生物材料小论文
生物材料的研究
生物材料是用来对于生物体进行诊断、治疗、修复或替换其病损组织、器官或增进其功能的新型高技术功能材料。其研究是介于生物学、医学、材料学和化学之间的交叉性边缘学科,具有知识、技术密集的特点。
纳米技术的兴起为生物材料的发展注入了新的活力。通常意义上的纳米材料是指颗粒尺寸为1-100nm粒子组成的新型材料。纳米材料因其尺寸小、比表面大及量子尺寸效应,使之具有常规粗晶材料不具备的特殊性能,在生物活性、材料特性等方面均表现出优异的性能。纳米技术与生物材料的结合产生了纳米生物材料。
专题:纳米羟基磷灰石的应用
羟基磷灰石[ C a10 ( PO4 ) 6 ( OH ) 2 ] ( hydroxyapatite, HAP)是人及动物骨骼、牙齿的主要无机成分,呈纳米微晶状态, 是一种典型的生物材料, 具有优良的生物相容性和生物活性, 植入人体后能在短时间内与人体的软硬组织形成紧密结合, 从而成为广泛应用的植骨代用品。
20世纪50年代以来, 对羟基磷灰石有了比较深入的研究, 不仅合成出纯度很高的HAP单晶, 还利用陶瓷致密的烧结工艺, 烧制出了与人体牙齿的强度和韧性均相近的HAP多晶体。研究表明, HAP纳米粒子对肝癌、胃癌、骨肉瘤等多种癌细胞的生长具有不同程度的抑制作用。
纳米材料是20世纪80年代中期发展起来的新型材料, 它比负氧离子先进50 年。由于纳米微粒( 1~ 100nm )的独特结构状态, 使其产生了小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等,因此, 纳米材料表现出光、电、热、磁、吸收、反射、吸附、催化以及生物活性等特殊功能, 使纳米材料呈现出无限广阔的应用前景。与此同时, 对羟基磷灰石有了更深入的认识, 由于羟基磷灰石的尺寸达到纳米级表现出来的独特性能, 使对HAP的研究成为生物医学领域中一个非常重要的课题。本文章论述了纳米羟基磷灰石在生物医学领域中的应用。
1纳米羟基磷灰石在药物载体中的应用
纳米粒载体是近年来用于肽类、蛋白质、核苷酸和治疗基因等生物大分子药物且发展迅速的新一类给药系统。其主要作用为有效保护这些生物大分子免遭生物体体内环境的破坏, 促进这些药物通过生物屏障, 并导向药物作用的靶部位。
1.1纳米药物载体的概念
纳米药物载体和纳米颗粒基因转移技术是以纳米颗粒作为药物和基因转移
载体, 将药物、DNA 和RNA 等基因治疗分子包裹在纳米颗粒之中或吸附在其表面, 同时也在颗粒表面耦联特异性的靶向分子, 如特异性配体、单克隆抗体等, 通过靶向分子与细胞表面特异性受体结合, 在细胞摄取作用下进入细胞内, 实现安全有效的靶向性药物和基因治疗。
纳米药物载体具有高度靶向、药物控制释放、提高难溶药物的溶解率和吸收率等优点, 可提高药物疗效和降低毒副作用。纳米颗粒作为基因载体具有一些显著的优点: 纳米颗粒能包裹、浓缩、保护核苷酸, 使其免遭核酸酶的降解; 比表面积大, 具有生物亲和性, 易于在其表面耦联特异性的靶向分子, 实现了基因治疗的特异性; 在循环系统中的循环时间较普通颗粒明显延长, 在一定时间内不会象普通颗粒那样迅速地被呑噬细胞清除; 让核苷酸缓慢释放, 有效地延长作用时间, 并维持有效的产物浓度, 提高转染效率和转染产物的生物利用度; 代谢产物少, 副作用小, 无免疫排斥反应等。纳米药物载体(纳米微粒药物输送)技术是纳米生物技术的重要发展方向之一, 将给恶性肿瘤、糖尿病和老年性痴呆等疾病的治疗带来变革。
1. 2纳米羟基磷灰石作为药物载体
