生物材料综述
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1磷酸钙生物材料骨诱导性1. 1磷酸钙骨诱导现象发现和确证磷酸钙(Calcium pho sphate) 为钙与磷酸根离子形成的化合物, 因晶体结构及钙磷组成比(CaöP )不同性能有差异。
CaöP 比小于115 的磷酸盐很不稳定, 其溶解速率比新骨组织形成高很多, 故它们不适于作骨代材料。
临床最常应用的磷酸钙是羟基磷灰石(Hydroxyapat ite, HA ) 和磷酸三钙(T ricalciumpho sphate, TCP)。
HA 与组成人体骨骼和牙体硬组织的无机成分相同, 且晶体微观结构类似。
大量的实验及临床应用证明, HA 具有优良的生物相容性, 可与骨组织发生化学性结合, 具有骨引导性(O steoconduct ion) , 即材料植入骨环境中, 骨组织能沿着植入体表面或内部孔隙攀附生长。
多数文献报道HA 无骨诱导性(O steo induct ion) , 即诱导间充质细胞向成骨分化的能力。
HA 早在1871 年由RW aroneton 制得, 20 世纪70 年代始用于临床, 成为最常用的骨替代材料。
TCP 分子式Ca3 (PO 4) 2, CaöP原子比为115, 化学组成与HA 相似, 但不是机体骨组织的矿物成分。
TCP 因烧结温度不同分为A2和B2两相, 相转变温度为1 120~ 1 180℃, 以下为B2TCP,以上为A2TCP。
在模拟体液(SBF) 中, A2TCP 比B2TCP 易解, 比HA 更易降解, 在体内易被降解吸收。
M erten 和W ilfarg[ 2 ]将B2TCP 和A2TCP 植入微型猪(Goet t inger m in iatu re p igs, GM P s) 人工胫骨缺损区考察降解性, 结果表明B2TCP 比A2TCP 更易降解, 降解产生的钙及磷酸根离子被周围巨噬细胞吞噬, 也可被周围新生骨组织利用, 刺激和促进更多新骨生成。
生物医学材料的制备与性能测试技术综述引言:生物医学材料是应用在医疗领域的一类特殊材料,它能与生物系综合地相互作用,以实现医疗应用的目标。
这些材料在组织修复、药物传递、生物传感和医疗器械等方面发挥着重要的作用。
本文将综述生物医学材料的制备与性能测试技术,以便深入了解这些关键步骤对于材料的性能和应用的影响。
一、生物医学材料的制备技术:1. 材料选择和设计:生物医学材料的制备首先需要选择合适的原料。
常见的生物医学材料包括金属、陶瓷、聚合物和复合材料等。
根据应用需求,需要提前确定材料所需的物理、化学和生物学性能。
同时,根据材料的特性和应用要求,进行合适的设计和构造,以满足预期的功能需求。
2. 制备方法:生物医学材料的制备方法多种多样,常见的方法包括溶胶-凝胶、电化学沉积、热处理、机械加工和3D打印等。
其中,溶胶-凝胶技术是一种常用的制备方法,通过溶胶的凝胶化过程,可以形成具有均匀结构和孔隙的材料。
电化学沉积则是一种能够在电极上沉积金属或陶瓷的方法,通过控制电流密度和电位,可以获得特定性能的材料。
热处理是指通过加热和冷却等处理方式,对材料的结构和性能进行调控。
机械加工和3D 打印技术能够实现对材料的精确加工和构建。
3. 表面修饰与功能化:为了提高生物医学材料的生物相容性、降低免疫反应和改善生物活性,常常需要对材料表面进行修饰和功能化处理。
常见的表面修饰方法包括离子注入、等离子体处理、离子束照射和化学修饰等。
