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篇1

關鍵詞 生物質能源；農作物秸稈；部分調整模型；灰色關聯(lián)分析

中圖分類號 P968 文獻標識碼 A 文章編號 1002-2104(2007)05-0084-06

20世紀80年代以來， 石化能源價格的不斷上漲， 同時無節(jié)制地開采使地下資源貯量迅速下降， 并且大量使用造成了嚴重的全球性環(huán)境問題。據(jù)美國能源部和世界能源理事會預測，全球石化類能源的可開采年限分別為石油39年，天然氣60年，煤211年，而其分布主要在美國、加拿大、俄羅斯和中東地區(qū)［1］。自1993年我國由石油凈出口國轉變?yōu)閮暨M口國以來，石油進口量逐年上升，目前對石油進口依賴度已超過1/3，2005年進口依存度已達42.9%［2］，預計2010年我國石油進口依存度將達50%［3］，2020年將超過60%［4］。其中進口石油中約80%的石油通過馬六甲海峽，90%需要外籍油輪運輸［5］。隨著我國經濟建設的快速發(fā)展，石油消耗也很大。1991-2004年，中國的石油消費量從1.18億t增長到2.9億t，年均增長幅度達7%以上。2002年中國超過日本，成為僅次于美國的世界第二大石油消費國。伴隨經濟建設快速發(fā)展的高能耗，面對我國石油的相對匱乏，有專家測算，我國石油穩(wěn)定供給不會超過20年，很可能在我們實現(xiàn)“全面小康”的2020年，就是石油供給喪失平衡的“拐點年”。

面對能源短缺的制約，一條可選擇的途徑便是發(fā)展生物質能源。生物質能是人類賴以生存的重要能源，是人類利用最早、最多、最直接的能源，目前僅次于煤炭、石油、天然氣而居世界能源消費總量第四位，在世界能源總消費量中占14%,至今,世界上仍有15億以上的人口以生物質作為生活能源［6］。杜祥琬［7］2006年預測，可再生性能源到2010年將占到我國能源利用總量的5%到8%，到2020爭取能達到10%到15%，在這些可再生性能源中，生物質能源是最有產業(yè)化、規(guī)?；熬暗目稍偕阅茉础Ｒ虼税l(fā)展可再生性能源――生物質能源，對于緩解我國能源消費壓力，促進國民經濟的發(fā)展，對于保護生態(tài)環(huán)境，具有重大意義。

為促進我國生物質能源的發(fā)展，國家財政部正在研究建立成本分攤機制與風險分攤機制的財稅扶持政策，具體內容包括彈性虧損補貼、原料基地補助、示范補助、稅收優(yōu)惠［8］。生物質能源主要是指利用農作物秸稈、甘蔗、玉米、小麥、甜菜、木薯、馬鈴薯、棉籽、菜籽、林灌木等農林產品，以及畜牧業(yè)生產廢棄物等提取的能源。

農作物秸稈作為生物質能源材料中的一種，具有廣闊的來源。由于農作物秸稈來源于農作物產品，而農作物與農民生活息息相關，也與國家糧食安全息息相關。在這種背景下，研究主要農作物秸稈的蘊含量，有利于開發(fā)農作物秸稈高效利用，促進生物質能源的規(guī)?；a業(yè)化發(fā)展。

1 研究背景

目前，國內對于生物質能源的研究主要從技術利用，包括生物質氣化、液化、致密成型、秸稈發(fā)電（馬曉茜、何軍飛等，2006；賈小黎，丁航，2006；吳祖林、劉靜，2005；周肇秋，馬隆龍等，2004）；技術標準建設（劉軍利,蔣劍春，2006）、國際開發(fā)利用扶持政策（國家發(fā)改委能源局，2005；國家林業(yè)局能源辦，2006；鄭畹，2006；蔣劍春、應浩等，2006；曾麟、王革華，2005；陳曉夫，王飛，2005；劉繼芬，2005）進行分析。對農作物秸稈的研究也是基于此，如稻殼氣化燃燒發(fā)電、秸稈直接燃燒發(fā)電（賈小黎，丁航，2006；周肇秋，馬隆龍等，2004）。

農作物秸稈作為重要的生物質能源材料之一，在中國具有廣闊的來源。面對當前農業(yè)結構調整、農村經濟改革發(fā)展，在保障國家糧食安全的情況下，面對農民根據(jù)比較效益自發(fā)選擇經濟作物，由此出現(xiàn)“壓糧擴經”的現(xiàn)象。而農業(yè)結構調整在一定時期內仍然是促進農村發(fā)展，農民增收的一個方向（林毅夫，2003；黃季，2004；王雅鵬，2005）。因此，正確認識糧食總產量與農作物秸稈總產量之間的變化趨勢及它們之間的長期關系，有利于促進農村秸稈資源的開發(fā)利用，優(yōu)化農村能源結構，改善農村居民生活水平。

2 基本假設與模型的設定

2.1 基本假設

農作物秸稈產量同農作物產量呈一固定比例關系，比例關系為草谷比（k），其中草谷比值為常數(shù)；

丁文斌等：生物質能源材料――主要農作物秸稈產量潛力分析農作物秸稈產量變化服從農作物產量的變化規(guī)律。

2.2 模型的設定

假定理想的農作物秸稈產量是糧食作物產量的如下線性函數(shù)：

由于農作物大田種植，受自然氣候環(huán)境、人的經驗管理水平影響等的影響(即便是在農民經驗管理水平較高的情況下，可能由于農作物種植效益偏低，投入產出低下，農民不愿意投入很多人力、物力來精心管理作物，由此導致生產的粗放化。)，實際變化只能是理想變化的一個比例，這個比例小于1。 將調整機制轉化形式可得：

3 計量分析

主要糧食作物選取稻谷、小麥、玉米、豆類、薯類、油料、棉花、甘薯，數(shù)據(jù)為1991-2004年各作物產量，數(shù)據(jù)來自《中國統(tǒng)計年鑒2005》。

由此可知，短期邊際產量傾向MPY為0.879，調節(jié)系數(shù)為0.701，長期邊際產量傾向為1.26。對長期消費傾向而言，糧食總產量每增加1 t，主要農作物秸稈總產量則增加1.26 t。調節(jié)系數(shù)為0.701表明，主要農作物秸稈產量同其理想產量水平的調整程度為70%，尚有30%的潛力有待挖掘。

要發(fā)揮農作物秸稈產量的理想水平，就需要找出其制約因素。作為農作物的附屬產量，農作物秸稈農糧食作物質間有一定的相關性，但又有所不同。對比分析影響糧食產量和影響農作物秸稈產量的農業(yè)物質投入要素，有利于分析出二者間的異同。選取農業(yè)物質投入要素農村勞動力、有效灌溉面積、耕地面積、糧食播種面積、農村用電量、農用化肥施用量、農藥用量、農業(yè)機械總動力及糧食單產等9個變量，變通過糧食總產與農作物秸稈總產量與各要素進行灰色關聯(lián)的對比分析。數(shù)據(jù)取自1993-2004《中國農業(yè)年鑒》和《中國統(tǒng)計年鑒2005》。

在糧食總產量同各要素的灰色關聯(lián)分析中，取分辨系數(shù)為0.5，關聯(lián)系數(shù)計算公式為：

依據(jù)灰色關聯(lián)分析計算關聯(lián)度，即求對應的關聯(lián)系數(shù)的算術平均值，得到關聯(lián)分析對照表，見表4。

由糧食總產量與農作物秸稈同各物質要素投入關聯(lián)度對照表可以看出，影響糧食總產量和主要農作物秸稈產

量的因素有較大的相似性。關聯(lián)序排第一位及第五、六、七、八、九位的要素相同。這些要素中，農用化肥施用量、耕地面積、農藥用量、農業(yè)機械總動力、農村用電量六要素對農作物生產的作用很大，影響二者的產量次序相同。而對有效灌溉面積、農村勞動力二要素對農作物秸稈產量的影響程度比對糧食生產的影響程度要大。

由前五位要素糧食單產、有效灌溉面積、農村勞動力、農村化肥施用量、農藥用量對主要農作物產量及對糧食產量的影響程度可知，隨著科技水平的提高、科技推廣程度的擴大、農村勞動力水平的提高，農作物秸稈的產量增長程度會快于糧食產量的增長程度。從圖1中也可以看出，主要農作物秸稈產量與糧食總產量之間的差值呈增長趨勢，這也說明了主要農作物秸稈產量的增長速度快于糧食產量的增長速度。

究其原因，主要有以下幾點：

（1） 農作物比較效益的低下，“壓糧擴經”行為促使。在我國改革開發(fā)過程中，市場經濟的觀念逐漸深入人心。農民逐漸根據(jù)市場價格進行農業(yè)生產安排。在比較效益原則下，追求利益最大化，獲得更大的預期收益，農民更愿意種植比較效益更高的經濟作物，而非糧食作物，導致“壓糧擴經”的行為產生。

（2） 農業(yè)結構調整促使。自20世紀90年代以來，我國農業(yè)和農村經濟發(fā)展的背景產生了諸多變化。主要由過去的農產品供求短缺專向了過剩，結構問題日趨突出，農民增收緩慢，增收困難，且城鄉(xiāng)差距、工農差距在擴大。另一個背景就是加入WTO，資源利用和生產經營面臨著國際市場的競爭，是農業(yè)發(fā)展受到挑戰(zhàn)，農民增收受到挑戰(zhàn)。在此背景下，通過結構調整，旨在提高農產品質量、效益和競爭力，提高農民收入。在調整過程中，種植業(yè)結構朝經濟效益高的經濟作物方向發(fā)展，促進了糧食總產量的增長速度慢于主要農作物秸稈產量增長速度。

（3） 資源利用效率優(yōu)先原則促使。早在1987年，諾貝爾經濟學獎獲得者舒爾茨在其《改造傳統(tǒng)農業(yè)》一書中便提出了著名的農民理性假說，即“在傳統(tǒng)農業(yè)中，生產要素配置效率低下的情況是比較少見的”［9］。隨著農村改革使農民基本擺脫溫飽開始向小康邁進，農民的需求層次也有生理需求向其他需求滿足過渡，農民不僅僅是追求利益最大化，還追求既得收益下付出的最小化。由此導致了農民對農業(yè)物質資源、家庭勞動力資源配置的調整。在種植業(yè)內部，農民的理促進了物質資源、家庭人力資源的配置遵循資源利用效率優(yōu)先原則，投入到了非糧食作物中，促進了非糧作物的增長。

（4） 科技進步的結果。建國以來，我國一直對糧食作物進行著科研，以提高糧食產量。目前糧食單產的水平已經在一個較高的水平上，相對其他非糧食作物而言，近年來糧食作物單產的增長水平低于經濟作物如棉花、油菜籽、甘蔗（表5），由此導致主要農作物秸稈總產量增長率高于糧食總產量的增長速度。

