生物医用材料的发展及介绍

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生物医用材料(Biomedical Materials)，也称生物材料(Biomaterials)，是一类具有特殊性能，应用于疾病的诊断、治疗、康复和预防，以及替换生物体组织、器官、增进或恢复其功能的材料。美国国家卫生研究所(NIHCDC)将生物材料定义为“能作为一个系统的整体或部分使用一段时间，达到治疗、增加、或替换身体的一些组织、器官并恢复功能目的的任何物质或物质组合，它可以是天然的或是人工合成的”。生物材料的特征之一是生物功能性(biofunctionality)，即能对生物体进行诊断、治疗或修复；二是生物相容性(biocompatibility)，即不引起生物组织血液等的不良反应。

生物材料是研究人工器官和医疗器械的基础，涉及材料、生物、医学、化学以及物理诸多学科领域，其使用又与生理系统相接触，因此该材料的研究与开发具有相当的难度与挑战。因此，如果缺少了在不同研究领域内具备突出专长的团队间的合作，生物医用材料及医学科研的整体创新与突破也将无从谈起，更不用说实际的临床应用和更长远的发展了。

对于医用生物材料的发展，随着医学水平的提高以及人类生活质量的改善，也同步促进了生物材料的发展。第一代生物材料在20 世纪 60 年代应用于人体，其特点是“生物惰性”，即在引发宿主最小毒性反应条件下，重建受损组织的链接，如涤纶血管和金属的支架等。第二代生物材料于20 世纪 80 年代开始应用，主要是生物活性材料，即具备生物活性成分，从而引发组织的生理反应，如羟基磷灰石骨材料，另外是可生物降解吸收材料。虽然有些组织可以承受惰性物质的长久存在，如骨骼，但永久移植物总会刺激慢性发炎，即异体反应。第三代生物材料是同时具有生物活性、可生物降解吸收的材料，即从分子水平上控制材料与细胞间的相互作用，从而可以引发特异性的细胞反应，如可实现可控的粘附、增殖、分化及细胞外基质的重建，从而诱导组织和器官的形成，是细胞和基因的活性材料。

从临床用途上来分，生物材料可分为骨骼肌肉修复替换材料、软组织材料、齿科材料、心血管材料、医用膜材料、组织粘结剂和缝合材料、药物释放材料、临床诊断及生物传感器材料。按照在生物环境中发生的生物化学反应水平，生物材料又可以分为生物惰性材料和生物活性材料。生物材料按照材料的组成和性质可以分为医用金属材料、医用陶瓷材料、医用高分子材料和医用复合材料。人体绝大部分组织和器官都是由天然高分子化合物如蛋白质、多糖等组成的，因此医用高分子材料有其独特的功效和特征，成为生物材料研究最活跃的领域之一。

下面就为大家简单介绍两种重要的生物医用材料，它们分别是金纳米粒子和半导体共轭聚合物。这两种材料在生命科学及医学领域有着巨大的应用前景和潜力，也是目前被广泛关注的两种医用生物材料。