功能化处理则是将特定的生物活性物质引入材料表面,如药物、细胞因子和生物胶等,以实现特定的功能需求。
二、生物医学材料的性能测试技术:1. 生物相容性测试:生物医学材料的生物相容性是指材料与生物体相互作用时不引起明显的毒性、炎症和免疫反应。
生物相容性测试是衡量材料是否适合用于医疗应用的重要指标。
常见的生物相容性测试方法包括细胞毒性测试、小动物体内实验和组织切片观察等。
通过这些测试,可以评估材料对细胞和组织的影响,从而确定材料的生物相容性。
生物医用材料表面改性技术综述随着医疗技术的发展和生物医用材料的广泛应用,生物医用材料表面改性技术越来越受到关注。
在生物医学领域,生物医用材料的表面改性技术可以有效地改善材料的性能,提高其生物相容性和生物亲和力,减少材料与生物组织之间的反应和排斥,提高其临床应用效果。
本文将综述生物医用材料表面改性技术的原理、分类以及应用现状。
一、生物医用材料表面改性技术原理生物医用材料表面改性技术的原理主要是通过对生物医用材料的表面进行化学或物理方法的改变,来实现对材料表面性质的调控,从而使其更加适合医学应用。
表面改性技术的主要作用是改进材料表面的形态结构、表面粗糙度、表面化学组成和表面能,以达到改善生物相容性和生物亲和力的目的。
二、生物医用材料表面改性技术分类1、化学改性技术化学改性技术是将生物医用材料表面进行化学修饰,使其呈现出希望的生物相容性和生物亲和性。
化学改性技术主要包括表面活性剂改性、胶原蛋白覆盖、化学交联和生物活性物质的掺杂等。
表面活性剂改性技术是利用表面活性剂的表面作用力将化合物吸附在表面上,从而改变表面化学性质的方法。
该技术可以改变表面能和表面化学成分,这样就可以增加材料表面的吸附能力和亲水性等,从而促进细胞黏附和增强生物相容性。
胶原蛋白覆盖是指用高分子胶原蛋白在生物医用材料表面覆盖一层胶原蛋白,从而提高其生物相容性和生物亲和力。
胶原蛋白具有良好的生物活性和生物亲和力,可以与细胞黏附,具有很好的生物相容性。
化学交联技术是指通过交联剂将分子或者高聚物与生物医用材料表面共价结合来实现改性。
这种方法可以改变生物医用材料表面的物化性质,从而达到改善其生物相容性和生物亲和力。
2、物理改性技术物理改性技术是改变生物医用材料表面性质,通过物理手段实现。
物理改性技术的方法较多,如电化学处理、离子注入、高压氧气等等。
这些方法可以改变材料表面的形态结构、表面粗糙度和表面能,从而提高其生物相容性和生物亲和力。
3、微纳米技术微纳米技术是利用微纳米技术制造出微米或纳米级别的表面纹理或其它结构,从而改变生物医用材料表面特性的方法。
2024年生物基材料市场发展现状一、引言随着全球对可持续发展和环境友好型产品需求的增加,生物基材料市场在近几年出现了快速发展。
生物基材料是以可再生的植物和动物来源制造的材料,具有较低的环境影响和更好的生物相容性。
本文将对生物基材料市场的发展现状进行综述。
二、市场规模及趋势根据市场研究机构的数据显示,2019年全球生物基材料市场规模达到了XX亿美元。
预计到2025年,这一市场规模将以年均XX%的增长率扩大至XX亿美元。
市场的迅速增长主要得益于生物基材料在多个领域的广泛应用。
三、应用领域1.医疗领域生物基材料在医疗领域的应用越来越广泛。
它们可以用于制造人工关节、骨修复材料、心血管植入物等医疗器械。
与传统材料相比,生物基材料具有更好的生物相容性和较低的排异反应风险,因此能够提高手术成功率并减少并发症。
2.包装及食品领域越来越多的包装和食品企业开始使用生物基材料代替传统的塑料包装。
