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生物材料综述

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。

在前两者的根底上尝试对现有的生物材料进展改性或者设计合成新的生物材料，并最终到达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；外表修饰

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，主要包括以下几局部的内容：

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、生物组织发生反响的能力和性质[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外表的性质（例如电荷分布、微观拓扑构造、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。

Andree.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）纳米粒子外表，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、耗散力等的根本作用规律仍然适用，但是在纳米尺度下需要考虑粒子外表原子的排布。

复杂性的另一点表达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开展，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）对蛋白知分子构造和功能的影响，这种影响可以通过对纳米粒子的化学修饰进展调控；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、纳米粒子的外表性质、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世纪后期开场经过十几年的国际间协同研究，目前已经形成了比拟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展了标准化，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植入后局部反响实验；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分子复原，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展细胞毒性实验，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展检测[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展细胞培养。

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展评价，得到了更具说服力的实验结果[12]。

X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展生物细胞毒性的评价，并说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响等[14]。

生物材料植入人体后由于其外表所带的电荷将会激活凝血因子并通过负责的酶促反响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外表迅速吸附，外表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，防止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，等到试验完毕时取出材料再进展评价，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外表进展较好的表征[16]。

血液相容性评价研究对用于心血管体系的生物材料开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生物材料的外表改性

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良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局部简要介绍提高生物形容性的方法及相关的研究进展。

3.1高分子外表改性技术

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外表化学构造、亲疏水性以及电荷状况等[17]，针对上述影响因素的外表改性研究得到了广泛的关注。

外表涂层技术是生物医用材料外表改性的一类常用技术，主要通过在高分子材料外表增加抗凝血涂层，钝化敏感的生物材料外表，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。

王芬对聚四氟乙烯外表抗凝血的改性及相关涂层材料进展了研究，其首先通过同时通过氨基化聚乳酸与二氯磷酰胆碱反响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外表，通过对涂覆后材料的外表接触角、外表能以及抗凝血性能进展测定后发现外表涂层可显著提高材料的亲水性和抗凝血性[18]。

同时外表涂层技术还有助于提高生物材料的抗菌性能，

外表接枝改性是通过接枝亲水基团或疏水基团来改善血液相容性，是提高生物材料抗凝血性的一条重要途径。

这种方法构建的表层与基材结合结实，不易脱落，从而保证了生物材料良好的稳定性。

目前常用的外表接枝方法主要有化学试剂法、偶联剂法、紫外光照射法、等离子体法以及光化学固定法等[19]。

其中光化学固定法由于具有反响速率快、操作简单、普适性强以及不影响材料本体性质等特点而得到了较广泛的应用。

光化学固定法是指利用紫外或可见光将具有特定功能的分子或组分偶联到材料外表的方法，其原理是利用带有双官能团（分为热活性基团和光活性基团）的光偶联剂将生物活性化合物分子偶联到材料外表来到达改性外表的目的[20]。

通常采用的偶联剂包括两类：

芳香叠氮类和二苯酮类。

通过光固化反响接枝技术可以提高材料的外表润滑性、增强材料外表的亲水性以及改善材料的凝血性能[21]。

例如，Zhu等人利用芳香叠氮类光偶联剂成功地将壳聚糖和肝素的复合物修饰在聚乳酸（PLA）外表，体外的血小板粘附实验和狗体内大隐静脉植入实验均显示材料具有良好的血液相容性[22]。

对生物医用高分子材料进展外表仿生化修饰，使其不被机体视为异物是一种改善血液相容性的理想方法。

该法是在材料外表固定生理活性物质（如肝素、水蛭素、前列腺素等）和溶解血栓的纤溶性活化酶（尿激酶等），使外表具有生物活性，减弱血液与材料外表的相互作用，从而提高抗凝血性。

外表肝素化是目前应用最为广泛的仿生化方法。

肝素是一种具有抗凝血作用的天然凝血抑制剂，具有较强的阴离子特性，可与带阳离子外表的高分子材料相结合制成肝素化的生物材料，与血液接触时通过持续释放肝素而到达抗凝血作用[23]。

吕强等人在四氢呋喃/水溶液体系中将肝素接枝到聚氨酯上制备出了同时含有游离肝素和接枝肝素的聚氨酯的薄膜，初步研究显示接枝肝素仍具有较好的生物活性，薄膜的抗凝血性能优异[24]。

3.2可移植金属的外表改性

鉴于许多用于高分子外表改性的方法同样适用于可移植金属外表改性因此对于重叠局部在此不再赘述，而重点讨论金属外表化学修饰中的微图案法。

多项研究显示通过化学方法对生物材料进展修饰可以有效的控制生物体中的许多关键过程，例如细胞增殖和基因表达等。

因此通过可控的化学修饰对材料进展特定的功能化修饰将有助于研究人员在提高材料的生物相容性的同时设计具有个体适应性的特征的生物材料。

材料的拓扑构造往往决定着细胞与材料的外表的相互作用，一般可以通过酸碱处理或者氧化处理在材料外表上构建微米级和亚微米级图案。

研究说明材料的微图案化能够增强成骨细胞的吸附和增殖并促进磷灰石的沉积，这将在人工骨关节的修复和替代方面有潜在的应用[25]。

钛及其合金由于具有高强度、低密度、耐磨损、完全的内环境惰性以及骨相容性等特点而成为骨修复领域炙手可热的材料。

运用硫酸和过氧化氢的混合体系可以在钛及钛合金上构建纳米级凹槽，通过改变材料与刻蚀溶液接触的时间和程度可以对材料外表的形貌、粗糙度以及TiO2氧化层的厚度进展调控[26]。

而最令人振奋的是这些材料的微观构造对于不同类型的细胞有不同的响应程度，例如该种材料的外表可以促进骨相关基因的表达，提高成骨细胞的活性而对成纤维细胞却有抑制作用[27]，同时这种方法还可以被延伸到其他可移植金属材料的改性中。

因此这种在材料外表构建可控微图案的策略不仅提高了材料的相容性还为科研人员设计更有针对性的生物材料提供全新的思路。

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