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高分子材料在医学中的应用精选(九篇)

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高分子材料在医学中的应用

第1篇:高分子材料在医学中的应用范文

关键词:生物医学材料;生物相容性;应用现状;发展前景

引言

生物医学材料是一种毒副作用较小,生物相容性比较好的具有特殊性能和特殊功能的一种医用材料,它对人的生命,组织器官是无害的。它的发展是以提升人类卫生健康水品,疾病治疗,医疗保健为目的一种生物材料。生物医学材料主要以生物高分子材料,生物陶瓷材料,生物医学复合材料及生物金属材料和生物医学衍生材料为主。现如今生物医学而材料已经广泛应用于医学领域和科研领域。

一、生物医学材料的分类

1、医用高分子材料

所谓生物医学材料领域中发展最好的领域,医用高分子材料自改革开放以来就发展非常迅速,现如今医用高分子材料已经研究出了许多性能量好,应用广泛的制成品。医用高分子材料有很大的便利之处是原材料比较容易获取,加工制成品比较简单,而且研究发现人体大部分组织器官的软组织部位,比如血管,呼吸道等都是由高分子材料构成,这一特点使得医用高分子材料的应用越来越受到人们的重视。

2、生物陶瓷材料

生物陶瓷材料也可以因为其化学组成而被叫做生物无机非金属材料,它也是具有大部分生物医学材料共有的生物特性,它是一种具有很好的生物相容性,与医用高分子材料相比生物陶瓷材料化学性质极其稳定。从性能上来讲,生物陶瓷材料与生物体具有高度亲和性,毒副作用非常小,也很少与生物体产生免疫排斥反应。由于生物陶瓷材料的这些良好特性,近年来也逐渐被研究开发,现已经普遍受到关注。生物陶瓷材料可以分为惰性生物陶瓷和生物活性生物陶瓷。每类生物陶瓷材料都逐渐被广泛利用。

3、医用金属材料

生物金属材料顾名思义具有很强的机械强度,因为这种材料的组成主要是金属或者合金,它的化学组成决定了此种材料具有很好的抗疲劳特性。钛合金和钴合金就是被广泛使用在临床上为人所熟知的医用类金属材料,另外还有不锈钢。它们三者常作为植入材料,主要运用于骨和牙等硬组织的替换。比较常用在临床上的是贵重金属例如金,银和铂,当然一些常见材料比如铁、镁及铜等都有应用于临床试验上,只是这些金属的生物特性不是很好,因此尚未受到专家认可。

4、生物医学复合材料

生物医学复合材料是由两种或两种以上不同材料混合而成,比如现运用于临床的一些生物传感器就是由高分子材料结合生物高分子形成的。另外,人工骨头也可以有碳和钛复合而成。

5、生物医学衍生材料

生物医学衍生材料是将生物组织进行特殊处理形成的,虽然它已经不具有生物活性,但是由于它有着天然生物相同的构型因而在人体修复和替换的过程中成功率比较高。

二、生物医学材料的应用现状

生物医学材料作为一项发展迅速的高新技术产业,它的发展已经受到全世界的普遍关注。现如今随着分子材料和人造器官的广泛使用,生物医学材料交叉着诸多学科成为创新材料的重要组成部分。生物医学材料的运用虽然在亚洲地区发展较快,但目前还主要在经济发达国家具有竞争优势。发达国家现已逐步形成生物材料工业体系,创新材料制成产品比较多,每年的销售额也非常巨大,甚至可以达到药物市场的销售额。目前,主要的生物材料产品中具有代表性的有:人工器官、人工关节、人工股骨头都是运用生物医学材料来替代的。

三、生物医学材料的发展前景

生物医学材料作为新技术革命中高新技术产业,将成为国民经济发展的一个重要驱动力。就我国而言,人口众多、人口老龄化、交通拥挤及卫生医疗状况需要改善的国情来讲,人们在生活水平不断提高的同时对医疗保健的要求越来越高,同时对行业创新的提升具有迫切需求。生物医学材料工业体系解决了众多疾病难题,促进了医疗水平和提高了疾病治疗成功率。现如今,国家已经充分认识生物医学材料的V大发展前景,并投入大量资金用于技术研究、仿制到创新。在全区,如今生物医学材料的发展已经能够与汽车行业在经济发展中的地位相比,销售市场和销售额大幅度扩增。

四、结语

综上所述,生物医学材料具有如此强大的经济竞争实力,具有极大的发展前景。我国这场新技术革命中不仅面临国内设施条件的制约,而且被发达国家的材料工业体系所发展的巨大市场所冲击着。我国争取在新技术革命中能够占一席之地,必须加大对生物材料的研究和运用,从仿制到创新,加强知识产权的保护的同时也要积极向发达国家学习,迅速转化成产业成果,重点突破,追踪生物材料的前沿,形成竞争优势。在国家的重点关注和支持的情况下,生物医学材料这种高新技术产业即将在中国迅猛发展。

[参考文献]

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第2篇:高分子材料在医学中的应用范文

2 生物材料的类型与应用 生物材料种类繁多,到目前为止,被详细研究过的生物材料已经超过一千种,在医学临床上广泛应用的也有几十种,涉及材料学科各个领域。依据不同的分类标准,可以分为不同的类型。

2.1 以材料的生物性能为分类标准根据材料的生物性能,生物材料可分为生物惰性材料、生物活性材料、生物降解材料和生物复合材料四类。

2.1.1 生物惰性材料 生物惰性材料是指一类在生物环境中能保持稳定,不发生或仅发生微弱化学反应的生物医学材料,主要是生物陶瓷类和医用合金类材料。由于在实际中不存在完全惰性的材料,因此生物惰性材料在机体内也只是基本上不发生化学反应,它与组织间的结合主要是组织长入其粗糙不平的表面形成一种机械嵌联,即形态结合。生物惰性材料主要包括以下几类:(1)氧化物陶瓷 主要包括氧化铝陶瓷和氧化锆陶瓷.氧化铝陶瓷中以纯刚玉及其复合材料的人工关节和人工骨为主,具体包括纯刚玉双杯式人工髋关节;纯刚玉— 金属复合型人工股骨头;纯刚玉—聚甲基丙烯酸酯—钴铬钼合金铰链式膝关节,其他人工骨、人工牙根等。(2)玻璃陶瓷 该材料主要用来制作部分人工关节。(3)Si3N4 陶瓷 该类材料主要用来制作一些作为替代用的较小的人工骨,目前还不能用作承重材料。(4)医用碳素材料 它主要被作为制作人工心脏瓣膜等人工脏器以及人工关节等方面的材料。(5)医用金属材料 该类材料是目前人体承重材料中应用最广泛的材料,在其表面涂上活性生物材料后可增加它与人体环境的相容性.同时它还能制作各类其他人体骨的替代物。

2.1.2 生物活性材料生物活性材料是一类能诱出或调节生物活性的生物医学材料。但是,也有人认为生物活性是增进细胞活性或新组织再生的性质。现在,生物活性材料的概念已建立了牢固的基础,其应用范围也大大扩充. 一些生物医用高分子材料,特别是某些天然高分子材料及合成高分子材料都被视为生物活性材料.羟基磷灰石是一种典型的生物活性材料。由于人体骨的主要无机质成分为该材料,故当材料植入体内时不仅能传导成骨,而且能与新骨形成骨键合。在肌肉、韧带或皮下种植时,能与组织密合,无炎症或刺激反应.生物活性材料主要有以下几类:

(1)羟基磷灰石,它是目前研究最多的生物活性材料之一,作为最有代表性的生物活性陶瓷—羟基磷灰石(简称HAP)材料的研究, 在近代生物医学工程学科领域一直受到人们的密切关注.羟基磷灰石 [Ca10(PO4)6(OH)2]是脊椎动物骨和齿的主要无机成分,结构也非常相近,与动物体组织的相容性好、无毒副作用、界面活性优于各类医用钛合金、硅橡胶及植骨用碳素材料。因此可广泛应用于生物硬组织的修复和替换材料,如口腔种植、牙槽脊增高、耳小骨替换、脊椎骨替换等多个方面.另外,在HA 生物陶瓷中耳通气引流管、颌面骨、鼻梁、假眼球以及填充用HA颗粒和抑制癌细胞用HA微晶粉方面也有广泛的应用.又因为该材料受到本身脆性高、抗折强度低的限制,因此在承重材料应用方面受到了限制.现在该材料已引起世界各国学者的广泛关注。目前制备多孔陶瓷和复合材料是该材料的重要发展方向,涂层材料也是重要分支之一。该类材料以医用为目的,主要包括制粉、烧结、性能实验和临床应用几部分。

(2)磷酸钙生物活性材料 这种材料主要包括磷酸钙骨水泥和磷酸钙陶瓷纤维两类.前者是一种广泛用于骨修补和固定关节的新型材料,有望部分取代传统的PMMA 有机骨水泥. 国内研究抗压强度已达60MPa 以上。后者具有一定的机械强度和生物活性,可用于无机骨水泥的补强及制备有机与无机复合型植入材料。

(3)磁性材料 生物磁性陶瓷材料主要为治疗癌症用磁性材料,它属于功能性活性生物材料的一种。把它植入肿瘤病灶内,在外部交变磁场作用下,产生磁滞热效应,导致磁性材料区域内局部温度升高,借以杀死肿瘤细胞,抑制肿瘤的发展。动物实验效果良好。

(4)生物玻璃 生物玻璃主要指微晶玻璃,包括生物活性微晶玻璃和可加工生物活性微晶玻璃两类。目前关于该方向的研究已成为生物材料的主要研究方向之一。

2.1.3 生物降解材料所谓可降解生物材料是指那些在被植入人体以后,能够不断的发生分解,分解产物能够被生物体所吸收或排出体外的一类材料,主要包括β-TCP 生物降解陶瓷和生物陶瓷药物载体两类,前者主要用于修复良性骨肿瘤或瘤样病变手术刮除后所致缺损,而后者主要用作微药库型载体,可根据要求制成一定形状和大小的中空结构,用于各种骨科疾病。

2.1.4 生物复合材料生物复合材料又称为生物医用复合材料,它是由两种或两种以上不同材料复合而成的生物医学材料,并且与其所有单体的性能相比,复合材料的性能都有较大程度的提高的材料。制备该类材料的目的就是进一步提高或改善某一种生物材料的性能。该类材料主要用于修复或替换 人体组织、器官或增进其功能以及人工器官的制造,它除应具有预期的物理化学性质之外,还必须满足生物相容性的要求,这里不仅要求组分材料自身必须满足生物相容性要求,而且复合之后不允许出现有损材料生物学性能的性质。按基材分生物复合材料可分为高分子基、金属基和陶瓷基三类,它们既可以作为生物复合材料的基材,又可作为增强体或填料,它们之间的相互搭配或组合形成了大量性质各异的生物医学复合材料,利用生物技术,一些活体组织、细胞和诱导组织再生的生长因子被引入了生物医学材料,大大改善了其生物学性能,并可使其具有药物治疗功能,已成为生物医学材料的一个十分重要的发展方向,根据材料植入体内后引起的组织反应类型和水平,它又可分为近于生物惰性的、生物活性的、可生物降解和吸收等几种类型。人和动物中绝大多数组织均可视为复合材料,生物医学复合材料的发展为获得真正仿生的生物材料开辟了广阔的途径。

