生物材料课件10纳米生物材料.ppt

第10章 纳米生物材料,纳米生物材料概述高分子纳米生物材料陶瓷纳米生物材料纳米生物复合材料纳米组织工程支架材料展望,纳米材料学的蓬勃发展始于20世纪80年代末。1990年7月伴随着第一届国际科学技术会议与第五届国际扫描隧道显微学会议的召开以及纳米技术、纳米生物学两种国际期刊的问世，纳米材料学正式成为材料科学的一个新分支。由于纳米材料具有其他传统材料所不具备的奇异的物理、化学和力学性质，因此在众多的领域和行业中都具有广泛的应用前景。,10.1 纳米生物材料概述,10.1.1 纳米生物材料的概念和基本效应 纳米生物材料是指在三维方向上至少有一维处于纳米尺度范围（1100nm）的生物医用材料。它能对生物材料进行诊断、治疗、修复或者替换病损组织。与一般的纳米材料一样，纳米生物材料也具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等基本效应。,小尺寸效应 当颗粒尺寸处于纳米尺度时，由于粒子包含的原子数很少，使得材料的声、光、电、磁、热等物理性质发生变化，这样的效应称为小尺寸效应，也叫体积效应。由于金属纳米粒子对光的反射率极低，导致所有的金属在纳米颗粒状态下均呈黑色；相比于块体状态下，纳米金属颗粒的熔点要低得多，比如金的常规熔点为1064，而当颗粒尺寸减小到2nm时熔点仅为327，金属银的粒子尺度下降到5nm时熔点仅为100。,表面效应纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径减小而急剧增大所引起的性质变化称为表面效应。如图7-1所示随着粒子粒径的减小，表面原子数急剧增大。当纳米粒子的粒径为10nm时，表面原子数占总原子数的20%；当粒径减小到1nm时，99%的原子都集中到了粒子的表面。,图7-1 粒子粒径与表面原子占总原子数比例的关系,量子尺寸效应 当粒子尺寸下降到波尔量子半径附近时，金属费米能级附近的电子能级由准连续转变为离散能级，并且纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级而使能隙变宽的现象称为量子尺寸效应。当能级间距大于热能、磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，量子尺寸效应将会导致纳米微粒的电、磁、声、光、热性能发生显著变化，例如导电性能的转变以及光谱线频移。,宏观量子隧道效应 宏观量子隧道效应是指纳米粒子的一些宏观量（如磁化强度）具有贯穿势垒的能力。这一效应限定了磁盘、磁带等存储介质的存储时间极限，因为它不但是未来微电子器件的发展基础，也是其进一步微型化的极限。例如，在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子将通过隧道效应而穿透绝缘层，使器件无法正常工作。因此，宏观量子隧道效应已成为微电子学、光电子学中的重要理论。,10.1.2 纳米生物材料的制备方法 随着纳米技术应用研究的不断发展，纳米材料的研究种类已经涉及到无机材料、有机材料、非晶态材料、复合材料等；同时特定领域的应用往往需要特定尺寸的均一纳米颗粒，纳米颗粒的形貌和结构也会对其功能产生重要的影响。因此，制备高纯、超细、均匀的纳米颗粒对于获得有应用价值的纳米颗粒、实现纳米材料产业的规模化至关重要。目前纳米颗粒的制备方法多种多样，按照反应物的聚集状态主要可以分为固相法、液相法和气相法。