第11章　生物材料的种类

生物材料从化学特性可以分为高分子材料、无机材料、复合材料与金属材料四大类;从来源看可分为天然材料、合成材料与复合材料三大类。在有机高分子材料中，胶原等纤维蛋白质和壳聚糖、藻酸盐等多糖是主要的天然高分子生物材料;而现有作为生物材料的合成高分子材料中，以可降解聚酯为主，有时含聚乙二醇(polyethylene glycol，PEG)的水凝胶也有独到的用途。无机材料主要用于硬组织修复。此外，生物陶瓷、生物玻璃等还可作为硬组织工程支架，但是降解一般偏慢。将有机物与无机物制成复合材料也是一种选择，但目前杂化的优点尚不显著。而将合成材料与天然材料复合起来则已被证明是一种有效的手段，一般主要利用合成材料的强度和天然材料的细胞黏附性。下面介绍几种最常见的生物材料。

11．1　甲壳质与壳聚糖

甲壳质是一种来源于动物的天然多糖，普遍存在于虾、蟹等低等动物及昆虫等节肢动物的外壳中，也存在于真菌和藻类的细胞壁中，是现今所发现的天然多糖中仅有的具有明显碱性的天然多糖。壳聚糖与甲壳质在自然界是以共存形式存在。根据推测，目前地球上甲壳质的年产量为(10～100)×109t，是继纤维素(约为100×109t)之后的第二大天然资源。但是现阶段已利用的仅仅为几千吨。分析其原因，其中最主要的一点可能是该物质从动物外壳或骨骼中抽提，在此过程中不仅要去除无机盐、蛋白质等许多杂质，而且还得化学修饰且成本较高。但是，近年来随着科学技术的突飞猛进，人们对甲壳质的认识大大深入。因此，现在甲壳质和壳聚糖除了在工业污水处理、农业中促进动植物生长、医药品和化妆品及食品上的应用外，还陆续发现其许多新功能，并开发出许多新产品。

11．1．1　甲壳质与壳聚糖结构

甲壳质单体是2－乙酰氨基－2－脱氧－β－D－葡萄糖，壳聚糖单体是2－氨基－2－脱氧－β－D－葡萄糖，甲壳质的化学计量是(C6H13NO5)n，元素分析表明甲壳质与界面水是紧密结合在一起的。若界面水作为分子部分的话，理论值与实验值是相当一致的。甲壳质、壳聚糖的化学结构与纤维素相似，这3种化合物结构上的差别仅仅是2位碳原子上的官能基团I不同，纤维素是R为羟基(OH)的葡萄糖聚合物;甲壳质是R为乙酰氨基(NHCOCH3)的N－乙酰基葡萄糖胺的聚合物;壳聚糖是R为一级胺(NH2)的葡萄糖胺聚合物。

11．1．2　甲壳质及壳聚糖的提取

甲壳质和壳聚糖的制备方法比较简单，工艺已很成熟。采用虾或蟹壳经清洗后浸酸脱钙，再用碱液脱除蛋白即得甲壳质。如继续以浓碱去除甲壳质分子上的乙酰基，则得壳聚糖。另外，还应该除去所含的色素、脂质、类胡萝卜素等物质。甲壳质的制备方法如下:

(1) Hackman法　洗净虾或蟹壳，置于100℃烘箱中烘干。用2 mol/L的盐酸或者乙二胺四乙酸(ethylene diamine tetraacetic acid，EDTA)在室温下浸渍5 h，洗涤后再置于100℃烘箱中干燥，粉碎，将粉末在0℃下再用2 mol/L的盐酸或者EDTA浸渍48 h以除去钙盐，离心收集沉淀物，用水洗涤至中性。将收集的沉淀物于100℃下用1 mol/L的氢氧化钠浸渍12 h，并离心，以去除蛋白(也可用微生物法)。最后用乙醇和乙醚洗涤以除去甲壳质中的脂质和色素，得到浅黄色的甲壳质，其产率为17%。

(2) Shimahara法　将虾或蟹壳洗净干燥后粉碎成5 mm的粉末，用2 mol/L的盐酸(或EDTA)在室温下浸渍5 h，去除钙盐，然后离心收集沉淀物，用水洗涤至中性。将收集的沉淀于100℃下用1 mol/L的氢氧化钠浸渍6 h，然后在100℃下再用1 mol/L的氢氧化钠浸渍30 h以去除蛋白，并用水洗涤至中性。最后再用乙醇加热回流6 h以去除脂质和色素得到白色甲壳质，其产率为30%。

(3) Kishi法　此方法是以蚕蛹为原料提取甲壳质，将干燥的蚕蛹粉碎后用水润湿，在不断搅拌下加入氢氧化钠溶液，直到甲壳质和含油物质漂浮在液体表面并用撇取法撇去，然后通过过滤和干燥除去蛋白质而制得甲壳质。

壳聚糖的制备方法如下:

(1)化学法　将甲壳质粉末于130℃用40% NaOH处理1～3 h，可以得到不同脱乙酰度的壳聚糖，也可以直接从虾壳原料中制备壳聚糖。先将虾、蟹壳洗净后干燥，粉碎成尺寸为3～6 mm的粒子，加入一系列盛有0．5%～2%的稀氢氧化钠溶液的蛋白抽提装置中，离心或过滤除去蛋白钠盐，将沉淀物洗涤后于120～150℃加入一系列盛有30%～50%的浓氢氧化钠的装置中，反复抽提脱去乙酰基，通过离心或过滤除去反应副产物，洗涤残余壳至中性。再将残余壳用盛有蔗糖水溶液的抽提器反复抽提，将钙离子转化成水溶性的糖二酸盐而除去，将剩余的纯壳聚糖用水洗涤至中性，并置于干燥器中干燥即得壳聚糖。

(2)生化法　培养微生物使分泌脱乙酰酵素，提取脱乙酰酵素并加入甲壳质中，使甲壳质脱乙酰基后来制备壳聚糖。或者直接以甲壳质来培养微生物，使微生物分泌的脱乙酰酵素直接作用于甲壳质，使其脱乙酰化来制备壳聚糖。

