時(shí)間：2023-06-02 09:21:12
開(kāi)篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇生物材料，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過(guò)程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進(jìn)步。
1．1數(shù)據(jù)來(lái)源
以中國(guó)知網(wǎng)(CNKI)的《中國(guó)科技成果數(shù)據(jù)庫(kù)》為數(shù)據(jù)源，采用“名稱+關(guān)鍵詞+成果簡(jiǎn)介”的組合檢索策略，以“生物*醫(yī)用*金屬”、“生物*醫(yī)用*高分子”、“生物*陶瓷”、“生物*復(fù)合材料”、“生物*醫(yī)學(xué)*衍生物”為檢索詞，對(duì)2000－2010年間我國(guó)科技成果產(chǎn)出進(jìn)行檢索與數(shù)據(jù)清洗，得到1772條題錄。
1．2方法
使用TDA、Excel2010和Origin等統(tǒng)計(jì)與繪圖軟件為分析工具，從科技成果計(jì)量分析的角度，對(duì)相關(guān)科技成果數(shù)量進(jìn)行數(shù)值模擬與計(jì)算，研究我國(guó)尤其是中國(guó)科學(xué)院系統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)材料科技成果的年度分布、科技成果產(chǎn)出機(jī)構(gòu)分布等，并進(jìn)行對(duì)比分析、描述和數(shù)據(jù)挖掘等深入研究。
2結(jié)果
2．1科技成果產(chǎn)出數(shù)量趨勢(shì)
我國(guó)生物醫(yī)學(xué)材料科技成果數(shù)量的縱向變化規(guī)律，反映了生物醫(yī)學(xué)材料的受關(guān)注程度和發(fā)展速度。2006－2009年是生物醫(yī)學(xué)材料科技成果的高峰時(shí)期，與我國(guó)的生物醫(yī)學(xué)材料技術(shù)研發(fā)投入主要分布在近5年即“十一五”相吻合。中國(guó)科學(xué)院系統(tǒng)在該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)與全國(guó)基本一致。圖1我國(guó)生物醫(yī)學(xué)材料技術(shù)成果產(chǎn)出年度分布
2．2我國(guó)科技成果產(chǎn)出內(nèi)容分析
統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，生物復(fù)合材料在近年發(fā)展最為迅猛，從2006年開(kāi)始取得跨越式發(fā)展，至2010年累計(jì)取得411項(xiàng)成果;而醫(yī)用金屬(188項(xiàng))、醫(yī)用高分子(177項(xiàng))、生物陶瓷(189項(xiàng))、生物醫(yī)學(xué)衍生物等材料(209項(xiàng))的發(fā)展速度低于生物復(fù)合材料，比較平穩(wěn)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，從2000－2010年，中國(guó)科學(xué)院系統(tǒng)生物醫(yī)學(xué)材料科技成果也主要集中在生物復(fù)合材料方面，共計(jì)62項(xiàng);其他4種生物醫(yī)學(xué)材料科技成果產(chǎn)出相對(duì)較少，分別為生物醫(yī)學(xué)衍生物37項(xiàng)，陶瓷材料31項(xiàng)，醫(yī)藥高分子32項(xiàng)，醫(yī)用金屬材料35項(xiàng)。
2．3科技成果產(chǎn)出地區(qū)分布
分析我國(guó)主要省市在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的科技成果產(chǎn)出，有助于挖掘不同地區(qū)間研發(fā)力量的差異，合理配置資源，進(jìn)行深入研發(fā)。重點(diǎn)對(duì)我國(guó)北京市、上海市、江蘇省等7個(gè)省市進(jìn)行了技術(shù)領(lǐng)域構(gòu)成計(jì)量分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)各主要省市生物復(fù)合材料研發(fā)成果仍然占據(jù)主體，生物醫(yī)用金屬材料科技成果的產(chǎn)出以北京市、天津市與江蘇省較多，生物陶瓷技成果的產(chǎn)出以上江蘇省與湖北省較多，詳見(jiàn)圖2。表明這些省市在生物醫(yī)學(xué)工程某些關(guān)鍵材料的研究方面已占據(jù)先機(jī)。
2．4科技成果產(chǎn)出機(jī)構(gòu)分析
2．4．1生物醫(yī)用金屬材料科技成果產(chǎn)出機(jī)構(gòu)分析
醫(yī)用金屬材料是一類生物醫(yī)用的金屬和合金，是臨床應(yīng)用最廣泛的植入材料，主要用于骨和牙等硬組織的修復(fù)和替換，心血管和軟組織的修復(fù)以及人工器官制造中的結(jié)構(gòu)元件［5］。檢索結(jié)果顯示，2000－2010年間共有醫(yī)用金屬材料相關(guān)的科技成果278項(xiàng)，大部分科研機(jī)構(gòu)只有零星的成果產(chǎn)出，只有少數(shù)機(jī)構(gòu)多年來(lái)保持著可觀的科技成果產(chǎn)出?？萍汲晒麛?shù)量排名前3位的機(jī)構(gòu)有中國(guó)科學(xué)院、南開(kāi)大學(xué)、四川大學(xué)，分別完成科研成果36，12，6項(xiàng);其他科研單位如浙江大學(xué)、上海交通大學(xué)、清華大學(xué)等成果數(shù)量達(dá)到5項(xiàng);其他均少于5項(xiàng)。在中國(guó)科學(xué)院系統(tǒng)，山西煤炭化學(xué)研究所(5項(xiàng))、金屬研究所(4項(xiàng))在醫(yī)用金屬材料上也取得較多科技成果。表明我國(guó)各主要機(jī)構(gòu)的生物醫(yī)用金屬材料技術(shù)科技成果數(shù)量不均衡。
2．4．2生物醫(yī)用高分子科技成果產(chǎn)出機(jī)構(gòu)分析
醫(yī)用高分子材料是指在生理環(huán)境中使用的高分子材料［6－7］。2000－2010年間共檢索出醫(yī)用高分子材料相關(guān)的科技成果263件，科技成果數(shù)量排名前5位的是中國(guó)科學(xué)院、浙江大學(xué)、武漢大學(xué)、清華大學(xué)、江南大學(xué)，分別獲得科研成果32，8，5，5，5項(xiàng)，其成果數(shù)量占相關(guān)成果總數(shù)的21%;其他單位的成果數(shù)量均在5項(xiàng)以下。在中國(guó)科學(xué)院系統(tǒng)，醫(yī)用高分子材料科技成果數(shù)量排名前3位的是微生物研究所、上海藥物研究所、上海有機(jī)化學(xué)研究所，所獲成果數(shù)量分別是4，3，3項(xiàng)，這10項(xiàng)科技成果占中國(guó)科學(xué)院總產(chǎn)出量的31%。
2．4．3生物陶瓷科技成果產(chǎn)出機(jī)構(gòu)分析
生物陶瓷包括精細(xì)陶瓷、多孔陶瓷、某些玻璃和單晶［8］。2000－2010年間共檢索到生物陶瓷相關(guān)的科技成果323項(xiàng)，多個(gè)科研機(jī)構(gòu)在生物陶瓷研究中取得了較好的研究成果，科技成果在5項(xiàng)以上的機(jī)構(gòu)有10個(gè)，其中中國(guó)科學(xué)院、武漢理工大學(xué)、清華大學(xué)、四川大學(xué)、上海交通大學(xué)分別完成科研成果33，18，13，11，10項(xiàng)，前5名機(jī)構(gòu)成果數(shù)占總成果數(shù)的26%。在中國(guó)科學(xué)院院系統(tǒng)，生物陶瓷科技成果數(shù)量最多的有上海硅酸鹽研究所、過(guò)程工程研究所貢獻(xiàn)了20項(xiàng)科技成果，占中國(guó)科學(xué)院總產(chǎn)出量的65%。
2．4．4生物復(fù)合材料科技成果產(chǎn)出機(jī)構(gòu)分析
生物復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同生物相容性優(yōu)良的材料復(fù)合而成的生物醫(yī)學(xué)材料，可以最大限度地模仿人體組織與器官的功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)組織的修復(fù)與再生，是最有發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景的組織與器官替代和修復(fù)材料［9］。2000－2010年間共檢索到生物復(fù)合材料相關(guān)的科技成果582項(xiàng)，可謂成果豐碩。多個(gè)科研機(jī)構(gòu)取得了眾多成果，成果數(shù)量在10項(xiàng)以上的機(jī)構(gòu)有9個(gè)，其中中國(guó)科學(xué)院、清華大學(xué)、四川大學(xué)、上海交通大學(xué)、暨南大學(xué)分別獲得63，24，18，17，13項(xiàng)，上述前5名機(jī)構(gòu)的成果數(shù)占總成果數(shù)的23%。在中國(guó)科學(xué)院系統(tǒng)，生物復(fù)合材料科技成果數(shù)量排名前5位的是上海硅酸鹽研究所(12項(xiàng))、長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所(8項(xiàng))、生態(tài)環(huán)境研究中心(5項(xiàng))、金屬研究所(5項(xiàng))、蘭州化學(xué)物理研究所(4項(xiàng))，總共貢獻(xiàn)了20項(xiàng)科技成果，占中國(guó)科學(xué)院總產(chǎn)出量的55%。
2．4．5生物醫(yī)學(xué)衍生物科技成果產(chǎn)出機(jī)構(gòu)分析
生物衍生材料是經(jīng)過(guò)特殊處理的天然生物組織形成的生物醫(yī)學(xué)材料。由于它具有類似天然組織的構(gòu)型和功能，在人體組織的修復(fù)和替換中具有重要作用，主要用作皮膚掩膜、血液透析膜、人工心臟瓣膜等［10］。2000－2010年間共檢索到相關(guān)科技成果326項(xiàng)，獲得5項(xiàng)以上科技成果的機(jī)構(gòu)10余個(gè)。其中排名前5名的是中國(guó)科學(xué)院、南開(kāi)大學(xué)、中國(guó)海洋大學(xué)、武漢大學(xué)、中國(guó)藥科大學(xué)，分別獲得科研成果36，13，9，8，6項(xiàng)，累計(jì)成果數(shù)占總成果數(shù)的23%。中國(guó)科學(xué)院系統(tǒng)中，成果數(shù)量排名前5的是上海有機(jī)化學(xué)研究所(4項(xiàng))、長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所(4項(xiàng))、上海應(yīng)用物理研究所(4項(xiàng))、生物物理研究所(3項(xiàng))、上海原子核研究所(2項(xiàng))，總共貢獻(xiàn)了17項(xiàng)科技成果，占中國(guó)科學(xué)院總產(chǎn)出的46%。
關(guān)鍵詞：聚氨酯；生物活性材料；高分子
1概述
聚氨酯生物材料因選擇具有良好生物相容性和可降解性的聚酯類聚合物為軟段，共價(jià)并入由二異氰酸酯和擴(kuò)鏈劑構(gòu)成的硬段[1]，賦予了材料良好力學(xué)性能，高拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率，良好的耐磨損、抗曲撓性能。正是這些原料中的官能團(tuán)使得聚氨酯材料的降解可以被調(diào)控。同時(shí)，改變聚酯/聚醚與二異氰酸酯酯的比列可以使它的降解時(shí)間達(dá)到數(shù)月之久，使其得以匹配細(xì)胞的生長(zhǎng)速率，滿足組織醫(yī)用材料的要求。除此之外，改變擴(kuò)鏈劑的種類能獲得更多類型的聚氨酯，使其具有了更強(qiáng)的分子可設(shè)計(jì)，可以通過(guò)臨床需要選擇合適的原料進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工，性能可控范圍大。另外，軟硬段之間的力學(xué)不相容性，又使其具有了良好的形狀記憶性能[2]。以上諸多的優(yōu)良特性，使聚氨酯材料已經(jīng)成為生物材料研究熱點(diǎn)之一，廣泛地應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，如藥物緩釋載體材料、手術(shù)縫合線、人造皮膚、軟骨組織工程、骨組織工程。面對(duì)生物體這個(gè)復(fù)雜而又敏感的環(huán)境，帶有生活活性的生物材料能在使用中為細(xì)胞生長(zhǎng)提供一個(gè)良好的生長(zhǎng)環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)修復(fù)。因此，修復(fù)使用的材料具有生物活性是一個(gè)關(guān)鍵要素。但是，就目前報(bào)道聚氨酯材料都不具有生物活性，其主鏈上也沒(méi)有可供引入生物活性分子的反應(yīng)性基團(tuán)，這極大的限制它的應(yīng)用。
2無(wú)機(jī)成分改性聚氨酯
通常來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)聚氨酯材料的生物活化通常有三種設(shè)計(jì)策略。第一種是將磷酸三鈣、羥基磷灰石或者其它無(wú)機(jī)陶瓷材料作為一種生物活性分子。通常用它們改性的方法便是將它們與聚氨酯材料進(jìn)行共混或者是涂層。羥基磷灰石、微晶陶瓷或者磷酸三鈣都有與天然骨頭相似的物質(zhì)，是一類重要的生物活性材料。羥基磷灰石，最為一種最重要的無(wú)機(jī)磷酸鹽，在過(guò)去的幾十年里已經(jīng)作為一種醫(yī)用材料被廣泛的應(yīng)用了。作為一種生物活性材料被利用，除了它有著與天然骨頭相似的成分外，還能調(diào)節(jié)生物材料降解過(guò)程中的pH值達(dá)到生物降解穩(wěn)定性，以誘導(dǎo)骨生長(zhǎng)，防止炎癥發(fā)生。這些多樣的生物活性物質(zhì)使得改性后的材料具有更好的細(xì)胞相容性，無(wú)機(jī)陶瓷改性的生物活性材料若是用于骨修復(fù)，還能促進(jìn)骨誘導(dǎo)和骨的傳導(dǎo)[3]。雖然無(wú)機(jī)磷酸鹽是一種重要的生物活性材料，但是現(xiàn)在的技術(shù)還無(wú)法完美解決它們?cè)趹?yīng)用過(guò)程中存在的問(wèn)題-----無(wú)機(jī)磷酸鹽與聚氨酯的相容性。這使得我們很難用它們制備出一個(gè)均一的基質(zhì)，特別是當(dāng)無(wú)機(jī)陶瓷的含量較高的時(shí)候，涂層和共混都很難制備出一個(gè)均一的基體材料[4]。一些研究者還發(fā)現(xiàn)，一些HA/PLA的復(fù)合材料在生理環(huán)境中會(huì)快速失去它的力學(xué)性能。多數(shù)情況下HA和聚合之間的界面會(huì)出現(xiàn)分離，原因有兩點(diǎn)：（1）磷酸鹽陶瓷和聚合物之間缺乏有效地粘附；（2）HA表面上與聚合物主鏈連接的OH自催化降解。聚氨酯/HA的結(jié)構(gòu)與PLA/HA相似，因此可能會(huì)出現(xiàn)相似的界面分離。
3可溶性生物活性分子改性聚氨酯
第二種是將可溶性的生物活性分子，如生長(zhǎng)因子添加到生物材料中，讓其在后期釋放從而引發(fā)或者調(diào)控細(xì)胞的生長(zhǎng)和分化，以達(dá)到組織修復(fù)或形成的目的。IGF 在人體骨骼的正常生長(zhǎng)與維持過(guò)程中起重要作用，呈現(xiàn)出BMP和TGF-β的整合作用與骨形成擴(kuò)增的效果。BMP 被認(rèn)為具有早期前體骨細(xì)胞復(fù)制和成骨細(xì)胞定型的重要效應(yīng)。TGF-β是具有誘導(dǎo)定型骨細(xì)胞復(fù)制和促進(jìn)成骨細(xì)胞生產(chǎn)基質(zhì)的潛能。PDGF（血小板衍生生長(zhǎng)因子）能夠在間充質(zhì)組織中誘導(dǎo)未分化的細(xì)胞增殖，若與IGF，TGF-β，或BMP 共用，則可以增強(qiáng)骨組織的再生，但是它不能提供完整的骨生成特性。
4細(xì)胞活性成分改性聚氨酯
第三種是將細(xì)胞粘附多肽通過(guò)化學(xué)或者物理改性接入到生物材料中。研究表明胞外蛋白確實(shí)在細(xì)胞粘附和鋪展于材料的過(guò)程中起著重要作用，因?yàn)榧?xì)胞外基質(zhì)上特定的功能域可通過(guò)整合素與細(xì)胞膜直接連接。大量的特定的細(xì)胞識(shí)別序列被辨別，最為集中序列是存在于基質(zhì)分子(玻連蛋白、纖連蛋白、層連蛋白、膠原及原纖蛋白)中的(arginine-glycine-aspartic acid ) RGD。RGD是一種近年來(lái)被廣泛用來(lái)設(shè)計(jì)生物活性聚氨酯材料的生物活性因子。通常為了連接牢固，RGD多肽通過(guò)羥基、氨基、羧基等官能團(tuán)共價(jià)連接到聚合物中。
5結(jié)語(yǔ)
關(guān)鍵詞：生物材料 鎂合金 生物相容性
