生物医学工程领域的高技术关键材料

细菌感染微环境响应性高分子材料用于细菌感染性疾病的治疗

王迎军, 黄雪连, 陈军建, 梁阳彬, 熊梦华

材料导报 2019,33(1 ):5 -15. DOI:10.11896/cldb.201901001

摘要（2400）

PDF（pc）（3789KB）（1060）

收藏自从1928年青霉素被发现以来,抗生素的使用极大降低了细菌感染性疾病的发病率和死亡率,拯救了数千万的生命。然而,随着抗生素的广泛使用及滥用,抗生素耐药问题已成为全球性公共卫生安全问题。此外,传统给药模式下的抗生素疗法存在多种问题:抗生素给药后被快速代谢从体内排出,只有少部分药物到达感染部位,生物利用率低,使得临床中往往需要大剂量给药、长周期治疗,这导致显著毒副作用;抗生素对生物膜内细菌治疗效果差,难以在胞内富集,且难以杀伤胞内存活细菌,导致慢性感染和复发性感染。
   针对传统抗生素给药模式存在的问题,利用纳米技术递送抗生素显示出很好的应用前景。纳米颗粒可以改善难溶药物的溶解性,改善抗生素的代谢动力学和组织分布,克服组织和细胞屏障。随着纳米药物输送体系研究的不断深入,研究者们利用细菌感染后微环境中致病因子(如磷酸酶、磷脂酶、蛋白酶、毒素等)致病因子表达显著增高、pH值下降呈微酸性、局部温度上升等,设计刺激响应性高分子纳米材料,用于抗生素的递送。该策略使药物选择性在细菌感染部位释放,显著改善药物生物利用率,提高药物对生物膜相关感染、胞内感染等感染性疾病的治疗效果,并降低药物的毒副作用。
   然而,纳米颗粒递送抗生素对耐药细菌特别是多重耐药菌感染性疾病的治疗仍存在很大的局限性。针对抗生素的耐药问题,抗菌肽及其类似物由于具有广谱抗菌活性及低致耐药性而受到广泛关注。然而,这类抗菌剂具有强细胞毒性,限制了其临床应用。研究者利用上述细菌感染微环境,设计对酸性环境或细菌酶响应的抗菌高分子材料,使其在正常组织中呈现低细胞毒性,而在细菌感染环境下被活化或者暴露出抗菌肽,从而高效杀伤耐药细菌。
   本文介绍了传统抗生素疗法存在的问题,总结了近10年来感染微环境响应性高分子纳米颗粒作为抗生素递送载体、感染微环境响应性的抗菌高分子的设计及在细菌感染性疾病治疗中的应用,并展望感染微环境响应性高分子材料的发展趋势及前景。

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生物医用材料表面高分子基涂层的功能化构筑

赵鸣岐, 黄威嫔, 胡米, 任科峰, 计剑

材料导报 2019,33(1 ):27 -39. DOI:10.11896/cldb.201901003

摘要（1316）

PDF（pc）（3154KB）（766）

收藏生物医用材料是为生物和医用相关领域使用而设计并制备的功能材料。随着社会的快速发展,人们对生活水平的要求相应提高,并伴随着医疗水平的不断提高和材料科学领域的高速发展,生物医用材料在人类社会生活中的应用越来越广泛。例如,在过去的几十年里,人工髋关节和膝关节植入物的数量显著增加;血管支架、心脏瓣膜、血管移植物和其他植入装置被广泛用于挽救生命和提高患者的生活质量;各种非植入的、短期使用的导管和固定螺钉等生物医用装置也在临床中广泛使用。
   生物医用材料作为一种人类生命和健康密切相关的功能材料,应当满足良好的生物相容性和具有一定的生物功能性,例如不会引起生理系统的严重排斥等。当生物材料与生命体例如细胞、组织、微生物等相接触时,材料的表面首当其冲,因此其在生物材料的综合性能中扮演着极为关键的角色。通过对材料表面做一定的处理或特定修饰,改变材料表面物理、化学或生物性能,就有可能在材料表面引发特殊的生物反应,促进或影响材料与生物体之间的作用,从而有可能获得促进细胞活性、组织修复或再生的功能。因此,生物材料的表面功能化研究已成为生物医用材料研究和发展的一个热点和重要领域。
   近年来,抗菌功能、药物负载以及细胞行为调控等功能是生物材料表面功能化构筑的重要研究方向,在材料表面构筑各种功能涂层是重要的策略之一。在抗菌涂层方面,经典的研究集中在抗黏附、接触杀菌以及释放杀菌分子的设计上,但新型的抗菌策略也不断发展,例如光热杀菌以及动态响应抑菌等。在药物负载传递方面,层层组装技术是一种被用来制备各种药物涂层的重要技术手段,组装单元的多样性为层层组装构建药物控释涂层的多样化提供了良好的基础。在细胞行为调控方面,基于层层组装的材料表面理化性能调控以及生物活性分子的固定,能够对包括黏附、铺展、迁移、增殖分化等细胞行为产生关键性的影响。
   本文归纳了当前生物医用材料表面功能化构筑的研究进展,分别从抗菌表面、药物负载传递、细胞行为调控等三个方面进行介绍,分析了在具体的功能化应用中生物医用材料表面面临的问题以及目前的功能化修饰方法,并展望了其应用前景,以期为制备具有更优化、更高效实际应用的生物医用材料表面提供参考。