4 結束語

生物質能源作為可再生能源，具有許多優(yōu)良特性如可再生性、可儲藏性和可替代性、資源豐富、二氧化碳零排放［10］。面對當前國內能源消費壓力，積極開發(fā)生物質能源是一條適宜的可選途徑，即有利于緩解當前能源消費壓力，又可在當前新農村建設中，提高農村地區(qū)對生物質的利用效率，減輕農村地區(qū)同城市對能源的競爭性壓力，促進“生產發(fā)展、村容整潔”，提高人民生活水平。因此，積極開展生物質能源的相關研究，意義重大。農作物秸稈作為生物質能源的一個重要組成部分，蘊含量大，資源豐富又可持續(xù)供給。隨著我國農村改革的深入，結構調整的深化、科技水平的提高、農民經營管理水平的提高，生物質能源的含量會進步提高，積極探索出一條合適的秸稈轉化為能源的利用方式，將對國家能源消費、農村地區(qū)能源消費、農民生活產生深遠影響。

參考文獻(References)

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［9］ 西奧多?W?舒爾茨.改造傳統(tǒng)農業(yè)［M］.北京：商務印書館，1987，3：29［Theodore W. Schultz.Transforming Traditional Agriculture［M］.Beijing: Commercial Press, 1987，3：29］

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英文名稱：Orthopaedic Biomechanics Materials and Clinical Study

主管單位：湖北省食品藥品監(jiān)督管理局

主辦單位：湖北省醫(yī)療器械協(xié)會

出版周期：雙月刊

出版地址：湖北省武漢市

語

種：中文

開

本：大16開

國際刊號：1672-5972

國內刊號：42-1715/R

郵發(fā)代號：38-114

發(fā)行范圍：國內外統(tǒng)一發(fā)行

創(chuàng)刊時間：2003

期刊收錄：

核心期刊：

期刊榮譽：

聯(lián)系方式

期刊簡介

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關鍵詞：納米材料；生物合成；綠色化學

中圖分類號：TB34 文獻標志碼：A

文章編號：0367-6358（2015）04-0246-05

隨著納米研究領域科研工作的發(fā)展，納米材料的合成方法不斷地推陳出新。其合成方法包括沉淀法、溶膠凝膠法、離子交換法等在內的化學方法和包括球磨法、濺射法、超重力法等在內的物理方法。但是這些傳統(tǒng)方法都普遍面臨著污染環(huán)境，能耗高等問題。納米材料的生物合成是結合了納米技術和生物技術的綠色合成方法。納米材料的生物合成相比較傳統(tǒng)的物理及化學等方法在原料的選取、反應條件的調控及后期處理等方面更加環(huán)保健康。將納米技術與不同的生物相結合制備出不同形貌及性能的納米材料，顯示出了更廣闊的發(fā)展空間。有些生物本身就有著微妙的形貌特征，以其為模板可以制備出有特定生物形貌的納米材料，省去了傳統(tǒng)模板法中模板的制備。而生物體的一些組成成分或其提取物中存在著一些活性成分對于某些反應來說是很好的還原劑和穩(wěn)定劑，減少了有毒化學藥品的使用。本文將依據(jù)單細胞及多細胞的不同生物體模板、生物體組成成分及從中提取的不同活性成分和病毒等參與反應的不同物質，對將近幾年國內外的相關研究成果進行分類，系統(tǒng)地綜述納米材料生物合成的研究進展。

1以生物體為模板制備納米材料

綠色化學要求科研工作者能夠尋找到無污染、低毒、低能耗、綠色健康的反應前驅體或者是反應條件。生物體表面的氨基和羧基基團及特定形貌使其成為天然的還原成分和現(xiàn)成模板，以此為模板制備納米材料與傳統(tǒng)制備納米材料的方法相比更加符合綠色化學的要求。

1.1以單細胞生物體為模板制備納米材料

細胞是生物體結構和功能的基本單位，而細胞表面的細胞膜是由磷脂雙分子層和鑲嵌其中的蛋白質等構成的。不同的細胞有著獨特精制的外形結構和功能化的表面，以單細胞為模板可以合成不同生物細胞形貌的納米結構。

1.1.1以原核細胞為模板制備納米材料

細菌和放線菌被廣泛應用于金屬納米顆粒的合成，其中一個原因就是它們相對易于操作。最早著手研究的Jha等用乳酸桿菌引導在室溫下合成了尺寸為8～35 nm的TiO2納米粒子，并提出了與反應相關的機理。隨著納米材料的生物合成的逐漸發(fā)展，現(xiàn)在已成功合成了以不同菌為模板的不同形貌的納米材料。Klaus等在假單胞菌（Pseudomonasstutzeri）的細胞不同結合位點處制備并發(fā)現(xiàn)了三角形，六邊形和類球形的Ag納米粒子，其粒徑達200nm。Ahmad等從一種昆蟲體內提取了比基尼鏈霉菌（Streptom yces bikiniensis），并以此制備出3～70 nm的球形Ag納米顆粒。Nomura等以大腸桿菌為模板成功制備出平均孔徑為2.5 nm的桿狀中空SiO2，其比表面積達68.4 m2/g。

1.1.2以真核細胞為模板制備納米材料

真核細胞相比較原核細胞種類更為廣泛，培養(yǎng)更為方便，所以以此為模板的生物合成的研究更多。最簡單的單細胞真核生物小球藻可以富集各種重金屬，例如鈾、銅、鎳等。Fayaz等以真菌木霉菌（Trichodermaviride）為模板在27℃下合成了粒徑為5～40 nm的Ag納米粒子，并且發(fā)現(xiàn)青霉素，卡那霉素和紅霉素等的抗菌性在加入該Ag納米粒子后明顯提高。Lin等發(fā)現(xiàn)HAuCl4中金離子在畢赤酵母（Pichiapastoris）表面先發(fā)生了生物吸附然后進行生物還原，從而得到Au納米粒子。研究發(fā)現(xiàn)金離子被酵母菌表面的氨基、羥基和其它官能團首先還原成一價金離子，并進一步被還原成Au納米顆粒。Mishra等以高里假絲酵母（Candidaguilliermondii）為模板合成了面心立方結構的Au和Ag納米粒子，兩種納米粒子對金黃色葡萄球菌有很高的抗菌性，但所做的對比試驗表明化學方法合成的兩種粒子對致病菌均不具有抗菌性。Zhang等則以酵母菌為模板合成了形貌均-Co3O4修飾的ZnO中空結構微球。尖孢鐮刀菌（Fusariu-moxysporum）可以在其自身表面將米糠的無定型硅生物轉化成結晶SiO2，形成2～6 nm的準球形結構。

1.2以多細胞生物體為模板制備納米材料

雖然以單細胞為模板制備的納米粒子的單分散性較好，但是要涉及到生物體復雜的培養(yǎng)過程及后續(xù)處理，而以多細胞生物體為模板的制備方法就顯得更加方便簡捷。

1.2.1以多細胞植物體為模板制備納米材料

地球上的植物種類很多，以其為模板的納米材料的生物合成也就多種多樣。多數(shù)情況下是將植物體培養(yǎng)在含有金屬離子的溶液中，然后將植物體除去便可得到復制了植物體微結構的納米材料。Rostami等將油菜和苜蓿的種子培養(yǎng)在含有Au3+的溶液中，將金離子變成納米Au粒子，其大小分別是20～128 nm和8～48 nm。Dwivedi等以藜草（Chenopodium album）為模板分別制備出平均粒徑為12 nm和10 nm的Ag和Au納米晶體，并認為藜草中天然的草酸對于生物還原起著重要作用。Cyganiuk等以蒿柳（Salix viminalis）和金屬鹽為原料制備出碳基混合材料LaMnO3將蒿柳培植在含有金屬鹽的溶液中，金屬鹽離子順著植物組織進行傳輸，進而滲透其中。然后將木質素豐富的植物體部位在600～8000℃范圍進行煅燒碳化，得到的產物對正丁醇轉化成4-庚酮有很好的催化效果。黃保軍等以定性濾紙通過浸漬和煅燒等一系列過程仿生合成了微納米結構的Fe2O3，并且對其形成機理進行了初步探討。Cai等以發(fā)芽的大豆為模板，制備出室溫下便有超順磁性的Fe3O4納米粒子，其平均粒徑僅為8 nm。王盟盟等以山茶花花瓣為模板通過浸漬煅燒制備出 CeO2分層介孔納米片，并且在可見光波段有很好的催化活性。

1.2.2以多細胞動物體為模板制備納米材料

以多細胞動物體為模板的納米材料的制備比較少，其中以Anshup等的研究較為突出。他們分別試驗了人體的癌變宮頸上皮細胞、神經細胞和未癌變正常的人類胚胎腎細胞。這些人體細胞在模擬人體環(huán)境的試管中進行培養(yǎng)，培養(yǎng)液中含有1mmol/L的HAuCl4最終得到20～100 nm的Au納米顆粒。細胞核和細胞質中都有Au納米粒子沉積，并且發(fā)現(xiàn)細胞核周圍的Au粒子粒徑比細胞質中的小。

2以生物體提取物或組成成分中的有效成分制備納米材料

生物體中含有很多還原穩(wěn)定性成分。如果將這些成分提取出來，就可以脫離生物體原有形貌的束縛，得到綠色無污染的生物還原劑，進而以其制備納米材料。很多糖類，維生素，纖維素等生物組成成分也被證實有很好的生物還原穩(wěn)定作用，這就使得納米材料的綠色生物合成更加方便快捷。

2.1以微生物提取物為有效成分制備納米材料

以微生物的提取物為活性成分制備的納米材料多數(shù)是納米Ag和納米Au，而且這兩種粒子具有殺菌的效果。而以微生物提取物制備的納米材料粒徑更小，并且普遍也比一般化學方法合成的粒子有更好的殺菌效果。Gholami-Shabani等從尖孢鐮刀菌（Fusariumozysporum）中提取了硝酸鹽還原酶，并用其還原得到平均粒徑為50nm的球形納米Ag顆粒，并且對人類的病原菌和細菌有很好的抗菌效果。Wei等和Velmurugan等分別用酵母菌和枯草桿菌提取液成功合成了不同粒徑及形貌的納米Ag顆粒。提取物中的還原性酶是促進反應進行的重要成分。Inbakandan等將海洋生物海綿中提取物與HAuCl4反應制備得到粒徑為7～20nm的納米Au顆粒，主要得益于其中的水溶性有機還原性物質。Song等則從嗜熱古菌（hyperther-mophilicarchaeon）中提取出高耐熱型騰沖硫化紡錘形病毒1（Sulfolobustengchongensis spindle-shaped virus 1）的病毒蛋白質外殼。并且發(fā)現(xiàn)實驗條件下在沒有遺傳物質時其蛋白質外殼仍可自組裝成輪狀納米結構。與TiO2納米粒子呈現(xiàn)出很好的親和能力，在納米材料的生物合成中將有廣闊的應用前景。

2.2以植物提取物為有效成分制備納米材料

生物提取物制備納米材料的研究最多的是針對植物提取物的利用，因為地球上植物種類眾多，為納米材料的生物合成提供了眾多可能性。Ahmed等以海蓮子植物（Salicorniabrachiata）提取液還原制得Au納米顆粒，其粒徑為22～35nm。制備出的樣品對致病菌有很大的抗菌性，而且能催化硼氫化鈉還原4-硝基苯酚為4-氨基苯酚，也可催化亞甲基藍轉化成無色亞甲藍。Velmurugan等和Kulkarni分別用腰果果殼提取液和甘蔗汁成功制備出納米Ag和納米Ag/AgCl復合顆粒，其均有很好的殺菌效果。Sivaraj等用一種藥用植物葉子（Tabernaemontana）的提取液制備了對尿路病原體大腸桿菌有抑制作用的球形CuO納米顆粒，其平均粒徑為48 nm。

