Perspectivas de aplicación y desarrollo de materiales biomédicos
El desarrollo de biomateriales contemporáneos no sólo enfatiza la mejora de las propiedades físicas y químicas, la seguridad biológica y la confiabilidad, sino que también enfatiza en darles estructuras biológicas y funciones biológicas para que puedan ser movilizados en el cuerpo para realizar sus propias funciones. -reparación y perfección. Capacidad de reconstruir o reparar tejidos u órganos humanos dañados. Según las opiniones del profesor Yu de la Universidad de Nankai y el "Informe sobre el desarrollo de nuevos materiales de China" de 2004, los últimos avances y tendencias de desarrollo de materiales biomédicos en el mundo se pueden resumir de la siguiente manera: La ingeniería de tejidos se refiere a la aplicación de principios y métodos de ciencias de la vida e ingeniería para construir dispositivos biológicos que mantengan y promuevan el crecimiento de células y tejidos humanos para restaurar la función de tejidos u órganos dañados. Su principal misión es reparar y reconstruir tejidos u órganos dañados, prolongar la vida y mejorar la salud y la calidad del agua. Este método consiste en plantar células de tejido específicas en materiales biomédicos (materiales de ingeniería de tejidos) que tienen buena biocompatibilidad y que el cuerpo humano puede degradar y absorber gradualmente para formar un complejo de células y material biomédico que proporciona un espacio tridimensional y; ambiente metabólico nutricional; a medida que los materiales se degradan y las células proliferan, se forman nuevos tejidos u órganos que corresponden a sus propias funciones y formas; este tejido u órgano vivo vital puede reconstruir tejidos u órganos dañados, y lograr un reemplazo permanente. En los últimos 10 años, la ingeniería de tejidos se ha convertido en una disciplina interdisciplinaria que integra bioingeniería, biología celular, biología molecular, materiales biomédicos, biotecnología, bioquímica, biomecánica y medicina clínica.
Los materiales biomédicos ocupan una posición muy importante en la ingeniería de tejidos. La ingeniería de tejidos también plantea preguntas y señala la dirección del desarrollo de los materiales biomédicos. Dado que los órganos artificiales tradicionales (como riñones e hígados artificiales) no tienen funciones biológicas (metabolismo y síntesis) y solo pueden usarse como dispositivos de tratamiento auxiliares, la investigación sobre la ingeniería de tejidos en órganos artificiales con funciones biológicas ha atraído una amplia atención en todo el mundo. La construcción de órganos artificiales de ingeniería tisular requiere tres elementos: células semilla, materiales de soporte y factores de crecimiento celular. Recientemente, las células madre se han utilizado como semillas para la construcción de órganos artificiales debido a su fuerte capacidad de diferenciación. La ingeniería de tejidos ha logrado algunos resultados revolucionarios en piel artificial, cartílago artificial, nervios artificiales e hígado artificial, lo que muestra brillantes perspectivas de aplicación.
Actualmente, la investigación y desarrollo de materiales de ingeniería de tejidos blandos se centra principalmente en la investigación de nuevos materiales biomédicos biodegradables, utilizando métodos físicos, químicos, biológicos y métodos de ingeniería genética para transformar y modificar materiales y materiales originales. células El mecanismo de reacción y transmisión de señales entre sí, las reglas y principios para promover la regeneración celular, el papel y los principios de los mecanismos celulares, el desarrollo de materiales de membrana con permeabilidad selectiva y modificación de la superficie, el desarrollo de materiales poliméricos inteligentes con efectos inductores en células y tejidos.
En la actualidad, la investigación y el desarrollo de aplicaciones de materiales de ingeniería de tejidos duros se centran principalmente en la investigación de compuestos de fibra de carbono/materiales poliméricos, materiales inorgánicos (biocerámicas, vidrio bioactivo) y materiales poliméricos. Los nanobiomateriales se utilizan principalmente como materiales de liberación controlada de fármacos y vehículos de fármacos en medicina. Los nanobiomateriales se pueden dividir en nanopartículas metálicas, nanopartículas inorgánicas no metálicas y nanopartículas poliméricas biodegradables según sus propiedades materiales. Los nanobiomateriales se pueden dividir en nanoliposomas, nanopartículas de lípidos sólidos, nanocápsulas (nanoesferas) y micelas de polímeros.