,固相法 固相法主要包括物理粉碎法、固相物质热分解法、旋转涂层法和机械合金法等。固相反应不使用溶剂,具有高选择性、高产率、低能耗、工艺过程简单等特点。液相法 液相法是目前实验室和工业上最为广泛采用的合成纳米材料的方法，与固相法相比，液相法的特点主要表现在：可控制化学组成；颗粒的表面活性好、易控制颗粒形状和粒径；工业化成本较低。,液相法主要包括沉淀法,水解法,喷雾法,乳液法,溶胶-凝胶法等,其中应用最广的是溶胶-凝胶法和沉淀法。沉淀法 沉淀法是指包括一种或多种离子的可溶性盐溶液,当加入沉淀剂(如OH-,C2O42-等)于一定温度下使溶液发生水解,形成不溶性的氢氧化物、水合氧化物或盐类从溶液中析出,将溶剂和溶液中原有的阳离子洗去,经热解或热脱即得到所需的氧化物粉料。沉淀法包括共沉淀法、直接沉淀法、均相沉淀法等。,溶胶-凝胶法 溶胶-凝胶（sol-gel）法是指将前驱物质(水溶性盐或油溶性醇盐)溶于水或有机溶剂中形成均质溶液,溶质发生水解反应生成纳米级的粒子并形成溶胶,溶胶经蒸发干燥转变为凝胶，最后将凝胶干燥焙烧得到纳米粉体。该法为低温反应过程,允许掺杂大剂量的无机物和有机物,制备的纳米材料具有高纯度、化学均匀性好、活性大、颗粒细小以及粒径分布窄等优点。,乳液法 乳液法是利用两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成一个均匀的乳液,从乳液中析出固相,这样可使成核、生长、聚结、团聚等过程局限在一个微小的球形液滴内,从而可形成球形颗粒,又避免了颗粒之间进一步团聚。微乳液法具有实验装置简单,能耗低,操作容易;所得纳米粒子粒径分布窄,且单分散性、界面性和稳定性好;与其它方法相比具有粒径易于控制,适应面广等优点。,气相法 气相法指直接利用气体或者通过各种手段将物质变为气体,使之在气体状态下发生物理或化学反应,最后在冷却过程中凝聚长大形成纳米微粒的方法。气体蒸发法制备的纳米微粒主要具有如下特点:表面清洁;粒度整齐,粒径分布窄;粒度容易控制;颗粒分散性好。气相法通过控制可以制备出液相法难以制得的金属、碳化物、氮化物、硼化物等非氧化物超微粉。气相法主要包括溅射法、蒸发-冷凝法、化学气相沉积法等。,10.2 高分子纳米生物材料,高分子纳米生物材料也称为高分子纳米微粒或者高分子超微粒，主要通过微乳液聚合的方法得到。由于高分子纳米生物材料具有良好的生物相容性和生物可降解性，已经成为非常重要的纳米生物医学材料，在靶向药物、控释剂以及疑难病的介入诊断方面有着广阔的应用前景。,10.2.1 靶向药物载体中使用的高分子纳米生物材料 靶向给药系统(Targeting Drug Delivery System，TDDS)或称靶向制剂，诞生于20世纪70年代，是指。这种制剂能将药品运送到靶器药物通过局部或全身血液循环而浓集定位于靶组织、靶器官、靶细胞的给药系统官或靶细胞，而正常部位几乎不受药物的影响。靶向药物载体系统就其导向机理可分为被动靶向和主动靶向两种类型。,主动靶向药物载体 主动靶向药物是利用抗体-抗原和配体-受体结合等生物特异性来实现药物的靶向传递。利用受体与其配体识别的特异性和结合的专一性，可以设计出针对其受体为靶的靶向药物载体系统。这类配体应对受体有很强的亲和力，包括细胞表面标识物如:糖、外源凝聚素等，糖基化交联物如天然糖蛋白及化学修饰的糖基大分子被广泛用作通过受体介导的胞吞作用的主动靶向的配体。含有半乳糖及甘露糖残基的大分子可分别靶向肝细胞及巨噬细胞。