蚕丝蛋白生物医学材料的研究进展

第一篇：蚕丝蛋白生物医学材料的研究进展

蚕丝蛋白生物医学材料的研究进展

摘要

主要介绍蚕丝蛋白的结构，制备已经在生物医学材料上的应用优势。针对蚕丝蛋白的结构和特点，综述了蚕丝蛋白作为人工神经、皮肤、骨骼、血管、肌腱、韧带和角膜等生物医学材料的功能开发和研究现状。关键词：蚕丝蛋白 丝素 丝胶 生物相容性 生物医学材料

Abstract Mainly introduces the structure of silk protein, the preparation has application in biomedical materials.Silk protein is a natural polymer material with good mechanical properties，chemical properties，biodegradability and good compatibility with human body．It is a good biomedical material．In view of the structure and characteristics of silk protein，this paper reviewed the status quo and development of silk protein as artificial nerve，skin，bones，blood vessels，tendons，ligaments，cornea and other features of biomedical materials，as while discussed the prospects for their development．

Key word：silk protein；fibroin ；sericin ；Biocompatibility；biomedical material

引言

蚕丝是一种天然纤维，是人类最早利用的动物纤维之一，在我国具有悠久的历史，享有―纤维皇后‖的美誉。传统意义上，蚕丝是优质的服饰原料。随着对蚕丝显微结构的深入研究发现，其用途不断扩大，产品种类日益增多。现在，蚕丝不仅用作高档服饰的面料，还在食品、化妆品、保健品以及医学等方面有着广泛的应用[1]。特别是随着现代组织医学的发展，丝素蛋白以其良好的生物相容性和生物降解性成为人工组织材料中的重要天然材料。

目前，我国是世界上家蚕丝及柞蚕丝产量最大的国家，家蚕生丝产量约占世界一 半。对其进行详细的研究，无论是从基础科学还是从应用科学来看，都是很有意义的。

蚕丝蛋白的结构

家蚕丝蛋白由家蚕体内的绢丝腺合成、分泌，主要成分是丝素和丝胶，约占蚕丝总重量的97，此外还含有少量的蜡、色素、碳水化合物和无机成分等，诸类少量物质大部分分布于丝胶中。蚕丝丝素和丝胶都是蛋白质，一般说来，丝素蛋白含量约占蚕丝的70～80，丝胶则为20～30[2]。

丝素蛋白中包含18种氨基酸，其中侧基较为简单的甘氨酸(Gly)、丙氨酸(Ala)和丝氨酸(Ser)约占总组成的85％，三者的摩尔比为4:3:1，并且按一定的序列结构排列成较为规整的链段，这些链段大多位于丝素蛋白的结晶区域；而带有较大侧基的苯丙氨酸(Phe)、酪氨酸(Tyr)、色氨酸(Try)等主要存在于非晶区域。另外，蚕丝蛋白还含有钾、钙、硅、锶、磷、铁和铜等多种无机元素。因此，蚕丝蛋白在应用方面具有很大的灵活性。

蚕丝蛋白在生物医学应用方面的优势

蚕丝蛋白具有非常好的生物相容性[3]，首先，作为组织的替代品，人工材料首先应具有较好的生物相容性，并适宜细胞的附着、延伸和繁殖。生物相容性是由材料本身和结构决定的，一般分为材料表面的生物相容性和结构相容性两方面，表面相容性由材料表面的化学性质控制，影响细胞的贴附和延伸[4]；结构上的生物相容性是指材料在空间结构上影响细胞的生长和繁殖。大量研究发现骨髓细胞能在丝素载体上正常生长。Ronald E Unger[5]等在纯丝素膜上培养来源于人体不同组织的不同细胞，如上皮细胞、内皮细胞、成纤维细胞、角化细胞等，扫描电镜观察发现，所有的细胞都能在丝素膜表面贴附、延伸，细胞之间联系紧密。其中绝大多数细胞能在丝素膜表面存活，并覆盖于整个膜表面和材料表面的凹陷，细胞的生长对材料的结构并无改变。

另外蚕丝蛋白还有很好的可降解性，材料的降解性也是衡量其能否作为组织替代品的标准之一。理想的人工组织材料应具有与修复区组织细胞生长一致的降解速率。同时，不能降低相关的力学性能，这样才能为新生组织提供相应的力学支撑。

