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第四,生物材料的前景。
在开始论述生物材料之前我们应该就其定义做一定的说明,每一个时代赋予其定义都是不同的,以前我们一般将利用生物特性制造或者是使用在生物体用于生物体自身功能修复的材料叫做生物材料。
但在最近一个世纪的科研成果中,学者们对于其定义进行了更为详细和准确的说明。
生物材料又称生物医用材料(Biomaterialsorbiomedicalmaterials),是指用于与生命系统接触、发生相互作用,并能对其细胞、组织和器官进行诊断、替换修复或诱导再生、增进或恢复其功能的天然或人工合成的特殊功能的材料。
它是一门涉及材料学、医学及生命科学等的交叉学科,代表了材料科学和现代生物医学工程的一个主要发展方向,是当代科学技术发展的重要领域之一。
其区别于传统生物材料的最大之处便在于必须与生物体发生一定的生命反应并起到一定的生命作用才能成为生命材料。
1、生物材料的历史
·
起源于公元前约3500年,古埃及人利用棉花纤维、马鬃作缝合线缝合伤口;
墨西哥的印第安人用木片修补受伤的颅骨以及后来人们使用象牙修复自身骨缺损。
这个时期的生物材料仍然属于原始意义上的生物材料,即使用现成的自然界中的原材料对自身的身体器官或组织进行修复或者治疗,并且在这一阶段,生物材料的应用范围和可应用种类十分的有限。
但究其意义来说可以说是不可缺失的,这至少说明了人们已经知道自身组织的一些自主修复性能和自然材料的使用性能,为以后的生物材料奠定了一定的实验和理论基础。
起步于十九世纪中叶,出现了不同类型金属和陶瓷人工骨材料,并开始试用于临床。
这一阶段主要是由于西方现代文化运动,现代科学的发展和理论上系统的研究极大程度上使得现代医学有了明显的提高,人们对身体机能有了更为系统和全面的认识,而不是再局限于感官上的认识了。
通过对身体自身各个器官和组织的生长性能和发育的了解为这一时期比较简便的生物材料提供了孕育的场所,并且这一时期人们对深入材料的使用已经深入到人体骨骼等内部,进一步拓展了生物材料的使用空间也为后期的研究指明了道路。
发展于二十世纪三十年代,钴铬合金(1930)、有机玻璃(1936)、纯钛和钛合金(1940)等的相继问世——理化性能及生物学效应这个时期人们主要关注“生物相容性”,生物活性玻璃(1969)、生物陶瓷(1973)和羟基磷灰石(1978)进入临床,诞生了“生物活性”这一核心概念,二十世纪八十年代中期,磷酸钙生物活性水泥,进入二十世纪九十年代,组织工程与支架材料。
二十世纪可以说是现代科学和现代医学的一个加速时期,这一时期由于第一次和第二次世界战争的影响,加大了人们在科学事业上的发展,同时由于战争导致的各种伤病也是各国政府急切解决的。
因此生物材料的研究有了一个较为宽裕的环境,经济和政策上的支持;
物理、化学、生物学等多种学科的飞速发展;
市场和社会的需求都为生物材料的研究和发展提供了丰富的养料,因此在这一时期是生物材料的发展时期。
21世纪初:
第三代生物材料,可降解且具生物活性。
当进入二十一世纪时,各国基本上经历了少有的和平时期,相应的科学研究也经历了一个辉煌的阶段,对以往材料的各种改性,科研工作者和医疗专家们对生物材料的各种性能已经到达了一种精益求精的地步,如何将生物材料的副作用降低到最低,甚至没有副作用是当时发展的主题。
2、生物材料的现有成就;
经过不断的研究和实验,在生物材料的发现和应用上世界科研工作者可谓是取得了很大的成就,其主要应用是在医疗上,我们可以举几个简单的例子加以说明。
1、医用不锈钢
不锈钢分为马氏不锈钢、铁素体不锈钢、沉淀硬化型不锈钢和奥氏体不锈钢,后者已具有良好的耐蚀性能和重荷的力学性能而得到广泛的临床应用。