2.2 以材料的属性为分类标准

2.2.1 生物医用金属材料生物医用金属材料是用作生物医学材料的金属或合金,又称外科用金属材料或医用金属材料,是一类惰性材料,这类材料具有高的机械强度和抗疲劳性能,是临床应用最广泛的承力植入材料。该类材料的应用非常广泛,及硬组织、软组织、人工器官和外科辅助器材等各个方面,除了要求它具有良好的力学性能及相关的物理性质外,优良的抗生理腐蚀性和生物相容性也是其必须具备的条件。医用金属材料应用中的主要问题是由于生理环境的腐蚀而造成的金属离子向周围组织扩散及植入材料自身性质的退变,前者可能导致毒副作用,后者常常导致植入的失败。已经用于临床的医用金属材料主要有不锈钢、钴基合金和钛基合金等三大类。此外,还有形状记忆合金、贵金属以及纯金属钽、铌、锆等。

2.2.2 生物医用高分子材料 医用高分子材料是生物医学材料中发展最早、应用最广泛、用量最大的材料,也是一个正在迅速发展的领域。它有天然产物和人工合成两个来源,该材料除应满足一般的物理、化学性能要求外,还必须具有足够好的生物相容性。按性质医用高分子材料可分为非降解型和可生物降解型两类。对于前者,要求其在生物环境中能长期保持稳定,不发生降解、交联或物理磨损等,并具有良好的物理机械性能。并不要求它绝对稳定,但是要求其本身和少量的降解产物不对机体产生明显的毒副作用,同时材料不致发生灾难性破坏。该类材料主要用于人体软、硬组织修复体、人工器官、人造血管、接触镜、膜材、粘接剂和管腔制品等方面。这类材料主要包括聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸酯、芳香聚酯、聚硅氧烷、聚甲醛等. 而可降解型高分子主要包括胶原、线性脂肪族聚酯、甲壳素、纤维素、聚氨基酸、聚乙烯醇、聚己丙酯等。它们可在生物环境作用下发生结构破坏和性能蜕变,其降解产物能通过正常的新陈代谢或被机体吸收利用或被排出体外,主要用于药物释放和送达载体及非永久性植入装置.按使用的目的或用途,医用高分子材料还可分为心血管系统、软组织及硬组 织等修复材料。用于心血管系统的医用高分子材料应当着重要求其抗凝血性好,不破坏红细胞、血小板,不改变血液中的蛋白并不干扰电解质等。

2.2.3 生物医用无机非金属材料或称为生物陶瓷。生物医用非金属材料,又称生物陶瓷。包括陶瓷、玻璃、碳素等无机非金属材料。此类材料化学性能稳定,具有良好的生物相容性。一般来说,生物陶瓷主要包括惰性生物陶瓷、活性生物陶瓷和功能活性生物陶瓷三类。其中惰性生物陶瓷和活性生物陶瓷在前面已经简要作了介绍,而功能活性生物陶瓷是近年来提出的一个新概念.随着生物陶瓷材料研究的深入和越来越多医学问题的出现,对生物陶瓷材料的要求也越来越高。原先的生物陶瓷材料无论是生物惰性的还是生物活性的,强调的是材料在生物体内的组织力学环境和生化环境的适应性,而现在组织电学适应性和能参与生物体物质、能量交换的功能已成为生物材料应具备的条件。因此,又提出了功能活性生物材料的概念。它主要包括以下两类:(1)模拟性生物陶瓷材料 该类材料是将天然有机物(如骨胶原、纤维蛋白以及骨形成因子等)和无机生物材料复合,来模拟人体硬组织成分和结构,以改善材料的力学性能和手术的可操作性,并能发挥天然有机物的促进人体硬组织生长的特性。(2)带有治疗功能的生物陶瓷复合材料 该类材料是利用骨的压电效应能刺激骨折愈合的特点,使压电陶瓷与生物活性陶瓷复合,在进行骨置换的同时,利用生物体自身运动对置换体产生的压电效应来刺激骨损伤部位的早期硬组织生长。具体来说是由于肿瘤中血管供氧不足,当局部被加热到43~45℃时,癌细胞很容易被杀死。现在最常用的是将铁氧体与生物活性陶瓷复合,填充在因骨肿瘤而产生的骨缺损部位,利用外加交变磁场,充填物因磁滞损耗而产生局部发热,杀死癌细胞,又不影响周围正常组织。现在,功能活性生物陶瓷的研究还处于探索阶段,临床应用鲜有报道,但其发展应用前景是很光明的。各种不同种类的生物陶瓷的物理、化学和生物性能差别很大,在医学领域用途也不同.尤其是功能活性陶瓷更有不可估量的发展前途.临床应用中,生物陶瓷存在的主要问题是强度和韧性较差.氧化铝、氧化锆陶瓷耐压、耐磨和化学稳定性比金属、有机材料都好,但其脆性的问题也没有得到解决。生物活性陶瓷的强度则很难满足人体承力较大部位的需要。

2.2.4 生物医用复合材料此类材料在2.1.4 中已有介绍,此处不再详述

2.2.5 生物衍生材料生物衍生材料是由经过特殊处理的天然生物组织形成的生物医用材

料,也称为生物再生材料.生物组织可取自同种或异种动物体的组织. 特殊处理包括维持组织原有构型而进行的固定、灭菌和消除抗原性的轻微处理,以及拆散原有构型、重建新的物理形态的强烈处理.由于经过处理的生物组织已失去生命力,生物衍生材料是无生命力的材料. 但是,由于生物衍生材料或是具有类似于自然组织的构型和功能,或是其组成类似于自然组织,在维持人体动态过程的修复和替换中具有重要作用.主要用于人工心瓣膜、血管修复体、皮肤掩膜、纤维蛋白制品、骨修复体、巩膜修复体、鼻种植体、血液唧筒、血浆增强剂和血液透析膜等.

3. 生物材料的性能评价 目前关于生物材料性能评价的研究主要集中在生物相容性方面.因为生物相容性是生物材料研究中始终贯穿的主题.它是指生命体组织对生物材料产生反应的一种性能,该材料既能是非活性的又能是活性的.一般是指材料与宿主之间的相容性,包括组织相容性和血液相容性.现在普遍认为,生物相容性包括两大原则,一是生物安全性原则,二是生物功能性原则.生物安全性是植入体内的生物材料要满足的首要性能,是材料与宿主之间能否结合完好的关键.关于生物材料生物学评价标准的研究始于20 世纪70 年代,目前形成了从细胞水平到整体动物的较完整的评价框架.国际标准化组织(ISO)以 10993编号了17个相关标准,同时对生物学评价方法也进行了标准化.迫于现代社会动物保护和减少动物试验的压力,国际上各国专家对体外评价方法进行了大量的研究,同时利用现代分子生物学手段来评价生物材料的安全性、使评价方法从整体动物和细胞水平深入到分子水平.主要在体外细胞毒性试验、遗传性和致癌性试验以及血液相容性评价方法等方面进行了一些研究.但具体评价方法和指标都未统一,更没有标准化.随着对生物材料生物相容性的深入研究,人们发现评价生物材料对生物功能的影响也很重要.关于这一方面的研究主要是体外法。具体来说侧重于对细胞功能的影响和分子生物学评价方面的一些研究。总之,关于生物功能性的原则是提出不久的一个新的生物材料的评价方面,它必将随着研究的不断深入而向前发展.而涉及材料的化学稳定性、疲劳性能、摩擦、磨损性能的生物材料在人体内长期埋植的稳定性是需要开展评价研究的一个重要方面。

4 生物材料的发展趋势展望 生物材料科学是20 世纪新兴学科中最耀眼的新星之一。现在,生物材料科学已成为一门与人类现代医疗保健系统密切相关的边缘学科。其重要性不仅因为它与人类自身密切相关,还因为它跨越了材料、医学、物理、生物化学和现代高科技等诸多学科领域。现在对于该材料的研究已从被动地适应生物环境发展到有目的地设计材料,以达到 与生物组织的有机连接。并随着生命科学和材料科学的发展,生物材料必将走向功能性半生命方向。生物材料的临床应用已从短期的替换和填充发展成永久性牢固种植,并与其它高科技(如电子技术、信息处理技术)相结合,制备富有应用潜力的医疗器械。生物材料的研究在世界各国也日益受到重视.四年一次的世界生物材料大会代表着国际上生物材料研究的发展动态和目前的水平。分析认为,以下几个方面是生物材料今后研究发展的几个主要方向:

(1)发展具有主动诱导、激发人体组织和器官再生修复功能的,能参与人体能量和物质交换产生相互结合的功能性活性生物材料,将成为生物材料研究的主要方向之一。

(2)把生物陶瓷与高分子聚合物或生物玻璃进行二元或多元复合,来制备接近人体骨真实情况的骨修复或替代材料将成为研究的重要方向之一。

(3)制备接近天然人骨形态的、纳微米相结合的、用于承重的、多孔型生物复合材料将成为方向之一。

(4)用于延长药效时间、提高药物效率和稳定性、减少用量及对机体的毒副作用的药物传递材料将成为研究热点之一。

(5)血液相容性人工脏器材料的研究也是突破方向之一。

(6)如何能够制备出纳米尺寸的生物材料的工艺以及纳米生物材料本身将成为研究热点之一。

第3篇:高分子材料在医学中的应用范文

关键词:纳米材料生物医学应用

1应用于生物医学中的纳米材料的主要类型及其特性

1.1纳米碳材料

纳米碳材料主要包括碳纳米管、气相生长碳纤维也称为纳米碳纤维、类金刚石碳等。

碳纳米管有独特的孔状结构[1],利用这一结构特性,将药物储存在碳纳米管中并通过一定的机制激发药物的释放,使可控药物变为现实。此外,碳纳米管还可用于复合材料的增强剂、电子探针(如观察蛋白质结构的AFM探针等)或显示针尖和场发射。纳米碳纤维通常是以过渡金属Fe、Co、Ni及其合金为催化剂,以低碳烃类化合物为碳源,氢气为载体,在873K~1473K的温度下生成,具有超常特性和良好的生物相溶性,在医学领域中有广泛的应用前景。类金刚石碳(简称DLC)是一种具有大量金刚石结构C—C键的碳氢聚合物,可以通过等离子体或离子束技术沉积在物体的表面形成纳米结构的薄膜,具有优秀的生物相溶性,尤其是血液相溶性。资料报道,与其他材料相比,类金刚石碳表面对纤维蛋白原的吸附程度降低,对白蛋白的吸附增强,血管内膜增生减少,因而类金刚石碳薄膜在心血管临床医学方面有重要的应用价值。