2.3以生物組成成分為有效成分制備納米材料

碳水化合物是生物體中最豐富的有機化合物，分為單糖、淀粉、纖維素等。其獨特的結構和成分可以用來合成各種結構的納米材料。Panacek等，測試了兩種單糖（葡萄糖和半乳糖）和兩種二糖（麥芽糖和乳糖）對[Ag（NH3）2]+的還原效果，其中由麥芽糖還原制備的納米Ag顆粒的平均粒徑為25nm，并且對包括耐各種抗生素的金黃葡萄球菌在內的革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌有很好的抑制作用。Gao等和Abdel Halim等分別用淀粉和纖維素還原硝酸銀制得了不同粒徑的Ag納米粒子，對一些菌體同樣有很好的抗菌性。

維生素是人體不可缺少的成分，在人類機體的新陳代謝過程中發(fā)揮著重要作用，是很好的穩(wěn)定劑和還原劑。Hui等用維生素C還原制備了Ag納米顆粒修飾的氧化石墨烯復合材料，將加有維生素C的AgNO3和氧化石墨烯溶液進行超聲反應，得到的Ag納米顆粒平均粒徑為15nm，并附著在氧化石墨烯納米片表面。Nadagouda等用維生素B2為還原活性成分室溫下合成了不同形貌（納米球、納米線、納米棒）的納米Pd。并且發(fā)現(xiàn)在不同的溶劑中制備的納米材料的形貌和大小不同。

3以病毒為模板制備納米材料

病毒本身沒有生物活性，可以寄宿于其它宿主細胞進行自我復制，其實際上是一段有保護性外殼的DNA或RN段，大小通常處于20～450 nm之間，其納米級的大小使得以其為模板更易于制備出納米材料。Shenton等以煙草花葉病毒為模板制備了Fe3O4納米管。因為煙草花葉病毒是由呈螺旋形排列的蛋白質單元構成，內部形成中空管。以此為模板制備出來的Fe3O4也復制了這一結構特點而呈現(xiàn)管狀結構。由于煙草花葉病毒的尺寸小但穩(wěn)定性高，使得它被頻頻用來作為納米材料生物合成的骨架。Dang等則以轉基因M13病毒為模板制備了單壁碳納米管-TiO2晶體核殼復合納米材料。實驗發(fā)現(xiàn)以此為光陽極的染料敏化太陽能電池的能量轉換效率達10.6%。

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【摘要】 對人工血管管壁涂層的生物材料進行生物相容性的實驗評價。按照國際標準，對相關單個和混合材料進行急性全身毒性試驗、熱源試驗、溶血試驗和細胞毒性試驗。 結果表明：本實驗涉及的生物材料膠原蛋白、聚乳酸以及混合組分材料均符合生物相容性評價實驗的安全標準。說明膠原蛋白和聚乳酸作為復合型人工血管管壁涂層材料具有生物相容性和安全性，可為臨床產品的研制提供依據(jù)。

【關鍵詞】 人工血管涂層材料；生物材料；生物相容性；膠原蛋白；聚乳酸

Abstract：To make evaluation far biocompatibility of the materials which is covered on the vascular prosthesis surface.With the international standardizations， some experiments for the materials were done， include acute systemic toxicity test ， pyrogen test ，hemolysis test and cytotoxicity test.Results showed that the collagen protein，L-polylactic acid and the mixed materials were all consistent with the safety control.It proves that the collagen protein and L-polylactic acid are with biocompatibiliy and safety for coating on the surface of vascular prosthesis.

Key words：Converage of vascular prosthesis; Biomaterial; Biocompatibility;Collagen protein; L-polylactic acid

1 引 言

人工血管主要與血液接觸，因此生物材料的血液相容性是最關鍵的問題。另外，蛋白質［1］、粒-單系細胞［2］、補體和細胞因子［3］等對于生物材料的相容性也有一定程度的影響。表面特性對于接觸血液形成血栓的影響最為關鍵，例如外形、表面粗糙程度、可濕性、親水性等［4］。此外，血液的流態(tài)影響也是血栓形成的一個方面。尋找兩個方面彼此適應的契合點被認為是最好的解決方法。因此，表面涂層技術被運用于改善人工血管的生物相容性。將材料表面覆蓋上一層其他生物相容性好的物質，將材料與體液環(huán)境分隔開，避免接觸，從而達到減少甚至避免排斥反應。

2 試驗方法

試驗所有標準均符合《醫(yī)療器械生物學評價》GB/T 16886.1—1997國家標準相關規(guī)定。膠原蛋白由黑龍江衛(wèi)世醫(yī)藥有限公司提供，L聚乳酸由濟南健寶開元生物材料有限公司提供?；旌喜牧现苽浞椒ǎ簩⒁籂钅z原蛋白與聚乳酸等體積混合，充分均勻攪拌，置4℃冰箱中凝固成固體狀備用。

2.1 急性全身毒性試驗

2.1.1 試驗原理 將試驗材料或材料浸提液通過動物靜脈或腹腔注射到動物體內，觀察動物的生物學反應，以判定材料的急性毒性作用。

2.1.2 材料浸提液 將受試材料制成20 mm×10 mm、厚1 mm的立方體長條薄片。按照浸提介質：試樣表面積=1 m1：3 cm2制成，浸提介質為0.9%生理鹽水，浸提條件為37℃，72 h。0.22 um的微孔濾器滅菌，4℃冰箱保存?zhèn)溆?。陰性對照采?.9%生理鹽水。

2.1.3 實驗動物 選取體重20～27 g的健康昆明系小鼠，雌雄分籠同養(yǎng)，分六個實驗組，每組5只。

2.1.4 實驗方法 （1）浸提液及陰性對照液，置于37℃恒溫水浴箱中復溫。（2）將浸提液以及對照液按50 ml/kg劑量由小鼠尾靜脈緩慢注入。

2.1.5 評價方法 記錄注射后實驗動物在24 h， 48 h， 72 h的體重變化，觀察其一般狀態(tài)、毒性表現(xiàn)及死亡情況。材料毒性程度根據(jù)中毒癥狀分為無毒、輕度毒性、中度毒性、重度毒性和死亡。所有數(shù)據(jù)均采用SPSS10.0統(tǒng)計學處理系統(tǒng)軟件進行數(shù)據(jù)分析，統(tǒng)計學處理采用t檢驗。

2.2 熱源試驗

2.2.1 試驗原理 將材料浸提液由耳緣靜脈注入家兔體內，在規(guī)定時間內觀察家兔體溫升高情況，以判斷浸提液中所含熱源的限度是否符合規(guī)定。

2.2.2 材料浸提液 將材料制成10 mm×20 mm、厚1 mm方形薄片。按浸提介質：試樣表面積=lml：3 cm2制成，浸提介質為0.9%生理鹽水，浸提條件為37℃，72 h。0.22 um的微孔濾器滅菌。陰性對照采用0.9%生理鹽水。

2.2.3 實驗動物 健康新西蘭大白兔，2.3～2.8 kg，雌雄不限，3只為一實驗組。

2.2.4 實驗方法 (1)將體溫計插入家兔，深度約6 cm，時間約3 min；試驗前禁食2 h，間隔30 min分別測3次體溫，取其平均值為正常體溫值。(2)材料浸提液37℃恒溫箱預熱后，沿耳緣靜脈緩慢注入，劑量為10 ml/kg。(3)注射后每隔l h測量1次，共測3次，以3次中體溫最高值減去正常體溫，即為體溫升高度數(shù)。

2.2.5 評價標準 如果每一實驗組體溫升高均在0.6℃以下，且體溫升高總數(shù)在1.4℃以下，可認為試驗材料浸提液符合熱源檢查要求；如每一實驗組中體溫升高≥0.6℃的動物數(shù)超過1只，或在復試的3只兔中，體溫升高≥0.6℃動物數(shù)仍有1只或以上；或初、復試體溫升高總數(shù)超過3.5℃，則認為材料浸提液不符合熱源檢查要求。

2.3 溶血試驗

2.3.1 試驗原理 通過試樣材料或其浸提液在體外與動物血液直接接觸，根據(jù)測定紅細胞釋放的血紅蛋白量來評價該材料是否對紅細胞的功能和代謝造成不良影響，對材料是否具有溶血反應進行客觀評價。

2.3.2 實驗動物及材料 健康新西蘭兔1只，體重2.57 kg。陰性對照采用0.9%生理鹽水，陽性對照采用蒸餾水。

2.3.3 實驗方法 (1) 將試樣材料制成2.5 cm×2 cm小條狀，置于生理鹽水40 ml中，置37℃恒溫水浴箱中保溫30 min。（2）試樣組、陽性、陰性對照組各設平行樣品試管5個，每管加相應浸提液4 ml。(3) 將肝素一支（12 500U）溶于50 ml生理鹽水中，使用時按照1 ml血配25U肝素的比例使用。（4）心臟采兔血20 m1，加入2%肝素1 ml，制成新鮮抗凝血，然后按新鮮抗凝血：生理鹽水=4：5的比例制成稀釋兔血。(5) 每試管加稀釋兔血0.2 m1，混勻，37℃恒溫水浴箱保溫60 min。（6）所有試管經1 500 rpm，離心5 min，取上清在545 nm波長測其吸光度。

2.3.4 評價方法 溶血率(%)=(試樣組吸光度一陰性組吸光度)/(陽性組吸光度一陰性組吸光度)×100%。評判標準：陰性對照管吸光度＜0.03，陽性對照管吸光度為0.8±0.30時實驗結果有效，當溶血率≤5%時，可判斷該材料不具溶血作用。

2.4 細胞毒性試驗

2.4.1 試驗原理 利用細胞體外培養(yǎng)的方法來評價醫(yī)用材料及裝置或其浸提液可濾出成分中潛在性的細胞毒性。

2.4.2 實驗方法 (1)細胞形態(tài)觀察法 將不同受試材料以及陽性、陰性參照材料分別置于培養(yǎng)皿內，然后加入5×104/ml的L-929細胞懸液3 m1于培養(yǎng)皿內，每組設平行樣品5個，加入新鮮培養(yǎng)液，放入37℃，5%CO2培養(yǎng)箱內培養(yǎng)。培養(yǎng)過程中定時通過倒置顯微鏡觀察受試材料表面及邊緣的細胞，根據(jù)其形態(tài)和生長狀況把毒性分級分為無毒，輕度、中度、重度毒性。

(2)MTT比色法 取96孔培養(yǎng)板，加入5×104/ml L-929細胞懸液100 u1/孔，開放培養(yǎng)。24 h后，每孔加入試樣浸提液100 ul，空白對照組加入100 ul新鮮培養(yǎng)液。置37℃，5%CO2培養(yǎng)箱內分別連續(xù)培養(yǎng)2 d、4 d和7 d。觀察時，每孔加入MTT (5mg/ml) 50 u1，繼續(xù)培養(yǎng)至6 h后，棄原培養(yǎng)液，加入DMSO 150u1/孔，室溫輕度振蕩15 min。使用酶聯(lián)免疫測定儀測試其吸光度值。測試波長為490 nm，參考波長為550 nm。計算細胞相對增值率(relative growth rate，RGR)=實驗組吸光度均值/空白對照組吸光度均值)×100%。然后根據(jù)6級毒性評分標準轉換成毒性分級(0-5級)：大于100%為0級，75%～99%為1級，50%～74%為2級，25%～49%為3級，1%～24%為4級，0為5級。

