Susanna Laurén Nov 10, ’12 < 20200610

生物相容性——生物材料与生物环境的相互作用

将生物材料植入人体后,在材料表面会发生不同分子的相互作用。这些相互作用的类型受材料表面性质的影响,例如表面化学性质,润湿性和表面粗糙度。这些表面现象可大致分为四个阶段:水和表面的相互作用、蛋白质吸附、细胞粘附、细胞扩散及增殖。

生物材料上水和表面的相互作用

当材料被植入生物环境中时,最初的反应是水分子吸附到表面上。这个反应发生在最初的几纳秒。众所周知,水在不同材料表面的行为是不同的。它可以铺展在表面上,形成一个有可测量角度的液滴(即接触角)。 在此基础上表面可以被分为亲水表面或疏水表面。

长期以来,人们一直在研究水在生物材料表面上的行为,因为这是生物材料在生物响应作用的基础。水-表面相互作用对蛋白质吸附,及之后的细胞-生物材料相互作用的影响程度仍在研究中。

蛋白吸附生物材料

第二阶段,蛋白质吸附过程发生。生物材料在植入生物系统后约一秒钟内,即可在其表面观察到蛋白质。在接下来的几秒到几分钟内,蛋白质单层膜就会吸附到大部分生物材料表面上。人们普遍认为,小分子量蛋白质由于其快速运动能力,将会首先吸附到表面上。然而随着时间的推移,这些蛋白质会被具有更大亲和力的大分子量蛋白质所替代[1]。 蛋白质的亲和力是决定竞争性吸附结果的主要原因。例如,血液中常见的三种血浆蛋白是白蛋白,IgG和纤维蛋白原,而血浆中的血红蛋白量要少得多。然而由于较高的表面亲和力,血红蛋白的吸附量与常见的蛋白相似[2]

细胞与生物材料的相互作用

生物反应的第三阶段是细胞附着于生物材料表面。该阶段受吸附的蛋白质层以及表面形貌的影响。由于蛋白质的吸附发生在细胞到达表面之前,因此细胞首先会看到吸附的蛋白质层,而不是生物材料表面本身。

细胞的扩散和分化特别受到微观粗糙度和润湿性的影响。据报道,具有中等亲水性的生物材料表面可以促进细胞生长和提高生物相容性。但是随着材料变得逐渐亲水,细胞粘附力也随之降低。这表明生物材料表面存在一定范围的最佳表面能[3]。

由于纳米和微米级的粗糙度在这里也起到了作用,因此确定表面自由能,形貌或两者协同作用来调节细胞的吸附非常重要[4]。

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[1] P. Roach, D. Englin, K. Rohde and C. C. Perry, “Modern bio¬materials: a review – bulk properties and implications of surface modifications”, Journal of material science: Materials in medicine 18 (2007) 1263.

[2] T.A. Hobert (2004), “The role of adsorbed proteins in tissue response to biomaterials” in B. D. Ratner et. a. (ed.) Biomaterial science: An introduction to materials in medicine. Elsevier Academic Press 237.

[3] R.E. Baier, “Surface behavior of biomaterials: the theta surface for biocompatibility”, Journal of material science: Materials in medicine 17 (2006) 1057.

[4] J. I. Rosales-Leal, M. A. Rodríguez-Valverde, G. Mazzaglia, P. J. Ramón-Torregrosa, L. Díaz-Rodríguez, O. García-Martínez, M. Vallecillo-Capilla, C. Ruiz and M. A. Cabrerizo-Vílchez, “Effect of roughness, wettability and morphology of engineered titanium surfaces on osteoblast-like cell adhesion”, Colloids and surfaces A: Physicochemical and Engineering aspects 365 (2010) 222.

 

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