中圖分類號(hào)：TQ11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）09（a）-0059-02
1 鎂合金的優(yōu)勢(shì)和不足
鎂合金作為生物材料有以下的特點(diǎn)：（1）質(zhì)量輕，密度為1.74 g/cm3，相對(duì)密度24，接近人骨密度。鎂在自然界中分布廣泛，同時(shí)在海水中也含有大量的鎂，價(jià)格相對(duì)便宜。（2）相較于鈦合金、不銹鋼等生物材料，鎂合金有其最大的優(yōu)勢(shì)――可降解性。（3）鎂合金有良好的力學(xué)性能，其楊氏模量為41.45 GPa，遠(yuǎn)小于鈦合金和不銹鋼，這就能夠有效地緩解傳統(tǒng)金屬植入材料所引起的“應(yīng)力遮蔽效應(yīng)”，骨質(zhì)疏松甚至是二次骨折。（4）具有良好的生物相容性。鎂是人體必需的微量元素，成年人平均每天應(yīng)該攝入約400 mg鎂離子，鎂的生物安全性高，無(wú)生物毒性。
鎂的化學(xué)性能很活潑，耐腐蝕性能較差，這是制約鎂合金在醫(yī)療方面進(jìn)一步應(yīng)用的最大阻力。通常，鎂合金的耐蝕性主要與生成的腐蝕產(chǎn)物層有關(guān)，當(dāng)生成的腐蝕產(chǎn)物大于溶解的腐蝕產(chǎn)物時(shí)，鎂具有好的耐蝕性。由于鎂表面的氧化物膜疏松多孔，對(duì)其難以形成保護(hù)作用：鎂在酸性條件下易腐蝕，腐蝕膜無(wú)法對(duì)鎂形成保護(hù)作用；鎂在堿性條件下雖然有較好的耐腐蝕性，但其形成的是松散沉淀物。以上原因使得鎂還不能滿足當(dāng)前醫(yī)學(xué)臨床上長(zhǎng)周期植入物的要求。
2 鎂在體液中的降解過(guò)程
生物鎂合金在植入人體后需要保持12周以上才能保證組織充分愈合和生長(zhǎng)。人體的體液是由有機(jī)酸、金屬離子、陰離子以及蛋白質(zhì)、酶和細(xì)胞等構(gòu)成的復(fù)雜的電解質(zhì)環(huán)境，pH值7.35～7.45，溫度37 ℃。由于鎂的標(biāo)準(zhǔn)電極電位極低（-2.37 V），因此，易在人體環(huán)境中發(fā)生電化學(xué)腐蝕，其反應(yīng)過(guò)程有：
由于體液成分的復(fù)雜性，鎂合金在體內(nèi)的腐蝕受很多因素的影響和制約。一方面血液中大量存在的Cl-，其溶解度大且半徑小，易穿透表面膜與基體接觸發(fā)生反應(yīng)，并為去極化劑和陽(yáng)離子擴(kuò)散打開(kāi)通道，加速腐蝕電流流動(dòng)，還會(huì)將Mg（OH）2溶解成MgCl2，使其喪失保護(hù)膜層的作用；另一方面PO43-、HPO2-、SO42-和CO32-與鎂鈣離子反應(yīng)生成的難溶膜層和蛋白質(zhì)在鎂合金表面形成的吸附膜均會(huì)阻礙基體與體液接觸，阻礙鎂合金的進(jìn)一步腐蝕。
3 鎂合金的應(yīng)用與研究
鎂合金在醫(yī)療上已有了諸多應(yīng)用，比如醫(yī)用螺釘、心血管支架、多孔骨修復(fù)材料等。在醫(yī)用螺釘方面，由于鎂的彈性模量與人骨的接近，可以有效地緩解應(yīng)力遮蔽效應(yīng)，在骨折愈合初期，提供穩(wěn)定的力學(xué)性能，并逐步增加骨的受力，刺激骨的生長(zhǎng)，加速愈合；而在心血管支架方面，相對(duì)于不可降解的不銹鋼支架，鎂合金心血管支架有更好的應(yīng)用前景；在作為多孔骨修復(fù)材料方面，由于其合適的力學(xué)性能、可降解性和本身的生物活性，能誘導(dǎo)細(xì)胞的分化和血管的生長(zhǎng)。
但鎂合金作為植入材料，過(guò)快的降解速度仍然制約著鎂合金在臨床上的應(yīng)用，而且必須在服役期間內(nèi)滿足必要的力學(xué)與形態(tài)學(xué)要求，因此鎂合金的降解速度不宜過(guò)快，且要盡量避免發(fā)生點(diǎn)蝕，點(diǎn)蝕的發(fā)生會(huì)加快腐蝕速率，合金降解的時(shí)間也不可控制。目前的研究工作便是近一步增加鎂合金的耐蝕性，促進(jìn)均勻腐蝕行為，滿足鎂合金醫(yī)用材料降解時(shí)間的可調(diào)控性和可預(yù)測(cè)性的設(shè)計(jì)，在長(zhǎng)時(shí)期植入生w內(nèi)期間，有效滿足新骨的生成速率和鎂合金降解速率相一致，最大地促進(jìn)骨的生長(zhǎng)和治愈效果。
4 提高鎂合金耐蝕性的方法
元素合金化是目前常用的鎂合金強(qiáng)化方法之一，即添加合金元素，使鎂的力學(xué)性能和耐腐蝕性得以提高，當(dāng)植入材料在人體內(nèi)進(jìn)行工作時(shí)，合金元素固然會(huì)隨之進(jìn)入人體內(nèi)，因此合金元素必須對(duì)人體無(wú)毒副作用，即具有良好的生物相容性。常用的可添加元素有Ca、Sr、Zn、Zr等和一些稀土元素。鈣是人體必不可少的元素之一，它是組成骨骼的主要元素。加入少量的鈣可以改善鎂合金的鑄造及機(jī)械性能。鎂鈣合金中Ca的添加量低于wt.1.0%時(shí)表現(xiàn)出良好的生物相容性、低腐蝕速率以及適當(dāng)?shù)膹椥阅Ａ亢蛷?qiáng)度。鍶能夠維護(hù)骨骼健康，增強(qiáng)骨強(qiáng)度和骨密度。鋅元素有助于青少年骨骼發(fā)育和組織再生，并能促進(jìn)傷口愈合，提高人體機(jī)能的免疫力。鋯本身的耐蝕性就很優(yōu)異，在鎂合金中與鐵等形成穩(wěn)定的化合物。鋯能夠細(xì)化鎂合金晶粒，提高合金的機(jī)械性能和耐蝕性能。
另外，對(duì)鎂進(jìn)行表面改性處理是指通過(guò)化學(xué)或物理方法進(jìn)行處理，使其表面生成耐腐蝕膜，從而對(duì)基體起到保護(hù)作用。目前表面處理的方法有化學(xué)轉(zhuǎn)化膜、堿熱處理、陽(yáng)極氧化、微弧氧化、離子注入和構(gòu)筑生物活性涂層等。其中構(gòu)筑生物活性涂層法是指在鎂合金表面涂上一層生物活性膜，此法不僅能提高其生物相容性，而且可以延緩基體在體液中的腐蝕和降解速率。Rudd等人[1]通過(guò)放置鎂及WE43合金在Ce（NO3）3、La（NO3）3或Pr（NO3）3溶液中進(jìn)行化學(xué)處理，在表面生成稀土轉(zhuǎn)化膜。將處理過(guò)的純鎂與WE43在pH為8.5的硼酸溶液中進(jìn)行動(dòng)態(tài)極化測(cè)試和阻抗測(cè)試。結(jié)果表明兩種合金在溶液的耐蝕性在短期內(nèi)顯著增加。
5 鎂合金體內(nèi)測(cè)試研究成果介紹
在作為心血管支架方面，國(guó)內(nèi)外的研究人員通過(guò)科學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了鎂合金因其具有可降解性可以在一段時(shí)間內(nèi)自行降解并具有很大的應(yīng)用前景。B.Heublein等[2]將AE21鎂合金（2%Al+1%RE）支架植入家養(yǎng)豬的冠狀動(dòng)脈，結(jié)果顯示植入6個(gè)月后有50%質(zhì)量損失，且降解速度與時(shí)間呈線性關(guān)系，在試驗(yàn)期間沒(méi)有出現(xiàn)重大的問(wèn)題和初期支架破損的現(xiàn)象。Erbel的臨床研究顯示[3]，將71個(gè)長(zhǎng)度10～15 mm、直徑3.0～3.5 mm的鎂合金支架植入63個(gè)冠狀動(dòng)脈狹窄的患者，4個(gè)月后經(jīng)血管內(nèi)超聲檢查，血管狹窄率由61.5%降低到12.6%，可觀察到部分狹窄血管直徑增加且血供良好，術(shù)后1年殘余的少量鎂合金支架嵌入內(nèi)膜，沒(méi)有不良反應(yīng)。
在作為骨固定材料方面，鎂合金的腐蝕產(chǎn)物有助于誘導(dǎo)骨生長(zhǎng)。F. Witte等[4]將4種不同鎂合金和1種降解聚合物植入豚鼠股骨進(jìn)行比較研究，發(fā)現(xiàn)鎂合金組在1周內(nèi)有皮下氣泡產(chǎn)生，2～3周后氣泡消失；在6周和18周進(jìn)行觀察，所有鎂合金植入體被主要由與骨直接接觸的Ca、P組成的磷酸鹽相覆蓋，鎂合金周圍的礦化骨的面積顯著高于聚合物，認(rèn)為鎂離子的聚集可以激活骨細(xì)胞，促進(jìn)骨的再生。
6 實(shí)驗(yàn)生物鎂合金組織性能測(cè)試
稀土Nd在鎂合金中有較大的極限固溶度，可以對(duì)鎂合金起到很好的固溶強(qiáng)化作用。Nd的添加可以形成金屬間化合物使鎂合金電偶腐蝕過(guò)程中陰極性減弱，降低了鎂合金的微電偶腐蝕，并且可以改善表面氧化膜的結(jié)構(gòu)，使其變得致密，從而增強(qiáng)了耐腐蝕性。而且少量Nd在生物體內(nèi)無(wú)細(xì)胞毒性，晶界處會(huì)形成Mg12Nd耐蝕相，在晶界處形成腐蝕障礙，增加耐蝕性，并且析出的第二相Mg12Nd的電位比鎂稍高，可以緩解鎂被腐蝕的程度。該文介紹課題組制備的兩種稀土生物鎂合金的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如下。
Mg2.4Nd0.8Sr0.3Zr鎂合金在模擬體液中腐蝕7天后的表面形貌圖如圖1（a）所示。在合金腐蝕后表面生成了密集的腐蝕產(chǎn)物層，阻礙溶液進(jìn)一步滲入基體，增加耐蝕性。且片狀腐蝕層被裂紋分割成相對(duì)均勻的區(qū)域，表明該合金在模擬體液中的腐蝕行為是均勻腐蝕的。Mg3.5Nd0.2Zn0.4Zr合金顯微組織如圖1（b）所示，基體主要由α-Mg和在晶界析出白色的Mg12Nd相組成，Mg12Nd相的生成提高了V合金的耐蝕性。
7 結(jié)語(yǔ)
綜上所述，生物鎂合金自身在各方面性能上也具有極大的優(yōu)越性，尤其是力學(xué)性能、可降解性以及生物相容性。因此，其可以作為可降解醫(yī)用金屬材料，其可降解性有助于組織生長(zhǎng)和愈合，可極大地減輕患者的痛苦和經(jīng)濟(jì)壓力，同時(shí)避免二次手術(shù)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，并具有廣闊的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
[1] AL Rudd，CB Breslin，F(xiàn) Mansfeld.The corrosion protection afforded by rare earth conversion coatings applied to magnesium[J].Corrosion Science，2000，42（2）：275-288.
[2] Heublein B，Rohde R，Kaese V，et al.Biocorrosion of magnesium alloys： a new principle in cardiovascular implant technology[J].Heart， 2003，89（6）：651-656.
Abstract It is quick convient good-repeating and cheap that examining the biotic materials compatibility through cell-culturing method，and it is more and more important in evaluating the compatibility of biotic material.The new material appeating continously complicating of the part and aim material be planted in the intensity of materials toxic effect the reactions complication of material and biotic body，all of these decide the variety of experiment method and cells in cell toxicity experiment.It is very important that choices the right experiment method and cells according to the materials character the part and aim the material be planted in .The evaluation of biotic materials compatibility stressed on the changing of cells form and quantity before.Inrecent years，more and more reports appear about material influeances the growth.adhesion proliferation and metabolizing of cell.and presents the point that the evaluation standard of biotic materials compatibility should be set according to the active cells quantity and their growth.Combining many subjects technological development，such as immunology， chemistry，radiation and shadowgraphy，thoroughly inquires the changeing relation of cells structure and funtion，furtherly clarifes the materials effect on cell，It is the developing direction in the future that evaluates the biotic materials compatibility in cedd-culturing method.
Key words Biotic material Cell-culturing Compatibility Toxicity experiment
生物材料的臨床應(yīng)用已有較長(zhǎng)的歷史，廣泛應(yīng)用于牙科、眼科、整形外科及心血管外科領(lǐng)域。目前美每年有2-3百萬(wàn)人工臟器或假肢植入人體中。生物材料不僅要具有臨床使用時(shí)所需要的理化性能，還必須具有良好的生物相容性，以保證使用安全。如何快速準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)材料的生物相容性，對(duì)于研制新材料和縮短研究周期起著重要的作用[1]。
根據(jù)1982年美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)和牙科協(xié)會(huì)（ANSI/ADA）公布的評(píng)價(jià)生物相容性實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)草案，評(píng)價(jià)生物相容性的實(shí)驗(yàn)方法有全身毒性試驗(yàn)（口服法）、急性全身毒性試驗(yàn)（靜脈注射法）、吸入毒性試驗(yàn)、溶血試驗(yàn)、皮下植入試驗(yàn)、骨內(nèi)植入試驗(yàn)、過(guò)敏試驗(yàn)等[2]。細(xì)胞培養(yǎng)法作為檢測(cè)材料毒性的手段（亦稱為細(xì)胞毒性試驗(yàn)），具有簡(jiǎn)便、敏感性高、節(jié)省動(dòng)物、節(jié)約經(jīng)費(fèi)、縮短生物材料研究周期等優(yōu)點(diǎn)，正日益受到人們的廣泛重視。本文就該研究領(lǐng)域近幾年的發(fā)展及動(dòng)向作一簡(jiǎn)介。
1 細(xì)胞毒性試驗(yàn)方法的進(jìn)展
1948年Rosen Bluth等首次報(bào)道利用鼠成纖維細(xì)胞培養(yǎng)來(lái)篩選聚合物，開(kāi)始了細(xì)胞毒性試驗(yàn)評(píng)價(jià)生物材料的生物相容性的研究與應(yīng)用工作，迄今為止這方面已有大量的工作積累與研究發(fā)現(xiàn)。細(xì)胞毒性試驗(yàn)在評(píng)價(jià)材料生物相容性地位已得到公認(rèn)[3]。由于目前對(duì)生物相容性概念及機(jī)理還完全了解，加之材料的多樣性、置入要體內(nèi)環(huán)境中的變異性、材料與機(jī)體作用的復(fù)雜性等因素，故迄今為止，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一細(xì)胞毒性試驗(yàn)方法。
細(xì)胞毒性試驗(yàn)由于細(xì)胞培養(yǎng)方式（如單層細(xì)胞培養(yǎng)、細(xì)胞懸液與材料混合培養(yǎng)、細(xì)胞在材料上培養(yǎng)等）的不同，細(xì)胞與材料之間有無(wú)間質(zhì)（即細(xì)胞直接與材料或其浸出液接觸，還是通過(guò)間質(zhì)接觸）以及材料毒性成份（即材料本身、浸出物、擴(kuò)散物或材料降解產(chǎn)物等）不同決定了細(xì)胞毒性試驗(yàn)方法的多樣性。根據(jù)細(xì)胞和材料之間有無(wú)間質(zhì)可以將細(xì)胞毒性試驗(yàn)方法分為間接法與直接法兩大類。
1.1間接法
