纳米生物学材料

纳米生物学材料

一、纳米生物医用材料的发展概况及趋势1」生物更用材料的概念和分类牛物医学材M(biomaterial)或叫牛物材料，是和牛物系统相作用，用以诊断、治疗或替换机体中的组织、器官或增进其功能的材料特点：多学科交叉的边缘学科，涉及材料、生物、医学、物理、化学、制造等分类：按与活体作用方式分为生物惰性材料与生物活性材料。按材料属性分类：牛物医媒鹑皈牧稀⑸梗鍋叨肿硬牧稀⑸梗错沾伞⑸梗镇接酶春喜牧系？按来源分：1.2生物医用材料的发展方向1、纳米技术与生物材料纳米是长度单位，十亿分之一米。纳米结构是指lOOnm以下的微小结构。2、生物材料用于药物控制释放技术3、生物可降解与生物活性材料4、组织工程材料组织工程是近十儿年发展起来的一门新兴学科，是应用生命科学和工程学的原理与方法，研究，开发用于组织和器官修复与替换，或增进其功能的”体外或组织”。关键是构建细胞和生物材料的三维空间复合体(支架)。TissueEngineering)TissueEngineering)应用工程学和生命科学原理生长出活的组织替代应用工程学和生命科学原理生长出活的组织替代物物，，用于修复用于修复、、维持维持、、改善人体组织的功能改善人体组织的功能。。组织工程是一门新兴学科组织工程是一门新兴学科，，只有十几年的历史只有十几年的历史，，最早是由美国国家科学基金会于最早是由美国国家科学基金会于19871987年止式提年正式提岀和确定的岀和确定的。。组织工程材料应用\n尝试人造耳尝试人造耳中国青年学者曹谊林教授于1996年在世界上第一个成功地在裸鼠背上培养制成了人形耳廓软骨支架，因而获得美国整形外科最高荣誉巴莱脱勃朗奖8wvitroPGA8wvitroPCL组织工程研究内容组织工程研究内容细胞细胞支架材料支架材料生长因子生长因子组织构建组织构建细胞学、分子生物学、材料学、生物力学、医学等多学科1.3纳米生物医用材料及其进展?纳米无机生物材料?纳米牛物高分子材料?药物的纳米化技术1.4生物可降解与生物可吸收生物降解：通过自然界微生物(细菌、酶、真菌)发生作用而发生降解的高分子。(ASTM)全生物降解(biodegradable)生物破坏(biodestructibleorbiodisintegrable)不包扌舌非酶性水解和物理性溶解，但在医用材料中包扌舌水解。生物可吸收(bioresorbable)：指通过生物降解或水解、溶解而在体内通过代谢而消失的材料。生物降解——但不一定可吸收可吸收——一般要生物降解(也有例外PEG)1、降解吸收机制物理——应力化学——水解、氧化及酸碱作用生化——酶和微生物由于植入体内的材料主要接触组织和体液，因此水解和酶解是主要的降解机制。4、可降解吸收高分子种类天然高分子蛋白类：蚕丝、胶原\n多糖类：甲壳素、纤维素、海藻酸、透明质酸合成高分子化学合成和微生物合成：聚有■疑基酸酯，聚碳酸酯，聚原酸酯，聚磷晴，聚氨基酸，聚磷酸酯等组织工程研究中的种子细胞组织工程研究中的种子细胞干细胞(干细胞(stemcell)stemcell)):):干细胞是一种早期未干细胞是一种早期未分化的原始细胞，给分化的原始细胞，给予不同的条件，就能予不同的条件，就能长出不同的人体组织长出不同的人体组织细胞。细胞。胚胎干细胞：是由早期胚胚胎干细胞：是由早期胚胎内细胞团或原始生殖细胎内细胞团或原始生殖细胞分离而来的多潜能细胞。胞分离而来的多潜能细胞。如它来源于受精卵发育形如它来源于受精卵发育形成的囊胚，可以不断自我成的囊胚，可以不断自我更新兵分化为任何类型的更新兵分化为任何类型的组织细胞组织细胞成体干细胞：成体干细胞：是成年人或动是成年人或动物多种组织分离出的多性能物多种组织分离出的多性能细胞，如来自骨髓、大脑、细胞，如来自骨髓、大脑、脐血、肝、心脏、月夷、皮肤、脐血、肝、心脏、月夷、皮肤、角膜等。它只能定向分化为角膜等。它只能定向分化为一类或某个特定的组织细胞，一类或某个特定的组织细胞，如骨髓中的造血干细胞。如骨髓中的造血干细胞。