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新生代生物材料推動現(xiàn)代臨床醫(yī)學進步
呈現(xiàn)各種結構和化學組分的納米微纖維是通過肽和蛋白質的自我結合和有序排列形成的。科學家們發(fā)現(xiàn)，少數具有生物活性的細胞外蛋白質區(qū)域可以破碎成小短肽并通過改變肽鏈的氨基酸序列“裹入”狹小的納米空間中。因此，納米纖維可以被設計表達成這些肽鏈序列的高密度形態(tài)。三維宏觀凝膠固體也能夠展現(xiàn)這些高密度形態(tài)的生物活性肽。
研究人員西爾瓦等應用分子自組裝技術開發(fā)了一種新的三維材料。這種材料能夠誘導神經組細胞的定向分化，而無需生長因子的輔佐。干細胞和祖細胞除了可以分化成特定組織以外，還具有組織修復或替代的巨大潛能。
它們的這種分化能力主要是受生長因子類的可溶性化合物所控制的。西爾瓦研究小組合成的這種自組裝兩性肽分子表達有五肽抗原決定基是一種在昆布氨酸中發(fā)現(xiàn)的氨基酸序列，它能夠促進神經突觸的粘附、萌發(fā)和生長。這些兩性肽分子在水介質中可以進行自組裝并形成直徑為納米的納米纖維。從宏觀上看，這些多孔纖維形成高度含水的三維凝膠，它們能夠誘導微囊狀神經祖細胞迅速分化成神經細胞，同時阻止星形膠質細胞的產生。抑制星形膠質細胞增殖可以阻止神經膠質疤痕的形成，從而在中樞神經系統(tǒng)受損以后抑制軸突的再生和延伸。
盡管特定生物活性肽的發(fā)現(xiàn)推動了具有細胞行為控制能力材料的合理設計，但是對于提供這種控制能力所必需的化學性能科學家們還一無所知。用以檢測聚合物!(細胞相互作用的高通量合成和篩選平臺可以加速這種材料的開發(fā)。研究人員已經篩選出了一個可影響人類胚胎干細胞生長和分化過程的痕量聚合物庫。它們具有許多出人意料的特征：一些材料支持高水平的人類胚胎干細胞分化成上皮樣細胞，而其他材料則只有在某些生長因子缺乏時才支持人類胚胎干細胞的生長。未來的研究方向是將經過合理設計的生物材料組合化學庫與高通量篩選方法結合使用，從而識別出在組織工程化建造中控制細胞行為的新方法。與生長因子這樣的擴散性化合物不同，使用生物材料誘導特定細胞行為的能力（諸如分化）首次為精確掌控工程化組織中細胞分化的地點提供了難得的機會。這種細胞行為的位置控制將來可以促進由單一干細胞類型衍生的多種組織的生產。
除了引導特定細胞行為的生物材料之外，研究人員還在開發(fā)針對特定細胞信號的智能生物材料。據報道，含有基質金屬蛋白酶!)簡稱!*!*"+!, 降解位點和細胞粘附配合體的水凝膠已經被生產出來。這些!*!*"+位點有助于天然細胞控制凝膠的變化，從而使組織細胞最終替代合成凝膠材料。當這些生物材料被特定生長因子進一步填充時，諸如骨形成蛋白，這些凝膠將支持細胞的滲透和礦化組織的形成。這些材料顯示出了許多天然凝膠的優(yōu)點，諸如具有變化能力和生物相容性的膠原蛋白，同時避免了天然細胞外基質凝膠的一些不利的特點，諸如非特定蛋白吸附作用等等。
微制造技術的發(fā)展也為智能生物材料和藥物傳輸系統(tǒng)的開發(fā)提供了新的方法。譬如，含有個藥物孔道的微型移植硅芯片已經問世。每個孔道能夠通過低電壓實時釋放藥物。可完全生物降解的微型藥物輸送芯片也有過相關報道。將傳感器與電腦控制的藥物傳輸系統(tǒng)結合運用可以實現(xiàn)反應靈敏的全自動藥物治療過程。
從臨床的觀點看，如果這些新生代生物材料不能被恰當的移植，它們的許多優(yōu)點將喪失殆盡。舉例來說，骨骼和移植物之間的準確銜接對于骨組織的附著生長和整合是非常重要的。為此，科學家正在開發(fā)一種可轉換形態(tài)的生物材料，它們在抵達適當的目的地以后會從一種形態(tài)（譬如液態(tài)）迅速轉化成另一種形態(tài)（譬如固體或凝膠）。光線、溫度或!,"- 變化都可能成為這種形變的誘因。此外，可生物降解的記憶形聚合物也正在研發(fā)之中。這些材料至少由兩個分離相位構成，它們有著不同的熱力學轉移溫度。這些截然不同的相位轉移溫度可以使材料在體溫條件下“記憶”一個永久的形狀，這與室溫條件下存在的臨時形狀有顯著的區(qū)別。像這樣的材料可以大大簡化生物材料在外科手術中的使用，因為它們能夠在室溫條件下以最低限度的損傷完成移植，然后在達到體溫以后延展成最終的形狀。
除了這種可變換形態(tài)的生物材料之外，研究人員還在開發(fā)一種智能表面。它們可以根據電壓的變化在親水態(tài)和疏水態(tài)之間自由的轉換。這種涂層將來可以用于生產具有數字化反應表層的醫(yī)學儀器和傳感器。
所有這些景象表明，我們將不再局限于現(xiàn)有的生物醫(yī)學材料。我們期望細胞生物學和化學之進步會給生物材料的發(fā)展帶來愈加深遠的影響。結合運用智能生物材料與生物傳感器、新藥傳輸系統(tǒng)、生長因子和dna 技術，將為新藥儀器的開發(fā)和臨床應用起到推波助瀾的作用。
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