3D打印技术在生物医学工程中的研究及应用

3D打印正在引发全球制造业革命性变革,它与生物技术结合,可以仿生与个性化地制造、特别是有生命的人体组织与器官,成为支撑第三次产业革命中生物材料科学与产业颠覆性变革的关键技术。文章综述了3D打印技术的分类,三维仿生重构建模技术的发展,以及3D打印技术生物医学工程中的应用情况。

101种生物医学材料样品制备及迟发型超敏反应结果分析

为了评价医疗器械的生物相容性,我们用迟发型超敏反应试验方法对101种医用生物材料进行了研究。在试验的基础上研究了材料的材质情况、样品制备等对超敏反应试验结果的影响,并进行了统计分析,对即将上市的医疗器械生物材料的迟发型超敏反应的风险进行了评价。分析表明我国医用生物材料发生迟发型超敏反应(以生理盐水为浸提介质)的几率较低。

胶原基生物材料制备与应用研究进展

胶原因具有良好的亲水性、柔韧性和趋化性、生物相容性、生物降解性,被认为是改善组织再生最重要的生物材料之一,并广泛应用于食品、化妆品以及再生医学领域。但是,在提取过程中,胶原的结构和自然交联键会遭到破坏,导致其机械强度、热稳定性和抗酶解能力都低于自然状态。受到天然胶原在组织重塑和修复过程中自然交联的启发,研究人员通过引入外源性交联(化学、物理和生物)来优化胶原基材料的机械强度和稳定性。目前,外源性化学、物理或生物交联已被用于修饰胶原的分子结构,通过这些方法制备的胶原基支架材料的刚度、抗张强度和压缩模量都明显提高,但是材料的延展性降低。这些方法主要是通过限制胶原三螺旋结构分子间α链的自由度,防止胶原微纤维排列的破坏,从而提高胶原的热稳定性和机械强度。另外,通过分子间交联掩盖胶原的酶切割位点,能够提高胶原对酶促降解的抵抗力。但是这些方法仍然有一些缺陷,如存在细胞毒性和降低胶原的活性等。研究者们制备了不同物理结构的胶原基材料(脱细胞基质、海绵、水凝胶、自组装纤维、膜、管和多孔球等),以更好地促进不同组织或器官的再生。因此,了解胶原基材料的交联方法和制备技术进展,对开发新型的胶原基生物支架材料至关重要。本文详细总结了制备胶原基材料的外源性交联方法及其优缺点,归纳了不同物理结构的胶原基材料制备方法以及它们在组织再生方面应用的研究进展,并对胶原基材料在再生领域面临的挑战以及未来的发展前景进行了展望。

微纳米结构生物材料在骨组织再生修复中的研究进展

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。

动物皮在生物医学材料中的应用

对动物皮本体及其水解产物皮胶原、明胶、水溶性明胶及多肽在生物医学材料各个方面的应用进行了综述。重点介绍皮胶原在止血方面、药物释放载体材料、组织工程、美容矫形方面的应用,并指出利用动物皮制造生物医学材料具有广阔的发展前景。

组织诱导性材料生物安全性评价研究策略与实践

背景:组织诱导性生物材料种类复杂多样,评价标准缺乏及评价标准存在不足使得开展生物安全性评价是一个热点问题,也是一个难点问题。上述问题的存在导致生产商在开展组织诱导性医疗器械生物安全性试验研究时存在困惑。目的:在从事生物安全性实验评价的基础上,对研发阶段的材料样品应遵循的安全性评价策略,对拟上市注册的产品生物学实验项目的选择提供一些思路和借鉴。方法:对2016年度组织诱导性材料开展生物学实验项目进行了统计分析。统计结果表明,细胞毒性、刺激、致敏实验是开展最多的3大基本实验,同时仅选择刺激、致敏、细胞毒3个实验的样品有58种81批次。在文章中,其中17种材料开展了免疫毒性研究,部分样品还选择了生物降解实验。结果与结论:通过分析表明,在产品的研发及临床前评价阶段,可采取不同的实验方案或者评价策略。在研发初期,可用细胞毒性、刺激、致敏实验进行筛查;在研发后期,选择满足安全性评价要求的非常规实验,如亚慢性毒性、降解、免疫毒性等实验。

