1、凝聚态物理专题凝聚态物理专题纳米生物材料及组织工程材料什么是生物医用材料什么是生物医用材料生物医用材料（生物医用材料（biomedical materials）狭义：长期与活体组织接触或植入活体内部，狭义：长期与活体组织接触或植入活体内部，起某种生物功能的材料。起某种生物功能的材料。广义：包括制造生物医药的原材料、医学诊断广义：包括制造生物医药的原材料、医学诊断试剂、药物输送释放体系用材以及一次性使用试剂、药物输送释放体系用材以及一次性使用的生物医用材料。的生物医用材料。生物体材料（biological materials）生物体材料按形成类型分为硬组织和软组织两种。硬组织主要包括生物矿物、生
2、物体硬组织等等。软组织包括细胞、细胞基质、器官等等。生物矿化与生物矿物 生物矿化是指生物体系中具有特殊的高级结构和组装方式的生物矿物形成过程。被生物体摄入的金属离子，除构成一些具有生物活性的配合物外，还通过形成生物矿物以构成骨骼、牙齿等硬组织。这些硬组织所包含的矿物质如羟基磷灰石、方解石等，从组成上看，与自然界岩石相同，因此被称为“生物矿物”。生物体材料（biological materials）一、生物医用材料的分类一、生物医用材料的分类按照材料属性分类合成高分子材料天然高分子材料金属与合金材料无机材料复合材料按照材料用途分类生物惰性（bioinert）材料生物活性（bioactive）材料
3、生物降解（biodegradable）材料二、对生物医用材料的一般要求二、对生物医用材料的一般要求 具有良好的血液相容性和组织相容性具有良好的血液相容性和组织相容性 耐生物老化，即长期植入材料的生物稳定性好；耐生物老化，即长期植入材料的生物稳定性好；暂时植入的材料在确定的时间内降解为可被人体暂时植入的材料在确定的时间内降解为可被人体吸收或代谢的无毒单体或片段吸收或代谢的无毒单体或片段 物理性质和力学性质稳定物理性质和力学性质稳定 易于加工成型易于加工成型 便于消毒灭菌、无毒无热源便于消毒灭菌、无毒无热源 不致癌不致畸不致癌不致畸（1 1）有机大分子预组织：在矿物沉积前构造一个有组织的反）有机大
4、分子预组织：在矿物沉积前构造一个有组织的反应环境，该环境决定了无机物成核的位置。但在实际生物体内应环境，该环境决定了无机物成核的位置。但在实际生物体内所发生的矿化过程中，有机基质是处于动态的所发生的矿化过程中，有机基质是处于动态的;（2 2）界面分子识别：在己形成的有机大分子组装体的控制下，）界面分子识别：在己形成的有机大分子组装体的控制下，无机物从溶液中在有机无机物从溶液中在有机/无机界面处成核。分子识别表现为有无机界面处成核。分子识别表现为有机大分子在界面处通过晶格几何特征、静电势相互作用、极性、机大分子在界面处通过晶格几何特征、静电势相互作用、极性、立体化学因素、空间对称性和基质形貌等方
5、面影响和控制无机立体化学因素、空间对称性和基质形貌等方面影响和控制无机物成核的部位、结晶物质的选择、晶型、取向及形貌物成核的部位、结晶物质的选择、晶型、取向及形貌;（3 3）生长调制：无机相通过晶体生长进行组装得到亚单元，）生长调制：无机相通过晶体生长进行组装得到亚单元，同时形态、大小、取向和结构受到有机分子组装体的控制。同时形态、大小、取向和结构受到有机分子组装体的控制。（4 4）细胞加工：在细胞参与下亚单元组装成高级的结构，该）细胞加工：在细胞参与下亚单元组装成高级的结构，该阶段是造成天然生物矿化材料与人工材料差别的主要原因。阶段是造成天然生物矿化材料与人工材料差别的主要原因。生物矿化作用
6、分为四个阶段生物矿化作用分为四个阶段矿物矿物化学组成化学组成生物体生物体/功能功能碳酸钙（方解石）碳酸钙（方解石）CaCO3海藻海藻/外骨骼；软体动物外骨骼；软体动物/视网膜视网膜碳酸钙（方解石）碳酸钙（方解石）CaCO3鱼类鱼类/鱼耳石；软体动物鱼耳石；软体动物/壳壳碳酸钙（无定形）碳酸钙（无定形）CaCO3高等植物高等植物/存储钙存储钙羟基磷灰石羟基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2牙齿、骨骼、鱼鳞牙齿、骨骼、鱼鳞/存储钙、支撑组织存储钙、支撑组织氟磷灰石氟磷灰石Ca10（PO4）6F2软体动物壳、牙齿软体动物壳、牙齿/存储钙、支撑组织存储钙、支撑组织磷酸八钙磷酸八钙Ca8H2(PO4)