,被动靶向药物载体 被动靶向药物是通过药物在特定器官或组织积累的性质或者在外来作用(如电场、磁场等)下靶向定位于特定的肿瘤区域实现靶向定位给药的药物。被动靶向药物的载体主要有有脂质体、微泡、毫微粒等微粒。纳米粒子的被动靶向性与其粒径大小有很大的关系。粒径大于7m时通常被最小的肺毛细血管机械地截留,可直接用于抗肺癌药物的载体;粒径为27m的微粒被毛细血管网摄取后,积集于肝、脾中;粒径为 0.10.2m 时,被网状内皮系统的巨噬细胞内吞转运到肝枯否细胞溶酶体中;粒径小于50nm时,能穿过,肝脏内皮或淋巴传递到达骨髓。微泡是近年发展起来的新携载类型。药物呈分子或微粒状态分散于微泡材料中,静、动脉注射或栓塞、肌注、皮下注射、埋植或口服均可,是一种很有发展前途的微粒给药系统。将超声波技术和微泡结合起来可以充分利用二者之间的协同作用，如图7-2所示，微泡在超声波的作用下破裂，微泡中的气体能有效的降低其空化阈，使得药物更容易释放出来并在能量波的作用下进入靶向细胞中。,图7-2 超声波与微泡的协同作用,10.2.2 纳米控释系统中使用的高分子纳米生物材料药物和信号分子的控制释放体系统称为控释系统（controlled release delivery system,CRDS），是通过改变负载药物或信号分子载体的结构，使药物或信号分子从载体中的释放可以通过一定的方式和途径进行控制，并较长时间维持一定的有效浓度。将生物可降解的聚酯和丙烯酸树脂复配制得的纳米粒子作为胰岛素的药物载体，对饱腹的糖尿病实验鼠分别给予常规胰岛素、封装有胰岛素的纳米颗粒和生理盐水。如图7-3所示，给,予常规胰岛素的血糖水平比给予封装胰岛素纳米颗粒的血糖水平下降的区别并不明显。4h后前者的血糖浓度开始上升并在10h后超过了控制水平，而后者的血糖浓度在6h12h之间都保持在一个较低的水平上，并将药物的有效时间至少延长了8h，缓释效果非常明显。包封于纳米颗粒中的胰岛素在外部聚合物降解的过程中缓慢而持续不断地释放出来，有效地延长了药物作用的时间。,图7-3 饱腹糖尿病实验鼠在分别给予常规胰岛素（）、纳米颗粒包封胰岛素（）和生理盐水（）后血糖浓度随时间变化的关系,10.2.3 基因治疗中使用的高分子纳米生物材料 基因治疗是指将人类的正常基因或有治疗作用的基因通过一定方式导入人体靶细胞(需修复或治疗的细胞),以纠正基因的缺陷或者发挥治疗作用,从而达到治疗疾病目的的生物医学新技术。基因治疗的载体可分为两大类：一类是病毒类载体系统,一类为非病毒类载体系统,前者是迄今为止最有效的基因转移方法,由于病毒高度分化具有感染和寄生特性，使得其基因转递效率通常达90%以上。,由于纳米粒大小与病毒相仿,具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应等特性,而且具有良好的生物相容性，是良好的基因载体材料。它与病毒载体相比有如下的优点:低免疫原性;高容量性;可对插入其中的DNA片断有很好的保护作用。将纳米材料应用于基因治疗的基本机理是：载体将DNA,RNA、PNA(肽核苷酸),dsRNA(双链)等基因治疗分子包裹其中或由静电相互吸引或吸附其表面形成复合物,在细胞摄粒作用下,纳米颗粒进入细胞内,释放基因治疗分子,发挥其治疗效能。,10.2.4 免疫分析中使用的高分子纳米生物材料 免疫分析主要是利用抗体能够与相应抗原及半抗原发生自发的、高选择性的特异性结合这一性质，通过将特定抗体(抗原)作为选择性试剂来对相应等测抗原(抗体)进行分析测定的方法。