1.2纳米高分子材料

纳米高分子材料,也称高分子纳米微粒或高分子超微粒,粒径尺度在1nm~1000nm范围。这种粒子具有胶体性、稳定性和优异的吸附性能,可用于药物、基因传递和药物控释载体,以及免疫分析、介入性诊疗等方面。

1.3纳米复合材料

目前,研究和开发无机—无机、有机—无机、有机—有机及生物活性—非生物活性的纳米结构复合材料是获得性能优异的新一代功能复合材料的新途径,并逐步向智能化方向发展,在光、热、磁、力、声[2]等方面具有奇异的特性,因而在组织修复和移植等许多方面具有广阔的应用前景。国外已制备出纳米ZrO2增韧的氧化铝复合材料,用这种材料制成的人工髋骨和膝盖植入物的寿命可达30年之久[3]。研究表明,纳米羟基磷灰石胶原材料也是一种构建组织工程骨较好的支架材料[4]。此外,纳米羟基磷灰石粒子制成纳米抗癌药,还可杀死癌细胞,有效抑制肿瘤生长,而对正常细胞组织丝毫无损,这一研究成果引起国际的关注。北京医科大学等权威机构通过生物学试验证明,这种粒子可杀死人的肺癌、肝癌、食道癌等多种肿瘤细胞。

此外,在临床医学中,具有较高应用价值的还有纳米陶瓷材料,微乳液等等。

2纳米材料在生物医学应用中的前景

2.1用纳米材料进行细胞分离

利用纳米复合体性能稳定,一般不与胶体溶液和生物溶液反应的特性进行细胞分离在医疗临床诊断上有广阔的应用前景。20世纪80年代后,人们便将纳米SiO2包覆粒子均匀分散到含有多种细胞的聚乙烯吡咯烷酮胶体溶液中,使所需要的细胞很快分离出来。目前,生物芯片材料已成功运用于单细胞分离、基因突变分析、基因扩增与免疫分析(如在癌症等临床诊断中作为细胞内部信号的传感器[5])。伦敦的儿科医院、挪威工科大学和美国喷气推进研究所利用纳米磁性粒子成功地进行了人体骨骼液中癌细胞的分离来治疗病患者[6]。美国科学家正在研究用这种技术在肿瘤早期的血液中检查癌细胞,实现癌症的早期诊断和治疗。

2.2用纳米材料进行细胞内部染色

比利时的DeMey博士等人利用乙醚的黄磷饱和溶液、抗坏血酸或柠檬酸钠把金从氯化金酸(HAuCl4)水溶液中还原出来形成金纳米粒子,(粒径的尺寸范围是3nm~40nm),将金纳米粒子与预先精制的抗体或单克隆抗体混合,利用不同抗体对细胞和骨骼内组织的敏感程度和亲和力的差异,选择抗体种类,制成多种金纳米粒子—抗体复合物。借助复合粒子分别与细胞内各种器官和骨骼系统结合而形成的复合物,在白光或单色光照射下呈现某种特征颜色(如10nm的金粒子在光学显微镜下呈红色),从而给各种组织“贴上”了不同颜色的标签,为提高细胞内组织分辨率提供了各种急需的染色技术。

2.3纳米材料在医药方面的应用

2.3.1纳米粒子用作药物载体

一般来说,血液中红血球的大小为6000nm~9000nm,一般细菌的长度为2000nm~3000nm[7],引起人体发病的病毒尺寸为80nm~100nm,而纳米包覆体尺寸约30nm[8],细胞尺寸更大,因而可利用纳米微粒制成特殊药物载体或新型抗体进行局部的定向治疗等。专利和文献资料的统计分析表明,作为药物载体的材料主要有金属纳米颗粒、无机非金属纳米颗粒、生物降解性高分子纳米颗粒和生物活性纳米颗粒。

磁性纳米颗粒作为药物载体,在外磁场的引导下集中于病患部位,进行定位病变治疗,利于提高药效,减少副作用。如采用金纳米颗粒制成金溶液,接上抗原或抗体,就能进行免疫学的间接凝聚实验,用于快速诊断[9]。生物降解性高分子纳米材料作为药物载体还可以植入到人体的某些特定组织部位,如子宫、阴道、口(颊、舌、齿)、上下呼吸道(鼻、肺)、以及眼、耳等[10]。这种给药方式避免了药物直接被消化系统和肝脏分解而代谢掉,并防止药物对全身的作用。如美国麻省理工学院的科学家已研制成以用生物降解性聚乳酸(PLA)制的微芯片为基础,能长时间配选精确剂量药物的药物投送系统,并已被批准用于人体。近年来生物可降解性高分子纳米粒子(NPs)在基因治疗中的DNA载体以及半衰期较短的大分子药物如蛋白质、多肽、基因等活性物质的口服释放载体方面具有广阔的应用前景。药物纳米载体技术将给恶性肿瘤、糖尿病和老年痴呆症的治疗带来变革。

2.3.2纳米抗菌药及创伤敷料

Ag+可使细胞膜上蛋白失去活性从而杀死细菌,添加纳米银粒子制成的医用敷料对诸如黄色葡萄球菌、大肠杆菌、绿浓杆菌等临床常见的40余种外科感染细菌有较好抑制作用。

2.3.3智能—靶向药物

在超临界高压下细胞会“变软”,而纳米生化材料微小易渗透,使医药家能改变细胞基因,因而纳米生化材料最有前景的应用是基因药物的开发。德国柏林医疗中心将铁氧体纳米粒子用葡萄糖分子包裹,在水中溶解后注入肿瘤部位,使癌细胞部位完全被磁场封闭,通电加热时温度达到47℃,慢慢杀死癌细胞。这种方法已在老鼠身上进行的实验中获得了初步成功[11]。美国密歇根大学正在研制一种仅20nm的微型智能炸弹,能够通过识别癌细胞化学特征攻击癌细胞,甚至可钻入单个细胞内将它炸毁。

2.4纳米材料用于介入性诊疗

日本科学家利用纳米材料,开发出一种可测人或动物体内物质的新技术。科研人员使用的是一种纳米级微粒子,它可以同人或动物体内的物质反应产生光,研究人员用深入血管的光导纤维来检测反应所产生的光,经光谱分析就可以了解是何种物质及其特性和状态,初步实验已成功地检测出放进溶液中的神经传达物质乙酰胆碱。利用这一技术可以辨别身体内物质的特性,可以用来检测神经传递信号物质和测量人体内的血糖值及表示身体疲劳程度的乳酸值,并有助于糖尿病的诊断和治疗。

2.5纳米材料在人体组织方面的应用

纳米材料在生物医学领域的应用相当广泛,除上面所述内容外还有如基因治疗、细胞移植、人造皮肤和血管以及实现人工移植动物器官的可能。

目前,首次提出纳米医学的科学家之一詹姆斯贝克和他的同事已研制出一种树形分子的多聚物作为DNA导入细胞的有效载体,在大鼠实验中已取得初步成效,为基因治疗提供了一种更微观的新思路。

纳米生物学的设想,是在纳米尺度上应用生物学原理,发现新现象,研制可编程的分子机器人,也称纳米机器人。纳米机器人是纳米生物学中最具有诱惑力的内容,第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体,这种纳米机器人可注入人体血管内,进行健康检查和疾病治疗(疏通脑血管中的血栓,清除心脏脂肪沉积物,吞噬病菌,杀死癌细胞,监视体内的病变等)[12];还可以用来进行人体器官的修复工作,比如作整容手术、从基因中除去有害的DNA,或把正常的DNA安装在基因中,使机体正常运行或使引起癌症的DNA突变发生逆转从而延长人的寿命。将由硅晶片制成的存储器(ROM)微型设备植入大脑中,与神经通路相连,可用以治疗帕金森氏症或其他神经性疾病。第二代纳米机器人是直接从原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置,可以用其吞噬病毒,杀死癌细胞。第三代纳米机器人将包含有纳米计算机,是一种可以进行人机对话的装置。这种纳米机器人一旦问世将彻底改变人类的劳动和生活方式。

瑞典正在用多层聚合物和黄金制成医用微型机器人,目前实验已进入能让机器人捡起和移动肉眼看不见的玻璃珠的阶段[13]。

纳米材料所展示出的优异性能预示着它在生物医学工程领域,尤其在组织工程支架、人工器官材料、介入性诊疗器械、控制释放药物载体、血液净化、生物大分子分离等众多方面具有广泛的和诱人的应用前景。随着纳米技术在医学领域中的应用,临床医疗将变得节奏更快,效率更高,诊断检查更准确,治疗更有效。

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第4篇:高分子材料在医学中的应用范文

关键词:纳米材料生物医学应用

1应用于生物医学中的纳米材料的主要类型及其特性

1.1纳米碳材料

纳米碳材料主要包括碳纳米管、气相生长碳纤维也称为纳米碳纤维、类金刚石碳等。

碳纳米管有独特的孔状结构[1],利用这一结构特性,将药物储存在碳纳米管中并通过一定的机制激发药物的释放,使可控药物变为现实。此外,碳纳米管还可用于复合材料的增强剂、电子探针(如观察蛋白质结构的AFM探针等)或显示针尖和场发射。纳米碳纤维通常是以过渡金属Fe、Co、Ni及其合金为催化剂,以低碳烃类化合物为碳源,氢气为载体,在873K~1473K的温度下生成,具有超常特性和良好的生物相溶性,在医学领域中有广泛的应用前景。类金刚石碳(简称DLC)是一种具有大量金刚石结构C—C键的碳氢聚合物,可以通过等离子体或离子束技术沉积在物体的表面形成纳米结构的薄膜,具有优秀的生物相溶性,尤其是血液相溶性。资料报道,与其他材料相比,类金刚石碳表面对纤维蛋白原的吸附程度降低,对白蛋白的吸附增强,血管内膜增生减少,因而类金刚石碳薄膜在心血管临床医学方面有重要的应用价值。

1.2纳米高分子材料

纳米高分子材料,也称高分子纳米微粒或高分子超微粒,粒径尺度在1nm~1000nm范围。这种粒子具有胶体性、稳定性和优异的吸附性能,可用于药物、基因传递和药物控释载体,以及免疫分析、介入性诊疗等方面。

