生物醫(yī)用材料(Biomedical Materials)，也稱生物材料(Biomaterials)，是一類具有特殊性能，應(yīng)用于疾病的診斷、治療、康復和預(yù)防，以及替換生物體組織、器官、增進或恢復其功能的材料。美國國家衛(wèi)生研究所(NIHCDC)將生物材料定義為“能作為一個系統(tǒng)的整體或部分使用一段時間，達到治療、增加、或替換身體的一些組織、器官并恢復功能目的的任何物質(zhì)或物質(zhì)組合，它可以是天然的或是人工合成的”。生物材料的特征之一是生物功能性(biofunctionality)，即能對生物體進行診斷、治療或修復；二是生物相容性(biocompatibility)，即不引起生物組織血液等的不良反應(yīng)。
生物材料是研究人工器官和醫(yī)療器械的基礎(chǔ)，涉及材料、生物、醫(yī)學、化學以及物理諸多學科領(lǐng)域，其使用又與生理系統(tǒng)相接觸，因此該材料的研究與開發(fā)具有相當?shù)碾y度與挑戰(zhàn)。因此，如果缺少了在不同研究領(lǐng)域內(nèi)具備突出專長的團隊間的合作，生物醫(yī)用材料及醫(yī)學科研的整體創(chuàng)新與突破也將無從談起，更不用說實際的臨床應(yīng)用和更長遠的發(fā)展了。
對于醫(yī)用生物材料的發(fā)展，隨著醫(yī)學水平的提高以及人類生活質(zhì)量的改善，也同步促進了生物材料的發(fā)展。第一代生物材料在20 世紀 60 年代應(yīng)用于人體，其特點是“生物惰性”，即在引發(fā)宿主最小毒性反應(yīng)條件下，重建受損組織的鏈接，如滌綸血管和金屬的支架等。第二代生物材料于20 世紀 80 年代開始應(yīng)用，主要是生物活性材料，即具備生物活性成分，從而引發(fā)組織的生理反應(yīng)，如羥基磷灰石骨材料，另外是可生物降解吸收材料。雖然有些組織可以承受惰性物質(zhì)的長久存在，如骨骼，但永久移植物總會刺激慢性發(fā)炎，即異體反應(yīng)。第三代生物材料是同時具有生物活性、可生物降解吸收的材料，即從分子水平上控制材料與細胞間的相互作用，從而可以引發(fā)特異性的細胞反應(yīng)，如可實現(xiàn)可控的粘附、增殖、分化及細胞外基質(zhì)的重建，從而誘導組織和器官的形成，是細胞和基因的活性材料。
從臨床用途上來分，生物材料可分為骨骼肌肉修復替換材料、軟組織材料、齒科材料、心血管材料、醫(yī)用膜材料、組織粘結(jié)劑和縫合材料、藥物釋放材料、臨床診斷及生物傳感器材料。按照在生物環(huán)境中發(fā)生的生物化學反應(yīng)水平，生物材料又可以分為生物惰性材料和生物活性材料。生物材料按照材料的組成和性質(zhì)可以分為醫(yī)用金屬材料、醫(yī)用陶瓷材料、醫(yī)用高分子材料和醫(yī)用復合材料。人體絕大部分組織和器官都是由天然高分子化合物如蛋白質(zhì)、多糖等組成的，因此醫(yī)用高分子材料有其獨特的功效和特征，成為生物材料研究最活躍的領(lǐng)域之一。
下面就為大家簡單介紹兩種重要的生物醫(yī)用材料，它們分別是金納米粒子和半導體共軛聚合物。這兩種材料在生命科學及醫(yī)學領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景和潛力，也是目前被廣泛關(guān)注的兩種醫(yī)用生物材料。
1.金納米粒子材料
由于具有高化學穩(wěn)定性、良好的尺寸可控性、易于表面修飾、獨特的吸收與光散射等物理化學性質(zhì)，金納米粒子在生物成像、疾病診斷、靶向藥物輸送和腫瘤光熱治療等領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用。當尺寸小到幾個或幾十個金原子時（小于費米波長，即<1 nm），由于小尺寸效應(yīng)使金納米粒子（即金納米簇）能夠發(fā)射很強的熒光。過去的十幾年中，金納米簇受到人們越來越多的關(guān)注。特別地，蛋白質(zhì)包覆的金納米簇具有更高的光穩(wěn)定性和生物相容性，易于在生物醫(yī)學、生命科學及環(huán)境分析等方面得到廣泛應(yīng)用。此外，親水性蛋白或其他小分子修飾的金納米簇具有良好的水溶性、表面可修飾性、血液中長循環(huán)時間、易于在腫瘤組織蓄積等優(yōu)勢，可用于生物成像、生物檢測、納米藥物載體和靶向治療等領(lǐng)域。
