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新型组织诱导性生物材料
2018-01-19 16:20:54 | 【 【打印】【关闭】

  在人体内植入无生命的人工材料,就能诱导生命组织器官再生,调动人体自身修复功能。这种看似只能出现在科幻电影里的场景,因为有了组织诱导性生物材料,并非遥不可及。不久前,在长春举行的中国科协年会先进材料展上,中国工程院院士、四川大学教授张兴栋展示了一种骨诱导性人工骨生物材料,将它植入人体后,就能调动人体自身的康复功能,形成新的组织,既无异物反应,又可实现人体的永久性康复。

  生物陶瓷可诱导骨组织生成,开拓生物材料发展新途径 

  据介绍,这种人工骨生物材料就是多孔磷酸钙生物陶瓷,是组织诱导性生物材料的一种。经过多年研究,张兴栋发现,多孔磷酸钙生物陶瓷不仅具有良好的生物相容性,在一定条件下还表现出骨诱导性,即不用外加生长因子或活体细胞就可以诱导骨组织生成,在治疗骨缺损方面有很好的应用前景。“植入人体内过一段时间,陶瓷中会形成新骨头,陶瓷本身会慢慢消失,最终转变为人骨。”

  传统观念认为,无生命的生物材料不可能诱导组织器官再生或形成,因此治疗骨缺损时,医生通常向断骨处植入金属、高分子等材料,这些材料的腐蚀、排异特性给患者带来很大的痛苦。

  张兴栋和他的团队上世纪80年代在国内率先研发出生物活性陶瓷及涂层等。上世纪90年代,他又首创迄今国际唯一的骨诱导人工骨并应用于临床。在此基础上,他提出了“组织诱导性生物材料”这一颠覆性概念。这一概念赋予材料诱导组织形成或再生的生物功能,开拓了生物材料发展的新途径。

  体外培养组织技术由于缺乏人体神经和体液系统的控制,应用中可能出现风险。可诱导组织再生的材料的优势在于,调动人体自身力量,在机体环境下再生,并降解转化成为身体一部分,不会留下异物,修复效果更好。

  张兴栋团队研发的骨诱导性人工骨生物材料,是目前全球首个硬组织诱导性生物材料产品,自2013年临床应用至今已逾数万例,疗效良好。此外,他的人工关节的羟基磷灰石涂层技术成果也具有世界先进水平,临床应用近10万例。目前以骨诱导人工骨为代表的一批产品已获得医疗器械注册证,第二代可承力骨诱导人工骨、胶原水凝胶软骨诱导材料等多个产品已完成实验室研发。

  拥有更强拉伸力的可再生人工韧带,有很大的临床应用价值 

  除了治疗骨缺损,可诱导组织再生的理论还成功应用于再生韧带和中枢神经等软组织上。材料展上,上海松力生物技术公司展出了由他们研发、世界上首个有组织诱导功能的生物人工韧带,部分性能超越了国际上最先进的人工韧带。

  跑步等日常活动都有可能造成韧带损伤,尤其是膝关节的前交叉韧带,一旦损伤就需要手术进行修复。“我们研发的人工韧带是用松力纤维蛋白原和可吸收材料为原料共混后,采用静电纺技术制备的具有超亲水性的、类似细胞外基质的生物复合支架材料,是一种软组织诱导性生物材料。”松力生物董事长何红兵说,该材料植入机体后,在逐层降解的同时进行组织再生,诱导机体自身组织长入韧带中,逐渐演变成自身韧带组织。

  据介绍,以法国LARS韧带为代表的合成材料人工韧带,成分是聚酯材料,不可吸收、也不能再生。同时产品使用寿命有限,时间长了韧带可能松弛、断裂。“可再生生物材料制成的人工韧带,可吸收和再生,静电纺技术工艺比较简单,在疗效及安全性更好的同时,还能降低成本。”

  何红兵说,通常,人体膝关节需要承受1500千克至2000千克的拉伸力,可吸收的韧带植入后要逐步降解、吸收、再生,初始的强度通常要达到承受力的2—3倍,才能保证该材料的正常使用。目前,松力生物制备的人工韧带已突破了这一技术瓶颈,达到4000千克的拉伸力。

  目前,上海松力生物技术公司的人工韧带已经在大动物山羊上实验并成功。“山羊的抗张强度和人体比较接近,对未来应用到人体很有参考价值。”何红兵说,公司接下来会跟骨科专家合作,研发符合骨科实际要求的产品。

  “韧带重建存在的一大问题是缺乏合适的人工韧带,因此临床上主要采用自体韧带。但取自体是拆东墙补西墙,就是抽自己的筋来补自己的韧带,这样会造成新的创伤,还会削弱自身组织,因此可再生的人工韧带在临床有很大的应用价值。”上海交通大学附属第六人民医院运动医学科主任赵金忠说。

  作为一种平台型技术,该软组织诱导性生物材料除了可制成韧带外,还可以制成各种软组织替代物,以及系列组织修复材料,包括心脏补片、腹膜补片、膀胱补片、脑膜补片、骨科填充材料、人工血管等。未来,更多患者可能受惠于可诱导组织再生材料的发展。

  可诱导组织再生材料研究方兴未艾,是未来生物材料发展的重要方向 

  “以可诱导组织再生材料为核心的新一代生物材料,已成为生物材料发展的方向和前沿,将在未来10年至20年成为生物材料产业主体,应通过产学研协同创新,抢占制高点。”张兴栋说。

  在何红兵看来,目前我国在再生生物材料领域已走在世界前列。2016年5月,张兴栋当选国际生物材料科学与工程学会联合会主席一职,这是该联合会成立以来,首次由我国科学家担任。“这表明我们原创性的发现已获国内外认可,中国生物材料科学与工程不仅成功登上了世界舞台,而且进入了舞台的中央。”张兴栋说。由于未来前景大好,可诱导组织再生的新一代生物材料已被列为国家“十三五”重点专项“生物材料研发与组织器官修复替代”的重点和核心。

  生物材料应用市场也很广阔,涵盖了齿科、血管支架、骨科、创伤修复等多领域,市场规模非常大。何红兵说,传统组织工程材料不可降解,基本会以异物存在于体内,且存在活性欠佳,可能与人体有排斥反应,有时甚至在治好一种疾病的同时又产生了新的疾患,“所以,可诱导组织再生材料是未来生物材料发展的重要方向。”

  对于未来,何红兵有着清醒的认识和规划:“总体上我国生物医学材料,尤其是高端产品生产能力与国际先进水平还存在不小差距,希望我们能跨越式地建成新一代生物材料产业体系,摆脱落后局面。”

 

    来源:科学网http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2017/7/381321.shtm

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