(3)微生物抽提法　直接从微生物中培养出壳聚糖，先培养微生物至分泌出菌丝(壳聚糖)，然后收集菌丝，由于微生物培养的菌丝中无钙盐，所以不必去除钙盐。去除蛋白可用1 mol/L的氢氧化钠浸渍，用水冲洗至中性，再用10%的醋酸反应抽提即得壳聚糖。

11．1．3　甲壳质及其衍生物的生物学性能

近年来有关甲壳质的免疫活性已有不少的研究报道，这些研究一致认为甲壳质具有免疫调节活性。壳聚糖对免疫系统的调节是多方面的，不仅能够增强机体非特异性免疫系统功能，促进巨噬细胞的吞噬功能和提高其分泌的水解酶的活性，同时能分泌多种免疫因子，调节其他细胞和体液免疫，从而增强机体的抗感染能力。

甲壳质与其他多糖一样，因其复杂的空间结构中含有高活性的功能基团，表现出类似抗生素的特性。甲壳质及其衍生物均有不同程度的抗感染作用，其中以壳聚糖为最强。壳聚糖是天然存在的唯一碱性多糖，它所形成的质子化铵盐与细菌带负电荷的细胞膜作用，吸附和聚集细菌，同时穿透细胞壁进入细胞内，扰乱细菌的新陈代谢及合成而具有抗菌作用。体外实验研究发现，壳聚糖能不同程度地抑制多种细菌(大肠埃希菌、金黄色葡萄球菌、鼠伤寒沙门菌、李斯特单核细胞增生菌和小肠结肠炎耶尔森菌等)的生长和活性。壳聚糖作为一种抑菌剂，对其在体内应用的研究已取得了可喜的成绩。

甲壳质及其衍生物对机体细胞的影响表现在3个方面:黏附作用、激活和促进作用及抑制作用。壳聚糖的细胞黏附作用主要是指对红细胞和肿瘤细胞的黏附作用，这直接与其止血、抗肿瘤转移等生物功能有关。甲壳质及其衍生物能激活巨噬细胞、上皮和内皮细胞、肌细胞等;壳聚糖还能诱导一些细胞因子如白细胞介素－1、干扰素、巨噬细胞集落刺激因子、肿瘤坏死因子等的产生，通过这些因子的作用继而影响其他一些细胞的功能，如淋巴细胞的活性、成纤维细胞的功能、内皮细胞的功能等。甲壳质及其衍生物对机体细胞的抑制作用主要是抑制成纤维细胞的生长。第二军医大学附属医院通过实验证明了壳聚糖能抑制人的纤维细胞的生长，促进血管内皮细胞生长和抑制血管平滑肌细胞的增殖。

壳聚糖对凝血机制的影响表现在两个方面:一是壳聚糖本身的止血作用，壳聚糖能通过其与红细胞膜之间的相互作用，主要是对红细胞的凝聚作用而实现其止血作用。二是壳聚糖的某些衍生物具有抗凝血功能，这取决于其化学结构和相对分子质量。壳聚糖介导红细胞凝集的机制可能是通过壳聚糖聚合物表面的正电荷与红细胞表面神经氨酸残基受体的相互作用而实现的，所以壳聚糖的止血活性不依赖于正常的凝血途径，而且它具有明显的膜形成作用，因此，可开发各种壳聚糖的止血敷料。20世纪80年代医药工作者已证实C6位磺化制得的甲壳质衍生物具有血液相容性，与抗凝血物质相结合，抑制凝血酶和Xa因子活性。

甲壳质及其衍生物还有降低胆固醇的作用，由于带正电荷的脱乙酰甲壳质与带负电荷的胆汁酸相结合而排出体外，脂肪类不被乳化而影响消化吸收，降低了血清三酰甘油(甘油三酯)含量。胆固醇主要在肝脏中转化成胆汁酸，肝脏中胆汁酸减少，从而促进肝脏胆固醇转化成胆汁酸，使血胆固醇浓度降低。壳聚糖能升高高密度脂蛋白，有利于胆固醇的降低。

11．2　胶原蛋白

胶原蛋白是人体和脊椎动物的主要结构蛋白，是支持组织和结缔组织(皮肤、肌腱和骨骼的有机部分)的主要组成成分，约占机体总蛋白的25%，很多场合也可简称为胶原。不同胶原有截然不同的形态和功能。迄今为止，已经分离出25种胶原蛋白，其中5种较为常见。在各型胶原中Ⅰ型胶原最丰富，是骨、皮肤、韧带和肌腱的主要组成。

11．2．1　胶原蛋白的结构

胶原蛋白是细胞外基质的结构蛋白质，胶原蛋白分子在细胞外基质中聚集为超分子结构。胶原蛋白也和其他蛋白质一样，具有1～4级结构。胶原蛋白的4级结构，对其分子大小、形状、化学反应性、生物功能等起着决定性的作用。

胶原是由3条多肽链(α链)组成的蛋白质，每一条链都有一个氨基酸序列(G1y－X－Y－)n，X表示任意的氨基酸，通常是脯氨酸(Pro) ; Y也表示任意的氨基酸，通常指羟脯氨酸(Hyp)。甘氨酸占胶原氨基酸残基的1/3，脯氨酸约占1/4，而羟赖氨酸和羟脯氨酸属胶原所特有的，与胶原分子内交联有关。