降解后的单体不造成组织免疫反应。研究表明：植入活体的丝素纤维，2个 月内，其力学强度仍高于植入前力学强度的50％[6]。植入体内的蚕丝在一年里仍保持一定张力，而完全分解大约需要2年[7]。所以，蚕丝作为一种蛋白质是可以降解的，并且植入人体内最终也会被吸收，只是降解时间比一般意义上的可降解 材料要长。与当前的人工材料，如聚乳酸、聚乙二醇等相比，丝素的降解产物为小分子氨基酸，安全性更高，而人工材料的降解产物会通过降低环境的pH值而产生明显的炎症反应。胶原蛋白作为当前研究最广泛的天然材料，在降解过程中同样无炎症反应，但降解的速度受到交联度影响，导致降解速度不易控制。

蚕丝蛋白的制备 皂碱精炼法

蚕丝能被开发利用，除了它能被水解成氨基酸外，还有一个非常重要的特征是，蚕丝(丝素)在某些中性盐(如溴化锂、氯化钙等)的高浓度溶液中，当溶液温度升到一定程度时，蚕丝会被溶解，通过透析、超滤等处理脱除中性盐后，就能得到纯度较高的丝素溶液[8]。日本钟纺株式会社，采用中空纤维超滤装置(要求中空纤维的表面积与中空体积之比大于100)，可在短时间里，将丝素溶液中的盐透析干净。丝素溶液制备的流程如图1。

丝素水溶液是一种准稳定溶液，能再度形成丝素结晶。因此在丝素的水溶液中加入盐类、乙醇，或干燥，或调节pH至微酸性等，均容易发生再结晶，析出丝素或形成凝胶，选择恰当的方法，便能制成粉末、薄膜、凝胶纤维等各种形状。2 酸精炼法[9]

用酸精炼蚕丝能赋予其光泽和丝呜。酸的精炼作用是蛋白质的某个特定氨基酸侧链发生水解。丝素和丝胶蛋白质均受酸的作用．但稀酸对天冬氨酸、谷氨酸侧链的作用强，而天冬酸和谷氨酸在丝素中含量很小，分别为1.0—1.9mol和0.8～ 1.0mol％[10]。在丝胶中却很丰富，分别为14．6—16．7mol％和4 42—7．9mol％，由于这种含量的差异，稀酸优先作用于丝胶而完成精练。S．Blackburn等认为，蛋白质水解的机理如图2所示。目前，酸精炼主要采用酒石酸和柠檬酸。用酒石酸精炼，酒石酸能被丝有效地吸收，最大吸收量高达2．5％，其精炼的最佳条件为浓度8g／L，温度1IO。C，时间30min，非离子渗透剂(磺化脂肪酸衍生物DTC)3g／L。酶处理法[11]

近年来采用酶精炼或脱胶越来越受到重视。因为采用酶精炼不仅可以在较低的温度下进行，还可获得丝素不易损伤、不起毛丝和蓬松性好的效果。(1)蚕丝的酶处理

生物酶是一种无毒无害环境友好的生物催化剂，用于纺织工业具有很大的优越性，它处理需要的条件(温度pH等)较温和：酶用量少．且反应后释放的酶可继续催化另一反应；处理产生的废水可生物降解[12]，因此减少了污染，节约了能量。目前生物酶技术应用于纺织加工主要有两方面：一是用生物酶去除天然纤维或织物上的杂质，为后续染整加工创造条件；二是用生物酶去除纤维或织物表面的绒毛，或者使纤维减量，以改善织物的外观和手感。(2)蚕丝的酶脱胶[13]

酶精炼是丝胶溶胀后，丝胶蛋白质被蛋白质酶催化水解去除。蚕丝的酶脱胶是一种非常典型的酶减量、柔软、抛光和改善服用性能的加工。精炼脱胶后蚕丝的优良品质才能发挥出来，丝纤维表面光洁、透明，而且有很强的丝鸣感。加之蛋白

酶反映的专一性，这种酶处理对蚕丝的损伤很小，其精炼质量优于皂碱。

蚕丝蛋白的医用研究

随着对丝蛋白的不断深入研究，国内外研究者愈加地关注起丝素蛋白在药物缓释、抗凝血材料等方面的应用。在药物缓释方面，研究范畴主要围绕着载药缓释膜、药物缓释微球、药物缓释凝胶以及药物控释涂层等几个体系[14]。手术缝线是丝素在医药方面利用的最早产品之一。相对其他缝合材料，蚕丝的亲 和力和适应性非常强，在伤口愈合后可被人体吸收降解，患者免受拆线的痛苦由于最初采用的蚕丝缝合线表面仍残留部分丝胶，引起炎症反应，所以在过去仅限于小范围使用，并未得到推广。直至近年，人们对蚕丝的应用研究才逐渐扩大和深。人造皮肤[15]

