材料科学在医学领域中的重要应用

材料科学在医学领域中的重要应用

摘要：材料科学是一门多学科交叉的综合性学科，在很多科学领域都起着至关重要的作用。在医学科学方面，它一次次的掀起新技术的革命，促进医学的不断发展。目前，它在解决困扰医学界多年的难题——器官移植方面也起着重要的作用。

关键词：材料科学、医学、器官移植、生物医学材料、医用金属材料、高分子水凝胶。

材料科学是基于物理，化学，力学，计算机科学、数学和生物学等基础科学而形成的一门多学科交叉的综合性学科，以研究材料性质，组成和结构，合成和加工以及它们之间关系为内涵和特色。它既是一个以探索自身规律为目标的基础科学领域，又是一门与电子，冶金，能源，化工和机械等工程技术密切相关的应用科学。它在工业，航天航空，信息技术，交通运输，军事，医学等领域都起着至关重要的作用。

在医学领域，材料化学必不可少，新材料的不断产生和应用在医学领域掀起一次次的技术和观念革命，不断推动着医学科学的前进与发展。微创介入技术的诞生，使得多年来医疗服务中追求已久的“及时，微创，无痛，舒适”的观念终于得到实施，特殊的器械与材料使得医生在进行手术时可以把刀口开小，有效减少病人的出血和创伤，使病人并发症少，术后恢复快，尤其在治疗心脑血管疾病方面更是疗效显著。纳米材料的应用更是在医学领域掀起了风暴——空心结构的金纳米粒子利用纳米材料特有的小尺寸效应在肿瘤诊断和治疗方面起着重要作用，贵金属纳米银以其超强的还原能力成为一种性能优良的抗菌材料，而目前正在研发的用于医学方面的纳米机器人相信其一旦问世，也将震撼世界。

在长期的医学治疗方面，对于病变的器官和组织，在器官移植技术没有出现之前，人们长期停留在以药物进行治疗和缓解的阶段。但能以药物治好的都是轻中度的病变，而对已经重度病变或是已经坏死的器官，药物根本不起作用，病人只能在极大的痛苦中死去。多年以来，医疗界一直在探求是否能够进行器官移植来挽救患者的生命。但器官移植存在着三个重要的难关——1.移植器官一旦植入受者体内，必须立刻接通血管，以恢复输送养料的血供，使细胞赖以存活，这就要求有一套不同于缝合一般组织的外科技术。2.切取的离体缺血器官在常温下短期内（少则几分钟，多则不超过1小时）就会死亡，不能用于移植。而要在如此短促的时间内完成移植手术是不可能的。因此，要设法保持器官的活性，为器官移植手术赢得时间。 3.医疗上用的器官来自另一个人。但是受者作为生物有着一种天赋的能力和机构（免疫机构），能对进入其体内的外来“非己”组织器官加以识别、控制、摧毁和消灭。这种生理免疫过程在临床上表现为排斥反应，导致移植器官破坏和移植失败。人类的主要两大类主要抗原：ABO血型和人类白细胞抗原(HLA)，它们决定了同种移植的排斥反应。ABO血型只有4种(O、A、B、AB)，寻找ABO血型相同的供受者并不难；但是HLA异常复杂，现已查明有7个位点，即HLA──A、B、C、D、DR、DQ、DP，共148个抗原，其组合可超过200万种。除非同卵双生子，事实上不可能找到HLA完全相同的供受者。所以，同种移植后必然发生排斥反应，必须用强有力的免疫抑制措施予以逆转。在经过几十年的探索及解决这些问题之后，1962年美国J.E.默里第一次进行人体肾移植获得了长期存活，标志着器官移植作为医疗手段成为现实。