所有胶原蛋白最普遍的结构特征是三螺旋结构。胶原的三螺旋结构是由3条α链多肽组成的，每一条胶原链都是左手螺旋构型，3条左手螺旋链又相互缠绕成右手螺旋结构，即超螺旋结构。单个的α链是胶原的基本单元，含有一个或多个多肽片段(G1y－XY)，形成具有一个或多个非三螺旋组分的三螺旋结构。在胶原链的三螺旋结构中，每3个氨基酸残基就有一个甘氨酸残基(Gly－X－Y)，因为在所有的氨基酸残基中只有甘氨酸残基的侧链较短，三螺旋结构的中心只能容纳甘氨酸残基，而没有足够的空间容纳其他氨基酸残基，同时也不至于影响三螺旋结构的形成。而X和Y位点上的氨基酸残基20%～22%是亚氨基氨基酸，即脯氨酸和羟脯氨酸残基，而羟脯氨酸中的羟基对于氢键的形成以及三螺旋结构的稳定性都是必需的。胶原分子的三螺旋结构可通过下列几个因素来稳定。①氨基酸在三螺旋内的紧密配合——通过具有Gly－Pro－Hyp序列的三螺旋构建空间填充模型能增加几何稳定因素。②主要的羧基和氨基氢相互作用间的链间氢键的形成。③水分子提供链间氢键的形成。胶原蛋白的一个有意义和重要的结构特征是酸性(天冬氨酸和谷氨酸)和碱性(赖氨酸和精氨酸)侧基的数量接近相等。由于这些基团在生理条件下带有电荷，胶原蛋白实际上是电中性的。交错的胶原分子的堆积导致带电荷的基团聚集成区。另外，许多氨基酸的侧基在特征上是非极性的，也是疏水性的;因此，这些氨基酸分子回避和水分子接触，企求和氨基酸的非极性链相互作用。实际上，在原纤维中胶原分子堆积的结果是非极性基团聚集形成胶原纤维的疏水区。胶原分子在不同组织中的堆积甚至被认为是涉及静电和疏水性相互作用的分子间相互作用的结果。

11．2．2　胶原蛋白的提取

在制备各型胶原时，最初的考虑是选择合适的原料，以及选择合适原料的前处理方法，以得到最佳胶原蛋白产率。虽然，各型胶原蛋白广泛分布于机体的所有组织中，但各型胶原蛋白的分布以及含量因组织不同而有很大差异。因而，有目的地选择富含所需胶原蛋白分子类型的组织，对于获取大量且高纯度的胶原蛋白制品是相当重要的。

11．2．2．1　小牛皮肤中I型和Ⅲ型胶原蛋白的提取和纯化

将洗净的小牛皮肤用氯仿/乙醇(2∶1)溶液脱脂后切除皮下脂肪及真皮层，去毛，细切，用冷蒸馏水洗涤后用干冰冻结粉碎，用pH值为7．5、含20%氯化钠(NaCl)的0．05 mol/L三氨基甲烷(Tris－HCl)缓冲液充分洗涤以去除脂质及血清等成分，离心。将沉淀用含0．45 mol/L，NaCl的0．05 mol/L Tris－HCl缓冲液在4℃下搅拌1天，进行多次反复抽提，再离心。将以上的上清液每升加入30 mL冰醋酸，使最终浓度达到0．5 mol/L，pH值达2．5～3．0。然后在搅拌下缓慢加入NaCl至最终浓度达1．0 mol/L，搅拌过夜，在酸性条件下进行盐析，离心。将沉淀物用0．05 mol/L的醋酸作反复抽提，超速离心，将上清液用5．0 mol/L NaOH中和，加入NaCl至最终浓度为4．4 mol/L，搅拌过夜，在中性条件下盐析，离心45 min。将沉淀物用不同浓度的NaCl由低至高逐级盐析而进行分离，首先用含2．4 mol/L NaCl的0．05 mol/L Tris－HCl缓冲液反复抽提，超速离心。上清液为工型三聚体及V型胶原蛋白。将沉淀物再用含1．7 mol/L NaCl的0．05 mol/L Tris－HCl缓冲液反复抽提，超速离心，上清液即为I型胶原蛋白。最后，将沉淀物用含1．0 mol/L NaCl的0．05 mol/L Tris－HCl缓冲液反复抽提，超速离心，上清液即为Ⅲ型胶原蛋白，沉淀物为工型多聚体和极少部分的Ⅲ型胶原蛋白。

11．2．2．2　牛跟腱中I型胶原蛋白的提取和纯化

将湿重100 g的牛跟腱洗净，取出筋膜，进行切片，用醋酸氯己定(洗必泰)溶液进行消毒处理，用灭菌蒸馏水冲洗后用匀浆器匀浆，再用灭菌蒸馏水洗涤，离心。将沉淀悬浮于生理盐水中1 h，离心。再将跟腱悬浮于1．5 L含胃蛋白酶120 mg的0．05 mol/L的柠檬酸中，在10℃下缓慢搅拌消化72 h，离心15 min。将上清液用10 mol/L的NaOH调节pH至中性。加入NaCl至最终浓度达2．5 mol/L左右，搅拌过夜，在中性条件下进行盐沉淀离心45 min。沉淀即为I型胶原蛋白。将沉淀用冷的灭菌蒸馏水或0．05 mol/L的柠檬酸作短时间洗涤，然后溶解在0．05 mol/L的柠檬酸，以0．05 mol/L的柠檬酸作透析外液在10℃下透析2天，然后对pH值为7．4的含130 mol/L的NaCl溶液透析。

11．2．2．3　可注射型胶原蛋白的提取

从人或牛皮下组织中分离皮肤，20℃下在1 mol/L醋酸中浸渍5天，去除毛发和表皮，然后用绞肉机捣碎。以2．5 g/L的浓度悬浮在0．5 mol/L醋酸中进行胃蛋白酶水解。胃蛋白酶浓度为20 mg/L，在20℃下连续搅拌消化5天。在5℃以14 000 r/min离心30 min。4℃下，在上清液中滴加10 mol/L NaOH至pH为7。静置2 h，然后在5℃下离心30 min，去除沉淀。在上清液中加入NaCl至最终浓度为2．5 mol/L，静置2 h后再离心。去除上清液，将沉淀溶解在0．5 mol/L的醋酸中，加入NaCl至最终浓度为0．9 mol/L，使胶原蛋白在酸性溶液中再沉淀。离心后收集沉淀，然后以10～12 mg/mL再溶解在1 mol/L的醋酸中，通过0．45 μm的滤膜过滤，在4℃对0．001 mol/L醋酸溶液透析24 h 2次，然后对pH为7．4的含130 mol/L NaCl、20 mol/L Na3PO4、0．5 g/L利多卡因的溶液透析。最后得到几乎澄清的胶原蛋白黏性溶液。

