组织工程研究中的快速进展的热点生物材料(1)

1生物材料研究的定义及与时俱进从现代意义上讲,生物材料起源于20世纪40年代,学科形成于20世纪80年代。生物材料学已成为一门新兴的交叉学科。从生物材料的发展历史及其特点来看,生物材料的发展基本上可分为3个阶段,即惰性生物材料及其生物化、生物可降解材料和组织工程支架材料。它们分别代表了生物材料发展的不同阶段和各自生物材料的特点和性能。

生物材料在Masquelet技术中的应用

背景:骨缺损的修复和治疗难度较高,其临床治疗方案多样,Masquelet技术是一种成功率高、疗效可靠且已经应用于临床的治疗方法,但是该技术目前机制并未完全明确,且该技术在临床应用上还存在一些问题,技术仍然不是特别成熟。目的:对现阶段在Masquelet技术改进的研究中所应用的生物材料进行整理与归纳,为该技术的进一步发展提供思路与参考。方法:通过计算机在中国知网和PubMed数据库中检索2013年1月至2022年11月的相关文献,中文检索词为“Masquelet技术,膜诱导技术,诱导膜,生物材料,骨缺损”;英文检索词为“Masquelet technique,Induced membrane technique,Induced membrane,biomaterial,Bone defect”,对最终纳入符合标准的58篇文献进行综述。结果与结论:①Masquelet技术的出现与不断发展为治疗骨缺损提供了一种治疗策略,有些研究者将研究方向放在研究出更好的间隔材料、自体骨的替代材料和与诱导膜具有相同性能的膜材料上,以便于将两阶段术式简化,缩短治疗时间和减轻患者的痛苦。②硫酸钙、硅胶、聚乳酸-羟基乙酸共聚物和聚丙烯在动物实验或者临床应用中可以替代聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥形成诱导膜,且各有优势,但是与预想不同,常见的钛和聚乙烯醇海绵反而不能在这一步中作为聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥的替代材料。③自体骨的替代材料多种多样,同种异体骨、β-磷酸三钙、可吸收性明胶海绵、α-硫酸钙半水合物、生物活性玻璃、钛和钽等材料都在临床或基础实验中证明了其可以在术式第二阶段中减少自体松质骨植骨量的能力,其中同种异体骨、β-磷酸三钙、生物活性玻璃、钛和钽等材料可替代自体骨作为移植物,其余材料需与自体骨混合使用。④仿生诱导膜、人羊膜、人脱细胞真皮、聚四氟乙烯甚至自体皮质骨通过实验证实了其与诱导膜具有相似性能。⑤现阶段,众多生物材料在该技术中的应用与研究大多数仍存在于基础研究阶段,尚未应用于临床实践或大范围推广,但是上述材料可为Masquelet技术机制的探究、术式的改进与临床应用提供更充分的理论依据和新思路。

肌腱组织工程支架生物材料与孔隙特征

背景:随着肌腱损伤肌腱移植手术的增多,对肌腱组织工程支架的需求日益增加,研究发现植入物良好的孔隙大小及孔隙率有助于组织愈合。目的:总结肌腱组织工程支架的材料种类,调查各类肌腱组织工程支架材料与孔隙的相关情况。方法:应用计算机检索PubMed、Embase、Web of Science数据库中发表的相关文献,检索关键词为“tendon”或“ligament”和“tissue scaffold”以及“porosity”或“permeability”,共纳入84篇符合标准的文献进行归纳总结,讨论并展望未来的发展方向。结果与结论:肌腱组织工程研究所涉及的支架材料主要分为天然肌腱支架材料和人工合成腱性支架材料两大类,其中天然支架材料包含自体肌腱、同种异体肌腱和异种肌腱,自体肌腱、同种异体肌腱在临床上已应用多年,在制备异体肌腱以及动物实验过程中发现脱细胞消毒过程中会导致两种肌腱孔隙大小及孔隙率增加的现象,但是具体原因及机制并未进一步研究。人工合成腱性支架材料目前研究的种类有很多,其中以Leeds Keio、LARS为代表的人工韧带产品目前还在部分国家使用,其他材料目前因技术不成熟等问题未能在临床推广,人工合成腱性支架材料的孔隙及孔隙率因其材料与制备技术的不同也呈现不同的趋势。

