新生代生物材料推动现代临床医学进步

时间:2017-06-25 硕士毕业论文 我要投稿

  呈现各种结构和化学组分的纳米微纤维是通过肽和蛋白质的自我结合和有序排列形成的。科学家们发现,少数具有生物活性的细胞外蛋白质区域可以破碎成小短肽并通过改变肽链的氨基酸序列“裹入”狭小的纳米空间中。因此,纳米纤维可以被设计表达成这些肽链序列的高密度形态。三维宏观凝胶固体也能够展现这些高密度形态的生物活性肽。
  研究人员西尔瓦等应用分子自组装技术开发了一种新的三维材料。这种材料能够诱导神经组细胞的定向分化,而无需生长因子的辅佐。干细胞和祖细胞除了可以分化成特定组织以外,还具有组织修复或替代的巨大潜能。
  它们的这种分化能力主要是受生长因子类的可溶性化合物所控制的。西尔瓦研究小组合成的这种自组装两性肽分子表达有五肽抗原决定基是一种在昆布氨酸中发现的氨基酸序列,它能够促进神经突触的粘附、萌发和生长。这些两性肽分子在水介质中可以进行自组装并形成直径为纳米的纳米纤维。从宏观上看,这些多孔纤维形成高度含水的三维凝胶,它们能够诱导微囊状神经祖细胞迅速分化成神经细胞,同时阻止星形胶质细胞的产生。抑制星形胶质细胞增殖可以阻止神经胶质疤痕的形成,从而在中枢神经系统受损以后抑制轴突的再生和延伸。
  尽管特定生物活性肽的发现推动了具有细胞行为控制能力材料的合理设计,但是对于提供这种控制能力所必需的化学性能科学家们还一无所知。用以检测聚合物!(细胞相互作用的高通量合成和筛选平台可以加速这种材料的开发。研究人员已经筛选出了一个可影响人类胚胎干细胞生长和分化过程的痕量聚合物库。它们具有许多出人意料的特征:一些材料支持高水平的人类胚胎干细胞分化成上皮样细胞,而其他材料则只有在某些生长因子缺乏时才支持人类胚胎干细胞的生长。未来的研究方向是将经过合理设计的生物材料组合化学库与高通量筛选方法结合使用,从而识别出在组织工程化建造中控制细胞行为的新方法。与生长因子这样的扩散性化合物不同,使用生物材料诱导特定细胞行为的能力(诸如分化)首次为精确掌控工程化组织中细胞分化的地点提供了难得的机会。这种细胞行为的位置控制将来可以促进由单一干细胞类型衍生的多种组织的生产。
  除了引导特定细胞行为的生物材料之外,研究人员还在开发针对特定细胞信号的智能生物材料。据报道,含有基质金属蛋白酶!)简称!*!*"+!, 降解位点和细胞粘附配合体的水凝胶已经被生产出来。这些!*!*"+位点有助于天然细胞控制凝胶的变化,从而使组织细胞最终替代合成凝胶材料。当这些生物材料被特定生长因子进一步填充时,诸如骨形成蛋白,这些凝胶将支持细胞的渗透和矿化组织的形成。这些材料显示出了许多天然凝胶的优点,诸如具有变化能力和生物相容性的胶原蛋白,同时避免了天然细胞外基质凝胶的一些不利的特点,诸如非特定蛋白吸附作用等等。
  微制造技术的发展也为智能生物材料和药物传输系统的开发提供了新的方法。譬如,含有个药物孔道的微型移植硅芯片已经问世。每个孔道能够通过低电压实时释放药物。可完全生物降解的微型药物输送芯片也有过相关报道。将传感器与电脑控制的药物传输系统结合运用可以实现反应灵敏的全自动药物治疗过程。
  从临床的观点看,如果这些新生代生物材料不能被恰当的移植,它们的许多优点将丧失殆尽。举例来说,骨骼和移植物之间的准确衔接对于骨组织的附着生长和整合是非常重要的。为此,科学家正在开发一种可转换形态的生物材料,它们在抵达适当的目的地以后会从一种形态(譬如液态)迅速转化成另一种形态(譬如固体或凝胶)。光线、温度或!,"- 变化都可能成为这种形变的诱因。此外,可生物降解的记忆形聚合物也正在研发之中。这些材料至少由两个分离相位构成,它们有着不同的热力学转移温度。这些截然不同的相位转移温度可以使材料在体温条件下“记忆”一个永久的形状,这与室温条件下存在的临时形状有显著的区别。像这样的材料可以大大简化生物材料在外科手术中的使用,因为它们能够在室温条件下以最低限度的损伤完成移植,然后在达到体温以后延展成最终的形状。

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