纳⽶⽣物医⽤材料
余传威
滁州学院材料与化学⼯程学院
摘要:⽣物医⽤材料作为功能材料的⼀种，早在距今约7000年前就有使⽤记录。⽬前⽣物医⽤材料需求巨⼤且对各⽅⾯性能要求越来越⾼。20世纪30年代以来，⽣物医⽤材料随着⼯业的发展得到长⾜进步。近年来，随着纳⽶技术的重⼤突破，纳⽶⽣物医⽤材料应运⽽⽣。纳⽶⽣物医⽤材料因其独特的⼒学性能、可靠地⽣物相容性、良好的降解性能、⾼度的靶向性等等优点成为⽣物医⽤材料中的新星。专家预计，在20世纪⼈类未能彻底攻克的主要疾病，如⼼脏病、艾滋病、中风、糖尿病等，都有望在21世纪纳⽶⽣物和医学的成功应⽤中得到解决[1]。本⽂主要针对纳⽶⽣物医⽤材料的概念、分类、进展、应⽤、发展趋势等⽅⾯进⾏评述，并在最后作出结论。 关键词:⽣物医⽤材料；功能材料；纳⽶⽣物医⽤材料；性能；医学
⽣物医⽤材料是⽤于和⽣物系统结合或替换⽣物机体中的组织器官或增进其功能的材料[2]。纳⽶⽣物医⽤材料则由现代化的纳⽶技术和⽣物材料交叉、融合的全新⾼科技领域，其应⽤前景也必定会kawd-445
带来⽣物医学界的新⼀代⾰新。颗粒在
1~100nm范围内的材料被称为纳⽶材料，纳⽶⽣物医⽤材料体现在纳⽶级药物（可以有很强的靶向性，能制作“⽣物导弹”药物，增强疗效）、纳⽶表⾯特性置换物（对⼈⼯脏器进⾏表⾯或者整体纳⽶处理改性，减⼩毒副作⽤，延长使⽤寿命和安全性）、纳⽶级微⼩检测仪器（纳⽶级颗粒可有效进⼊体内细⼩组织，⼤⼤提⾼疾病的诊断率）等⽅⾯。⽬前，⽣物医⽤材料应⽤很⼴泛，⼤到器官移植，⼩到⽛齿修复和⼿术缝合线等。纳⽶⽣物医⽤材料的研究还很有限，离⼴泛应⽤于临床还有相当⼤距离。很多技术上的难题难以解决。即便如此，其如此多的优越性让各国政要⼤商以及科研机构和个⼈异常狂热。
纳⽶⽣物医⽤材料是⼀个多学科交叉前景⼗分⼴阔的领域，它所具有的独特结构使它显⽰出独特的性能如量⼦尺⼨效应、⼩尺⼨效应、表⾯效应和宏观量⼦隧道效应，故⽽显⽰出许多特有的性质诸如磁引导靶向性、⽣化相容性、耐持久磨损等等。这些优异性能符合了⼈们期望安全有效经济地使⽤脏器替代品和药物增效（这给传统中药很⼤的发展空间）的愿望。纳⽶⽣物医⽤材料按照组成⼀般可分类为纳⽶⽆机⽣物医⽤材料、纳⽶⾼分⼦医⽤材料、纳⽶⽣物医⽤复合材料等。
⼀、纳⽶⽆机⽣物医⽤材料
纳⽶⽣物医⽤⽆机材料可分为纳⽶⽣物陶瓷材料、纳⽶⽣物碳材料、纳⽶⽣物玻璃陶瓷、纳⽶⽣物复
合⽆机材料等⼏类，其中应⽤最⼴泛的是纳⽶⽣物医⽤陶瓷材料与纳⽶⽣物碳材料等。纳⽶陶瓷的问世，将会使陶瓷材料的强度、硬度、韧性和超塑性都⼤为提⾼。
⽣物陶瓷（如磷酸钙、⽣物玻璃、氧化铝等）是⼀类重要的⽣物医⽤材料，在临床上已有⼴泛的应⽤，主要⽤于制造⼈⼯⾻、⾻螺钉、⼈⼯齿、⽛种植体以及⾻的髓内固定材料等。纳⽶陶瓷的制备，将会使陶瓷材料的强度、硬度、韧性和超塑性都⼤为提⾼，⼀些材料学家指出：纳⽶陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径，纳⽶陶瓷材料将会⽐传统陶瓷有更⼴泛的应⽤和发展前景。通用硒鼓
