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新生代生物材料推動現(xiàn)代臨床醫(yī)學(xué)進(jìn)步
呈現(xiàn)各種結(jié)構(gòu)和化學(xué)組分的納米微纖維是通過肽和蛋白質(zhì)的自我結(jié)合和有序排列形成的。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，少數(shù)具有生物活性的細(xì)胞外蛋白質(zhì)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(shè)計表達(dá)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(yīng)用分子自組裝技術(shù)開發(fā)了一種新的三維材料。這種材料能夠誘導(dǎo)神經(jīng)組細(xì)胞的定向分化，而無需生長因子的輔佐。干細(xì)胞和祖細(xì)胞除了可以分化成特定組織以外，還具有組織修復(fù)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(dá)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(jìn)神經(jīng)突觸的粘附、萌發(fā)和生長。這些兩性肽分子在水介質(zhì)中可以進(jìn)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(dǎo)微囊狀神經(jīng)祖細(xì)胞迅速分化成神經(jīng)細(xì)胞，同時阻止星形膠質(zhì)細(xì)胞的產(chǎn)生。抑制星形膠質(zhì)細(xì)胞增殖可以阻止神經(jīng)膠質(zhì)疤痕的形成，從而在中樞神經(jīng)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(xì)胞行為控制能力材料的合理設(shè)計，但是對于提供這種控制能力所必需的化學(xué)性能科學(xué)家們還一無所知。用以檢測聚合物!(細(xì)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(jīng)篩選出了一個可影響人類胚胎干細(xì)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(xì)胞分化成上皮樣細(xì)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(xì)胞的生長。未來的研究方向是將經(jīng)過合理設(shè)計的生物材料組合化學(xué)庫與高通量篩選方法結(jié)合使用，從而識別出在組織工程化建造中控制細(xì)胞行為的新方法。與生長因子這樣的擴(kuò)散性化合物不同，使用生物材料誘導(dǎo)特定細(xì)胞行為的能力（諸如分化）首次為精確掌控工程化組織中細(xì)胞分化的地點提供了難得的機(jī)會。這種細(xì)胞行為的位置控制將來可以促進(jìn)由單一干細(xì)胞類型衍生的多種組織的生產(chǎn)。
除了引導(dǎo)特定細(xì)胞行為的生物材料之外，研究人員還在開發(fā)針對特定細(xì)胞信號的智能生物材料。據(jù)報道，含有基質(zhì)金屬蛋白酶!)簡稱!*!*"+!, 降解位點和細(xì)胞粘附配合體的水凝膠已經(jīng)被生產(chǎn)出來。這些!*!*"+位點有助于天然細(xì)胞控制凝膠的變化，從而使組織細(xì)胞最終替代合成凝膠材料。當(dāng)這些生物材料被特定生長因子進(jìn)一步填充時，諸如骨形成蛋白，這些凝膠將支持細(xì)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(xì)胞外基質(zhì)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(shù)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(jīng)問世。每個孔道能夠通過低電壓實時釋放藥物�？赏耆锝到獾奈⑿退幬镙斔托酒灿羞^相關(guān)報道。將傳感器與電腦控制的藥物傳輸系統(tǒng)結(jié)合運用可以實現(xiàn)反應(yīng)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(dāng)?shù)囊浦�，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(zhǔn)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(xué)家正在開發(fā)一種可轉(zhuǎn)換形態(tài)的生物材料，它們在抵達(dá)適當(dāng)?shù)哪康牡匾院髸䦶囊环N形態(tài)（譬如液態(tài)）迅速轉(zhuǎn)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(gòu)成，它們有著不同的熱力學(xué)轉(zhuǎn)移溫度。這些截然不同的相位轉(zhuǎn)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(shù)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(dá)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(jù)電壓的變化在親水態(tài)和疏水態(tài)之間自由的轉(zhuǎn)換。這種涂層將來可以用于生產(chǎn)具有數(shù)字化反應(yīng)表層的醫(yī)學(xué)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(xué)材料。我們期望細(xì)胞生物學(xué)和化學(xué)之進(jìn)步會給生物材料的發(fā)展帶來愈加深遠(yuǎn)的影響。結(jié)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(shù)，將為新藥儀器的開發(fā)和臨床應(yīng)用起到推波助瀾的作用。
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