奥氏体不锈钢无磁性,不能通过相变使合金强化,但借助于冷加工方法可明显提高其力学性能。
这类不锈钢均含有足够量的铬以保证其良好的耐腐蚀能力。
1926年,不锈钢(18Cr-8Ni)已用于外科,替代了较易腐蚀的钒钢。
1943年,美国又推荐302型不锈钢用于骨折固定。
后来加入钼的18-8sMo不锈钢(316)的应用,进一步改善了材料在生理盐水中的抗蚀性。
1950年,将不锈钢中所含的碳量最大限度地降低至0.08%~0.03%(质量分数),从而研制出具有较好的抗腐蚀性的316L不锈钢,“L”代表低含碳量。
奥氏体钢316和316L含有钼,钼的添加全面提高了它的抗腐蚀性能,并且优于304型,特别是在含氯离子的环境中具有高的抗点蚀和隙间腐蚀性能
医用不锈钢具有较好的生物相容性,力学性能较好,加工工艺简便,成本低廉,广泛用于:
在骨科制作各种人工关节和骨折固定器,如人工滚关节、膝关节、肩关节、肘关节、腕关节、踝关节与指关节;
各种规格的截骨连接器、加压板、鹅头骨螺钉;
各种规格的皮质骨与松质骨加压螺钉、脊椎钉、哈氏棒、鲁氏棒、人工椎体和颅骨板等,亦用于骨折修复、关节置换、脊椎矫形等。
(如下图)
在口腔科用于镶牙、矫形和牙根种
植等各种器件的制造,如各种牙冠、
牙桥、固定支架、卡环、基托、正畸
丝、义齿、颌面修复件等。
(如右图)
牙种植体
在心血管系统制作各种植入电极、传感器的外壳与导线、人工心瓣膜、介人性治疗导丝与血管内支架等。
此外,医用不锈钢还用于制作各种宫内避孕环、眼科缝线、固定环、人工眼导线等。
心脏瓣膜心血管支架心血管支架
2、NiTi形状记忆合金
形状记忆合金使用最多的是镍钛记忆合金,英文名“nitinol”,它是Ni、Ti和NavalOrdnanceLaboratory几个字的缩写。
其中,Ni、Ti是镍和钛的化学符号,NavalOrdnanceLaboratory是美国海军武器实验室,记忆合金就是在该实验室首先发现的。
形状记忆合金(SMA)是指经过一定塑性变形后,能;
I下自塑性变形后,能在一定条件下动恢复其原始形状的一种新型的功能材料。
它具有奇特的形状记忆特性和相变超弹性,已得到了广泛的应用。
记忆效应和超弹性与热弹性马氏体相变有关,形状记忆效应可具体表现为:
当—定形状的母相样品由Af(逆相变完成的温度)以上冷却至Mf(马氏体相变完成的温度)以下形成马氏体后,将马氏体在Mf以下变形,经加热至Af以上,伴随逆相变,材料会自动回复其在母相时的形状。
NiTi形状记忆合金的强度及抗疲劳性能明显优于常用的临床医学材料316L不锈钢。
弹性模量低,接近人体骨头的弹性模量,能促使骨质生长
具有耐蚀性、耐磨性、合金无磁性。
NiTi记忆合金主要用于齿科(矫形丝、齿冠、根管锉)、骨科(接骨板、髓内针、髌骨爪、导丝、导针、脊柱矫形棒)、心血管外科(心脏补片、血管栓子、
血栓滤器、血管支架)以及胸外科、耳鼻喉科、肝胆科、泌尿外科和妇科等的支架(食道支架、呼吸道支架、外耳道支架、胆道支架、直肠支架、十二指肠支架、尿道支架、前列腺扩张支架、节育环等)。
这些例子在医疗上是数不胜数的,现在各种合金的应用以及生物陶瓷材料等各种生物薄膜材料等在科研上以及临床上取得了越来越优异的成果。
我们可以看出生物材料其实离我们生活很近并且是很重要的。
现阶段在人们满足了基本的物质生活时更加注重于自身健康的保健于健全,因此在这一过程中各种修复性替换性的材料将是无法缺失的。
我们能够看到在以后的生活中有更多更优异的生物材料使用到我们生活中,保障我们的生活。
3、生物材料的意义;
1、科学价值
生物材料的研究和使用在一定程度上促进了材料学的发展。