人体的皮肤分为三层：表皮、真皮、皮下组织。重度烧伤的患者，皮肤会受到严重损伤，没有了皮肤的保护，患者体内的液体会大量地渗出、蒸发、丢失，这种情况往往会对患者的生命造成威胁，而更让人担心的是细菌感染旧。人体对自己的皮肤不会排斥，而对于任何来自外来的异己皮、异种皮、人造皮都会产生免疫反应，因而所有的植皮材料只能作为一种敷料，这就好像是给我们的皮肤提供了一个适宜生长的―土壤‖。除此之外，我们还必须将自己完好的皮肤―微粒‖播撒在―土壤‖中，在以敷料为―土壤‖的环境中，这些―微粒‖细胞才可以逐渐扩散、增殖，最后使创面完全愈合。

理想的人造皮肤，应具有以下特性：无抗原性、无毒、良好的细胞相容性、透气透水性好、对创面的粘合力强、可塑性强等一系列优点。目前植皮主要用小白猪真皮当做敷料，但是它的安全性较低[16]。2006年，闵思佳提取蚕丝中的蛋白质，制成蚕丝人造皮肤。这种人造皮肤明显优于其他材质的人造皮，它既光滑，又平整，柔韧性也很强。而且，与猪皮材料相比，它的安全性更高。蚕丝蛋白人造皮肤乍一看像混沌皮，在显微镜下却能看到它的表面有许多多孔的海绵状的细微结构，用手拉韧性十足阳。科研人员曾选取了15只大白兔，分5批进行动物实验，实验发现，贴上人造皮肤后，不到20 d兔子身上直径3cm的创口就愈合了[17]。2 人工神经

神经创伤修复是当今医学的一大难题。由于创伤、疾病等造成的不规则神经创面，恢复过程中如果缺乏必需的填充物，将导致神经瘤的形成。因此，自体移植到目前为止仍被认为是最有效的修复方法[18]。长期以来由于供体的严重匮乏，以及替代材料的研究进展缓慢，致使大量患者得不到及时有效的治疗。修复神经的非神经材料有硅胶管、骨骼肌、动脉或静脉血管和几丁质等。近十年的研究表明理想的神经修复材料必须具备以下条件：一是替代品需完全降解、无组织毒性，且能促进神经细胞的再生。非降解性材料需通过后期手术取出。二是人工神经在受体中存在较长时间来满足再生轴突通过远端吻合口。三是替代品有足够的空间 和表面通透性，满足雪旺细胞的生长和营养物质的运输[19]。

科学家在丝素纤维上和丝素提取液中分别培养鼠背根神经和坐骨神经，通过与对照比较发现，丝素对2种细胞的存活和生长无负面效应，这为丝素作为神经材料的开发奠定了基础[20]。还通过对丝素、自体移植材料和缺损空白材料在6个月内对雄性鼠坐骨神经缺损的修复效果的对比发现，含有丝素纤维的丝素修复材料不但具有较好的机械性能和可渗透性，而且修复效果接近自体移植。由此表明：丝素在神经修复材料中具有较高的应用价值。3 人工骨骼

骨的修复必需有种子细胞、支架材料和生物调节因子3个要素[21]。目前骨修复已经不仅仅用于治疗骨损伤和骨缺损，还包括医疗整形。传统的内源性骨修复是医生从病人身体的其他部位取骨来修补受损的骨骼。丝素具有良好的机械性能和理化性质，可调节的生物降解性，生物相容性好，无毒、无刺激性等优点，已逐步成为人工骨的一种重要材料来源[22]。另外，蚕丝蛋白中大量的羧基与羟基能与钙离子紧密结合并诱导羟基磷灰石在其上结晶形成自组装纳米复合材料。而这种表面粗糙、多孔的刚性支架，有利于骨髓间充质干细胞分化为骨样组织。此外，通过实验证明其体内免疫反应较低，表明了这种丝纤维加固复合材料具有组织相容性，是作为骨组织替代工程的良好材料。4 人造肌腱和韧带[23]