磁性纳米粒子的表面改性及其在生物医学领域的应用

磁性纳米粒子因其独特的超顺磁性质和纳米特性,在生物医学领域得到了日益广泛的应用。系统评述了磁性纳米粒子的制备方法、表面改性及其在生物标记与分离、核磁共振成影、药物载体以及疾病诊断与治疗等生物医学领域中的应用。

肽类树状大分子及其生物医学应用

肽类树状大分子是近年来发展起来的一类新型生物医用高分子材料,它除了具有普通树枝状分子的特征如规整性、高度支化、表面呈现高密度功能团、尺度为纳米级、单一分子量等之外,同时还具有类似蛋白一样的球状结构、优良的生物相容性、水溶性、耐蛋白酶水解、生物降解等独特的性能。肽类树状大分子的上述特点,使它在生物医学应用中显示出诱人的前景。系统论述了肽类树状大分子的合成方法、以及在疾病诊断与治疗等生物医学领域中的应用。如作为MRI(磁共振成像)分子探针、诊断试剂以及基因治疗试剂等。将造影官能团偶联到肽类树枝状分子上,即得肽类树枝状MRI分子探针,该类MRI分子探针具有优良的生物相容性,纳米级尺寸结构。含氨基的肽类树枝状分子与基因(DNA)复合成纳米尺寸的粒子,可有效进入细胞,将DNA转移到目标部位,达到基因转染的目的。

家兔法与内毒素法检查生物材料热原的适用性研究

药品与生物材料在生物安全性评价方法上有着很大的区别。临床上广泛运用内毒素法检查药品热原,然而,运用细菌内毒素法进行部分组成成分较为复杂的生物材料的热原试验是否适当有待明确。本研究在2005版药典的基础上,分别运用内毒素法和家兔法对两种组织工程支架材料进行热原试验的比较研究,实验结果表明运用内毒素法得到的试验结果为阴性,运用家兔法得到的试验结果为阳性。这两种方法分别测定每种材料所得到的热原试验结果不相符合,表明对组成成分复杂的生物材料,含热原的因素较为复杂,用家兔法进行试验检测热原可能更加灵敏。

生物三维打印技术的研究现状及发展趋势

2012年英国《经济学人》杂志将三维打印誉为"第三次工业革命的重要标志之一"。3D打印正在引发全球制造业革命性变革,它与生物技术结合形成了一个重要的分支—生物三维打印。生物三维打印是3D打印技术研究的最前沿领域,也是3D打印技术中最具活力和发展前景的方向,本文综述了生物三维打印技术的研究现状及发展趋势。

胶原基复合止血材料的研究进展及展望

胶原蛋白可用于多种止血场景,并凭借优越的性能和易于获取的特点逐渐取代传统止血材料。然而,不同剂型的胶原止血剂都存在各自的缺陷,如力学性能差、粘附性差等。虽然提纯或交联改性胶原能在一定程度上获得改善,但作用有限,临床应用仍深受限制。天然生物及其衍生物材料是来源丰富的止血剂,具有生物相容性和良好的吸收和降解性能。广泛使用的材料包括壳聚糖、纤维蛋白胶、藻酸盐和氧化纤维素,以及近年来逐渐受到重视的传统中药材。因此,胶原蛋白与天然生物及其衍生物材料交联而成的胶原蛋白基复合止血材料,有望成为极具前景的生物医用止血材料。本文综述了不同类型胶原基复合止血材料的研究进展,总结了各自的优缺点,最后对胶原基复合止血材料的未来发展方向进行了探讨。

磷酸钙纳米生物材料的合成及烧结研究进展

纳米磷酸钙陶瓷由于其独特的纳米效应,力学性能和生物活性大幅度提升,成为生物医用材料领域研究热点。纳米磷酸钙陶瓷制备的两大难点在于纳米粉体的合成和陶瓷的烧结。对现有的纳米磷酸钙粉体合成和纳米陶瓷烧结工艺进行了全面的综述,归纳分析了不同过程工艺参数对纳米粉体和陶瓷晶粒的影响,并对今后的研究进行了展望。