最典型的間接法是瓊脂覆蓋法，該法是Dubecco在1952年首先提出[4]。其方法是將含有培養(yǎng)液的瓊層平鋪在有單層細(xì)胞的培養(yǎng)皿中，再在固化的瓊脂層上放上試樣進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)。此法優(yōu)點(diǎn)是不管試驗(yàn)材料是什么形態(tài)（膜、粉末或油脂狀）等都適用。但該法敏感性受試樣溶出物瓊脂層上擴(kuò)散程度的影響。當(dāng)溶出物分子量小，易溶于水，其毒性發(fā)現(xiàn)早且較強(qiáng)。反之即使有毒的材料，如溶出物分子量大并難溶于水，使用該法時(shí)材料毒性就難以表現(xiàn)出來(lái)。
為克服瓊脂法的缺點(diǎn)，Sabita Sriva等提出分子濾過(guò)法[3]。該法是在單層細(xì)胞上覆蓋一層丙烯鹽制成的微孔濾膜，將試樣材料放在濾膜上，使材料毒性在成份通過(guò)濾膜作用于其下的細(xì)胞。由于濾膜微孔直徑約0.45μm，Bondemark認(rèn)為該法適合評(píng)價(jià)毒性成份分子量小的材料的相容性[5]。 van Luyn等1992年報(bào)道用甲基纖維素細(xì)胞培養(yǎng)法評(píng)價(jià)聚合物的細(xì)胞毒性[6]。該法是在甲基纖維素中混入細(xì)胞表面進(jìn)行培養(yǎng)。該法優(yōu)點(diǎn)是生物材料的水解及細(xì)胞壞死釋放出的蛋白分解酶引起的酶解作用均要發(fā)生，因此可同觀察到生物材料的原發(fā)性及繼發(fā)性細(xì)胞毒性。
1.2 直接法
生物材料中一些易溶出物質(zhì)引起炎癥反應(yīng)和組織反應(yīng)的主要原因。易溶出物質(zhì)一般是原料單體、低分子聚合物、催化劑、溶劑、穩(wěn)定劑、乳化劑等。為研究這些溶出物的細(xì)胞毒性，一些學(xué)者提出浸出液法。該法是將試樣投入培養(yǎng)液或蒸餾水中適當(dāng)條件下進(jìn)行浸泡，制備出含有溶出的浸泡液再將浸了液加在含有細(xì)胞的培養(yǎng)皿或試管中繼續(xù)培養(yǎng)，觀察溶出物對(duì)細(xì)胞的影響。Oshima認(rèn)為不同浸提條件和浸提方式所制備的材料溶出物在細(xì)胞敏感程度上并無(wú)顯著性差異[7]。
直接浸漬法：該法是形態(tài)不規(guī)則的試樣（如金屬粉末、油脂類材料）等與細(xì)胞一起放入培養(yǎng)皿中進(jìn)行培養(yǎng)。當(dāng)有溶出物時(shí)試樣周圍的細(xì)胞就會(huì)受到影響。寧淑華等1988年用該法對(duì)醫(yī)用硅膠及聚乙烯醇進(jìn)行細(xì)胞毒性試驗(yàn)[8]。作者認(rèn)為對(duì)于形態(tài)不規(guī)則有微量毒性的材料使用該法較為適宜。
另一些學(xué)者在直接法基礎(chǔ)上提出直接接觸法。該法將細(xì)胞直接放在生物材料上進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)。當(dāng)有毒性物質(zhì)釋放時(shí)，由細(xì)胞形態(tài)變化和數(shù)量增減檢測(cè)細(xì)胞毒性程度，同時(shí)可以直接觀察到細(xì)胞在材料表面貼附情況。直接接觸法不僅能直接檢測(cè)材料溶出物的細(xì)胞毒性，同時(shí)也是考察材料與組織細(xì)胞相容性的重要手段。通常“材料生物相容性好”，很多場(chǎng)合都是指細(xì)胞容易貼壁且能迅速繁殖生長(zhǎng)。因此可根據(jù)直接接觸法細(xì)胞培養(yǎng)的結(jié)果推測(cè)材料植入人體后與機(jī)體細(xì)胞的反應(yīng)。但是，對(duì)于與血液接觸的循環(huán)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，為了避免引起血栓形成，就希望細(xì)胞難以貼壁且不易增殖。因此應(yīng)根據(jù)材料的使用目的，作出相應(yīng)的生物相容性判斷。
Tsuchiya[9]等于1994年對(duì)瓊脂法、分子濾過(guò)法、浸出液和直接接觸法對(duì)材料的細(xì)胞毒性敏感程度的差異性進(jìn)行比較。作者認(rèn)為浸出液法適合檢測(cè)材料溶出物毒性，并與動(dòng)物毒性試驗(yàn)結(jié)果相符合。直接接觸法對(duì)材料的細(xì)胞毒性敏感性最高，可測(cè)出材料微弱的細(xì)胞毒性。瓊脂法適合對(duì)毒性大的大指材料進(jìn)行篩選。分子濾過(guò)法適合毒性成份分子子量小的材料進(jìn)行生物相容性評(píng)價(jià)。
綜上所述。細(xì)胞毒性試驗(yàn)方法多種多樣，并各有其特色。每種試驗(yàn)方法因其原理及方法不同，選擇材料的針對(duì)性也不同。根據(jù)實(shí)驗(yàn)材料本身理化性質(zhì)、毒性成份表現(xiàn)形式、毒性作用強(qiáng)弱及材料用途選擇正確的實(shí)驗(yàn)方法是至關(guān)重要的。轉(zhuǎn)貼于
2 實(shí)驗(yàn)細(xì)胞研究進(jìn)展
目前細(xì)胞毒性試驗(yàn)中應(yīng)用最早的及使用最廣泛的細(xì)胞是L-929細(xì)胞，該細(xì)胞是Earle等1948年從小鼠皮小組織中分離出的成纖維細(xì)胞。另一種應(yīng)用較多的細(xì)胞是Gey等1953年從人類子宮腫瘤中分離出的子宮粘膜上細(xì)胞（HeLa細(xì)胞）[10]。由于這兩種具有傳代容易，繁殖迅速、體外培養(yǎng)條件低、易儲(chǔ)存，同時(shí)這兩種已建立成系的細(xì)胞株能為實(shí)驗(yàn)提供穩(wěn)定傳代的細(xì)胞，能為許多材料細(xì)胞毒性評(píng)價(jià)所共用等優(yōu)點(diǎn)。1982年美國(guó)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)將L-929細(xì)胞和HaLe細(xì)胞推薦為細(xì)胞毒性試驗(yàn)中的標(biāo)準(zhǔn)細(xì)胞[2]。
由于L-929細(xì)胞來(lái)源于小鼠的皮下組織，HaLe細(xì)胞來(lái)源于人的腫瘤組織。這兩種已建立成系的細(xì)胞株都具有無(wú)限分裂增殖類似腫瘤細(xì)胞的特征。因此人們對(duì)利用這現(xiàn)兩種細(xì)胞代替人體正常組織細(xì)胞評(píng)價(jià)材料的生物相容性的敏感性及可靠性產(chǎn)生了疑問(wèn)。同時(shí)隨著不斷涌現(xiàn)，人們對(duì)材料植入人體后與機(jī)體組織之間可能發(fā)生的反應(yīng)其對(duì)材料的影響產(chǎn)生了濃厚的興趣。因此單用L0929和HaLe細(xì)胞培養(yǎng)檢測(cè)材料的生物相容性已不能滿足人們的這種需要。
從九十年代起越來(lái)越多學(xué)者根據(jù)材料植入體內(nèi)的不同部位及使用目的選擇人體不部位或/和組織來(lái)源的細(xì)胞作業(yè)實(shí)驗(yàn)細(xì)胞，使體外細(xì)胞培養(yǎng)對(duì)機(jī)體內(nèi)環(huán)境的模擬更趨真實(shí)，其結(jié)果更為準(zhǔn)確與客觀。
對(duì)宿主而言植入宿主體內(nèi)的生物材料是種異物，因此材料植入體內(nèi)最普遍和最常見(jiàn)的反應(yīng)是免疫排斥反應(yīng)。由于單核巨噬細(xì)胞來(lái)源于人體的血液，在人體免疫系統(tǒng)中起著重要的作用，能釋放各種刺激因子激活補(bǔ)體引起急慢性炎癥反應(yīng)，同時(shí)刺激成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)促進(jìn)傷品的愈合。因此選擇單核巨噬細(xì)胞作評(píng)價(jià)材料細(xì)胞毒性的實(shí)驗(yàn)細(xì)胞，有助于人們了解材料置入體內(nèi)引起的炎癥反應(yīng)對(duì)組織細(xì)胞的影響[1]。
Cheung認(rèn)為不同組織來(lái)源的細(xì)胞材料的敏感性是有差異的[12]。只用軟組織來(lái)源的細(xì)胞培養(yǎng)檢測(cè)材料的細(xì)胞毒性尚不能全面反映出材料的生物相容性。以骨替代材料和牙用材料為例。前者種植到骨組織內(nèi)，所接觸的是骨環(huán)境，而后者存在于軟組織環(huán)境中。因此骨替代材料應(yīng)選擇骨組織來(lái)源的細(xì)胞，因?yàn)檫@種細(xì)胞在體外培養(yǎng)中可形成體內(nèi)環(huán)境一致的礦物化小結(jié)，這種小結(jié)內(nèi)含有類成骨細(xì)胞和類骨髓細(xì)胞及鈣化的膠原基質(zhì)，使體外細(xì)胞包培養(yǎng)更好地模擬了生物材料與骨組織在體內(nèi)的反應(yīng)。牙用材料可釋放一些可溶性的毒性成份如Na+、Ca2+、Al3+和氟化物等[]14，這些可溶物質(zhì)主要影響鄰近的牙組織及口腔粘膜的上皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞及各種免疫細(xì)胞，并對(duì)這些細(xì)胞的生長(zhǎng)、附著增殖及代謝等功能產(chǎn)生影響。因此對(duì)牙材料采用口腔粘膜的成纖細(xì)胞或/和上皮細(xì)胞才能更準(zhǔn)確地反映出材料的生物相容性。
3 細(xì)胞毒性的觀察方法
以往對(duì)材料生物相容性的評(píng)價(jià)往往著眼于細(xì)胞的形態(tài)與數(shù)量，通過(guò)細(xì)胞形態(tài)的改變和數(shù)量的增減判斷材料的細(xì)胞毒性[15]。由于材料毒性成份對(duì)細(xì)胞的損傷，首先發(fā)生細(xì)胞生物化學(xué)反應(yīng)和生物分子結(jié)構(gòu)的改變，出現(xiàn)代謝和機(jī)能的改變?nèi)缇€粒體氧化代謝障礙、蛋白質(zhì)合成下降，細(xì)胞膜選擇性通透屏障作用消失等，這種變化用形態(tài)學(xué)方法通常不能發(fā)現(xiàn)。只有當(dāng)細(xì)胞死亡10h以上，細(xì)胞的自溶性變化相當(dāng)明顯的才能在光顯微鏡下根據(jù)細(xì)胞死亡的判斷特點(diǎn)，即核濃縮、核碎裂、胞漿伊紅染色等判斷材料的細(xì)胞毒性程度。因此傳統(tǒng)的細(xì)胞毒性觀察方法不能及時(shí)、準(zhǔn)確地判斷材料的細(xì)胞毒性。
九十年代以來(lái)，越來(lái)越多學(xué)者傾向于從材料毒性成份引起細(xì)胞死亡所產(chǎn)生的細(xì)胞形態(tài)和數(shù)量的變化評(píng)價(jià)材料生物相容性轉(zhuǎn)移到材料對(duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)、附著、增殖及代謝功能的影響，并提出了以存活的有功能的細(xì)胞或/和細(xì)胞生長(zhǎng)增殖情況作材料的生物相容性評(píng)價(jià)指標(biāo)。
在體外細(xì)胞培養(yǎng)中已有學(xué)者提出一些能敏感地反映細(xì)胞活力功/和細(xì)胞殖的實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)方法。如放射性位素（3H-胸腺嘧啶，3H-亮氨酸等）攝入法[16]、熒光染色法（如乙酰乙酸熒光素）[18]、流式細(xì)胞光度術(shù)等[19]。這此方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍。
放射性同位素?cái)z入法是在培養(yǎng)基中摻入3H-胸腺嘧啶或/和3H-亮氨酸等，根據(jù)3H-胸腺嘧啶在細(xì)胞內(nèi)含量測(cè)量DNA的合成含量，3H-亮氨酸含量測(cè)定細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成清況[16]。該法能揭示細(xì)胞分子水平的動(dòng)態(tài)變化，是研究細(xì)胞代謝狀態(tài)的重要手段。但同位素物質(zhì)對(duì)研究人員會(huì)造成一定程度的放射性損害，同時(shí)需要特殊設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室和一些特殊設(shè)備是其缺點(diǎn)。
四甲基偶氮唑鹽微量酶反應(yīng)色法（MTT法）是由Mosroann在1983年提出，最初應(yīng)用于免疫學(xué)領(lǐng)域，近年一些學(xué)者將該法應(yīng)用到生物相容性評(píng)價(jià)中[20]。其原理是線粒體琥珀酸脫氫酶能催化四甲基偶氮唑鹽（MTT）形成蘭色甲替。形成數(shù)目的多寡與活細(xì)胞數(shù)目和功能狀態(tài)呈正相關(guān)，該法簡(jiǎn)便迅速、不接觸同位素、而敏感性同位素法接近。該法缺點(diǎn)是甲替有時(shí)易聚集成團(tuán)影響結(jié)果的難確性。
熒光染色法：其基本原理是當(dāng)細(xì)胞受到損傷時(shí)，細(xì)胞膜的選擇通透性屏障作用消失，利用乙酰乙酸熒光素和溴化乙錠快速進(jìn)出細(xì)胞膜受損的細(xì)胞特點(diǎn)。在熒光顯微鏡下迅速區(qū)分受損細(xì)胞[22]該法特點(diǎn)適合評(píng)價(jià)首先影響細(xì)胞膜功能的材料的生理相容性。
流式細(xì)胞光度術(shù)（Flow cytometry，F(xiàn)CM）是近幾年迅速發(fā)展起來(lái)的分析細(xì)胞的方法[22]。該法利用鞘流原理，使被熒光標(biāo)記的單個(gè)懸浮細(xì)胞排成單列，按重力方向流動(dòng)。細(xì)胞被激光照射后反射熒光，檢測(cè)器械可逐個(gè)結(jié)細(xì)胞的熒光強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定。FCM對(duì)細(xì)胞測(cè)定能力30-60萬(wàn)個(gè)細(xì)胞/分鐘，同時(shí)可對(duì)細(xì)胞的核酸，蛋白質(zhì)、酶、細(xì)胞周期分布等八種量進(jìn)行測(cè)定。該法在材料的生物相容性評(píng)價(jià)中有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
4 結(jié)束語(yǔ)
口腔生物醫(yī)學(xué)材料具有比較廣泛的應(yīng)用范圍，不只是在因先天或后天原因?qū)е卵荔w組織和頜面器官缺損的修復(fù)方面進(jìn)行應(yīng)用，還可能在鑒別診斷口腔疾病方面具有輔助作用。生物醫(yī)學(xué)材料可實(shí)現(xiàn)對(duì)缺損組織與器官的修復(fù)和置換，恢復(fù)組織或器官的正常功能。隨著迅猛發(fā)展的科技水平，口腔生物醫(yī)學(xué)材料的制作方法也具有明顯的改進(jìn)，日益推出復(fù)合型與功能型形式各樣的生物醫(yī)學(xué)材料，并日益優(yōu)化其性能。
2. 資料與方法
通過(guò)對(duì)生物醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)有關(guān)文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)庫(kù)的檢索，并進(jìn)行較深入地分析。結(jié)合臨床口腔生物醫(yī)學(xué)材料應(yīng)用的特點(diǎn)，比較分析有關(guān)數(shù)據(jù)?？谇簧镝t(yī)學(xué)材料基礎(chǔ)性研究、臨床應(yīng)用的生物醫(yī)學(xué)材料等相關(guān)文獻(xiàn)都是重要依據(jù)，并將與目的無(wú)關(guān)的研究結(jié)果予以排除。
3. 結(jié)果
按照材質(zhì)類別可將口腔生物醫(yī)學(xué)材料分為金屬、高分子及非金屬生物復(fù)合材料三類。金屬類材料在臨床口腔生物材料中是最早應(yīng)用的一類材料，這類材料優(yōu)點(diǎn)是具有較高強(qiáng)度、較強(qiáng)韌性、獲取容易等，在臨床中應(yīng)用廣泛。還可結(jié)合其成分將金屬類材料分為純金屬、合金及特種金屬三種，在臨床中純金屬類材料應(yīng)用不多，應(yīng)用較多的主要是合金和特種金屬。合金類金屬材料由不少于兩種金屬元素組成，盡管其延展與抗壓等物理性能低于純金屬材料，但在應(yīng)用中生物安全性較高，所以在臨床中具有比較廣泛的應(yīng)用。鈷基合金材料目前廣泛應(yīng)用的合金類材料，主要有鈷鉻鎢鎳和鈷鉻鉬合金兩類，具有抗腐蝕性較強(qiáng)的性能，高于單一金屬材料40倍。但在加工制作過(guò)程中比較煩瑣，所以相對(duì)具有比較昂貴的價(jià)格。此外，機(jī)械性能也比純金屬類材料高，通常在替換顳下頜關(guān)節(jié)與頜面部?jī)?nèi)固定大面積骨折中應(yīng)用較多。鈦合金與上述金屬合金材料相比較，具有較高的機(jī)械性能和相容性，在人體植入后不會(huì)產(chǎn)生排斥反應(yīng)和毒副作用，生物相容性較好。通常在種植牙基樁制作、固定骨折及骨缺損替代植入性材料中比較常用。但在使用中金屬材料也具有不足之處，諸如在使用中因人體具有比較復(fù)雜的內(nèi)部環(huán)境，因人體內(nèi)長(zhǎng)期存在金屬材料部會(huì)造成離子向體內(nèi)微滲入，進(jìn)而產(chǎn)生較大的副作用和毒性。
