仿生納米骨修復(fù)材料研究與發(fā)展.pdf

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1、仿生納米骨修復(fù)材料研究與發(fā)展李玉寶四川大學(xué)納米生物材料研究中心610041一、引言隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和成產(chǎn)力的迅速發(fā)展。人們生活水平得以提高。如何改善臨床治療和修復(fù)水平以增進(jìn)患者的健康和生命質(zhì)量正日益受到政府和社會(huì)的廣泛關(guān)注和重視。新材料和納米技術(shù)的飛速發(fā)展為實(shí)現(xiàn)這一需求提供了可能，其研究焦點(diǎn)之一集中在對(duì)新型生物醫(yī)用材料的探索上。生物醫(yī)用材料是對(duì)生物機(jī)體進(jìn)行診斷、治療及用以置換損壞的組織、器官或增進(jìn)其功能的材料，而硬組織修復(fù)材料一直是生物醫(yī)用材料需求和研究的熱點(diǎn)。我國(guó)是一個(gè)擁有13億人口的大國(guó)，也是一個(gè)骨組織修復(fù)和重建材料的需求大國(guó)，目前我國(guó)有6000萬殘疾人，其中致殘者約

2、800萬人；由風(fēng)濕和類風(fēng)濕引發(fā)的大骨節(jié)病患者有數(shù)百萬人；有7000萬伴隨人口老齡化的骨質(zhì)疏松癥患者；每年由于疾病、交通事故和運(yùn)動(dòng)創(chuàng)傷等造成的骨缺損、骨折和骨缺失患者人數(shù)近1000萬；需要行顱頜面和肢體整形、美容的人數(shù)也在千萬人以上。目前用于骨組織修復(fù)的主要有金屬、陶瓷和聚合物幾大類。金屬材料已成功應(yīng)用于關(guān)節(jié)修復(fù)，具有強(qiáng)度好、加工方便等優(yōu)點(diǎn)。但金屬材料缺乏與人體組織結(jié)合的生物活性，加之過于堅(jiān)硬，其彈性模量較人體骨過高，常常造成對(duì)骨的硬力刺激或?qū)φ?yīng)力傳遞的屏蔽，引起骨吸收和修復(fù)失敗。陶瓷類材料主要存在質(zhì)脆、在體內(nèi)易于斷裂和發(fā)生疲勞破壞等不足，因而一般用于非應(yīng)力的骨修復(fù)場(chǎng)合

3、。聚合物可以具有人骨相近的模量，但不具備與骨組織形成生物鍵和的活性，因而通常用于對(duì)骨折或金屬植入體的機(jī)械固定場(chǎng)合。對(duì)仿生納米復(fù)合骨修復(fù)和重建材料研究，有助于解決臨床日益擴(kuò)大的骨修復(fù)需求和現(xiàn)有材料品類少、性能不高、沒有滿意材料可供選擇這一突出矛盾。自體骨和異體骨是當(dāng)前骨損傷修復(fù)廣泛采用的材料。自體骨易被患者接受，但是會(huì)給患者帶來新的創(chuàng)傷和痛苦；異體骨取材簡(jiǎn)便，但是在生物安全性上存在免疫排斥和疾病傳播的隱患。所以，臨床上越來越多地采用人工制備的材料作為硬組織修復(fù)材料。硬組織修復(fù)材料是生物醫(yī)用材料中發(fā)展最重要的一個(gè)方向，也是市場(chǎng)需求最大的一個(gè)領(lǐng)域。1人體硬組織修復(fù)材料的研究起步

4、較早。公元前人們就已經(jīng)嘗試用柳條、象牙、石頭等來修復(fù)骨骼及牙的缺損。十九世紀(jì)中葉開始應(yīng)用金屬板針來固定骨折，這一方法沿用至今。迄今為止，用于硬組織修復(fù)與替換的材料依然以金屬為主。第一次世界大戰(zhàn)的嚴(yán)重傷亡，確立了用不銹鋼和其它金屬作為矯形植入材料的地位；第二次世界大戰(zhàn)后高分子工業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)了醫(yī)用合成聚合物材料的使用。隨后一些惰性陶瓷材料也開始應(yīng)用于臨床，包括氧化鋁陶瓷，碳素材料等。1969年，L.L.Hench研制出生物活性玻璃，并提出“生物活性”這一核心概念。Jarcho在1976年研究了羥基磷灰石（HA）陶瓷，Corjello研究了β-磷酸三鈣（β-TCP）陶瓷，19

5、84年K.deGroot研究了在金屬基體上制備HA涂層的工藝，1990年后磷酸鈣骨水泥的出現(xiàn)進(jìn)一步拓展了磷酸鈣生物材料的使用方法，隨后磷酸鈣陶瓷、涂層及骨水泥成為各國(guó)學(xué)者研究的重點(diǎn)之一。20世紀(jì)八十年代以來，人們開始研究材料與細(xì)胞或活性生物大分子的復(fù)合，如多孔HA陶瓷與骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP）的復(fù)合以及HA陶瓷與細(xì)胞結(jié)合的組織工程材料的研究等。對(duì)承力硬組織的修復(fù)一直是臨床上的一個(gè)難點(diǎn)，迄今仍沒有比較理想的材料可以使用，臨床上迫切需要提供一類具有優(yōu)異生物學(xué)和力學(xué)性能的骨組織修復(fù)材料和制品。制備生物相容性和力學(xué)相容性好，以及由生物活性的類人體組織替代和修復(fù)材料是當(dāng)今生物材料研

6、究領(lǐng)域中的前沿性課題，磷酸鈣與天然合成高分子復(fù)合生物材料的研究向此類材料開發(fā)邁出了重要一步。生物活性磷酸鈣/聚合物復(fù)合生物材料發(fā)展很快，磷灰石/膠原和磷灰石/聚酰胺極性高分子復(fù)合材料便是這種新一代生物復(fù)合材料的代表，它模仿自然骨的結(jié)構(gòu)和功能，從仿生和分子水平設(shè)計(jì)和制造人體組織修復(fù)和替代材料。生物醫(yī)用材料應(yīng)用于人體，必須與人體組織相接觸，由此引起活性組織、細(xì)胞、蛋白等對(duì)材料產(chǎn)生響應(yīng)。任何材料，無論如何其在體內(nèi)是生物惰性的、生物活性的還是可被降解或吸收，都存在與生物體之間的相互作用，進(jìn)而引發(fā)出對(duì)材料生物相容性、生物安全性和生物功能性的具體要求。植入體內(nèi)的骨生物材料在人體復(fù)雜的

7、生理環(huán)境中長(zhǎng)期受物理、化學(xué)、生物等因素的影響，同時(shí)各組織以及器官間普遍存在著許多動(dòng)態(tài)的相互作用，因此醫(yī)用骨生物材料必須具有良好生物相容性，良好的生物穩(wěn)定性或可降解吸收性，與骨組織形成生物性鍵合的生物活性，足夠的強(qiáng)度和韌性或與骨匹配的力學(xué)性能，以及良好的加工、滅菌和臨床操2作性能等。目前國(guó)際醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)的年銷售額已達(dá)1800億美元，其中近三分之一為生物醫(yī)用材料所占據(jù)。骨科修復(fù)器材約占醫(yī)療器械市場(chǎng)的十分之一，年增長(zhǎng)率高達(dá)26%。以美國(guó)年產(chǎn)32億美元的矯形器械為例，生物材料的直接貢獻(xiàn)率高達(dá)75%。骨修復(fù)材料已成為醫(yī)療器械的重要市場(chǎng)，