1.3纳米复合材料

目前,研究和开发无机—无机、有机—无机、有机—有机及生物活性—非生物活性的纳米结构复合材料是获得性能优异的新一代功能复合材料的新途径,并逐步向智能化方向发展,在光、热、磁、力、声[2]等方面具有奇异的特性,因而在组织修复和移植等许多方面具有广阔的应用前景。国外已制备出纳米ZrO2增韧的氧化铝复合材料,用这种材料制成的人工髋骨和膝盖植入物的寿命可达30年之久[3]。研究表明,纳米羟基磷灰石胶原材料也是一种构建组织工程骨较好的支架材料[4]。此外,纳米羟基磷灰石粒子制成纳米抗癌药,还可杀死癌细胞,有效抑制肿瘤生长,而对正常细胞组织丝毫无损,这一研究成果引起国际的关注。北京医科大学等权威机构通过生物学试验证明,这种粒子可杀死人的肺癌、肝癌、食道癌等多种肿瘤细胞。

此外,在临床医学中,具有较高应用价值的还有纳米陶瓷材料,微乳液等等。

2纳米材料在生物医学应用中的前景

2.1用纳米材料进行细胞分离

利用纳米复合体性能稳定,一般不与胶体溶液和生物溶液反应的特性进行细胞分离在医疗临床诊断上有广阔的应用前景。20世纪80年代后,人们便将纳米SiO2包覆粒子均匀分散到含有多种细胞的聚乙烯吡咯烷酮胶体溶液中,使所需要的细胞很快分离出来。目前,生物芯片材料已成功运用于单细胞分离、基因突变分析、基因扩增与免疫分析(如在癌症等临床诊断中作为细胞内部信号的传感器[5])。伦敦的儿科医院、挪威工科大学和美国喷气推进研究所利用纳米磁性粒子成功地进行了人体骨骼液中癌细胞的分离来治疗病患者[6]。美国科学家正在研究用这种技术在肿瘤早期的血液中检查癌细胞,实现癌症的早期诊断和治疗。

2.2用纳米材料进行细胞内部染色

比利时的DeMey博士等人利用乙醚的黄磷饱和溶液、抗坏血酸或柠檬酸钠把金从氯化金酸(HAuCl4)水溶液中还原出来形成金纳米粒子,(粒径的尺寸范围是3nm~40nm),将金纳米粒子与预先精制的抗体或单克隆抗体混合,利用不同抗体对细胞和骨骼内组织的敏感程度和亲和力的差异,选择抗体种类,制成多种金纳米粒子—抗体复合物。借助复合粒子分别与细胞内各种器官和骨骼系统结合而形成的复合物,在白光或单色光照射下呈现某种特征颜色(如10nm的金粒子在光学显微镜下呈红色),从而给各种组织“贴上”了不同颜色的标签,为提高细胞内组织分辨率提供了各种急需的染色技术。

2.3纳米材料在医药方面的应用

2.3.1纳米粒子用作药物载体

一般来说,血液中红血球的大小为6000nm~9000nm,一般细菌的长度为2000nm~3000nm[7],引起人体发病的病毒尺寸为80nm~100nm,而纳米包覆体尺寸约30nm[8],细胞尺寸更大,因而可利用纳米微粒制成特殊药物载体或新型抗体进行局部的定向治疗等。专利和文献资料的统计分析表明,作为药物载体的材料主要有金属纳米颗粒、无机非金属纳米颗粒、生物降解性高分子纳米颗粒和生物活性纳米颗粒。

磁性纳米颗粒作为药物载体,在外磁场的引导下集中于病患部位,进行定位病变治疗,利于提高药效,减少副作用。如采用金纳米颗粒制成金溶液,接上抗原或抗体,就能进行免疫学的间接凝聚实验,用于快速诊断[9]。生物降解性高分子纳米材料作为药物载体还可以植入到人体的某些特定组织部位,如子宫、阴道、口(颊、舌、齿)、上下呼吸道(鼻、肺)、以及眼、耳等[10]。这种给药方式避免了药物直接被消化系统和肝脏分解而代谢掉,并防止药物对全身的作用。如美国麻省理工学院的科学家已研制成以用生物降解性聚乳酸(PLA)制的微芯片为基础,能长时间配选精确剂量药物的药物投送系统,并已被批准用于人体。近年来生物可降解性高分子纳米粒子(NPs)在基因治疗中的DNA载体以及半衰期较短的大分子药物如蛋白质、多肽、基因等活性物质的口服释放载体方面具有广阔的应用前景。药物纳米载体技术将给恶性肿瘤、糖尿病和老年痴呆症的治疗带来变革。

2.3.2纳米抗菌药及创伤敷料

Ag+可使细胞膜上蛋白失去活性从而杀死细菌,添加纳米银粒子制成的医用敷料对诸如黄色葡萄球菌、大肠杆菌、绿浓杆菌等临床常见的40余种外科感染细菌有较好抑制作用。

2.3.3智能—靶向药物

在超临界高压下细胞会“变软”,而纳米生化材料微小易渗透,使医药家能改变细胞基因,因而纳米生化材料最有前景的应用是基因药物的开发。德国柏林医疗中心将铁氧体纳米粒子用葡萄糖分子包裹,在水中溶解后注入肿瘤部位,使癌细胞部位完全被磁场封闭,通电加热时温度达到47℃,慢慢杀死癌细胞。这种方法已在老鼠身上进行的实验中获得了初步成功[11]。美国密歇根大学正在研制一种仅20nm的微型智能炸弹,能够通过识别癌细胞化学特征攻击癌细胞,甚至可钻入单个细胞内将它炸毁。

2.4纳米材料用于介入性诊疗

日本科学家利用纳米材料,开发出一种可测人或动物体内物质的新技术。科研人员使用的是一种纳米级微粒子,它可以同人或动物体内的物质反应产生光,研究人员用深入血管的光导纤维来检测反应所产生的光,经光谱分析就可以了解是何种物质及其特性和状态,初步实验已成功地检测出放进溶液中的神经传达物质乙酰胆碱。利用这一技术可以辨别身体内物质的特性,可以用来检测神经传递信号物质和测量人体内的血糖值及表示身体疲劳程度的乳酸值,并有助于糖尿病的诊断和治疗。

2.5纳米材料在人体组织方面的应用

纳米材料在生物医学领域的应用相当广泛,除上面所述内容外还有如基因治疗、细胞移植、人造皮肤和血管以及实现人工移植动物器官的可能。

目前,首次提出纳米医学的科学家之一詹姆斯贝克和他的同事已研制出一种树形分子的多聚物作为DNA导入细胞的有效载体,在大鼠实验中已取得初步成效,为基因治疗提供了一种更微观的新思路。

纳米生物学的设想,是在纳米尺度上应用生物学原理,发现新现象,研制可编程的分子机器人,也称纳米机器人。纳米机器人是纳米生物学中最具有诱惑力的内容,第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体,这种纳米机器人可注入人体血管内,进行健康检查和疾病治疗(疏通脑血管中的血栓,清除心脏脂肪沉积物,吞噬病菌,杀死癌细胞,监视体内的病变等)[12];还可以用来进行人体器官的修复工作,比如作整容手术、从基因中除去有害的DNA,或把正常的DNA安装在基因中,使机体正常运行或使引起癌症的DNA突变发生逆转从而延长人的寿命。将由硅晶片制成的存储器(ROM)微型设备植入大脑中,与神经通路相连,可用以治疗帕金森氏症或其他神经性疾病。第二代纳米机器人是直接从原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置,可以用其吞噬病毒,杀死癌细胞。第三代纳米机器人将包含有纳米计算机,是一种可以进行人机对话的装置。这种纳米机器人一旦问世将彻底改变人类的劳动和生活方式。

第5篇:高分子材料在医学中的应用范文

关键词:理工科院校 生物医用材料学 课程教学 临床病理性检查 医疗器械组件材质

中图分类号:G64 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2015)09(b)-0143-02

Thinking and Exploration on the Course Teaching of Biomedical Materials Science in Science and Engineering Colleges

Wang Fuping Chen Zhongmin

(College of Pharmacy and Bioengineering,Chongqing University of Technology,Chongqing,400054,China)

Abstract:Biomedical engineering is set up in science and engineering college relying on their various advantages,medical instrument is the profession feature.The main part of courses is electronic science and technology, biology and medical courses are few and neglected by most of the undergraduates.Therefore,in order to promote students learning interest,and improve the quality of this course,enhance the students’comprehensive quality, put forward a teaching method, which involve adding a few of clinical pathological examination and studying the materials of medical equipment with the knowledge of the biomedical materials.This teaching method left a deep influence on the students.

Key Words:Science and engineering college;Biomedical materials; Course teaching; Clinical patholog; Materials of medical equipment

目前,国内大约有六、七十所大学设立生物医学工程专业,其中大多数是综合或理工科大学,医学院校仅十几所,各个高校依托各自的各种办学优势,以创办出有自己鲜明特色的生物医学工程专业[1]。作为理工科高校,医疗器械成为了生物医学工程专业的主要方向,主干课程包括电路及模拟电子技术、数字电子技术、医用电力电子技术、单片机原理及应用、医学图象处理、医学信号处理、生物医学传感器,基础医学、生物医学化学、生物医用材料等,该专业学生较明显投入大量的时间和精力于电路、信号、软件等课程,但在《生物医用材料学》课程学习中表现出明显不重视,更有甚者认为该课程与医疗器械方向相差甚远,导致该课程教学中,学生兴趣不高,学习效果差,为了改变此现状,与同组老师进行了相关教学经验探讨,查阅其他老师教学经验总结[2-3],均是需要从教学内容、教学策略等方面着手,提出了紧跟学科发展前沿,优化课程教学内容、改善教学策略及方法、加强实验教学、加强自主学习能力等等。这些前人总结对本课程教学过程教学起到了重要的指导意义,在此基础上,通过对该课程教学实际情况思考,提出从教学内容上,采取增加少量临床病理知识和用生物医用材料学的知识解剖医疗器械组件材质两种模式,这也符合了生物医用材料交叉学科的特点,交叉学习[4]。并通过两年时间,确有提高该课程教学质量。

1 增加少量临床病理知识

医疗器械是指直接或者间接用于人体的仪器、设备、器具、体外诊断试剂及校准物、材料以及其他类似或者相关的物品,包括所需要的计算机软件。效用主要通过物理等方式获得,不是通过药理学、免疫学或者代谢的方式获得,或者虽然有这些方式参与但是只起辅助作用。目的是疾病的诊断、预防、监护、治疗或者缓解;损伤的诊断、监护、治疗、缓解或者功能补偿;生理结构或者生理过程的检验、替代、调节或者支持;生命的支持或者维持;妊娠控制;通过对来自人体的样本进行检查,为医疗或者诊断目的提供信息。而在此过程中,涉及大量的医用耗材,均属于生物医用材料的范畴,同时涉及大量的临床病例知识,而理工院校同时具备生物,医学,材料,医疗器械类知识的人才匮乏,相应课程设置较少,学生医学方面知识薄弱,在讲解相关知识时需要补充少量的临床病例知识。