在現(xiàn)代口腔生物醫(yī)學(xué)材料中非金屬生物復(fù)合材料也是其中的重要組成部分，主要有以下三種。一是生物活性陶瓷，該材料是表面具有生物活性和吸附性的一?N陶瓷，通常具有羥基，為多孔形，具有較高的孔隙率。在體內(nèi)生物活性陶瓷能夠降解吸收，通常在生物體內(nèi)用于骨誘導(dǎo)材料對(duì)新生骨生長(zhǎng)具有一定的誘導(dǎo)作用。在實(shí)際應(yīng)用中骨傳導(dǎo)性與誘導(dǎo)性良好，所以通常該材料可用于修復(fù)骨缺損的一種支架材料，在支架的周圍利用填充材料的良好生物學(xué)活性充填覆蓋，以實(shí)現(xiàn)對(duì)缺損的修復(fù)作用，并使材料增加生物相容性。二是惰性生物陶瓷材料，其主要成分是氧化鋁和氧化鋯，硬度高，生物相容性好，所以通常在內(nèi)固定骨折中應(yīng)用較多，在制作口腔全瓷牙內(nèi)冠中也比較常用。三是復(fù)合樹脂，主要混合有機(jī)樹脂基質(zhì)和無(wú)機(jī)填料形成，在特定條件下是能夠引發(fā)化學(xué)性反應(yīng)的一種修復(fù)材料，在修復(fù)小面積牙體缺損時(shí)比較適合。在臨床中目前主要應(yīng)用的有光固化、化學(xué)固化及復(fù)合固化等樹脂類材料，該材料具有較強(qiáng)的可塑性、良好的仿真性、較高的生物相容性、比較耐磨等優(yōu)勢(shì)。
在臨床中高分子類材料是一種比較廣泛應(yīng)用的材料，穩(wěn)定性強(qiáng)，聚乙烯和聚丙烯是其主要成分。與其它材料相比較，該材料在人體中不能降解產(chǎn)生離子，因此不具有毒性?？箾_擊性和抗摩擦性也較強(qiáng)，所以在替換人工關(guān)節(jié)中應(yīng)用比較廣泛。高分子類材料中的硅橡膠材料耐高溫、腐蝕及透氣性較高，所以在制作頜面部復(fù)體及口腔印模精確制取材料中應(yīng)用較廣。另外，該材料可降解，經(jīng)一段時(shí)間后可形成小分子化合物而隨人體基礎(chǔ)代謝排出患者體外。
4. 討論
通過(guò)研究分析生物材料有關(guān)文獻(xiàn)資料，在口腔臨床生物醫(yī)學(xué)材料中選取金屬材料、高分子、生物復(fù)合材料三大類分別進(jìn)行研究。大部分高分子材料與生物復(fù)合材料都是由不少于兩種材料構(gòu)成，對(duì)這類材料進(jìn)行制作時(shí)，可利用相關(guān)技術(shù)對(duì)材料微觀構(gòu)造進(jìn)行改變，使材料特性和優(yōu)點(diǎn)得到充分發(fā)揮，對(duì)不足之處進(jìn)行有效彌補(bǔ)，對(duì)生物材料賦予新的生物特性。材料的生物相容性和機(jī)械強(qiáng)度較高，具有較強(qiáng)的耐腐蝕性，在特定環(huán)境下能夠降解吸收，在臨床應(yīng)用中完全滿足。在高分子材料與生物復(fù)合材料中，我國(guó)開(kāi)展相關(guān)的研究相對(duì)較晚，并在研究初期發(fā)展相對(duì)較為緩慢，但經(jīng)過(guò)近年來(lái)的不斷發(fā)展，已由最初的盲目效仿逐漸發(fā)展到自主研發(fā)，由質(zhì)變迅速發(fā)展發(fā)展到量變?？谇会t(yī)用生物醫(yī)學(xué)材料目前在我國(guó)已逐漸由傳統(tǒng)的單一功能、非專一化、低效逐步發(fā)展為功能完善、復(fù)合化、專業(yè)化及高效，發(fā)表的生物醫(yī)學(xué)材料的相關(guān)文獻(xiàn)也躍居世界第二。
隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)及材料技術(shù)的快速發(fā)展，口腔生物醫(yī)學(xué)材料也得到了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。目前在臨床研究中已逐漸由常用的無(wú)機(jī)材料轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)材料，有機(jī)類生物材料在開(kāi)展較多研究的就是多糖類物質(zhì)。天然多糖類物質(zhì)中殼聚糖屬于其中一種，其生物相容性良好，抗菌性能優(yōu)異。通常該類材料被用于對(duì)各種材料進(jìn)行塑造以便于長(zhǎng)入細(xì)胞和將應(yīng)力傳遞至骨與骨之間。殼聚糖類物質(zhì)因其生物相容性和細(xì)胞黏附性較好，而被廣泛用于各種細(xì)胞因子和藥物載體，實(shí)現(xiàn)對(duì)遺傳信息進(jìn)行傳遞以及相關(guān)疾病的臨床治療。
關(guān)鍵詞：膠原生物醫(yī)用材料；優(yōu)勢(shì)；臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用
生物醫(yī)學(xué)材料是一類對(duì)人體細(xì)胞、組織、器官具有增強(qiáng)、替代、修復(fù)、再生作用的新型功能材料。它有獨(dú)特的基本要求：①具有生物相容性，要求材料在使用期間，同機(jī)體之間不產(chǎn)生有害作用，不引起中毒、溶血、凝血、發(fā)熱、過(guò)敏等現(xiàn)象；②具有生物功能性，在生理環(huán)境的約束下能夠發(fā)揮一定的生理功能；③具有生物可靠性，無(wú)毒性，不致癌、不致畸、不致引起人體組織細(xì)胞突變和組織細(xì)胞反應(yīng)（即“三致物質(zhì)”），有一定的使用壽命，具有與生物組織相適應(yīng)的物理機(jī)械性能；④化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，抗體液、血液及酶的作用；⑤針對(duì)不同的使用目的具有特定功能。按生物醫(yī)用材料性質(zhì)的不同可分為四大類：①醫(yī)用金屬材料。主要用于硬組織的修復(fù)和置換，有鈷合金（Co-Cr-Ni）、不銹鋼、鈦合金（Ti-6Al-4V）、貴金屬系、形狀記憶合金、金屬磁性材料等7類，廣泛用于齒科填充、人工關(guān)節(jié)、人工心臟等。②醫(yī)用高分子材料。有天然與合成兩類，通過(guò)分子設(shè)計(jì)與功能拓展，即合金化、共混、復(fù)合（ABC）等技術(shù)手段，可獲得許多具有良好物理機(jī)械性能和生物相容的新型生物材料。③生物陶瓷材料。有惰性生物陶瓷（氧化鋁陶瓷材料、醫(yī)用碳素材料等）和生物活性陶瓷（羥基磷灰石、生物活性玻璃等）。④醫(yī)用復(fù)合材料。由兩種或者兩種以上不同性質(zhì)材料復(fù)合而成，取長(zhǎng)補(bǔ)短，達(dá)到功能互補(bǔ)。主要用于修復(fù)或者替換人體組織、器官或增進(jìn)其功能以及人工器官的制造。膠原屬于細(xì)胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，根據(jù)分子結(jié)構(gòu)決定功能和性質(zhì)的原則。其分子量大小、形狀、化學(xué)反應(yīng)以及獨(dú)特的生物分子等對(duì)功能、性質(zhì)起著決定性作用。膠原來(lái)源廣泛，資源豐富，性質(zhì)特殊。是21世紀(jì)生物醫(yī)學(xué)材料研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)和重點(diǎn)[1]。
1膠原生物醫(yī)學(xué)材料的優(yōu)勢(shì)
（1）低免疫源性。組織膠原具有一定的免疫性，20世紀(jì)90年代研究發(fā)現(xiàn)，其免疫源性來(lái)自于端肽及變性膠原和非膠原蛋白質(zhì)，在提取膠原時(shí)，除去端肽及純化分離掉變性膠原和非膠原蛋白，能得到極弱免疫原性的膠原材料。（2）與宿主細(xì)胞及組織之間的協(xié)調(diào)作用。其特點(diǎn)：①膠原有利于細(xì)胞的存活和促進(jìn)不同類型細(xì)胞的生長(zhǎng)；②膠原不但可增加細(xì)胞黏結(jié)，而且有利于控制細(xì)胞的形態(tài)、運(yùn)動(dòng)、骨架組裝及細(xì)胞增殖與分化。（3）止血作用。膠原的四級(jí)特殊結(jié)構(gòu)能使血小板活化、釋放出顆粒成分，起到迅速凝血的作用。（4）可生物降解性。膠原是一種特殊的生物降解材料，其降解性作為器官移植的基礎(chǔ)。（5）物理機(jī)械性能。膠原的三螺旋結(jié)構(gòu)以及自身交聯(lián)而成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使其具有很高的強(qiáng)度，可滿足機(jī)體對(duì)機(jī)械強(qiáng)度的要求；另外通過(guò)進(jìn)一步的交聯(lián)增強(qiáng)其強(qiáng)度，而且采用不同的交聯(lián)劑可獲得不同的強(qiáng)度和韌性材料。通過(guò)復(fù)合和接枝共聚能獲得更多性能優(yōu)良的材料。（6）組織工程（Tissueengineering）。膠原的優(yōu)良特性使其在組織工程中扮演更重要的角色，大量應(yīng)用于臨床，前景廣闊。
2膠原在生物臨床醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用
[2]（1）手術(shù)縫合線。當(dāng)前應(yīng)用的天然與合成材料制備縫合線均存在這樣那樣的不足和缺陷，或者不能自然吸收，需要拆線；或者與組織反應(yīng)大，引起發(fā)炎、造成傷口瘢痕明顯；或者吸收時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等。而膠原制備的縫合線既有與天然絲一樣的高強(qiáng)度，又有可吸收性；使用時(shí)有優(yōu)良的血小板凝聚性能，止血效果好，有較好的平滑性和彈性，縫合結(jié)頭不易松散，操作過(guò)程中不易損傷肌體組織?？刹捎脧?fù)合與交聯(lián)改性方法提高縫合線功能和性能，制備的可吸收縫合線有：①純膠原可吸收縫合線；②膠原/聚乙烯醇共混復(fù)合；③膠原/殼聚糖復(fù)合可吸收縫合線；④膠原/殼聚糖/聚丙烯酰胺復(fù)合可吸收縫合線。（2）止血纖維。膠原纖維是一種天然的止血?jiǎng)┖湍牧?，且止血功能?yōu)異。膠原纖維是一種集止血、消炎、促愈為一體，可被組織吸收，無(wú)毒、無(wú)副作用的醫(yī)用功能纖維，相比于以前使用的氧化纖維素、羧甲基纖維素及明膠海綿等止血材料，其效果要好的多。（3）止血海綿。膠原海綿有良好的止血作用，能使創(chuàng)口滲血區(qū)血液很快凝結(jié)，被人體組織吸收，一般用于內(nèi)臟手術(shù)時(shí)的毛細(xì)血管滲出性出血。臨床應(yīng)用于普外科、心血管外科、整形外科、泌尿外科、骨科、皮膚科、燒傷科、婦產(chǎn)科以及口腔科、耳鼻喉科、眼科等幾乎所有的手術(shù)。（4）代血漿。當(dāng)人體由于外傷或其他原因發(fā)生意外急性失血時(shí)，最佳方法必須立刻輸血，但眾所周知，血液來(lái)源非常困難！而且不能長(zhǎng)久保存，輸血之前還需鑒定血型和配型。因此，尋找理想的代用品成為人們的夢(mèng)想。20世紀(jì)50年明膠代血漿受到重視，且符合血漿的條件和性質(zhì)，國(guó)外已大量使用，我國(guó)正在積極推進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化。國(guó)外明膠類代血漿有脲交聯(lián)明膠、改性液體明膠和氧化聚明膠3種。國(guó)內(nèi)有氧化聚明膠、血安定（Gelofu-sine）海星明膠和血代（Haemaccel）。（5）水凝膠。水凝膠是一些由親水大分子吸收了大量水分形成的溶脹交聯(lián)狀態(tài)的半固體（三維網(wǎng)絡(luò)），能保持大量水分而不溶解，具有良好的溶脹性、柔軟性和彈性，以及較低的表面張力等特殊性質(zhì)。交聯(lián)方式有共價(jià)鍵、離子鍵和次級(jí)鍵（范德華力、氫鍵等）。水凝膠是高分子凝膠中的一類，可分為物理凝膠和化學(xué)凝膠。為改善性能需對(duì)天然高分子與合成高分子進(jìn)行共混復(fù)合制備新型水凝膠（互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠），現(xiàn)已取得很大進(jìn)展。制成的復(fù)合材料有膠原/聚甲基丙烯酸羥乙酯水凝膠、膠原/聚乙烯醇水凝膠、膠原/聚異丙酰胺水凝膠、膠原/殼聚糖水凝膠等。（6）敷料。敷料是能夠起到暫時(shí)保護(hù)傷口、防止感染、促進(jìn)愈合作用的醫(yī)用材料。有普通敷料（常用植物纖維紗布）、生物敷料（膠原蛋白及其改性產(chǎn)品以及左旋糖酐、殼聚糖、淀粉磷酸酯等）、合成敷料和復(fù)合敷料等四種。開(kāi)發(fā)使用的品種有海綿型敷料、膠原膜敷料、凝膠敷料。（7）人工皮膚。
人工皮膚是在創(chuàng)傷敷料基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種皮膚創(chuàng)傷修復(fù)材料和損傷皮膚的替代品。其制備方法采用復(fù)合與交聯(lián)法，一是提高膠原的機(jī)械強(qiáng)度；二是膠原與其他天然高分子進(jìn)行雜化改善機(jī)械性能和生物活性。（8）人工血管。人工血管是近年來(lái)組織工程（一門多學(xué)科的交叉科學(xué)）研究的重點(diǎn)之一。當(dāng)今臨床應(yīng)用的人工血管主要是人工合成材料制成的，最早是滌綸纖維編織的人工血管，但只能對(duì)大口徑血管有較短的替代作用。后來(lái)開(kāi)發(fā)聚四氟乙烯（PTFE）、聚氨酯（PU）、膨體聚四氟乙烯（ePTFE），并采取多種方法進(jìn)行改性，以適應(yīng)血管植入的要求。此外，還有生物降解材料如聚乙醇酸（PGA）、聚乳酸（PLA）、聚乳酸異構(gòu)體（PLLA）等。（9）人工食管。分為兩種，一種是用自身的其他組織或器官（如結(jié)腸、空腸、胃、胃管和游離的空腸等）加工而成，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于臨床，優(yōu)缺互見(jiàn)；另一種是人工合成材料加工而成，比如塑料管、金屬管、PTFE管、硅膠管等，效果均不理想。最早制成使用的聚乙烯（PE）管，此后發(fā)展了PTFE、硅橡膠、硅膠涂覆的滌綸編織管（PET）、碳纖維管等。近年以來(lái)，使用聚乙烯醇（PVA）、PLA降解塑料。用降解塑料制作無(wú)細(xì)胞支架的人工食管、組織工程化食管等。（10）心臟瓣膜。分為機(jī)械瓣膜（金屬瓣）和生物瓣膜。心臟瓣膜支架材料有可降解合成高分子和生物高分子?？山到夂铣筛叻肿佑蠵LA、PGA及二者共聚物（PGLA），此外還有聚β—羥基烷酸酯、聚羥基丁酸酯（PHB）；生物高分子材料有膠原、纖維蛋白凝膠、去細(xì)胞瓣膜支架等。（11）骨的修復(fù)和人工骨。目前仍以金屬（不銹鋼、鈷鉻合金、鈷鎳合金、鈦合金）為主；高分子材料，諸如PTFE、聚硅氧烷、高密度聚乙烯（HDPE）、陶瓷（結(jié)晶氧化鋁、羥基磷灰石）以及復(fù)合材料。膠原以其獨(dú)特的性能成為不可或缺的生物材料，在骨修復(fù)中起舉足輕重作用。①在組織引導(dǎo)再生術(shù)中（guidedtissueregeneration,GTR）能起到“誘導(dǎo)成骨”、“傳導(dǎo)成骨”，實(shí)現(xiàn)再生修復(fù)和骨愈合的作用。②組織工程化骨組織的構(gòu)建。包括三個(gè)方面：一是尋求能夠作為細(xì)胞移植與引導(dǎo)新骨生長(zhǎng)的支架結(jié)構(gòu)作為細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的替代物；二是種子細(xì)胞；三是組織工程骨的組織還原（骨缺損修復(fù)）。（12）角膜與神經(jīng)修復(fù)。角膜膠原膜和組織工程化角膜；人工神經(jīng)支架采用膠原、膠原/殼聚糖或膠原/糖胺聚糖等。（13）藥物載體。藥物載體由高分子材料充當(dāng)，大多數(shù)為傳遞系統(tǒng)，其主要成分是膠原和明膠。有膠原膜、膠原海綿、藥用膠囊和微膠囊和丸劑與片劑。（14）固定化酶載體。膠原可作為細(xì)胞或酶的載體，其特點(diǎn)：①膠原本身是蛋白質(zhì)，對(duì)酶和細(xì)胞的親和性是其他材料不可及的；②膠原蛋白成膜性好，可制成各種酶膜；③膠原蛋白肽鏈上具有許多官能團(tuán)，諸如羧基、氨基、羥基等，易于吸附和固化。膠原蛋白有很好的生物相容性，在體內(nèi)可被逐步吸收，交聯(lián)接枝共聚后賦予了材料良好的物理機(jī)械性能，且可在體內(nèi)長(zhǎng)期保存。廣泛應(yīng)用于人體的各個(gè)部位。生物醫(yī)學(xué)材料在人體的應(yīng)用部位，詳見(jiàn)圖1[3]。
3結(jié)語(yǔ)
隨著社會(huì)文明的不斷進(jìn)步，生命至上理念不斷深入人心，天賦人權(quán)，生命是任何人都不能剝奪的最高權(quán)利，人類對(duì)身心健康和生活質(zhì)量越來(lái)越重視。當(dāng)前，新型材料更多的應(yīng)用于醫(yī)藥和臨床，尤其如膠原基生物材料，以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和優(yōu)異的性能在這一領(lǐng)域大顯身手。科技改變未來(lái)、改變生活，天然高分子與合成高分子材料通過(guò)共混、復(fù)合、合金化、納米化等技術(shù)手段，制備成多種新穎獨(dú)特的新材料和新產(chǎn)品。尤其應(yīng)用于臨床和組織器官工程挽救了數(shù)以萬(wàn)計(jì)的人類生命并提高了生命質(zhì)量和延長(zhǎng)了壽命。隨著3D打印技術(shù)在生物醫(yī)療領(lǐng)域的快速發(fā)展，如何制備出適合3D打印的不同類型膠原蛋白材料，并保證在打印過(guò)程中蛋白不變性、強(qiáng)度可控、易塑性等成為研究的新課題[4]。當(dāng)今，是生物高分子時(shí)代，隨著科技發(fā)展日新月異，生命科學(xué)和生物材料研究的不斷深入。生物醫(yī)藥是“十四五”的新興產(chǎn)業(yè)鏈。膠原在生物醫(yī)學(xué)、醫(yī)藥、組織器官工程和臨床醫(yī)學(xué)的應(yīng)用將更加光明，潛力非常巨大。開(kāi)發(fā)應(yīng)用必將成為廣大科研人員研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)，我們將拭目以待有更多的新型材料和產(chǎn)品為人類的健康服務(wù)并造福人類。