肌腱和韧带分别是连接骨与肌肉、骨与骨的致密结缔组织。其功能为加强、维护关节在运动中的稳定。当肌腱和韧带被牵拉而超过其生理耐受范围时，即会发生不同程度的损伤。而肌腱、韧带的断裂或缺损尤其是运动员在生涯中不可避免的伤痛。治疗和修复肌腱和韧带，也一直是骨科的一大难题。临床上修复断裂的韧带常是直接缝合，但这样就缩短了其原有的长度，限制了关节的活动范围；钢丝固定也因相容性和弹性等原因，造成了后续生活上的诸多不便。因而，人造肌腱和韧带的开发成为了医学、材料学上关注的问题[24]。通过研究发现，蚕丝的强度和弹性系数与人体肌腱非常接近。且其良好的生物相容性、亲和性以及与介导细胞信号转导的性能，有利于开发人造肌腱和韧带。同样利用蚕丝蛋白的羟基、羧基与钙离子结合诱导生物骨质成分中的羟基磷灰石结晶的原理制成的复合材料也适用于人造肌腱和韧带。玉田靖等[埔在蚕丝蛋白中导人带电化合物[25]，6 发现处理过的蚕丝蛋白中钙的凝集量比未处理的有大幅增加，尤其导人磷酸基的蚕丝蛋白中钙的凝聚量要高出10倍以上。且经x射线透射检验，验证其含有人骨的主要成分，证明蚕丝具有肌腱和韧带的骨附着和结合特性，为进一步开发人造肌腱和韧带打下了基础。5 人工血管和抗凝血材料

人工血管材料不但应具有较好的生物相容性，也应具有与人体血管相适应的力学性能，才能保证其能顺利植入体内，在体内保持通畅，还应具有顺应性和可灭菌性[26]。目前所使用的人工血管根据材质可分为：合成血管、生物血管、表面改性人工血管和支架血管。合成血管主要由惰性高分子合成，是当前应用最多的人造血管，如Dacron(涤纶)、e—PTFE(膨化聚四氟乙烯膜)和PU(聚氨酯)等[27]。前者抗凝结性较弱，易形成血栓，引起严重的炎症反应。生物血管主要指自体、异体和异种血管。表面改性血管主要是通过物理、化学或生物方法对血管改性，使其更适用于人体环境。而支架血管主要是通过在金属支架外套上一层血管膜来提高其生物相容性。上述人工血管各有优势，而最大的不足在于大多数不具有生物降解性，或是降解后的产物会引起受体的炎症反应。王维慈等通过对几种临床常用的人造血管生物材料和丝素蛋白改性聚氨酯材料SF-PU(1:1)在大鼠体内引起的急性期组织反应的对比证实，SF—PU(1:1)材料的组织相容性最好，加之SF-PU(1:1)具有优异的物理性能，因此在小口径人造血管的研制方面有很好的应用前景。

蚕丝具有较好的机械性能，并可根据实际需要制备获得需要的形态。但蚕丝的抗凝血性不佳，影响了蚕丝在组织工程中的应用。因此考虑在保持蚕丝优势的前提下，通过在蚕丝表面接枝抗凝血因子，来提高其抗凝血效果。

研究展望

现代人类文明高速发展，我国人民的生活水平日益提高，高品质的人体组织修复与替代材料的开发显得尤为迫切。人工组织材料不仅具有良好的机械性能[29]，并且可以运用丰富的加工手段，通过对材料空间结构和性能的改变调节降解速度。蚕丝以其良好的机械性能、生物相容性和易于加工性，在组织工程材料中得到越来越广泛的应用。目前，蚕丝蛋白作为重要的医用仿生材料之一[30]，其研究与利用还十分有限，许多作用机理至今还不明确。所以，基于蚕丝蛋白的 医用仿生材料研究还任重道远。参考文献：