如:慢性肾衰竭是指各种肾脏病导致肾脏功能渐进性不可逆性减退,直至功能丧失所出现的一系列症状和代谢紊乱所组成的临床综合征,即尿毒症。尿毒症以代谢性酸中毒和水、电解质平衡紊乱,蛋白质、糖类、脂肪和维生素的代谢紊乱等,血液检查以尿素氮,肌酐为主,尿素氮与二乙酰反应,缩合生成红色的二嗪衍生物,肌酐与苦味酸反应生成红色复合物,二者通过光电二极管在特定波长下检查其吸光度值,即可得到相应的含量。

血管疾病主要指动脉粥样硬化、炎症性血管疾病、功能性血管疾病、血管的真性肿瘤性疾病等。其中以动脉粥样硬化最为常见。动脉粥样硬化是一组动脉硬化的血管病中常见的最重要的一种,其特点是受累动脉病变从内膜开始。一般先有脂质和复合糖类积聚、出血及血栓形成,纤维组织增生及钙质沉着,并有动脉中层的逐渐蜕变和钙化,病变常累及弹性及大中等肌性动脉,一旦发展到足以阻塞动脉腔,则该动脉所供应的组织或器官将缺血或坏死。在正常情况下,血管跟周围软组织密度相近,导致CT等不能清晰检查,因此,可以通过显影剂在X光下所显示的影像来诊断血管病变。随着介入放射学的发展,血管造影已经成为临床的一种重要的诊断方法,尤其在介入治疗中起着不可替代的作用。血管造影在头颈部及中枢神经系统疾病、心脏大血管疾病、及肿瘤和外周血管疾病的诊断和治疗中都发挥着重要作用。常用的造影剂有碘普罗胺注射液和含碘类造影剂,其中含碘类造影剂注入体内都有可能产生过敏反应,症状严重程度不一,重症可致命。

原发性肝癌,是我国常见恶性肿瘤之一。死亡率高,在恶性肿瘤中排列第三位。原发性肝癌的病因和发病机制尚未确定。目前认为与肝硬化、病毒性肝炎以及黄曲霉素等化学致癌物质和环境因素有关。甲胎蛋白是诊断原发性肝癌的特异性肿瘤标志物,具有确立诊断、早期诊断、鉴别诊断的作用。目前常用化学发光法、酶标法、酶标电泳法、放射免疫法检测。

通过临床病理知识的学习,可以明确相关检测仪器的检测目标,检测方法,检测原理,其中涉及的相关试剂既属于检测试剂范畴,同时又是医疗器械必不可少的部分,可以使学生在在学习生物材料的同时,与自己学的医疗器械相关知识重组,从而提高本课程的学习质量。

2 用生物医用材料学的知识解剖医疗器械组件材质

除了用来检查,还有很多医疗器械属于治疗类的,如心脏起搏器,人工心脏,人工耳蜗,血液透析机等,其部分材质必须达到生物医用材料的要求,因此可以通过用生物医用材料的知识分析(见图1)。

如:心脏起搏器可以有效治疗严重的心跳慢、心脏收缩无力、心跳骤停等心脏疾病,人工心脏起搏系统主要包括两部分:脉冲发生器和电极导线。常将脉冲发生器单独称为起搏器。起搏系统除了上述起搏功能外,尚具有将心脏自身心电活动回传至脉冲发生器的感知功能。起搏器主要由电源(亦即电池,现在主要使用锂-碘电池)和电子线路过程,能产生和输出电脉冲。电极导线是外有绝缘层包裹的导电金属线,其功能是将起搏器的电脉冲传递到心脏,并将心脏的腔内心电图传输到起搏器的感知线路。导管电极需要长期起搏,因此需用生物相容性好、韧性好、抗老化、耐腐蚀的材料制成,电极导线通常采用爱尔近合金(Elgiloy)或用镍铬钴钼合金丝绕成螺旋管,导线的外层绝缘材料都选用高纯硅橡胶或医用聚氨酯,电极头的材料以表面活化各向同性低温热解碳或铂为优。

胶囊内镜全称为“智能胶囊消化道内镜系统”,又称“医用无线内镜”。原理是受检者通过口服内置摄像与信号传输装置的智能胶囊,借助消化道蠕动使之在消化道内运动并拍摄图像,医生利用体外的图像记录仪和影像工作站,了解受检者的整个消化道情况,从而对其病情做出诊断。典型的胶囊内镜由七部分组成,透明外壳、光源、成像元件、传感器、电池、发射模块和天线组成。其外壳材料会与人体消化道粘膜接触,并进入胃肠,胶襄外壳采用耐腐蚀医用高分子材料,对人体无毒、无刺激性,能够安全排出外。

血液透析机是治疗尿毒症的一个重要仪器,血液透析是将血液抽出体外,经过血液透析机的渗透膜,清除血液中的新陈代谢废物和杂质后,再将已净化的血液输送回体内。首先输血管道必须符合生物医用材料的安全性要求,另外血液透析膜的材质及特性直接决定了血液透析机的治疗效果,要求膜材料具有扩散对流特性、血液相容性、黏附特性、稳定的物理特性等,膜孔径在1μm以下的有机高聚物的均质膜,是一类不带电荷的多孔膜,目前主要用于透析机的纤维素渗析膜常用的制备材料有铜氨法再生纤维素、醋酸纤维素、聚丙烯晴、乙烯-乙烯醇共聚物以及聚甲基丙烯酸甲酯、聚砜、聚丙烯酰胺等,以及现在膜设计的非对称结构的原理。

这种通过分析医疗器械原理,各部分材质,生物医用材料的要求,材料特性,以及相关生物医用材料的学习,既有利于学生掌握相关生物医用材料的特性,生物学功能,以及应用领域,又可以将知识与医疗器械相结合,构建学生相关知识,进而提高本课程教学质量。

3 结语

针对理工院校生物医学工程专业侧重医疗器械方向,学生易忽视生物、医学知识的现实情况,通过在生物医用材料学课程教学内容中,增加少量临床病理知识和用生物医用材料学的知识解剖医疗器械组件材质,以助于学生掌握生物医用材料相关知识,并与其所学医疗器械相关知识进行知识重构,将交叉型的生物医用材料知识交叉性的学习,交叉性的应用,以此提高学生对本课程的兴趣,及该课程教学质量,增强该专业学生的综合素质。

参考文献

[1] 刘元东.生物材料学教学实践与心得[J].科学・自然,2012(8):173.

[2] 王建方,邢欣,吴文健,等.生物材料学课程的设置与改革思考[J].高等教育研究学报,2011,34(1):95-97.

第6篇:高分子材料在医学中的应用范文

【关键词】新材料;市场前景

一、电子光电材料

信息领域的发展使人们需要处理的不仅是数据、文字、声音和图像,而是活动图像和高清晰的图像。在海量数据信息存储中,信息的存入和取出速率要求越来越高,半导体内存储器的数据存取时间从微秒降到纳秒级,而外部存储器的数据存取时间从毫秒级降到微秒级,要求存储介质的记录和擦除的时间响应要快。存储过程的物质变化主要依靠原子、离子和分子的自旋变迁、电子跃迁、光子感应,以及原子、离子和分子在它们最邻近位置的移动,要求在新存储材料研究上有新的突破。21世纪是“太元时代”,即电信时代,通信产业将从电子邮件、因特网等计算机通讯手段向智能通信网络发展,新的网络核心――光子、光网络的传播因子将直接是波长而不是分组,载有信息的光子直接进入网络。目前,集成电路技术可以把整个计算机系统架构在硅晶片上,经过光纤放大器(EDFA)和波分复用(WDM)等现代光纤通信技术,可以将整个计算机系统架构在石英光纤上,而主要原料则是砂子。微电子是技术导向性产业,通过缩小器件的特征尺寸,提高芯片的集成度、增加硅片面积来提高集成电路的性能和性价比。在微电子技术的发展过程中,材料科学技术起到决定性和作用,因为集成电路是制造在各相关体或薄膜材料上的,制造过程中也会涉及系列的材料问题。微电子技术将进入亚0.1um时代,在这样的器件尺度下,技术和物理的限制将会出现,对材料科学技术的发展提出了新要求。集成电路材料分为功能性材料、结构材料、工艺材料和辅助材料,还可能引入新的材料。显示技术从阴级射线管开始,已经发展到了可便携式和大屏幕的显示技术,航天技术的发展要求显示材料能克服策略加速的震动能力,并适应不同的温差和湿差等。目前显示技术主要有两种:发光显示与不发光显示。发光显示屏都涂有发光涂料,不发光的材料主要是液晶。低维结构材料指除三维体材料外的二维、一维和零维材料。一维量子材料指载流子仅在一个方向可以自由运动,而另两个方向则受约束。零维量子材料指载流子在三个方向受约束。集成电路芯片功能的实现要依靠引出信号,即依靠封装材料组成器件,封装是集成电路支撑、保护的必要条件,是其功能实现的组成部分,能够实现电源供给、信号互联、机械支撑、散热和环境保护功能。微电子封装涉及了除芯片外的所有半导体元器件领域。

二、生物医学材料

用生物材料制成人工器官取代受损器官是当前医学发展的趋势,过去的材料是人工合成材料,可能造成一系列的副作用,如生物不相容性和血不相容性,同时还会带来异体界面发生的炎性反应、位移和破裂,器官移植供体不足和排异药物的副作用也没有彻底解决。利用新生物医学材料可在体外用聚合物构建一个支架体内,使活细胞与支架进行结合,构成具有生物活性的人体组织器官。这些生物功能材料可以是永久性的,也可以是生物降解的,可以是天然合成材料也可以是杂化材料,但结合材料对细胞的反应情况,使其能实现活细胞在体内或体外相容。生物医学材料不是被“惰性”植入体,而是要引导细胞、组织及器官的修复和再生功能,主要的发展目标是:新型可降解材料;利用物理、化学和生物方法来改选原有材料。另一个与生物医学材料相关的是材料仿生的研究,包括模仿天然生物材料结构特征的结构仿生和模仿生物体中形成材料的过程仿生。目前,细胞工程、基因工程和微生物学向材料科学的渗透,使生物科学原理在材料科学领域得到了广泛应用。