静电纺丝新技术及其在生物医药领域的应用

介绍几种静电纺丝法调控纤维形态和结构的新技术,包括制备芯-鞘、中空、多孔、串珠状纤维和取向结构纤维的技术。制备芯-鞘结构纤维的主要方法包括同轴共纺、乳液电纺和相分离。其中,同轴共纺和相分离的方法可以加以延伸,成为制备中空纤维的技术。将两种材料进行混纺,再除去其中一种成分,可以得到具有多孔结构的纤维。乳液电纺也可应用于串珠状纤维的制备。另外,通过对收集装置进行改进,可以得到具有良好取向性或微结构的纤维毡。这些电纺新技术在血管、骨、肌肉、神经、韧带和肝脏等组织的修复和重建中有广泛的应用前景,也可以应用在抗生素、抗癌药等药物以及蛋白质和DNA等生物制剂,乃至活细胞的包埋、传输和控制释放中,因此具有广阔的应用发展前景。

3D-SC人工皮肤材料体内降解实验研究

目的测试3D-SC人工皮肤材料在动物体内的降解性。方法将一定大小的材料真空干燥后植入动物背部皮下,分阶段取出植入材料,观察材料及周围组织情况,将取出的材料真空干燥至恒重。计算材料的质量损失百分率。结果未见材料周围组织异常,第3天材料质量增加3.39%,以后逐渐降低,第7、14、28、42、56、70、84、98天材料质量损失百分率分别为2.06%、7.58%、14.31%、26.83%、37.45%、38.08%、85.45%、87.26%。结论3D-SC人工皮肤材料是一种具有优良生物降解性能的材料,降解产物无毒性,在体内降解过程中表现出较好的生物相容性。70d内降解相对较慢,70d后降解速度加快,降解产物被动物吸收。

纳米羟基磷灰石/胶原复合材料的制备及生物学评价

低温下,水热合成的纳米羟基磷灰石浆液与中性胶原溶胶混合,升温使羟基磷灰石晶体与胶原自组装形成复合凝胶,经洗涤、冻干,获得羟基磷灰石/胶原复合材料。采用XRD,FTIR和TEM对复合材料的特性进行研究,结果表明:羟基磷灰石晶体尺寸为16nm×40nm;复合材料的晶相组成,羟基磷灰石晶体大小、胶原纤维的结构等都与天然骨相似。采用骨髓嗜多染细胞微核实验、致敏实验、以及细胞毒性实验对复合材料进行生物相容性评价。小鼠骨髓微核率为1.6±0.9,与阴性对照组无显著性差异,和阳性对照组有显著性差异。最大剂量法实验表明复合材料无致敏作用。滤膜扩散实验证明复合材料无细胞毒性。复合材料骨内植入的组织学分析表明,4周时,在材料和骨组织的界面处有新骨生成,12周时,界面处有大量的新骨形成。皮下植入44周后,材料降解成碎片,纤维组织长入材料降解区域。本研究制备的纳米羟基磷灰石/胶原复合材料具有体内降解和促进骨形成的能力。不具有致染色体畸变作用、皮肤致敏作用和细胞毒性,是一种生物相容性良好的潜在的骨替换材料。

3D-SC人工皮肤材料对新西兰兔损伤皮肤的修复实验研究

目的观察3D-SC人工皮肤材料对损伤皮肤的修复作用。方法建立皮肤损伤动物模型,分别用3D-SC人工皮肤材料、动物自体皮肤和油纱覆盖创面,测定动物手术前后的体温,分阶段观察创面的愈合情况和创面的一般特征、动物的生长情况,取材作组织学检查,观察创面的组织学反应。结果3组动物手术前后体温变化不明显,动物的生长情况一致,材料组和动物自体皮肤组的抗感染能力、防止创面出血的作用优于对照组。实验组创面未见红肿、坏死。3组创面的愈合时间无统计学意义。组织学观察显示3D-SC人工皮肤材料促进皮肤结构再生能力强于对照组。结论3D-SC人工皮肤材料质地柔软,有良好的抗撕拉能力,便于剪切,覆盖在创面上与创面结合紧密,黏附性较好;对动物无刺激性;能吸收创面渗出液,防止创面积液;对诱导皮肤组织再生有促进作用。

