1 1.江苏大学 医学院 检验系, 镇江 212013
2 2.四川大学 国家生物医学材料工程技术研究中心, 成都 610064
天然骨组织由有机纳米材料胶原纤维和无机纳米材料羟基磷灰石组成, 具有独特的微纳米结构以及传统人工合成材料无法比拟的生物功能和力学性能优势。在组织工程和再生医学的研究中, 模拟天然骨组织层次特征的微纳米结构生物材料是研究热点之一。近年来, 研究人员发现微纳米结构生物材料能有效调节细胞增殖、分化和迁移, 促进细胞成骨分化, 进而促进体内骨组织再生。本文综述了利用天然骨组织层次特征指导材料分层设计的研究进展以及微纳米结构生物材料的细胞相互作用特性和在骨组织工程中的应用, 以期为生物材料的设计提供新思路。
微纳米结构 骨再生 生物材料 micro-/nano-structure bone regeneration biomaterial
1 安徽建筑大学工程机械智能制造重点实验室,安徽 合肥 230601
2 安徽春谷3D打印智能装备产业技术研究院,安徽 芜湖 241000
Finally, the limitations of laser processing at present are summarized, and the application and development of laser micromachining technology in the field of medical equipment in the future are prospected. Although laser microprocessing technology can micro-process a new generation of implantable medical devices with extremely fine structure, making the commercial use of the next generation of implantable medical devices feasible, the development of laser micro-processing technology in the biomedical field is not mature enough, the production efficiency is low, and the work stability needs to be improved. For the laser micromachining process, a complete set of theories has not yet been formed to explain the physical nature of the interaction between the laser and material under the extreme conditions of ultra-fast, ultra-short, and ultra-strong, nor can the impact of laser micromachining on the material structure and physical and chemical properties be well evaluated. The next work still needs a lot of basic and regular research. At the same time, according to the characteristics of laser micromachining and the properties of the processed materials, it is also necessary to develop simulation analysis software to simulate the micromachining process and optimize the parameters of the laser micromachining process.
激光微细加工 血管支架 骨支架 生物材料 抗菌性 laser micromachining vascular stent bone stent biological materials antibacterial
1 1.上海大学 环境与化学工程学院, 上海 200444
2 2.上海大学 生命科学学院, 上海 200444
3 3.上海大学 医学院, 上海 200444