血管化类器官的构建方法及生物材料

类器官血管化是完善类器官结构、功能及支持其体外长期存活的关键问题。近年来,随着类器官培养及生物工程技术的发展,类器官血管化有了长足的进步。本文综述了血管化类器官领域的最新进展,总结了目前用于血管化的构建策略与方法,包括干细胞共分化、多细胞共培养、微血管片段,移植后体内再血管化等生物技术,以及微制造、静电纺丝、三维生物打印、微流控技术等工程技术手段在血管化类器官方面的应用。血管化类器官的构建通常会辅以生物材料来负载血管化相关因子或提供不同类型细胞生长的微环境,本文对构建血管化类器官中应用的天然及合成生物材料也做了相应讨论。虽然类器官血管化目前还存在一定的局限性,但随着对血管化关键机制的解析及生物工程技术的进步,多种构建方法及生物材料的联合应用,将极大促进结构及功能完善的血管化类器官构建,并实质性地推动类器官技术在基础及临床医学领域的应用。

可降解生物材料应用于修复感染性骨缺损的研究进展

与不可降解生物材料相比,可降解生物材料在严重骨缺损的修复中发挥着越来越重要的作用,受到研究者的广泛关注。在骨缺损的治疗中,由可降解生物材料制成的支架可以为新骨组织生长提供爬行的桥梁,并为细胞和生长因子发挥作用提供平台,这些细胞和生长因子最终将在体内降解吸收并被新生骨组织替代。现阶段研究较多的可降解生物材料主要有6种,包括聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)、聚己内酯(PCL)、聚乳酸(PLA)、聚乙醇酸(PGA)、β-磷酸三钙(β-TCP)、羟基磷灰石(HA)。这是一类无毒、具有良好生物相容性和血液相容性的可降解生物材料。本文就可降解生物材料修复感染性骨缺损的研究进展作一系统综述。

面向生物医学工程专业的生物材料基础课程教学改革探讨

医疗健康领域对医工交叉复合型人才的需求日益增长,生物材料课程在医工交叉复合型人才培养中扮演着至关重要的角色。针对该课程目前存在的知识涵盖面广且零散,现有授课内容与真实的临床应用场景分离等问题,提出该课程的教学改革创新。课程内容“以典型医疗器械为主线,重构生物材料知识结构,达到深度医工融合人才培养的目标”。课程内容分为共性基础、组织工程、肌骨系统和心血管系统四个板块,以医疗器械构建和应用中的问题为线索,讲授天然和人工生物材料的基本理论及应用。同时,注重思政教育,将思政教育融入专业教学,引导学生从家国情怀、科学精神和专业使命等方面思考医工交叉领域问题。该课程改革举措提高课程教学效果和学生的学习兴趣,服务医工交叉型复合人才培养目标。