通常免疫分析比一般化学分析的灵敏度要高一万或一百万倍。免疫分析的提出和发展是20世纪以来在生物分析化学领域所取得的最伟大的成就之一，估计全世界每年要进行数亿次的免疫分析，对生命科学和医学的进步做出了巨大贡献。,标记免疫分析的种类 在标记免疫分析出现之前，免疫分析基本处于定性或半定量阶段。标记免疫分析是将标记技术与抗原抗体的免疫反应相结合的一类分析方法。根据标记试剂的不同，标记免疫分析主要分为:放射免疫分析(RIA)、化学发光免疫分析(CLIA)、酶免疫分析(EIA)和荧光免疫分析(FIA)等。,荧光探针 荧光探针又称荧光染料，是一种广泛使用的荧光标示剂,其优点是检测速度快、重复性好、用样量少、无辐射等。利用荧光探针可测定RNA和DNA的结构、研究DNA 碱基损伤修复、辨别蛋白质分子中氨基的状态和蛋白质分子的活性区,检测pmol级的蛋白质,区分不同构象的核酸以及有关药物的化学反应活性。作为荧光探针的染料必须通过一定的反应基团与抗体或抗原蛋白质结合，形成染料蛋白质结合物，而这一过程通常是由共价结合来完成的。蛋白质分子中往往含有众多反应基团，如,赖氨酸的E-氨基、肤氨酸、半肤氨酸、以及酪氨酸中的酚轻基等。它们可以与染料分子中相应的活性反应基团在一定条件下发生反应。目前已有多种染料类荧光探针应用于荧光免疫分析，其中以荧光素衍生物和罗丹明衍生物应用最为广泛。,表7-4 常见的荧光探针及其特点,10.3 陶瓷纳米生物材料,生物陶瓷无毒副作用，具有良好的生物相容性和耐腐蚀性，在生物医用材料的研究和临床应用中占有十分重要的地位。但是由于常规陶瓷材料中气孔、缺陷的影响，使得材料低温性能较差；弹性模量远高于人骨，力学性能与人骨不匹配，易发生断裂破坏；强度和韧性也不能完全满足临床上的要求，致使其应用受到很大的限制。纳米材料的出现和蓬勃发展，有助于提高生物陶瓷材料的力学性能和生物学性能。,10.3.1 纳米羟基磷灰石生物陶瓷材料 纳米羟基磷灰石粒子由于颗粒尺寸的细微化，比表面积急剧增加等特点，具有和普通羟基磷灰石粒子不同的理化性能，如溶解度较高，表面能更大，生物活性更好等。目前，对纳米羟基磷灰石的应用研究包括：硬组织修复材料、独特的抗肿瘤材料、药物/蛋白质/基因载体等。,力学性能 由于HA生物陶瓷脆性高、抗折强度低,目前仅能应用于非承载的小型种植体,如人工齿根、耳骨、充填骨缺损等,而不能在受载场合下应用。HA的晶粒越细,其生物活性越高,骨植入人体的扭转模量、拉伸模量和拉伸强度就越高,疲劳抗力也相应提高。随着晶粒尺寸的减小,羟基磷灰石陶瓷的硬度和弹性模量均有所上升。当HAP的晶粒尺寸从2m降至800nm后,硬度和弹性模量分别增加了46.9%和23.4%（如图7-4所示）。,羟基磷灰石陶瓷力学性能提高的原因,主要有两方面:晶粒细化可以产生更多的晶界,使位错运动的阻力增大,从而提高材料的硬度和弹性模量;随着晶粒尺寸的减小,晶格常数发生变化,产生晶格畸变,使纳米陶瓷内部形成显微应力,阻碍位错的运动,从而导致羟基磷灰石纳米陶瓷的硬度和弹性模量提高。,（a）,（b）,图7-4 不同晶粒尺寸羟基磷灰石陶瓷的硬度与弹性模量随位移的变化,治疗癌症和肿瘤 研究发现,羟基磷灰石(HA)纳米颗粒对癌细胞有一定的抑制作用。我国学者对 HAP 微粒抑癌作用进行的研究发现纳米 HAP材料要杀死癌细胞、不伤害正常细胞必须具备两个条件:1)纳米粒子必须在一定的尺度范围内,即20100nm之间;2)纳米材料具有分散性。