三、复合材料与高分子材料

若想实现一种材料满足各种高水平的综合指标,从单一材料出发是非常困难的,复合材料是将金属、无机非金属、高分子材料组合起来的一种多相材料,其设计自由度很大,可以在组成成分选择、占比来满足设计要求,即复合材料效应。目前,复合材料与金属材料、高分子材料和无机非金属材料并列为四大材料。如在新能源方面,碳纤维和玻璃纤维已经应用于风力发电机的叶片、太阳能电池的轻质高强度支架、核电和潮汐发电的离心机转子等。复合材料使用寿命长也可以节约资源,如高强纤维增强混凝土可以扼制开裂,从而防止钢筋生锈;同时在设计高性能碳纤维或芳酰胺纤维增强聚合物代替钢筋克服了原来存在的问题。在基础建设的修复中,复合材料好是最经济的方法。特殊功能的高分子材料的质量取决于材料的选择和成型技术,高分子材料成型加工是一门交叉科学,主要研究材料特性,确定最佳的加工条件,制造最佳性能的产品。目前的主要研究方向是:研究在加工工程中材料结构的演变,通过反应性加工实现预期的材料结构,与辐照、力化学、电磁振荡等物理技术结合确定最佳加工方法等。合成纤维已经占居了纤维的主要市场,目前研究的方向是:开展高性能纤维和功能纤维,如PBO纤维、分离功能纤维、有机光导纤维等的研制。

四、其它新材料

电池将在解决经济增长、能源和环境难题中直到重要的作用,而材料是电流的基础。燃料电池和各种高能电池将在人类社会发展中起到重要的作用。目前发展方向是小型电池、长寿命电池和燃料电池,通过电池材料可以提高电池性能。薄膜是一种用途很广的材料,主要用于维护材料或零部件的结构完整性,如耐磨损、耐腐蚀性和耐高温性等,通常被称为是防护膜。另一个薄膜则要求应用其电、磁、声、光等功能,通常被称为是功能膜。生物材料上使用的薄膜通常被称为是生物医学膜,还有装饰膜和包装膜等。薄膜技术的发展主要包括薄膜材料开发、薄膜沉积工艺、薄膜材料结构与性能研究、薄膜应用技术等。薄膜技术发展的主要特点是:器件的微型化使薄膜的尺度不断减少。宏观状态的物质有三维空间,当物质在某个方向的度量尺寸是微观尺度,而其宏观而其它方向是宏观尺寸时,则会呈现二维性,其性能也会发生重大变化,这涉及物理和材料两个学科领域,可见,一维材料膜和二维材料膜构成了低维材料家族。功能陶瓷包括铁电、压电、介电、热释电、半导、导电、超导和磁性等功能各异的陶瓷材料,是电子信息、集成电路、移动通讯、计算机、自动控制、精密仪器、航空航天、汽车和能源等高技术领域的重要基础材料。信息功能陶瓷是新型无机非金属材料,用于表面组装技术,压电驱动器、超声马达,复相与复相功能陶瓷,软化学与功能陶瓷薄膜,半导体陶瓷与传感器,电子封装陶瓷基片等领域。水泥材料主要研究水泥熟料矿物的结构与特征,水泥生产过程的技术进步、水泥的水化与硬化、水泥硬化体的与工程性质等,水泥浆与集料的界面结构和混凝土的耐久性,以及低钙复合水泥的技术开发路线等。

参考文献:

[1]Fine,M,E.(1990) The First Thirty Years in Tech. The Farly Years: a History of the Technological Institute at North Weatern University form 1939 to 1969(privately published by North Weatern University) P.121.

[2]国外优秀科技著作出版基金专项基金.走进材料科学[M].科学出版社,2001.

[3]潘金生,仝建民,田民波.材料科学基础[M].清华大学出版社,2001.

第7篇:高分子材料在医学中的应用范文

【关键词】医学;职业技术教育;生物医学工程

【中图分类号】R318.0-4 【文献标识码】B【文章编号】1004-4949(2014)02-0316-02

基金项目:重庆市教委人文社科基金资助项目(10SKS02)

随着近20年来世界范围内高新技术的迅猛发展,职业教育在形式和数量上都有了突飞猛进的增长。基于此,联合国教科文组织(UNESCO)推出最新版本“国际教育标准分类”ISCED1997,虽然将高等职业教育仍定位于ISCED5为“第三级教育第一阶段”,但是作为“不直接通向高等研究资格证书”(not leading directly to an advanced research qualification)获得的教育层次,它将初版中分属两个不同层次的大学专科(原ISCED5)和本科(原ISCED6)以及“所有博士学位以外的研究课程”(原ISCED7中的博士前课程部分)纳入了同一层次之中,从此突破了高等职业教育(尤其是在中国)仅仅局限于专科层次的教育瓶颈,为各类职业教育建立本科乃至硕士层次的教育提供了可能[1]。与普通本科教育并行的“立交桥式”发展之路由此拉开序幕。目前我国由于临床医学、中医学、口腔医学、药学等专业要求学生掌握一定的科学技术知识以达到“能进入一个高精技术要求的专门职业”。医学本科院校在医学主干专业的人才培养定位与水平上均高于医学类高职高专院校。本文将以生物医学工程学的国内外现状为例,来探索职业教育互补于普通医学本科教育的发展之路。

1生物医学工程国内外发展现状

生物医学工程学是理、工、医相结合的边缘学科,是多种工程学科向生物医学领域渗透的产物。它是运用现代自然科学和工程技术的原理与方法,从工程学的角度,在不同层次上研究人体的结构、功能及其相互关系,揭示其生命现象,为防病治病、促进健康提供新技术手段的一门综合性的高技术学科。

1.1 80年代起生物医学工程学步入新起点 50年代是生物医学工程学发展的初期,工程技术与生物医学间的交差、渗透是从临床医学开始的,其中尤以人工器官的出现,可视为现代医学的一个重大特征。在经历了60年代的早期发展和70年代以医学影像技术为代表,所标志的生物医学工程学取得突破性进展的基础上,80年代起,生物医学工程学除继续向临床领域横向扩展外,开始在向纵深方向发展方面出现新的转折。如医学影像技术中的MRI、DSA、ECT、彩色多普勒超声诊断装置、图像文档与通讯系统等;出现了全实验室自动化系统、体外碎石机和除颤器等治疗装置以及微波、射频、激光、超声等各种治疗技术。

1.2 90年代与更多的学科交叉、融合 组织工程:是生物医学工程、细胞生物学、分子生物学、生物材料、生物技术、生物化学、生物力学,以及临床医学等学科间的不断交叉、渗透与融合,而形成的新的前沿科学。所涉及的组织有软骨、皮肤、胰腺、肝脏、肾脏、膀胱、输尿管、骨髓、神经、骨骼肌、肌键、心瓣膜、血管、肠、等,其中皮肤已有初步产品进入临床应用。我国自90年代初开始了有关的基础研究工作,并列入了国家重点基础研究发展规划(973),成为国家的重点支持项目。生物芯片:在实施人类基因组计划的推动下,DNA微探针阵列的基因芯片是最重要的生物芯片之一。它可以在同一时间内分析大量的基因,实现生物基因信息的大规模检测。微米/纳米技术:是指量度范围分别在0.1?100微米(?m)和0.1?100纳米(nm)内的物质或结构的制造技术。其最终目标是,人们将按自己的意志直接操纵单个原子、分子或原子团(小于10nm)、分子团,制造具有特定功能的产品,包括纳米材料学、纳米电子学、纳米机械学、纳米生物学、纳米显微学等等新的高技术群。我国在大尺寸纳米氧化物材料制备方面,已成功地研制出致密度高、形态复杂、性能优越的纳米陶瓷,从而进入了国际领先行列。日本研制出的“万能医用微型机器人”,可在不损害任何人体器官的情况下,沿着血管或胃肠道行进到发病部位进行检查,医生可指令机器人取组织样品、直接释放药物、清除血栓、切断或接通神经和进行细胞操作等精细手术。家庭保健工程(Home Health Care, HHC):美国、日本和欧洲等均已将HHC作为重要内容列人21世纪的生物医学发展战略,成为优先资助的领域之一。即将家庭保健管理系统、疾病早期预报、家庭治疗和康复仪器、家庭急救支援系统等技术和产品作为重点开发项目。我国开展HHC的研究与开发以家用治疗产品为最多。通过采用电话传输监护网的方式进行心脏监测和急救,已在我国北京、上海、天津、南京、广州等大城市相继开展起来。

1.3 生物医学工程学传统领域的发展 生物材料:自50年代出现合成高分子材料以来,生物材料取得了很大发展;如今,合成高分子材料,天然高分子材料,医用金属材料,无机生物医学材料,以及由活体材料和非活体材料构成的杂化生物材料,几乎在临床医学各个领域得到广泛的应用,并最终导致了标志着本世纪现代医学重大特征之一的人工器官的出现;在此基础上,90年代生物材料又在向着复合/杂化型、功能型和智能型的方向发展。医学影像技术:在生物医学工程学中,像X射线、超声波、磁共振、放射性核素、红外线等物理源的医学影像技术,对医学的发展起了很大的推动作用,数字化、网络化、综合化已成为目前医学影像技术的总体发展方向。生物医学工程学所涉学科尚有生物力学、医学电子学、人工器官等等。

2国内生物医学工程专业建设情况

生物医学工程专业属工科专业,具有很强的多学科交叉性和前沿性,强调数理科学、电子信息和计算机技术等理工科知识与生物医学知识的有机结合。本专业课程设置除数理化及工程基础课外,主要专业课程有:电路、信号与系统,模拟与数字电子技术,数字信号处理,生物医学传感器与检测技术,微机原理与应用,单片机在医学中的应用,生命系统分析与仿真,生物医学信号处理,生物医学仪器,医学成像技术,医学图像处理,医学超声波,工程生理学,人体解剖学,组织胚胎学,自动控制,计算机与信息系列课程等,并开设多个专业课程设计,做到教学与实验设计并重。目前国内开设生物医学工程专业的学校,一部分是医科院校,一部分是各大综合类院校。排名前十的有浙江大学、四川大学、上海交通大学、东南大学、西安交通大学、天津大学、清华大学、华中科技大学、南方医科大学、大连理工大学。而在香港大学,生物医学工程学由工程学院与医学院合办,学生将学习到有关工程和生命科学的原理,理解不同类型的先进医学工程系统之设计和运作,掌握工程技术在医学领域的应用。

3医学职业教育可以在生物医学工程专业中寻找“立交桥式”发展契机

医学职业教育类院校,应该与本科院校错位发展。以生物医学工程专业为例,应该培养计算机网络技术服务和各类大型医疗设备的操作与维护方面的专业人才;计算机网络技术包括:数字化医学中心,医学图象处理及多媒体在医学中的应用,生物信息的控制及神经网络生物医学信号检测与处理。要求学生深入掌握电子技术,计算机技术,信息处理理论医学与工程相结合的科研能力,解决生物医学领域中的科学研究,医疗仪器研制,产品开发以及大型医疗设备的操作,维修管理等问题,同时也能胜任其他领域的电子技术及计算机技术。学生主要学习生命科学、电子技术、计算机技术和信息科学的基本理论和基本知识,受到电子技术、信号检测与处理、计算机技术在医学中的应用的基本训练,具有生物医学工程领域中的研究和开发的基本能力。