生物材料促进角膜碱烧伤修复的作用机制和应用途径

背景:在角膜碱烧伤治疗中,传统治疗方法存在多种局限,尤其在控制炎症、预防新生血管形成和抑制角膜瘢痕化方面表现不佳。天然材料、合成材料或复合材料为治疗提供了多元化的选择,然而生物材料促进角膜碱烧伤修复的相关机制尚未形成系统深入的认识。目的:对目前生物材料促进角膜碱烧伤修复的国内外研究进行梳理,综述生物材料修复角膜碱烧伤的机制及其应用途径。方法:第一作者以“角膜,碱烧伤,羊膜,透明质酸,胶原,壳聚糖,高分子材料”“Amniotic membrane,Hyaluronic acid,Collagen,Chitosan,Polymer,Cornea,Alkali burn”为关键词在Pub Med、Web of Science、中国知网和万方文献数据库内检索,根据纳入标准和排除标准,最终纳入符合要求的76篇文献进行综述。结果与结论:(1)在角膜碱烧伤修复领域,羊膜、透明质酸、胶原、壳聚糖和可降解高分子材料等生物材料被广泛研究和应用,这些生物材料各有其特点和优缺点,在不同方面都有所突出。(2)首先,羊膜因含丰富的生物活性因子而被认为是最有前景的生物材料之一,其生物相容性良好,并且能够调节角膜炎症反应,但是存在供体短缺和易感染疾病的问题。(3)透明质酸具有良好的保湿性和生物相容性,并且能够提高角膜细胞的生存率和增加角膜透明度。(4)胶原具有良好的生物相容性和支架结构,能够促进角膜细胞的黏附和增殖,促进角膜组织结构的重建。(5)壳聚糖具有良好的生物相容性和可降解性,可作为载体用于药物递送和细胞移植。(6)可降解高分子材料具有较好的降解可控性,可为角膜碱烧伤的修复提供良好的支持和递送平台,但其稳定性和生物相容性仍需进一步研究。(7)综合来看,目前还没有一种生物材料能够完全解决角膜碱烧伤的修复问题,每种生物材料都有其特定的适用场景和局限性。(8)未来的研究方向应该是通过进一步改进生物材料的性能和结构,探索更有效的组合应用方式,以及深入了解生物材料与角膜组织的相互作用机制,以提高角膜碱烧伤的治疗效果和患者的生活质量。

生物材料在心脏再生修复过程中的应用

心肌梗死是冠状动脉急性、持续性缺血缺氧所引起的心肌坏死,发病率和死亡率居高不下。虽然通过冠状动脉介入或溶栓药物等治疗手段恢复血供,能提高患者的生存率,但难以挽救梗死区丢失的心肌细胞,而成年哺乳动物心脏自身修复能力有限是造成心肌纤维化,最终进展为心力衰竭的主要因素。长期以来,已有的治疗手段难以逆转心肌梗死后的心力衰竭进程。细胞移植有望成为促进梗死修复与再生最有前景的治疗方法,由于缺血缺氧微环境导致移植后有限的干细胞存活和保留,结果不是很理想。而脱细胞生物材料以促进血管生成和减轻纤维化显示了临床前治疗潜力。该综述概述了各种脱细胞生物材料及通过微创的方式进行心外膜修复及心肌内注射促进心脏再生、改善心脏功能的利与弊,为将来利用脱细胞生物材料结合优化的药物促进心肌再生提供参考。

生物材料的灭菌

从第一代的惰性材料到第三代的活性材料,生物材料近年来发展迅速,在生物医学中展现出巨大的应用前景,但其有效的灭菌变得越来越困难;而生物材料有效的灭菌和消毒是其临床转化必不可少的重要步骤。本综述总结了针对生物材料的经典和新型的多种灭菌消毒方法,以及这些灭菌技术对生物材料理化性质的影响,同时讨论了各种方法的杀菌效果、毒性和实际应用中存在的问题,以期为生物材料研究中的灭菌方法选择提供参考。

生物材料领域科普现状分析及学会的应对策略

通过分析当前生物材料领域科普工作现状,剖析学会科普工作目前亟待完善之处,有针对性地提出学会科普工作优化路径。具体而言,要从四个方面着手。首先,加强学会制度保障,汇聚内外部科普资源,形成合力。其次,聚合专业分会力量,严格把关科普内容,确保传播准确性和可靠性。再次,借助全媒体平台,创新传播方式,让科普知识更加生动、有趣、广泛传播。最后,加强科普品牌建设,提升科普活动知名度和影响力,通过品牌化运作,吸引更多的资源和社会关注,为科普工作提供有力支持。