,药物载体 纳米药物载体是以纳米颗粒作为药物和基因的载体，将药物、DNA和RNA等基因治疗分子包裹在纳米颗粒之中或吸附在其表面，同时也在颗粒表面偶联特异性的靶向分子，如特异性配体、单克隆抗体等，通过靶向分子与细胞表面特异性受体结合，在细胞摄粒作用下进入细胞内，实现安全有效的靶向性药物和基因治疗。,羟基磷灰石作为药物载体系统能提高药物在生物膜中的透过性,有利于药物透皮吸收并发挥在细胞内的药效。首先,纳米羟基磷灰石具有很大的比表面,因而有很强的吸附和承载能力；其次,纳米羟基磷灰石作为药物载体十分安全,因为其与人或动物的骨骼、牙齿成分相同,且不为胃肠液所溶解,在释放药物后可降解吸收或全部随粪便排出；另外纳米羟基磷灰石在生成过程中很方便引入放射性元素,可用于癌细胞的灭活。,10.3.2 纳米TiO2颗粒及其应用 纳米TiO2由于粒径极小、比表面积大，具有良好的紫外线屏蔽作用、奇特的颜色效应等，同时由于其很好的生物相容性、稳定性、光敏、气敏、湿敏、压敏等特性和环境无毒害性，已被广泛应用于污水处理、化妆品防晒剂、杀菌材料、光电转换材料、光防腐涂层、红外反射和吸收材料等。纳米TiO2的结构是由纳米颗粒、纳米尺寸的骨架结构和纳米孔洞均匀无规排列而成。纳米尺寸的骨架结构连接着所有的晶粒，同时这些晶粒和骨架一起包围着许多纳米孔洞，形成巨大的网络结构。,光催化杀菌 纳米TiO2光催化氧化杀灭微生物的原理是基于自身的半导体光催化特性。因为光生空穴及生成的活性氧类都有很强的氧化能力，可能通过颗粒表面结合的羟基(如颗粒表面俘获的空穴)等间接或在价带空穴被俘获前直接发生氧化，所以存在光生电子-空穴抗菌和活性氧抗菌两种抗菌机理。,光催化废水处理 纳米TiO2光催化作用以其强劲的氧化能力可以分解破坏许多有机物。至今，人们已经发现有3000多种难降解的有机化合物可以在紫外光照射下被TiO2迅速降解，尤其是在对高浓度和难生化降解的有机物废水的处理方面，这种光催化降解技术具有更加明显的优势。,生物传感器 生物传感器是一种探测单个活细胞的传感器，探头尺寸仅为纳米量级，可以探知细胞中可能导致肿瘤的早期DNA损伤，此外还可用于探测基因表达和靶细胞的蛋白生成以便用于筛选微量药物，从而确定那种药物能最有效的阻止细胞内致病蛋白的活动。生物传感器的原理是使待测物质经扩散作用进入生物活性材料，然后通过分子识别发生生物学反应，产生的信号经过相关的物理或化学换能器转变成定量和可以处理的电信号，最后经二次放大和输出，就可以知道待测物浓度。,在生物传感器制备过程中，选择适宜的材料用于蛋白质/酶的固定化是一个关键性的步骤。纳米粒子由于其与大分子接近的尺寸，可作为氧化还原蛋白质与裸电极材料之间的传输通道。而且他们具有很高的比表面积，同时能够给蛋白质分子更自由的取向，为蛋白质的直接电子传递构筑更适合的方式，使其电活性中心更靠近导电性的电极表面。所以，纳米材料不仅可以为蛋白质的组装提供一个友好的平台，还能极大地促进蛋白分子与电极之间的电子传递过程。由于纳米Ti02具有很高的比表面积，稳定的化学性质，高度的生物相容性，其十分适宜于蛋白质或者酶的固定。,10.3.3 纳米氧化硅微粒在细胞分离中的应用 生物细胞分离是生物细胞研究中的一个重要技术,它关系到能否快速获得所研究的细胞标本。经典的基于细胞物理性质的离心分离法存在费时、效果差的缺陷,因而自20世纪80年代初,人们就开始利用SiO2纳米微粒进行细胞分离。