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第二篇：生物医学材料研究进展论文

生物医学材料的研究进展

生工092班 范秋苹 090302219 生物医学材料是生物医学工程学的四大支柱之一。就学科研究的内容而言，涉及到化学、物理学、高分子化学、高分子物理学、无机材料学、金属材料学、生物化学、生物物理学、生理学、解剖学、病理学、基础与临床医学、药物学、药剂学等多门学科。为了达到满意的临床效果，还涉及到许多新的工程学和管理学的问题。生物医学材料在医学上的应用为医学、药学、生物学等学科的发展提供了丰富的物质基础，反过来这些学科的进步也不断地推动生物医学材料的进步发展。生物医学材料学正是多门学科的共同协作、互相借鉴、互相渗透、突破旧有学科的狭小范围而开创的一门新学科。这门学科作为材料科学的一个重要分枝，对于探索人类生命的奥秘、促进人类的文明发展，对于保障人类的腱康与长寿，必将作出重大的贡献。更可喜的是，随着生物医学材料的发展将诞生一系列崭新的高科技产品，一个新兴的产业——生物医学材料与制品业正在形成和发展之中，它在整个国民经济中的作用和地位必将随着时间的推移，受到世人的瞩目和重视。

生物医学材料：用于与生命系统接触和发生相互作用的，并能对其细胞、组织和器官进行诊断治疗、替换修复或诱导再生的一类特殊的，而对人体组织、血液不致产生不良影响的材料。

生物医学材料取得实质性进展开始于20世纪20年代

不锈钢：

1926 含18%铬和8%镍，首先应用于骨科治疗，随后应用于口腔科； 1934 研制出高铬低镍单相组织的AISI302和304，在体内生理环境下的耐腐蚀性显著提高；

1952 开发出耐蚀性更好的AISI316不锈钢，逐渐取代AISI302；

20世纪60年代 为解决不锈钢晶间腐蚀问题，研制出超低碳不锈钢AISI316L和317L；

钴镍合金：铸造钴镍合金首先在口腔中得到应用； 20世纪30年代末 应用于制作接骨板、骨钉等内固定器械； 50年代 成功制成人工髋关节；

60年代 研制出锻造钴铬钨镍合金和锻造钴铬钼合金，提高力学性能，并应用于临床；

70年代 研制出锻造钴铬钼钨铁合金和具有多相组织的MP35N钴铬钼镍合金，改善钴基合金抗疲劳性能，应用于临床；

钛、金属钛：具有优异的耐蚀性、生物相容性、密度低； 20世纪40年代 制作外科植入体； 50年代 用纯钛制作接骨板和骨钉；

70年代 Ti6A14V合金（强度比纯钛高，耐蚀性和密度与之相似）、TiSAl2.5Sn合金和钛钼锌锡等合金获得应用从而使钛和钛合金成为继不锈钢和钴基合金之后的又一类重要医用金属材料；

70年代后 NiTi系为代表的形状记忆合金逐渐在骨科和口腔科得到应用，并成为医用金属材料的重要组成部分。

生物陶瓷 ： 从20世纪60年代初开始应用于生物材料，例如：

多晶氧化铝陶瓷；低温各向同性碳；生物玻璃；羟基磷灰石（生物活性陶瓷）；生物陶瓷复合材料； 引入活体细胞或生长因子的生物陶瓷构架等。生物医用高分子 ： 始于20世纪50年代有机硅聚物的发展，例如： 有机硅聚合物；聚甲基丙烯酸甲脂（骨水泥）；

生物医用高分子材料的发展，制作了人工心瓣膜、人工血管、人工骨、手术缝合线等。

20世纪90年代后，借助于生物技术和基因工程的发展，由无生物存活性材料扩展到具有生物学功能的材料领域，其基本特征是具有促进细胞分化、增殖、诱导组织再生、参与生命活动等功能。

生物医用材料是研制人工器官及一些重要医疗技术的物质基础，综观人工器官及医疗装置的发展史，每一种新型生物材料的发现都引起了人工器官及医疗技术的飞跃。生物惰性医用硅橡胶：人工耳、人工鼻、人工颌骨等；血液相容性较好的各向同性碳被复材料：碟片式机械心脏瓣膜；血液亲和性及物理机械性能较好的聚氨酯嵌段共聚物：促使人工心脏向临床应用跨越；可形成假生物内膜的编织涤纶管：人工血管向实用化飞跃。

医用材料品种繁多，尤其是临床使用的要求多种多样，因此无论对于系统地研究医用材料的制备，还是对于开发已有医用材料的新应用，或是为了对医用材料进行安全性评价及质量管理，都涉及到对生物医学材料的分类问题。