材料的生物相容性和安全性是其能夠用于生物醫(yī)學領(lǐng)域的前提。以往的報道普遍認為金納米簇（特別是蛋白質(zhì)包覆的金納米簇）具有優(yōu)異的生物相容性。然而，這些報道中通常選擇單一的細胞系、孵育時間短、金納米簇濃度范圍窄等，因而對金納米簇的毒性研究還遠不夠全面，還缺乏足夠的實驗數(shù)據(jù)來說明其是否有毒性。因此，金納米簇的安全性仍然不明確，在將納米材料運用到臨床研究之前還有必要對其毒性進行系統(tǒng)和深入的研究。
比如最近，華中科技大學協(xié)和醫(yī)院皮膚科陶娟教授課題組與華中科技大學化學與化工學院朱錦濤教授課題組合作，首次對牛血清白蛋白包覆的金納米簇進行了系統(tǒng)、全面的體內(nèi)外毒性研究。該研究選取了以生物相容性好的牛血清白蛋白作為模板來制備金納米簇，消除了金納米簇表面配體本身毒性的影響。同時，選取了三種腫瘤細胞系及兩種正常細胞，提高了結(jié)果的適用性。在此基礎(chǔ)上，在較寬的金納米簇濃度及作用時間內(nèi)，系統(tǒng)檢測了細胞攝取、存活率、細胞凋亡、細胞內(nèi)活性氧簇生成及細胞形態(tài)變化。研究結(jié)果表明，金納米簇能很快進入細胞，并對不同細胞表現(xiàn)出不同程度的毒性，而金納米簇溶液中游離的牛血清白蛋白分子能部分抵消金納米簇的毒性作用，因而使金納米簇僅在一定濃度范圍內(nèi)（5和20 nM）表現(xiàn)出毒性。實驗證實，細胞內(nèi)活性氧簇生成是金納米簇產(chǎn)生毒性的重要機制之一。更為重要的是，金納米簇的細胞毒性在小鼠皮下腫瘤模型上得到了證實，能夠明顯抑制腫瘤的生長。
這項研究表明，為了發(fā)揮其生物成像和納米藥物載體的功能，可以將金納米簇與生物活性小分子結(jié)合從而降低其毒性。另一方面，利用金納米簇具有的細胞毒性，可以在一定程度上發(fā)揮抗腫瘤的作用。
2.半導體共軛聚合物
半導體共軛聚合物作為一種新型生物傳感材料，具有光捕獲能力強、敏感性高、生物相容性好、分子結(jié)構(gòu)可控等顯著優(yōu)點，在環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)學研究等領(lǐng)域顯示出強大的應(yīng)用潛力和發(fā)展前景。比如，作為構(gòu)建光學傳感與熒光成像分析方法物質(zhì)基礎(chǔ)的熒光探針，通過結(jié)合利用半導體共軛聚合物材料，能夠在更大程度上提高熒光探針的靈敏度與特異性。然而，目前所報道的半導體共軛聚合物熒光探針，其主要依靠的是靜電相互作用力構(gòu)建傳感體系，降低了聚合物探針的選擇性，使其在復雜生物體系和血清樣本研究中的應(yīng)用受到很大限制。
對此，南京郵電大學汪聯(lián)輝教授課題組設(shè)計制備了一種新型半導體聚合物納米生物探針，該納米生物探針具有免標記、高靈敏度、高特異性的優(yōu)勢，可以在含血清緩沖液中檢測低至nM級的基因并能很好的區(qū)分單堿基變異。
半導體共軛聚合物納米粒子具有熒光強度高、毒性低、表面易修飾等特點，將核酸分子（DNA）作為探針固定在納米粒子表面，構(gòu)建半導體聚合物納米生物探針，可以為生物傳感器的發(fā)展提供新的思路和傳感模式。該團隊首先用納米沉淀法制備了半導體聚合物納米粒子，由于聚合物納米粒子光譜顯著紅移，使其與受體熒光分子的光譜匹配程度增大，同時利用納米粒子內(nèi)部的高效激子傳輸機制，該半導體聚合物納米生物探針呈現(xiàn)出很好的靈敏度和特異性，可以在含血清緩沖液中檢測到特異性的靶基因，同時可以分辨單堿基變異。尤其重要的是，核酸生物功能化顯著提高了半導體納米生物探針在復雜體系中的膠體穩(wěn)定性和光學性能，使其有望用于臨床血清樣本分析。
該研究中所構(gòu)建的半導體聚合物納米生物探針，制備方法便捷、高效，并具備普適性的優(yōu)點，在臨床疾病診斷、分子生物學研究和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。