,SiO2纳米微粒属无机材料范畴,比表面积大,吸附性强,性能稳定,一般不发生化学反应,不会污染细胞,既可以实现快速高效制备细胞标本,又容易使细胞与 SiO2微粒的分离。利用SiO2纳米微粒实现细胞分离技术的一个关键就是如何制备得到粒径为1520nm,纯度高,比表面积大,吸附性好,结构为无定型的SiO2纳米微粒。,10.4 纳米生物复合材料,纳米复合材料是由各种纳米单元之间或与基体材料以各种方式复合成型的一种新型复合材料。纳米复合材料包括三种形式,即由两种以上纳米尺寸的粒子进行复合或两种以上厚薄不同的薄膜交替叠迭或纳米粒子和薄膜复合的复合材料。从材料学观点来讲,生物体内多数组织均可视为由各种基质材料构成的复合材料,尤以无机-有机纳米生物复合材料最为常见,如骨骼、牙齿等就是由羟基磷灰石纳米晶体和有机高分子基质等构成的纳米生物复合材料。,10.4.1 纳米羟基磷灰石生物复合材料纳米HAP与天然有机物的复合材料 胶原（Col）是一种蛋白质，组织相容性好，能促进细胞粘附、增殖，可被人体分解吸收，分解产物无副作用，具有弱抗原性，是天然骨的主要成分之一，但是其强度较低且容易变形。人工 nHAP/Col复合材料的制备在一定程度上模拟了天然的矿化过程,称为生物仿生的制备方法。,纳米HAP与人工合成有机物的复合材料 人工合成的有机物具有良好的力学性能,通过将人工合成的有机物与 HAP复合,可以明显提高 HAP 的力学强度和韧性。弯曲测试表明：纳米陶瓷/PLA复合材料的弯曲模量比起单纯的PLA普遍高出12个数量级（表7-1）。,表7-1 陶瓷/PLA复合材料的弯曲模量,10.4.2 基于碳纳米管的纳米生物材料 碳纳米管（Carbon Nanotube），是一种具有特殊结构(径向尺为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本上都封口)的新型纳米材料。如图7-5所示，它是由碳六元环构成的类石墨平面卷曲而成的纳米级中空管，其中每个碳原子通过sp2杂化与周围3个碳原子发生完全键合。,图7-5 碳纳米管,碳纳米管具有巨大的比表面积,许多有机(包括生物分子)或无机分子可以共价或非共价地结合于碳纳米管的表面,对碳纳米管进行表面修饰或功能化。功能化的碳纳米管可以获得原始状态的碳管所没有的性质,包括使碳纳米管在介质中的分散程度和溶解性得到提高、阻止蛋白分子的非特异性吸附、能够识别和结合特定的生物分子等。,以表面活性剂Triton润湿单壁碳纳米管（SWNT）后，可以大大增加SWNT对聚乙二醇(对蛋白质有阻止效应)的吸收，从而有效阻止抗生物素蛋白链霉素(streptavidin)在碳管表面的非特异吸附，如图7-6所示，未处理的SWNT周围吸附了大量抗生物素蛋白链霉素，而经Triton和PEG修饰后SWNT不再吸附抗生物素蛋白链霉素,图7-6 SWNT在抗生物素蛋白链霉素溶液中的AFM照片（a中SWNT未经处理；b中SWNT经Triton和PEG修饰；两幅图大小均为0.51m）,10.4.3 磁性纳米生物复合材料 磁性纳米材料具有良好的磁导向性、较好的生物相容性、生物降解性和活性能基团等特点,它可结合各种功能分子,如酶、抗体、细胞、DNA或RNA等,因而在靶向药物、控制释放、酶的固定化、免疫测定、DNA和细胞的分离与分类等领域可望有广泛的应用。,磁性纳米复合材料在细胞分离方面的应用 与传统的细胞分离技术相比，磁性分离技术的优点在于：被标记物容易在外加磁场作用下分离，并且分离过程不需要复杂的装置，在普通的磁性分离柱中即可实现。