按材料的属性分类，可以分为以下几大类：

生物医用金属材料：

包括不锈钢、钴基合金，钛及合金等，广泛应用于人工假体、人工关节、医疗器械等 ；

生物医用无机材料：

主要是生物陶瓷：分为惰性生物陶瓷，如氧化铝生物陶瓷；表面生物活性陶瓷，如磷酸钙基生物陶瓷；可降解生物陶瓷，如β-磷酸三钙陶瓷等；

生物医用高分子材料： 天然的如多糖类、蛋白类合成的聚氨酯、聚乙烯、聚乳酸、聚四氟乙烯等，用于人体器官、组织、关节、药物载体等 ；

生物医用复合材料： 不同种材料的混合或结合，克服单一材料的缺点，获得性能更优的材料；

按材料功能分类，可以分为以下几类：

硬组织相容性材料： 主要用于生物机体的关节、牙齿及其他骨组织； 软组织相容性材料： 主要用于人工皮肤、人工气管、人工食道等； 血液相容性材料 ：

主要用于人工血管、人工心脏、血浆分离膜、血液灌流用吸附剂、细胞培养基材等 ；

生物降解材料： 主要用于吸收型缝合线、药物载体、愈合材料、粘合剂以及组织缺损用修复材料

按材料来源分类，可以分为下列几类：

自体组织：如人体听骨、血管等替代组织

同种异体器官及组织：如不同人体之间的器官移植 异种器官及组织：如动物骨、肾替换人体器官 天然生物材料： 如动物骨胶原、甲壳素、珊瑚等 人工合成材料： 如各种人工合成的新型材料

按材料使用部位分类：

硬组织材料： 骨、牙齿用材料

软组织材料： 软骨、脏器用材料 心血管材料： 心血管及导管材料 血液代用材料 ：人工红血球、血浆等

分离、过滤、透析膜材料： 血液净化、肾透析以及人工肺气体透过材料 目前被详细研究过的生物医用材料已超过1000种，被广泛应用的有90多种材料，1800多种制品。西方国家每年耗用生物医用材料量以10～15%速度增长，我国生物医用材料研究起步晚(20世纪50年代)，目前我国医用生物材料研究现状：我国生物材料和制品所占世界市场份额不足1.5％；产品技术水平处于初级阶段，且产品单一；同类产品与国外产品比，基本上属于仿制，自主知识产权较少；生物医用材料与制品70-80%要依靠进口；产业处于起步阶段。

但是，由于生物医学材料以其独有的医学应用特性推动了一个新产业的发展,成为经济的新的增长点。通过对生物材料特性的分析,把握生物医学材料产业的现状和动态,有助于制定相关的措施形成我国生物医学材料产业的核心竞争力。

第三篇：光合作用研究进展--光合膜色素蛋白复合体的研究

光合膜色素蛋白复合体的研究

本次研讨方向：植物光合作用的分子机制研究进展

本人承担的具体学习研讨主题：光合膜色素蛋白复合体的研究

光合膜色素蛋白复合体的研究

摘要：光合作用是植物利用太阳能把二氧化碳和水合成有机化合物并释放出氧气的过程，是地球上最大规模的能量和物质转换过程，是地球几乎一切生命生存和发展的物质基础。光系统l光合膜蛋白超分子复合物是光合作用中极为重要的光能吸收和转换系统，其量子转化效率几乎为100%。解析高等植物光系统I-捕光天线（PSI-LHCI）精细结构,对于阐明光合作用机理、提高作物光能利用效率和开辟太阳能利用的新途径都具有重要意义。关键词：光合作用光合膜蛋白复合体机理

1光合作用研究的核心问题

光合作用这一复杂过程可以划分为4个步骤：光能的吸收与传递，原初光化学反应，电子传递及偶联的磷酸化作用，碳素同化作用。这些过程实现了光能捕获并转换为电能，进一步形成活跃的化学能（ATP），最后转变为稳定的化学能（光合产物）。光合作用是自然界光能高效转换的典范，具有极高的光能吸收和转换效率。

光合作用研究领域的首要和核心问题之一是光合作用中高效吸能、传能和转能的分子机理。现已确定光合作用光能的吸收、传递和转化均是在具有一定分子排列及空间构象、镶嵌在光合膜上的捕光及反应中心色素蛋白复合体中高效进行的。其能量的传递效率高达98%—

-15-17100%，能量转达效率几乎达到100%，从光能吸收到原初电荷分离涉及的时间尺度为10~10秒，它包含着一系列涉及光子、激子、电子、离子等传递和转化的复杂物理和化学过程。