關(guān)鍵詞：復(fù)合材料 包埋微生物 廢水 廢氣
生物固定化技術(shù)是20世紀(jì)70年展起來(lái)的技術(shù)，它是使物質(zhì)擴(kuò)散進(jìn)入多孔性載體內(nèi)部，或利用高聚物在形成凝膠時(shí)將物質(zhì)包埋在其內(nèi)部[1]。經(jīng)研究結(jié)果表明，該技術(shù)可用于處理NH3和等H2S多種廢氣[2]，由此可見(jiàn)，固定化微生物在處理廢氣中有非常重要的意義。因此，本文對(duì)固定化微生物技術(shù)及其所用包埋載體進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，對(duì)聚乙烯醇（ PVA）和海藻酸鈉（SA）包埋微生物去除廢氣的影響因素進(jìn)行綜述，并總結(jié)了固定化微生物處理廢氣的應(yīng)用，提出了一種既能促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)，又能改善小球的性能新方向。
微生物細(xì)胞的固定化方法有吸附法、交聯(lián)法和包埋法，其中，以包埋法最為常用[3]。包埋材料主要分為：一類是天然高分子多糖類，主要有瓊脂、明膠和SA等，這類包埋材料具有成型容易，毒性小，傳質(zhì)性能好，包埋密度高等優(yōu)點(diǎn)，但機(jī)械強(qiáng)度較低。另一類是合成高分子化合物，常主要有PVA與聚丙烯酰胺等，這類載體材料不易被微生物分解，機(jī)械強(qiáng)度較高，且化學(xué)穩(wěn)定性好。
聚乙烯醇是一種無(wú)色、無(wú)毒、無(wú)腐蝕性、且微生物不易降解的有機(jī)高分子化合物，在紡織漿料、涂料、薄膜等工業(yè)領(lǐng)域中普遍使用，但成型性差。而海藻酸鈉比較容易成型，傳質(zhì)性能較好，但其機(jī)械強(qiáng)度差，分析原因一方面是海藻酸鈉凝膠是一種多糖類物質(zhì)在水中有一定的水溶性，另一方面微生物能夠降解海藻酸鈉[4]，所以用海藻酸鈉做包埋凝膠小球的主體材料不適合。因此，將PVA與SA相結(jié)合，提高機(jī)械強(qiáng)度與傳質(zhì)性能。
1.復(fù)合材料包埋性能的影響因素
影響復(fù)合材料包埋性能的因素有PVA與SA的濃度配比、交聯(lián)劑、添加吸附劑等，通過(guò)形成小球的難易程度、機(jī)械強(qiáng)度和傳質(zhì)性能來(lái)評(píng)價(jià)凝膠球的性能，選擇最佳條件來(lái)包埋微生物去除廢氣。
1.1 PVA-SA的濃度配比
洪梅等[5]采用PVA-SA作為包埋劑，培養(yǎng)了用氯苯馴化的微生物，制備固定化微生物小球，利用正交實(shí)驗(yàn)確定了制備固定化微生物小球的最佳條件，并對(duì)固定化微生物和游離微生物降解氯苯的效果進(jìn)行了比較。結(jié)果表明：固定化小球制備最優(yōu)條件為：聚乙烯醇的質(zhì)量濃度80g/L，海藻酸鈉質(zhì)量比1.0%，菌液與包埋劑體積比25：1，當(dāng)氯苯質(zhì)量濃度為80mg/L，菌液接種量為8%，氯苯去除率為87.6%，固定化微生物降解性能較好。楊慧[4]等研究了PVA與SA的配比，PVA和海藻酸鈉混合溶液濃度，凹凸棒土濃度，活性污泥濃度，通過(guò)形成凝膠球的機(jī)械強(qiáng)度和傳質(zhì)性能來(lái)檢測(cè)，研究結(jié)果，PVA與SA的質(zhì)量濃度最佳配比為7：1。
1.2交聯(lián)劑
用于制備PVA-SA小球的交聯(lián)劑有戊二醛、硼酸和CaCl2溶液。王孝華[6]采用戊二醛與CaCl2溶液作為交聯(lián)劑，研究了戊二醛用量、PVA與SA質(zhì)量比、CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)、戊二醛與聚乙烯醇的反應(yīng)時(shí)間對(duì)復(fù)合材料含水率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)戊二醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.85%、聚乙烯醇與海藻酸鈉質(zhì)量比為 8：1 、CaCl2溶液質(zhì)量濃度為 2%、交聯(lián)1.5h時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和扯斷伸長(zhǎng)率最高，含水率最高。茆云漢[7]采用5種不同固定化方法，即PVA-硼酸法、PVA-硝酸鹽法、PVA-磷酸鹽法、PVA-硫酸鹽法、PVA凍融法，通過(guò)檢測(cè)包埋微生物的機(jī)械強(qiáng)度與活性。結(jié)果表明，PVA-硫酸鹽法制備的凝膠球機(jī)械穩(wěn)定性較高，包埋微生物的生物活性較高，凝膠球的使用壽命在30d以上。
1.3交聯(lián)時(shí)間
賴子尼[8]以正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)法制備聚乙烯醇-海藻酸鈉混合物，研究了PVA-SA配比、交聯(lián)劑濃度、交聯(lián)時(shí)間與凝膠硬度的關(guān)系。結(jié)果表明，凝膠硬度的影響因素的次序是交聯(lián)時(shí)間、SA、PVA和CaCl2濃度。李花子[9]等以PVA-SA作為包埋介質(zhì)采用延時(shí)包埋法，延長(zhǎng)溶解后冷卻的時(shí)間和加入化學(xué)試劑，結(jié)果表明，用這兩種方法制得的聚乙烯醇固定化顆粒的水溶脹性減少，不容易破裂，通過(guò)電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的聚乙烯醇凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)明顯優(yōu)于未經(jīng)過(guò)改進(jìn)的。
1.4添加吸附劑
許多學(xué)者[10，11]在PVA-SA復(fù)合材料中添加了活性炭纖維、碳酸鈣、泥炭、蛭石、高嶺土、珍珠、鐵粉、二氧化硅粉末、鈣基膨潤(rùn)土、粉末活性炭、硅藻土等。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，添加吸附劑的凝膠球機(jī)械強(qiáng)度和傳質(zhì)性能都好于未添加吸附劑的凝膠球。
綜上所述，以上方法可以使PVA-SA這種復(fù)合材料的機(jī)械性能和傳質(zhì)性能有所改進(jìn)，但是添加吸附劑，可以使物理吸附和生物降解同時(shí)進(jìn)行，因此在PVA-SA復(fù)合材料里添加吸附劑的方法比較可行。
2. P復(fù)合材料包埋微生物技術(shù)處理廢氣的研究
采用PVA―SA復(fù)合材料固定微生物技術(shù)在治理許多廢氣如NH3、H2S等方面都有研究。
2.1處理NH3
氨氣是一種會(huì)發(fā)出刺激性氣味的無(wú)色氣體，是污染大氣的重要污染物。因此，Kim等[12]利用PVA-SA復(fù)合材料固定微生物，通過(guò)生物過(guò)濾器治理NH3，當(dāng)為NH3的進(jìn)口濃度為0.05～6g（m3?h）時(shí)，去除氨氣的效率為68%～100%，并且使用壽命在60d以上，由此可見(jiàn)，PVA―SA復(fù)合材料固定微生物在處理氨氣中具有較大的應(yīng)用前景。
2.2處理H2S
H2S廢氣對(duì)環(huán)境及人體有較大的危害，已經(jīng)引起了人們的廣泛關(guān)注[13]，Kim等[14]采用PVA-SA包埋微生物并填入生物過(guò)濾器處理H2S，結(jié)果表明，當(dāng)H2S的濃度低時(shí)，H2S的去除率可以達(dá)到99%。
采用PVA―SA復(fù)合材料固定的微生物，處理廢氣的研究很少，用其他包埋材料固定微生物治理氮氧化物[15]、甲硫醇[16]、二氯甲烷[17]、油煙廢氣[18]等都有報(bào)道，除此之外，揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)（VOCS）是在粉塵之后的第二大類污染物，揮發(fā)性有機(jī)氣體的去除已成為大氣污染控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，因此，利用PVA―SA混合材料包埋微生物來(lái)處理甲醛和VOCS等廢氣具有重要的研究意義。
4. 結(jié)論
采用PVA與SA復(fù)合材料固定微生物處理廢氣有多種優(yōu)點(diǎn)：處理效果好，反應(yīng)器啟動(dòng)快、效率高、成本低、能耗省、無(wú)二次污染等，因此，使用這種材料固定微生物在環(huán)境治理中有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在環(huán)境污染治理中的應(yīng)用前景潛力巨大。但在處理廢氣方面研究較少，目前仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段并沒(méi)有大規(guī)模應(yīng)用，由此可見(jiàn)它還是有缺陷與不足，機(jī)械強(qiáng)度不足、傳質(zhì)性能不佳等，為改進(jìn)PVA―SA復(fù)合材料，添加無(wú)機(jī)化學(xué)試劑（例如，NaSO3），既能促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)，又能改善小球的性能，是材料改進(jìn)的一個(gè)新的方向，使這種復(fù)合材料更能適用于工業(yè)化應(yīng)用。
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關(guān)鍵詞：納米材料；生物安全性；評(píng)價(jià)
Development of Research on the Bio-safety Evaluation of Nanomaterials LI Yan，LU Wei（Shanghai Municipal Center for Disease Control & Prevention，Shanghai 200336，China）
Abstract：The evalution system on bio-safety of nanomaterials is at the phase of exploration. At present，more concentration was given on toxicology than onepidemiology in the research of the bio-safety evaluation of nanomaterials.
Key Words：nanomaterials；bio-safety；evaluation納米材料（nanomaterial）是指由處于1～100 nm尺度范圍內(nèi)的納米顆粒（nanoparticulate）及其致密的聚集體，以及納米微晶體所構(gòu)成的具有一系列新物性（小尺寸效應(yīng)、接口效應(yīng)、量子效應(yīng)和量子隧道效應(yīng)）的材料［1］。
隨著納米技術(shù)的飛速發(fā)展，各種納米材料大量涌現(xiàn)，其優(yōu)良特性及新奇功能使其具有廣泛的應(yīng)用前景，人們接觸納米材料的機(jī)會(huì)也隨之迅速增多。對(duì)納米材料的生物安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)成為迫在眉睫的問(wèn)題。然而，現(xiàn)有的環(huán)境與職業(yè)衛(wèi)生接觸標(biāo)準(zhǔn)及安全性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及方法能否直接適用于納米材料還未能確定，納米材料生物安全性評(píng)價(jià)體系的建立還處在探索階段。目前，對(duì)納米材料生物安全性評(píng)價(jià)還主要集中在對(duì)其健康效應(yīng)的毒理學(xué)研究。本文從人群流行病學(xué)和實(shí)驗(yàn)室研究?jī)蓚€(gè)方面分析納米材料生物安全性的研究進(jìn)展。
1 人群流行病學(xué)研究
美國(guó)和歐洲的科學(xué)家針對(duì)大氣污染物中納米顆粒成分進(jìn)行了一項(xiàng)長(zhǎng)達(dá)20年的流行病學(xué)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：人群發(fā)病率和死亡率與他們所處生活環(huán)境空氣中大氣顆粒物濃度和顆粒物大小密切相關(guān)，死亡率增加是由濃度非常低的相對(duì)較小的顆粒物的增加引起的［2］。世界衛(wèi)生組織（WHO）［2］對(duì)已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：①周圍空氣10 μm的顆粒每增加100 μg/m3，死亡率增加6%～8%，周圍空氣2.5 μm的顆粒每增加100 μg/m3，死亡率增加12%～19%；②周圍空氣10 μm的顆粒每增加50 μg/m3，住院病人增加3%～6%，周圍空氣2.5 μm的顆粒每增加50 μg/m3，住院病人增加25%；③周圍空氣10 μm的顆粒每增加50 μg/m3，哮喘病人病情惡化和使用支氣管擴(kuò)張器增加8%，咳嗽病人增加12%。
大氣納米顆粒的流行病學(xué)研究結(jié)果為納米材料的生物安全性評(píng)價(jià)提供了參考，但是，納米材料特殊的理化性質(zhì)對(duì)其粒徑、組成和在媒介中分布情況的影響是否與人們所熟悉的總懸浮顆粒物（TSP）、PM10和超細(xì)顆粒物（UFPs）等具有相似性，目前還沒(méi)有科學(xué)定論；能否將大氣納米顆粒的流行病學(xué)研究結(jié)果簡(jiǎn)單地外推到納米材料上，也還有待研究證實(shí)。
隨著越來(lái)越多的納米材料、納米產(chǎn)品進(jìn)入人們的日常生活，它究竟會(huì)對(duì)環(huán)境及健康引起什么樣的生物效應(yīng)，我們知之甚少。到目前為止，仍未見(jiàn)專門針對(duì)納米材料的系統(tǒng)人群流行病學(xué)研究報(bào)道，更無(wú)納米材料全面的生物安全性評(píng)價(jià)資料。
2 實(shí)驗(yàn)室研究
近幾年，納米毒理學(xué)研究成為納米材料生物安全性評(píng)價(jià)研究的一個(gè)熱點(diǎn)，從傳統(tǒng)對(duì)呼吸系統(tǒng)、消化系統(tǒng)和皮膚功能的影響研究擴(kuò)展到當(dāng)前流行的生物學(xué)終點(diǎn)研究，例如納米材料引發(fā)的呼吸道和心血管系統(tǒng)炎癥反應(yīng)的氧化應(yīng)激、細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)的改變以及炎癥介子的激活和釋放情況；從研究納米材料對(duì)生物體局部影響的觀察到對(duì)各種納米材料在體內(nèi)的吸收、分布、代謝和清除，以及生物靶器官相互作用規(guī)律的系統(tǒng)研究。納米毒理學(xué)的快速發(fā)展，為納米材料生物安全性評(píng)價(jià)體系的建立積累了重要的數(shù)據(jù)資料，同時(shí)，為探索納米材料生物安全性評(píng)價(jià)方法以及納米材料安全性標(biāo)準(zhǔn)及安全防護(hù)提供了科學(xué)線索。
2.1 納米材料的毒代動(dòng)力學(xué)研究
納米材料進(jìn)入機(jī)體后，可以向全身組織彌散。WANG等［3］用放射性125I標(biāo)記的單壁碳納米管（Single-walled carbon nanotube，SWCNT）經(jīng)灌胃、腹腔注射和靜脈等不同途徑給藥后，相對(duì)分子質(zhì)量超過(guò)60萬(wàn)的SWCNT可以像小分子一樣在身體各部分間自由穿梭，迅速分布于小鼠身體各器官組織中（除大腦），這一點(diǎn)與常規(guī)物質(zhì)截然不同。
一般而言，納米材料在體內(nèi)組織間的彌散主要有以下3種途徑：①由呼吸道表面向黏膜下組織彌散：OBERDORSTER等［4］發(fā)現(xiàn)，大鼠暴露于20 nm多聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene，PTFE）4 h 后，PTFE已經(jīng)進(jìn)入呼吸道黏膜下及肺泡間質(zhì)區(qū)。LAM［5］和WARHEIT［6］也觀察到了SWCNT向動(dòng)物肺間質(zhì)組織彌散的情況。②通過(guò)循環(huán)系統(tǒng)彌散：OBERDORSTER等［7］給大鼠吸入13C顆粒（30 nm），24 h后在肝臟中發(fā)現(xiàn)了聚集的13C。③穿透血腦屏障：KREUTER等［8］發(fā)現(xiàn)，靜脈注射聚山梨酯-80包裹的阿霉素納米顆粒，可被大腦毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞吞噬后穿透大鼠血腦屏障。OBERDORSTER等［9］還發(fā)現(xiàn)了另一種進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)的可能通路――嗅神經(jīng)通路。所有這些說(shuō)明，納米材料進(jìn)入機(jī)體后可以在體內(nèi)彌散，因此有必要對(duì)其毒代動(dòng)力學(xué)進(jìn)行深入研究。