La nanotecnología logró avances en la década de 1990 y su investigación de aplicaciones en el campo biomédico continúa expandiéndose. La investigación actual se centra principalmente en materiales de liberación controlada de fármacos y materiales portadores de terapia génica. La liberación controlada de fármacos se refiere al proceso de velocidad constante, posicionamiento específico o liberación inteligente de fármacos a través de materiales biológicos. Los biomateriales con las propiedades anteriores son la clave para lograr una liberación controlada de fármacos, lo que puede mejorar el efecto terapéutico de los fármacos y reducir sus dosis y efectos secundarios. Con la finalización del Proyecto Genoma Humano y el avance continuo del diagnóstico y tratamiento genético, los científicos confían en el uso de la terapia génica para tratar tumores.
La terapia génica consiste en introducir genes normales en células específicas (células cancerosas) para reparar defectos o genes que causan enfermedades o guiar a las personas para que expresen genes de proteínas con funciones de tratamiento del cáncer, o para guiar a las personas a evitar que los genes que causan enfermedades sinteticen genes de proteínas; fragmentos en el cuerpo para prevenir enfermedades. Los genes trabajan para lograr objetivos terapéuticos. Este es un gran avance en la terapéutica. La clave de la terapia génica es el vector que guía los genes humanos. Sólo con la ayuda de vectores pueden los genes normales ingresar al núcleo de la célula humana. En la actualidad, los nanomateriales poliméricos y los liposomas son portadores ideales para la terapia génica, con las características de una gran capacidad de carga de fármacos y una alta seguridad. Recientemente, un material polimérico dendrítico recientemente sintetizado merece atención como portador para la administración de genes.
Además, los nanomateriales biomédicos también tienen buenas perspectivas de aplicación en tecnología de detección analítica, materiales médicos nanocompuestos, ensamblaje con macromoléculas biológicas y administración de antígenos o vacunas. Los materiales de nanocarbono pueden mejorar significativamente la resistencia y dureza de órganos y tejidos artificiales. Las partículas de nanopolímero se pueden utilizar para el diagnóstico intervencionista y el tratamiento de algunas enfermedades difíciles; la síntesis de cristales de apatita similares a huesos a nanoescala se ha convertido en la base para la preparación de materiales biocompuestos activos similares a huesos a nanoescala. La tendencia de desarrollo futuro en este campo es la combinación de "componentes" de materiales nanobiomédicos con materiales inorgánicos nanomédicos y "componentes" de estructuras cristalinas, como nanorobots controlados por nanomicroelectrónica y fármacos dirigidos a órganos mediante nanotecnología, el diagnóstico y el tratamiento intervencionistas se desarrollarán en el futuro. dirección de materiales compuestos médicos biomiméticos micro, micro, mínimamente invasivos o no invasivos, rápidos, funcionales e inteligentes que simulan la composición, estructura y propiedades mecánicas del tejido humano; La respuesta tisular se refiere a la respuesta de los tejidos locales a los materiales biomédicos. La respuesta tisular es una respuesta defensiva a la invasión de cuerpos extraños, que puede reducir el daño tisular causado por cuerpos extraños y promover la reparación y regeneración de los tejidos. Sin embargo, la reacción del tejido en sí también puede causar daño al cuerpo. Según los diferentes cambios patológicos, se puede dividir en las dos reacciones siguientes:
1. La reacción del tejido es principalmente exudación
Es más común en la etapa inicial de implantación y. el período estable de los materiales implantados. Los principales exudados son neutrófilos, líquido seroso y fibrinógeno. Por ejemplo, puede producirse acumulación de neutrófilos en el tejido que rodea los implantes; quistes fibrosos alrededor de materiales estables e implantados a largo plazo debido a la fuga de fibrinógeno.
2. Reacción del tejido basada principalmente en la proliferación
Es más común que el implante exista por mucho tiempo y dañe el cuerpo. Los macrófagos son dominantes y también se pueden observar linfocitos, células plasmáticas y eosinófilos, acompañados de una evidente proliferación tisular, que puede convertirse gradualmente en granulomas o tumores.