采用磁性分离技术不仅可用于细胞的分离，还可用于蛋白的提纯及核酸、DNA等生物分子的分离等方面。,磁性纳米复合材料在神经干细胞移植研究领域的应用 神经干细胞是具有多向分化潜能的细胞,植入机体可以分化为多种类型神经细胞,如神经、少突胶质细胞等，已经用于脑卒中、脊髓损伤、帕金森病的实验及临床研究。磁性纳米粒子解决了神经干细胞在活体内示踪这一难题。目前合成的一种含氧化铁的多能磁性聚酯体可以对干细胞标记,并将标记的细胞移植到脱髓鞘动物模型的中枢神经系统内。这种标记物可以标记哺乳类动物细胞,包括人类的神经干细胞和间质干细胞,磁性氧化铁纳米粒子通过非特异性膜表面吸收过程进入细胞内,标记细胞的增殖、分化能力不受影响。,10.5 纳米组织工程支架材料,组织工程是运用工程科学与生命科学的基本原理和方法，研究与开发生物体替代物来恢复、维持和改进组织功能的一个学科。其基本思路是首先在体外分离、培养细胞，然后将一定量的细胞种植到具有一定形状的三维生物材料支架上，并加以持续培养，最终形成具有一定结构的组织和器官。组织工程支架材料的主要作用有三个：提供一个有利于细胞黏附、增殖、分化及生长的三维支架式外环境,并能为细胞提供结合位点,诱发生物反应,诱导基因的正常表达和细胞的正常生长,起到传递“生物信号”的作用;,作为营养物质、氧气和生物活性物质(如生长因子)的载体,能储藏、运输这些物质,排泄代谢废物,并在组织生长形成过程中不断降解、被机体吸收利用且可调节细胞的生理功能,进行免疫保护;具有一定力学性能,具有一定形貌、结构和尺寸的三维支架材料能够传递应力且能精确控制再生组织的形态结构和尺寸,引导组织按预定形态生长。由于纳米材料具有其他传统材料难以匹敌的特异性能，近年来在组织工程领域的应用正成为新的研究热点。,10.5.1 纳米纤维组织工程支架 具有三维纳米纤维结构的支架能最大限度地模仿天然细胞外基质（ECM）的结构,进而具备生物功能,实现与肌体组织的完全整合。因此,仿生组织工程支架的设计与构建必须由纳米纤维来实现。与其它纳米材料相同，纳米纤维支架材料也存在尺寸效应和表面(界面)效应,这两个特性使纳米支架材料更能有效地诱导细胞生长和组织再生,因而在性能上与具有相同组成的微米级支架材料存在非常显著的差异。,静电纺丝 静电纺丝技术由Formhals于1934年提出，其原理是利用外加电场力使聚合物溶液或熔体克服表面张力在纺丝喷头毛细管尖端形成射流，当电场强度足够高时，在静电斥力、和表面张力的共同作用下，聚合物射流沿不稳定的螺旋轨迹弯曲运动，在几十毫秒内被牵伸千万倍，随溶剂挥发，射流固化形成亚微米至纳米级超细纤维。目前，静电纺已经被广泛应用在组织工程研究的各个领域。与其它组织工程支架制备技术相比，静电纺技术主要有以下几个特点：,能够制备直径与天然ECM(相近的连续超细纤维，因而支架可以最大程度地仿生人体内ECM结构；能够简捷地制备各种聚合物支架，支架材料可以是单一的聚合物，也可以是多种聚合物的复合体，并可以在支架中引入无机粒子(如羟基磷灰石等)、生长因子、细胞调控因子甚至活细胞；制备的支架具有较高的孔隙率和较好的孔道连通。通过调节加工参数，电纺纳米纤维的孔隙率可达90%左右，能够满足细胞生长对材料孔隙率的要求，由纳米纤维层层堆积而成的结构也确保了支架具有良好的孔道连通性。此外，纳米纤维,具有极大的比表面积。这些都为细胞的生存提供了良好的微环境，有利于细胞的粘附、分化、增殖和分泌ECM；通过选择适当的材料和加工参数，可以获得降解率可控的纳米纤维支架，并能对材料表面进行理化修饰，提高支架的生物相容性；通过调节溶液浓度、纺丝参数等可以很好控制支架的厚度、三维结构和力学性能。