生物医学材料的应用总结

2024-09-03

生物医学材料的应用总结

　　篇一：纳米生物医学材料的应用

　　纳米生物医学材料的应用

　　摘要：纳米材料和纳米技术是八十年代以来兴起的一个崭新的领域,随着研究的深入和技术的发展,纳米材料开始与许多学科相互交叉、渗透,显示出巨大的潜在应用价值,并且已经在一些领域获得了初步的应用。本文论述了纳米陶瓷材料、纳米碳材料、纳米高分子材料、微乳液以及纳米复合材料等在生物医学领域中的研究进展和应用。

　　关键字：纳米材料；生物医学；进展；应用

　　1. 前言

　　纳米材料是结构单元尺寸小于100nm的晶体或非晶体。所有的纳米材料都具有三个共同的结构特点:(1)纳米尺度的结构单元或特征维度尺寸在纳米数量级(1~100nm),(2)有大量的界面或自由表面,(3)各纳米单元之间存在着或强或弱的相互作用。由于这种结构上的特殊性,使纳米材料具有一些独特的效应,包括小尺寸效应和表面或界面效应等,因而在性能上与具有相同组成的传统概念上的微米材料有非常显著的差异,表现出许多优异的性能和全新的功能,已在许多领域展示出广阔的应用前景,引起了世界各国科技界和产业界的广泛关注。

　　“纳米材料”的概念是80年代初形成的。1984年Gleiter首次用惰性气体蒸发原位加热法制备成功具有清洁表面的纳米块材料并对其各种物性进行了系统研究。1987年美国和西德同时报道,成功制备了具有清洁界面的陶瓷二氧化钛。从那时以来,用各种方法所制备的人工纳米材料已多达数百种。人们正广泛地探索新型纳米材料,系统研究纳米材料的性能、微观结构、谱学特征及应用前景,取得了大量具有理论意义和重要应用价值的结果。纳米材料已成为材料科学和凝聚态物理领域中的热点,是当前国际上的前沿研究课题之一[1]。

　　2. 纳米陶瓷材料

　　纳米陶瓷是八十年代中期发展起来的先进材料,是由纳米级水平显微结构组成的新型陶瓷材料,它的晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔尺寸、缺陷尺寸等都只限于 100nm量级的水平[2]。纳米微粒所具有的小尺寸效应、表面与界面效应使纳米陶瓷呈现出与传统陶瓷显著不同的独特性能。纳米陶瓷已成为当前材料科学、凝聚态物理研究的前沿热点领域,是纳米科学技术的重要组成部分[3]。陶瓷是一种多晶材料,它是由晶粒和晶界所组成的烧结体。由于工艺上的原因,很难避免材料中存在气孔和微小裂纹。决定陶瓷性能的主要因素是组成和显微结构,即晶粒、晶界、气孔或裂纹的组合性状,其中最主要的是晶粒尺寸问题,晶粒尺寸的减小将对材料的力学性能产生很大影响,使材料的强度、韧性和超塑性大大提高。

　　常规陶瓷由于气孔、缺陷的影响,存在着低温脆性的缺点,它的弹性模量远高于人骨,力学相容性欠佳,容易发生断裂破坏,强度和韧性都还不能满足临床上的高要求,使它的应用受到一定的限制。例如普通陶瓷只有在1 000℃以上,应变速率小于10-4/s时,才会发生塑性变形。而纳米陶瓷由于晶粒很小,使材料中的内在气孔或缺陷尺寸大大减少,材料不易造成穿晶断裂,有利于提高材料的断裂韧性;而晶粒的细化又同时使晶界数量大大增加,有助于晶粒间的滑移,使纳米陶瓷表现出独特的超塑性。许多纳米陶瓷在室温下或较低温度下就可以发生塑性变形。例如:纳米TiO2(8nm)陶瓷和CaF2陶瓷在180℃下,在外力作用下呈正弦形塑性弯曲。即使是带裂纹的TiO2纳米陶瓷也能经受一定程度的弯曲而裂纹不扩散。但在同样条件下,粗晶材料则呈现脆性断裂。纳米陶瓷的超塑性是其最引入注目的成果。

　　传统的氧化物陶瓷是一类重要的生物医学材料,在临床上已有多方面应用,主要用于制造人工骨、人工足关节、肘关节、肩关节、骨螺钉、人工齿,以及牙种植体、耳听骨修复体等等。此外还用作负重的骨杆、锥体人工骨、修补移植海绵骨的充填材料、不受负重影响的人工海绵骨及兼有移植骨作用的髓内固定材料等。纳米陶瓷的问世,将使陶瓷材料在强度、硬度、韧性和超塑性上都得到提高,因此,在人工器官制造、临床应用等方面纳米陶瓷材料将比传统陶瓷有更广泛的应用并具有极大的发展前景[1]。

　　目前, 对于具有良好力学性能和生物相容性、生物活性的种植体的需求越来越大, 由于生物陶瓷材料存在强韧性的局限性, 大规模临床应用还面临挑战。随着纳米技术和纳米材料研究的深入, 纳米生物陶瓷材料的优势将逐步显现, 其强度、韧性、硬度以及生物相容性都有显著提高, 随着生物医用材料研究的不断完善,纳米生物陶瓷材料终将为人类再塑健康人体[4]。