2.2 納米材料的整體生物效應(yīng)
初步研究結(jié)果顯示，不同的納米材料會(huì)出現(xiàn)不一樣的毒作用表現(xiàn)；同一種材料納米級(jí)和微米級(jí)可能出現(xiàn)不同的生物毒性。ZHAO等［10］發(fā)現(xiàn)在生理鹽水溶液中
但是，也不是所有的納米材料都如此。比如，研究［12］發(fā)現(xiàn)納米ZnO與通常的微米ZnO都幾乎沒(méi)有生物毒性。這些研究結(jié)果改變了人們對(duì)顆粒毒性問(wèn)題的認(rèn)識(shí)：即使是無(wú)毒或低毒的細(xì)顆粒材料，其納米顆粒也可能會(huì)變得有毒。因此，此類曾被認(rèn)為無(wú)毒或極低毒物質(zhì)的納米級(jí)顆粒以及其他納米顆粒成了毒理學(xué)研究的熱點(diǎn)。
2.3 納米材料對(duì)呼吸系統(tǒng)的影響
2.3.1 在呼吸系統(tǒng)內(nèi)的沉積國(guó)際放射線防護(hù)委員會(huì)（ICRP）1994年的研究指出［13］，納米材料可以在人類呼吸道及肺泡中沉積。粒徑為1 nm的顆粒，90%左右沉積在鼻咽部，其余10%沉積在氣管、支氣管區(qū)，肺泡中幾乎不沉積；粒徑為5～10 nm的成分，沉積在上述3個(gè)區(qū)域均為20%～30%；粒徑為20 nm的成分，有50%左右沉積在肺泡內(nèi)。這說(shuō)明納米材料在人呼吸道內(nèi)的沉積部位與粒徑有關(guān)。近來(lái)的多項(xiàng)研究也發(fā)現(xiàn)納米材料可以在動(dòng)物的呼吸道各段和肺泡內(nèi)沉積。雖然被吸入體內(nèi)的納米材料質(zhì)量濃度并不高，但由于粒徑極小，數(shù)量是極大的，所有這些都為納米材料致肺臟損傷提供了可能。
2.3.2 對(duì)肺的炎性刺激 AFAQ 等［14］用支氣管注入法研究超細(xì)TiO2（
OBERDORSTER等［15］用粒徑為20 nm和200 nm的TiO2做了大鼠亞慢性吸人實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)20 nm TiO2不僅有很強(qiáng)的生物效應(yīng)，而且也顯現(xiàn)出不同的毒代動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)，使肺在低于顆粒容積負(fù)荷的情況下出現(xiàn)清除能力顯著下降，并導(dǎo)致炎癥反應(yīng)增強(qiáng)的現(xiàn)象。WARHEIT等［16］研究了SWCNT對(duì)大鼠的影響，結(jié)果也觀察到了肺損傷和肉芽腫的形成，但是，SWCNT暴露所導(dǎo)致的是多病灶肉芽腫，且沒(méi)有進(jìn)行性肺部炎癥和細(xì)胞增生的表現(xiàn)，這種肉芽腫損傷更像免疫反應(yīng)或是肺對(duì)外來(lái)物質(zhì)的清除反應(yīng)，這預(yù)示著SWCNT具有新的致肺損傷機(jī)制。
2.3.3 致肺巨噬細(xì)胞（AM）損傷納米材料可引起暴露動(dòng)物肺的清除能力下降，并導(dǎo)致明顯的AM損傷［17，18］。RENWICK［19］ 等發(fā)現(xiàn)，小鼠AM在含有納米炭黑（14.3 nm）及納米TiO2（29.0 nm）的培養(yǎng)基中培養(yǎng)8 h后，其吞噬能力受到了明顯的抑制。RENWICK等［20］用健康志愿者的AM暴露于0.03～3 μg/106的納米碳微粒中發(fā)現(xiàn)，AM對(duì)SiO2微粒的貼附和吞噬功能都受到了抑制。ZHANG等［21］發(fā)現(xiàn)納米材料可以對(duì)AM細(xì)胞膜造成損傷。MOELER等［22］發(fā)現(xiàn)了納米材料對(duì)AM骨架的影響。
2.3.4 致肺部氧化損傷 納米材料致肺部炎癥和損傷與其小粒徑和大表面積的特性有關(guān)，同時(shí)也與納米材料刺激機(jī)體產(chǎn)生自由基繼而引發(fā)氧化損傷有關(guān)。DICK等［23］比較了納米炭黑、納米鈷、納米鎳和納米TiO2，發(fā)現(xiàn)它們致肺部損傷的程度與產(chǎn)生自由基并且引發(fā)氧化損傷有關(guān)。他們認(rèn)為，這是納米材料表面可以與組織發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生自由基的緣故。
2.4 納米材料對(duì)消化系統(tǒng)的影響
吸收進(jìn)入消化道黏膜下層組織的納米微粒可以進(jìn)入毛細(xì)淋巴管，從而引起淋巴細(xì)胞的免疫應(yīng)答反應(yīng)，有研究［24］顯示，Crohn's病（節(jié)段性回腸炎）與腸道微粒對(duì)腸道壁刺激有關(guān)。通過(guò)黏膜下層進(jìn)入毛細(xì)血管的納米微粒可到達(dá)全身各組織器官，JANI 等［25］分別用50、100 nm尺寸的聚苯乙烯微粒按照1.25 mg/kg劑量喂食雌性SD大鼠，10 d后在大鼠體內(nèi)檢測(cè)到34%的50 nm聚苯乙烯微粒和26%的100 nm聚苯乙烯微粒。
SZENTKUTI［26］對(duì)納米材料在消化系統(tǒng)中的毒物動(dòng)力學(xué)研究顯示：納米材料的表面荷電性以及粒徑大小對(duì)其進(jìn)入腸道有重要影響，粒徑越小，腸道對(duì)其的吸收速度越快，吸收的數(shù)量也越多。
2.5 納米材料對(duì)皮膚的影響
納米材料可以滲透皮膚引起皮膚的炎癥反應(yīng)。MENZEL等［27］ 用粒徑為45～150 nm長(zhǎng)、17～35 nm寬的納米TiO2覆蓋與人體皮膚最為相似的豬皮，8 h后通過(guò)粒子誘發(fā)X射線熒光分析（PIXE）觀察納米TiO2在皮膚結(jié)構(gòu)中的分布情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)納米TiO2可以通過(guò)角質(zhì)層進(jìn)入到表皮下的顆粒層，尤其是在表皮生發(fā)層。OBERDORSTER［28］和 SAUNDERS［29］也在毛囊角質(zhì)層和毛處發(fā)現(xiàn)了防曬霜中的超細(xì)TiO2 顆粒的沉積。
從目前的研究結(jié)果顯示：納米材料對(duì)皮膚滲透作用的特點(diǎn)主要是：①與納米材料粒徑有關(guān)，粒徑越小越易滲透進(jìn)入皮膚；②進(jìn)入真皮的納米材料性質(zhì)決定了其對(duì)皮膚的刺激作用；③可以溶解的物質(zhì)、金屬等的浸提液、納米顆粒較易滲透入皮膚。
2.6 納米材料對(duì)細(xì)胞的作用
納米材料能夠進(jìn)入細(xì)胞并與細(xì)胞發(fā)生作用，主要是對(duì)跨膜過(guò)程和細(xì)胞分裂、增殖、凋亡等基本生命過(guò)程的影響和相關(guān)信號(hào)傳導(dǎo)通路的調(diào)控，從而在細(xì)胞水平上產(chǎn)生一定的生物效應(yīng)。研究［12］發(fā)現(xiàn)，材料的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和化學(xué)特性是決定細(xì)胞與其相互作用的重要因素，某些納米拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)促進(jìn)細(xì)胞的粘附、鋪展和細(xì)胞骨架的形成，但是在某些情況下，納米拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)細(xì)胞骨架分布和張力纖維的取向產(chǎn)生負(fù)面影響。趙宇亮等［12］發(fā)現(xiàn)碳納米管容易進(jìn)入細(xì)胞，并影響細(xì)胞結(jié)構(gòu)，在低劑量下可以刺激肺巨噬細(xì)胞的吞噬能力，但在高劑量下，則嚴(yán)重降低肺巨噬細(xì)胞對(duì)外源性毒物的吞噬功能。
對(duì)納米TiO2的一系列研究結(jié)果揭示了納米材料可能的細(xì)胞毒作用機(jī)制：①攻擊細(xì)胞膜，使其破裂，使細(xì)胞壞死。LIPPMANN等［30］發(fā)現(xiàn)，納米TiO2處理的細(xì)胞，可以檢測(cè)出大量的鈣離子，說(shuō)明細(xì)胞膜的破裂，鈣離子的滲出。②利用納米TiO2超微性進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，高化學(xué)活性又使其具備氧化損傷細(xì)胞遺傳物質(zhì)的能力。WAMER等［31］的實(shí)驗(yàn)證明，納米TiO2損傷人體纖維原細(xì)胞的核酸，將納米TiO2作用后的細(xì)胞分離出RNA和DNA，在RNA中可以檢測(cè)到8-羥基鳥苷的生成。由于RNA負(fù)責(zé)遺傳信息從DNA到蛋白質(zhì)的傳遞，納米TiO2對(duì)RNA的損傷間接影響了細(xì)胞遺傳信息的表達(dá)。③抑制細(xì)胞生長(zhǎng)和增殖。YEATES等［32］用47 nm粒徑的納米TiO2培養(yǎng)細(xì)胞系Bel-7402人肝癌細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞系G1期細(xì)胞數(shù)明顯增加，S期數(shù)量減少，即納米TiO2通過(guò)阻止細(xì)胞從G1期進(jìn)入S期，通過(guò)影響細(xì)胞周期抑制細(xì)胞生長(zhǎng)。④引起細(xì)胞凋亡。WANG等［33］用粒徑
2.7 納米材料對(duì)DNA的損傷作用
8-羥基脫氧鳥苷是DNA氧化損傷的標(biāo)志物，是鳥嘌呤上的C-8位受到攻擊的產(chǎn)物。JUVIN等［34］用320～400 nm的紫外線照射在納米TiO2溶液中的小牛胸腺DNA，用高效液相色譜儀（HPLC）分析反應(yīng)后的小牛胸腺DNA，發(fā)現(xiàn)有8-羥基脫氧鳥苷的生成，從而驗(yàn)證了納米TiO2對(duì)DNA的氧化損傷作用。
LUNDBORG等［35］用含有納米TiO2的防曬化妝品作用于核酸PBⅡDNA，介于300～400 nm 的紫外線照射，通過(guò)DNA凝膠電泳分析，發(fā)現(xiàn)了DNA的解旋與斷裂。
ASHIKAGA［36］等采用超螺旋pBR322 DNA作為作用對(duì)象，將其與一定濃度的納米TiO2混合，采用波長(zhǎng)在365 nm左右的黑燈提供紫外光照35.5 min，通過(guò)柯達(dá)顯像密度計(jì)分析，得到了有25%左右的DNA產(chǎn)生解旋的試驗(yàn)結(jié)果。在同樣的實(shí)驗(yàn)條件下，如果提高光照的強(qiáng)度與光照時(shí)間，DNA的解旋率必然會(huì)增加。
綜上所述，納米材料具有一定的生物活性，可以通過(guò)呼吸系統(tǒng)、消化道和皮膚進(jìn)入機(jī)體。納米材料可以沉淀在呼吸系統(tǒng)引起炎癥反應(yīng)；可損傷AM致肺清除功能下降，引發(fā)肺部慢性炎癥病變和氧化損傷；可以從沉淀部位向周圍組織彌散，穿透血?dú)馄琳线M(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)；還可穿透血腦屏障和經(jīng)嗅神經(jīng)通路導(dǎo)致腦損傷。
由于納米材料種類繁多，理化性質(zhì)各不相同，即使同一種納米材料不同粒徑也會(huì)出現(xiàn)不同的生物效應(yīng)。因此，對(duì)每年不斷涌現(xiàn)的新型納米材料進(jìn)行生物安全性評(píng)價(jià)就顯得尤為緊迫和必要，對(duì)合適的研究模型和高通量篩選的方法以及系統(tǒng)的人群流行病學(xué)調(diào)查將成為納米材料生物安全性評(píng)價(jià)體系建立的下一步研究重點(diǎn)。
（致謝：特別感謝胡天錫教授、顧祖維教授、應(yīng)賢平主任醫(yī)師、吳世達(dá)主任醫(yī)師、陳良主任醫(yī)師和賈曉東博士對(duì)本文提出的寶貴意見(jiàn)。）
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【摘要】 ［目的］探討骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)、堿性成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子(basic fibroblast growth factor，bFGF)生物材料在關(guān)節(jié)軟骨缺損修復(fù)過(guò)程中的作用，為內(nèi)源性修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨缺損提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。［方法］取24只14齡成年大白兔隨機(jī)分成4組，每只動(dòng)物于雙側(cè)膝關(guān)節(jié)股骨臏股關(guān)節(jié)面制備直徑5mm全層關(guān)節(jié)軟骨缺損模型。鉆通骨髓腔。A組應(yīng)用BMP/ bFGF生物活性材料，B組應(yīng)用BMP生物活性材料，C組應(yīng)用bFGF生物活性材料，D組單純應(yīng)用生物蛋白膠材料。于8、12、24周在大體，光鏡及電鏡下觀察損傷修復(fù)效果，組織學(xué)評(píng)分。 ［結(jié)果］A組于8、12周時(shí)，軟骨缺損被白色半透明堅(jiān)硬組織平滑修復(fù)，富有光澤，24周時(shí)修復(fù)組織正常軟骨邊界模糊，連接緊密，質(zhì)地堅(jiān)硬，表面平滑光潤(rùn)。B、C組于8、12、24周時(shí)候均未見(jiàn)軟骨缺損完全修復(fù)，邊界清楚，中央凹陷明顯殘留。D組全程均未見(jiàn)軟骨修復(fù)。組織學(xué)平分A組明顯優(yōu)于B、C、D組，而B、C組之間無(wú)差別。［結(jié)論］BMP/bFGF生物活性材料可以有效修復(fù)兔大面積關(guān)節(jié)軟骨損傷，療效明顯優(yōu)于單獨(dú)應(yīng)用骨形態(tài)發(fā)生蛋白或堿性成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子，為關(guān)節(jié)軟骨損傷治療提供新的治療方法。
【關(guān)鍵詞】 骨形態(tài)發(fā)生蛋白； 堿性成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子； 軟骨缺損； 生物蛋白
Abstract：［Objective］To study the repair of articular cartilage defects with combined bone morphogenetic protein(BMP)/basic fibroblast growth factor (bFGF) biomaterial in order to supply experimental basis for repairing cartilage defects biologically.［Method］Twentyfour 14weekold rabbits were randomly pided into four groups，BMP/bFGF biomaterial gel(group A)， BMP biomaterial gel (group B)， bFGF biomaterial gel(group C) and simple fibrin glue treated group (group D).A couple of knees of each rabbit experienced 5 mmdiameterfull cartilage resection and drilling throuth of bone marrow.Gross appearance，histologicol section and electron microscope were axamined at 8，12，24 weeks after operation.［Result］In group A the cartilage defects were smoothly repaired by white translucent hard tissue at 8 and 12 weeks，and defect boundary was hard to be indentified with normal cartilage at 24 weks. No smooth repairing was observered in B，C and D groups. Group A got a better histological score than B，C and group D(P0.05).［Conclusion］Combined BMP/bFGF biomaterial is good for repair of articular cartilage defects and has better result than using BMP or bFGF alone.These results may provide a therapy for articular cartilage defects.