生物材料作为一门结合性的学科研究方向,即包含着材料的选取以及合作材料性能的研究,又包括这生物学的应用。
在过去生物材料的发展过程中均是在材料的各种力学性能的基础上对材料的各种生物学的理化性质的改性,每一种生物材料的问世都包含着无数人的努力和付出,他为科研工作者在面对实际问题时提供了一种结合和改良的方案,同时生物材料的实验也更好的将科研工作者理论上的研究进行了一定的证实,为我们以后利用相应的理论奠定了实验基础。
2、医疗价值
作为现代医疗的保健美容方面,生物材料的使用使过去一些无所实现的梦想成为了现实。
在过去没有很大程度上使用生物材料时期,人类的很多疾病都是无法治愈和恢复的,我们很无奈的看着一个个生命在眼前消失,例如心血管疾病。
但是在现代生物材料的问世后,医疗界有了很大的反响,过去不可能根治的疾病得到了治疗或者缓解,过去没有任何治疗思路的疾病有了新的解决方案。
同时一些生物材料的使用,使人们的爱美之心得到了满足,牙齿的矫正,骨骼的修复等都使现代人充满着希望,为医疗事业注入了强大的活力。
3、经济价值
经过调查我们很惊讶的发现了生物材料的经济价值,仅就牙齿这一生物陶瓷而言,每年可以带入的经济收入高达300亿美元,由此我们可以想象出整个生物材料在世界范围内的价值。
如果我们能够在生物材料这一领域抓住好的机会,认真刻苦的学习,我相信里面所隐藏的经济价值将是我们无法想象的。
4、生物材料的前景。
生物材料是近代科学和医学研究的热点,我们不难相信在这一领域的广阔前景。
我们科研工作者现阶段所取得的成就也学是这片海洋中的一叶扁舟,我们看到的也许是冰山一角。
在生物材料的研究工作中我们还有很多的路要走,还有很多的困难需要我们去克服。
在摘自《科学时报》上的题为“21世纪时生命科学时代”报告中我们可以看到这样的表述:
20世纪是生命科学迅猛发展的时代。
利用基因技术培育的转基因食品已经摆上了普通百姓的餐桌;
基因方法已经开始挽救患者的生命;
克隆技术的重大突破,已使动物的复制成为可能。
人类数千年来的梦想正随着生命科学发展逐一实现,随着物理学世纪让位于生命科学世纪,世界还将会有更多的奇迹出现。
在发展和危机并存的21世纪,生命科学将成为自然科学的带头学科。
21世纪科学家将在人体的器宫和组织“重造”及修复方面取得巨大进步。
在人身上进行转基因动物器官移植将成为可能;
一些科研小组正在致力于完成人体细胞代谢程序的重新编排,使之具有新的功能;
科学家还打算研制生物—人工器官,即研制能置于抗排异膜内的人体或动物的假器官,这种生物—人工器官将取代人造器宫。
可以预料,生物学及生物技术的应用必将对21世纪产生重要的影响,它不仅能促进人类社会的文明与进步,而且它也会带来一系列环境问题和严重的伦理问题,因而在各国纷纷加大对生物产业投入的21世纪,科学家们还应树立起保护自然资源、生物多样化和人类生存系统的责任心,维护人类的尊严和人类生存的基本权利。
同样在摘自《经纬论坛》的一个“21世纪时生命科学的时代,生物材料将为有很大发展”的标题的文章中我们可以看到这样的文字:
人工生物材料:
目前,通过组织工程、生长因子、DNA和自组装技术,可生产出人类除神经系统以外的各种器官。
加州大学“Sue&
BillGross”干细胞研究中心首次成功使用人类胚胎干细胞培育出一种早期阶段的视网膜,为开发可移植性视网膜来治疗人类视网膜病变迈出了第一步,有望为世界上无数视网膜病变患者带来了福音。
。
生物仿生材料:
多年演化的结果,有很多特性值得模仿。
珍珠壳和骨骼表面虽然也是碳酸盐构成的,而其强度和韧性却远远高于陶瓷,深入研究结果表明,它们是纳米结构的无机盐与有机物聚合体。
人造丝与蚕丝结构相近,但舒服感则不相同,又是何故?