　　经过近几年的发展，纳米生物陶瓷材料研究已取得了可喜的成绩，但从整体来分析，此领域尚处于起步阶段，许多基础理论和实践应用还有待于进一步研究。如纳米生物陶瓷材料制备技术的研究——如何降低成本使其成为一种平民化的医用材料；新型纳米生物陶瓷材料的开发和利用；如何尽快使功能性纳米生物陶瓷材料从展望变为现实，从实验室走向临床；大力推进分子纳米技术的发展，早日实现在分子水平上构建器械和装置，用于维护人体健康等，这些工作还有待于材料工作者和医学工作者的竭诚合作和共同努力才能够实现[5]。

　　3. 纳米碳材料

　　纳米碳材料由碳元素组成的碳纳米材料统称为纳米碳材料。在纳米碳材料群中主要包括纳米碳管、气相生长碳纤维、类金刚石碳等;纳米碳管、纳米碳纤维通常是以过渡金属 Fe、Co、Ni 及其合金为催化剂，以低碳烃化合物为碳源，以氢气为载气，在 873～1473K 的温度下生成的，其中的超微型气相生长碳纤

　　维又称为碳晶须,具有超常的物化特性，被认为是超强纤维。由它作为增强剂所制成的碳纤维增强复合材料，可以显著改善材料的力学、热学及光、电等性能,在催化剂载体、储能材料、电极材料、高效吸附剂、分离剂、结构增强材料等许多领域有着广阔的应用前景[6]。

　　纳米碳纤维除了具有微米级碳纤维的低密度、高比模量、比强度、高导电性之外,还具有缺陷数量极少、比表面积大、结构致密等特点,这些超常特性和良好的生物相容性,使它在医学领域中有广泛的应用前景,包括使人工器官、人工骨、人工齿、人工肌腱在强度、硬度、韧性等多方面的性能显著提高;此外,利用纳米碳材料的高效吸附特性,还可以将它用于血液的净化系统,清除某些特定的病毒或成份。

　　纳米碳材料是目前碳领域中崭新的高功能、高性能材料,也是一个新的研究生长点。对它的应用开发正处于起步阶段，在生物医学领域中，纳米碳材料有重要的应用潜能。

　　4. 纳米高分子材料

　　纳米高分子材料也可以称为高分子纳米微粒或高分子超微粒，主要通过微乳液聚合的方法得到。这种超微粒子具有巨大的比表面积，出现了一些普通微米级材料所不具有的新性质和新功能,已引起了广泛的注意。

　　聚合物微粒尺寸减小到纳米量级后,高分子的特性发生了很大的变化,主要表现在表面效应和体积效应两方面。表面效应是指超细微粒的表面原子数与总原子数之比随着粒径变小而急剧增大,表面原子的晶场环境和结合能与内部原子不同,因缺少相邻原子而呈现不饱和状态,具有很大的活性,它的表面能大大增加,易与其它原子相结合而稳定下来。体积效应是由于超微粒包含的原子数减少而使带电能级间歇加大,物质的一些物理性质因为能级间歇的不连续而发生异常。这两种效应具体反映在纳米高分子材料上,表现为比表面积激增,粒子上的官能团密度和选择性吸附能力变大,达到吸附平衡的时间大大缩短,粒子的胶体稳定性显著提高。这些特性为它们在生物医学领域中的应用创造了有利条件。目前，纳米高分子材料的应用已涉及免疫分析、药物控制释放载体、及介入性诊疗等许多方面[7]。

　　纳米级骨修复材料具有传统材料无可比拟的生物学性能，已在组织工程和生物材料研究中显示出广阔的应用前景，将不同生物材料复合加工，研制出类似人骨的材料，将是今后骨修复材料的研究重点。当前用于骨科临床的纳米产品不多，其性能、微观结构和生物学效应尚有待系统研究。我们相信随着纳米技术、组织工程技术和生物技术的发展与综合，必将研制出新一代性能优异的纳米骨材料，为治愈骨缺损和骨折提供最佳的选择[8]。

　　5. 纳米复合材料

　　纳米复合材料包括三种形式，即由两种以上纳米尺寸的粒子进行复合或两种

　　以上厚薄的薄膜交替叠迭或纳米粒子和薄膜复合的复合材料。前者由于纳米尺寸的粒子具有很大的表面能，同时粒子之间的界面区已经大到超常的程度，所以使一些通常不易固溶、混溶的组份有可能在纳米尺度上复合，从而形成新型的复合材料，研究和开发无机/无机、有机/无机、有机/ 有机以及生物活性/非生物活性的纳米结构复合材料是获得性能优异的新一代功能复合材料的崭新途径。