7、65H2O牙齿牙齿/存储钙、支撑组织存储钙、支撑组织草酸钙草酸钙CaC2O4H2O高等植物高等植物/存储钙存储钙石膏石膏CaSO4水母水母/鱼耳石鱼耳石重晶石重晶石CaSO4海藻海藻无定形二氧化硅无定形二氧化硅SiO2nH2O海绵骨骼，硅藻细胞壁海绵骨骼，硅藻细胞壁磁铁矿磁铁矿Fe3O4细菌，牙齿细菌，牙齿针铁矿针铁矿-FeO(OH)牡蛎牙牡蛎牙水铁矿水铁矿5Fe2O39H2O动物，高等植物动物，高等植物/铁蛋白铁蛋白黄铁矿黄铁矿FeS2细菌细菌磁复铁矿磁复铁矿Fe3S4细菌细菌黑锰矿黑锰矿Mn3O4细菌细菌硫化镉硫化镉CdS细菌细菌生物体内主要的无机矿物的种类及其功能生物体内主要的无机矿物的
8、种类及其功能 碳酸钙碳酸钙生物体中的碳酸钙具有5种常见结晶形态：方解石、文石、球霰石、水合碳酸钙和无定形碳酸钙。Hua Tong,et al.Biomaterials,2004,3923-3929.磷酸钙磷酸钙 磷酸钙是生物硬组织中最重要的无机物，主磷酸钙是生物硬组织中最重要的无机物，主要存在于骨、软体动物的壳、牙齿以及作为生物要存在于骨、软体动物的壳、牙齿以及作为生物传感器的耳蜗等正常矿化产物中，在病理矿化产传感器的耳蜗等正常矿化产物中，在病理矿化产物如动脉硬化、尿结石和牙结石中也存在。物如动脉硬化、尿结石和牙结石中也存在。磷酸钙对生物硬组织的稳定性、硬度和功能磷酸钙对生物硬组织的稳定性、硬
9、度和功能等方面起着重要作用。生物体内的磷酸钙是在常等方面起着重要作用。生物体内的磷酸钙是在常压、常温下沉积而成，以纳米晶体结构存在。生压、常温下沉积而成，以纳米晶体结构存在。生物体中的磷酸钙盐主要有羟基磷灰石（物体中的磷酸钙盐主要有羟基磷灰石（HAP）和）和磷酸八钙（磷酸八钙（OCP）等。）等。人们在深入了解了生物矿化的机理后，在生物医用材料领域人们在深入了解了生物矿化的机理后，在生物医用材料领域开展了大量研究工作。赋予材料以生物功能使其植入体内后能充开展了大量研究工作。赋予材料以生物功能使其植入体内后能充分调动人体自体修复和完善能力，从而实现损伤或病变组织、器分调动人体自体修复和完善能力，从
10、而实现损伤或病变组织、器官的永久修复，已成为二十一世纪生物材料发展的方向和前沿。官的永久修复，已成为二十一世纪生物材料发展的方向和前沿。对于生物医用材料而言，磷酸钙具有与脊椎动物的硬组织，如骨对于生物医用材料而言，磷酸钙具有与脊椎动物的硬组织，如骨骼、牙齿等相似的矿物成分和结构，因此，科学家们力图从骼、牙齿等相似的矿物成分和结构，因此，科学家们力图从Ca-P生物材料方面进行新材料的制备，并取得了大量的成果。生物材料方面进行新材料的制备，并取得了大量的成果。Chitosan filmHydroxyapatiteCOOHCOOHNH2Ca2+PO43-Aspartic AcidSCS soluti
11、onNucleation centreHAP growth on the surface of modified chitosan film vertically.HAP growth on the surface of modified chitosan film horizontally.chitosan/L-Asp膜在膜在SCS溶液中诱导过程的示意图溶液中诱导过程的示意图Zhihong Zhu,et al.Biosensors&Bioelectronics,2006,291-297.组织工程材料和人造器官组织工程材料和人造器官 组织工程学是由美国国家科学基金委员会于组织工程学是由美国国家
12、科学基金委员会于1987年正式年正式提出和确定的，是应用细胞生物学、生物材料和工程学的原提出和确定的，是应用细胞生物学、生物材料和工程学的原理，研究开发用于修复或改善人体病损组织或器官的结构、理，研究开发用于修复或改善人体病损组织或器官的结构、功能的生物活性替代物的一门科学。功能的生物活性替代物的一门科学。组织工程学的研究领域涉及到了物理学、化学、材料学、组织工程学的研究领域涉及到了物理学、化学、材料学、工程学及生命科学。在医学领域，包括基础医学的遗传学、工程学及生命科学。在医学领域，包括基础医学的遗传学、组织胚胎学、细胞生物学、分子生物学等；在临床医学领域组织胚胎学、细胞生物学、分子生物学等