,自组装技术 自组装是在没有人为干扰的条件下由组元的自主装配形成的一种相对稳定的系统或结构。静电纺丝所获得的纤维支架其纤维直径都在几十到几百纳米的超纳米尺度,远未达到细胞能感知的极限纳米尺度(10nm)。自组装技术可获得直径小于10nm的纤维及其三维纤维支架。,细菌纤维素 细菌纤维素（Bacterial cellulose,BC）植物纤维素相似，都是由吡喃型葡萄糖单体（-D-葡萄糖）通过-1,4-糖苷键连接而形成的一种无分支、大分子直链聚合物，直链之间彼此平行，不呈螺旋构象，无分支结构。细菌纤维素的弹性模量为一般植物纤维素的数倍至10倍以上,并且抗拉强度高;此外,细菌纤维素有很强的持水能力,良好的生物可降解性,具有作为生物医用材料最适宜的微孔径,其分布量大,而且含有丰富的纳米孔隙,这些特点赋予材料以较好的渗透性,适于营养物质、生物因子扩散及血管的长入等。,细菌纤维素的微纤直径小于10nm,从纳米纤维的制造到三维结构的获得一步完成,因此,这类连续纳米纤维不仅在组织工程和植入物方面,同时还在药物释放、膜技术、微电子和农业等方面具有发展前途。经过修饰的BC更接近于天然软骨中的葡萄胺聚糖，使得软骨细胞能够粘附在BC材料上（图7-7）。,图7-7 附着于BC材料上的牛软骨细胞SEM照片（标尺长度为4m）,10.5.2 纳米复合组织工程支架 纳米复合材料可以模拟出人体组织相似的细胞基质微环境,因而是组织工程研究中应用最为广泛的材料。合成生物材料具有良好的力学强度和可控的降解速率，但是大部分合成材料都缺乏细胞识别的位点，不能支持细胞在材料表面的粘附、增殖、分化以及细胞外基质的分泌。通过天然材料与合成材料复合，可以在保持支架材料的力学强度以及降解行为不变的前提下获得具有生物活性的表面。,纳米磷灰石/胶原/聚乳酸复合物（nHPA/Col/PLA）是一类在组成成分和微观等级结构上与天然骨十分相似的纳米复合物（图7-8）,是骨组织工程良好的支架材料，在大段骨缺损有很好的临床应用前景。,图7-8 纳米磷灰石/胶原/聚乳酸骨组织工程支架材料的多孔结构SEM,10.6 展望,随着纳米材料和纳米技术在生物材料研究领域的不断发展，不同学科间的交叉和融合趋势也越来越明显，目前已经成为整个生物医用材料研究的热点，不断有新材料和新技术涌现出来，例如：生物芯片材料、纳米生物仿生材料、生物纳米马达、蛋白质微接触印刷、DNA模版电子器件以及纳米生物传感器等等。,近十余年来，纳米材料研究工具也取得很大进展。除了SEM、STM与ATM外，还出现了如超低温电镜、质谱仪 能量滤过透射电镜、纳米水平蚀刻技术、荧光反射显微镜、激光捕获单分子技术、飞秒动力X衍射、optical tweezer等。原位与原位外的实验方法对于获取生物材料的结构信息，如3D结构，表面形态与动力学等具有非常重要的作用。,总之，生物纳米材料科学通过探索生命科学与材料科学交叉领域的根本原理，在纳米尺度的范围内设计构建出具有目标功能的纳米材料和纳米器件，目前已经展示出激动人心的前景。随着在这一领域的研究和应用不断深入，必将为让人类社会的进步做出巨大的贡献。,习题,简述纳米材料的制备方法有哪些？举例说明纳米材料在靶向药物载体中的应用。纳米羟基磷灰石的特点是什么？在生物医用领域的应用有哪些？什么是生物细胞分离？它的基本原理是什么？举例说明碳纳米管在生物材料中的应用。,