3 試驗結果

3.1 急性全身毒性試驗

所有實驗小鼠均無死亡，活動、進食及大小便均正常，精神狀態(tài)良好，無驚厥、抽搐、癱瘓、呼吸抑制等毒性反應。不同觀察時間內動物體重均有一定程度的增加，但是在正常范圍之內（見表1）。結果陰性對照組比較未見明顯差異(P＞0.05)，表明兩種受試材料均屬無毒級生物材料。表1 急性全身毒性試驗小鼠體重增加結果

3.2 熱源試驗

結果見表2。各試驗組動物注射材料浸提液后，體溫升高均在0.6℃以下，且溫度升高總數(shù)在1.4℃以下，符合熱源檢測有關規(guī)定，表明受試材料及其浸提液不含致熱源物質，材料植入體內后無熱源作用。表2 人工血管涂層材料試樣熱源試驗結果

3.3 溶血試驗

結果見表3。本實驗中，試樣管離心后上層均為清亮無色液體，下層為紅細胞沉淀物，涂片鏡檢未見紅細胞破裂或凝聚。陰性對照管的吸光度小于0.03，陽性對照管吸光度在0.8±0.3范圍內，符合國家標準。根據(jù)非直接接觸血液的醫(yī)用生物材料性能測試所提出的溶血率小于5%標準，判定兩種受試材料體外試驗不引起溶血反應。 表3 人工血管涂層材料試樣溶血試驗結果

3.4 細胞毒性試驗

3.4.1 細胞形態(tài)觀察 見圖1、圖2、圖3、圖4、圖5。

3.4.2 MTT法 試樣材料MTT法檢測結果見表4、表5、表6。表4 MTT法培養(yǎng)2天的試驗結果表5 MTT法培養(yǎng)4天的試驗結果 表6 MTT法培養(yǎng)7天的試驗結果

4 討論

急性全身毒性試驗是一種非特異性急性毒性試驗。本實驗采用小鼠腹腔注射途徑，結果顯示，72 h內所有實驗組小鼠均無死亡，活動正常，精神狀態(tài)良好，沒有毒性反應。與陰性對照組比較沒有明顯差異（P＞0.05 )，表明兩種材料均屬無毒級的生物材料，而且材料混合后也沒有產生另外的毒性物質，符合生物材料的安全性標準。

生物材料在制備過程中可能殘留的單體、輔助添加劑或被內毒素污染等都會含有致熱源物質，在植入體內后會引起恒溫動物體溫的異常上升。熱源試驗［5］過程中應該盡量杜絕室溫，注射液溫度，驚嚇等影響因素對實驗結果的干擾。本實驗結果表明，兩種材料均不含致熱源物質；并且組份材料混合后也未產生新的致熱源物質。

溶血試驗［6］可以作為體外細胞毒性試驗的一個重要補充。如果材料有溶血作用，則提示材料可能具有細胞毒性。實驗結果表明，陰性對照管的吸光度小于0.03，陽性對照管吸光度在0.8士0.3范圍內，符合國家標準。兩種材料溶血率分別為0.20%、0.18%，混合材料組的溶血率為0.15%，均符合醫(yī)用生物材料的應用要求?？梢哉J為這兩種材料沒有溶血作用。

細胞毒性是指利用生物材料及其浸提液與細胞進行體外培養(yǎng)的方法來評價醫(yī)用材料及裝置或其浸提液可濾出成分中潛在性的細胞毒性。目前，幾乎所有的生物材料都必須通過相關試驗檢測其是否具有細胞毒性。聚全氟乙丙烯是已知并通過實驗論證的無毒聚合材料，已經被廣泛應用于醫(yī)療用品的生產制備，本實驗作為陰性對照材料；聚氯乙烯則為已知有毒材料，本實驗用作陽性對照材料。從圖1～5可以看出，兩種材料以及混合材料組的細胞形態(tài)均正常，貼壁生長良好，與陰性對照組無明顯差別；而陽性對照組中大部分細胞變成圓形，胞核固縮，凋亡細胞明顯增多，材料表面細胞稀少，基本不貼壁。根據(jù)已知的細胞形態(tài)分析標準，人工血管兩種涂層材料均不具備細胞毒性。

MTT比色法的生物學終點是線粒體活性的檢測。細胞生命活動旺盛時，線粒體數(shù)量就增多，衰退時則減少。本實驗中我們發(fā)現(xiàn)，聚乳酸組L-929細胞在體外共同培育時，2 d、4 d時細胞毒性均為1級，RGR分別為88.61%和95.7%，而在7 d時細胞毒性評級［7-8］就轉評為0級，并且RGR處于逐漸升高狀態(tài)，這種現(xiàn)象可能與隨著培養(yǎng)時間的延長，輕度受損后的細胞其活力得到一定的恢復有關。膠原蛋白、混合材料和聚全氟乙丙烯與L-929細胞在體外共同培育時，細胞毒性評級一直處于0級水平。陽性對照組的細胞RGR在培育期間呈逐漸下降趨勢，其細胞毒性分級在2 d時為1級，而在4 d為2級，7 d時則增加到3級。試驗結果表明，兩種受試材料表現(xiàn)出了良好的細胞相容性。

5 結論及展望

隨著心臟血管外科技術的成熟與發(fā)展，處理好生物材料在體內生物相容性的問題，會對新材料的研制和開發(fā)產生重要的影響。

參考文獻

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［2］Wataha John C， Ratanasathien Somjin， Hanks Carl T， et al. In vitro IL-1β and TNF-α release from THP-1 monocytes in response to metal ions［J］.Dental Materials，1996，12(5-6):322-327.

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［5］Park ChulYong， Jung SeungHa， Bak JongPhil， et al. Comparison of the rabbit pyrogen test and Limulus amoebocyte lysate (LAL) assay for endotoxin in hepatitis B vaccines and the effect of aluminum hydroxide［J］.Biologicals， 2005，33(3):145-151.

［6］Higa O Z， Rogero S O， Machado L D B， et al. Biocompatibility study for PVP wound dressing obtained in different conditions［J］.Radiation Physics and Chemistry，1999，55(5-6):705-707.

篇5

1設計較為完整的生物材料課程知識體系

生物材料是一門分量較重的專業(yè)課程,主要通過學習生物醫(yī)用金屬材料、陶瓷材料與高分子材料的組成結構、物理化學性能以及生物相容性評價等,使學生對現(xiàn)代生物材料的基本原理、應用與發(fā)展趨勢形成較為全面的認識。通過借鑒國內外相關教材可以發(fā)現(xiàn),較為完整的生物材料課程知識體系一般包括材料學與生物學層面的內容[3]。其中從材料學角度出發(fā),生物材料課程需要講授的內容有生物材料的類型、性質、化學結構、物理性能、力學性能、降解、加工工藝、表面特性等。這些將為學生們打造良好的材料學基礎。從生物學層面來看,生物材料課程需要講授的內容有蛋白質、細胞與生物材料的相互作用、生物材料植入體引起的人體急性炎癥、血栓、免疫反應、感染、腫瘤和鈣化反應等。特別對于傳統(tǒng)的以儀器電子學為主要專業(yè)課的BME學生,由于較少接觸化學、醫(yī)學等基礎課程,可在生物材料課程里增授一些大學化學、生物化學、醫(yī)學免疫學等有關的基礎知識,以幫助學生更好的學習生物材料的基本知識。構建完整的生物材料課程知識體系具有重要意義,能讓BME專業(yè)學生報考國內外生物材料學方向的研究生時擁有更多的選擇空間。

2適當引入雙語教學環(huán)節(jié)

目前教育部鼓勵在大學課堂積極開展雙語教學活動,培養(yǎng)學生能夠熟練運用外語從事專業(yè)工作、學術交流的能力。適當引入雙語教學環(huán)節(jié)對于正處生命科學前沿領域研究熱點中的生物材料學意義更為重大。這不僅能及時向學生們介紹最新的研究進展,還能幫助學生們掌握生物材料的專業(yè)詞匯。這有利于學生們獨立閱讀外文資料或文獻,從而在潛移默化中鍛煉出獨立思考、探究的能力。這些是未來高素質復合型人才區(qū)別于普通人才的基本標志。當然,適當引入雙語教學環(huán)節(jié)也對授課教師也提出了更高的要求。筆者認為高水平的課堂不僅能熏陶出高素質的人才,還能更快地提升教師自身的授課、科研水平。

3增加實踐學習環(huán)節(jié)

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【關鍵詞】稀土上轉換；生物監(jiān)測；生物成像；疾病治療；生物醫(yī)學

0前言生物醫(yī)學是生物學與醫(yī)學理論知識與技能相互影響之后形成的學科，主要是通過應用生物學有關技術解決生命科學及醫(yī)學方面所存在的問題。生物醫(yī)學能夠讓人們對于生命成長過程及活動規(guī)律更加了解，進而發(fā)現(xiàn)疾病發(fā)生與發(fā)展過程，這樣能夠為疾病治療提供新的方向。在生物醫(yī)學研究中，在對于生命現(xiàn)象研究中經常使用化學探針，其中熒光材料是常見化學探針。但是傳統(tǒng)熒光材料具有一定缺陷，對于生命體具有一定損害。稀土上轉換材料是一種新型材料，對于生命體損害較小，并且還能夠多重標記，使用壽命較長，是生物醫(yī)學研究中的理想性材料。

1生物監(jiān)測領域內的應用

1.1基于稀土上轉換納米材料的檢測

稀土上轉換材料光源是由近紅外光激光器發(fā)出，能夠降低檢測對于細胞或者是組織的敢要。在1999年科研人員第一次制備出上轉換熒光材料，并且在前列腺組織檢測中應用功能，之后上轉換納米材料開始逐漸被廣泛應用到生物檢測中。在2013年，陳學元課題小組提出了一種新型上轉換生物檢測方式，利用將Yb與Er結合在上轉換納米顆粒中，對于抗生物素蛋白與腫瘤進行檢測。多功能酶標儀能夠發(fā)現(xiàn)上轉換納米顆粒所發(fā)射出來的信號，對于生物分子濃度進行量化分析。本文在對于稀土上環(huán)環(huán)納米材料研究中，結合核酸適配體，通過潛在指紋檢測方式，利用水熱法合成，讓上轉換納米材料表面擁有一層油酸，油酸不僅僅能夠承擔起活性劑的功能，還能夠讓讓聚丙烯酸轉移到納米顆粒上面，進而得到的上轉換納米顆粒不僅僅能夠溶解在水中，還能夠通過據(jù)活性分子與溶菌酶核算相匹配。核酸在對適配體高效結合中，能夠在近紅外光器下發(fā)出可見光源，所呈現(xiàn)出的指紋圖像能夠在微焦鏡頭下被記錄下來，這種潛指紋檢測方式不僅僅能夠對于不同人指紋進行檢測，還能夠對不同狀態(tài)下人指紋檢測。潛指紋內不僅僅具有自身所遺留下來的分泌物，還具有一定化學物質，能夠高效應用在刑事偵查上面[1]。