11．2．3　胶原蛋白的生物学性能

胶原蛋白是动物体内含量最多、分布最为广泛的蛋白质，是机体的主要结构蛋白，是支持组织和结缔组织的主要组成成分。它所特有的三重螺旋的氨基酸链结构赋予了它许多很有用的特性，如高拉伸强度、生物降解性能、低抗原活性、低刺激性和细胞毒性以及促进细胞生长的性能，所有的这些特点都使之成为一种理想的生物医用材料。

天然的胶原聚集体实际上是止血剂。胶原诱导止血的机制已成为许多研究的主题。从研究中得到的普遍结论是血小板首先黏附在胶原表面，诱导血小板释放，紧接着是血小板聚集，产生最终的止血栓，胶原的止血活性依赖于胶原聚集体的大小和分子的天然结构。变性的胶原(明胶)诱导止血是无效的。

胶原是形成器官和组织必不可少的构造骨架。研究发现，许多细胞如上皮和内皮细胞滞留在胶原表面或胶原基质内，如许多结缔组织细胞的基质。在发育以及成年人的伤口愈合和组织改型期间，胶原蛋白和细胞的相互作用是一个必不可少的特征。研究胶原－细胞相互作用对于开发模拟组织和器官结构以及调查研究在体内模拟系统中的细胞行为是十分有用的。许多研究的目的是在体外开发用于移植的能生长发育的组织和器官。

长期以来的研究认为可溶性胶原的免疫性很低。没有使用增进抗体反应的弗罗因德完全佐剂(无机油和热杀死的分枝杆菌)不能明显提高抗体的水平。众所周知，不溶性胶原的免疫性甚至更低。因此，异体胶原组织器械如猪和牛的心包、心脏瓣膜，是长期植入人体的可接受的器械。对胶原的低抗体反应的原因尚不清楚，可能与不同种属(低等级异体)的胶原结构的同源性或与胶原有关的一定的结构特征相关。

11．3　丝素蛋白

蚕丝是人类最早研究和利用的天然动物蛋白质之一。家蚕在我国已有数千年的养殖历史，蚕丝作为性能优良的天然纤维一直用于纺织行业。近年来随着蚕丝性能及应用的研究和蛋白质工程学的进展，蚕丝作为高纯度结晶性蛋白质因其良好的生物相容性和透气透氧性等，在生物材料、精细化工等方面引起了人们的广泛关注。蚕丝是由丝素蛋白(fibroin)和丝胶蛋白(sericin)两部分组成，丝胶蛋白包裹在丝素蛋白外面，约占蚕丝重量的25%;丝素蛋白是蚕丝的主要成分，约占蚕丝重量的70%。随着科学技术的进步和人们对蚕丝结构、性质研究的不断深入，丝素蛋白在生物材料及医学领域中的应用越来越引人注目。

11．3．1　丝素蛋白的结构

丝素蛋白是蚕丝的主要成分，它以反向平行折叠链构象为基础，形成直径为10 nm的微纤维，无数微纤维组成直径约为1 μm的细纤维，再沿纵轴排列成直径为10～18 μm的单纤维，即丝素蛋白纤维。丝素蛋白大分子含有18种氨基酸，其中甘氨酸、丙氨酸和丝氨酸约占总组成的80%，它们的摩尔比约为4∶3∶1。其中，带亲水性基团的丝氨酸、酪氨酸、天冬氨酸等占总量的31%;酸性氨基酸多于碱性氨基酸。甘氨酸、丙氨酸和丝氨酸按照一定的序列结构排列成较为规整的链段，而且这些链段大多位于丝素蛋白的结构区，而苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸等主要位于非晶区。一般认为，丝素蛋白是由两种不同相对分子质量的亚单元组成，其中大亚单元的相对分子质量为(2．8～3．0)×105，小亚单元的相对分子质量为(2．0～3．0)×105。但不同品种的丝素蛋白之间亚单元的数目有时也有差别，其氨基酸序列也还不完全清楚。

丝素蛋白的聚集态结构包括结晶与无定形两大部分。它的结晶度一般在50%～60%。较大侧基的氨基酸(Phe、Tyr、Try等)主要存在于无定形部分;而极性氨基酸在丝素蛋白无定形区中的含量要超过在结晶区中的含量。丝素蛋白的结晶部分主要是Gly、Ala和Sel 3种氨基酸按照特定顺序排列而成。丝素蛋白分子的构象可分为两种类型: SilkⅠ和SilkⅡ结构。SilkⅠ结构包括无规线团和α螺旋。这种结构是水溶性且不稳定的，在剪切作用力、加热、纺丝、极性溶剂处理后均会转变成更为稳定的SilkⅡ结构，这种转变可使链间距离减少约18．3%，水溶性下降，被认为是不可逆的。SilkⅡ结构是反平行β折叠模型，丝素纤维与聚合物主轴的方向平行。

11．3．2　丝素蛋白的制备

将原料漂洗干净后切成碎屑，采用两次煮沸脱胶法进行脱胶。脱胶时加入茧壳量12倍的水，第一次煮沸5 h，取出冲洗干净，第二次再煮沸3 h即可除去丝胶。将得到的丝素漂洗干净，加入氯化钙(CaCl2)充分溶解，然后装入透析袋中进行透析，直到硝酸银检验渗出水中无白色沉淀为止，得到较纯的丝素蛋白水溶液。最后进行冷冻干燥，即得到丝素蛋白粉末。或者将茧壳(废丝)，按1∶50的比例加入体积分数为0．5%的皂化橄榄油或体积分数为0．5%的精炼液，煮沸60 min，取出丝素，蒸馏水洗涤，真空干燥得丝素。将丝素缓慢加入CaCl2(CaCl2∶C2H5OH∶H2O = 1∶2∶8)溶液中，并加热至丝素溶解。然后将溶解的丝素溶液放入透析袋中，在6℃用蒸馏水透析至全部离子除去为止。透析后将丝素溶液在冷冻离心机上离心(12 000 r/min) 30 min，收集上清液，加入体积分数为40% (NH4)2SO4盐析得丝素粉。最后将丝素粉再用蒸馏水透析，冷冻干燥即得丝素粉。