由于量⼦尺⼨效应和具有极⼤的⽐表⾯积及不同的抗菌机制，⽆机纳⽶抗菌剂(如纳⽶
TiO
2，ZnO，SiO
2
。的银系纳⽶复合粉)具有传统⽆机抗菌剂(TiO
2
、ZnO、沸⽯、磷灰⽯等多
孔性物质以及银、铜、⾦等⾦属及其离⼦化合物)所⽆法⽐拟的优良抗菌效果，其综合抗菌效果也优于有机类和天然类抗菌剂，对绿脓杆菌、⼤肠杆菌、⾦黄⾊葡萄球菌、沙门⽒菌、芽枝菌和曲霉等具有很强的杀伤能⼒。这种抗菌剂不仅抗菌能⼒强、范围⼴，⽽且具有极⾼的安全性，是～种长效抗菌剂，可⽤作伤⼝敷料订[3]。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⾦黄⾊葡萄球菌、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[4]。另外，如HAP纳⽶颗粒在体外细胞培养实验中发现，其对正常细胞活性⽆影响。作⽤机理解释为HAP纳⽶微晶对癌细胞DNA合成翻译有抑制作⽤。
双面胶贴纳⽶⽆机⽣物医⽤材料的研究⽅向将从植⼊体在⼈体内随时间变化、⼒学性能（包括抗磨损、耐疲劳、柔韧性等）、可降解、⽣化活性等⽅⾯切⼊。将来的课题还是会围绕三个⽅⾯：⼀是系统地研究纳⽶⽣物⽆机材料的性能、微结构和⽣物学效应通过和常规材料对⽐，出其特殊的规律；⼆是发展新型的纳⽶⽆机⽣物材料；三是进⾏应⽤研究，开创新的产业。与⼈体相容性⾼或者接近⼈体组织，⼒学性能优良且不影响组织正常恢复，不残留有害物质的绿⾊⾼效产品是纳⽶⽆机⽣物医⽤材料的研究
⼤趋势。
⼆、纳⽶⾼分⼦⽣物医⽤材料
现代医学的发展，对材料的性能提出了愈来愈⾼的要求，⼤多数⾦属材料和⽆机材料难以满⾜，⽽合成⾼分⼦材料与天然⾼分⼦材料有着极其相似的化学结构，⽽且来源丰富，能够长期保存，品种繁多，性能可变化，应⽤范围⼴。从坚硬的⽛齿和⾻头、强韧类似筋腱和指甲，到柔软⽽富于弹性的肌⾁组织、透明⾓膜和晶状体等，都可⽤⾼分⼦材料制作，⽽且可加⼯成各种复杂的形状。因此，⽣物医⽤⾼分⼦材料在⽣物医⽤材料领域占绝对优势。[5]纳⽶⽣物医⽤⾼分⼦材料可分为天然⽣物医⽤⾼分⼦材料和合成⽣物医⽤⾼分⼦材料；根据其稳定性可分为⽣物降解型医⽤⾼分⼦材料和不可降解型⽣物医⽤⾼分⼦材料；根据其应⽤可分为⼈⼯脏器，固定、缝合材料，药⽤⾼分⼦材料，诊断⽤⾼分⼦材料及⾎液净化⾼分⼦材料等[6]
古代⼈已经开始⽤天然⾼分⼦材料治病，古埃及⼈⽤棉线和马鬃等做伤⼝缝合线，中国⼈使⽤假⽛假肢，印第安⼈⽤⽊⽚修补颅⾻。1851年发明天然橡胶的硫化法后，⽤天然⾼分⼦硬胶制作⼈⼯⽛托和颚⾻。1936年邮寄玻璃⽤于临床。1943年赛璐珞薄膜⽤于⾎液透析。1950年后⾼分⼦材料⼤发展。1970年后⾼分⼦⽣物医学材料⼤量应⽤。近年来，纳⽶级的⾼分⼦⽣物医⽤材料逐步发展起来，前景光明。
纳⽶⾼分⼦材料可通过微乳液聚合的⽅法得到，这种纳⽶粒⼦可⽤于某些疑难病的介⼊诊断和。由于纳⽶粒⼦⽐红细胞⼩得多，可以在⾎液中⾃由运动，因此，可注⼊各种对机体⽆害的纳⽶粒⼦到⼈体的各部位，检查病变和进⾏。将载有地塞⽶松的乳酸⼄酸共聚物纳⽶粒⼦，通过动脉给药的