HAP粒子有良好的组织相容性, 无毒、无免疫原性, 比表面积大, 生物粘附性强, 能结合和传递大分子药物, 吸附药物量大, 具备了药物载体的基本要求。羟基磷灰石作为药物载体系统能提高药物在生物膜中的透过性, 有利于药物透皮吸收并发挥其在细胞内的药效。纳米羟基磷灰石作为药物载体十分安全, 因为其与人及动物的骨骼、牙齿成分相同, 且不为胃肠液所溶解, 在释放药物后可降解吸收或全部随粪便排出, 此外, 纳米羟基磷灰石在生成过程中很方便引入放射性元素, 可用于癌细胞的灭活。
HAP纳米粒子是很有前途的生物活性大分子药物载体, 对这种新型载体功能行为作用机理和进入细胞的方式的进一步研究, 对如何增强HAP纳米粒子靶向性的深入研究及提高大分子药物给药技术创造更好的发展机会。HAP 纳米粒子非常容易团聚, 因此弄清楚纳米粒子的分散机理及条件是其应用的关键。
2 纳米羟基磷灰石在肿瘤领域中的应用
近年来的研究表明, 纳米羟基磷灰石对肿瘤细胞生长有抑制作用, 而对正常细胞无影响。在肿瘤治疗中可能具有较好的选择性, 可以选择性穿透肿瘤细胞膜和细胞核膜, 作用于DNA, 抑制肿瘤细胞的增殖, 也可直接杀死人肺癌、肝癌、食管癌、泌尿系统癌细胞等多种癌细胞。纳米HAP可以作用于细胞膜, 可增加
细胞液中C a2+ 的浓度。当肿瘤细胞外存在HAP等纳米粒子钙池时, 其超强钙摄入能力可导致过多C a2+ 摄入,出现毒性, 从而抑制其生长; 还可诱导细胞周期阻滞和凋亡, HAP 使Bel- 7 402 人肝癌细胞增殖阻滞G1期, 阻断细胞周期的进展, 导致肿瘤细胞胀亡; 对端粒酶活性也有影响, 纳米HAP有抑制肿瘤细胞的端粒酶基因的表达, 下调端粒酶活性的作用。
3作为硬组织修复材料
纳米HAP- 高分子复合材料通过对天然硬组织的模仿, 成功地解决了常规HAP生物陶瓷抗弯强度低、脆性大、大生理环境下抗疲劳性不好等临床应用中遇到的问题, 因此在硬组织修复领域有着广阔的应用前景。纳米羟基磷灰石与天然高分子材料的生物复合,也能与人工高分子材料的生物复合
4结语
近年来, 虽然纳米羟基磷灰石及其复合材料的研究和在组织工程中的应用均取得了较快的发展,但仍然存在很多问题, 如没能从根本上提高其强度和韧性以满足临床的种种要求, 没能彻底解决复合材料体内降解速度与骨生长速度相匹配的问题等。虽然如此, 纳米HAP的工业应用已显示出巨大的应用前景, 如模拟生理条件下纳米HAP的抗癌活性已初露端倪; 纳米HAP /高分子复合材料, 作为一种极具发展潜力的硬组织修复材料已完成了相关动物实验等, 将促进纳米HAP更进一步的应用发展。
生物材料的研究与开发具有重大的社会效益和经济效益。不仅挽救了数以百万计的患者生命,而且提高了人类的生活质量,其对社会经济发展起着重要作用。由于人口老龄化和工业、交通、体育等事业的发展导致的创伤增加,对生物材料的需求正向老年和中青年扩展。近10年来,生物材料和制品市场一直保持15%左右的年增长率,预计10~15年内将达到药物市场规模,成为本世纪世界经济的一个支柱性产业。同时,许多国家都在军事上加大对生物医学材料和技术的研究,具有十分重要的军事意义。美国国防部将生物技术视作“未来30年增强战斗力最有希望的军事技术”,其开发和投资的重点领域有:军事医学、生物传感器、生物处理技术、生物材料和生物电子元等。在我国,教育部生物材料工程中心(见附注)的自固化磷酸钙人工骨系列产品已被国家经济动员中心列为国家经济动员指定产品。
生物材料的研究和探索已成为本世纪最重要的研究热点及新兴学科增长点,并将逐步形成本世纪支柱产业之一。我国加入WTO后,生物材料产业将面
临着重大挑战和机遇。生物材料品种多,涉及面广,根据“有所为有所不为”的精神,有必要选准几个好的方向和产品作为发展突破口,最终带动整个生物材料产业的发展。同时应在国家的大力支持下,跨部门、跨学科通力合作,并积极加强与国外政府、民间、跨国公司间的合作和交流,建立联合工作站和战略伙伴关系,实现技术跨越式发展, 在参与国际竞争中不断发展壮大。