Key words：bone morphogenetic protein; fibroblast growth factor; basic defects of cartilage; fibrin glue
關(guān)節(jié)軟骨缺損是臨床常見(jiàn)疾病，病人會(huì)出現(xiàn)關(guān)節(jié)疼痛及運(yùn)動(dòng)障礙，最終引起骨性關(guān)節(jié)炎。 關(guān)節(jié)軟骨缺損的修復(fù)是骨科研究的熱點(diǎn)。目前常用的是外源性修復(fù)方法，如鉆孔術(shù)、骨膜和軟骨膜移植、細(xì)胞移植、骨軟骨移植等，盡管軟骨細(xì)胞移植在理論上更為有利，但依照國(guó)內(nèi)外實(shí)際情況，自體軟骨細(xì)胞回植的治療方法在取材，培養(yǎng)，防止污染和經(jīng)費(fèi)方面都有困難，而且療效也并不完美［1］。隨著分子生物學(xué)研究的進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)軟骨缺損的修復(fù)過(guò)程是一個(gè)多種因子參與的復(fù)雜過(guò)程。所以本研究基于臨床實(shí)際情況，利用有效生物活性材料，為內(nèi)源性軟骨修復(fù)提供實(shí)驗(yàn)參考。
1 實(shí)驗(yàn)方法
1.1 實(shí)驗(yàn)材料
14周齡哈爾濱大白兔24只，哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中心提供；醫(yī)用生物蛋白膠， 廣州倍繡生物技術(shù)有限公司；重組人堿性成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子，美國(guó)invitrogen生物有限公司； 牛天然骨形態(tài)發(fā)生蛋白，天津中津生物發(fā)展有限公司；戊巴比妥鈉， 上海化學(xué)試劑廠。
1.2 BMP和bFGF生物蛋白膠復(fù)合材料的制備［2］
溶解60 mg/ml纖維蛋白原(50 000 u/ml和500 mg/ml)1 ml，準(zhǔn)備凝血酶原溶液(500 u/ml)1 ml。改進(jìn)共推注射器，控制其微量出液。纖維蛋白原和凝血酶原組通過(guò)“Y”形針頭混合后立即成為固體狀態(tài)。
30 mg骨形態(tài)發(fā)生蛋白溶于2 mL 4 mol/L鹽酸胍、10.05 mol/L氯化鈣溶液中，兌水透析24 h，備用。如果需要保存，將稀釋液在-20°C條件下貯存。
先用0.1%胎牛血清蛋白1 ml溶解0.1 mg堿性成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子（防止堿性成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子粘附于安瓶?jī)?nèi)），將稀釋液溶解于1 ml Tris液備用。如果需要保存，將稀釋液在-20°C條件下貯存。
1.3 模型制備
1.3.1 動(dòng)物分組
A組6只，利用BMP/bFGF生物活性材料治療（n=12）；B組6只，BMP生物活性材料治療；C組6只，bFGF生物活性材料治療（n=12）；D組6只，生物活性材料治療（n=12）。
1.3.2 動(dòng)物建摸
全麻（2%戊巴比妥鈉1.2 mL/kg耳緣靜脈麻醉），雙膝關(guān)節(jié)常規(guī)備皮、消毒，鋪巾。取膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)小切口，向上向下少許銳性分離，屈曲膝關(guān)節(jié)將髕骨脫位于外側(cè)，暴露股骨滑車關(guān)節(jié)面，制造直徑5 mm、深3 mm的圓形全層軟骨缺損。同時(shí)鉆通骨髓腔。充分止血，利用共推針頭注入各組活性材料，填滿缺損。細(xì)致休整表面。沖洗，逐層縫合。對(duì)側(cè)操作同上。術(shù)后置于標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)籠中，每日活動(dòng)，加強(qiáng)鍛煉。術(shù)后8 、12 、24周每組空氣處死2只動(dòng)物，觀察大體、光鏡、電鏡指標(biāo)。
1.4 觀察指標(biāo)
1.4.1 一般觀察
術(shù)后步態(tài)，膝關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍，切口情況，動(dòng)物大體狀態(tài)和進(jìn)食情況。
1.4.2 關(guān)節(jié)修復(fù)的大體觀察
表面平整與否，色澤，質(zhì)地，與臨近軟骨結(jié)合情況。
1.4.3 光鏡觀察 10℅甲醛固定，0.1 mol/L EDTA脫鈣，梯度逐級(jí)脫水，缺損區(qū)縱形剖開(kāi)石蠟包埋，4 μm超薄切片。HE、PAS染色，觀察組織形態(tài)和蛋白多糖沉積情況。
1.4.4 掃描電鏡觀察
標(biāo)本取材后縱行剖開(kāi)，磷酸鹽緩沖液漂洗，戊二醛溶液固定，置入鋨酸2 h，洗凈，逐級(jí)脫水，臨界點(diǎn)干燥，噴金后電鏡觀察。
1.4.5 組織學(xué)評(píng)分 根據(jù)Wakitani等制定的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，采用雙盲法對(duì)各標(biāo)本進(jìn)行組織學(xué)評(píng)價(jià)。
2 結(jié) 果
2.1 BMP/bFGF生物蛋白膠的制備
在20℃左右的室溫條件下，bFGF及 BMP溶液可以很好的溶解于纖維蛋白原中成為透明液體，與凝血酶混合后，于5 s內(nèi)迅速凝結(jié)，成為固態(tài)膠體。材料白色半透明，富于光澤，質(zhì)地松軟而脆弱，充填于軟骨缺損部可以很好的適應(yīng)軟骨的曲線，并可將修飾得非常平滑。注射過(guò)程應(yīng)該均勻而快速，注于缺損部后待凝膠成型后，注意休整表面與正常關(guān)節(jié)面一致。
2.2 大體形態(tài)和一般狀況
所有動(dòng)物均無(wú)膝關(guān)節(jié)感染和積液發(fā)生。A組1只，B組2只，C組2只動(dòng)物跛行（4周左右），關(guān)節(jié)活動(dòng)受限。余所有動(dòng)物均未見(jiàn)跛行，其膝關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍較術(shù)前無(wú)明顯改變，表現(xiàn)活躍，食欲佳。大體觀察，A組：軟骨缺損區(qū)均為修復(fù)組織所充填，表面光滑，半透明狀而有光澤。術(shù)后8周修復(fù)組織成白色，質(zhì)地堅(jiān)韌，與周圍組織結(jié)合緊密，但可清楚的顯示界限，表面平滑與關(guān)節(jié)面曲線配合完善；術(shù)后12周修復(fù)組織仍成白色堅(jiān)韌組織，與周圍組織融為一體，邊界趨與模糊，表面更趨平整；術(shù)后24周修復(fù)組織成為白色半透明軟骨樣組織，與周圍軟骨結(jié)合為一體，表面稍微凹陷，關(guān)節(jié)表面平滑，堅(jiān)硬。B組，C組：術(shù)后8、12、24周均未出現(xiàn)完整平滑關(guān)節(jié)面修復(fù)現(xiàn)象，表面凹凸不平，只是在缺損邊緣有部分修復(fù)組織出現(xiàn)，中央缺損長(zhǎng)期存在，被暗紅色疏松結(jié)締組織充填，修復(fù)組織與正常軟骨界限清楚。D組也完全沒(méi)有出現(xiàn)修復(fù)現(xiàn)象出現(xiàn) 。
2.3 組織學(xué)觀察
A組：術(shù)后8周，HE染色見(jiàn)缺損已經(jīng)被明顯修復(fù)，大量軟骨細(xì)胞出現(xiàn)，圓形和橢形胞核清晰，有軟骨陷凹出現(xiàn)，修復(fù)組織與關(guān)節(jié)缺損邊緣軟骨結(jié)合緊密，PAS染色見(jiàn)基質(zhì)出現(xiàn)藍(lán)染，糖胺多糖類物質(zhì)開(kāi)始大量沉積；術(shù)后12周，修復(fù)組織厚于正常軟骨，修復(fù)組織與其結(jié)合緊密，以類透明軟骨細(xì)胞為主，大量增殖，軟骨陷窩大量出現(xiàn)，表層軟骨細(xì)胞稀疏體積小，而底層細(xì)胞量多且較為巨大，呈現(xiàn)分層分布的特點(diǎn)，基質(zhì)PAS染色見(jiàn)明顯藍(lán)染，糖胺多糖類物質(zhì)沉積更為明顯；術(shù)后24周，軟骨厚度稍變薄，軟骨陷窩明顯，修復(fù)組織與正常軟骨界限模糊，結(jié)合緊密，蛋白多糖類物質(zhì)明顯沉積，部分區(qū)域出現(xiàn)纖維軟骨特點(diǎn)。B組、C組：術(shù)后缺損未被有效修復(fù)，中央凹陷表面長(zhǎng)期殘留，缺損內(nèi)部被大量肉芽組織填充，邊壁出現(xiàn)骨板，基質(zhì)染色見(jiàn)少數(shù)靠近骨板的局部出現(xiàn)軟骨基質(zhì)沉積。D組：8、12、24周術(shù)后軟骨缺損長(zhǎng)期存在，缺損處被大量肉芽組織所填充。質(zhì)地松軟，與周圍無(wú)明顯連接，HE染色未見(jiàn)軟骨細(xì)胞出現(xiàn)，PAS染色未見(jiàn)糖胺多糖類物質(zhì)沉積。
2.4 電鏡下觀察
A組術(shù)后8、12周電鏡下表層可見(jiàn)縱行排列的軟骨細(xì)胞、軟骨囊，軟骨細(xì)胞之間可見(jiàn)間隙及成熟的軟骨基質(zhì)，部分軟骨鈣化；術(shù)后24周組:電鏡下軟骨基質(zhì)膠原排列規(guī)則，軟骨厚度均勻，軟骨下方為排列規(guī)則的骨髓腔（圖1～11）。
2.5 組織學(xué)評(píng)分
雙盲法測(cè)定，結(jié)果顯示，A組（1.92±0.69）明顯優(yōu)于B組（3.58±0.67），C組(3.33±0.89)及D組(12.45±1.05)。SPSS13.0軟件進(jìn)行方差分析，A組和B 、C 、D 3組均存在顯著性差異(P
圖1 BMP/bFGF生物活性材料組術(shù)后8周大體觀察 圖2 BMP/bFGF生物活性材料組術(shù)后12周大體觀察 圖3 BMP/bFGF生物活性材料組術(shù)后24周大體觀察 圖4 BMP/bFGF生活活性材料組術(shù)后8周（HE染色×40） 圖5 BMP/bFGF生活活性材料組術(shù)后12周（HE染色×40） 圖6 BMP/bFGF生活活性材料組術(shù)后24周（HE染色×40） 圖7 BMP/bFGF生活活性材料組術(shù)后8周（PAS×40） 圖8 BMP/bFGF生活活性材料組術(shù)后12周（PAS×40） 圖9 BMP/bFGF生活活性材料組術(shù)后24周（PAS×40） 圖10 BMP/bFGF生活活性材料組術(shù)后24周電鏡水平掃描×1000 圖11 BMP/bFGF生活活性材料組術(shù)后24周電鏡縱向掃描×1000
3 討 論
創(chuàng)傷、骨關(guān)節(jié)病等多種疾病均可造成關(guān)節(jié)軟骨缺損。由于關(guān)節(jié)軟骨不能自身修復(fù)，如何修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨缺損是骨科的研究熱點(diǎn)之一。許多學(xué)者應(yīng)用軟骨生長(zhǎng)板移植、軟骨膜移植、骨膜移植及軟骨細(xì)胞移植等多種外源性修復(fù)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)及臨床研究。肌腱和筋膜瓣插入關(guān)節(jié)成形術(shù)主要應(yīng)用于上肢關(guān)節(jié)，特別對(duì)于改善拇指功能有較好效果。1992年趙距才等報(bào)道動(dòng)物實(shí)驗(yàn)術(shù)后3個(gè)月，移植的筋膜退變，成形的關(guān)節(jié)嚴(yán)重退變。Knight認(rèn)為成形術(shù)只能提供一個(gè)無(wú)痛或微痛的有一定活動(dòng)度的關(guān)節(jié)，不適于需要一個(gè)穩(wěn)定、牢固、靈活關(guān)節(jié)的病人。自體骨軟骨移植治療關(guān)節(jié)軟骨缺損的遠(yuǎn)、近期效果較好，但自體移植取材有限；同種異體移植遠(yuǎn)期有退變、易感染、易被吸收等問(wèn)題。骨膜和軟骨膜移植也是一種較好的修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨缺損的方法。骨膜生發(fā)層中的未分化間充質(zhì)細(xì)胞可分化為骨細(xì)胞或軟骨細(xì)胞，在關(guān)節(jié)腔內(nèi)無(wú)血液供應(yīng)低氧環(huán)境中分化為軟骨細(xì)胞。但再生軟骨有退變可能，持續(xù)被動(dòng)運(yùn)動(dòng)(CPM)有利于骨膜再生軟骨，并降低退變率。軟骨膜再生軟骨能力強(qiáng)，但來(lái)源少，再生軟骨較正常軟骨耐壓能力差，并隨時(shí)間延長(zhǎng)逐退變。組織工程方法培養(yǎng)軟骨細(xì)胞移植適合修復(fù)各種形狀的軟骨缺損，具有一定優(yōu)勢(shì)，但其缺點(diǎn)是自體有活性的軟骨收集困難，同種異體細(xì)胞又有傳播病毒的危險(xiǎn)。
隨著細(xì)胞因子研究的深入，發(fā)現(xiàn)多種細(xì)胞因子通過(guò)自分泌和旁分泌2種方式調(diào)節(jié)骨和軟骨的生成， 其中主要有骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)、bFGF、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β(TGF-β)、胰島素生長(zhǎng)因子(IGF)、血小板衍生因子(PDGF)、腫瘤壞死因子(TNF)等。這些因子的發(fā)現(xiàn)使內(nèi)源性修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨缺損成為可能。
BMP具有誘導(dǎo)未分化間充質(zhì)細(xì)胞分化形成軟骨和新生骨的生物學(xué)作用，在體外能誘導(dǎo)骨髓腔內(nèi)骨髓源性干細(xì)胞，關(guān)節(jié)腔內(nèi)的脂肪組織、髕韌帶組織和滑膜組織的細(xì)胞分化為軟骨細(xì)胞［3］。BMP能誘導(dǎo)未分化的間充質(zhì)細(xì)胞不可逆地分化形成軟骨和骨，但BMP僅是骨生成的啟動(dòng)因子，對(duì)已分化的成骨細(xì)胞、骨細(xì)胞及軟骨細(xì)胞無(wú)進(jìn)一步促進(jìn)其增殖作用。而軟骨細(xì)胞形成后的進(jìn)一步生長(zhǎng)、增殖、分化是由其它骨生長(zhǎng)因子調(diào)節(jié)的。bFGF廣泛存在于人體組織中，對(duì)骨和軟骨的修復(fù)起重要的作用，特別它是一種毛細(xì)血管增殖刺激劑，促進(jìn)毛細(xì)血管向骨移植物中長(zhǎng)入，使軟骨生成早期的組織中軟骨島數(shù)量增多。所以它增加BMP成骨量的原理可能促進(jìn)了需要血供的軟骨內(nèi)化骨，加速了軟骨的成熟和骨化。因而BMP啟動(dòng)骨形成過(guò)程后，為bFGF提供了大量靶細(xì)胞。另一方面，bFGF無(wú)異位誘導(dǎo)成骨活性，BMP的異位骨誘導(dǎo)作用又可彌補(bǔ)bFGF的不足，從而使BMP和bFGF在生物學(xué)功能上形成互補(bǔ)，進(jìn)而加速骨誘導(dǎo)、軟骨形成過(guò)程。盡管BMP和bFGF的作用有著顯著的差別，但它們?cè)诠钦T導(dǎo)、軟骨形成中的調(diào)節(jié)是必不可少的。二者在不同水平和不同環(huán)節(jié)上參與對(duì)骨誘導(dǎo)、軟骨形成過(guò)程的調(diào)節(jié)。在適宜的劑量下，二者存在著明顯的協(xié)同作用［4］。醫(yī)用生物蛋白膠具有良好生物相容性，可以完全被降解。由于其特有的三維網(wǎng)架結(jié)構(gòu)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的擴(kuò)散，所以是關(guān)節(jié)內(nèi)軟骨修復(fù)的良好載體。有人用生物蛋白膠作為IGF-1的控制載體，用于治療馬的關(guān)節(jié)軟骨損傷，取得良好的效果［5］。
本實(shí)驗(yàn)發(fā)展了這種天然材料，采用BMP/bFGF生物蛋白膠聯(lián)合應(yīng)用修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨缺損。結(jié)果表明，其關(guān)節(jié)軟骨缺損修復(fù)效果明顯優(yōu)于單獨(dú)應(yīng)用其中一種因子，可見(jiàn)12例膝關(guān)節(jié)軟骨缺損均愈合良好，關(guān)節(jié)面光滑、完整、無(wú)裂隙、富有彈性，與周圍軟骨界限不清，缺損區(qū)內(nèi)軟骨細(xì)胞豐富，排列趨于正常，軟骨下骨進(jìn)一步改建，軟骨厚度基本達(dá)到正常。基質(zhì)PAS染色見(jiàn)明顯藍(lán)染，糖胺多糖類物質(zhì)沉積更為明顯。而單獨(dú)采用BMP/生物蛋白膠或bFGF/生物蛋白膠修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨缺損，由于功能較單一，可能在體內(nèi)被降解后才可以被利用，較低的生物利用度限制了BMP及bFGF應(yīng)用療效的發(fā)揮。所以，軟骨缺損均未愈合良好，關(guān)節(jié)面凹凸不平、表面不完整、裂隙清楚、基質(zhì)PAS染色藍(lán)染較淡，糖胺多糖類物質(zhì)沉積不明顯［6］。
綜上所述，認(rèn)為:（1)BMP及bFGF具有誘導(dǎo)形成軟骨的活性，能促進(jìn)關(guān)節(jié)內(nèi)透明軟骨再生，但能力較弱，無(wú)誘導(dǎo)關(guān)節(jié)軟骨形成作用；（2)BMP/bFGF生物復(fù)合物能促進(jìn)關(guān)節(jié)軟骨形成，較單獨(dú)應(yīng)用BMP、bFGF效果好，是生物學(xué)修復(fù)關(guān)節(jié)軟骨缺損的良好方法。
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【關(guān)鍵詞】納米生物材料 納米技術(shù) 腫瘤診斷 腫瘤治療
1 納米生物材料和技術(shù)在腫瘤診斷中的應(yīng)用
1.1納米生物材料和技術(shù)可用來(lái)進(jìn)行前哨淋巴結(jié)成像，從而判斷有無(wú)轉(zhuǎn)移乳腺癌、黑色素瘤或胃腸癌的患者，通常會(huì)在手術(shù)前進(jìn)行前哨淋巴結(jié)活檢，以確定癌癥是否轉(zhuǎn)移。納米顆粒制劑可通過(guò)不同的成像技術(shù)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)移灶，例如Kobayashi等在研究中發(fā)現(xiàn)，標(biāo)記了MRI造影劑釓的樹突狀聚合物可以提供一種出色的影像，顯示充滿轉(zhuǎn)移癌細(xì)胞的淋巴結(jié)。
1.2納米生物材料和技術(shù)可用于腫瘤的早期檢測(cè)
1.2.1納米顆粒 納米材料通過(guò)雙功能螯合劑或物理包埋的方法將同位素與納米材料連接，再將可與病變組織特異結(jié)合的靶向分子連接到納米材料上。納米顆粒作為影像的對(duì)比劑，一方面靶向腫瘤顯像，另一方面還可攜帶藥物[1]。
1.2.2懸臂梁 納米裝置懸臂梁一端被瞄定，能縱來(lái)與特定分子結(jié)合，而這種特定分子代表與癌有關(guān)的某些改變。當(dāng)這些分子結(jié)合到懸臂梁上，表面張力會(huì)發(fā)生改變，導(dǎo)致懸臂梁彎曲。通過(guò)檢測(cè)其彎曲，科學(xué)家們能夠判斷是否存在與癌有關(guān)的一些分子。
1.2.3納米孔 經(jīng)過(guò)改進(jìn)的基因碼閱讀方法可以幫助研究者檢測(cè)到可能引發(fā)癌癥的基因錯(cuò)誤。納米孔一次只允許DNA穿過(guò)一條鏈，科學(xué)家能夠檢測(cè)鏈上每個(gè)堿基的形狀和電特性，使DNA測(cè)序效率更高，從而來(lái)獲取編碼信息，包括與癌有關(guān)的編碼錯(cuò)誤。
1.2.4納米管 納米管是大小約為一個(gè)DNA分子直徑一半的碳棒，它不僅能檢測(cè)改變基因的出現(xiàn)，還能幫助研究者查明那些改變的準(zhǔn)確位置。
1.2.5量子點(diǎn) 半導(dǎo)體量子點(diǎn)納米級(jí)的光輻射顆粒，具有獨(dú)特的光學(xué)及電子特點(diǎn)，其亮度高而穩(wěn)定，并可發(fā)出不同的熒光顏色，量子點(diǎn)與腫瘤抗原連接后形成影像，從而對(duì)腫瘤進(jìn)行診斷。
1.2.6納米生物傳感器 納米生物傳感器通過(guò)靶向分子與腫瘤細(xì)胞表面標(biāo)志物分子結(jié)合，利用物理方法來(lái)測(cè)量傳感器中的磁信號(hào)、光信號(hào)等，可實(shí)現(xiàn)腫瘤的定位和顯像，有利于腫瘤的早期診斷。
1.2.7納米機(jī)器人 用納米微電子學(xué)控制形成納米機(jī)器人，尺寸比人體紅細(xì)胞還小。將納米機(jī)器人從血管注入人體后，可經(jīng)血液循環(huán)對(duì)身體各部位進(jìn)行檢測(cè)和診斷[2]。
1.2.8光學(xué)相干層析術(shù) 由清華大學(xué)研制，其分辨率可達(dá)1 個(gè)微米級(jí)，較CT和核磁共振的精密度高出上千倍，據(jù)此可以對(duì)疾病進(jìn)行早發(fā)現(xiàn)和早診斷。
2 納米生物材料和技術(shù)在腫瘤治療中的應(yīng)用
2.1納米顆粒能提高腫瘤基因治療的效果 針對(duì)腦膠質(zhì)細(xì)胞瘤，基因治療系統(tǒng)中的關(guān)鍵物質(zhì)是氯毒素和鐵氧物納米微粒。這種靶向基因傳遞系統(tǒng)提高了基因治療的療效。同時(shí)有研究表明微小的硅石顆粒能充當(dāng)DNA載體，提供一種非病毒方法的基因治療。Deng等用納米微粒介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)染使腫瘤抑制基因FUS1外源表達(dá)，可提高人肺癌細(xì)胞（NSCLC細(xì)胞）對(duì)化療藥物順鉑的敏感性，同時(shí)出現(xiàn)MDM2的下調(diào)、p53的蓄積以及Apaf-1依賴凋亡通路的活化，使腫瘤抑制作用成倍提高。
2.2納米顆粒能提高化療的效果 Majoros等將甲氨蝶呤附著于樹枝納米顆粒中，制作成靶向納米微粒。研究表明靶向藥物制劑能提高藥物在病灶組織中的蓄積濃度，從而提高藥物的療效，降低藥物對(duì)其他正常組織的損傷及全身毒副作用。
2.3納米顆粒能提高腫瘤熱療的效果 熱療是通過(guò)加熱治療腫瘤，使腫瘤組織溫度上升至40-43℃，既使腫瘤縮小，又不損傷正常組織的一種治療方法[3]。納米顆粒提高了熱療靶向性和療效，降低了毒副反應(yīng)。
2.4生物納米管治療癌癥 由細(xì)胞核心部位的部分自身結(jié)構(gòu)制作的納米管，可作為納米級(jí)膠囊傳遞基因和藥物進(jìn)入人體。Miguel等將抗癌藥物泰素?fù)饺氲降鞍踪|(zhì)-脂質(zhì)混合體，可使藥物到達(dá)癌細(xì)胞的同時(shí)減少化療的副作用。
2.5納米殼能殺死腫瘤細(xì)胞 納米殼是外殼涂金的微小珠子，科學(xué)家設(shè)計(jì)這些珠子吸收特定波長(zhǎng)的光，納米殼吸收光能可產(chǎn)生一種強(qiáng)熱，納米殼吸收所產(chǎn)生的熱能成功地殺死腫瘤細(xì)胞，而鄰近細(xì)胞卻完好無(wú)損。
總之，納米科技正在以迅猛的勢(shì)頭快速發(fā)展，而且越來(lái)越滲透到各個(gè)學(xué)科和研究領(lǐng)域。納米醫(yī)學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)和臨床醫(yī)學(xué)研究提供了重大的創(chuàng)新機(jī)遇和巨大的市場(chǎng)前景，同時(shí)也帶來(lái)了風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)。有一些關(guān)鍵的問(wèn)題有待解決，如納米藥物的藥代動(dòng)力學(xué)、生物分布、毒副作用以及安全性等。這些問(wèn)題的解決需要物理學(xué)家、化學(xué)家、生物學(xué)家及臨床醫(yī)生共同努力來(lái)完成。
參 考 文 獻(xiàn)
[1]劉金劍，劉鑒峰.納米材料在核醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用.國(guó)際放射醫(yī)學(xué)核醫(yī)學(xué)雜志，2010，34（6）：326-329.