11．3．3　丝素蛋白的生物学性质

丝素蛋白具有独特的氨基酸组成和丝朊蛋白的二级结构，经水解后可产生18种氨基酸，其中甘氨酸、丝氨酸、丙氨酸、酪氨酸占80%以上。甘氨酸、丝氨酸有降低血液中胆固醇的作用;丙氨酸能促进乙醇的代谢;酪氨酸能治疗神经痛、调节新陈代谢、增进食欲、预防痴呆症等。而且丝素蛋白具有复合氨基酸的作用，是单一氨基酸所不能比拟的。

丝素蛋白具有良好的透气性和生物相容性，其超微结构能很好地适应人体的机体组织;同时，由于丝素本身有2种主要氨基酸，即丙氨酸和甘氨酸，丝素原液内小分子肽和氨基酸是表皮细胞生长的有效成分，丝素蛋白对表皮细胞的生长具有促进作用，因此可用作手术缝线、隐形眼镜和人工皮肤等。用丝素蛋白制成的膜具有适宜的透水、透气性，不被细菌穿透，又与创面能良好黏合，而且遇湿更为柔软，极易与创面紧贴，达到黏合无隙，故在伤后立即覆盖于清洁而无坏死组织的创面上，能替代皮肤起体表屏障的作用，防止污染，减少因体液渗出而导致的体内蛋白和电解质的丧失，减少换药次数，并有助于创面愈合。

丝素蛋白有结晶区和非结晶区混合结构存在，整体上带负电荷，带负电荷的生物材料生物相容性较好。丝素非结晶区有许多碱性氨基酸，对细胞有一定程度的吸附作用，故能吸引细胞附着在其上面。

丝素材料能够用来固定酶是由丝素独特的结构决定的。丝素非结晶构造中，以酪氨酸、天冬氨酸、谷氨酸组成的序列可以成为反应的活性部位，它们含有大量的活性基团，可以通过共价结合成为酶固定的反应位置。此外，丝素的结晶构造主要由丝素I和丝素Ⅱ组成，当水溶性的丝素I向不溶性的丝素Ⅱ结构转化时，不需要任何交联剂，只要改变其溶剂、温度和pH值等外界条件即可实现，从而使其适合于作为固定化酶的材料。

11．4　生物陶瓷(www.daowen.com)

11．4．1　生物陶瓷的发展概况

生物陶瓷材料是指与人体工程相关的，可用于人体组织修复的一类陶瓷材料。人类早期用于修复自身组织的材料，主要有自然矿物、象牙、贵金属、自体骨和异体骨等。对于贵金属材料通常指金、银、铂及其合金，贵金属材料替代骨骼或牙齿具有强度高、无毒、刺激小、耐腐蚀等优良特性，但不具有生物活性及生物降解性;同时，在人体某些部位植入贵金属材料后，由于其过高的强度反而会影响周围组织及人体的活动。

生物陶瓷来源丰富，具有优良的植入性能，是一种比较理想的生物体植入材料，具有如下特点:①生物陶瓷在人体内部理化性能稳定，具有良好的生物相容性，满足种植学要求;②生物陶瓷材料的性能可通过成分设计来进行控制;③容易成形，可按需要制成各种形状和尺寸;④容易着色，是较理想的口腔材料。

11．4．2　生物陶瓷的分类和制备

根据目前生物陶瓷与人体组织的效应及临床应用的现状，生物陶瓷材料主要分为生物惰性陶瓷(bioinert ceramic)、生物活性陶瓷(bioactive ceramic)及可吸收生物陶瓷(resorbable ceramic) 3类。

11．4．2．1　生物惰性陶瓷

生物惰性陶瓷是一类暴露于生物环境中，与组织几乎不发生化学变化的材料，所引起的组织反应主要表现为材料周围会形成厚度不同的包裹性纤维膜。生物惰性陶瓷主要用于人体骨骼、关节及齿根的修复和替换，以及人工心脏瓣膜等。对于生物惰性陶瓷，以Al2O3为例，制备Al2O3多晶体的方法主要有焙烧法、热分解法、水解法、放电氧化法等;制备Al2O3单晶体的方法主要有火焰熔融法、导模法、提拉法等。

11．4．2．2　生物活性陶瓷

生物活性陶瓷是一类能与机体组织在界面上实现化学键合的生物陶瓷。生物活性陶瓷的优点在于随着修复时间的延长，材料表面形成能与骨组织以化学键结合的生物性碳酸羟基磷灰石(HCA)。在化学组成和微观结构上与骨的无机组成相近。在生理环境下，HCA与骨组织形成紧密的化学键结合层，阻止材料被腐蚀，具有良好的抗应力性能，从而增强材料的耐久力和抗疲劳性能。生物活性陶瓷主要用作牙科和整形外科植入体、骨间接合材料、人工骨材料和治疗癌症材料等。对于生物活性陶瓷，以羟基磷灰石(HAP)为例，制备致密型HAP的方法主要有:干法烧结(在高温下进行粉末原料的固相反应后烧结)、湿法烧结(在室温下进行水溶液反应后烧结)、水热法烧结(在高温高压水蒸气下反应后烧结)、溶胶凝胶法等;制备多孔型HAP的主要方法有烧结法、浸渍法等。

11．4．2．3　可吸收生物陶瓷

可吸收生物陶瓷是一类在生理环境作用下能逐渐降解和被吸收的生物材料。可吸收生物陶瓷是一种暂时性的替代材料，植入人体后会被吸收，同时新生骨逐渐长入而替代材料，具有优良的生物相容性、生物活性、可降解性和一定的机械强度，主要用于骨缺损修复、牙槽嵴增高、耳听骨替换、与有机或无机物复合制作人造肌腱及复合骨板，可作为缓释载体等。对于可吸收生物陶瓷，以β－磷酸三钙为例，制备致密型β－TCP的方法主要有干法烧结、湿法烧结等;制备多孔型β－TCP的方法主要有烧结法、浸渍法等。