3.1 生物信息技术 实现生物技术和信息技术以及其他学科的有机结合,发展生物信息高通量、高效、快速的提取方法,发展疾病检测的新方法和新技术,发展研究药物与靶标作用的新方法,发展基因组数据、蛋白质组数据和结构基因组数据的计算机处理、分析和可视化方法,解析生物大分子结构和功能之间关系等,提高生物信息处理、分析和利用的水平,为我国生命科学和生物技术的源头创新奠定基础。

3.2 医学图像与医学电子学 医学图像处理和分析、计算机辅助诊断和治疗、医学物理等,以及生物、医学和工程学等领域理论和方法,并通过这些学科的交叉形成了新型学科。

3.3 生物与医学纳米技术 包括纳米生物材料、纳米生物器件研究、纳米生物技术在临床诊疗中的应用、纳米材料与器件的计算模拟。

3.4 生物与医学纳米技术 生物医用材料研究,用于人体、器官的诊断、修复、替换或增进其功能。

3.5 医学信息学及工程 应用系统分析工具这一新技术来研究医学的管理、过程控制、决策和对医学知识科学分析。

4以生物医学工程为例,探讨医学职业教育的前景

生物医学工程专业修业年限为四年或五年。授予学位是工学学士。就业前景良好,由于科学技术的发展,各类大型医疗设备的应用越来越广泛,大型医疗设备的操作、维修及管理人员是各大医院及公司急需的人才。毕业后可从事医学机构中医疗器械的维护、使用、销售和和医疗电子系统的开发与维护,辅助医生观察、诊断、治疗疾病。职称由卫生部组织统一考试评定,颁发临床医学工程技术(初级士、初级师、中级等)证书。

医学职业教育不仅要解决国家发展急需的基层卫生人才的培养问题,更重要的是要引领区域经济向先进领域拓展,提升地方行业水平。建设西部教育高地,需要在技术类专业中大胆创新,走别人没有走过或者没有走出规模的路。其重要意义体现在以下几点:①医学应用技术类专业虽然具有办学成本高、难度大等不利因素,但也具有技术含量高、可直接转化为现实生产力的巨大优势。②医学应用技术类专业走向产业化,对引领区域经济发展、拓展地方行业布局和提升地方行业水平都具有重要的现实意义。③医学应用技术类人才培育专业群的建成,将为地方输出高素质的技能型人才,同时也能提供高水平的就业岗位,有助于拉动地方经济,整体提高地方生产力。④医学应用技术类专业人才的聚集,与提高区域人才质量、推动地方经济发展进程直接相关。斯坦福大学在成立之初不被看好,但坚持将硅谷建设与学校成长联系在一起,最终成为世界名校就是例证[2]。

5结语

在国家拉动内需、教育优先的有利政策指引下,在医学职业教育领域大力发展医学应用技术专业是切实可行的。用教学做一体化培养医学技术专业人才,为地方医学应用技术产业化发展提供智力支撑,其意义也是深远的。创立医学应用技术专业基本原则是按照专业设计,分步骤解决专业基本格局,建设教学做一体化生产性实训基地,逐步提升专业办学水平和内涵质量,最终构建具有影响力的专业群。在全国众多的医学类高职高专院校中同质化办学的现象非常突出,上海医疗仪器高等专科学校涉足生物医学工程领域外,还没有一所学校开设生物医学工程的相关专业[3]。现代医疗活动是建立在庞大的医疗仪器设备的辅助诊断和治疗基础上的,急需医学工程技术的大量人才。只有大力拓展医学相关技术领域的办学,才能真正在传统医学专业之外办出既有生命力又有制高点的医学职业技术教育。

参考文献

[1]Issenberg SB,Mcgaghie WC,Petmsa ER,Gordon DL,Scalse AJ.Features and uses of high―fidelity medical simulations that lcad to effective learning:a BEME systemic review.Medieal Teacher,2005;27:10-28.

第8篇:高分子材料在医学中的应用范文

器官和组织的缺损或衰竭是临床遇到的极具危害性的医学难题,尽管目前人们通过器官或组织移植、外科再造和使用机械装置等治疗手段,解决了一些现实问题,但这些方法均存在不少缺陷。因此,人们一直在寻求一种新的治疗方法。随着多学科成果和技术不断交叉、融合和相互渗透,逐渐形成了一门新的交叉学科——医学组织工程学。作为一场意义深远的医学革命,在医学界它被誉为是继细胞生物学和分子生物学之后, 生命科学发展史上又一新的里程碑。

1 医学组织工程概述

组织工程学概念的提出始于20世纪80年代末,由于其重要的科学意义、巨大的临床应用前景、潜在的开发价值,受到了各国科学界的重视。医学组织工程学利用工程学和生命科学的原理来研究和发展具有生物活性的人工替代物,融合了细胞生物学、工程科学、材料科学和临床医学等相关知识。核心理念就是将体外培养的高浓度的正常细胞扩增后,吸附在生物材料上,形成具有三维空间结构的复合体,然后将复合体植入组织器官的病损部位,种植的细胞在生物材料被机体逐渐降解吸收过程中继续生长繁殖,形成新的具有相应形态和功能的组织和器官,从而达到修复创伤和重建功能的目的[1]。其最大优点是可形成具有生命力的活体组织,进行形态、结构和功能的重建并达到永久性替代,根据组织器官缺损情况进行塑形,达到完美的修复。

目前组织工程学的研究手段已经不再局限于初始阶段的细胞生物学和动物实验技术、分子生物学技术,而是广泛应用基因克隆技术、转基因技术、移植免疫学技术、生物材料合成与改良技术、生物材料的编织技术、生物力学技术、影像学技术和生物反应器等先进技术[2],极大地提升了组织工程学的研究水平和其自身的发展速度。与传统的自体或异体组织、器官移植相比,克服了以创伤修复创伤的缺陷,将从根本上解决组织、器官缺损的修复和功能重建等问题。

2 种子细胞

种子细胞是医学组织工程的生命源泉,它要确保在体外培养时有很强的增殖能力,并能定向分化,同时要保持其原来的生理性状。大多数观点认为种子细胞进入新的微环境后,会对新的微环境中的调节信号做出反应,从而定向分化为目的细胞。同时具备这些特点的干细胞就成了种子细胞的首选。应用干细胞治疗疾病较传统方法还具有低毒性,一次药有效;不需要完全了解疾病发病的确切机理;避免产生免疫排斥反应等诸多优点。在临床治疗中,造血干细胞应用较早,在提高治疗有效率和缩短疗程方面优于常规治疗,且效果令人满意。

按分化潜能干细胞基本上可分为三种类型:一类是全能性干细胞,它具有形成完整个体的分化潜能。如胚胎干细胞(简称es细胞),它可从早期胚胎的原始胚细胞及原始生殖细胞中分离培养获得,具有与早期胚胎细胞相似的形态特征和很强的分化能力,能分化出成体动物的所有组织和器官。由于在医学和生物学上具有巨大的潜力,而备受各国的高度重视,使其成为当前生物工程领域的核心问题之一,在这一领域,世界性的研究开发竞争正在迅速展开。es细胞最诱人的前景是生产组织和细胞, 用于“细胞疗法”, 为细胞移植提供源源不尽的无免疫性的材料。任何涉及丧失正常细胞的疾病都可以通过移植细胞来治疗, 包括帕金森病、糖尿病、外伤性脊髓损伤、细胞变性病、心肌病和骨损伤等[3]。尽管es细胞培养体系和来源问题研究已经取得了巨大进展, 但应用于临床还存在很多技术上的难题:其中最为重要的是其分化问题, 目前关于es细胞自我更新机制及其向不同组织细胞分化的机制均尚不清楚, 因此如何防止其在体外培养时发生分化以及如何诱导得到纯化的分化细胞尚待研究;由于人胚胎干细胞来自具有发育成一个个体潜力的人胚胎,所以其研究不可避免地引发伦理道德问题的争议,并且在实际应用中还不能避免免疫排斥。

另一类是多能性干细胞,这种干细胞具有分化为多种细胞组织的潜能,一般认为其具有组织特异性,只能分化成特定的细胞或组织。人们可望从自体中分离出成体干细胞,在体外定向诱导分化为靶组织细胞并保持增殖能力,将这些细胞回输入体内,从而达到长期治疗的目的。在特定条件下,成体干细胞或者产生新的干细胞,或者按一定的程序分化,形成新的功能细胞,从而使组织和器官保持生长和衰退的动态平衡。成体干细胞是普遍存在的,常位于特定的微环境中,问题关键在于如何寻找和分离各种组织特异性干细胞。成体干细胞具有多分化潜能,其中骨髓基质细胞和脂肪源干细胞已有大量研究及部分临床应用,在个体化治疗中已用于骨、软骨、心肌再生等领域;在群体化治疗中需要解决同种异体移植的免疫原性问题,采用基因敲除技术或rna 清除技术去除抗原可能解决异基因细胞同种移植的免疫反应,但也有可能影响被敲除基因的其他功能[4]。最近,美国和日本相继公布了从人皮肤成纤维细胞转化为胚胎干细胞样细胞的研究成果,为解决这些问题带来了曙光,但要实现应用这一目标,还要进行更多、更深入的研究。

还有一类干细胞为单能干细胞,这类干细胞只能向一种类型或与之密切相关的两种类型的细胞分化。 其中以脂肪源、肌源、上皮源及神经源干细胞为代表,作为组织工程的种子细胞, 或以细胞治疗的方式进行了广泛研究, 并已有临床应用的报道。

3 支架材料

支架材料在医学组织工程研究中起中心作用,可为细胞提供黏附、增殖、分化并进而为组织的形成提供载体,还起到模板作用,引导组织再生和控制组织结构。作为理想的生物支架材料至少应具备以下特点: ①良好的生物相容性:植入机体内不会引起炎性反应和毒性反应损害新组织的功能,维持正常细胞功能发挥; ②良好的可塑性:根据目的组织器官加工成特定的三维结构;③具有缓释功能:支架的降解速率可根据不同细胞组织再生速度进行调整,而且能彻底被新生的自然组织所替代;④支架的表面化学特性和表面微结构适合细胞粘附。因此寻找一种既具有良好生物相容性和生物降解性又具有特定形状和连通三维多孔结构的支架材料是组织工程成败之关键因素。