理想的组织工程支架材料的要求：有良好的生物相容性：无毒、不致畸，利于种子细胞的黏附、增殖，降解物无毒、无炎症反应。冇良好的生物降解性：完全降解，降解速率与组织细胞生长速率相适应，降解吋间可人为调控有具有三维多孔结构：材料具有合适的孔径、高孔隙率(90%以上)，较高的内比表面积，有利于细胞的黏附生长，血管和神经的长入，有利于新陈代谢。有具有良好的可塑性：材料可预先制成一定的形状。有具有一定的机械强度有良好的材料一细胞界面：利于细胞黏附、增殖，激活细胞特异基因表达，维持细胞正常表型表达。\nmaterialsforbonetissueengineering米材机无斗米材材子架然分A支天高胶原売聚糖纤维蛋口透明质酸HA藻酸盐等磷酸钙骨水泥生物活性玻璃陶瓷聚乳酸<\n\npLA)聚乙醇酸(PGA)共聚物(PLGA)聚己内酯(PCL)等溶剂涂装和致孔剂分解(L-丙交酯-co-D,L-丙交酯)(PLDL,70%:30%)偶氮二碳酰胺(C2H4N402\n):PLDL、丙酮钢丝涂装集束执八、、收缩管加执八、、融合脱模发泡剂分解淬火脱油抽出钢丝多孔支架Representativemicro・CTimagesoforientedporousPLDLscaffoldscreatedusingasolutioncoatingandporogendecompositiontechnique.Azodicarbonamideporogenconcentrationsof5%(a),15%(b),and30%(c)areshownwithcorrespondingcross-sectionalimagesof30sliceseachfor5%(d),15%(e),and30%(f).Fig.3.SEMimagesofthecrosssectionof12.5%(w/v)semi-crystallinePLLAandamorphousPDLLAfoams.(a)PLLA,directliquidnitrogenquenching;(b)PLLA,5mincoarseningatroomtemperature;(c)PDLLA,5mincoarseningatroomtemperatureFig・Comparisonofthesinteredmicrospherematrix(425-590mm)heatedat(a)24hand(b)72h.Microsphereswereheatedto62oc.Fig.Electronmicrographofthesinteredmicrospherematrix[58:42PLAGA]showingmicrospherebondsbeingpulledapart.Microsphereswereheatedfor72hat62\noC.45%SiO224.5%CaO,24.5%Na2O,and6%P2O5人工喉管人工喉管圆柱体多孔泡沫支架孔径：孔径：100100〜〜200pm200pn,,200200300pm300pm,,300300〜〜450pm450pm孔隙率：孔隙率：8585%以上％以上植入初期植入初期四月后神经修复四月后神经修复6周粉碎性骨折的包覆心脏瓣膜、动脉及静脉一项为期10年的制造心脏的首创行动已拉开序幕。基因改造后的蛋白质已成功地被用于血管再生。公司:Organogenesis,AdvancedTissueSciences,Genetech,LifeCell,Reprogenesiso生物可吸收医用高分子包括：天然高分子和人工合成高分子生物材料分：生物无机材料(如轻基磷灰石)和生物高分子材料1.3.1胶原(Collagen)胶原蛋白(Collagenprotein)胶原：生物体组织种存在的一种蛋白质，或者是在提取胶原吋，其结构没有改变的那种蛋片质。特点■\n不溶于水，不能被蛋白酶利用胶原蛋白：从生物体组织中提取的、结构和相对分子质量都发生变化的胶原。特点：溶于水，能被蛋口酶利用——所有多细胞生物都含有胶原蛋白，哺乳动物身上所有蛋口质中约30%都是胶原蛋口。