随着生物陶瓷材料的发展，其制备方法也在不断地发展与更新，相信不久的将来，会有更多新颖、高效的制备方法出现，以适应生物陶瓷发展的需求。

11．5　生物玻璃

作为生物材料重要组成部分的生物活性玻璃和微晶玻璃具有良好的生物相容性、生物活性和可加工性，不同于惰性生物陶瓷和可吸收生物陶瓷，生物活性玻璃和微晶玻璃是表面活性材料，能与人体骨或软组织形成生理结合。

生物活性玻璃一般含有CaO、P2O5，部分含有SiO2、MgO、K2O、Na2O、A12O3、B2O3、TiO2等，玻璃网络由硅氧四面体或磷氧四面体构成，而碱金属及碱土金属氧化物为网络调整体，网络形成体之间通过桥氧连接，非桥氧则连接网络形成体和网络调整体原子，桥氧和非桥氧的比例决定了玻璃的生物活性，因为碱金属和碱土金属离子在水、酸等介质存在时，易被溶出，释放一价或二价金属离子，使生物玻璃表面具有有限溶解性，即为玻璃生物活性的基本标志。

生物玻璃结构特点如下:①玻璃形成范围大。随碱金属和碱土金属氧化物含量增加，玻璃网络结构逐渐由三维变为二维、链状甚至岛状，玻璃的溶解性增强，生物活性也增强。②基本结构单元磷氧四面体中有3个氧原子与相邻四面体共用，另一氧原子以双键与磷原子相连，该不饱和键处于亚稳态，易吸收环境水转化为稳态结构，表面浸润性好。③向磷酸盐玻璃中引入Al3+、B3+、Ga3+等三价元素，可打开双键，形成不含非桥氧的连续结构群，使电价平衡、结构稳定、生物活性降低。

相对于其他生物材料，生物活性玻璃和微晶玻璃具有以下特征。

生物活性高。不同的生物活性玻璃和生物微晶玻璃之所以能在临床上获得成功，均归因于其能与骨组织结合形成稳定且高机械强度的界面。根据生物材料活性不同，可将其分为两类:①具有促骨生长作用的A类生物活性材料，如生物玻璃(bioglass)，植入体内后其表面快速反应并伴随离子溶解的产物在细胞水平上增强骨细胞增殖。②只具有骨传导作用的B类生物活性材料，如合成HAP烧结陶瓷，骨沿着其表面爬行生长。使用A类生物活性材料bioglass填充骨缺损时，新骨增殖速度较快，主要原因在于生物玻璃具有促进原始细胞增殖和分裂的特征。

组成的可设计性和性能的可调节性。与单组分材料相比，生物玻璃可通过改变其成分或微晶玻璃中晶相的种类和含量来调节生物活性、降解性和机械性能等，以满足不同的临床需求。如在CaO－SiO2玻璃系统中引入少量磷，即能显著提高材料的生物活性;在玻璃相中引入氟金云母和磷灰石相，能提高材料的可切削性能，并可保持材料的生物活性;通过对bioglass玻璃晶化，虽然材料的生物活性稍有降低，机械性能却大幅度提高。

近来的研究表明，生物玻璃通过激活成骨细胞的一些基因，可增强成骨细胞的分化和增殖。相对于传统熔融法制备的玻璃而言，溶胶－凝胶法制备的玻璃或多孔生物玻璃显著提高了比表面积并影响着网络结构，加速了生物玻璃的降解。因此，通过玻璃结构、组成、形貌等调控，研制具有增强组织再生自我修复能力而不是简单替代缺损组织的生物玻璃，可达到玻璃降解和组织生长速度的一致。

11．6　PGA、PLA及PGLA

近年来，国内外对生物可降解聚酯类材料的研究开发极为活跃，其中聚乙交酯(polyglycolide，PGA)、聚丙交酯(polylactide，PLA)和聚乙交酯丙交酯(polyglycolide－colactide，PGLA)等聚α羟基酸酯由于其良好的生物相容性以及可降解性，已经被美国食品和药品管理局(FDA)批准广泛应用于医疗领域，并被认为是最有前途的可降解高分子材料。

11．6．1　PGA、PLA及PGLA的结构和合成

PGA也称聚羟基乙酸或聚乙醇酸。单个乙醇酸分子［CH2(OH) COOH］中同样含有一个羟基和一个羧基，—OH与别的分子的—COOH脱水缩合形成了聚合物，叫作聚乙交酯。PGA是半晶型的聚合物，PGA的性能强烈依赖于其受热历史、相对分子质量、相对分子质量分布及纯度等，用不同的制备方法，所得的聚合物的性能参数有所不同。合成聚乙交酯的主要原料为羟基乙酸，羟基乙酸广泛存在于自然界，特别是在甘蔗和甜菜以及未成熟的葡萄汁中。合成PGA主要有两种化学方法:缩合聚合法及开环聚合法。羟基乙酸直接加热缩合是制备PGA的简单方法，但一般只能得到相对分子质量在几十至几千的低聚物，高相对分子质量的PGA通常用开环聚合法制得。

PLA也称为聚乳酸或聚羟基丙酸。单个的乳酸分子［CH3CH(HO) COOH］中有一个羟基和一个羧基，—OH与别的分子的—COOH脱水缩合形成了聚合物，叫作聚丙交酯。目前，聚丙交酯可通过不同途径合成:途径一是乳酸的直接聚合，途径二是乳酸的环状二聚体－丙交酯的开环聚合。这两种方法的合成均可在溶液或本体的条件下进行。合成聚乳酸高分子材料的基本原料即为乳酸，乳酸的生产工艺路线有两种，一种是以石油为原料的合成法，另一种是发酵法，目前纤维用乳酸多用发酵法。乳酸是一种简单的手性分子，具有两种不同的旋光异构体: L－乳酸和D－乳酸，相应的聚乳酸也存在四种具有不同旋光性的聚合物，即左旋聚丙交酯(PLLA)、右旋聚丙交酯(PDLA)、外消旋聚丙交酯(PDL-LA)和非旋光性聚丙交酯(meso－PLA)，其性能也存在着一定差异。