1.金纳米粒子材料

由于具有高化学稳定性、良好的尺寸可控性、易于表面修饰、独特的吸收与光散射等物理化学性质，金纳米粒子在生物成像、疾病诊断、靶向药物输送和肿瘤光热治疗等领域已得到广泛的应用。当尺寸小到几个或几十个金原子时（小于费米波长，即<1 nm），由于小尺寸效应使金纳米粒子（即金纳米簇）能够发射很强的荧光。过去的十几年中，金纳米簇受到人们越来越多的关注。特别地，蛋白质包覆的金纳米簇具有更高的光稳定性和生物相容性，易于在生物医学、生命科学及环境分析等方面得到广泛应用。此外，亲水性蛋白或其他小分子修饰的金纳米簇具有良好的水溶性、表面可修饰性、血液中长循环时间、易于在肿瘤组织蓄积等优势，可用于生物成像、生物检测、纳米药物载体和靶向治疗等领域。材料的生物相容性和安全性是其能够用于生物医学领域的前提。以往的报道普遍认为金纳米簇（特别是蛋白质包覆的金纳米簇）具有优异的生物相容性。然而，这些报道中通常选择单一的细胞系、孵育时间短、金纳米簇浓度范围窄等，因而对金纳米簇的毒性研究还远不够全面，还缺乏足够的实验数据来说明其是否有毒性。因此，金纳米簇的安全性仍然不明确，在将纳米材料运用到临床研究之前还有必要对其毒性进行系统和深入的研究。
比如最近，华中科技大学协和医院皮肤科陶娟教授课题组与华中科技大学化学与化工学院朱锦涛教授课题组合作，首次对牛血清白蛋白包覆的金纳米簇进行了系统、全面的体内外毒性研究。该研究选取了以生物相容性好的牛血清白蛋白作为模板来制备金纳米簇，消除了金纳米簇表面配体本身毒性的影响。同时，选取了三种肿瘤细胞系及两种正常细胞，提高了结果的适用性。在此基础上，在较宽的金纳米簇浓度及作用时间内，系统检测了细胞摄取、存活率、细胞凋亡、细胞内活性氧簇生成及细胞形态变化。研究结果表明，金纳米簇能很快进入细胞，并对不同细胞表现出不同程度的毒性，而金纳米簇溶液中游离的牛血清白蛋白分子能部分抵消金纳米簇的毒性作用，因而使金纳米簇仅在一定浓度范围内（5和20 nM）表现出毒性。实验证实，细胞内活性氧簇生成是金纳米簇产生毒性的重要机制之一。更为重要的是，金纳米簇的细胞毒性在小鼠皮下肿瘤模型上得到了证实，能够明显抑制肿瘤的生长。这项研究表明，为了发挥其生物成像和纳米药物载体的功能，可以将金纳米簇与生物活性小分子结合从而降低其毒性。另一方面，利用金纳米簇具有的细胞毒性，可以在一定程度上发挥抗肿瘤的作用。

2.半导体共轭聚合物

半导体共轭聚合物作为一种新型生物传感材料，具有光捕获能力强、敏感性高、生物相容性好、分子结构可控等显著优点，在环境监测、生物医学研究等领域显示出强大的应用潜力和发展前景。比如，作为构建光学传感与荧光成像分析方法物质基础的荧光探针，通过结合利用半导体共轭聚合物材料，能够在更大程度上提高荧光探针的灵敏度与特异性。然而，目前所报道的半导体共轭聚合物荧光探针，其主要依靠的是静电相互作用力构建传感体系，降低了聚合物探针的选择性，使其在复杂生物体系和血清样本研究中的应用受到很大限制。对此，南京邮电大学汪联辉教授课题组设计制备了一种新型半导体聚合物纳米生物探针，该纳米生物探针具有免标记、高灵敏度、高特异性的优势，可以在含血清缓冲液中检测低至nM级的基因并能很好的区分单碱基变异。

半导体共轭聚合物纳米粒子具有荧光强度高、毒性低、表面易修饰等特点，将核酸分子（DNA）作为探针固定在纳米粒子表面，构建半导体聚合物纳米生物探针，可以为生物传感器的发展提供新的思路和传感模式。该团队首先用纳米沉淀法制备了半导体聚合物纳米粒子，由于聚合物纳米粒子光谱显著红移，使其与受体荧光分子的光谱匹配程度增大，同时利用纳米粒子内部的高效激子传输机制，该半导体聚合物纳米生物探针呈现出很好的灵敏度和特异性，可以在含血清缓冲液中检测到特异性的靶基因，同时可以分辨单碱基变异。尤其重要的是，核酸生物功能化显著提高了半导体纳米生物探针在复杂体系中的胶体稳定性和光学性能，使其有望用于临床血清样本分析。

该研究中所构建的半导体聚合物纳米生物探针，制备方法便捷、高效，并具备普适性的优点，在临床疾病诊断、分子生物学研究和环境监测等领域有广阔的应用前景。

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