生物基材料可以降低对石油等非可再生资源的依赖,减少环境污染。
此外,生物基材料还具有良好的保鲜性能和可降解性,能够延长食品的保质期并减少塑料污染。
3.纺织及服装领域生物基纤维材料在纺织及服装领域也有广泛应用。
例如,生物基聚酯纤维可以用于制造环保型的衣物、鞋子和家居用品。
对于环境意识日益增强的消费者来说,选择使用生物基纤维材料的产品具有较高的吸引力。
四、市场驱动因素1.环境保护意识的提升全球对环境保护的意识不断提高,消费者对可持续产品的需求日益增长,这推动了生物基材料市场的发展。
2.政府政策的支持许多国家的政府出台了一系列支持环保产业发展和使用生物基材料的政策,通过提供财政补贴和减免税收等方式鼓励企业采用生物基材料。
3.技术进步和创新近年来,生物技术和材料科学等领域取得了显著的进展,新的制造技术和材料创新不断涌现,推动了生物基材料市场的发展。
五、市场挑战1.成本问题生物基材料的制造成本相对较高,这限制了其在某些领域的应用,特别是大规模市场中。
生物医用材料:人工皮肤研究综述摘要:近些年来,运用组织工程来钻研人工皮肤是皮肤缺损修复临床医学研究中的主要课题,目前为止组织工程人工皮肤支架材料主要有两大类:一类是天然高分子材料,另一类是人工合成高分子材料。
但从结构和功能分,组织工程人工皮肤主要有表皮替代物、真皮替代物以及含有表皮和真皮双层结构的皮肤替代物。
本文从人工皮肤的概况、原料、现有缺陷进行了综述,并且分析、总结了人工皮肤研究现状、原料的选择问题以及一些问题的解决的方向。
关键词:生物医用材料人工皮肤组织工程学引言皮肤是人体面积最大的器官,是机体免于脱水、损伤、感染的第一道防线。
当创伤、Ⅲ度烧伤、大面积瘢痕切除造成皮肤严重缺损时,机体不能保持正常的自稳状态,极易引起系列并发症甚至导致死亡。
人工皮肤是目前为止最良好的替代皮肤的材料,人工皮肤是用生物材料或合成材料加工制造的薄膜样或海绵状的人体皮肤代用品,用以暂时或永久性覆盖烧伤或创伤创面。
人工皮肤在国外的研究相比较国内多些,一些人工皮肤研究成果已形成产品应用在临床上。
第一章人工皮肤的研究现状人工皮肤是目前为止在临床应用方面最为成功的组织工程材料,也是组织工程中首个面市产品。
目前,已经面世的产品有Biobrane一TM、eDmragraft一TC和Apligraft一TM等,且已在烧伤、大面积瘢痕切除造成皮肤严重缺损等疾病的医治方面都取得不错的成果。
研究开发性能符合真正皮肤的人工皮肤的人现在越来越多,越来越新的人工皮肤类的产品正在不断出现在市场上。
目前可用于组织工程化皮肤的天然高分子材料有:脱细胞真皮基质;天然蛋白类高分子材料,如胶原蛋白、明胶、丝素蛋白等;天然多糖类高分子材料,如纤维素、甲壳质、壳聚糖、糖胺聚糖(如硫酸软骨素、透明质酸、肝素等)、海藻酸盐等;生物合成聚酯,如聚羟基丁酸酯(polyhydroxybutyrate,PHB)等。
但是部分天然高分子材料大规模提取比较困难,价格较高,产品批次有差异,性质难以统一,大多天然高分子材料的力学性能难以符合操作要求,部分天然高分子材料降解速率不容易被控制等。
生物沥青制备方法及其性能性能综述1. 引言1.1 研究背景生物沥青是一种新型环保材料,由可再生植物资源制备而成,具有较高的环保性和可持续性。
生物沥青在减少对传统石油资源的依赖、降低环境污染和减少温室气体排放等方面具有重要的意义和价值。
随着人们对环保要求的提高和可持续发展理念的深入人心,生物沥青的研究和应用逐渐受到关注。
在这样的背景下,本文将对生物沥青的制备方法及其性能进行综述,探讨生物沥青与传统沥青的比较,分析生物沥青在道路工程中的应用,同时展望生物沥青未来的发展方向。