1.2基于熒光共振能量轉移的檢測

上轉換納米材料的熒光共振能量轉移分析技術是被著名研究人員kuningas所提出的，并且能夠抗生蛋白鏈菌作為能量源頭，對于生物素進行高效率的檢測，同時在UC-FRET上面廣泛應用。貴金屬納米顆粒表面具有等離子體共振特點，并且消光系數(shù)較高，這些材料在應用到上轉換納米材料中，能夠有效提高檢測過程中受到背景熒光的干擾，提高檢測精準性，因此貴金屬納米顆粒經常被稱之為能量受體，在生物檢測中廣泛應用[2]。

2生物成像領域內的應用

2.1體內深層組織的熒光成像

稀土上轉換納米材料所使用的光源在組織內部擁有良好的穿透性，并且生命體不會受到熒光的損害，結果檢測是生命體自身所攜帶的熒光不會干擾結果，因此稀土上轉換納米材料可以說是生物醫(yī)學成像分析中的最佳材料。研究人員通過使用PEI覆蓋納米顆粒的方式，首次對于動物生命體進行了生物成像檢測，檢測結果表示稀土上轉換材料與傳統(tǒng)量子點，在對于動物體內深層次成像上面具有顯著優(yōu)勢。為了能夠提高稀土上轉換材料在生命體內的穿透深度，提高成像精確度，需要對于稀土上轉換納米材料可見光波長調節(jié)到紅光去內，這樣所發(fā)出出來的波長散射及吸收都較低，也不容易受到生命體自身所攜帶的熒光干擾，對于體內深層組織熒光成像具有重要作用。多路復用成像是現(xiàn)在對于生物體成像上面應用最為廣泛的一種方法，伴隨著稀土上轉換材料不斷深入性建設及開發(fā)，各種元素在稀土上轉換內應用也更加精準，并且能夠呈現(xiàn)出多個發(fā)射峰[3]。

2.2雙模態(tài)成像

現(xiàn)在對于上轉換熒光成像與MRI結婚研究最為光熱點課題，就是構建雙模態(tài)成像探針，并且將探針應用到生物醫(yī)學領域內。熒光成像能夠顯著提高生物成像的精準度與靈敏度，并且對于生命體組織穿透深淺度能夠調節(jié)。于熒光成像相比較，MRI能夠有效提高對于生命體內的分辨率，但是所擁有的靈敏度較低，因此需要解決熒光成像與核磁共振成像的優(yōu)點，所形成的雙模態(tài)探針不僅僅擁有較高的靈敏度，分辨率與穿透深度能夠顯著提高。近幾年，對于雙模態(tài)成像探針的稀土上轉換納米材料制備方面已經進行了一些研究。最為常見的有兩種方式，第一種就是分子的功能化，也就是將配合物等造影劑因公到上轉換納米顆粒表面上，進而形成雙模態(tài)成像復合探針；第二種就是磁性材料與上轉換納米材料的復合[4]。

3結論

本文對于稀土上轉換納米材料在生物醫(yī)學領域上的應用功能進行了簡單分析，也就是生物檢測與生物成像上的應用。稀土上轉換納米材料在實際應用中由于能夠有效降低生物體自身熒光對于檢測的干擾，能夠顯著提高檢測的靈敏性，并且還能夠將各種成像方式應用功能在探針上面，在藥物輸送及治療上面擁有良好的前景。但是稀土上轉換納米材料在生物醫(yī)學內應用還面對較多的挑戰(zhàn)。

【參考文獻】

［1］單爽,吳昊,譚明乾,馬小軍.稀土上轉換熒光納米材料的制備與生物應用[J].生物化學與生物物理進展,2013,10:925-934.

［2］張瑞銳,高源,唐波.稀土摻雜氟化物納米材料的上轉換發(fā)光特征及其生物應用[J].分析科學學報,2010,03:353-357.

篇7

【關鍵詞】納米材料生物醫(yī)學生物安全性

一、引言

納米材料主要是指結構單元在納米尺寸范圍(1~100nm)內的一類材料，由于表面原子具有很大的比表面積，其表面能極高，從而獲得較多的表面活性中心，化學性質十分活潑，因此納米材料通常具有特異的性能。納米材料的發(fā)現(xiàn)始于20世紀80年代初期，隨后人們逐步發(fā)現(xiàn)其在光學、磁學、電學和力學方面具有比普通材料更加優(yōu)越的特性，進而得到了多個領域的關注并逐漸發(fā)展起來，廣泛應用于生物醫(yī)學、環(huán)境、航空航天和石油鉆探等領域的研究。尤其是在生物醫(yī)學方面，基于納米技術的藥物和傳感器已經應用到實際的醫(yī)學應用中，而且能夠得到是理想的治療和診斷結果。通過從納米尺度進行精確地制備納米材料，人們打開了更小的微觀世界，特別是生物體細胞層面上的化學反應都發(fā)生在納米的度，納米材料的使用能有效地檢測或調控微觀的生理和病理過程。納米材料發(fā)展對醫(yī)學診斷和醫(yī)學治療具有重大意義，已經成為醫(yī)學界關注的熱點和前沿，具有廣泛的應用前景和產業(yè)化發(fā)展空間[1]。

二、納米材料在醫(yī)學診斷中的應用

2.1納米生物傳感器

納米生物傳感器是一種由納米材料制成的檢測裝置，主要根據(jù)將檢測到的信息按一定規(guī)律變換為電信號或以其他的形式輸出，使人們能定量定性地分析檢測物質。生物傳感器的研發(fā)中人們使用納米材料，能夠提高生物傳感器的靈敏度以及檢測范圍。同時以納米材料制備的新型傳感器具有穩(wěn)定性好，成本低，生物相容性好等優(yōu)點，在醫(yī)學的臨床診斷方面得到了高度重視，特別是作為一項新興的前沿技術，納米生物傳感器的研發(fā)能夠進行早期癌癥的診斷。納米傳感器可以利用高靈敏度的特點，在血液中可通過微小的電流變化反映出癌細胞的種類和濃度。這種對癌細胞進行的精確分析，有望實現(xiàn)特殊疾病的無創(chuàng)、快速診斷，今后人們只需將納米材料注入人體內，便能在短時間內完成確診。

2.2納米生物成像技術

在臨床診斷中，通過對生物體內的細胞或特定組織進行直觀的圖像分析，能夠迅速高效且準確地獲得生理和病理信息。隨著納米技術的飛速發(fā)展，新型的納米材料被不斷制備出來，并且廣泛應用于生物醫(yī)學成像領域。碳納米管具有良好的發(fā)光性能，而且毒性極低，具有良好的生物相容性，能夠制備成生物熒光探針用于癌細胞的成像[2]。氧化鐵磁性材料具有良好的超順磁性，能夠應用于核磁共振成像的研究中，由于其能在生物體內特異性的分布，該部位的腫瘤與正常組織的對比度能夠顯著提高。目前氧化鐵磁性材料可作為造影劑廣泛應用于臨床的腫瘤及其他疾病的診斷[1]。另外，稀土離子摻雜的納米材料具有良好的光學性質，能夠實現(xiàn)多種顏色的可調發(fā)光，同時能夠避免生物體自身產生的熒光干擾，極大地提升光學成像效果?？傊谖磥淼纳锍上耦I域，新型功能的納米材料將發(fā)揮至關重要的作用。

三、納米材料在醫(yī)學治療中的應用

3.1納米載藥技術

納米載藥是指首先制備納米級的載體，荷載藥物后輸入人體，最終在人體內控制釋放的技術。作為一種新型的給藥技術，納米載藥是多學科包括藥理學、化學、臨床醫(yī)學交叉研究發(fā)展的產物，其最大的優(yōu)點是具有靶向性和緩釋性。靶向性可以使給藥更加精確，不僅可以在增加生物體局部藥物濃度的，而且同時可以控制其他部位的藥物濃度，減少對其他組織部位的副作用。緩釋可在保證藥效的前提下減少藥量，同時減少用藥頻率，進而減輕藥物引起的不良反應。對于某些難溶性藥物，納米藥物載體可有效減小藥物粒徑，從而增加其溶解度和溶出度，提高藥物的溶解性提高治療效果。另外，納米載體提供了封閉包覆環(huán)境，藥物能在到達作用部位之前盡量保持自身結構的完整性，維持較高的生物活性。目前，能夠作為藥物載體的納米材料有介孔二氧化硅、納米多孔硅和碳納米管等，盡管短時間內對生物體無毒性，但其在生物體內的降解情況不理想。為了提高藥物載體的降解特性，人們開始關注更易體內分解的高分子納米材料，如聚合乳酸、乳酸-乙醇酸共聚物、聚丙烯酸酯類等，這些材料能在人體內可水解，降解成無毒產物，是十分有發(fā)展前景的藥物載體。

3.2納米生物醫(yī)用材料和納米生物相容性器官

納米材料和生物組織在尺寸上存在著密切的聯(lián)系，如核酸指導蛋白質合成過程種形成的核糖核酸蛋白的尺寸就在15-20nm之間，影響人體健康的病毒尺寸也在納米的范圍之內。納米材料和生物醫(yī)學的緊密結合，制備納米醫(yī)用復合材料及相容性器官，廣泛應用于生物醫(yī)學治療的研究中，如制備人造皮膚、血管以及組織工程支架等[3]。在人造骨中，納米鈦合金具有促進骨細胞發(fā)育的功能，使骨細胞緊密貼壁生長，同時加速材料和組織的融合。同時，納米級的羥基磷灰石或聚酰胺復合骨充填材料可以有效填補骨缺損，具有良好的生物相容性，并且能夠促進骨細胞生長。根據(jù)血液中的紅細胞具有運載氧氣的功能，人們開發(fā)出納米級的人造紅細胞，實現(xiàn)了比普通紅細胞更高的氧氣運載能力。如果人體心臟因意外而停止跳動，可以立刻注入人工的納米紅細胞，提供更加充足的氧氣[4]。此外該技術在貧血癥和呼吸功能受損的治療中發(fā)揮著重要的作用。

四、納米材料的生物安全性問題

隨著科技水平的不斷提升，納米材料在生物醫(yī)學領域越來越廣泛，但是納米材料與人類接觸的過程中依然受到安全性問題的困擾。某些納米材料可以穿透皮膚，透過細胞膜破壞正常細胞引發(fā)炎癥，造成免疫、生殖和腦部組織的損傷，如超小的TiO2納米顆粒能引起嚴重的呼吸道組織變化，導致上皮組織滲透性增加，引起多種炎癥。此外，許多物質在普通條件下并無生物毒性，而在降低到納米尺寸下材料因難以通過正常代謝途徑排出體外表現(xiàn)出蓄積毒性，因此納米材料的生物安全性是亟需解決的問題。目前已經很多科研工作者積極致力于研究納米材料的安全性問題，研究發(fā)現(xiàn)碳基納米材料（如碳納米管和石墨烯）會引起生物體內細胞膜磷脂的破壞，造成結構損傷破壞，引起細胞的功能異常；金屬氧化物（氧化鋅和二氧化鈦）易發(fā)生氧化還原反應，因該過程會釋放電子，會產生一定的細胞毒性，而且其納米材料的尺寸越小，其比表面積越大活性越高，產生的電子所引起的毒性越強[5]。為了真正實現(xiàn)納米材料在臨床醫(yī)學中的應用，人們采取了一系列策略降低納米材料的毒性，如對納米材料進行表面修飾提高其生物相容性，降低材料的使用劑量和暴露時間，調整納米材料的反應環(huán)境，以及開發(fā)可降解的納米材料。但是大多數(shù)納米材料的毒性問題依然沒有徹底解決，其生物安全問題依然是限制納米材料臨床使用的重要因素。

