外，其他的高分子材料均会引起强烈的生物反应。 　　第二次世界大战后，各种新型材料出现了井喷式的发展，各种高性能金属、陶瓷以及聚合物材料的出现，使替换和重建受损组织器官的想法变为可能。早期的生物材料主要包括钛、不锈钢、硅酮、聚氨酯、尼龙和特氟龙等。 　　20世纪50年代，由金属钛制成的骨钉、骨板开始成为主要的骨科医用金属材料；70年代后期以钛镍合金为代表的形状记忆合金开始大面积应用于硬组织修复，成为骨科、口腔科重要的医用金属材料之一。同时，经过20世纪50年代高分子工业的飞速发展，高分子材料开始用于医学领域并取得了良好的效果。50年代，有机硅聚合物开始进入临床，被用于组织的修复、替代和填充[2]。60年代初，开始使用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）修复髋关节。Wolter与Meyer于1984年报道了在PMMA表面构建内皮细胞层用于眼科治疗，并首次提出“组织工程”（tissue engineering）这个名词[5]。1991年，Cima等用生物可吸收高分子材料聚羟基乙酸（PGA）构建网状支架，用来移植肝和软骨细胞以达到修复和重建组织的目的[6]，同时还指出支架材料应该具有合适的表面化学性质和表面结构，从而影响细胞的黏附、生长等功能；支架的宏观尺度以及孔隙率等则对营养物质的输送有重要影响。Jauregui和Gann于同年也报道了应用聚合物中空纤维培养肝细胞的工作[7]。1993年，Langer和Vacanti在Science上发表了题为“Tissue engineering”的论文，系统地提出了组织工程的概念与思想[8]。首先制备可降解具有良好生物相容性的组织工程支架，作为细胞载体和细胞外基质；之后将种子细胞种植在支架上，并使其在支架上黏附、增殖和分化；*后加以合适的生长因子对细胞进行诱导，使细胞在支架上经过增殖分化*终形成新的组织或器官。在之后的研究中，模拟细胞外基质的组织工程支架、合适的种子细胞以及调控细胞生长分化行为的生长因子被认为是构成组织工程的三大要素[9]，目的是修复或再生受损或缺失的组织器官。 　　图1.1描述了组织工程的大致实施方案。首先根据目标组织的要求，在体外将目标自体或异体种子细胞进行扩增，再将一定数量的种子细胞种植在符合特定目标组织要求的支架中，并提供适宜的环境使细胞在支架上黏附、增殖和分化，*后得到细胞/支架复合物。接下来通过外科手术等将搭载有细胞的支架移植到生物体内，到达生物体内后，支架上的细胞进一步增殖、分化并形成新的组织或器官。 　　图1.1 组织工程基本方法示意图 　　自1980年以来，对人体内的几乎每一种组织与器官都展开了相关的组织工程再生与重建的研究。其中，骨[10]、软骨[6]、肌腱[11]、皮肤[12]、血管[13]以及神经[14]的研究*为常见。自1989年起，组织工程的相关研究文献数量每年都快速增长，Web of Science上以“Tissue Engineering”为关键词搜索的结果有182805个。1989年后相关文献数量逐年递增，自1995年起每年新增文献数量超过1004篇，2010年超过1万篇，2016年以后每年有15000余篇组织工程相关文献被Web of Science收录。自1998年开始组织工程领域的研发已经达到了10亿美元的规模，并以每年22%的速度增长[15]。这些数据说明组织工程的研究在世界范围内引起了越来越多科研工作者和公司的注意，组织工程学的研究正在飞速发展，具有广阔的研究前景和市场需求，必将产生巨大的社会与经济效益。 　　总体来说，现代意义的生物材料起源于20世纪40年代，并在80年代左右形成了一门系统的学科。