生物材料异物反应的调控策略

背景:生物材料植入体内后引发的异物反应会导致其被纤维组织包裹,阻碍植入物与宿主组织的相互作用,损害植入物的功能,进而缩短其寿命。目的:重点讨论生物材料异物反应的调控策略进展,包括基于生物材料表面改性、药物递送和仿生表面修饰的策略,同时探讨了这些方法的优势和局限性。方法:应用计算机在PubMed、Wiley、EBSCOhost、ScienceDirect和Elsevier数据库检索2000年1月至2024年3月期间的相关文献,以“biological materials,foreign body reaction,fibrosis,macrophage,myofibroblasts,inflammation,regulation,tissue repair”为检索词,最终纳入69篇文献进行分析。结果与结论:通过调整生物材料的表面特性(例如尺寸、形状、粗糙度、表面电荷、亲水性以及机械刚度等)能够减轻其对免疫系统的刺激,进而降低发生异物反应的风险;通过可控量的药物刺激产生持久的化学反应,结合使用可控降解的载体材料,可以减轻异物反应;生物材料仿生表面修饰(如两性离子涂层、蛋白质分子涂层等生物活性分子涂层)在短期能有效减轻异物反应。由于植入物和组织再生的免疫反应具有复杂性,在设计和制造植入物时也应考虑异物反应和组织再生之间的整体平衡。

释氧生物材料用于组织工程的研究进展

一定程度的局部缺氧会引起不同水平的组织细胞损伤,释氧生物材料能持续给移植细胞供氧。近年来,许多研究致力于开发更有应用价值的释氧生物材料和体系,来增加体内的氧气输送以保证植入组织的有效氧供。根据提供氧气的形式释氧生物材料可以分为携氧材料和产氧材料。前者基于特定条件下结合氧分子后提供治疗性氧合,后者则是借助氧源材料组合入聚合物内,通过在体内的水解达到氧气释放的效果。文章归纳和总结携氧材料发展现状与产氧材料的氧源供应、装载材料和控制释放等多方面的最新研究,论述释氧生物材料进行氧气递送的实践应用和控制缓释的一系列方案。

基于软光刻的高分子生物材料表面图案化及改性研究进展

生物材料表面的微形貌通过模仿细胞外基质,对细胞的行为具有调控作用。本文基于聚二甲基硅氧烷软光刻技术,分析热塑性和非热塑性材料的理化和生物特性,阐述如何分别采用熔融浇铸和溶液浇注的方法进行单一或复合表面图案化制备,探讨如何通过图案特性对组织工程细胞生物学行为产生影响。此外借鉴热塑性材料改性方法(表面化学修饰、表面微纳米级形貌修饰、表面生物涂层修饰)探讨如何在热塑性图案化结构的基础上赋予材料新的生物功能,为高分子生物材料表面的图案化和改性研究提供参考。

鱼鳞作为多功能生物材料的应用研究进展

鱼鳞是一种天然可再生的生物复合材料,主要由胶原蛋白和羟基磷灰石组成。鱼鳞和以鱼鳞为主要基质的生物复合材料因其具有良好的生物相容性、生物降解性、多活性基团、分级结构、高韧性等性能,在生物填料、重金属离子吸附、医疗卫生和电子领域显示出诸多优势,应用前景广阔。将鱼鳞转化为功能材料,可以避免资源浪费,实现鱼鳞的商业价值。介绍了鱼鳞的结构以及以鱼鳞为主要基质的衍生功能材料,列举了在生产生活中的应用,为鱼鳞及其衍生物的应用研究提供参考方向。

胶原蛋白-壳聚糖生物材料的研究进展

胶原蛋白与壳聚糖作为重要的天然生物质来源,二者复合形成的生物材料由于具有生物相容性、抗氧化能力、抗菌性等多种特性而备受关注。然而,胶原蛋白-壳聚糖生物材料的弱机械强度限制了其应用范围。近年来,研究者们致力于通过多种制备方式及改性方法来提高其理化性质,使其被广泛应用于生物医药与食品领域。本文基于胶原蛋白-壳聚糖生物材料的特性,对近年来其制备方法,如离子凝胶法、浇铸、纺丝、3D打印进行了概述,并对其在生物医药与食品领域的最新研究进展进行了总结。