編者按：本文主要從繼續(xù)沿用去年先學(xué)后教的教學(xué)方法；提高對(duì)學(xué)生掌握知識(shí)的要求；進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)；理論練習(xí)實(shí)際貫穿到每節(jié)課中進(jìn)行講述。其中，主要包括：先學(xué)后教，老師有目的的教學(xué)生有目的的學(xué)，減少教與學(xué)的盲目性、在第一輪復(fù)習(xí)時(shí)就要求學(xué)生對(duì)知識(shí)不僅要理解，還要能用生物術(shù)語(yǔ)準(zhǔn)確表達(dá)、興趣是學(xué)習(xí)的動(dòng)力，在老師學(xué)習(xí)時(shí)間縮短的情況下，我們只有最大程度的調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性主動(dòng)性，才能真正順利完成我們的復(fù)習(xí)任務(wù)、從各種媒體中獲取生命科學(xué)發(fā)展中的重大熱點(diǎn)問(wèn)題、引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)生命現(xiàn)象、生命規(guī)律,并用生物學(xué)知識(shí)來(lái)解釋、精心選擇貼近生產(chǎn)、生活的題目,加強(qiáng)學(xué)生的閱讀能力、分析能力的培養(yǎng)等，具體材料請(qǐng)?jiān)斠?jiàn)：
隨著素質(zhì)教育的實(shí)施，09屆的考試在校學(xué)習(xí)時(shí)間少了兩個(gè)月的時(shí)間。這新一輪的高三備考是一個(gè)很大的考驗(yàn)。我們準(zhǔn)備在以往的基礎(chǔ)上，改進(jìn)復(fù)習(xí)策略，具體做法如下：
一：繼續(xù)沿用去年先學(xué)后教的教學(xué)方法
先學(xué)后教，老師有目的的教學(xué)生有目的的學(xué)，減少教與學(xué)的盲目性。能夠?qū)崿F(xiàn)高效課堂和有效課堂。
二：提高對(duì)學(xué)生掌握知識(shí)的要求
高考不僅考察是你對(duì)知識(shí)的理解程度如何還考察對(duì)知識(shí)理解的準(zhǔn)確度，生物素養(yǎng)（生物術(shù)語(yǔ)的準(zhǔn)確應(yīng)用），語(yǔ)言表達(dá)能力，所以我們?cè)诘谝惠啅?fù)習(xí)時(shí)就要求學(xué)生對(duì)知識(shí)不僅要理解，還要能用生物術(shù)語(yǔ)準(zhǔn)確表達(dá)。
三：進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)
興趣是學(xué)習(xí)的動(dòng)力，在老師學(xué)習(xí)時(shí)間縮短的情況下，我們只有最大程度的調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性主動(dòng)性，才能真正順利完成我們的復(fù)習(xí)任務(wù)，今后“怎樣調(diào)動(dòng)學(xué)生的興趣”將納入我們集體的備課的主要內(nèi)容。
四：理論練習(xí)實(shí)際貫穿到每節(jié)課中
生物學(xué)理論知識(shí)來(lái)源于實(shí)踐,是與人類的生存和發(fā)展息息相關(guān)的一門科學(xué),在人類社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮著日益重要的作用。例如,近年的高考中經(jīng)常出現(xiàn)關(guān)于關(guān)注熱點(diǎn)的試題。2006年開(kāi)始，高考的《考試說(shuō)明》就要求“關(guān)注對(duì)科學(xué)、技術(shù)和社會(huì)發(fā)展有重大影響和意義的生物學(xué)新進(jìn)展”。這類題型重在考查學(xué)生對(duì)科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)三者關(guān)系理解方面的內(nèi)容,同時(shí)更是考查學(xué)生如何綜合運(yùn)用生物學(xué)的原理、概念和規(guī)律來(lái)解釋、解決現(xiàn)實(shí)生活以及生產(chǎn)實(shí)踐中遇到的有關(guān)問(wèn)題的能力。
因此，在平時(shí)的復(fù)習(xí)中,我們應(yīng)該做到以下幾點(diǎn)從各種媒體中獲取生命科學(xué)發(fā)展中的重大熱點(diǎn)問(wèn)題,如人體健康與疾病防治、干細(xì)胞技術(shù)、生物工程、禽流感、航天生物學(xué)、西部大開(kāi)發(fā)等,將生產(chǎn)、生活中的生物學(xué)問(wèn)題融入生物復(fù)習(xí)教學(xué)中,以增強(qiáng)理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合,促進(jìn)學(xué)生思維活動(dòng)的發(fā)展;(2)引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)生命現(xiàn)象、生命規(guī)律,并用生物學(xué)知識(shí)來(lái)解釋,例如植物施肥過(guò)多的“燒苗”問(wèn)題的分析、生長(zhǎng)素可以作為除草劑的原理剖析、無(wú)子果實(shí)形成的特點(diǎn)分析等;(3)精心選擇貼近生產(chǎn)、生活的題目,加強(qiáng)學(xué)生的閱讀能力、分析能力的培養(yǎng),始終要求學(xué)生必須細(xì)心閱讀給出的材料,充分聯(lián)系教材,圍繞問(wèn)題進(jìn)行分析、歸納、綜合和解決問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：高分子材料 可降解 生物
我國(guó)目前的高分子材料生產(chǎn)和使用已躍居世界前列，每年產(chǎn)生幾百萬(wàn)噸廢舊物。如此多的高聚物迫切需要進(jìn)行生物可降解，以盡量減少對(duì)人類及環(huán)境的污染。生物可降解材料，是指在自然界微生物，如細(xì)菌、霉菌及藻類作用下，可完全降解為低分子的材料。這類材料儲(chǔ)存方便，只要保持干燥，不需避光，應(yīng)用范圍廣，可用于地膜、包裝袋、醫(yī)藥等領(lǐng)域。生物可降解的機(jī)理大致有以下3 種方式： 生物的細(xì)胞增長(zhǎng)使物質(zhì)發(fā)生機(jī)械性破壞； 微生物對(duì)聚合物作用產(chǎn)生新的物質(zhì)；酶的直接作用，即微生物侵蝕高聚物從而導(dǎo)致裂解。按照上述機(jī)理，現(xiàn)將目前研究的幾種主要的可生物可降解的高分子材料介紹如下。
1、生物可降解高分子材料概念及降解機(jī)理
生物可降解高分子材料是指在一定的時(shí)間和一定的條件下，能被微生物或其分泌物在酶或化學(xué)分解作用下發(fā)生降解的高分子材料。
生物可降解的機(jī)理大致有以下3種方式：生物的細(xì)胞增長(zhǎng)使物質(zhì)發(fā)生機(jī)械性破壞；微生物對(duì)聚合物作用產(chǎn)生新的物質(zhì)；酶的直接作用，即微生物侵蝕高聚物從而導(dǎo)致裂解。一般認(rèn)為，高分子材料的生物可降解是經(jīng)過(guò)兩個(gè)過(guò)程進(jìn)行的。首先，微生物向體外分泌水解酶和材料表面結(jié)合，通過(guò)水解切斷高分子鏈，生成分子量小于500的小分子量的化合物；然后，降解的生成物被微生物攝入人體內(nèi)，經(jīng)過(guò)種種的代謝路線，合成為微生物體物或轉(zhuǎn)化為微生物活動(dòng)的能量，最終都轉(zhuǎn)化為水和二氧化碳。
因此，生物可降解并非單一機(jī)理，而是一個(gè)復(fù)雜的生物物理、生物化學(xué)協(xié)同作用，相互促進(jìn)的物理化學(xué)過(guò)程。到目前為止，有關(guān)生物可降解的機(jī)理尚未完全闡述清楚。除了生物可降解外，高分子材料在機(jī)體內(nèi)的降解還被描述為生物吸收、生物侵蝕及生物劣化等。生物可降解高分子材料的降解除與材料本身性能有關(guān)外，還與材料溫度、酶、ph值、微生物等外部環(huán)境有關(guān)。
2、生物可降解高分子材料的類型
按來(lái)源，生物可降解高分子材料可分為天然高分子和人工合成高分子兩大類。按用途分類，有醫(yī)用和非醫(yī)用生物可降解高分子材料兩大類。按合成方法可分為如下幾種類型。
2.1微生物生產(chǎn)型
通過(guò)微生物合成的高分子物質(zhì)。這類高分子主要有微生物聚酯和微生物多糖，具有生物可降解性，可用于制造不污染環(huán)境的生物可降解塑料。如英國(guó)ici 公司生產(chǎn)的“biopol”產(chǎn)品。
2.2合成高分子型
脂肪族聚酯具有較好的生物可降解性。但其熔點(diǎn)低，強(qiáng)度及耐熱性差，無(wú)法應(yīng)用。芳香族聚酯(pet) 和聚酰胺的熔點(diǎn)較高，強(qiáng)度好，是應(yīng)用價(jià)值很高的工程塑料，但沒(méi)有生物可降解性。將脂肪族和芳香族聚酯(或聚酰胺) 制成一定結(jié)構(gòu)的共聚物，這種共聚物具有良好的性能，又有一定的生物可降解性。
2.3天然高分子型
自然界中存在的纖維素、甲殼素和木質(zhì)素等均屬可降解天然高分子，這些高分子可被微生物完全降解，但因纖維素等存在物理性能上的不足，由其單獨(dú)制成的薄膜的耐水性、強(qiáng)度均達(dá)不到要求，因此，它大多與其它高分子，如由甲殼質(zhì)制得的脫乙?；嗵堑裙不熘频?。
2.4摻合型
在沒(méi)有生物可降解的高分子材料中，摻混一定量的生物可降解的高分子化合物，使所得產(chǎn)品具有相當(dāng)程度的生物可降解性，這就制成了摻合型生物可降解高分子材料，但這種材料不能完全生物可降解。
3、生物可降解高分子材料的開(kāi)發(fā)
3.1生物可降解高分子材料開(kāi)發(fā)的傳統(tǒng)方法
傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)生物可降解高分子材料的方法包括天然高分子的改造法、化學(xué)合成法和微生物發(fā)酵法等。
3.1.1天然高分子的改造法
通過(guò)化學(xué)修飾和共混等方法，對(duì)自然界中存在大量的多糖類高分子，如淀粉、纖維素、甲殼素等能被生物可降解的天然高分子進(jìn)行改性，可以合成生物可降解高分子材料。此法雖然原料充足，但一般不易成型加工，而且產(chǎn)量小，限制了它們的應(yīng)用。
3.1.2化學(xué)合成法
模擬天然高分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)，從簡(jiǎn)單的小分子出發(fā)制備分子鏈上含有酯基、酰胺基、肽基的聚合物，這些高分子化合物結(jié)構(gòu)單元中含有易被生物可降解的化學(xué)結(jié)構(gòu)或是在高分子鏈中嵌入易生物可降解的鏈段?；瘜W(xué)合成法反應(yīng)條件苛刻，副產(chǎn)品多，工藝復(fù)雜，成本較高。
3.1.3微生物發(fā)酵法
許多生物能以某些有機(jī)物為碳源，通過(guò)代謝分泌出聚酯或聚糖類高分子。但利用微生物發(fā)酵法合成產(chǎn)物的分離有一定困難，且仍有一些副產(chǎn)品。
; 3.2生物可降解高分子材料開(kāi)發(fā)的新方法——酶促合成
用酶促法合成生物可降解高分子材料，得益于非水酶學(xué)的發(fā)展，酶在有機(jī)介質(zhì)中表現(xiàn)出了與其在水溶液中不同的性質(zhì)，并擁有了催化一些特殊反應(yīng)的能力，從而顯示出了許多水相中所沒(méi)有的特點(diǎn)。
3.3酶促合成法與化學(xué)合成法結(jié)合使用
酶促合成法具有高的位置及立體選擇性，而化學(xué)聚合則能有效的提高聚合物的分子量，因此，為了提高聚合效率，許多研究者已開(kāi)始用酶促法與化學(xué)法聯(lián)合使用來(lái)合成生物可降解高分子材料
4、生物可降解高分子材料的應(yīng)用
目前生物可降解高分子材料主要有兩方面的用途：（1）利用其生物可降解性，解決環(huán)境污染問(wèn)題，以保證人類生存環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。通常，對(duì)高聚物材料的處理主要有填埋、焚燒和再回收利用等3種方法，但這幾種方法都有其弊端。（2）利用其可降解性，用作生物醫(yī)用材料。目前，我國(guó)一年約生產(chǎn)3000 多億片片劑與控釋膠囊劑，其中70%以上是上了包衣的表皮，其中包衣片中有80%以上是傳統(tǒng)的糖衣片，而國(guó)際上發(fā)達(dá)國(guó)家80%以上使用水溶性高分子材料作薄膜衣片，因此，我國(guó)的片劑制造水平與國(guó)際先進(jìn)水平有很大的差距。國(guó)外片劑和薄膜衣片多采用羥丙基甲纖維素，羥丙纖維素、丙烯酸樹脂、聚乙烯吡咯烷酮、醋酸纖維素、鄰苯二甲酸醋酸纖維素、羥甲基纖維素鈉、微晶纖維素、羥甲基淀粉鈉等。
參考文獻(xiàn)：
