第1章 绪 论

1.1 医 用 材 料

生物医用材料(biomedical materials)，亦称生物材料(biomaterials)，是指能直接与生理系统接触并发生相互作用，能对细胞、组织和器官进行诊断治疗、替换修复或诱导再生的一类天然或人工合成的特殊功能材料[1]。这里所说的生理系统既包括体内(in vivo)的生理环境，如血液、组织和细胞等，也包括体外(in vitro)的生理环境，如细胞培养盘和生物反应器中的细胞-培养液系统[2]。

医用材料的特征之一是生物功能性(biofunctionality)，即能够对生物体进行诊断、替代或修复；其二是生物相容性(biocompatibility)，即不引起生物体组织、血液等的不良反应。现代医学的进步与生物材料的发展密不可分，如各种介入诊断和治疗导管、药物传递控释系统、创伤和烧伤敷料、血管内支架、人工关节与功能性假体等已得到广泛应用。因此，医用材料与人类生命和健康密切相关，其研究与开发既具有重要的科学和技术价值，又具有重大的社会需求和巨大的经济效益。医用材料涉及材料、生物、医学、化学以及物理等诸多学科领域，其使用又与生理系统相接触，因此该材料的研究与开发具有一定的难度和挑战性。

医用材料按照材料组成和性质可以分为医用金属材料、医用高分子材料、生物陶瓷材料、生物医用复合材料和生物医用衍生材料[2]。由于人体绝大部分组织和器官都是由高分子化合物构成，因此医用高分子材料在医学上有其独特的功效和特性，发展前景广阔，已成为医用材料研究最活跃的领域之一。

生物医用高分子材料按用途可分为人体功能替代或修复用高分子材料、药用高分子材料、高分子医疗器材及制品等。其中人体功能替代或修复高分子材料包括人工器官材料、功能修复材料、组织工程材料、医用黏合和缝合高分子材料等。药用高分子材料主要可以分为有药理活性的高分子药物、高分子药物载体材料、高分子薄膜包衣及控释膜材料、医药包装用高分子材料等。

生物医用高分子材料按生物性能可分为非生物降解高分子材料和可生物降解高分子材料两大类。

非生物降解高分子材料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，并保持良好的力学性能，如聚乙烯醇、聚乙烯、聚酰胺、聚丙烯、聚丙烯酸酯、聚甲醛、聚硅氧烷等。该类材料应用要求其本身不对机体产生明显的毒副作用，主要用于药物释放、人体软、硬组织修复和人工血管、器官制造。

可生物降解高分子材料是指在植入人体并经过一段时间后能被逐渐分解或破坏的材料，植入物在完成使命后会分解或降解成无毒的小分子物质，并被排出体外。对这类材料的基本要求是生物相容性良好、高分子本身和降解产物均无毒；还要具有所需要的降解速率、适当的物理力学性能及可成型性。可生物降解高分子材料主要用于药物释放载体、非长期性植入器械、组织诱导再生和组织工程等。

目前常用的医用生物降解材料包括天然高分子材料和合成高分子材料两类。

天然高分子材料是由生物体内提取或自然环境中直接得到的一类大分子，具有良好的生物相容性和可降解性。天然高分子材料一般不具备足够的机械性能和加工性能，某些材料还会在体内引起异体免疫反应，因而在医学中应用更多的是经过化学改性的衍生物或与其他材料的复合物。天然高分子材料往往具有良好的生物安全性和生物相容性，但是天然高分子材料的降解速率一般都太快，而且因其来源不同，结构与性能存在批次间的差异。

天然高分子材料为动物体细胞外基质(ECMs)的主要组成以及其他一些生物体的提取物，主要为多聚糖材料和蛋白类材料，此外还包括一些生物合成聚酯。

多聚糖材料与蛋白质、核酸是与人类关系最为密切的三类天然高分子。多聚糖材料主要包括甲壳素(chitin)、壳聚糖(chitosan)、海藻酸盐(alginate)、透明质酸(hyaluronic acid)、肝素(heparin)、硫酸软骨素(chondroitin sulfate)、改性纤维素(cellulose)、琼脂(agar)、淀粉(starch)及葡聚糖(dextran)衍生物等。