通过对生物沥青的深入研究,我们可以更好地认识和利用这一新型材料,为环保与可持续发展贡献更多的可能性和机遇。
1.2 研究意义生物沥青制备方法及其性能性能综述引言生物沥青是一种以生物质为原料制备而成的沥青,在当前环境保护和可持续发展的大背景下,生物沥青的研究具有重要的意义。
生物沥青的制备过程中可以有效利用废弃的生物质资源,减少对传统石油资源的依赖,有利于资源的可持续利用。
生物沥青具有较低的碳排放量,对减少温室气体的排放具有积极的影响,有利于降低环境的污染。
生物沥青在道路工程中的应用具有较高的性能表现,可以提高道路的耐久性和抗压能力,有利于道路的维护和使用的安全性。
研究生物沥青的制备方法和性能对推动道路材料领域的技术发展和实践具有重要的意义,也有助于促进生态文明建设和可持续发展。
1.3 研究目的研究目的是深入探讨生物沥青在道路工程中的制备方法及性能特点,分析其与传统沥青的差异与优势,探讨生物沥青在道路工程中的应用前景和潜力。
通过对生物沥青的研究,旨在为推动道路建设领域的可持续发展提供技术支持和理论指导,促进生物资源的有效利用和环境保护,为建设更加绿色、环保的道路交通系统提供新的技术路径和选择。
通过本研究,希望能够为生物沥青在道路工程中的广泛应用奠定技术基础,提高道路工程的可持续性和环境友好性,推动我国道路建设行业的转型升级,实现绿色发展目标。
组织再生材料综述组织再生材料是指通过生物学和工程学方法,利用生物材料和细胞来重建、修复或再生受损组织的材料。
这些材料可以用于治疗各种疾病和损伤,如骨折、软组织损伤和器官功能障碍。
组织再生材料的发展始于20世纪90年代,随着生物技术和材料科学的进展,越来越多的研究者开始关注并探索组织再生材料的潜力。
目前,组织再生材料主要包括生物材料和细胞。
生物材料是组织再生材料的重要组成部分,可以用于在损伤部位提供结构支持、促进组织再生和修复。
常见的生物材料包括天然生物材料和人工合成生物材料。
天然生物材料如胶原蛋白、海藻酸盐和壳聚糖等,具有良好的生物相容性和组织可附着性。
人工合成生物材料如聚合物、生物陶瓷和金属合金等,可以通过调整其物理性能和化学性能来满足不同的再生需求。
细胞是组织再生材料的另一个重要组成部分,可以通过定向培养和植入来促进受损组织的再生。
常见的细胞来源包括自体细胞、异体细胞和干细胞。
自体细胞是从患者自身身体中提取的细胞,具有较低的免疫排斥反应风险。
异体细胞是从其他捐献者中提取的细胞,可以大规模制备。
干细胞可以分化为多种细胞类型,具有广泛的再生潜力。
目前,组织再生材料已经得到广泛应用并取得了一定的临床成果。
例如,生物材料可以用于骨折固定和软组织修复,细胞可以用于心肌再生和器官移植。
然而,组织再生材料仍面临许多挑战,如长期稳定性、生物相容性和安全性等方面。
因此,未来的研究需要进一步探索新的材料和技术来提高组织再生材料的效果和应用范围。
综上所述,组织再生材料是一种有潜力的治疗方法,可以通过结构支持和细胞培养来促进受损组织的再生和修复。
随着科技的不断进步,相信组织再生材料将在临床医学中发挥越来越重要的作用。
生物炭复合水凝胶的制备文献综述课题的内容
生物炭复合水凝胶是一种新型的水凝胶材料,在环境保护、水资源管理、农业生产等领域有广泛应用和潜在的发展前景。
本文将综述生物炭复合水凝胶的制备方法及其性能特点。
1.生物炭复合水凝胶的制备方法:
(1)混合法:将生物炭与水凝胶原料混合均匀,然后在适宜的
温度、pH值和反应时间条件下进行交联反应,制备出具有一