近年来,人们不仅在组织工程的最早产品人工皮肤领域进行了更为完善的研究和开发, 同时,在诸如人工骨、软骨、神经、血管材料等各系统,都进行了大量的研究和探索。目前研究的组织工程支架材料各自有各自的优点但也有不可避免的缺陷。国外研究较多的是pga、pla、pl2ga 等。这些材料具有可标准化生产、可降解、细胞相容性好等优点,但是这类材料本身亦存在一些固有不足, 如生物相容性差及机械强度不稳定等。基于这些原因, 研究人员一方面探索对聚醋类材料进行表面修饰, 同时也在积极寻找其它类型的支架材料。通过对材料表面进行修饰, 改善细胞与支架材料的相互作用; 通过模拟细胞生长微环境, 制备仿生材料,提高材料的亲水性、对细胞的黏附性, 促进细胞的分化增殖。将合成材料与天然材料有机结合, 已成为未来组织工程材料发展的新趋势。

研制复合材料、仿生材料、改性天然材料、纳米材料, 是当前支架材料研究的主要方向。越来越多的学者设计出具有合适降解度、良好通透性、组织相容性好的软骨细胞体外培养支架材料。新材料的开发要求具有良好的各项生物学特性。通过将缓慢释放的生长因子或相关的基因整合到材料中, 形成具有生物活性的生物材料, 可以使种子细胞能在更接近于体内环境的生物材料上增殖、分泌基质、最终形成组织。

在组织工程材料的合成与制备中通过采用纳米技术对生物材料表面的改性或者直接采用纳米材料或复合材料,不仅能提高细胞对材料的黏附能力,也能提高材料的生物相容性,同时通过材料表面与细胞间相互的生物作用,能刺激并诱发所期望的细胞效应,有利于细胞的分化和增殖,纳米材料以其与传统材料无可比拟的生物学性能,已在组织工程和生物材料研究中显示出广阔的应用前景。纳米技术、组织工程技术和生物技术的发展与综合,将为培养支架的研究提供新的选择。

4 生物活性因子

人体内的生长因子是通过细胞信号传递影响细胞活力的一类多肽因子,通过自分泌、旁分泌及内分泌作用,促进或抑制细胞生长、繁殖、迁移、黏附和基因表达的作用。在医学组织工程研究中,也需要在损伤组织的修复与病损器官的再生与功能重建中供给生长因子以促进种子细胞的分化和增殖。目前实验中常用的生长因子有成纤维细胞生长因子(fgf) 、转化生长因子(tgf- β) 、胰岛素样生长因子(igf) 、血小板衍化生长因子(pdgf) 、骨形态发生蛋白(bmp) 等等。它们不仅可单独作用, 相互之间也存在着密切关系,实验证明复合使用效果更好[5]。

在医学组织工程领域,生物活性因子对外源性生长因子或类生长因子作用的药物大多采用缓释技术,使其促再生作用持续一段时间。已有很多缓释材料在研究中,但目前尚未解决缓释体的有效释药浓度与组织器官再生所需药物浓度的相适应性。生物活性因子应用的另一个问题是多因子的协同作用及有序作用仍不清楚。

5 组织构建

医学组织工程的最终目的是构建组织器官修复体内缺损。构建组织工程化人体组织或器官, 涉及种子细胞在生物反应器中大规模培养、扩增技术,生物力学信号施加和化学信使生长因子或细胞因子的控制释放技术等多项关键技术。现在部分组织工程化组织已在临床应用中取得了初步的疗效, 充分体现了它在未来医学应用中的巨大潜力。最早经批准用于治疗和投入市场的移植物之一是组织工程皮肤植片。目前各国科学家们正在为多种组织, 包括骨骼、肝脏、动脉、神经、胰脏、皮肤、肾脏和膀胱, 构建组织工程结构[6]。但是体内环境是一个复杂的综合体, 除了各种生长因子、细胞间相互作用以及局部酸碱平衡等因素以外, 局部生物力学刺激也是一个重要因素。构建理想的组织还有很长的路要走。

就现在而言,医学组织工程领域所遭遇的最大的挑战之一是需要为复合组织和器官构建一个功能血管网。因为不论对于哪种组织和器官,血管形成都是关键性的;另外, 单一的器官中含有多种不同的细胞, 同时分离和扩增几种不同的细胞, 目前在技术上有一定的难度;其次, 在构建过程中维持严格的三维结构也是现有技术手段无法解决的难题。

6 展望前景

人体是一个具有复杂的形态结构、完善的功能的整体, 要完全模拟人体的组织和器官并非易事。虽然经过近20年的研究,医学组织工程已取得非凡的进展,应用组织工程的原理与方法, 已能构建多种组织并成功的修复相应的组织缺损,诸如皮肤、骨和软骨等组织和器官更是成绩斐然[7]。但是还有许多理论和技术问题有待进一步解决:在种子细胞的培养方面, 细胞的筛选和纯化是一个公认难题;在组织再生过程中发挥特异调节细胞增殖和分化作用的生长因子,可控性缓慢释放技术依然不完善;组织工程化组织在体外或体内形成过程中的演变规律如何?这些演变规律与正常组织发育、再生及创伤修复等过程有何异同,对这些问题目前仍然缺乏全面系统的了解。

医学组织工程的产业化无疑能够创造极大社会效益和经济效益,我国的组织工程研究从无到有逐步发展壮大起来,并取得了重要的研究成果。目前在研究开发上已经逐渐从临床前研究进人到临床试验阶段,如果我们能够创造出具有我国自主知识产权的组织工程产品, 率先应用于临床, 这样不仅可挽救众多病人的生命和肢体,促进相关学科的科技进步,更能造福于人类, 为形成新的知识经济产业打下基础。 【参考文献】

[1] 王国正.组织工程研究[j].中国医学科学院学报,2003,25(1):35.

[2] sedov vm,andreev d,smirnova td,et al.the efficacy of cell therapy in the treatment of patients with tropic venous of lowes limbs[j].angiol sosud khir,2007,13(1):67-75.

[3] 鄂征,刘流.医学组织工程技术与临床应用[m].北京:北京出版社,2003:16.

[4] chen xl, li zl, zhang wb,et al. experimental study of maxillary sinus lifting with tissue engineered bone[j].zhonghua kou qiang yi xue za zhi,2007,42(10):610-613.

[5] hwang ws, ryu yj, park jh, et al. evidence of a pluripotent human embryonic stem cell line derived from a cloned blastocyst [j]. science,2004, 303(3): 1669-1674.

第9篇:高分子材料在医学中的应用范文

关键词:高分子材料 发展 应用

中D分类号:TB324 文献标识码:A 文章编号:1009-5349(2017)07-0197-01

高分子材料是最近几年发展壮大起来的,目前不仅应用广泛,而且在化工领域占位较重。

对于高分子材料的研究在目前国内外来说,也是非常之活跃。

一、高分子材料在生活中的应用

1.高分子材料在机械工业中的应用

高分子材料的“替代”功能在机械工业中得以真切体现。比如,以前在建筑中,经常采用的是笨重的钢管做下水管等,而现在,这些笨重的钢管已经被高分子材料,这也就是我们说的“以塑代钢”和“以塑代铁”。高分子材料完全改变了以往的机械产品笨重、高消耗的运用模式,而向轻便又安全、经济又耐用来转变。如聚氨酯弹性体。在工业中,运用聚氨酯弹性体是借助它突出的耐磨性,其磨耗远远低于其他材料,在磨粒磨损的机械上应用。聚甲醛也是一种高分子材料,多见于制造各种齿轮、轴承、螺母等,这些可代替锌、铜、铝等昂贵的有色金属,减少投资成本。

2.高分子材料在现代农业中的应用

在农业中,高分子材料应用最为大家熟悉的就是作为地膜使用的高分子塑料。在农村,近年来地膜覆盖以及温室大棚成为农村经济发展的一个重要方面,这也使高分子材料使用规模逐渐扩大。膜覆盖具有保温、保湿、防虫及促进植物生长等诸多作用,为农民增加收入创造了条件。同时高分子材料还具有轻便、耐腐、使用方便等特点,这些都为农民提高生活质量创造了条件。此外,渔民所用的渔网、吊装工人所用的吊装绳索等都是高分子材料。在农业种子处理中高分子材料也得到有效利用。比如,科学地把种子跟其他高分子材料混和造粒后,改善了种子外观跟形状,这样为机械播种提供了非常便利的播种条件。

3.高分子材料在电气工业中的应用

在电气电子工业中,高分子材料以绝缘、屏蔽、导电、导磁等为主要应用方面;在通信领域,随着信息技术的发展,高分子材料的需求量也愈来愈突出,各类终端设备不仅广泛应用,而且作为高性能材料的光纤、光盘等也被广泛使用。作为电气生产的大国,我国各行各业对高分子材料的需求量与日俱增。其轻质、易于成型、绝缘、耐腐蚀等特点成为各种家用电器生产的最佳材料。

4.高分子材料在医学中的应用

在医学领域,高分子材料因其生物活性高及其材料性能广等优点成为最早、最广的应用领域之一,而且用量还是最大的。高分子材料在目前来看,是现代医疗材料中的主要构成部分。比如在人造器官上,如心脏瓣膜、人工肾、人造皮肤等都属于高分子材料制成。再有就是在医疗器械运用上,医生为患者做手术缝合的缝线是由高分子材料制成,许多用于患者检查的器械,还有一些用于妇女妇科检查的植入器械等。另外,如药物控释载体跟靶向材料等用于药物助剂的材料也都是由高分子材料制成。

高分子材料还广泛应用于包装、家居装修、电信、交通运输、污水处理等诸多领域之中,可以说在当今市场中占有非常重要的地位,而且随着人们生活质量的不断提高,这种地位会越来越重要。

二、高分子材料的发展前景

社会的不断进步,势必带动高科技的进一步发展,如此发展形势下,高分子材料也定会在人们及社会不断提高的需求中得到进一步发展。可以肯定地说,未来的高分子材料,其发展前景无比美好,应该是趋于更高的性能、更高的功能向前发展,同时更加复合化、智能化和绿色化。

1.具有更高的性能和功能

时代的进步助推高分子材料的进步是社会发展的必然。比如,积极创新发展,研制出更优质的高分子聚合物;通过新措施、新手段不断改进高分子材料性能,更好地满足社会各领域的需求。再有高功能化是未来高分子材料最具活力的新领域。从当前高分子材料研究方面看,新功能的高分子材料不断被研究出来,诸如用于医用的人造器官高分子材料、导热导电的高聚物等。从以上发展状况推断,更高功能的高分子材料前景风光无限。

2.复合型高分子材料成趋势

新生态环境下,单一的高分子材料将逐步被复合型高分子材料所取代。因为不同的材料各有其不同的优缺点,复合化后的高分子材料将弥补单一材料的不足,这样更能适应高标准的材料市场需求,经济效益也会有所提高,更能拓宽高分子材料的应用范围。目前,复合型高分子材料还非常有限,仅在航空造船、航天、海洋工程等少数领域被引用。跟随发展的步伐,将来复合型材料应将向高性能、高模量的纤维增强材料发展,再就是向高强度、优良耐热性以及优良成型加工性能方面发展。