现代生物材料学是利用工程化的生物材料来激发和控制特定的生物反应，横跨医学、生物学、材料学数个学科领域的新兴交叉学科。生物材料的研究和发展与我们的生活息息相关，不仅在临床中挽救了千万患者的生命，更改善了人们的健康状况和生活质量，对于人类社会的发展具有十分重要的意义。 　　1.2 生物材料的分类及基本性质 　　至目前为止，生物材料已包含1000多种不同的材料，材料的种类和数量还在不断地增加，但是被广泛应用于临床的生物材料仅几十种。生物材料种类繁多，为了体现生物材料的特点和意义，常根据以下几种方法进行分类。 　　根据生物材料的来源可分为天然生物材料和人工合成生物材料，但这种分类方式较为笼统，因此在此分类基础上，再进一步根据材料的成分可分为生物医用高分子材料、生物医用金属材料、无机生物材料以及生物医用复合材料。另外一种分类方法是根据生物材料的不同生物性能，可分为生物惰性材料、生物活性材料、生物可降解材料等。 　　1.2.1 天然生物材料 　　天然生物材料来源广泛且性能优良，一般都无毒、亲水、生物相容性及细胞亲和性好，分子结构上通常含有大量活性基团，有利于材料和细胞之间的相互作用，或者搭载其他药物。部分天然生物材料本身就是细胞外基质，含有特定的细胞识别因子，可提高支架的细胞相容性及诱导分化能力。常见的天然生物材料有氨基葡聚糖、胶原[16， 17]、明胶、珊瑚、透明质酸[18]、壳聚糖[19， 20]、藻酸盐、丝素蛋白[21-23]、纤维素、纤维蛋白[24， 25]以及经过各种处理后的天然骨等[26]。相对于合成材料来说，天然生物材料在某些方面具有先天的优势[27]，使得天然高分子材料得到了广泛的临床应用，并且成为某些特定组织工程支架材料的首选。 　　尽管天然生物材料拥有良好的生物可降解性和生物相容性，但是天然生物材料在使用过程中依然存在不少问题。其质量受产地、原料来源等影响，材料的性质并不稳定。同时，天然生物材料结构往往很复杂，通常较难保存或维持稳定结构，降解速率较快，导致强度和加工性能较差，价格较高。 　　1.2.2 人工合成无机生物材料 　　相对于天然材料，人工合成材料种类很多，可选择范围广；差异性小，性能稳定；供应充足，可大规模生产，价格便宜；可加工性能和机械强度优异；结构性能以及降解速率可调控范围大，具有很强的适用性；可根据实际情况进行设计，有很强的针对性；是组织工程支架材料的重要来源。 　　人工合成无机生物材料以羟基磷灰石[28-30]、磷酸钙[31， 32]、生物玻璃陶瓷[33， 34]以及生物活性微晶玻璃等[35， 36]为代表，是一类生物相容性很好的骨组织替代材料。含钙、磷元素组成的无机生物材料，与人体内骨组织的无机成分类似，在体内会发生轻度溶解和降解，降解释放的钙、磷元素能为新骨组织的形成提供原料。此外，降解还会形成微碱性环境，抑制炎症的发生，以及促进细胞在材料表面的黏附、增殖和细胞外基质的分泌，同时还具有骨传导和骨诱导作用。但是无机生物材料较难制备高孔隙率的支架，存在支架强度低、脆性大、韧性不足等机械性能的先天不足，不能用于负重部位的大段骨缺损修复[37]。降解速率难以控制，与新生骨组织之间的匹配度不高等限制了这类材料在实际应用中的表现[38]。 　　1.2.3 人工合成生物医用高分子材料 　　与无机生物材料相比，生物医用高分子材料的结构和成分可以与人体内的细胞外基质更为接近。由特定高分子材料制成的支架在体内可被生物体降解，降解生成的小分子通常可被生物体吸收或者直接排出体外，因此由高分子材料所制备的支架具有更好的生物相容性。人工合成生物医用高分子材料相对于天然生物材料来说，虽然在生物学效应方面仍有不足，但是在降解速率、