临床医学和生物材料的蓬勃发展, 促进了多种疾病的诊断成像、有效治疗和精准诊疗。材料与医学交叉学科(简称“材料医学”)的发展旨在克服传统临床医学面临的主要障碍和挑战, 如系统性毒性、生物利用度差、靶向部位特异性低、诊断/治疗效果不理想等。本文系统地阐述了近年来各种医学材料在疾病诊断、治疗和诊疗方面的应用进展, 特别是纳米医学材料的研究进展。首先, 重点讨论癌症治疗领域的生物医学成像(如光学成像、磁共振成像、超声成像、计算机断层成像等)和治疗策略(如光热治疗、动力学治疗、免疫治疗、协同治疗等)。此外, 我们还重点介绍了医学材料对骨组织工程、呼吸系统、中枢神经系统等疾病的诊断和治疗的最新进展, 并重点阐述了用于生物传感和抗微生物等其他代表性生物医学领域的医学材料。最后, 我们讨论了这些独特的医学材料在实际临床转化和应用中所面临的挑战和未来的机遇, 以促进其早日实现临床转化, 推动医学进步和造福患者。
材料医学 医学材料 生物材料 生物医学应用 综述 materdicine medmaterial biomaterial biomedical application review
昆明理工大学材料科学与工程学院,昆明 650093
羟基磷灰石(HAP)是一种典型的生物活性材料,已在骨外科、牙科临床等方面得到了广泛的应用。由于HAP比表面积大,吸附能力强,HAP在药物递送、污水处理等领域也得到了广泛应用。磁性纳米颗粒具有良好的电磁性能、可回收性和电磁制热性能,已受到越来越多的关注。近年来,为了结合以上两种材料的优点,将磁性材料与羟基磷灰石相结合是上述领域研究应用的重点方向。此前,有综述报道过关于磁性羟基磷灰石复合材料的制备研究,但重点关注于与其他材料的复合,缺乏针对磁性羟基磷灰石制备方法的系统总结。本文以掺杂和包覆两种将磁性引入羟基磷灰石的方式为出发点,系统总结了磁性羟基磷灰石的经典制备方法及其优缺点,并讨论了其相关应用,特别是论述了进一步研究拓展的关键问题以及今后的研究趋势,以期为磁性羟基磷灰石的深入拓展提供参考。
生物材料 羟基磷灰石 磁性 掺杂 包覆 原位复合 机械混合 biomaterial hydroxyapatite magnetism doping coating in situ composition mechanical mixing
1 1.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 高性能陶瓷与超微结构国家重点实验室, 上海 200050
2 2.中国科学院大学 材料与光电研究中心, 北京 100049
含铜生物材料在高浓度铜离子释放时对细菌有优异的抑制作用, 但同时具有细胞毒性; 而在低浓度铜离子释放时虽然具有良好的细胞相容性, 但其抗菌性能低。因此, 开发一种含铜生物材料, 使其能够在高浓度铜离子释放情况下同时具有优异抗菌性能和良好细胞相容性, 具有重要意义。本研究利用钼和铜之间的拮抗作用原理, 采用溶胶-凝胶法制备了钼掺杂铜硅钙石, 并通过细菌平板实验和细胞活力实验评价了材料的抗菌性能和细胞相容性。实验结果显示, 钼掺杂铜硅钙石释放的高浓度铜离子(高于8.87 μg∙mL -1)对金黄色葡萄球菌有良好的抑制性能。同时, 由于铜钼离子的拮抗作用能降低高浓度铜离子对细胞的毒性, 钼掺杂铜硅钙石释放的铜离子在9.65 μg∙mL -1的高浓度下依然能保证人脐静脉内皮细胞存活率高达90%。因此, 钼掺杂可以作为含铜生物材料降低其细胞毒性的一种有效途径, 为开发低细胞毒性含铜抗菌生物材料提供了新的路径。
铜 生物材料 钼 掺杂 铜硅钙石 抗菌性能 细胞相容性 Cu biomaterial Mo doping cuprorivaite bacteria inhibition cytocompatibility
1 中国科学院 上海硅酸盐研究所, 上海 200050
2 中国科学院大学 材料与光电研究中心, 北京 100049
羟基磷灰石超长纳米线可用于构建不同种类的生物材料, 如高柔性生物医用纸和弹性多孔骨缺损修复支架, 在生物医学领域具有良好的应用前景。锶元素作为一种微量元素, 在骨代谢过程中起着重要作用。本研究通过一步溶剂热法合成了具有不同锶掺杂量的羟基磷灰石超长纳米线; 研究了不同锶掺杂量对羟基磷灰石超长纳米线的形貌和物相的影响。所制备的锶掺杂羟基磷灰石超长纳米线具有高柔韧性和超长一维纳米结构。能量色散谱、X射线粉末衍射和傅里叶变换红外光谱分析表明, 锶元素成功地掺杂到了羟基磷灰石超长纳米线中。本研究发展的制备方法可以制备锶/(锶+钙)摩尔比从0到100%任一比例的锶掺杂羟基磷灰石超长纳米线, 大幅拓展了羟基磷灰石超长纳米线在骨缺损修复和牙科修复等生物医学领域中的应用。
羟基磷灰石 锶 纳米线 溶剂热 生物材料 hydroxyapatite strontium nanowire solvothermal biomaterials
1 北京航空航天大学 机械工程与自动化学院, 北京 100191
2 北京航空航天大学 大型金属构件增材制造国家工程实验室, 北京 100191
3 北京航空航天大学 国际交叉研究院, 北京 100191
4 北京航空航天大学 合肥创新研究院, 合肥 230013)