　　目前应用较广的医用材料多由一些有机高分子制成,受高分子的固有性质所限,材料的机械性能不够理想。碳纳米管具有比重低、长径比高、并且可以重复弯曲、扭折而不破坏结构,因此是制备强度高、重量轻、性能好的复合材料的最佳承荷增强材料。很多研究表明,向高分子材料中加入碳纳米管可以显著改善原有聚合物的传导性、强度、弹性、韧性和耐久性等性质。已经涉及的高分子材料包括聚氨酯、环氧树脂、聚苯乙烯等。对聚氨酯/多壁碳纳米管复合膜[9]和聚苯乙烯/多壁碳纳米管复合膜[10]的机械拉伸实验均显示,当碳纳米管与基体间存在良好的界面结合时,聚合物中的碳纳米管可以增强聚合物抗张强度。研究还发现,对碳纳米管进行石墨化温度处理和进行功能化有助于增强碳纳米管与聚合物基体间的相互作用[10],对于碳纳米管相关的复合膜和复合纤维的机械性能都有改善作用。Webster等[9]发现,MWNT和聚氨酯形成的复合材料较之传统的医用聚氨酯具有更好的电导性和机械强度,适合制造应用于临床的在体设备,如可能作为检查神经组织功能恢复情况的探针和骨科应用的假体等。

　　6. 微乳液

　　微乳液是由油、水、表面活性剂和表面活性剂助剂构成的透明液体，是一类各向同性、粒径为纳米级的、热力学、动力学稳定的胶体分散体系。微乳液是热力学稳定体系，可以自发形成。微乳液小球的粒径小于 100nm，微乳液呈透明或微蓝色。微乳液结构的特殊性使它具有重要的应用前景。近年来，随着乳液聚合理论和技术研究的不断深入，新型材料制备及分离技术的不断发展，人们对微乳液的应用研究十分关注，不断开发它在各领域中的应用，其中一些研究成果已转入实用化。

　　7. 总结

　　纳米材料是80年代中期发展起来的新型材料,它所具有的独特结构使它显示出独特而优异的性能。尽管已对纳米材料的制备、结构与性能进行了大量的研究,但在基础理论及应用开发等方面还有大量的工作尚待进行[11]。

　　8. 展望

　　纳米材料所展示出的优异性能预示着它在生物医学工程领域,尤其在组织工程支架、人工器官材料、介入性诊疗器械、控制释放药物载体、血液净化、生物大分子分离等众多方面具有广泛的和诱人的应用前景。随着纳米技术在医学领域中的应用,临床医疗将变得节奏更快、效率更高,诊断、检查更准确,治疗更有效[12]。

　　参考文献

　　[1] 许海燕,孔桦.纳米材料的研究进展及其在生物医学中的应用[J]. 基础医学与临床 ,2002,22(2):97-103.

　　[2] 郭景坤,徐跃萍.纳米陶瓷及其进展[Ｊ].硅酸盐学报,1992,20(3):286-291.

　　[3] 严东生.纳米材料的合成与制备[Ｊ].无机材料学报,1995,10(1):1-6.

　　[4] 王竹菊,韩文波,陶树青.纳米生物陶瓷材料面对骨科应用中强度和韧性的挑战[J].中国组织工程研究与临床康复 ,2007,1(11):160-163.

　　[5] 蔡玉荣,周廉.用作生物材料的纳米陶瓷. [Ｊ].稀有金属快报,2002,2:1-3.

　　[6] 张锡玮.纳米碳纤维[Ｊ].高等学校化学学报,1997,18(11):1899-1901.

　　[7] 严希康,朱留沙,董建春.聚合物粒子在生物化学与生物医学中的应用 [J]. 功能高分子学报,1997,10(3):128-132.

　　[8] 李坚. 高分子纳米材料的研制及用于骨组织工程的初步研究[L]. 博士学位论文 ,2006

　　[9] Webster TJ,Waid MC, McKenzie JL,et al.Nano-biotechnology: carbon nanofibres as improved neural andorthopaedic implants. Nano Tech, 2004; 15∶48

　　[10] Andrews R, Jacques D, Qian DL,et al. Multiwall carbonnanotubes: synthesis and application. Acc Chem Res, 2002;35(12)∶1008

　　[11] 许海燕,孔桦,杨子彬.纳米材料及其在生物医学工程中的应用[J]. 国外医学生物医学工程分册 ,1998,21(5):262-266.

　　[12] 王娟娟,马晓燕,梁国正. 纳米材料在生物医学中的应用[Ｊ]. 化工新型材料，2003,31(6):1-4.

　　篇二：生物医用高分子材料的应用与发展

　　生物医用高分子材料的应用与发展

　　摘要：本文综述了生物医用高分子材料的分类、特点及基本条件，概述了医用高分子材料的研究现状及其用途，并浅谈了医用高分子材料的发展及展望。

　　关键词：生物医用高分子材料，应用，展望

　　生物材料也称为生物医学材料,是指以医疗为目的,用于与生物组织接触以形成功能的无生命的材料。主要包括生物医用高分子材料、生物医用陶瓷材料、生物医用金属材料和生物医用复合材料等。研究领域涉及材料学、化学、医学、生命科学，生物医用高分子材料是一门介于现代医学和高分子科学之间的新兴学科。它涉及到物理学、化学、生物化学、病理学、血液学等多种边缘学科。目前医用高分子材料的应用已遍及整个医学领域(如:人工器官、外科修复、理疗康复、诊断治疗等)。

　　由于医用高分子材料可以通过组成和结构的控制而使材料具有不同的物理和化学性质,以满足不同的需求,耐生物老化,作为长期植入材料具有良好的生物稳定性和物理、机械性能,易加工成型,原料易得,便于消毒灭菌,因此受到人们普遍关注,已成为生物材料中用途最广、用量最大的品种,近年来发展需求量增长十分迅速。医用高分子材料的研究目前仍然处于经验和半经验阶段,还没有能够建立在分子设计的基础上,以材料的结构与性能关系,材料的化学组成、表面性质和生命体组织的相容性之间的关系为依据来研究开发新材料。目前全世界应用的有90多个品种,西方国家消耗的医用高分子材料每年以10%~20%的速度增长。随着人民生活水平的提高和对生命质量的追求,我国对医用高分子材料的需求也会不断增加。