定弹性及吸水性能的生物炭复合水凝胶。
(2)溶胶凝胶法:将生物炭与水相互混合,制备出生物炭分散液,然后加入一定量的交联剂,经过溶胶凝胶反应制备出生物炭复合水凝胶。
(3)原位聚合法:将水凝胶原料和生物炭混合均匀,然后在适
宜的温度、pH值和反应时间条件下进行原位聚合反应,制备
出弹性好、吸水性能高的生物炭复合水凝胶。
2.生物炭复合水凝胶的性能特点:
(1)优异的吸附性能:生物炭可以吸附多种有机物质、重金属
离子和营养成分,生物炭复合水凝胶可以通过其吸附功能有效净化水源、改善土壤结构和农作物根际环境。
(2)良好的保水效果:生物炭复合水凝胶具有较好的保水性能,可以增加土壤容积含水量,改善农作物根系水分供应,提高土
壤肥力。
(3)优异的生物活性:生物炭复合水凝胶可以改善微生物根系的生长和代谢,促进植物营养吸收和免疫力提高,有助于提高作物产量和品质。
综上所述,生物炭复合水凝胶具有诸多优良的性能特点和广泛的应用前景,在未来的绿色发展和生态建设中,将会得到越来越广泛的应用。
生物沥青制备方法及其性能性能综述生物沥青,又称植物沥青,是指在植物体内存在的一种天然有机物,其成分主要由多种芳香族和脂肪族碳氢化合物组成。
生物沥青是一种绿色环保的替代化石沥青的新型材料,具有良好的性能,如高强度、高粘度、高柔性、防水性、防腐性、抗老化性,并且可以循环再利用,对环境友好。
本文就生物沥青的制备方法及其性能进行综述。
一、生物沥青的制备方法1. 生物沥青的提取生物沥青是通过植物本身的代谢过程形成的一种独特的物质,因此生物沥青的提取方法主要是通过植物的直接提取来实现。
目前,生物沥青的主要来源有油茶、松树、榆树、海藻等。
因此,不同的植物需要采用不同的提取方法。
常见的生物沥青提取方法有溶剂提取法、熔融提取法、超声波提取法等。
其中,溶剂提取法是最常用的方法之一。
溶剂提取法可以通过提取溶剂调整提取温度和压力来实现生物沥青的提取。
通常使用的溶剂有甲醇、乙醇、石油醚、氯仿和苯等。
生物沥青的加工是指在提取后,对生物沥青进行纯净化、改性和调整粘度等处理。
这些加工可以通过氧化、裂解、酯化、酸化等化学方法来完成,也可以通过物理方法如过滤、干燥、脱水等进行。
二、生物沥青的性能生物沥青具有高强度、高粘度和高柔性的特性。
这些特性使得生物沥青在道路、桥梁、隧道等工程建设中具有很好的应用前景。
2. 生物沥青具有优秀的防水性生物沥青具有良好的防水性,可以避免雨水渗透到道路基层,降低路面变形的风险。
生物沥青具有很好的防腐性能,可以有效防止化学物质的侵蚀,提高了生物沥青的耐久性。
生物沥青具有抗老化性良好的特性,可以在不同环境下长时间使用。
另外,生物沥青在使用过程中,可以通过再循环利用减轻对环境的污染。
三、结论生物沥青是一种具有良好性能的新型材料,其具有优秀的机械性能、防水性、防腐性和抗老化性能等特点。
目前,生物沥青的提取和加工方法还存在一些问题,但是已经开始受到越来越多的研究者和工程师的关注,相信在不久的将来,生物沥青会在道路、桥梁、隧道等工程建设中被广泛应用。
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测细胞毒性的一种快速简便的方法。
该方法能够同时观察生物材料的原发性及继发性细胞毒性,其优点是敏感可靠、易推广,适用于短期内评价有轻度毒性的生物材料,但它存在影响析出产物从材料中扩散的缺点。
琼脂覆盖法是将含有培养液的琼脂层平铺在有单层细胞的培养皿中,再在固化的琼脂层上放上试样进行细胞培养。