Durante el uso de materiales biomédicos, dos complicaciones graves provocadas por reacciones tisulares son la inflamación y los tumores. La inflamación incluye inflamación infecciosa e inflamación estéril. La inflamación infecciosa puede deberse a daño tisular durante el proceso de implantación del material, permitiendo que los patógenos aprovechen la oportunidad; también puede deberse a que el implante en sí no ha sido estrictamente desinfectado y esterilizado, convirtiéndose en portador de patógenos; La inflamación estéril no es causada por la invasión de patógenos, sino por una respuesta inflamatoria que afecta la regulación de los sistemas inflamatorios y antiinflamatorios del cuerpo. Los tumores causados por la implantación de biomateriales son un proceso lento, que puede ser causado por la liberación de sustancias tóxicas del propio material, o puede ser causado por la apariencia y las propiedades de la superficie del material. Por tanto, antes de aplicar implantes de larga duración, es necesario realizar pruebas biológicas sobre la toxicidad crónica, mutagenicidad y carcinogenicidad de los implantes. La compatibilidad sanguínea de los materiales biomédicos incluye dos aspectos: no provocar coagulación sanguínea y no destruir componentes sanguíneos. Dentro de un cierto límite, incluso bajo el efecto de corte de la tensión superficial de la sustancia, los glóbulos rojos de la sangre se dañarán hasta cierto punto (es decir, se producirá hemólisis, ya que la sangre tiene una fuerte capacidad regenerativa). sus efectos adversos no aumentarán con el tiempo. Sin embargo, si hay trombosis en la superficie del material, debido al efecto acumulativo, el grado de coagulación será cada vez mayor con el tiempo, lo que tendrá un impacto grave en el cuerpo humano. . Por lo tanto, las propiedades anticoagulantes de los materiales son de gran preocupación en la sangre. Las vías a través de las cuales los materiales entran en contacto con la sangre provocan la coagulación y la trombosis de la sangre se muestran en la Figura 1. La sangre en el sistema cardiovascular de una persona normal permanece en estado líquido, circula continuamente y no coagula. Cuando los materiales médicos entran en contacto con la sangre, provocarán una serie de cambios en la sangre. El primero es la adsorción de proteínas plasmáticas en la superficie del material. Dependiendo de la estructura de la superficie y las propiedades del material, la albúmina, la globulina y varias proteínas competirán por la adsorción en la superficie del material en 1 minuto o incluso unos segundos, formando una capa compleja de adsorción de proteínas en la superficie del material biológico. Cuando se adsorbe la superficie del material. La globulina y el fibrinógeno tienden a hacer que las plaquetas se adhieran a la superficie, lo que hace que las plaquetas se deformen y se agreguen, lo que lleva a la coagulación. Las superficies proteicas también provocan la adhesión de los glóbulos rojos.
Aunque el papel de los glóbulos rojos en la coagulación no está claro, si la membrana celular de los glóbulos rojos se rompe, se producirá hemólisis y la hemoglobina y el difosfato de adenosina liberados por los glóbulos rojos se abrevian como ADP (sustancia promotora de la agregación plaquetaria). Pueden hacer que las plaquetas se peguen, se deformen y se agreguen, lo que puede provocar la coagulación.
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Figura 1 Mecanismo de coagulación
El sistema de anticoagulación incluye la anticoagulación y la fibrinólisis. La anticoagulación se logra principalmente mediante algunos factores de anticoagulación (como la antitrombina III, la heparina). El proceso de fibrinólisis implica la conversión de plasminógeno en plasmina, que degrada la fibrina. La trombosis es un trastorno común de la circulación sanguínea local causado por la implantación de materiales biomédicos. El daño de las células endoteliales, los cambios hemodinámicos y la hipercoagulabilidad pueden provocar trombosis. Las células endoteliales intactas pueden inactivar IIa, Xa y IXa mediante la expresión de moléculas similares a la heparina que se unen a la antitrombina III, inhibir la agregación plaquetaria mediante la síntesis de PGI2, NO y ADP, e inhibir la trombosis mediante la síntesis de tPA para degradar la fibrina. Los cambios hemodinámicos pueden inducir trombosis. El flujo sanguíneo normal está en capas. Cuando el flujo sanguíneo se ralentiza o se interrumpe el flujo laminar, las plaquetas entran en contacto con la íntima y se activan, y los factores de coagulación también pueden acumularse localmente. En caso de traumatismo, cirugía, etc., un sistema de hipercoagulación y/o un sistema de anticoagulación debilitado también pueden provocar una trombosis. El sistema inmunológico es el "ejército" y la "policía" del cuerpo que lo distingue de los demás. Las principales funciones del sistema inmunológico incluyen la defensa inmune contra moléculas heterólogas patógenas, la autoestabilización inmune contra células enfermas y envejecidas, y la vigilancia inmune contra células tumorales. El sistema inmunológico está formado por el sistema inmunológico natural y el sistema inmunológico adquirido. El sistema inmunológico natural incluye mastocitos, macrófagos, células asesinas naturales, neutrófilos y complemento. El sistema inmunológico natural puede reconocer y eliminar patógenos en una etapa temprana, pero no es específico para el reconocimiento de patógenos. Después de ser estimulado por un patógeno, el sistema inmunológico que puede producir una respuesta específica cuando se expone al patógeno vuelve a convertirse en el sistema inmunológico adquirido. El sistema inmunológico adquirido se puede dividir en inmunidad humoral mediada por células B e inmunidad celular mediada por células T. Debido al trastorno de la función del sistema inmunológico (incluido el reconocimiento inmunológico y el grado de reacción) causado por los materiales biomédicos, pueden ocurrir las siguientes reacciones inmunes:
1. de algunos materiales biomédicos La función de defensa insuficiente reduce la capacidad del cuerpo para resistir microorganismos patógenos.