　　1 医用高分子材料的特点及基本条件

　　医用高分子材料需长期与人体体表、血液、体液接触,有的甚至要求永久性植入体内。因此,这类材料必须具有优良的生物体替代性(力学性能、功能性)和生物相容性。

　　a·生物功能性:因各种医用高分子材料的用途而异,如:作为缓释药物时,药物的缓释性能就是其生物功能性。

　　b·生物相容性:医用高分子材料的生物相容性包括2个方面:一是材料反应,主要包括材料在生物环境中被腐蚀、吸收、降解、磨损和失效等;二是宿主反应,包括局部和全身反应,如炎症、细胞毒性、凝血、过敏、致畸和免疫反应等。 c·可加工性:能够成型、消毒(紫外灭菌、高压煮沸、环氧乙烷气体消毒、酒精消毒等)。

　　在物理性能、化学性能实验、型式检验、动物实验、临床实验等不同阶段的试验,材料市场化需要经国家和地方食品药品监督管理局的批准,且报批程序复杂、费用高,所以医用高分子材料的研发成本高、风险大。

　　2 医用高分子材料的主要类别

　　生物医用高分子材料主要有天然生物材料和合成高分子材料。

　　2.1 天然生物材料

　　天然生物材料是指从自然界现有的动、植物体中提取的天然活性高分子,如从各种甲壳类、昆虫类动物体中提取的甲壳质壳聚糖纤维,从海藻植物中提取的海藻酸盐,从桑蚕体内分泌的蚕丝经再生制得的丝素纤维与丝素膜,以及由牛屈肌腱重新组构而成的骨胶原纤维等。这些纤维都具有很高的生物功能和很好的生物适应性,在保护伤口、加速创面愈合方面具有强大的优势,已引起国内外医务界广泛的关注。

　　据日本、美国的多项专利介绍,由壳聚糖纤维制得的手术缝合线既能满足手术操作时对强度和柔软性的要求,同时还具有消炎止痛、促进伤口愈合、能被人体吸收的功效,是最为理想的手术缝合线;壳聚糖纤维制造的人造皮肤,通过血清蛋白质对甲壳素微细纤维进行处理,可提高对创面浸出的血清蛋白质的吸附性,有利于创口愈合,在各类人造皮肤中其综合疗效最佳。据研究报道,已用于酶固定化、细胞培养、创面覆盖材料和人工皮肤以及药物缓释材料等医学各领域,尤其各种再生丝素膜在人工皮肤、烧伤感染创面上的应用显示了独特的优势,临床应用价值显著,前景广阔。

　　2.2 合成高分子材料

　　合成高分子材料因与人体器官组织的天然高分子有着极其相似的化学结构和物理性能，因而可以植入人体，部分或全部取代有关器官。因此，在现代医学领域得到了最为广泛的应用，成为现代医学的重要支柱材料。当前研究主要集中在外科置入件用高分子材料和生物降解及药物控制释放材料。

　　外科置入件用高分子材料耐生物老化,作为长期置入材料具有良好的生物稳定性和物理、机械性能，易于加工成型,原料易得，便于消毒,受到人们普遍的关注,这类材料主要用于生物体软、硬组织修复体、人工器官、人工血管、接触镜、膜材、粘结剂和空腔制品诸方面。其特点是大多数不具有生物活性，与组织不易牢固结合，易导致毒性、过

　　敏性等反应。不过作为承重的植入件用高分子材料还有许多方面的问题，目前研究主要集中在提高材料的对生物体的安全性；提高组织相容性和血液相容性；改善生物学性能，改善提高力学、机械、物理性能。在生物膜材料方面，属于线性高分子多糖结构的壳聚糖是甲壳质脱乙酰基的衍生物，无毒、无抗原性，可在生物体内自行降解.壳聚糖膜有促进创面愈合的作用，具有良好通透性，且含有游离氨基，能结合酸分子，是天然多糖中唯一的碱性多糖。因而具有许多特殊的物理化学性质和生理功能，在医学生物材料上可作为人工肾膜和人造皮肤。

　　生物降解型医用高分子材料的主要成分是聚乳酸、聚乙烯醇及改性的天然多糖和蛋白质等，在临床上主要用于暂时执行替换组织和器官的功能，或作药物缓释系统和送达载体、可吸收性外科缝线、创伤敷料等。其特点是易降解，降解产物经代谢排出体外，对组织生长无影响，目前已成为医用高分子材料发展的方向。

　　高分子药物控制释放体系不仅能提高药效，简化给药方式，大大降低了药物的毒副作用，而且纳米靶向控制释放体系使药物在预定的部位，按设计的剂量，在需要的时间范围内以一定的速度在体内缓慢释放，而达到治疗某种疾病或调