13、；在临床医学领域包括骨科、整形外科、胸外科、神经外科、口腔颌面外科、包括骨科、整形外科、胸外科、神经外科、口腔颌面外科、五官科、普外科、康复医学等。在材料学方面，主要涉及可五官科、普外科、康复医学等。在材料学方面，主要涉及可降解高分子材料、陶瓷材料；生物衍生材料包括天然生物衍降解高分子材料、陶瓷材料；生物衍生材料包括天然生物衍生材料和提纯衍生材料（如胶原）等。生材料和提纯衍生材料（如胶原）等。生物材料在医学中的应用生物材料在医学中的应用（1）人工脏器）人工脏器（2）硬组织修复与骨组织工程）硬组织修复与骨组织工程（3）血管移植材料与组织工程）血管移植材料与组织工程（4）眼科的生物材料）眼科的生物
14、材料（5）齿科的生物材料）齿科的生物材料（6）人工皮肤与组织工程）人工皮肤与组织工程（7）缝合线和黏合剂）缝合线和黏合剂（8）药物控制释放系统）药物控制释放系统Zhihong Zhu,et al.Key Engineering Materials,2006,717-720.Kobayashi M.,et al.Bone,2006,1235-1239.组织工程学的核心内容：组织工程学的核心内容：（1）合适的种子细胞的来源（2）可供细胞贴附生长的生物支架或细胞外基质（3）用于促进组织再生的生长因子（4）组织的相容性等问题。生物材料所必须具备的基本性能：生物材料所必须具备的基本性能：（1）良好的生物
15、相容性，植入体内的材料本身）良好的生物相容性，植入体内的材料本身及其降解物质对机体不产生毒副作用及其降解物质对机体不产生毒副作用（2）具有三维空间结构和高孔隙率）具有三维空间结构和高孔隙率（3）具有一定的机械强度和良好的可塑性）具有一定的机械强度和良好的可塑性（4）材料的降解速度可以调控）材料的降解速度可以调控（5）良好的细胞亲和性）良好的细胞亲和性（6）易于消毒）易于消毒DNA模板对纳米材料晶体生长的调控作用模板对纳米材料晶体生长的调控作用陈霞等,高等学校化学学报,2000,21:1115.多糖模板对纳米材料晶体生长的调控作用多糖模板对纳米材料晶体生长的调控作用蛋白质模板对纳米材料晶体生长的
16、调控作用蛋白质模板对纳米材料晶体生长的调控作用单分子膜对纳米材料晶体成核及生长调控作用单分子膜对纳米材料晶体成核及生长调控作用单分子膜能催化晶体的成核单分子膜能催化晶体的成核对晶体生长具有选择性对晶体生长具有选择性对晶体的某一晶相具有选择性对晶体的某一晶相具有选择性对晶体的某一晶面具有选择性对晶体的某一晶面具有选择性不同聚集态的单分子膜对晶体的选择性不同不同聚集态的单分子膜对晶体的选择性不同Sato K.,et al.J Coll Interf Sci,2001,240:133自组装膜体系中的纳米材料晶体生长控制自组装膜体系中的纳米材料晶体生长控制自组装膜自组装膜(self-assembled
17、 monolayers,SAMs)在平衡条件下在平衡条件下,分子分子间通过非共价键间通过非共价键(氢键氢键,范德华力范德华力,静电力静电力,疏水作用力疏水作用力,堆积作用等堆积作用等)相互作用自发形成的一类结构明确相互作用自发形成的一类结构明确,稳定稳定,具有某种特定功能或性能的具有某种特定功能或性能的分子聚集体或超分子结构分子聚集体或超分子结构.SAMs具有分子水平上的高度有序有机分具有分子水平上的高度有序有机分子单层膜子单层膜.有机硫化合物有机硫化合物SAMs形成过程形成过程Si/SiO2基底表面基底表面NH2末端基团末端基团SAMs的形成过程的形成过程Kuther J.,et al.Chem Mater.1998,8:641-650模拟体液中模拟体液中HS(CH2)10COOH SAMs诱导生成诱导生成HAP 草酸钙在硫酸软骨素草酸钙在硫酸软骨素SAMs上形成的周期环状沉淀上形成的周期环状沉淀