蛋白类材料主要包括胶原(collagen)、明胶(gelatin)、血纤蛋白(fibrin)和蚕丝蛋白(silk protein)。

1.2 医用多聚糖

糖类通常又称"碳水化合物"，是指多羟基的醛、酮、醇及其氧化或还原衍生物，以及其糖苷键连接的多聚体[3]。多聚糖(polysaccharides)是由单栅之间脱水形成糖苷键，并以糖苷键线形或分枝连接而成的链状聚合物。从功能上说，多聚糖不但是生物体，特别是植物体的主要组成，而且是生物体的主要能量来源。多聚糖具有显著的免疫活性，现已广泛应用于食品工业、医药工业和农业领域。多聚糖是除了蛋白质和核酸以外的一类重要的生物大分子，在自然界中广泛存在，主要来源于动物、植物、微生物。

动物多聚糖也是作为生命物质存在于动物体内。动物多聚糖分布较为广泛，大多来自动物结缔组织基质和细胞间质，是脊椎动物组织细胞外空间的特征组分。某些多聚糖还是动物体骨架的连接关节。动物多聚糖有壳聚糖、透明质酸、硫酸软骨素、角质素等。

植物多聚糖广泛存在于陆生植物和水生植物中，它们主要有两种功能：一种是形成细胞壁和基架物质；另一种是以淀粉和葡萄糖的形式作为储存物质。海洋多聚糖是天然多聚糖的重要部分，主要有海藻酸钠、褐藻多糖、螺旋藻多糖等。陆生植物多聚糖主要包括魔芋葡甘聚糖、人参多糖、黄芪多糖、当归多糖、红花多糖、枸杞多糖、蔗渣多糖、茶叶多糖、女贞子多糖等。

微生物多糖主要来源于细菌和真菌，是细菌、真菌等微生物在代谢过程中产生的对微生物有保护作用的生物高聚物。微生物多糖一般由淀粉水解发酵生产，也可直接利用可溶性淀粉经微生物酶作用制得。

由于具有生物相容性和生物降解性，天然多聚糖广泛用作载体以固定或包埋药物、生物活性分子、蛋白质以及细胞等。多种多聚糖材料，如壳聚糖、透明质酸和海藻酸钠等，对细胞膜具有高亲和性，它们可被分别或同时制成胶体粒子或微球，用于运输活性分子通过黏膜(mucosa)或上皮细胞(epithelial cell)。

1.3 医用多聚糖的应用

医用多聚糖主要用于细胞、药物和基因载体材料，广泛用作药物控制释放、医用敷料、可吸收缝合线、人工皮肤、组织修复替代物以及组织隔离膜等。按应用形式可分为水凝胶、多孔支架、微球、纳米颗粒、微胶囊和纤维材料等。

1.3.1 细胞支架

医用多聚糖最重要的应用是作为细胞支架，用于组织工程和再生医学领域。

组织工程是近十年来发展起来的一门新兴学科，它是应用生命科学和工程原理及方法，利用生物材料构建一个三维支架来维护、增进人体细胞和组织的生长，用于组织和器官修复与替换，以恢复受损组织或器官的功能。作为一门多学科交叉的边缘学科，组织工程融合了细胞生物学、工程科学、材料科学和外科学等多个学科。

组织工程化构建在临床治疗上具有非常重要的意义，它避免了"挖肉补疮"式的自体移植与潜在免疫排斥的异体移植，同时在临时支架降解后将形成与自体组织生理功能一样的活组织，是比生物惰性的人工假体更为优越的一种组织修复方式。作为一种再生疗法，组织工程避免了器官移植存在的供体严重不足和长期伴有的抗免疫药物治疗的缺点。组织工程技术已成为继外科重建后的新治疗手段，这方面的治疗技术有望为提高人类的健康水平做出积极贡献，同时也具有显著的社会效应和经济价值。

图1-1描绘了组织工程的基本过程。组织工程的基本原理和方法是将体外扩增的自体或异体细胞种植于体外构建的细胞外基质模拟物(支架)中，形成细胞/支架复合物。然后，将该细胞/支架复合物植入受损的组织或器官部位，通过植入细胞的增殖与分化以及类细胞外基质支架相匹配的降解吸收而形成结构和功能与目标组织或器官相一致的新组织或器官，从而达到创伤修复和功能重建的目的。组织工程学的产生是继细胞生物学和分子生物学之后，生命科学发展史上的又一新的里程碑。组织工程学标志着医学将走出组织移植、器官移植的范畴，步入制造组织和器官的新时代[4]。

图1-1 组织工程示意图

组织工程的关键问题之一是构建细胞和生物材料的三维空间复合体，该结构是细胞获取营养、气体交换、废物排泄和生长代谢的场所，是新的具有形态和功能的组织、器官的基础。利用降解材料做成三维支架，使生物体的细胞在其表面繁殖增长；在生长出相应的组织或器官的同时，支架逐渐降解消失。