　　节生育的目的，比如高分子多肽或蛋白药物控制释放体系新的研究进展，为那些口服无效的多肽或蛋白药物的临床应用，展示了令人鼓舞的前景。

　　3 医用高分子材料的几个典型应用

　　3.1 人工组织

　　在各种人工骨、人工关节、牙根等方面，医药高分子材料是医学临床上应用量很大的一类产品,涉及医学临床的骨科、颌面外科、口腔科、颅脑外科和整形外科等多个专科,往往要求具有与替代组织类似的机械性能,同时能够与周围组织结合在一起。最常用的是超高分子量聚乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯等非降解材料，而聚乳酸（PLA）、壳聚糖和聚酸酐等可生物降解材料也得到了广泛研究和应用。

　　传统的金属－超高分子量聚乙烯（UHMWPE）广泛应用于人工髋关节领域，

　　Harris等的研究证明，采用电离辐射或γ射线辐射，剂量达到50kGy时就能增加PE的交联度、提高PE的抗磨损。目前，高交联UHMWPE已作为最有希望的减少PE磨损及其后续骨溶解的措施，获得了临床的广泛应用。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）即通常所指的普通骨水泥，最常用于人工关节置换术中填充骨和假体之间的缝隙，可使人工假体机械嵌插负重面积增加，负重能力增强。黄平等，研究表明，骨水泥病灶充填治疗骨盆四肢转移性骨肿瘤能提高生存时间，改善生活质量。

　　常用作骨科材料的可降解吸收高分子材料主要有聚乳酸、甲壳素等，而抗生素－聚酸酐缓释剂也已得到了深入的研究。聚乳酸（PLA）属于聚酯类材料，不仅具有良好的生物相容性，还具有适宜的生物降解特性、优良的力学性能和可加工性，在实验及临床应用中表现出良好的骨修复作用，由 PLA制作的螺钉、髓内棒、针、膜已商业化。聚酸酐是20世纪80年代初美国麻省理工学院Langer等发现的一类新型可生物降解的合成高分子材料，现已广泛用于化疗剂、抗生素药物、多肽和蛋白制剂（如胰岛素、生长因子）、多糖（如肝素）等药物的控释研究。庆大霉素等抗生素与聚酸酐组成的缓释给药系统应用于骨髓炎的治疗也已取得初步成功。对于聚酸酐释药模型、剂型工艺和质量标准的研究将是未来的重点之一。

　　3.2 人工脏器

　　随着科学的发展，由高分子材料制成的人工脏器正在从体外使用型向内植型发展，为满足医用功能性、生物相容性的要求，把酶和生物细胞固定在合成高分子材料上，能够克服合成材料的缺点，从而制成各种脏器满足医学要求。作为软组织材料的一个重要组成部分的人工器官,其应用前景已为人们所看好。随着人工脏器性能的不断完善,其在临床上的应用必将越来越广泛。主要有：人工肺、人工肾(透析型、过滤型、吸附型)、人工肝脏、人工心脏、人工食管、人工膀胱等。

　　美国开发了“左心室同轴对称辅助泵”。此设备是气动的，压缩空气使聚氨酯橡胶球式泵腔张合，帮助输送血液。球囊外包一金属钛壳，在钛壳和球囊与血液接触的表面按严格规定栽植了聚酯纤维，以有利于生物衬里的生成。通过手术将此设备安置在左心室顶部(人血口)和主动脉(出血口)之间，压缩空气管从胸腔

　　和腹部引出。膜式人工肺从1955年开始试制。曾用过聚乙烯、醋酸纤维素、聚四氟乙烯等，但对气体的透过性不够好。正在研制的富氧膜有硅橡胶(SR)、聚烷基砜(PAS)、硅酮、聚碳酸酯，它们的综合性能很好。加拿大皮埃尔、莫林等研制的一种人工肺，构造比较简单，没有电子或机械仪器，是用具有特殊性能的人造海绵制成的。，但要把这种人工肺移植到人体，尚需解决排异反应和凝血等问题。

　　人工肾血液透析器所用中空纤维的材质大多为再生纤维素或纤维素酯，如ENKA Glanzstoff公司的铜胺膜（cuprophane），Cordis DOW公司的醋酸纤维素膜，东华大学开发的粘胶法纤维素和非水溶剂法纤维素膜。东华大学研制的聚丙烯腈中空纤维腹水超滤浓缩回输器，已在上海华东医院和中山医院临床应用，治疗效果明显，东华大学与上海德圆科技发展公司合作制成的腹水透析浓缩器及其配套设备，已经国家医药管理总局和上海医药局批准生产和应用。

　　3.3 药用高分子

　　目前药用高分子材料主要以下 3 种用途：（1）药物制剂和包装用高分子材料。（2）高分子药物，包括带有高分子链的药物和具有药理活性的高分子；（3）

　　高分子缓释药物载体。与低分子药物相比,药高分子材料具有低毒、高效、缓释、长效、可定点释放等优点。高分子材料制备药物控制释放制剂主要有两个目的:1)为了使药物以最小的剂量在特定部位产生治疗药效;2)优化药物释放速率以提高疗效,降低毒副作用。