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微小RNA纳米递送体系的构建及其研究进展

韦晶, 韩希思, 张承武, 吴琼, 秦晓飞, 李林, 余昌敏, 黄维

材料导报 2019,33(1 ):16 -26. DOI:10.11896/cldb.201901002

摘要（1275）

PDF（pc）（2633KB）（1796）

收藏微小RNA是一种短链的、调节性非编码RNA,约由21~25个核苷酸组成,广泛存在动物、植物及病原微生物中,具有在翻译水平调控基因表达的功能,是一类重要的基因表达调节器。目前,已在人类基因组中鉴定出1 000多个miRNA,超过30%的基因受到miRNA调节。miRNA广泛参与细胞生长、分化及凋亡过程。研究表明,生物体内miRNA表达水平与神经障碍、心血管疾病、癌症和病毒感染等疾病密切相关。因此,miRNA已被广泛用作多种疾病的早期诊断、预后评估以及治疗靶点。利用RNA干扰(RNA interference)技术调控生物体内miRNA的含量已经引起越来越多的关注,通过向细胞内递送miRNA或者“反义”核苷酸可以实现对目标miRNA表达水平的调控,从而实现对基因失调所引起的疾病的治疗。目前,基于miRNA的治疗方法在癌症、新发传染病和其他疾病中表现出极大的潜力。然而,核苷酸链自身的特性,如负电性、易降解,导致其很难跨越细胞膜进入细胞。因此,合理设计纳米递送载体,对提高治疗基因的运载和治疗效率具有重要的意义。
目前,随着新型材料的深入研究,已经报道有多种材料可以作为基因载体并用于细胞内递送miRNA。例如脂质体胶囊,它是利用磷脂双分子层膜所形成的囊泡包裹药物分子而形成的制剂,具有良好的生物相容性和稳定性,可以通过细胞内吞作用进入细胞内,从而实现对基因的递送。此外,利用不同材料的物理、化学特性,多种形式的纳米体系,如聚合物纳米颗粒、有机和无机纳米颗粒等已被开发设计成功能性纳米载体,可实现基因药物的靶向递送和智能刺激释放。本文将讨论细胞内miRNA的功能以及调控miRNA含量的方法,归纳纳米体系在递送miRNA治疗基因方面的研究进展,分析纳米递送体系的设计思路、方法以及作用机制。此外,还将根据目前的研究进展,讨论基于miRNA的疗法在新兴领域中的发展方向,以期为制备新型智能的基因递送体系提供参考。

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微创介入全降解血管支架和心脏瓣膜国内外研发现状与研究前沿