在种子细胞和支架材料研究的基础上，如何构建组织工程化组织或器官也是组织工程研究的重点内容。组织工程化组织或器官构建的主要内容包括：实现种子细胞与支架材料间有效地复合，细胞/支架复合物的体外培养条件的控制等。由于构建组织的多样化，以及不同组织所选用的种子细胞和支架材料的物理、化学和生物性能不尽相同，细胞与支架材料的复合是一个受到多方面因素影响的过程。具体的影响因素包括：①支架的宏观形状及尺寸和微观结构；②支架的物理化学性能，如电荷、吸水率、拓扑结构及细胞相容性等；③细胞的种类和种植密度；④细胞/支架复合物的体外培养方式；⑤培养环境中的应力等外界刺激。

组织工程技术几乎已被应用于人体中每一种实质器官的再生与重建研究，在皮肤、肌腱、软骨、骨、血管、尿道、心脏、角膜、神经系统、人工肝和人工胰脏等领域均取得了一定成绩，除大脑和胃以外的器官，都已被尝试采用组织工程技术进行重建。皮肤、骨和软骨组织工程的研究开展最广泛，也获得成功(图1-2)。近几年来，组织工程开始向产业化发展，越来越多的研究机构和公司开始投入到组织工程研究领域中来，组织工程学已成为一门具有广阔研究前景和巨大市场价值的新兴学科。

图1-2 皮肤组织工程支架(a)和软骨组织工程支架(b)

理想的组织工程用支架有以下的基本要求：①良好的细胞相容性。除满足生物材料的一般要求如无毒、不致畸，降解产物对细胞无毒害作用，不引起炎症反应之外，还要有利于种子细胞的黏附、增殖，更重要的是能激活细胞特异的基因表达，维持细胞的表型表达。②良好的生物降解性。支架材料在受损组织修复后应能降解，降解速率应与组织再生的速率相匹配。③具有三维立体多孔结构。具有适当的孔径、高的孔隙率及大的比表面积。④适当的机械强度。支架应具备与所修复组织相匹配的机械强度，为新生组织提供支撑，能维持组织器官的原有形态。⑤为了防止感染，支架还必须易于消毒和保存。

医用多聚糖材料是组织工程材料发展的一个重要方向，其本身来源于生物体，能保障足够的细胞亲和性和组织亲和性，最终降解产物为单糖，容易被机体吸收。该类材料的缺点是力学性能差，难以满足组织构建的要求，应用时需要改性。例如，在骨组织工程研究中，成骨细胞在壳聚糖等可降解材料制成的支架表面生长，骨细胞生长成熟后形成新的软骨或骨，与此同时，三维支架不断自动降解而排出体外。在材料中引入生长因子、黏附因子等，可以对细胞生长、分化、增殖起到促进作用。将骨细胞生长因子复合到多聚糖支架上，可以诱导具有自然骨功能的新骨再生。利用天然医用多聚糖材料，特别是天然细胞外基质成分对细胞有特别强的黏附、增殖、分泌基质作用，与具有一定力学强度的无毒、可降解的合成高分子复合，有望制备出更理想的支架材料。

组织工程支架为细胞和组织生长提供适宜的环境，随着细胞的分裂而逐渐降解和消失，从而将新的空间提供给组织和细胞，并使新生成的组织和器官具备与细胞支架相同的几何外形。

支架在构建组织工程化组织或器官中的主要作用包括：①为细胞的黏附提供物理支撑，并且将细胞地投递到受损部位；②为细胞的增殖、代谢提供空间；③提供特定的宏观与微观结构，引导细胞构建特定功能的组织或器官；④传递化学或力学信号，调控细胞的表型。组织工程支架的设计和构建涉及三个尺度的问题，分别为宏观结构(厘米以上尺度)，即外形，微观孔径、孔隙率以及支架表面拓扑结构(微米级尺度)，支架表面黏附蛋白以及基因对细胞的影响(纳米级尺度)。

按照手术操作方式，目前有两种类型的支架被大量用于组织工程化器官的构建，即植入型多孔支架和注射型水凝胶支架[5]。

1. 植入型多孔支架

多数的植入型支架为"硬支架"，具有特定微结构，属于多孔型，孔径大小根据其制作工艺的不同而不同，一般为10～1000？m。支架