　　近期研究如：Meyer DE,Chikoti A 等将异丙基丙烯酰胺聚合物( PNIPAM) 用于局部高热性实质性肿瘤靶向给药, 用于控释药物的包衣, PNIPAM聚合物被用于眼药水的制备, 发现体外试验中无细胞毒性,在小鼠实验中也没发现严重的神经毒性。最近 Krum Kafedjiiski等人合成了壳聚糖- 硫代酰胺盐, 解决了其他衍生物不够稳定的特点, 虽然在水溶液中的溶胀没有明显提高, 但空白

　　基质片中 3h 内的累积释放呈零级动力学。所以说,chitosan- TEA 有望成为各种给药系统的新型辅料。Carmen Calinesu 等合成了三种不同分子量的CM-HAS, 用于含有生物成分的剂型, 调节和保护药物的释放。CM- HAS 作为一种新型的药用辅料可以用于疫苗和生物菌的控释和靶向给药。

　　3.4 其他

　　一次性高分子用品(注射器、输血输液袋等)、高分子绷带材料(弹性绷带、高分子代用石膏绷带、防滑脱绷带)、医用缝合线、护理用高分子材料,如:吸水性树脂(尿不湿、卫生巾、弹性冰、防褥疮护理材料)等护理和医疗用具均选用高分子材料制的。常用的材料有：聚氯乙烯(PVC)是常用的制造一次性医用导管的材料。聚乳酸酯是第一批被FDA认可的可降解材料,现正开发用于手术缝线、骨钉等,有很好的发展前景。

　　除上述几个方面的用途之外,医用高分子材料还可用于医疗诊断(如免疫荧光微球)和生物工程试剂等方面。

　　总之,医用高分子材料在生命科学、医疗器械、药物等领域中已得到广泛而重要的应用,但还有巨大潜力可挖,随着生命科学的发展及生物材料的研究,将为人类社会做出更大的贡献。

　　4 展望

　　目前对医用高分子材料的研究主要集中在以下几个方面:

　　a·提高材料对人体的安全性;

　　b·提高组织相容性和血液相容性;

　　c·改善生物学性能;

　　d·改善、提高力学、机械、物理性能

　　我国医用高分子材料的研究起步较早、发展较快，但同发达国家相比,我国的医用高分子相关产业的规模以及研究开发的水平都还有较大的差距。我国加入WTO后医用材料产业将面临重大挑战和机遇,所以应在国家的大力支持下,跨部门、跨学科通力合作,通过走自力更生与技术引进相结合之路,在生物材料、分子设计、仿生模拟、智能化药物控施等方面重点投入。

　　更多医用高分子材料的研究将更多地挽救临危病人,高分子长效缓释药物将给人类的健康带来福音。由于一切生命物质的基本单元都是有机分子,而人体就是由多种功能高分子复杂组装起来的有机结合体,因此,从分子设计理论的角度来看,由人工合成各种功能的生物医用高分子都是可能的,功能高分子具有向一切领域纵深发展的美妙前景。

　　篇三：纳米材料在生物医学中的应用

　　纳米材料在生物医学中的应用

　　【摘要】纳米材料和纳米技术在最近几年得到了科学界的重视，其在各个领域的应用都越来越广泛。由于纳米材料的特殊的尺寸效应，纳米颗粒、纳米管以及各种纳米技术在生物医学方面的应用正蓬勃发展，势头十足。在这些应用领域发展的同时，人们也逐渐认识到其中的一些问题，如纳米材料的生物毒性等，并逐渐进行研究和改进。

　　【关键词】纳米材料纳米颗粒纳米管生物医学生物毒性

　　纳米材料是指尺度在1nm—100nm范围内的材料，常见的有零维纳米颗粒和一维纳米材料，后者包括纳米棒、纳米线和纳米管等等。纳米技术是指在纳米尺度范围内，操纵原子、分子或原子团、分子团，使它们重新排列组合,创造具有特定功能的新物质的科学技术。纳米材料的研究和纳米技术在最近几年得到了广泛的重视和发展，并被应用到很多领域。

　　纳米材料自从在微电子和半导体工业中得到了成功应用之后，现在正逐渐被应用于生物医学方面，并取得了良好的效果。纳米微粒在性能上与通常所用的宏观材料完全不同，具有很多特殊性。这些特殊的性能主要是与其特殊的体积所引起，主要表现为表面与界面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应等。纳米微粒的这些特殊性能使得其在实际应用中具有很多特殊的效果，如比表面积大、表面活性中心多、表面反应活性高、强烈的吸附能力、较高催化能力、低毒性以及不易受体内和细胞内各种酶降解等。这些特殊的表现，使得其在生物医学方面得到广泛的应用。纳米微粒在生物医学应用上占据了很大的地位，但一维纳米材料如纳米管在一些特殊的生物应用中具有独特的优势，也开始受到重视。纳米管具有较大的内部空腔体积，从小分子到蛋白质分子等许多化学或生物物质都可被填充其中；此外，纳米管具有明显的内、外表面和开放的端口，便于进行不同的化学或生物化学修饰改性。下面分别介绍两者在生物医学方面的应用。

　　1、纳米微粒在生物医学上的应用

　　应用于生物体内应用的纳米材料，它本身既可以是具有生物活性，也可以不具有生物活性，但它在满足使用需要时还必须易于被生物体接受，而不引起不良反应。目前纳米微粒在这方面的应用十分的广泛，如生物芯片、纳米生物探针、