2光合膜色素蛋白复合体的研究

中国科学院植物研究所在光合膜蛋白结构与功能长期研究的基础上，近年来通过与中国科学院生物物理研究所合作，在国际上首次从原子水平解析出光捕获复合（lightharvesting complex，LHC）II高分辨率空间结构（2.7Å），这一成果被评为2004年国内十大科技进展之一。

2015年Scinence期刊发表了由中国科学院植物研究所解析的高等植物光系统Ｉ（PSI）光合膜蛋白超分子复合物2.8Å的世界最高分辨晶体结构。这是国际上第一个原子水平分辨率的高等植物PSI-LHCI晶体结构。它首次全面解析高等植物PSI-LHCI的精细结构，包括16个蛋白亚基和215个辅因子，总分子量约600kDa；首次揭示PSI-LHCI的４个不同的捕光天线在聚集状态下的结构和它们的异同，以及它们之间的相互关系；首次揭示LHCI全新的色素网络系统，特别是首次解析了４对红叶绿素和13个类胡萝卜素的结构；明确提出并分析了LHCI向核心能量传递可能的４条途径。

高等植物PSI是由核心复合物和结合于其外周的捕光天线（light-harvestingcomplexI，LHCI）组成，被称为PSI-LHCI超分子复合物。PSI-LHCI是一个高效吸能、传能和转能的系统，具有3个特点：1）它是一个极高效率的太阳能转化系统，几乎每一个吸收的光子都能产生一个电子，其量子转化效率几乎为100%；2）它具有极其快速的激发能传递和原初光化学反应过程，平均来看，PSI-LHCI中任何一个叶绿素分子吸收一个光子到达反应中心发生电荷分离的时间大约为50ps；3）该复合物中的叶绿素含量高，大大提高了捕光能力，而且捕光天线LHCI结合特殊的叶绿素分子——红叶绿素（redChls），即吸收波长发生红移的叶绿素分子，使植物PSI-LHCI的捕光能力延伸到远红外光谱区，并实现激发能从低能向高能的传递。

3研究意义及展望

对光合膜蛋白复合物的空间结构进行高分辨率的解析，由此来揭示光合作用传能和转能机理及其调控的原理，将可能使光合系统成为第一个在原子水平上，以物理和化学概念进行解释的复杂的生物系统。

PSI-LHCI是一个极高效率的太阳能转化系统，实现对光合膜蛋白复合物的结构解析为揭示高等植物PSI-LHCI高效吸能、传能和转能的机理奠定了坚实的结构基础，对于阐明光合作用机理及能源开发利用具有重大的理论和实践意义。但由于PSI-LHCI的高分辨率结构没有被解析，它高效吸能、传能和转能的分子机理也不清楚。揭示PSI-LHCI的高分辨率结构，在此基础上揭示其高效吸能、传能和转能的机理，能够进一步推动人们对光合作用高效吸能、传能和转能机理的认识，为提高作物光能利用效率及为人工模拟光合作用开辟太阳能高效利用提供新的理论依据、新的思路及新的途径。

资料清单

生物技术151班 第5学习小组 姓名：汪心妍 学号：2015013252 本次研讨方向：植物光合作用的分子机制研究进展

本人承担的具体学习研讨主题：光合膜色素蛋白复合体的结构与功能

一、期刊

[1]张立新,彭连伟,林荣呈,卢从明,匡廷云.光合作用研究进展与前景[J].中国基础科学,2016,18(01):13-20.[2]LiuZhenfeng,YanHanchi,WangKebin,etal.Crystalstructureofspinachmajorlight-harvestingcomplexat2.72Aresolution.[J].Nature,2004,428：287-292.[3]XiaochunQin,MichihiroSuga,TingyunKuang,etal.StructuralbasisforenergytransferpathwaysintheplantPSI-LHCIsupercomplex[J].Science,2015:989—995.[4]秦晓春,匡廷云,沈建仁.光合作用及光合膜蛋白PSI-LHCI超分子复合物高分辨率晶体结构解析[J].科技导报,2016,34(13):20-27.[5]许大全.回忆光合作用研究五十年[J].植物生理学报,2016,52(11):1593-1608.[6]庞玥,张树林,毕相东.蓝藻光合膜蛋白复合体结构与功能研究进展[J].天津农学院学报,2013,20(03):45-51.[7]杨春虹,刘成,李阳,刘华英,涂文凤.以构建光合作用模拟器为目标的光合膜天线色素蛋白复合体的分子修饰,改造和组装立项报告[J].科技资讯,2016,14(20):176-177.二、论文集

[8]卢庆陶.水稻光合膜蛋白组学[A].中国植物学会.首届全国蛋白质组学学术研讨会论文集[C].中国植物学会:,2005:1.