生物源性补片研究现状及应用

人体内组织缺损修复补片材料一直是材料工程和生物医学工程的研究重点之一,人工合成高分子补片因具有物理力学性能好、可塑性强、价格低廉等优点在临床上得到了广泛的应用。但人工合成高分子补片材料普遍存在生物相容性较差、诱导组织再生能力不佳、并发症较多等问题,难以达到人体缺损组织理想修复材料的临床要求,因而,人们将研究的触角伸向了生物源性的补片材料。相比于合成高分子补片,生物源性补片具有更好的生物相容性和更低的免疫原性,在应用中能够很好地与宿主组织整合并诱导新生组织的再生,且并发症较少。但单一的生物源性补片材料在实际应用中仍存在力学强度不够、降解速率过快等问题。为了解决这些问题,研究者们或采用物理和化学方法对生物源性补片材料进行改性,如采用化学交联剂对补片进行交联固定;或对补片结构进行仿生学设计,采用不同的补片成型方法,如静电纺丝等方法优化补片结构;或将多种补片材料复合等,以最大限度地提高补片的物理力学性能、耐降解性能和生物学性能,进而获得更为理想的生物源性补片。本文重点综述了生物源性补片的最新研究进展,介绍了近年来生物源性补片在腹部、心肌、盆腔以及尿道缺损等领域的应用现状,并对其发展前景进行了展望。

淀粉基可生物降解纤维的研究进展

淀粉基可生物降解材料已成为材料研究的热点。概述了淀粉的结构与性能,介绍了几种常见的淀粉改性方法,着重综述了淀粉纤维的研究现状,指出了目前淀粉纤维的应用领域,更为广阔的应用领域尚待开拓,研究亟待深入。最后阐明了淀粉纤维与传统的可降解高分子成纤材料的结合使用,将是淀粉基生物可降解纤维的发展方向。

磷酸钙骨组织工程支架表面微纳米化改性研究

目的：研究多孔磷酸钙骨组织工程支架的表面微纳米化改性。方法通过双氧水发泡法制备多孔磷酸钙骨组织工程支架,利用水热法对材料进行微纳米化表面改性。通过扫描电镜观察材料的显微结构,通过 X 射线衍射仪分析测试材料改性层相成分。结果材料改性处理后,孔隙率为（63±8）%,大孔孔径为（310±30）μm。材料表面及内孔壁生成羟基磷灰石微纳米晶粒或晶须,晶须长20-40μm,直径为100-300 nm。结论多孔磷酸钙陶瓷材料的内外表面经水热法处理微纳米化表面改性后,材料性能得到提升。

3D-SC人工皮肤材料组织相容性的实验研究

目的观察实验材料3D-SC人工皮肤的组织相容性。方法将阴性对照材料DERMMATRIXTM和实验材料3D-SC组织工程材料分别植入SD大鼠背部皮下组织中,分别于1、4、12周在光镜下观察组织学反应。结果植入1周,实验组和对照组的纤维包膜厚度相比差异有显著统计学意义(P<0.01);阴性对照材料和3D-SC组织工程材料炎细胞浸润以淋巴细胞和中性粒细胞为主,个别对照材料发现少量异物巨细胞,实验材料未见异物巨细胞;两种材料的淋巴细胞、中性粒细胞数量相当(P>0.05)。植入4周,对照组的纤维厚度增长显著(P<0.01),与对照组包膜厚度相当(P>0.05);实验组与对照组中淋巴细胞、中性粒细胞及异物巨细胞数量相当(P>0.05);与植入1周相比,实验组的淋巴细胞数量减少明显(P<0.01),而对照组材料变化不明显(P>0.05);对照组的中性粒细胞数量减少明显(P<0.05),实验组的中性粒细胞数量变化不大(P>0.05);两种材料均出现少量异物巨细胞,差别不大(P>0.05)。植入12周,对照组和实验组的包膜厚度相当(P>0.05),各种炎细胞浸润显著减少,表现相当(P>0.05);两种材料未见异物巨细胞;与植入1周相比,实验组的中性粒细胞数量减少显著(P<0.05)。结论3D-SC组织工程材料具有较好的组织相容性。