Bajo.
2. Asco
Porque algunos materiales biomédicos provocan una función de defensa inmune hiperactiva y una respuesta inmune excesiva, causando daño al cuerpo humano. Por ejemplo, látex residual, bisfenol A, aditivos acrílicos y otras moléculas o monómeros orgánicos de bajo peso molecular.
3. Autoinmunidad
Debido a la hiperactividad de la homeostasis autoinmune provocada por ciertos materiales biomédicos, el sistema inmunológico no puede distinguir entre lo propio y lo no propio, y genera respuestas inmunes a los tejidos normales. Por ejemplo, politetrafluoroetileno, poliéster, etc. Una interfaz es una región con un cierto espesor (generalmente menos de 0,1 μm) a través de la cual la energía de una sustancia puede cambiar continuamente de una fase a otra. Según los diferentes materiales de implante, la interfaz con el tejido biológico se puede dividir en: la interfaz entre materiales inertes y tejido biológico y la interfaz entre materiales activos y tejido biológico.
1. La interfaz entre materiales biomédicos inertes y tejidos biológicos. La característica de los materiales biomédicos inertes es que permanecen estables en el cuerpo vivo y rara vez participan en reacciones químicas biológicas. Cuando los materiales inertes se implantan durante un tiempo prolongado, se produce una reacción tisular exudativa entre el implante y el cuerpo, en la que se escapa principalmente fibrinógeno, formando quistes fibrosos. Si no se escapan sustancias tóxicas de la sustancia, el quiste se adelgaza gradualmente, los linfocitos desaparecen y se depositan sales de calcio. Dichos materiales incluyen alúmina, fibra de carbono, aleaciones de titanio, etc. Si el material continúa liberando iones tóxicos como iones metálicos o monómeros orgánicos, las reacciones tisulares locales persistirán y se transformarán en inflamación crónica. La membrana fibrosa se espesa gradualmente, aumentan los linfocitos y se depositan sales de calcio, que pueden convertirse en granulomas o incluso tumores.
2. Interfaz entre materiales biomédicos activos y tejidos biológicos Los materiales biomédicos activos pueden reaccionar químicamente con el cuerpo y formar enlaces químicos con los tejidos. Aquí presentamos principalmente la interfaz entre materiales biomédicos tensioactivos y tejidos biológicos, la interfaz entre biocerámicas degradables y tejidos biológicos, y la interfaz entre materiales biomédicos híbridos y tejidos biológicos.
(1) La interfaz entre los materiales biomédicos tensioactivos y los tejidos biológicos: los componentes de la superficie de los materiales biomédicos tensioactivos son similares a los de los tejidos y pueden combinarse con los tejidos para formar una interfaz de unión estable. . Este material tiene buena afinidad con el tejido. Por ejemplo, biomateriales con hidroxiapatita en su superficie.
(2) La interfaz entre las biocerámicas biodegradables y el tejido biológico: la cerámica puede liberar los componentes requeridos por el tejido, acelerar el crecimiento del tejido y ser reemplazado gradualmente por tejido nuevo. Por ejemplo, las cerámicas de β-fosfato tricálcico pueden liberar Ca2+ y PO4 en los fluidos corporales.
Los iones 3+ favorecen el crecimiento del tejido óseo y lo reemplazan gradualmente.
(3) La interfaz entre materiales biomédicos híbridos y tejidos biológicos: Los materiales híbridos están compuestos de tejidos vivos y tejidos no vivos.
Fabricado en composite trenzado. Debido a la existencia de tejido vivo, la respuesta inmune del material se reduce y el material tiene buena compatibilidad.
Este tipo de materiales incluye composites de diversos materiales artificiales y biopolímeros, así como composites de materiales sintéticos y células.