PGLA是羟基乙酸和乳酸聚合而成的共聚物，它兼有两种聚酯材料的特点。PGLA的合成方法也分为直接共聚法，以及开环共聚法。合成方法、合成所用丙交酯或乳酸的构型、投料比等差异，会使合成出的PGLA性能不同。一般认为，PGLA的熔点和结晶度均低于PGA，柔性增强，在生物体内外都能降解，并且生物相容性好，可以被人体吸收。由于引入乙醇酸柔性链段，PGLA比乳酸链段少一个甲基，使材料的疏水性减弱、亲水性加强。

11．6．2　PGA、PLA及PGLA的纺丝

PGA、PLA及两者的共聚物PGLA均可在一定条件下制备成纤维，国内外一些学者对它们的纺丝方法和工艺进行了研究。

PGA、PLA及PGLA纤维都可用熔融纺丝的方法来制备。纺丝工艺对最终的纤维结构和性能有很大的影响，一些学者对制备该类纤维的熔融纺丝工艺参数进行了研究，并给出了最佳工艺参数。Yang Q等研究了熔融法生产PGA纤维的工艺参数对纤维结构性能的影响，研究表明未拉伸PGA初生纤维的结晶度很低，低速纺丝高倍拉伸的纤维结晶结构较为完善，而高速纺丝低倍后拉伸的纤维结晶状态较差，故采用低速纺丝高倍后拉伸的工艺路线可以得到具有较好结构PGA纤维。贾广霞等通过熔融纺丝－热板拉伸二步法制得PLA纤维，研究了纺丝温度、拉伸温度、拉伸倍数对PLA纤维结构性能的影响，并指出在保证纺丝顺利进行的情况下，尽量采用较低的温度进行纺丝，减小水解和热降解程度;拉伸温度越高，得到的聚乳酸纤维的相对分子质量越小，故拉伸温度控制在100℃以下为好;当拉伸倍率为4倍时，聚乳酸纤维的性能最好，即纤维的结晶度、取向度和断裂强度均表现出最佳值。在熔融纺丝过程中，聚合物的结构和性能会发生变化，Fu B等研究了在熔融纺丝生产过程中PGA和PGLA纤维的结构和性能的变化，研究表明经过热拉伸和定形，PGA纤维和PGLA纤维在力学强度、结晶度和玻璃化转变温度上都会有所增加，两种纤维在纺丝和热拉伸阶段产生的内应力可在定形阶段消除。

除了熔融纺丝，还可用静电纺丝的方法制备出PGA、PLA及PGLA超细纳米级纤维。区别于传统纺丝，静电纺丝是指聚合物溶液或熔体在外加电场作用下的纺丝工艺。在电场力作用下，处于纺丝喷头的聚合物溶液或熔体液滴，克服自身的表面张力而形成带电细流，在喷射过程中细流分裂多次，经溶剂挥发或固化后而形成超细纤维，最终被收集在接收屏上，形成非织造超细纤维膜，或附加特殊装置，将超细纤维纺成纱线。在一定条件下，受静电排斥力、库仑力和本身表面张力的共同作用，聚合物细流会沿着不稳定的螺旋轨迹弯曲运动，在几十毫秒内被牵伸千万倍，从而形成纳米级至亚微米级超细纤维。You Y等用静电纺丝的方法以氯仿为溶剂制备了平均直径为760 nm的PGLA纤维，以六氟异丙醇为溶剂制备了平均直径在300 nm以下的PGA和PLA纤维。

另外，PLA纤维还可采用溶液纺丝法制得。聚乳酸的溶液纺丝主要采用干纺－热拉伸工艺，纺丝溶液的制备一般都采用二氯甲烷、三氯甲烷或甲苯作溶剂。通过干纺制得纤维的机械性能要优于熔纺纤维，其原因是干法纺丝的纺丝液中，大分子链的缠结比熔体少得多，若能在纺丝过程中将这种缠结少的网络结构有效地转移到初生纤维中，则初生纤维表现出很高的拉伸性能;此外，同熔融纺丝相比，干法纺丝通常在较低的温度下进行，热降解较少。但采用二氯甲烷、三氯甲烷或甲苯等作溶剂，由于溶剂有毒，纺丝环境恶劣，溶剂回收困难，需作特殊处理，因此纤维生产成本高，并且纺丝工艺相对复杂，限制了其应用。

11．6．3　PGA、PLA及PGLA的降解

对于生物可降解材料来讲，它的一个重要性能指标就是其降解性能。材料的降解速率是否与应用中需要的时间相匹配是选择材料时所要考虑的一个重要因素。因此，对生物材料的降解性能进行评估非常必要。

材料的降解分为一般化学降解(氧化降解、水解等)、物理化学降解(光降解、热降解等)和纯生物降解(微生物降解、酶解等)。生物可降解材料的降解是指材料在体内或模拟体液环境中的降解，主要是一个水解过程。宏观上是材料整体结构被破坏，体积变小，逐渐变为碎片，最后完全溶解并被人体吸收或排出体外;微观上是聚合物大分子链发生化学分解，如相对分子质量变小、交联度降低、分子链断开和侧链断裂等，变为水溶性的小分子而进入体液，被细胞吞噬并被转化和代谢。

对于聚合物水解机制的研究，从物理角度看，有均相和非均相降解，非均相就是指降解反应发生在聚合物表面，而均相降解则是降解发生在聚合物的表面和内部。从化学角度看，聚合物的降解存在以下四种机制:

(1)聚合物通过主链上不稳定键的水解变成低相对分子质量，水溶性分子;

(2)聚合物通过侧链基团水解，离子化或质子化，变成水溶性聚合物;

(3)聚合物水解掉不稳定的交联链变成可溶于水的线型高分子;

(4)以上三种降解类型的综合。

PGA、PLA及其共聚物PGLA，属于第一种降解机制，其主链上含有不稳定化学键——酯键，在体内细胞外液中极易发生降解，其降解过程中的降解产物可参与机体内代谢活动，因这类聚合物才被称为生物降解聚合物。对于这类聚α－羟基酸酯的生物降解性主要取决于聚合物本身的化学构型，其降解性可通过力学测试、相对分子质量测定、质量测试以及显微观察等方法进行评价。对于PGA、PLA及其共聚物PGLA降解方面的研究主要集中在降解机制和影响降解的因素上。