篇8

關鍵詞：膠原生物醫(yī)用材料；優(yōu)勢；臨床醫(yī)學應用

生物醫(yī)學材料是一類對人體細胞、組織、器官具有增強、替代、修復、再生作用的新型功能材料。它有獨特的基本要求：①具有生物相容性，要求材料在使用期間，同機體之間不產生有害作用，不引起中毒、溶血、凝血、發(fā)熱、過敏等現(xiàn)象；②具有生物功能性，在生理環(huán)境的約束下能夠發(fā)揮一定的生理功能；③具有生物可靠性，無毒性，不致癌、不致畸、不致引起人體組織細胞突變和組織細胞反應（即“三致物質”），有一定的使用壽命，具有與生物組織相適應的物理機械性能；④化學性質穩(wěn)定，抗體液、血液及酶的作用；⑤針對不同的使用目的具有特定功能。按生物醫(yī)用材料性質的不同可分為四大類：①醫(yī)用金屬材料。主要用于硬組織的修復和置換，有鈷合金（Co-Cr-Ni）、不銹鋼、鈦合金（Ti-6Al-4V）、貴金屬系、形狀記憶合金、金屬磁性材料等7類，廣泛用于齒科填充、人工關節(jié)、人工心臟等。②醫(yī)用高分子材料。有天然與合成兩類，通過分子設計與功能拓展，即合金化、共混、復合（ABC）等技術手段，可獲得許多具有良好物理機械性能和生物相容的新型生物材料。③生物陶瓷材料。有惰性生物陶瓷（氧化鋁陶瓷材料、醫(yī)用碳素材料等）和生物活性陶瓷（羥基磷灰石、生物活性玻璃等）。④醫(yī)用復合材料。由兩種或者兩種以上不同性質材料復合而成，取長補短，達到功能互補。主要用于修復或者替換人體組織、器官或增進其功能以及人工器官的制造。膠原屬于細胞外基質的結構蛋白質，結構復雜，根據(jù)分子結構決定功能和性質的原則。其分子量大小、形狀、化學反應以及獨特的生物分子等對功能、性質起著決定性作用。膠原來源廣泛，資源豐富，性質特殊。是21世紀生物醫(yī)學材料研究和應用的熱點和重點[1]。

1膠原生物醫(yī)學材料的優(yōu)勢

（1）低免疫源性。組織膠原具有一定的免疫性，20世紀90年代研究發(fā)現(xiàn)，其免疫源性來自于端肽及變性膠原和非膠原蛋白質，在提取膠原時，除去端肽及純化分離掉變性膠原和非膠原蛋白，能得到極弱免疫原性的膠原材料。（2）與宿主細胞及組織之間的協(xié)調作用。其特點：①膠原有利于細胞的存活和促進不同類型細胞的生長；②膠原不但可增加細胞黏結，而且有利于控制細胞的形態(tài)、運動、骨架組裝及細胞增殖與分化。（3）止血作用。膠原的四級特殊結構能使血小板活化、釋放出顆粒成分，起到迅速凝血的作用。（4）可生物降解性。膠原是一種特殊的生物降解材料，其降解性作為器官移植的基礎。（5）物理機械性能。膠原的三螺旋結構以及自身交聯(lián)而成網狀結構，使其具有很高的強度，可滿足機體對機械強度的要求；另外通過進一步的交聯(lián)增強其強度，而且采用不同的交聯(lián)劑可獲得不同的強度和韌性材料。通過復合和接枝共聚能獲得更多性能優(yōu)良的材料。（6）組織工程（Tissueengineering）。膠原的優(yōu)良特性使其在組織工程中扮演更重要的角色，大量應用于臨床，前景廣闊。

2膠原在生物臨床醫(yī)學上的應用

[2]（1）手術縫合線。當前應用的天然與合成材料制備縫合線均存在這樣那樣的不足和缺陷，或者不能自然吸收，需要拆線；或者與組織反應大，引起發(fā)炎、造成傷口瘢痕明顯；或者吸收時間過長等。而膠原制備的縫合線既有與天然絲一樣的高強度，又有可吸收性；使用時有優(yōu)良的血小板凝聚性能，止血效果好，有較好的平滑性和彈性，縫合結頭不易松散，操作過程中不易損傷肌體組織?？刹捎脧秃吓c交聯(lián)改性方法提高縫合線功能和性能，制備的可吸收縫合線有：①純膠原可吸收縫合線；②膠原/聚乙烯醇共混復合；③膠原/殼聚糖復合可吸收縫合線；④膠原/殼聚糖/聚丙烯酰胺復合可吸收縫合線。（2）止血纖維。膠原纖維是一種天然的止血劑和凝血材料，且止血功能優(yōu)異。膠原纖維是一種集止血、消炎、促愈為一體，可被組織吸收，無毒、無副作用的醫(yī)用功能纖維，相比于以前使用的氧化纖維素、羧甲基纖維素及明膠海綿等止血材料，其效果要好的多。（3）止血海綿。膠原海綿有良好的止血作用，能使創(chuàng)口滲血區(qū)血液很快凝結，被人體組織吸收，一般用于內臟手術時的毛細血管滲出性出血。臨床應用于普外科、心血管外科、整形外科、泌尿外科、骨科、皮膚科、燒傷科、婦產科以及口腔科、耳鼻喉科、眼科等幾乎所有的手術。（4）代血漿。當人體由于外傷或其他原因發(fā)生意外急性失血時，最佳方法必須立刻輸血，但眾所周知，血液來源非常困難！而且不能長久保存，輸血之前還需鑒定血型和配型。因此，尋找理想的代用品成為人們的夢想。20世紀50年明膠代血漿受到重視，且符合血漿的條件和性質，國外已大量使用，我國正在積極推進其產業(yè)化。國外明膠類代血漿有脲交聯(lián)明膠、改性液體明膠和氧化聚明膠3種。國內有氧化聚明膠、血安定（Gelofu-sine）海星明膠和血代（Haemaccel）。（5）水凝膠。水凝膠是一些由親水大分子吸收了大量水分形成的溶脹交聯(lián)狀態(tài)的半固體（三維網絡），能保持大量水分而不溶解，具有良好的溶脹性、柔軟性和彈性，以及較低的表面張力等特殊性質。交聯(lián)方式有共價鍵、離子鍵和次級鍵（范德華力、氫鍵等）。水凝膠是高分子凝膠中的一類，可分為物理凝膠和化學凝膠。為改善性能需對天然高分子與合成高分子進行共混復合制備新型水凝膠（互穿網絡水凝膠），現(xiàn)已取得很大進展。制成的復合材料有膠原/聚甲基丙烯酸羥乙酯水凝膠、膠原/聚乙烯醇水凝膠、膠原/聚異丙酰胺水凝膠、膠原/殼聚糖水凝膠等。（6）敷料。敷料是能夠起到暫時保護傷口、防止感染、促進愈合作用的醫(yī)用材料。有普通敷料（常用植物纖維紗布）、生物敷料（膠原蛋白及其改性產品以及左旋糖酐、殼聚糖、淀粉磷酸酯等）、合成敷料和復合敷料等四種。開發(fā)使用的品種有海綿型敷料、膠原膜敷料、凝膠敷料。（7）人工皮膚。人工皮膚是在創(chuàng)傷敷料基礎上發(fā)展起來的一種皮膚創(chuàng)傷修復材料和損傷皮膚的替代品。其制備方法采用復合與交聯(lián)法，一是提高膠原的機械強度；二是膠原與其他天然高分子進行雜化改善機械性能和生物活性。（8）人工血管。人工血管是近年來組織工程（一門多學科的交叉科學）研究的重點之一。當今臨床應用的人工血管主要是人工合成材料制成的，最早是滌綸纖維編織的人工血管，但只能對大口徑血管有較短的替代作用。后來開發(fā)聚四氟乙烯（PTFE）、聚氨酯（PU）、膨體聚四氟乙烯（ePTFE），并采取多種方法進行改性，以適應血管植入的要求。此外，還有生物降解材料如聚乙醇酸（PGA）、聚乳酸（PLA）、聚乳酸異構體（PLLA）等。（9）人工食管。分為兩種，一種是用自身的其他組織或器官（如結腸、空腸、胃、胃管和游離的空腸等）加工而成，現(xiàn)已廣泛應用于臨床，優(yōu)缺互見；另一種是人工合成材料加工而成，比如塑料管、金屬管、PTFE管、硅膠管等，效果均不理想。最早制成使用的聚乙烯（PE）管，此后發(fā)展了PTFE、硅橡膠、硅膠涂覆的滌綸編織管（PET）、碳纖維管等。近年以來，使用聚乙烯醇（PVA）、PLA降解塑料。用降解塑料制作無細胞支架的人工食管、組織工程化食管等。（10）心臟瓣膜。分為機械瓣膜（金屬瓣）和生物瓣膜。心臟瓣膜支架材料有可降解合成高分子和生物高分子?？山到夂铣筛叻肿佑蠵LA、PGA及二者共聚物（PGLA），此外還有聚β—羥基烷酸酯、聚羥基丁酸酯（PHB）；生物高分子材料有膠原、纖維蛋白凝膠、去細胞瓣膜支架等。（11）骨的修復和人工骨。目前仍以金屬（不銹鋼、鈷鉻合金、鈷鎳合金、鈦合金）為主；高分子材料，諸如PTFE、聚硅氧烷、高密度聚乙烯（HDPE）、陶瓷（結晶氧化鋁、羥基磷灰石）以及復合材料。膠原以其獨特的性能成為不可或缺的生物材料，在骨修復中起舉足輕重作用。①在組織引導再生術中（guidedtissueregeneration,GTR）能起到“誘導成骨”、“傳導成骨”，實現(xiàn)再生修復和骨愈合的作用。②組織工程化骨組織的構建。包括三個方面：一是尋求能夠作為細胞移植與引導新骨生長的支架結構作為細胞外基質（ECM）的替代物；二是種子細胞；三是組織工程骨的組織還原（骨缺損修復）。（12）角膜與神經修復。角膜膠原膜和組織工程化角膜；人工神經支架采用膠原、膠原/殼聚糖或膠原/糖胺聚糖等。（13）藥物載體。藥物載體由高分子材料充當，大多數(shù)為傳遞系統(tǒng)，其主要成分是膠原和明膠。有膠原膜、膠原海綿、藥用膠囊和微膠囊和丸劑與片劑。（14）固定化酶載體。膠原可作為細胞或酶的載體，其特點：①膠原本身是蛋白質，對酶和細胞的親和性是其他材料不可及的；②膠原蛋白成膜性好，可制成各種酶膜；③膠原蛋白肽鏈上具有許多官能團，諸如羧基、氨基、羥基等，易于吸附和固化。膠原蛋白有很好的生物相容性，在體內可被逐步吸收，交聯(lián)接枝共聚后賦予了材料良好的物理機械性能，且可在體內長期保存。廣泛應用于人體的各個部位。生物醫(yī)學材料在人體的應用部位，詳見圖1[3]。