　　核磁共振成像技术、细胞分离和染色技术、作为药物或基因载体、生物替代纳米材料、生物传感器等很多领域。下面对一些比较成熟的技术作一些介绍。

　　1.1 生物芯片

　　生物芯片是在很小几何尺度的表面积上，装配一种或集成多种生物活性，仅用微量生理或生物采样即可以同时检测和研究不同的生物细胞、生物分子和DNA的特性以及它们之间的相互作用，从而获得生命微观活动的规律。其主要分为蛋白质芯片和基因芯片(即DNA芯片)两类，具有集成、并行和快速检测的优点，其发展的最终目标是将样品制备、生化反应到分析检测的全过程集成化以获得所谓的微型全分析系统。纳米基因芯片技术正是利用了大多数生物分子自身所带的正或负电荷，将电流加到测试板上使分子迅速运动并集中，通过电子学技术，分子在纳米基因芯片上的结合速度比传统方法提高一千倍。与常规技术相比，纳米基因芯片具有很多优点，如微电子技术使带电荷的分子运动速度加快，分子杂交的时间仅以分钟计而非传统技术的以小时计；灵活性强，测试基板可安排为各种点阵结构，可同时对一个样本进行多种测试，分析多种测试结果；用户容易按自己的要求建立测试点阵；可现场进行置换扩增，使测试敏感，更有力度等等。生物芯片最典型的应用就是进行分子诊断，用于基因研究和传染病研究等等。

　　1.2 纳米生物探针

　　纳米探针一种探测单个活细胞的纳米传感器，探头尺寸仅为纳米量级，当它插入活细胞时，可探知会导致肿瘤的早期DNA 损伤。一些高选择性和高灵敏度的纳米传感器可以用于探测很多细胞化学物质，可以监控活细胞的蛋白质和感兴趣的其他生物化学物质。还可以探测基因表达和靶细胞的蛋白生成，用于筛选微量药物，以确定那种药物能够最有效地阻止细胞内致病蛋白的活动。随着纳米技术的进步，最终实现评定单个细胞的健康状况。使用能够接受激光产生荧光的半导体量子点（一种半导体纳米微晶粒），可以改善由于传统有机荧光物质激发光谱范围窄、发射峰宽而且容易脱尾等现象。使用纳米生物荧光探针可以快速准确的选择性标记目标生物分子，灵敏测试细胞内的失踪剂，标记细胞，也可以用于细胞表面的标记研究。此外进行其它改造可以用以检测很多其他东西，如Cognet等人用10 nm的金颗粒标记膜蛋白用于蛋白质的成像检测，克服了荧光标记的褪色及闪动的缺点，检测灵敏度高，信号稳定。另有人选用葡萄糖包覆超顺磁性的

　　Fe3O4纳米粒子，通过葡萄糖表面的酞基化实现与抗体的偶联，制得Fe3O4/葡萄糖/抗体磁性纳米生物探针，将此探针进行层析实验，结果表明，该探针完全适用于快速免疫检测的需要。

　　1.3 核磁共振成像技术

　　该技术是现在医学中使用较多的一种技术，其使用的纳米微粒主要是纳米级的超顺磁性氧化铁粒子。根据产品的颗粒大小可以分为两种类型，一类是普通的超顺磁性氧化铁纳米粒子，一般直径在40—400 nm；另一类是超微型超顺磁性氧化铁纳米粒子，其最大直径不超过30 nm。该技术是因为人体的网状内皮系统具有一分丰富的巨噬细胞，这些吞噬细胞是人体细胞免疫系统的组成部分，当超顺磁性氧化铁纳米粒子通过静脉注射进入人体后，与血浆蛋白结合，并在调理素作用下被网状内皮系统识别，吞噬细胞就会把超顺磁性氧化铁纳米粒子作为异物而摄取，从而使超顺磁性氧化铁集中在网状内皮细胞的组织和器官中。吞噬细胞吞噬超顺磁性氧化铁使相应区域的信号降低，而肿瘤组织因不含正常的吞噬细胞而保持信号不变，从而可以鉴别肿瘤组织。使用纳米颗粒可以使得检测出的病灶直径从使用普通颗粒的1.5cm下降到0.3cm。

　　1.4 细胞分离和染色技术

　　血液中红细胞的大小为6000—9000 nm，一般细菌的长度为2000—3000 nm，引起人体发病的病毒尺寸一般为几十纳米，因此纳米微粒的尺寸比生物体内的细胞和红细胞小的多，这就为生物学研究提供了一条新的途径，即利用纳米颗粒进行细胞分离和细胞染色等。如研究表明，用SiO2纳米颗粒可进行细胞分离。在SiO2纳米颗粒表面，包覆一层与待分离细胞有较好亲和作用的物质，这种纳米颗粒可以分散在含多种细胞的胶体溶液，通过离心技术使细胞分离。这种方法有明显的优点和实用价值。使用不同的纳米颗粒与抗体的复合体与细胞、某些组织器器官和骨骼系统相结合，就相当于给组织贴上了标签，利用显微技术可以分辨各种组织，即用纳米颗粒进行细胞染色技术。

　　1.5 作为药物或基因载体

　　传统的给药方式主要是口服和注射。但是，新型药物的开发，特别是蛋白质、核酸等生物药物，要求有新的载体和药物输送技术，以尽可能降低药物的副作用，并获得更好的药效。粒子的尺寸直接影响药物输送系统的有效性。纳米结构的药