胶原蛋口是皮肤、骨、腱、软骨、血管和牙齿的主耍纤维成分，而细胞骨架的重要成分也是胶原，因此，胶原不同程度地存在一切器官中。——胶原的种类有19种(目前增加到27种)I型：主要分布在骨、肌腱和皮肤II型：透明软骨、玻璃体III型：皮肤、肺、子宫占胶原重量的80〜90%胶原种类结构-Gly-Pro-Met-Gly-Pro-Ser-Gly-Pro-Arg--Gly-Leu-Hyp-Gly-Pro-Hyp-Gly-Ala-Hyp・-Gly-Pro-Gln-Gly-Phe-Gln-Gly-Pro-Hyp-胶原由氨基酸通过肽链组成，所有胶原的多肽链中，毎个第三个残基总是廿氨酸，另两个残基中脯氨酸和疑基脯氨酸出现的频率也较大。有2有1有11000个氨基酸组成一股多肽链两条有1和一条有*2三股多肽链组成螺旋的原胶原原纤胶原蛋白微纤维（5根）胶原纤维胶原束单元多根纤维组装腱2根和3根纤维束\n可从牛皮、牛筋和禽类组织中分离得到。在制备过程中采用酶和非酶加工除去非胶原或胶原分子的非螺旋状末端。——不溶性胶原的制备未经腌制的兽皮冷至一20°C或者石灰处理切片酸化研磨pH5.3用蒸憎水和异丙醇洗涤除去脂肪——可溶性胶原的制备应用胶原蛋口是一种具有良好生物学特性和弱的抗原性、生物降解性和止血性的材料。专业应用心脏病学皮肤病学牙科\n普外神经外科肿瘤学整形外科眼科学泌尿学其它心脏瓣膜软组织增加口腔伤、牙植入剂、生物涂剂、疑基磷灰石支持物止血剂、疝气修复、缝线神经修复、神经导管栓塞骨修复、软骨重构、腱和韧带修复、植皮角膜移植透析膜、括约肌修复细胞培养、器官移植、给药系统1.3.2明胶明胶——胶原蛋白部分水解得到的一类蛋白质。A、B型明胶分别油胶原蛋白经酸和碱处理而得。制备和加工酸法碱法A型明胶：来源于猪皮；B型明胶來源于骨头聚酰胺类可降解骨折内固定材料的HAP■明胶涂层孙红牟静芳唐应武△吴国是张复实(清华大学化学系，北京100084)摘要使用乙酸2明胶2羟基磷灰石(HAP)体系采用浆料粘涂法对聚酰胺类可降解骨折内固定材料进行表面涂敷处理，得到\n了完全覆盖的有一定粘结强度的均一的HAP涂层。XRD,SEM和FT2IR实验表明本方法得到的HAP涂层，其主耍成分以HAP(CalO(PO4)6(OH)2)的形式存在，保持了具有生物活性的结构形态，且结晶度良好。涂层具有一定的孔隙度，这有利于新骨组织的生长，同吋还可以吸附其他的生物活性物质及药物。本方法是一种增加骨植入物生物活性的有效方法。生物医学工程学杂志JBiomedEng2002;19(4):576〜5781.3.3壳聚糖(Chitosan)甲壳素(Chitin)甲壳质(Chitin)又叫甲壳素、几丁质、几丁聚糖、蟹壳素等，是自然界中唯一存在的碱性多糖，是由N■乙酰・2,2■脱氧葡萄糖以卜1,4糖营键形式连接而成的多糖，甲壳质经脱去乙酰基后成为壳多糖。甲壳质最早由法国人Braconnol于1811年发现。甲壳素是仅次于纤维素的第二大天然有机物,广泛存在于虾、蟹、昆虫的外壳以及真菌和一些藻类的细胞壁中。Distribution(1)节肢动物(甲壳纲：虾、蟹等，含chitin58%〜85%以上)(2)软体动物(双神经纲一石鳖，腹足纲一鲍，蜗)(3)坏节动物原环虫纲一角窝虫(4)原生动物原虫(5)腔肠动物(6)海藻(7)真菌(8)其它动物的关节、蹄、足等坚硬部位制备甲壳素：通过用碱或酸分解从虾、蟹屮分离甲壳素壳聚糖：甲壳素在浓碱水中悬浮，进行加热处理、脱脂处理后，便可得到壳聚糖。\ns2益。