⽅法送⼊⾎管内，可以有效动脉再狭窄；⽽载有抗增⽣药物的乳酸⼄醇酸共聚物纳⽶粒⼦经冠状动脉给药，可以有效防⽌冠状动脉再狭窄。聚合物纳⽶粒⼦还可⽤于⽣物物质的分离；将纳⽶颗粒压成薄⽚制成过滤器，由于过滤孔径为纳⽶级，在医药⼯业中可⽤于⾎清的消毒等[7]。通过对纳⽶粒⼦的修饰，可以增加其对肿瘤组织的靶向特异性。有时候药效可以提⾼⼏⼗倍。纳⽶粒⼦作为基因载体输送核苷酸也有很多优越性，结合核苷酸后具有对抗核酸酶的作⽤，防⽌了核酸的降解，同时具有靶向输送功能并增加其在细胞内的稳定性。
⾼分⼦具有易于⼤规模合成且⼀般⽐⽆机⾦属质量⼩的特点，作为临床需求量⼤且要求有⼀定机械性能的医⽤材料如⼿术器械、⽀架等等都很有优势，经过纳⽶技术处理后对防⽌⼿术创伤感染以及⽀架在⼈体组织内相容性都有帮助。技术成熟后，⾼分⼦⽣物医⽤材料可能⼤量替代传统医疗器械和医疗辅助产品。
⼈⼯器官的应⽤，纳⽶⾼分⼦⽣物医⽤材料可以制作⼈⼯脏器、⼈⼯⾎管、⼈⼯⾻骼、⼈⼯关节等，⽐传统⾼分⼦材料性能优越。纳⽶⾼分⼦⽣物医⽤材料凭借其表⾯效应，具有很好的⽣物相容性，对⼈体危害很⼩。⽬前，得到应⽤的材料很多，具体见下表。
⼈⼯脏器⾼分⼦材料
⼼脏嵌段聚醚氨酯弹性体，硅橡胶
肾脏铜氨法再⽣纤维素，醋酸纤维素，聚甲基烯酸甲酯，聚丙烯腈，聚砜，⼄烯—⼄烯醇共聚物（EVA），聚氨酯，聚丙烯，聚碳酸酯，聚甲基丙烯
酸β—羟⼄酯
肝脏赛璐玢（cellophane），聚甲基丙烯酸β—羟⼄酯
胰脏丙烯酸酯共聚酯中空纤维
肺硅橡胶，聚丙烯中空纤维，聚烷砜
关节、⾻超⾼相对分⼦质量聚⼄烯（M>300万），⾼密度聚⼄烯，聚甲基丙烯酸甲酯，尼龙，聚酯
⽪肤硝基纤维素，聚硅酮—尼龙复合物，聚酯，甲壳素
⾓膜聚甲基丙烯酸甲酯，聚甲基丙烯酸β—羟⼄酯，硅橡胶
玻璃体硅油
⿐、⽿硅橡胶，聚⼄烯
乳房聚硅酮
⾎管聚酯纤维，聚四氟⼄烯，嵌段聚醚氨酯
⼈⼯红⾎球全氟烃
⼈⼯⾎浆羟⼄基淀粉，聚⼄烯吡咯酮
钢格板压焊机胆管硅橡胶
⿎膜硅橡胶
⾷道聚硅酮，聚酯纤维
喉头聚四氟⼄烯，聚硅酮，聚⼄烯
⽓管聚⼄烯，聚四氟⼄烯，聚硅酮，聚酯纤维
李逢鹏腹膜聚硅酮，聚⼄烯，聚酯纤维
尿道硅橡胶，聚酯纤维
经过纳⽶技术处理的材料，⼈⼯脏器⼀般使⽤时间增加30%以上，毒副作⽤很⼩。⾼分⼦材料易于合
成，⼀般成本低廉，纳⽶⾼分⼦材料相对容易获得。由此可见，⾼分⼦医⽤材料将来的⽅向必然是与纳⽶技术结合的。⽣物相容性材料、硬组织⽣物医⽤材料、药物释放和送达体系⾼分⼦材料是纳⽶⽣物医⽤⾼分⼦材料的三个主流⽅向。随着⼈⼝⽼龄化的到来，各种⼈⼯器官组织需求巨⼤且逐年增加，同时⼈们对⽣活⽔平要求提⾼，传统的⾼分⼦医⽤材料不能完全满⾜要求，纳⽶⽣物医⽤⾼分⼦材料将是最终正途。研究以绿⾊⽆毒，耐⽤持久为⽬标，对⾎液组织相容性和⾼度可降解的材料，⼈们将⼤⼒发展。
三、纳⽶⽣物医⽤复合材料