PBL教学法在生物材料检验课程思政教学中的应用

生物材料检验是一门跨学科课程,涉及多门学科的知识,因此需要采取多种教学手段。以问题为导向的教学法(problem-based learning,PBL)作为一种有效的教学工具,可以帮助学生培养自主学习、信息筛选和解决问题的能力。学生通过参与相对独立的项目可以提高学习技巧、批判性思维和自主学习能力,同时培养团队合作与沟通能力。在生物材料检验课程中引入PBL教学法,可以让学生在探究与解决问题的过程中发挥主动性,并培养系统性思考方式和批判性思维方式。PBL教学法还可以增强学生的团队合作意识和能力,提高解决问题与合作完成任务的技能。文章主要探讨PBL教学法在生物材料检验课程思政教学中应用的可行性,并探讨其在课堂教学中的实践应用。

风化煤固定化微生物材料对铅的吸附特性及机理

风化煤固定化微生物材料较游离微生物能更好地钝化重金属。研究旨在探究风化煤固定化微生物材料的铅吸附性能及机理,为其污染场地应用提供理论指导和依据。以风化煤固定化微生物材料为对象,通过批量吸附试验系统研究材料的用量、pH、吸附时间和铅溶液质量浓度对其吸附性能的影响,并采用动力学、热力学模型拟合的方式描述铅吸附过程,结合扫描电镜和红外光谱技术对吸附机理进行探究。结果表明,风化煤固定化微生物材料用量为0.4 g/L、pH值为4、吸附时间大于12 h时,在200 mg/L铅溶液中吸附性能最优,最大吸附量达到338 mg/g;拟二级动力学模型和Langmuir模型显示,该吸附过程以化学吸附为主,且铅离子以单分子层的形式排列;热力学分析表明,该反应是自发的吸热反应,温度升高会促进反应的发生。材料表面钙、钠等元素的离子交换作用及羟基、羧基、羰基、酰胺基等活性基团的络合沉淀作用,促进了风化煤固定化微生物材料的铅吸附作用。在铅质量浓度为200 mg/L,材料用量为0.4 g/L、pH值为4、吸附时间大于12 h时,可实现材料吸附性能的最大化。材料表面的Ca、Na等元素与铅的离子交换作用以及羟基、羧基、羰基、酰胺基与铅的络合沉淀作用是其主要作用机制。

主题互动式新工科研究生教学探索与实践——以生物材料表界面与功能化课程为例

在生物医学工程院系开设生物材料表界面一类专精课程有利于凸显新工科背景下多学科交叉融合特色,助力培养医疗器械细分领域创新型科技攻关人才。该文以中山大学研究生课程生物材料表界面与功能化为例,在“以学生为中心”教育理念导向下,以“自主创新精神”为引领,以生物材料表界面及表面改性相关原理、技术和应用为切入点,针对交叉学科研究生多元化个体需求及传统“灌输式”授课模式潜在问题进行“主题互动式”教学改革,以实现教与学立体联动,培养学生核心素养和综合能力。

促皮肤伤口愈合的生物材料研究进展

皮肤伤口愈合是一个复杂的多阶段生物学过程,严重的皮肤损伤或患者全身健康状况不良等情况会显著降低皮肤的愈合能力,容易形成慢性创面。传统的伤口敷料功能单一,无法促进伤口愈合。近年来,生物材料由于其强大的功能,受到了广泛关注和研究。某些生物材料本身具有生物黏附、抗菌、促血管生成等作用,还可以根据需要调整生物材料的理化性质以及负载的生物活性物质,这些特点对于设计伤口敷料是有利的。目前已经研发出了许多基于生物材料的新型伤口敷料。本文将对促皮肤伤口愈合的生物材料研究进展进行综述。

多学科交叉下材料科学与工程专业生物材料本科培养课程设置调研

深化高校专业供给侧改革,以经济社会发展和学生职业生涯发展需求为导向,构建自主性、灵活性与规范性、稳定性相统一的专业设置管理体系是我国深化本科教育教学制度改革全面提高人才培养质量的方针意见。针对生物材料需求的快速增长,高校专业设置也应以需求为导向进行改革。经过调研全球材料科学与工程专业顶尖高校的生物材料方向本科培养课程设置,我们发现各高校课程设置的自主性和灵活性较高,但规范性和稳定性不足,如何构建标准统一的生物材料专业设置管理体系是全球面临的一致问题。