但是尽管器官移植手术经过几十年的发展已经十分成熟，但仍然存在着很大的

弊病：1.可移植的器官数量稀少，往往很多病人还未等到所需器官就已去世。2.某些器官移植的难度太大，医生稍不注意就会造成医疗事故。3.某些病人因自身体质原因不能进行器官移植。4.由于病人体质的各不相同，免疫抑制药物的用量很难控制，往往引起较大的不良反应。5.道德、伦理、法律上的某些问题不允许进行有关的器官移植。

但是，生物医学材料的出现和应用有效的解决了这一问题。生物材料种类繁多，按照其属性，可分为天然生物材料，合成高分子生物材料，医用金属材料，无机生物医学材料，杂化生物材料，复合生物材料等等。其中，医用金属材料应用最早，可被用做生物材料的金属和合金，是非常合适的外科用金属材料。它具有较高的机械强度和抗疲劳性能，良好的生物力学性能和优良的抗生理腐蚀性，生物相容性，无毒性和简易可行及确切的手术操作技术。众所周知，骨、牙齿这样的硬组织损坏之后，由于器官移植所需费用过高且会产生免疫排斥反应，所以具有和这些硬组织一样有较高的强度和韧性的的金属材料被广泛的应用于修复和替换这些硬组织。如不锈钢材料因其具有耐蚀性和屈服强度，所以可以用来制成多种形体，如髓内针、齿冠、三棱刀等器件和人工假体用于临床；钴基合金由于具有极为优异的耐腐蚀性和耐磨性而被应用于人工关节的制作，人工骨及骨科内处固定器件的制造，齿科修复中的义齿，心血管外科及整形科等；记忆合金由于其特有的形状记忆效应，而在临床上被应用于如外耳道之类的管腔狭窄的治疗，断骨连接，弯曲脊柱矫正等等。医用高分子材料的应用也十分广泛。由于其是由天然聚合物衍生或改性而来，因此其具有一些独特的性能。如高分子水凝胶，它由于具有三维网络结构，所以具有在水中能够吸收大量的水分溶胀，并在溶胀后继续保持其原有结构而不被溶解性质，因而被广泛的应用于生物医药领域。它类似于生命组织材料，表面粘附蛋白质及细胞能力很弱，在与血液、体液及人体组织相接触时，表现出良好的生物相容性，它既不影响生命体的代谢过程，代谢产物又可以通过水凝胶排出，性质上类似于细胞外基质部分，吸水后还可减少对周围组织的摩擦和机械作用。因此，它可以代替坏死或功能低下的器官，起到相同的作用——1.可作为组织填充剂，注射隆乳、面颊、颞部、臀部填充，阴茎加粗等。

2.防止受伤的子宫角、腱、肠的浆膜引起组织之间的粘连。因其含水率高，避免了血栓的粘附；又因其柔软而富弹性，伤害所接触生物组织的可能性很小。

3.因为其具有透气性和生物适应性，可制作成角膜接触镜，具有矫正视力和追求美观的作用，而且比传统的隐形眼镜更加方便，舒适，也比传统的视力矫正手术更加安全、可靠。当然，具有像这样的特殊功能及生物活性的材料还有很多，它们都可被用作制成相应的人造器官来造福人类。

目前由于多种新材料的诞生和应用，越来越多的衰竭或坏死器官可以被新研发出的人造器官所取代。其生理功能和移植器官的功能不想上下，甚至更为优异。而且没有免疫排斥反应，患者的恢复时间也较快。虽然此项技术目前还不十分成熟，但是相信日后必将在医学领域带来一场革命。

当然，材料科学在医学领域的重要作用不仅于此，医疗观念、技术、手段、器械等的不断进步都与材料科学的发展有着重要关系，材料科学对医学科学的发展有着重要影响与推进作用。

参考文献：

百度百科

《水凝胶在医学领域的热点研究和应用》，杨连利，梁国正《材料导报》2007年2月第21卷第二期

《水凝胶的应用与研究发展》，王萃萃，杨伟平，许戈文《PU技术》

《口腔材料器械杂志》