提高医疗植入材料的生物相容性, 对提升植入医疗器械的安全性有重要意义。通过超快激光制造出微纳米级别尺寸的材料结构以改善材料的生物相容性, 近年来已被广泛应用于生物医学领域。本文简单介绍了细胞与生物材料相互作用原理, 从生物材料表面微结构对其生物相容性能的影响出发, 综述了超快激光加工不同材料表面形貌特征对细胞粘附、迁移、增殖、分化的影响, 并进一步指出超快激光制备微纳结构在生物材料领域的局限和发展趋势。
生物材料 超快激光 微纳结构 细胞行为 biomaterials ultrafast laser micro/nano-structures cell behavior
1 合肥工业大学土木与水利工程学院, 安徽 合肥 230009
2 合肥工业大学资源与环境工程学院, 安徽 合肥 230009
为了解决周期性爆发的巢湖水华蓝藻难以处置的问题, 同时改善低密度聚乙烯材料降解周期长的现状, 以低密度聚乙烯(LDPE)为基体, 以巢湖新鲜水华蓝藻制得的蓝藻粉为生物材料, 以马来酸酐接枝聚乙烯 (PE-g-MAH)为增容剂, 以聚乙烯蜡和白油为润滑剂制备复合材料。 设置蓝藻粉含量和增容剂含量2个因素作为实验因素, 实验材料按一定比例充分混合后, 双螺杆挤出制得了复合材料颗粒, 再经过注塑方式获得待测样条。 通过紫外-可见光谱扫描(UV-VIS)联合傅里叶变换红外光谱扫描(FTIR)的光谱学方法了解水华蓝藻粉、 增容剂和复合材料的光谱学特征, 分析复合材料制备过程中的结构变化, 能够先决性判断该种实验方法对制备新型生物材料的可行性。 并以力学性能测试和扫描电镜(SEM)等方法作为辅助手段, 与光谱分析的结果相互反馈, 充分分析水华蓝藻粉、 增容剂含量对复合材料结构与性能的影响。 结果显示: 通过紫外可见光谱分析, 蓝藻初提液在260和620 nm处出现藻蛋白质的特征吸收峰, 表明了蓝藻细胞液中藻蛋白的存在, 具备作为生物反应材料的基本条件。 红外光谱分析可知, 蓝藻粉在1 630, 1 540和1 440 cm-1附近出现特征吸收峰, 符合酰胺键的出峰规律, 在3 300 cm-1附近出现O—H的特征吸收峰, 进一步验证了蓝藻粉活性位点的存在; 马来酸酐的红外光谱图中, 酸酐在1 850和1 740 cm-1处出现CO基的特征峰, 环状酸酐中C—O—C的伸缩振动特征峰出现在1 200 cm-1附近; 而经过反应所得的复合材料红外光谱中, 除聚乙烯的特征吸收峰以外, 蓝藻粉中的酰胺键和O—H, 以及马来酸酐对应得特征吸收峰都已减弱或消失了, 基本可以推测马来酸酐与—OH发生了开环酯化反应, 马来酸酐在生物复合材料的制备过程中起到了连接两个不同反应体系的作用。 而且, 通过扫描电镜可直观的看出, 蓝藻粉含量增加将会导致复合体系中成团现象加剧, 增容剂的加入增强了复合体系界面的粘结性; 力学性能测试的结果为蓝藻粉含量的增加导致复合材料力学性能下降, 尤其冲击性能下降显著降幅达54.10%; 当蓝藻粉的添加量为15.00%时, 随着增容剂用量的增加, 材料的拉伸强度、 弯曲性能和冲击性能均呈现先增大后减小的趋势。 扫描电镜和力学性能的结果也从侧面验证了光谱分析结果的前瞻性和正确性, 避免了盲目实验带来的资源浪费等问题。 综合考虑, 该生物复合材料可选取蓝藻粉含量15.00%, 增容剂含量3.00%, 聚乙烯蜡和白油用量3.00%和1.00%的配方, 此时的力学性能为: 拉伸强度为11.70 MPa, 冲击强度为20.00 kJ·m-2, 弯曲强度为8.80 MPa, 弯曲模量为220.00 MPa。
生物材料 光谱分析 性能反馈 增容剂 Biomaterials Spectral analysis Performance feedback Compatilizer 光谱学与光谱分析
2019, 39(11): 3446
1 国防科技大学 脉冲功率激光技术国家重点实验室, 安徽 合肥 230037
2 电子制约技术安徽省重点实验室, 安徽 合肥 230037
针对目前消光材料实验室动态测试的现状和不足, 提出了基于单光路实现生物材料紫外、红外复合消光性能的测试装置和方法。设计和制作了生物材料紫外、红外复合消光性能的测试装置, 利用上述装置测试了真菌LZ0926孢子, 得到了烟幕箱自制生物材料烟幕的紫外、红外波段平均透过率及质量浓度分别为29.597%、14.514%、0.389 g/m3, 通过数据处理系统得到了生物材料紫外、红外波段平均质量消光系数分别为0.794 75 m2/g, 1.241 59 m2/g。实验结果表明: 该装置成功地利用单光路实现了生物材料的紫外、红外波段的复合消光性能测试, 进一步丰富了生物材料多波段消光性能的测试手段。
生物材料 复合消光 单光路 透过率 质量消光系数 biological materials composite extinction single optical path transmittance mass extinction coefficient 红外与激光工程
2018, 47(3): 0321003