3. Teoría de la interfaz y métodos de investigación.
(1) Teoría de la humectación de la interfaz; este artículo estudia principalmente la afinidad del líquido por la superficie sólida. El material implantado entra primero en contacto con el entorno líquido compuesto de plasma y fluido tisular. Por lo tanto, la afinidad del material con el tejido corporal está estrechamente relacionada con el efecto humectante del líquido y la superficie del material. La energía interfacial generalmente se determina estudiando la tensión de humectación crítica de la superficie sólida y el ángulo de humectación del líquido sobre el sólido.
(2) Teoría de la adsorción de la interfaz; al estudiar la adsorción de moléculas de agua, varias células, aminoácidos, proteínas y varios iones en la interfaz, proporciona una referencia para la modificación de la interfaz de materiales. Los principios y métodos de la biorreología se pueden utilizar para comprender el efecto de la morfología de la superficie del material en la adsorción celular.
(3) Teoría del enlace químico de interfaz; en teoría, los implantes y los tejidos humanos se encuentran en el entorno del cuerpo humano, por lo que es posible formar varios enlaces químicos. Para analizar elementos de interfaz y sus estados de unión se utilizan principalmente sondas electrónicas, espectroscopia de energía electrónica, espectrometría de masas, resonancia magnética nuclear y espectroscopia Raman.
(4) Teoría de la unión molecular de la interfaz Los implantes tienen diferentes efectos en los tejidos humanos debido a diferentes polaridades superficiales, cargas superficiales y grupos activos. Midiendo la microcorriente generada por el material biopiezoeléctrico se evaluó su impacto en la formación de interfaces celulares.
(5) Teoría de la interfaz ácido-base; debido a que el crecimiento de las células de la interfaz está directamente relacionado con el valor de pH local de la interfaz, podemos comprender y mejorar la relación entre los materiales biomédicos y los tejidos estudiando el pH. valor de la interfaz. En experimentos in vitro, se suelen utilizar métodos convencionales de medición del pH y ultramicroelectrodos a nanoescala para medir el valor del pH de la interfaz.
(6) Teoría de la combinación física de la interfaz; la combinación de implantes y tejido humano es, ante todo, una combinación física, y las células del tejido crecen en el implante a través de microporos para aumentar su fuerza de unión. El tamaño de los microporos está relacionado con la capacidad de las células del tejido para convertirse en implantes, y la proporción de microporos determina la resistencia del implante. Para medir la resistencia y la tensión de la unión de la interfaz se utilizan principalmente diversas tecnologías de detección, análisis de tensión fotoelástica y análisis de cálculo de elementos finitos.
Además, los métodos de investigación de interfaces también incluyen la investigación de la morfología de las interfaces. La morfología de la interfaz se observó mediante microscopía electrónica de transmisión, microscopía electrónica de barrido y diversas técnicas de imágenes tridimensionales. En términos generales, los materiales biomédicos entran en contacto primero con los fluidos corporales del cuerpo. Mediante la hidrólisis, algunos materiales pueden convertirse de sustancias de alto peso molecular en sustancias de pequeño peso molecular solubles en agua. Estas pequeñas sustancias moleculares se transportan al sistema respiratorio, digestivo y urinario a través de la circulación sanguínea y se excretan del cuerpo a través de la respiración, las heces y la orina. En el proceso del metabolismo, las enzimas pueden estar involucradas. Los materiales biomédicos pueden degradarse por completo y excretarse después de una serie de reacciones, o algunos materiales o sus productos de degradación pueden persistir en el cuerpo humano durante mucho tiempo. Los productos intermedios y productos finales del metabolismo de los materiales biomédicos en el cuerpo pueden ser beneficiosos o perjudiciales para el cuerpo humano. Por lo tanto, es de gran importancia estudiar los productos metabólicos y las vías de los materiales en el cuerpo. El metabolismo de los materiales en el cuerpo se ve afectado por muchos factores, como el material en sí, el entorno de implantación, etc. En la actualidad, los métodos de investigación del metabolismo de sustancias en el cuerpo se dividen principalmente en experimentos in vitro y experimentos in vivo. La prueba de degradación in vitro simula principalmente las condiciones ambientales del cuerpo in vitro para evaluar la apariencia, las propiedades mecánicas y la calidad. Este experimento se utiliza principalmente para estudiar materiales biomédicos sólidos. Los experimentos in vivo se realizan principalmente en animales. Las pruebas in vivo consisten en implantar materiales biomédicos en animales y observar cambios en los materiales. Se pueden utilizar métodos específicos, como disección, rayos X, marcaje radiactivo y rastreo. La ventaja de este método de prueba es que puede obtener resultados de prueba más cercanos al cuerpo humano.