用于医学领域的仿生材料研究进展

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1、http://www.paper.edu.cn1用于医学领域的仿生材料研究进展11，2，32，3，41叶易春，但卫华，曾睿，林海，111，2，31陈驰，曲健健，但年华，关林波（1.四川大学皮革化学与工程教育部重点实验室，四川成都，610065；2.成都佰乐金生物科技有限公司，四川成都，610041；3.四川大学生物医学工程技术研究中心，四川成都，610065；4.四川大学轻纺与食品学院，四川成都，610065）摘要：仿生材料已成为材料科学与工程的研究热点，仿生材料在医学领域的应用潜力巨大。为促进利用仿生的思想来制造医用仿生材料，本文着重综述了用于组织修复与替代

2、的仿生骨、仿生皮肤、仿生肌腱和仿生血管的研究进展，并指出了其发展方向。关键字：仿生骨；仿生皮肤；仿生肌腱；仿生血管；医用仿生材料1引言自然界中存在的天然生物材料经过了亿万年的进化，有着人工材料无法比拟的优越性能。迄今为止，再优秀的材料科学家也做不出具有高强度和高韧性的动物牙釉质，海洋中的坚固又不被海水腐蚀的贝壳。生物是个神奇的工程师，它能把一些及其简单的元素组合成性能优异和结构精妙的作品，其神妙足以另当今最杰出的材料科学家汗颜。正因如此，人类从古至今都在向自然界学习，但直到1960年9月在美国召开的第一届仿生学国际会议上J.Steele才正式提出了仿生学这一概

3、念。仿生材料可以如此定义：即受生物启发或模仿生物的结构、功能或者形成过程，而开发的材料。近年来，仿生材料已成为材料科学与工程发展的重要研究发展方向之一。[1]仿生材料的一个重要应用领域就是生物医用材料。生物医用材料要求具有安全无毒性、组织相容性、血液相容性和一定的机械强度等性能，而这些都是天然生物材料所特有的。所以从材料的角度来研究天然生物材料的结构和性质，再对其模仿，进行仿生设计，研发仿生材料，这将为高品质生物医用材料的制造开辟新的途径。为了促进利用仿生的思想来制造医用仿生材料，本文着重综述了用于组织修复与替代的仿生骨、仿生皮肤、仿生肌腱和仿生血管的研究进展

4、。2仿生骨材料2.1天然骨结构与功能脊椎动物的骨是天然有机－无机复合材料。骨主要由水、有机物和无机盐组成。有机物1教育部高等学校博士点专项科研基金资助，项目编号：20020610032；成都市科技计划项目1http://www.paper.edu.cn中约90％是胶原蛋白，还有少量的非胶原蛋白、多糖、酯类等。无机盐中磷酸钙类矿物占骨质量的60％－70％，最主要的是羟基磷灰石（HA），此外还存在非晶磷酸钙（ACP）、磷[2]酸八钙（OCP）、二水磷酸氢钙（DCPD）等，它们被认为是作为磷灰石的前体相而存在。骨的主体骨架是胶原纤维结构，片状的纳米无机晶体填充于其中

5、。骨中有机相与无机晶体间[3]巧妙组装，使得骨具有普通磷酸钙无与伦比的强度和韧性。2.2仿生骨材料骨仿生初期主要是成分和结构仿生。由于骨主要是以羟基磷灰石为主的磷酸钙构成，因此最早的仿生思想就是制造羟基磷灰石为主的骨修复和替代材料。Hideki和Jarcho首先实现了这个构想，他们在1972年分别独立合成了羟基磷灰石，并把它应用于骨修复和替代材料。因其生物相容性出众，羟基磷灰石迅速在骨修复材料领域中占了一席之地。但由于它的力学性能较差，脆性太大，骨诱导作用弱，人们不断地提出了改进措施。[4]冯庆玲和崔福斋等根据天然骨的结构特征仿生合成了纳米羟基磷灰石/胶原复合

6、骨替代材料，并检测了其对骨的修复性能。结果表明，此复合材料成分与微结构具有天然骨的某些特征，用这种复合材料压制成的致密种植体植入骨髓腔后，可被骨内部吸收，并诱导骨组[5]织再生，从而实现损伤或病变骨组织的永久修复。Rhee等将氢氧化钙悬液与富含胶原或硫酸软骨素的磷酸溶液相互反应，结果在三维结构的胶原或硫酸软骨素表面及内部有纳米极微晶羟基磷灰石的形成，然后测得经基磷灰石晶体在胶原纤维上衍射角为60°，而在硫酸软骨素衍射角为10°，这些现象是由于羟基是磷灰石在胶原或硫酸软骨素的空间结构的排列方向不同所引起，而且这种空间结构已经同天然骨中微晶羟基磷灰石与胶原结合的结

7、构极为相似。研究提示我们，完全可以通过人为仿生的方法改变纳米级羟基磷灰石在胶原或者硫酸软骨素，尤其是胶原中的排列方向或结构，而形成真正的生物骨结构。近年来，运用仿生学原理和纳米自组装技术制备有机／无机纳米复合材料，并将多肽、生长因子和基因等特定分子识别信号固定在材料表面，对其进行分子设计和生物化处理，研制成新一代有特定结构和功能的仿生“智能”骨基质材料是当今生物材料学研究领域的前沿[6,7]课题。最近，有人设计了一种“两亲性多肽”，可以自组装成纳米纤维，矿化生成的HA纳米晶体的C轴与纤维长轴一致，与天然骨高度相似，并能通过纳米纤维表面携带的RGD多[8]肽促进

8、对细胞的粘附。麻省理工大学生物医学工程