3結語

隨著社會文明的不斷進步，生命至上理念不斷深入人心，天賦人權，生命是任何人都不能剝奪的最高權利，人類對身心健康和生活質量越來越重視。當前，新型材料更多的應用于醫(yī)藥和臨床，尤其如膠原基生物材料，以其獨特的優(yōu)勢和優(yōu)異的性能在這一領域大顯身手?？萍几淖兾磥怼⒏淖兩?，天然高分子與合成高分子材料通過共混、復合、合金化、納米化等技術手段，制備成多種新穎獨特的新材料和新產品。尤其應用于臨床和組織器官工程挽救了數(shù)以萬計的人類生命并提高了生命質量和延長了壽命。隨著3D打印技術在生物醫(yī)療領域的快速發(fā)展，如何制備出適合3D打印的不同類型膠原蛋白材料，并保證在打印過程中蛋白不變性、強度可控、易塑性等成為研究的新課題[4]。

當今，是生物高分子時代，隨著科技發(fā)展日新月異，生命科學和生物材料研究的不斷深入。生物醫(yī)藥是“十四五”的新興產業(yè)鏈。膠原在生物醫(yī)學、醫(yī)藥、組織器官工程和臨床醫(yī)學的應用將更加光明，潛力非常巨大。開發(fā)應用必將成為廣大科研人員研究的重點和熱點，我們將拭目以待有更多的新型材料和產品為人類的健康服務并造福人類。

參考文獻：

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篇9

1 引言

自1911年Albee與Hibbs報道第1例脊柱融合術至今近100年，各種脊柱內固定器械日新月異，大大提高了脊柱疾病的治療成功率。然而，即使如此，融合失敗及假關節(jié)的發(fā)生率仍然較高(5％～35％)，現(xiàn)有的手術方法完全可以達到對脊柱堅強的內固定，但始終不能完全避免融合失敗的發(fā)生［1］。影響脊柱融合成功的因素有：(1)患者自身條件：如年齡、全身狀況、營養(yǎng)、骨質疏松等；(2)植骨方式的選擇：后外側植骨、橫突間植骨、去皮質、前路椎間植骨融合等；(3)植骨床的制備；(4)植骨材料的選擇。國內外學者一直尋求通過提高骨移植材料性能以提高脊柱的融合率。據(jù)統(tǒng)計在北美每年大約有5000，000例手術涉及骨移植，已經成為僅次于輸血的第二大移植手術［2］。理想的骨移植材料應具備：無毒、無副作用、取材方便，價格低廉，同時具有骨形成、骨傳導、骨誘導等生物活性。

2 移植骨的種類

目前應用于脊柱融合術的材料有自體骨、同種異體骨、異種骨、人工骨。

自體骨具有與受區(qū)骨相同的骨性支架，保留有成骨細胞、細胞因子等生物活性物質且與受區(qū)組織相容性好，成骨迅速。自體骨具有骨誘導、骨傳導、骨形成作用，同時還有無免疫排斥反應、安全性高的優(yōu)點，因而脊柱融合術中自體骨移植是骨移植的黃金標準［3］。然而自體骨移植存在一系列問題，如骨來源有限、術中失血增多及手術麻醉時間延長，還有一定并發(fā)癥，如供區(qū)術后血腫假性動脈瘤，神經血管損傷、術后供區(qū)疼痛，取骨后供區(qū)骨折，及外觀畸形［4、5］。而有些手術需要骨量往往比較大，自體骨移植往往不能滿足充分植骨的要求［6］。

同種異體骨移植可減少創(chuàng)傷，供骨量大，無自體取骨的并發(fā)癥，而且形態(tài)多樣(皮質骨、松質骨、去鈣骨基質等)，異體骨提供支架具有骨傳導作用，其中去鈣基質因含骨形態(tài)發(fā)生蛋白而兼有骨誘導功能。然而同種異體骨容易誘發(fā)宿主產生免疫排異反應，而且目前臨床上多采用經冷凍、凍干或化學處理的同種異體骨，其細胞成分多已壞死，自身成骨作用和骨誘導活性嚴重消弱，植入骨骼系統(tǒng)以后，僅能引起纖維組織替代，形成瘢痕機械強度減弱的程度受組織相容性抗原差異大小的影響，易發(fā)生疲勞骨折，同時有可能導致交叉感染，所以目前異體骨的臨床應用已經逐漸減少，甚至某些國家已經禁用。

異種骨作為不同種屬個體之間的骨組織移植物，是最早被研究的骨移植材料，特點是來源廣泛，取材方便。避免2次手術，縮短手術時間，同時沒有同種異體骨可能導致交叉感染的危險，但其免疫排斥反應嚴重，生物相容性差，對骨形成有阻滯作用。

基于以上種種原因，人們一直在尋找其它的骨移植替代品。理想的人工骨材料應該具有良好的生物相容性，能有效的充當新骨形成的支架，并能在體內逐漸發(fā)生降解，被骨組織替代［7］，同時還應具有誘導臨近組織間充質細胞分化為成骨細胞或刺激成骨細胞加速增殖的一大類因子。

3 人工骨的組成

目前廣泛應用的人工骨基本由支架材料和激活物組成部分還含有抗生素，支架材料主要起骨引導作用，作為一個物理支架吸附附近骨面或髓內的激活物來源于鄰近骨面的種子細胞順此支架爬行、增殖并形成新骨。激活物是在骨修復過程中提供鄰近組織間充質細胞分化為成骨細胞或刺激成骨細胞加速增殖的一大類因子或藥物。

3．1 支架材料

隨著科技的發(fā)展，人們通過各種理化方法提取或仿制骨的有效成分用于骨修復，可大批量生產彌補骨量的不足，但這些產品不具有任何細胞或激活物等活性物質。主要分為兩類：一類是無機材料以羥基磷灰石(hydroxylapatite，HA)和磷酸三鈣(tricalcium phosphate，TCP)及硫酸鈣(calcium sulfate)為代表。優(yōu)點具有較好的生物相容性，對組織無刺激，強度及塑形好，為骨修復提供良好支架。缺點是不具備骨誘導，吸收降解慢，甚至有時影響新骨的形成。另外一種是有機高分子材料，以聚乳酸(polylactic acid，PLA)、聚乙醇酸或兩者的共聚物為代表［8］。優(yōu)點是可以與多種不同材料復合，缺點是親水性較低，影響細胞的黏附和分布，并在體內容易引起異物反應，而且大分子材料降解周期明顯延長。

3．2 激活物

3.2.1 骨生長因子

骨生長因子是一類調控細胞間信號傳導的低相對分子質量蛋白或肽類物質，具有誘導間充質細胞向成骨細胞分化的活性。它包括骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic protein，BMP)、骨形成蛋白Ops和其它一些生長分化因子。1979年Urist提取出比脫鈣骨基質(decalcified bone matrix，DBM)的產物命名為BMP，BMP是一種可溶的、低分子跨膜糖蛋白，在局部其對膜內成骨和軟骨內成骨均有誘導作用。BMP為可溶性，僅僅在局部起作用，它與細胞膜上的特定受體結合通過第二信使將信號傳導入細胞核，激活成骨細胞表型的基因，使細胞分化為成骨細胞。BMP植入人體，間充質細胞首先滲入基質中，隨著基質的降解，間充質細胞分化為成骨細胞并形成骨小梁，同時血管也向基質內長入。骨小梁從外周逐漸向基質長入。最后，骨小梁將整個基質取代，然后，骨小梁開始重構最后成為新骨。經放射學、組織學及生物力學證實，BMP所誘導的骨在功能上與自體骨完全一致。

3.2.2 種子細胞與組織工程學

人體正常的骨修復需要靠大量骨細胞進行工作，尤其成骨細胞。其種子細胞主要是靠骨膜細胞及骨髓細胞。骨膜細胞來源有限，而骨髓細胞含有確定的骨祖細胞，而且來源充足、易采取、創(chuàng)傷小、故具有良好的應用前景，現(xiàn)成骨細胞的體外培養(yǎng)技術已經基本成熟。近幾年提出的組織工程學的概念，基本方法是體外培養(yǎng)分離相關細胞，后將一定量的細胞種植到具有一定空間結構的三維支架上，將此細胞支架復合物植入體內或體外繼續(xù)培養(yǎng)，通過細胞之間的相互黏附生長，分泌基質，形成一定結構功能的細胞外器官。這種方法有明顯的優(yōu)點：（1）不受供區(qū)來源的限制，避免排斥反應；（2）合成組織功能好能完全替代被修復組織；（3）支架材料可根據(jù)不同需要而改變。

4 生物植材料在脊柱融合術中的應用

4．1 脊柱融合的現(xiàn)狀

脊柱融合的目的是通過固定過度活動的節(jié)段來減輕病人的癥狀。1995年An等報道了自體骨與同種異體骨在相同個體中的應用經驗，他們的結論是自體骨優(yōu)于冷凍同種異體骨、干凍骨、自體骨與異體骨的混合物。2002年，Gibson等報道了一個隨機對照實驗結果，主要研究了69例行后外側器械固定脊柱融合術患者。這個研究結果表明同種異體骨移植與自體骨的術后融合率相似。盡管同種異體骨做為自體骨的替代物在避免供體局部并發(fā)癥方面有其優(yōu)勢，但是術后可能的感染危險性限制了它的應用。經過改善的同種異體骨的術前和術后保存和消毒技術明顯損害了它的愈合能力，使得術后的融合率大大降低。以前也使用陶瓷和陶瓷混合物做為骨移植替代物。2001年Fjubayashi等進行了一個回顧性的研究。他們運用局部減壓獲得的碎片和HAPTCP顆?；旌衔锖凸菞l混合應用于腰椎的后外側融合。盡管用HAPTCP形成的骨質比自體骨形成的小，但作者認為這種方法還是十分有效。Zhu W等近期研究發(fā)現(xiàn)BMP2與BMP7混合在脊柱融合中能顯著增強成骨活性。

人們一直在尋找其它骨移植替代品，其中硫酸鈣便是一種古老而又充滿潛力的替代品。早在1892年，Dressman就應用硫酸鈣填充骨缺損取得成功。眾多成功的臨床應用證實，硫酸鈣生物相容性良好，局部可形成微酸性的生物環(huán)境，有利于血管和成骨細胞的長入，又能阻止纖維組織的長入，是一種安全有效的骨移植替代物。硫酸鈣植入體內后可完全降解，組織學觀察發(fā)現(xiàn)成骨細胞聚集在植入的硫酸鈣周圍，產生類骨質，但沒有看到異物巨細胞反應。上世紀90年代，美國Wright醫(yī)療技術公司以硫酸鈣為基質研制出新一代骨移植替代品――OSTEOSET內含外科手術級硫酸鈣，具有高純度晶體結構，并含有BMP。OSTEOSET晶體結構高度一致，由于它獨特的成分和晶體結構，植入體內吸收速率穩(wěn)定，與新骨替代相適應。內含有BMP增加其骨誘導功能。OSTEOSET不透X線，可以通過影像學檢查來判斷植入體內后的吸收情況。