降解机制。PGA、PLA及其共聚物PGLA在体内或模拟体液环境中降解的根本原因是酯键的水解，即酯键发生断裂，产生一个羧基和一个羟基，而产生的羧基又能进一步促进其他酯键的水解。此类聚合物降解的中间产物是羟基乙酸或乳酸，最终产物是二氧化碳和水。降解过程是一个复杂的物理化学过程，包括水的渗透、酯键的断裂、可溶性低聚物的扩散和碎片的溶解等现象。PGA、PLA和PGLA在体内或模拟体液环境中降解的根本原因虽然是相同的，但在不同的情况下的降解过程却有所不同，国内外学者针对不同的情况对PGA、PLA和PGLA的降解过程进行了研究，目前存在的主要降解理论有中心自催化降

解、本体均一降解、四阶段降解及表面溶蚀降解等。

中心自催化降解指降解试样的表面与中心部分的降解速度在降解过程中出现了差异，试样中心部分的降解速度快于其表面部分。第一阶段，水扩散到样品中，试样均一降解;第二阶段，在相对分子质量下降到一定程度后，具有酸性端基的降解产物不能从中心扩散出去，产生了自我催化作用，使中心降解速度加快，而表面的降解产物能够及时扩散到溶液中，所以降解速度比中心慢;第三阶段，当试样中心的低聚物相对分子质量下降到能够扩散到溶液中时，试样形成了中空结构。该降解理论适用于降解试样尺寸较大的该类聚合物。

本体均一降解指降解试样的表面与中心部分的降解速度在降解过程中是相同的。该降解理论适用于降解试样尺寸较小的该类聚合物，如微粒、薄片、纤维等。由于试样尺寸较小，降解产生的酸性产物不能滞留在试样内部，不会产生中心自催化降解现象。

四阶段降解理论是针对PGA释药载体的降解过程提出的。由于自由水分子在PGA释药载体表面层浓度较高，从而增加了试样的活动性，而且随着降解产物的去除，水分子占据了空间。这使得在紧密的中心层与多孔的表层之间形成了一个“反应－侵蚀面”。表层的多孔区域利于吸水，试样体积充水增大。低聚物从表层扩散出去，造成质量损失，以及由于被进一步水解成羟基乙酸，溶液pH值减小。随着降解的进行，质量进一步损失，水分进一步渗入试样中，在溶液中的羟基乙酸浓度继续增加。这种现象可以被解释为反应－侵蚀面向中心移动，形成更多的多孔区域。最终，反应侵蚀面将在中心会合，使整个材料变为多孔的，表现为质量损失速率和含水量增加速率的减小。整个降解过程可分为四个阶段，在第一阶段，水很快在PGA整体扩散。第二阶段，整体均一降解，相对分子质量开始下降。第三阶段，相对分子质量低到一定程度，低分子聚合物开始从表面扩散到溶液中，反应－侵蚀面在表面形成，并向中心移动。第四阶段，试样整体变为多孔的，又开始了整体均一降解。

表面溶蚀降解指降解只发生在聚合物表面，而聚合物内部不发生降解，表现为在降解过程中聚合物整体的相对分子质量不变，而尺寸不断减小。PLA在碱溶液中的降解属于这种情况。

由该类聚合物制备出的纤维的降解属于本体均一降解，Chu C等以微原纤模型为基础，阐述了PGA纤维的降解机制。该模型基本单元是微原纤，结晶区和非结晶区在微原纤中沿纤维轴交替排列，有些大分子链沿着纤维轴穿过数个结晶区与非结晶区，而有些大分子链则重新进入其他不一定相邻的微晶中。Montes H等对PGA纤维结构进行了研究，得出的结论与上述模型相符合。当PGA纤维浸入到缓冲液中后，水分子很容易扩散到非结晶区，而很难进入结晶区。这是因为非结晶区更开放，水易于渗透，而结晶区由于紧密的结晶结构，水很难渗透。由于结晶区存在着不完善和缺陷，一部分结晶区也会与非结晶区同时发生降解，但是降解速度较慢。因此，在降解过程中，降解前期在非结晶区的降解起主导作用，降解到一定时间时，在结晶区的降解开始起主导作用。

Yuan X等对PLA纤维的降解过程进行了研究，研究表明PLA纤维也分为在非结晶区和结晶区降解两阶段。

影响因素。相对分子质量、化学成分、形态结构以及降解环境等因素均能对此类聚合物的降解过程造成影响。对影响由该类聚合物制备出的纤维降解因素的研究主要集中在纤维本身的初始形态结构以及外界因素上。

孔隙、直径及结晶度等纤维本身的初始形态结构会对降解过程产生影响。You Y等用静电纺的方法制备了PGA与PLA的混合纤维，并将PLA溶解后形成PGA多孔纤维，通过控制PGA与PLA百分比来制备不同孔隙率的PGA纤维，研究了孔隙率高低对纤维降解的影响，研究表明PGA纤维孔隙率越高，降解速率越慢，指出这是由于孔隙率低的纤维降解酸性产物不易扩散到溶液中，自催化水解作用较强。Pegoretti A等研究了两种直径不同的PLA纤维的降解过程，研究表明，直径较大的纤维降解速率较慢。Browning A等和Chu C等研究了热定形对PGA纤维的降解性能影响，并指出经过热定形处理的纤维的初始结晶度比未经处理的高，这是导致处理后纤维降解速率较低的原因。

缓冲液的pH值、降解温度等外界因素也会对降解产生影响。Chu C等研究了降解缓冲液的pH值对PGA纤维的降解过程中的拉伸性能的影响，研究表明PGA纤维在pH值为5．25和7．44的缓冲液中降解速率没有显著区别，但在pH值为10．09的情况下，降解速率明显加快。Deng M等研究了降解过程中外力和温度对PGLA纤维的影响，研究表明外力对降解没有影响，而温度的升高使降解明显加速。

现有的组织工程材料的主体为高分子材料，其中既有脱细胞基质、胶原、甲壳质等天然高分子材料，又有聚酯等合成高分子材料。两者各有特色，但考虑到合成高分子材料具有更大的可控性和批与批之间的重复性，因而在将来的产业化过程中可能有更强的竞争性。