　　物输送是纳米医学领域的一个关键技术，具有提高药物的生物可利用度、改进药物的时间控制释放性能、以及使药物分子精确定位的潜能。纳米结构的药物输送系统的优势体现在能够直接将药物分子运送到细胞中，而且可以通过健康组织把药物送到肿瘤等靶组织。如通过制备大于正常健康组织的细胞间隙、小于肿瘤组织内孔隙的载药纳米粒子，就可以把治疗药物选择性地输送到肿瘤组织中去。当前研究的用于药物输送的纳米粒子主要包括生物型粒子、合成高分子粒子、硅基粒子、碳基粒子以及金属粒子等。用纳米控释系统输送核苷酸有许多优越性，如能保护核苷酸，防止降解，有助干核苷酸转染细胞，并可起到定位作用，能够靶向输送核苷酸等。还可以对于一些药材，如中药加工成由纳米级颗粒组成的药，有助于人体的吸收。

　　纳米微粒在生物医学上的应用远不止上面提到的这些，利用纳米微粒技术制备生物替代纳米材料、生物传感器等也已有很大发展。如纳米人工骨的研究成功，并已进行临床试验。功能性纳米粒子与生物大分子如多肽、蛋白质、核酸共价结合，在靶向药物输运和控制释放、基因治疗、癌症的早期诊断与治疗、生物芯片和生物传感器等许多方面显示出诱人的应用前景和理论研究价值。

　　2、纳米管在生物医学上的应用

　　如前面所述，纳米管以其特殊的性能，在生物医学方面得到较多的研究和应用。目前研究较多的纳米管有碳纳米管、硅纳米管、脂纳米管和肽纳米管等。这些纳米管主要是用于生物分离、生物催化、生物传感和检测等生物技术领域。

　　2.1 纳米管用于生物分离技术

　　对纳米管的内、外表面进行不同修饰后,可用作纳米相萃取器，如用其进行手性异构分子的分离。由于异构体分子之间的理化性质差别非常小，因此传统分离方法的选择性往往都很低。将抗体通过一定的化学试剂固定在硅纳米管的内外表面，利用抗体对异构体的特异结合作用，赋予纳米管手性识别能力，可以实现对特定手性异构体的拆分，该思路使得纳米管在手性生物物质分离方面的应用前景大为拓展。将用模板法制备的纳米管可以留在膜孔内可以用于分离。其分离机理之一即是上面提到的对纳米管的修饰，另一机理是调节纳米管的直径尺寸使之与混合物中相对较小的物质分子的尺寸相匹配，实现小分子与大分子物质的分

　　离，即所谓的筛分法。纳米管的应用使得对生命体中各种氨基酸、核酸分子的手性研究有了很大的进展。

　　2.2 纳米管用于生物催化技术

　　纳米管用于生物催化技术的最主要的一个原因就是其大的比表面积，如含酶纳米管可以在生物催化反应器中使用。通过醛基硅烷将葡萄糖氧化酶( GOD)结合到硅纳米管(管径60 nm) 的内外表面，形成的GOD纳米管催化剂可催化葡萄糖的氧化反应,且无泄漏。虽然与目前常用的其他共价法固定化酶介质(如聚合物、硅胶)相比，纳米管固定化酶的活性降低幅度还较大，但纳米管的微小尺寸、大比表面(120～700 m2·g - 1 )和优良的机械性使其更适合作为催化剂或载体用于生物微反应器。这些纳米管可以携带酶参加反应，其自身还能起到催化作用，如对于神经组织还是骨组织而言，使用碳纳米管含量较高的复合材料，均能促进组织再生，同时显著地抑制对植入设备产生不利影响的胶质痕迹和纤维组织的形成。

　　2.3 纳米管用于生物传感和检测

　　纳米管生物传感器是目前纳米管生物技术中研究最为活跃的领域。使用酶修饰电极是生物传感器的基本构件和关键，但实际上在酶的电化学反应中通常需要外加促进剂和电子媒介。研制适宜的电极材料和固定化方法对实现酶的直接电子转移反应和生物活性的维持非常重要。一般用聚合物膜来达到此要求，但由于其稳定性较差，制约其应用。相比之下，碳纳米管的机械强度高，比表面大，化学稳定性高，导电能力强且对环境和被吸附分子的变化敏感，是生物传感器中理想的固定化酶介质。除此之外，碳纳米管还有其它特点，如它可以改善参加反应的生物分子的氧化还原可逆性；降低氧化还原反应中的过电位；还可以直接进行电子传递，用于电流型酶传感器。由于碳纳米管具有一定的吸附特性，吸附的气体分子与碳纳米管发生相互作用，改变其费米能级引起其宏观电阻发生较大改变，可以通过检测其电阻变化来检测气体成分，因此碳纳米管还可用于制造气敏传感器。将碳纳米管用作原子力显微镜（AFM）的探针是比较理想的，它具有直径小、长径比大、化学和机械性能好、刚性极大等优点，制的AFM分辨率比普通的高，可用于分子生物学的研究。

　　纳米管还被用作养料或药物定向释放工具，还可以对单细胞进行操作，有望在人工器官与组织工程、药物(基因) 运载、重大疾病的早期诊断、生物医学仪

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