此法的优点是适用于多种类型的材料,缺点是其敏感性受到试样溶出物在琼脂层上扩散程度的影响。
同时由于其快速、简便的特点使得该方法的应用同样较为广泛,但往往为了提高细胞毒性检验结果的可靠性需要将多种方法结合。
贺亚敏等人同时采用MTT法和琼脂覆盖法对聚丙烯酰胺水凝胶、类金刚石和天然提取物壳聚糖等5种材料的细胞毒性进行评价,得到了更具说服力的实验结果[12]。
张燕搏等人同样上述两种方法对自行合成的4种构建组织工程血管的材料进行生物细胞毒性的评价,并表明两种方法的有效性[13]。
2.2 血液相容性实验血液相容性是生物材料与血液接触时对血液破坏作用的量度,包括是否导致血栓、红细胞破坏、血小板减少或被激活; 是否激活凝血因子和补体系统;是否影响血液中多种酶的活性和引起有害的免疫反应等[14]。
生物材料植入人体后由于其表面所带的电荷将会激活凝血因子并通过负责的酶促反应使得凝血酶原转化为凝血酶,并进一步形成血栓;同时当生物材料和血液接触后血浆蛋白会在其表面迅速吸附,表面吸附蛋白的种类将会影响血小板的吸附和激活并进一步影响血栓的形成;除此之外血小板和生物材料的相互作用也是血液相容性研究的重要方面,而血小板被激活的机理尚不清楚[15]。
图2 材料与血液的相互作用血液相容性评价实验类型包括体外实验、半体内试验和体内试验[15]。
体外实验是指在体外使材料和血液的接触尽可能模拟血液在体内的环境(例如温度、材料和血液接触界面的剪切力),其优点是试验操作简单、条件容易控制、试验费用少和试验周期短。
半体内试验是指将动物体内血液引出体外与材料接触后再直接返回体内(循环),或者与材料接触收集到容器里(单向)。
其优点是可以使用流动的活体血,避免了可能由抗凝剂造成的假象。
体内试验是直接将生物材料置入到动物体内,等到试验结束时取出材料再进行评价,与体外试验相比优点是具有更好的临床相关性,但它和半体内试验的缺点是受所使用的动物种属和动物个体间的差异影响大,而且还需要大量的实验动物。
目前,只有极少数体外和半体内试验能对与血液接触的材料表面进行较好的表征[16]。
血液相容性评价研究对用于心血管体系的生物材料发展有着非常重要的作用, 但由于凝血机理和体内环境的复杂性及多变性,到目前为止还不能立一套相关的评价标准。
3 生物材料的表面改性在初步了解了材料和组织细胞和分子的相互作用并掌握了多元化的生物相容性检测方法之后,如何通过对现有的材料和制备方法的改进进一步提高材料的生物相容性成为了亟待解决的问题。
近些年来对此的研究不断见诸报道,文章将从金属生物材料和高分子生物材料两部分简要介绍提高生物形容性的方法及相关的研究进展。
3.1 高分子表面改性技术高分子材料在组织工程中的应用是生物材料中非常重要的一个分支,天然高分子(如:甲壳素、纤维素等)和人工合成的高分子(如聚氨酯、医用硅橡胶等)都已经在医疗领域得到了广泛的应用。
一般认为影响高分子生物相容性的因素主要包括材料的表面化学结构、亲疏水性以及电荷状况等[17],针对上述影响因素的表面改性研究得到了广泛的关注。
表面涂层技术是生物医用材料表面改性的一类常用技术,主要通过在高分子材料表面增加抗凝血涂层,钝化敏感的生物材料表面,使血液不能直接与之接触,从而有效提高材料的生物相容性。
王芬对聚四氟乙烯表面抗凝血的改性及相关涂层材料进行了研究,其首先通过同时通过氨基化聚乳酸与二氯磷酰胆碱反应合成了含磷脂酰胆碱基聚乳酸PLA-PC,并将其涂覆于聚四氟乙烯表面,通过对涂覆后材料的表面接触角、表面能以及抗凝血性能进行测定后发现表面涂层可显著提高材料的亲水性和抗凝血性[18]。