因此深入研究现有生物体和生物现象而进行仿造,对材料的发展将起到推动作用。
生物模拟:
工业生产中广泛应用。
人体中物质与能量转换在常温下完成,是酶催化的结果,其效率和速度千百万倍于工业催化剂。
今后的任务是高效催化剂的探索与光合作用的模拟,如果后者一旦实现,使CO2和水成为碳水化物,粮食问题可得到解决,过剩的CO2也有了出路。
此外,细菌冶金、生物酶增石油等将成为21世纪解决金属矿日趋枯竭、废井增油等的有效途径。
在今后的生物材料的发展空间上我们对其方向做出了一些总结:
1、提高生物医学材料的组织相容性。
组织相容性是指材料与活体组织之间相互容纳的程度,组织的生物学反应除了全身性的毒性外,更多的是材料周围组织的局部反应,如炎症、纤维性包囊、免疫、诱变甚至癌变等。
2.医学材料的生物功能化和生物智能化。
高分子生物材料功能化和智能化的主要途径,是通过生物大分子或其组合体细胞等在材料表面的固定化。
利用细胞学和分子生物学方法可将蛋白质、细胞生长因子、酶及多肽等固定在现有材料的表面,并通过表面修饰构建新一代的分子生物材料,来引发我们的特异生物反应,抑制非特异性反应。
靶向载药;
癌细胞识别、检测与治疗。
3.金属材料在生物医用材料中的应用
金属生物医学材料的应用已有较长的历史,随着科学技术的发展和外科医疗水平的提高,先后开发了不锈钢、钴合金、工业纯钛及钛合金等一系列金属生物医学材料。
可降解镁合金。
4.具有多种特殊功能生物材料的研制和应用
生物医学材料被广泛地应用于临床医学的其他方面,如膜式人工肺中使用的透氧气和二氧化碳的材料;
用于植入体内降解缓释性材料和经过皮肤吸收的液晶缓释膜材料;
用于口腔医学临床的金属和陶瓷与用碳纤维增强的复合材料。
5、带有生物活性的材料和带活性的可降解材料
对于生物材料治疗产品,带有药物或基因、生长因子、细胞后将会使这些产品治疗功效得到很大提高。
如美国强生公司的带药冠脉支架可使裸支架造成的再狭窄率大大降低,带来了几十亿美元的效益。
通过带上特定的药物可提高材料与靶细胞的识别和结合能力提高局部的治疗功效和降低副作用。
通过带上基因、蛋白质、生长因子、细胞等生物活性物质使材料具有活性,提高材料与靶细胞粘附能力和基因的转染和表达能力有利于使人体组织和器官的修复和再生。
6、生物材料表面改性
通过对材料表面处理、修饰技术使表面结构具有有序性,特定分子间的可识别性和运动性,构建制备新型生物材料。
例如在医用高分子材料表面引入新的官能团研究,材料表面的自组装仿细胞膜结构研究使材料和体液成分的无规则吸附变为选择性吸附研究等。
7、组织工程支架材料
研究可控降解并具有三维空间的支架材料,使细胞及生长因子能很好生长和增殖,形成组织工程医疗产品。
例如骨和软骨支架材料,带有骨生长因子或基因的支架材料,血管组织工程材料,微囊化血红蛋白的组织工程,血液、微囊化胰岛的组织工程胰,在带有活性物质或微囊化神经膜细胞的神经修复导管。
8.纳米生物材料
现代纳米技术与生物、医学和材料科学相结合,发挥纳米材料的特有功能,制备纳米生物材料。
主要发展方向有:
药物和基因纳米载体材料,介入诊断和治疗纳米材料,仿生纳米复合修复材料等。
9.具有“主动修复功能”和“可调控生物响应特性”的生物活性材料------第四代生物医用材料?
?
【结语】
通过本文对生物材料的一些基本的解释和说明,我认为我们对于生物材料对于人类文明的重要作用。
我想人类的历史脚步不会停止,材料的应用也不会说现在已经达到了顶峰,在材料的这片海洋中我们还有很多很多的高山需要去翻越,还有很多很多的河流需要去跨渡,还有很多很多的难题需要我们这一代人去解决。
在世界材料发展的舞台上,我国的材料研究特别是生物材料的研究起步的比较晚,在世界的舞台上我们的角色还很轻,与其他先进国家的距离还是很大,这一点需要我们当代人明白,也希望能够以此作为我们奋发图强的一个动力。
近些年来,国家对于材料特别是生物材料的研究提高了很大的重视,并且为国内科研工作者的研究工作提供了很好的政策保障,特别是在最近的“十二五”规划中我们欣慰的看到这样一条:
“四、大力培育和发展战略性新兴产业”
生物医用材料。
重点突破生物活性特殊涂层、生物因子表面改性及生物功能化修饰、生物材料降解及生物因子缓控释、生物材料微纳米制备、生物医用材料及器械的优化设计和评测等关键技术。
研发新型骨及口腔植入体、可降解血管支架、适宜国人的人工关节、介入人工心瓣及防钙化生物瓣膜、新型人工血管、神经修复材料、可承力骨修复材料、创面快速无痕修复材料等重大产品20项以上,获得关键专利50项以上。
作为新时代的我们,作为祖国建设的头排兵和最最坚固的科研力量,我想我们还有很多的问题需要思考,还有很多的事情需要我们去做,还有很多的梦想需要我们实现,还有很多领域需要我们去填充。
【参考文献】:
徐晓宙著,生物材料学,科学出版社,2006.6
郑玉峰著,生物医用材料学,哈工大出版社,2005
现阶段我国子啊生物材料方面
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