4．2 醫(yī)用硫酸鈣(OSTEOSET)在脊柱融合術中的應用

Cunniingham等比較了綿羊L2～3、L4～5融合術的效果，作者將動物分為4組：單獨去皮質組、自體骨植骨組、自體骨與醫(yī)用硫酸鈣(OSTEOSET)1∶1混合組、單獨應用醫(yī)用硫酸鈣(OSTEOSET)組，經過2、4個月的隨訪，結果證實：自體骨植骨組，自體骨與醫(yī)用硫酸鈣(OSTEOSET)1∶1混合組影像學及生物力學評估基本沒有明顯差異。Tunner等比較了自體骨植骨組，自體骨與醫(yī)用硫酸鈣(OSTEOSET)1∶1混合組在狗的脊柱融合中的應用，結果證明兩組在融合率上沒有明顯區(qū)別。2001年David I Alexander等進行了一項前瞻性的隨機臨床研究，對所有病例施行了椎管減壓的腰椎和腰骶椎后外側融合術，把減壓骨與醫(yī)用硫酸鈣等體積混合植入一側做為實驗側，另一側植入與實驗側植入物等量的自體髂骨作為對照側，融合術后6、12個月，分別有78％、88％病例的實驗側顯示新骨的形成，其新骨形成率有的是對照側的75％～100％，也有等于或超過對照側?？傊g后6、12個月病例均見明顯的新骨生長。患者有否吸煙、性別、年齡、所用手術工具和植入物體積等因素對手術結果影響不明顯。結論是醫(yī)用硫酸鈣與減壓骨混合物可以做為新鮮髂骨的替代物應用于脊柱融合術中。2002年WenJer Chen等比較了醫(yī)用硫酸鈣顆粒(OSTEOSET)和自體骨減壓混合物與新鮮髂骨在1、2個節(jié)段后外側腰椎和腰骶椎脊柱融合術中作用。把減壓骨與醫(yī)用硫酸鈣等體積混合植入一側做為實驗側，另一側植入與實驗側植入物等量的自體髂骨做為對照側，共有40例患者行單節(jié)段后外側融合，實驗組有39例(90％)，對照組有37例(92．5％)達到單節(jié)段完全骨融合。有21例融合部位在L3～5水平，14例在L4～S1水平，實驗組有30例(85．7％)，對照組有31例(88．6％)達到完全骨融合。比較融合骨相對大小，單節(jié)段融合術患者實驗組新骨平均生成面積為638mm2。對照組為675．6mm2 兩節(jié)段融合者分別為：831mm2、853．8mm2。應用Fisher檢測，P>0．05，兩組之間無顯著差異。最后結論：醫(yī)用硫酸鈣顆粒(OSTEOSET)與減壓骨混合物在后外側脊柱融合術中有著與自體骨移植同樣的效果，因此可以避免獲取自體骨過程中發(fā)生的并發(fā)癥。

4．3 展望

隨著向微觀世界的發(fā)展，利用納米技術模擬人工骨，多種細胞因子的提取及其效應的研究，體外培養(yǎng)成骨細胞獲得成功，以及利用轉基因技術使基因治療與組織工程結合，使人們較為清晰的看到了制造理想骨移植材料的希望。生物植骨材料在脊柱融合術中應用的前景是樂觀的。

參考文獻：

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篇10

關鍵詞：復合材料 包埋微生物 廢水 廢氣

生物固定化技術是20世紀70年展起來的技術，它是使物質擴散進入多孔性載體內部，或利用高聚物在形成凝膠時將物質包埋在其內部[1]。經研究結果表明，該技術可用于處理NH3和等H2S多種廢氣[2]，由此可見，固定化微生物在處理廢氣中有非常重要的意義。因此，本文對固定化微生物技術及其所用包埋載體進行簡要介紹，對聚乙烯醇（ PVA）和海藻酸鈉（SA）包埋微生物去除廢氣的影響因素進行綜述，并總結了固定化微生物處理廢氣的應用，提出了一種既能促進微生物的生長，又能改善小球的性能新方向。

微生物細胞的固定化方法有吸附法、交聯(lián)法和包埋法，其中，以包埋法最為常用[3]。包埋材料主要分為：一類是天然高分子多糖類，主要有瓊脂、明膠和SA等，這類包埋材料具有成型容易，毒性小，傳質性能好，包埋密度高等優(yōu)點，但機械強度較低。另一類是合成高分子化合物，常主要有PVA與聚丙烯酰胺等，這類載體材料不易被微生物分解，機械強度較高，且化學穩(wěn)定性好。

聚乙烯醇是一種無色、無毒、無腐蝕性、且微生物不易降解的有機高分子化合物，在紡織漿料、涂料、薄膜等工業(yè)領域中普遍使用，但成型性差。而海藻酸鈉比較容易成型，傳質性能較好，但其機械強度差，分析原因一方面是海藻酸鈉凝膠是一種多糖類物質在水中有一定的水溶性，另一方面微生物能夠降解海藻酸鈉[4]，所以用海藻酸鈉做包埋凝膠小球的主體材料不適合。因此，將PVA與SA相結合，提高機械強度與傳質性能。

1.復合材料包埋性能的影響因素

影響復合材料包埋性能的因素有PVA與SA的濃度配比、交聯(lián)劑、添加吸附劑等，通過形成小球的難易程度、機械強度和傳質性能來評價凝膠球的性能，選擇最佳條件來包埋微生物去除廢氣。

1.1 PVA-SA的濃度配比

洪梅等[5]采用PVA-SA作為包埋劑，培養(yǎng)了用氯苯馴化的微生物，制備固定化微生物小球，利用正交實驗確定了制備固定化微生物小球的最佳條件，并對固定化微生物和游離微生物降解氯苯的效果進行了比較。結果表明：固定化小球制備最優(yōu)條件為：聚乙烯醇的質量濃度80g/L，海藻酸鈉質量比1.0%，菌液與包埋劑體積比25：1，當氯苯質量濃度為80mg/L，菌液接種量為8%，氯苯去除率為87.6%，固定化微生物降解性能較好。楊慧[4]等研究了PVA與SA的配比，PVA和海藻酸鈉混合溶液濃度，凹凸棒土濃度，活性污泥濃度，通過形成凝膠球的機械強度和傳質性能來檢測，研究結果，PVA與SA的質量濃度最佳配比為7：1。

1.2交聯(lián)劑

用于制備PVA-SA小球的交聯(lián)劑有戊二醛、硼酸和CaCl2溶液。王孝華[6]采用戊二醛與CaCl2溶液作為交聯(lián)劑，研究了戊二醛用量、PVA與SA質量比、CaCl2質量分數(shù)、戊二醛與聚乙烯醇的反應時間對復合材料含水率的影響。實驗結果表明：當戊二醛質量分數(shù)為 0.85%、聚乙烯醇與海藻酸鈉質量比為 8：1 、CaCl2溶液質量濃度為 2%、交聯(lián)1.5h時，復合材料的拉伸強度和扯斷伸長率最高，含水率最高。茆云漢[7]采用5種不同固定化方法，即PVA-硼酸法、PVA-硝酸鹽法、PVA-磷酸鹽法、PVA-硫酸鹽法、PVA凍融法，通過檢測包埋微生物的機械強度與活性。結果表明，PVA-硫酸鹽法制備的凝膠球機械穩(wěn)定性較高，包埋微生物的生物活性較高，凝膠球的使用壽命在30d以上。

1.3交聯(lián)時間

賴子尼[8]以正交設計試驗法制備聚乙烯醇-海藻酸鈉混合物，研究了PVA-SA配比、交聯(lián)劑濃度、交聯(lián)時間與凝膠硬度的關系。結果表明，凝膠硬度的影響因素的次序是交聯(lián)時間、SA、PVA和CaCl2濃度。李花子[9]等以PVA-SA作為包埋介質采用延時包埋法，延長溶解后冷卻的時間和加入化學試劑，結果表明，用這兩種方法制得的聚乙烯醇固定化顆粒的水溶脹性減少，不容易破裂，通過電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，改進后的聚乙烯醇凝膠網狀結構明顯優(yōu)于未經過改進的。

1.4添加吸附劑

許多學者[10，11]在PVA-SA復合材料中添加了活性炭纖維、碳酸鈣、泥炭、蛭石、高嶺土、珍珠、鐵粉、二氧化硅粉末、鈣基膨潤土、粉末活性炭、硅藻土等。結果發(fā)現(xiàn)，添加吸附劑的凝膠球機械強度和傳質性能都好于未添加吸附劑的凝膠球。

綜上所述，以上方法可以使PVA-SA這種復合材料的機械性能和傳質性能有所改進，但是添加吸附劑，可以使物理吸附和生物降解同時進行，因此在PVA-SA復合材料里添加吸附劑的方法比較可行。

2. P復合材料包埋微生物技術處理廢氣的研究

采用PVA―SA復合材料固定微生物技術在治理許多廢氣如NH3、H2S等方面都有研究。

2.1處理NH3

氨氣是一種會發(fā)出刺激性氣味的無色氣體，是污染大氣的重要污染物。因此，Kim等[12]利用PVA-SA復合材料固定微生物，通過生物過濾器治理NH3，當為NH3的進口濃度為0.05～6g（m3?h）時，去除氨氣的效率為68%～100%，并且使用壽命在60d以上，由此可見，PVA―SA復合材料固定微生物在處理氨氣中具有較大的應用前景。

2.2處理H2S

H2S廢氣對環(huán)境及人體有較大的危害，已經引起了人們的廣泛關注[13]，Kim等[14]采用PVA-SA包埋微生物并填入生物過濾器處理H2S，結果表明，當H2S的濃度低時，H2S的去除率可以達到99%。

采用PVA―SA復合材料固定的微生物，處理廢氣的研究很少，用其他包埋材料固定微生物治理氮氧化物[15]、甲硫醇[16]、二氯甲烷[17]、油煙廢氣[18]等都有報道，除此之外，揮發(fā)性有機物質（VOCS）是在粉塵之后的第二大類污染物，揮發(fā)性有機氣體的去除已成為大氣污染控制領域的研究熱點，因此，利用PVA―SA混合材料包埋微生物來處理甲醛和VOCS等廢氣具有重要的研究意義。

4. 結論

采用PVA與SA復合材料固定微生物處理廢氣有多種優(yōu)點：處理效果好，反應器啟動快、效率高、成本低、能耗省、無二次污染等，因此，使用這種材料固定微生物在環(huán)境治理中有獨特的優(yōu)勢，在環(huán)境污染治理中的應用前景潛力巨大。但在處理廢氣方面研究較少，目前仍處于實驗室研究階段并沒有大規(guī)模應用，由此可見它還是有缺陷與不足，機械強度不足、傳質性能不佳等，為改進PVA―SA復合材料，添加無機化學試劑（例如，NaSO3），既能促進微生物的生長，又能改善小球的性能，是材料改進的一個新的方向，使這種復合材料更能適用于工業(yè)化應用。

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