纳⽶⽆机/有机⽣物医⽤复合材料的构想源于天然组织，实际上，⼈体的绝⼤多数组织都可以视为复合材料，其中⽛齿和⾻骼就是由纳⽶磷灰⽯晶体和⾼分⼦组成的纳⽶复合材料，它们都具有良好的⼒学性能，通过对天然硬组织的模仿，⼈们已经制备出⼀些纳⽶⽣物医⽤复合材料。纳⽶⽣物医⽤复合材料⼀般由经过纳⽶技术处理的基体材料与增强材料组成。⽬前来说，⼀般⽅法很难获得⼀种均匀的复合材料或⽆法获得纳⽶级细晶材料，这还是⼀个技术难题，如果解决，⼈们将可以制作出很接近⼈体诸如⾻骼等的材料。复合材料本⾝⼀般就具有单纯⽆机或有机材料所不具备的优良⼒学等性能，加上纳⽶技术，形成的纳⽶⽣物医⽤材料性能更加优越，⼤多具有良好的⽣物相容性和⽣物活性，是理想的⽣物医⽤材料。不锈钢酸洗
常见于应⽤于制作⾻修复、⾻替代、假⽛、整形美容填充物、等等。
现在研究⽐较⽕热的有HA体系的复合材料等，如HA/PA66复合材料与⼈体⽪质⾻很接近，并有软⾻诱导性[8]。可考虑为理想的⾻代替或修复材料。
纳⽶⽣物医⽤复合材料各⽅⾯性能突出，必然是各种纳⽶⽣物医⽤材料中最具潜⼒的。它的⽐强度、⽐模量⾼，抗疲劳性能好，抗⽣理腐蚀性好，⼒学相容性好。将来复合材料如果突破技术上的难题，能够⼤规模合成具有纳⽶效应、晶体均匀且⽆毒副作⽤的复合医⽤材料，是⼴⼤患者的福⾳，也能产⽣巨⼤经济效益。
总结
纳⽶材料与技术在⽣物医药、医学中的应⽤⽇益受到⼈们重视。纳⽶⽣物医⽤材料将解决⼈们对⾼性能组织修复、器官替换、疾病诊断与等的迫切需求，必然是将来医⽤功能材料的主流。
纳⽶技术还不成熟成为纳⽶⽣物医⽤材料发展的主要制约，随着纳⽶微粒的表征技术多元化进⾏，如透射电镜、XRD、扫描电⼦显微镜、激光散射等等的发展，纳⽶技术⽇趋成熟，很多技术难题会⼀⼀解决。纳⽶⽣物医⽤材料的发展是不会⽌步的。
纳⽶⽣物医⽤材料的发展趋势将会以复合材料为主体兼顾⽆机和⾼分⼦材料，重点研究取材绿⾊环保且具有⼤规模进⾏的课题。最终产品要求具有⾼度靶向性增强药物疗效或延长药物作⽤时间、对外科有微创或⽆创的益处以及可安全长久替换和修复⼈体组织脏器等功能。
参考⽂献:
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【1】于丽娜等. TiC,TiB
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【2】张宇，葛存旺，虞伟等．⽆机纳⽶抗菌剂⽤于医⽤⽆菌纱布的研究．东南⼤学学报(⾃然科学版)．2001年3⽉第3l卷第2期：11—12.
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【4】师昌绪. 材料⼤词典. 北京：化学⼯业出版社.1994.849.
【5】黄维坦，闻建勋等，⾼技术有机⾼分⼦材料进展.北京：化学⼯业出版社，1994.
【6】王涵，张华. 纳⽶⽣物医⽤材料的研究及发展趋势[A].天津⼯业⼤学出版社第六届功能性纺织品及纳⽶技术研讨会论⽂集[C].天津：天津⼯业⼤学.2005.
【7】Song CX，Labhasetwar V，Murphy H，et al.，Formulation and characterization of biodegrad
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