生物技术中的生物材料

生物材料领域并不是新兴领域，而生物材料研究的重点是一种新兴技术，在材料科学和生物科学中不断有新既念提出。组织工程是一个热门研究领域，其中，多孔支架可提供细胞依附和生长的基体。较早的合成材料如普通的织布纤维，它们存在尺寸不合适和生物相容性差等不可避免的缺点。早期的支架材料包含聚丙烯微纤维毡，它是从一种不混溶的取向聚合共混物中提取的。纤维毡和聚对二甲苯黏附在热塑性聚氨酯人造心脏的表面。内壁细胞在支架的纤维毡内生长为可提供血液相容的表面。尽管一些动物实验已经获得成功，但这种方法没有经过人工测评，因而移植成为首选方案。最近，一些组织工程，如支架在伤口／烧伤敷料、骨修复、神经修复／生长、再生肝脏及其他一些应用得到了评估。在这些情况下，生物降解性（更具体地说是生物吸收性）是所期望具备的性能。多孔支架的聚合物系统由纤维毡、微孔发泡材料，通过盐混合、提取得到的微孔结构和三维印刷工艺等组成。聚合物冷冻干燥是制备多孔支架的一种典型方法。另一生产纤维毡的方法涉及静电过程。这种方法是由充电聚合物（或低黏度熔体）通过小孔和定向接地收集表面（如金属网或板）放电来实现的。网和放电孔的距离在5～50cm的范围内，收集表面通过移动或旋转使薄层沉积形成微米到纳米尺寸的纤维（尺寸为10nm～10μm）。图6－11描述了支架研究中常用的天然材料：胶原蛋白、壳聚糖、聚糖和糖蛋白。图6－12介绍了一个由纤维尺寸PLCL（聚－L－乳酸钴－共ε－己内酯）聚合物构成的静电纤维支架的细胞生长情况。许多电纺纤维网络采用了由可生物降解成分构成的高分子混合物，尽管这些并不是一般所指的高分子混合物。图6－12所示，细胞的生长和扩张取决于纤维尺寸。

图6－11　生产无纺垫纳米纤维的静电纺丝(www.xing528.com)

图6－12　经1～7天细胞培养后具有不同直径的静电PLCL50／50织物的半影像图

支架中所用的材料有天然聚合物以及合成的可降解聚合物，如聚－ε－己内酯、聚乳酸、聚羟基乙酸等。用于再生神经的胶原蛋白／壳聚糖多孔材料，用于骨修复的胶原蛋白／透明质酸聚醛，用于细胞外基质成分的胶原蛋白／透明质酸是通过层层组合的方式获得的，作为多孔支架的胶原蛋白／糖胺聚糖，用于骨组织工程的壳聚糖／混杂的海藻酸钠，冷冻干燥处理的壳聚糖／胶原蛋白混合物与戊二醛交联，可用于皮肤组织工程，通过冷冻干燥技术得到壳聚糖／聚－ε－己内酯支架。制备壳聚糖／（环氧乙烷）静电纤维混合物并对其相容性进行检测。比例为90／10的壳聚糖／PEO混合物具有纳米纤维结构，使人类骨细胞和软骨细胞具有较好的黏附性和扩张性。在聚（乳酸乙醇酸）支架细胞中加入聚乙烯醇使混合物的润湿性有所改善，从而使骨组织更好地生长，并且具有更高的细胞相容性。由胶原蛋白／壳聚糖混合物与碳二亚胺交联组成的支架具有良好的血液和细胞相容性，因而具有可植入人造生物肝脏的潜力。采用含PCL、纤维蛋白和海藻酸钠的多组分支架来优化力学性能，促进细胞生长和增殖。PCL保证了机械结构，纤维蛋白保证了细胞附着性，海藻酸钠提供了营养途径。本例是关于采用所设计的聚合物共混物支架进行体外培养来产生功能性组织或诱导体内组织的再生。采用由控制的聚合物共混物组成的支架，对从酪氨酸衍生聚碳酸的相分离混合物发生的“体外”细胞反应进行研究。这种组合的方法介绍了细胞和生物材料之间的相互关系，并且对二维组分变化形式的结构／性能关系进行了评估。总结了生物材料在组织工程中的各种应用，如心血管补丁、肠胃补丁、神经导管和骨修复和其他各种支架用途。共轭高分子也被应用于聚合物共混物和生物医学研究领域。将聚（乙烯醇）－肝素凝胶涂到聚吡咯上发现加载电流后肝素释放增加，这表明控制体释放的可能性。水凝胶支架中聚吡咯的电化学聚合被应用于神经修复和评价。聚吡咯垂直聚合通过水凝胶支架，使电阻抗减小了几个数量级。