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纳米科技破译人骨“密码”

📅2017-07-06 16:02:23 字体调整:[小][中][大]

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人体骨骼超微结构图

         骨骼虽为人体最大的组织器官,却最容易引起缺损。在我国,每年因骨折、骨肿瘤等骨科疾病造成骨缺损或功能障碍的患者就超过300万人。随着纳米与生物技术在医用材料领域的不断渗透,患者看到了“断骨再生”的曙光。

         从高分辨电子显微镜和原子力放大镜分析,人体骨骼有一套非常精巧的结构:一束束胶原蛋白与一层层纳米级羟基磷灰石晶体,极为均匀、有序地“镶嵌”在一起。这种多层复合的自组装结构,也让骨骼兼备硬度和抗弯能力。
        在清华大学材料科学与工程系教授崔福斋看来,通过纳米技术获得与天然骨中晶体尺寸相同的纳米级羟基磷灰石,并与胶原蛋白均匀复合,就成为仿生人工骨材料研究的关键。
        人骨的高科技“替身”
        骨骼虽为人体最大的组织器官,却最容易引起缺损。在我国,每年骨科疾病患者超过300万人。骨移植成为仅次于输血的,需求量极大的同种异体组织移植。
        在接受《中国科学报》记者采访时,崔福斋表示,当前,骨缺损的治疗常用手段为自体骨、异体骨、异种骨和人工骨移植,但无论采用哪种方法都存在弊端。
        目前,自体骨可谓骨移植的“金标准”,在全球每年约200万例骨移植手术中,使用自体骨为移植材料的约占45%。不过,这种以牺牲自身健康部位骨组织为代价的“以伤治伤”的手段,在崔福斋看来只是“拆东墙补西墙”的做法。
        而来自体外的移植骨,如其他人体的同种异体骨,或牛骨、猪骨等异种骨,移植到人体后,又会有交叉感染及免疫排异反应的风险。以金属、陶瓷或高分子材料制造的传统人工骨,因其力学特性、生物活性、生物可降解性等,都与天然人体骨相差甚远,同样会给患者带来痛苦。
        人骨在体内处于不断降解、重建的过程,骨髓中的羟基磷灰石也都是纳米大小的颗粒。由于大块的羟基磷灰石无法降解,在体内就永远是个异物,因此就需要将其制成纳米尺度,并与胶原蛋白组装混合在一起。
         “人骨在体温下自组装出这种复杂的结构,但之前没人知道其组装密码。我们就是要找到这种自组装的物理化学参数组合。”崔福斋对记者说。
        为了制备出成分、结构和功能都与人骨高度相似的仿生骨再生修复材料,崔福斋的研究团队根据仿生的思路,在体外模拟生物矿化和自组装过程,历经约10年研究,首次在国际上研制出人骨的最佳“替身”纳米晶磷酸钙胶原基骨修复材料。
        据介绍,这种骨修复材料的孔隙率可以约为80%,孔空隙大小主要分布在100~500微米。X射线衍射、原子力显微镜和高分辨率透射电镜研究结果表明,该材料中羟基磷灰石晶粒尺寸约为30纳米,生长在胶原纤维间隙。而且,羟基磷灰石晶体的c轴择优取向与胶原纤维轴向平行,这些特征都与天然人体骨的成分和纳米结构相同。
        值得一提的是,除了成分和结构与天然人体骨高度相似之外,材料的力学性能也能按需要做成与人松质骨或皮质骨相接近,因此具有良好的可塑性。
        点亮“断骨再生”曙光
        崔福斋告诉记者,他们的研究目前仍在继续,“从四肢骨到脊柱再到颅骨,材料的使用范围越来越广,我们还将不断提高材料的性能,研发更多适合于各种缺损组织的剂型、形状”。
        而随着纳米与生物技术在医用材料领域的不断渗透,国内在骨科纳米生物材料领域的研发热情也在日益高涨,这也让患者看到了“断骨再生”的曙光。
        崔福斋称,骨折手术所使用的骨钉、骨板等固定物,大多都是由钛合金等金属材料制成,待骨头愈合后,还需要对病人进行二次手术将其取出。而一些进口的聚乳酸固定物,虽然能够在体内慢慢降解,但由于其降解产物是酸性液体,同样会对人体造成危害。
        为此,武汉理工大学教授李世普研究团队将聚乳酸骨钉、骨板类植入性医疗器械进行改进,并加入纳米颗粒大小的羟基磷灰石。由于羟基磷灰石体内降解物呈偏碱性,能与聚乳酸偏酸性的降解物产生中和效应,从而有效降低降解物对人体产生的刺激。
        需要强调的是,羟基磷灰石是人骨无机质的主要成分,它赋予骨抗压强度,是骨组织的主要承力者。据崔福斋介绍,四川大学教授李玉宝研究团队在不降解的高分子材料中也添加一些纳米颗粒的羟基磷灰石,由于强度的增加,这种材料适用于体内某些需要承重的骨修复。
        此外,碳纳米管和碳纳米线因其优越的细胞兼容性、机械和电子性能,也成为骨组织材料研究的热点,并促进纳米医用材料的实际应用。
        行业标准亟待制定
        不过,在科学家展现纳米技术灿烂前景的同时,纳米材料的安全性也备受质疑。对于骨科纳米生物材料来讲,植入到人体后,是否也会存在不安全隐患?
        对此,崔福斋强调,对于游离状态的纳米颗粒,进入人体后可能会穿透细胞进入大脑,或者经过血管屏障进入人体的重要器官,从而产生毒性。而对于纳米人工骨来说,并非如此,因为其中的纳米磷酸钙都不是游离状态的纳米颗粒。
        “天然的骨头本身就是纳米颗粒的羟基磷灰石与胶原蛋白结合在一起,人体也必须具备这种优良结构,纳米人工骨同样如此,它在人体呈现固定状态而不是游离状态。”崔福斋说。
        在他看来,骨科纳米材料领域目前存在的关键问题并非安全隐患,而是国内缺少相关安全检测标准。
        以纳米银产品为例,把它放在敷料上可以对伤口进行灭菌、消毒,国内也相继生产出各种纳米银产品。随着纳米材料被曝光存在安全问题,许多企业纷纷被迫停产。
        “对于纳米银产品的安全性,国家并未出台相关的检测标准,因此企业也就无法获批生产许可证。”崔福斋表示,缺乏系统性安全评价以及相关法规标准的缺失,很大程度上限制了纳米技术的推广应用。
        在他看来,要想推动骨科纳米生物材料的产业化进程,建立科学的评价标准和体系已经是迫在眉睫。

文章来源:科学时报
文章链接:http://tech.hexun.com/2013-05-29/154630982.html

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