3扩卷\nHHO*HHOHHNH2H0*CH2OHn甲壳素壳聚糖——基木结构单元是二糖——壳聚糖是甲壳素N■脱乙酰基的产物，55%以上——壳聚糖溶于1%乙酸或1%的盐酸Self-assemblyandcharacterizationofpaclitaxel-loadedN-octyl-O-sulfatechitosanmicellarsystemColloidsandSurfacesB:Biointerfaces39(2004)69-75Efficientgenedeliverybyurocanicacid-modifiedchitosanT.H.Kimetal./JournalofControlledRelease93(2003)389-4021.4可降解吸收高分子种类天然高分子蛋白类：蚕丝、胶原多糖类：甲壳素、纤维素、海藻酸、透明质酸合成高分子化学合成和微生物合成：聚有■疑基酸酯，聚碳酸酯，聚原酸酯，聚磷晴，聚氨基酸，聚磷酸酯等典型的人工合成可生物降解高分子MonomerMonomerPolymerPolymerAcron.Acron.GlycolideGlycolidePoly(glycolicacid)Poly(glycolicacid)PGAPGALactideLactidePoly(lacticacid)Poly(lacticacid)PLAPLA88—caprolactonecaprolactonePoly(Poly(ee~caprolactone)caprolactone)PCLPCL卩卩一butyrolactonebutyrolactonePoly(hydroxybutyrate)Poly(hydroxybutyrate)PHBPHBPP—bunzylbunzyl—pp—malolactonemalolactonePoly(Poly(卩卩-malicacid)malicacid)PMLAPMLA1,41,4—dioxanedioxane-22-oneonePoly(dioxanone)Poly(dioxanone)PDSPDS\nTableAlphaticpolyestersknownasbiodegradableTableAlphaticpolyestersknownasbiodegradableonCH2Co(PGA)1结构性质高结晶度35〜40%高熔点220〜225较低玻璃化温度35〜40度溶解性能差，只溶于高氟化有机溶剂强的力学性能PLAHOCCOOHHCH3HCCOOHOHCH3L-lacticacidD-lacticacidOCCOCCHCH3CCOccoCH3HHCH3\nCCOccoHCH3CH3HOOOOOOHCH3L-lactidemeso-lactid50%50%D,L-lactideD-lactidee2、合成HOCHCH3COHOnOCHCH3coHOHnHCH3OOoccoccHCH3PLA药物控制释放骨折内固定材料组织工程形状记忆材料\nPLA类材料在体内的应用——骨折内固定手术缝合线用PLA类材料(a):Ow(b)8w;(c):10wQ):Ow(b)8w;(c):lOwPLGA85/15PLGA85/15PLGA65/35PLGA65/35PLGA55/45PLGA55/45(a):Ow;(b)4w;(c)：lOwQ):Ow(b)4w;(c):lOw(a):Ow(b)2w;(c):4wQ):Ow(b)2w;(c):4wFig.VariationsofinherentFig.Variationsofinherentviscosity([viscosity([叩]])ofPLGAporous])ofPLGAporousscaffoldswithdegradationtimescaffoldswithdegradationtimeFigFig..VariationsVariationsofofmassmassretention(retention(%%))ofofPLGAPLGAporousporousscaffoldsscaffoldswithwithdegradationdegradationtimetime024681012140.00.51.01.591%63%54%68%67%38%39%57%n1t/wLA/GA=85/15LA/GA=75/25LA/GA=65/35LA/GA=55/45024681012140510\n157.7%9.1%10.2%9.5%4.1%Mass1os)t/WLA/GA=85/15LA/GA=75/25LA/GA=65/35LA/GA=55/45