杨立, 罗日方, 雷洋, 王云兵

材料导报 2019,33(1 ):40 -47. DOI:10.11896/cldb.201901004

摘要（1175）

PDF（pc）（1847KB）（1142）

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低维氧化锌晶面调控及催化抗菌活性研究进展

李丹, 张忞灏, 廖佩姿, 谢远, 甄贺伟, 徐晓玲, 周祚万

材料导报 2019,33(1 ):56 -64. DOI:10.11896/cldb.201901006

摘要（1105）

PDF（pc）（3470KB）（1591）

收藏低维结构氧化锌(ZnO)作为一种典型的直接宽带隙半导体材料,具有独特的形貌可调性、优异的催化活性和良好的生物相容性,在长效抗菌、催化降解和能源转化等领域受到较多关注。大量研究表明,通过制备方法的设计,可以得到球、棒、针、片、带、管和多面体等形貌各异的低维ZnO晶体材料,而不同的形貌结构对其宏观性质具有显著的影响,甚至直接导致了材料在应用领域上的差异。因此,低维ZnO晶体材料的形貌结构调控对于其应用而言至关重要。
ZnO丰富的形貌特征源于其晶体生长的各向异性。在ZnO晶体生长过程中,反应体系中的各种因素(如溶剂、成核剂、添加剂等)均可能对晶体生长产生影响,促使晶体沿不同晶向生长。因此,反应条件不仅能够影响ZnO的形貌,更重要的是,其表面的暴露晶面也会随之变化。而ZnO不同暴露晶面上的原子排布、原子密度和表面悬挂键等都不尽相同,这使得其性质和功能会出现显著差异。通过控制ZnO的形貌结构、晶体取向和暴露晶面等能够有效提高其稳定性、催化活性和选择性吸附等能力,并进一步实现对材料物理/化学性质的调控。随着制备技术和模拟计算的不断发展,现阶段对于ZnO暴露晶面的调控方法大致可分为晶面吸附法、晶种诱导法、溶剂调节法和晶面刻蚀法四种。其中前三种均属于自下而上的合成法,在ZnO晶体的成核和生长过程中,通过引入吸附剂、晶种或改变溶剂,来控制目标晶体特定晶面的结晶、生长,从而实现晶体形貌和暴露晶面的调控;而晶面刻蚀法是一种自上而下的制备方法,利用ZnO晶体自身各向异性所带来的晶面活性差异来选择性刻蚀高活性晶面,得到所需的暴露晶面。通过上述方法,研究者能够实现对ZnO晶体形貌和暴露晶面的可控制备,并在此基础上进一步研究ZnO暴露晶面与催化抗菌活性间的规律和机制。
为了更好地指导ZnO系列结构的功能调控,本文综述了ZnO晶面调控方法及其对催化抗菌活性影响的研究进展,重点归纳了在低维结构ZnO生长过程中,通过不同制备方法来实现对ZnO特定暴露晶面调控的研究进展,并进一步总结了暴露晶面的调控对于ZnO在光照和无光条件下催化抗菌活性的研究现状。最后,对晶面调控低维结构ZnO今后的研究方向与亟待解决的学术难题进行了讨论。

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皮肤敷料的研究进展

林琳, 陈景民, 王会, 李久盛, 陈晋阳, 曾祥琼

材料导报 2019,33(1 ):65 -72. DOI:10.11896/cldb.201901007

摘要（997）

PDF（pc）（1604KB）（1573）

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基于荧光法纸基器件在体外疾病检测中的应用进展

吴美容, 赖琼宇, 周佳, 倪赟, 吴琼, 张承武, 于海东, 李林

材料导报 2019,33(1 ):48 -55. DOI:10.11896/cldb.201901005

摘要（920）

PDF（pc）（1973KB）（1019）

收藏在发展中国家的贫困地区,由于缺乏医疗设备,很多疾病的诊断只能依靠医疗工作者根据病人的症状进行估诊,往往延误了治疗。每年仍有多达五亿的疟疾患者由于未显示出病症而没能在感染早期被诊断出来,导致更多人被传染。因此,这些地区的居民亟需操作简单、廉价实用、可随身携带、无需辅助器材(如电、泵、光学器件等)的纸基器件检测常见疾病。纸基器件常用的检测方法有比色法、荧光法、化学发光法、电化学法、电化学发光法等。不同的检测方法可实现疾病的早期诊断以及食品质量检测和环境监测。因此,纸基器件的高检测速率、高选择性、高灵敏性,以及相对较低的成本和无污染优势,使其受到体外检测及相关应用检测的青睐。
然而,纸基器件检测仍存在一些问题,尚待突破。例如,如何提高纸基器件检测的多样性、稳定性、重复性以及检测设备的便携性等。在不同的检测方法中比色法是最直观、最常用的一种方法,该方法通过显色反应,利用肉眼观察进行半定量分析,但通常会因为检测者的视觉感官不同而产生误差。该方法的局限性在于易受光线的影响,灵敏度和选择性不及电化学法。荧光法的选择性好、检出限低,但是在检测器件的便携性上还有很大的发展空间。化学发光法、电化学法以及电化学发光法在检测灵敏性、选择性上有一定的优势,但是限于电极易污染以及背景信燥比高等原因不能得到广泛应用。因此,近年来,除了对纸基器件的材料性质和器件性能有所研究外,研究者在高通量快速检测多种疾病检测应用中也取得了较好的成果。
本文归纳了建立在荧光纸基器件方法上的发展应用,分别对荧光材料包括有机染料、量子点、金属纳米簇、上转换纳米颗粒、碳点等进行介绍,举例说明其在体外检测中的应用。例如,核酸检测、蛋白检测、细胞检测等,同时也指出了其在应用中的不足。因此,设计新型的稳定型、高量子产率、抗漂白性、低毒、生物相容性好、斯托克位移较大的光学材料,需要更多研究者的参与。最后,本文展望了作为疾病早期预防诊断的荧光纸基器件的应用前景。

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添加Nd对Mg-Zn-Ca合金非晶形成能力和耐蚀性的影响

周杰, 李克, 王彪, 艾凡荣

材料导报 2019,33(1 ):73 -77. DOI:10.11896/cldb.201901008

摘要（825）

PDF（pc）（2288KB）（842）

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