第四篇：常用生物医学材料

常用生物医学材料

南华大学

电气学院

20104320135

李闯

摘要： 医用硅橡胶(silicone rubber)是美容外科中应用较广的生物材料(组织代用品).它是高分子有机化合物聚硅酮的一种橡胶样固体形态,又称二甲基硅氧烷。随着生物医学和材料的发展,各种人工制备的生物材料植入骨内替代骨移植,临床应用效果好.这些人工合成或提取的植入材料生物相容性好,对骨形成具有明显的诱导作用,被泛称为人工骨(artificial bone)。人工骨与医用硅橡胶同为如今最常用的两类生物医学材料。

关键字：人工骨，植入，移植，相容性，人工制备，医用硅橡胶，美容，整容

一：医用硅橡胶

1·生物相容性：由于其结构对称性,分子主链呈螺旋状，使硅氧单键的极性相互抵消,且侧链的R一般都是低极性或非极性基团,所以整个大分子极性很低,使硅橡胶表现出疏水性、耐氧化以及抗老化性。

此外,主链中Si2O键和侧链中的C2Si键的极性都近似于离子键,在正常使用温度(250°C以下)不发生裂解、氧化等反应,故又具有优异的耐热性,可用作医疗器械、人造脏器和药物缓释体系,对人体有良好的生物相容性。2·生物功能性：是指生物材料具有在其植入位置上行使功能所要求的物理和化学性质：（1）可检查、诊断疾病;（2）可辅助治疗疾病;（3）可满足脏器对维持或延长生命功能的性能要求;（4）可改变药物吸收途径,控制药物释放速度，满足疾病治疗要求。

3、无毒性

4、耐生物老化

5、物理和力学稳定性

6、易加工成型,材料易得,价格适当,便于消毒灭菌

7、在生产、加工过程中防止引入对人体有害的物质

应用

1·作为人造器官

硅橡胶模拟制品可长期埋置于人体内，作为人体内某个部分不可缺少的元件。包括脑人工肺、视网膜植入物、人工脑膜、人工手指、手掌关节、人造鼓膜、人工心脏瓣膜附件、人工肌腱以及用于消化系统和腹外科制品的各种导管等。

2·在整容和修复方面的应用（1）人工颅骨的修复:（2）尼龙、聚酯纤维等增强后作人造皮肤;（3）提高视力的隐性眼镜;（4）)修补前额、鼻、勃颈等;（5）治疗外耳的缺损;

（6）现在争议一直很大的人工乳房

3·在医疗器械上的应用

硅橡胶可作为导管短期置入人体的某个部位,作为抢救和治疗的重要辅助材料和手段，如为肝功能不全、烧伤等病人进行补液用的静插管, 还可用于胎儿吸引器的吸头,医用电极板基质,生物传感器的包装材料等 4·在药物缓释体系的应用

硅橡胶可作为药物缓释体系的载体，如包封药物胶囊，包封的药物包括抗生素,镇静剂,安眠药,抗癌药,麻醉剂等.硅橡胶还可作为消泡剂治疗某些疾病，如用于抢救急性肺水肿,可迅速疏通呼吸道,改善缺氧状况,减少或避免因泡沫阻塞气流通过而窒息的死亡。

医用硅橡胶的副作用：

(1)由于其分子结构的低极性造成的疏水性,使其仍对人体有一定的异物反应,今后的发展要求是对其表面进行改性,提高其亲水性。

(2)抗张力强度不够，易破裂和撕裂,要解决其机械强度低的性质，就要对其采用物理和化学方法改性。

(3)对皮下避孕埋植系统而言,以硅橡胶为载体的长效皮下埋植剂在放置有效期满后必须取出,增加了使用者的痛苦和花费,这样就引发了可生物降解埋植剂的研究。

二：人工骨

人工骨是指用人工材料制造的人骨替代品或者骨折固定材料。人工骨材料主要有高分子合成材料如聚甲基丙烯酸甲酯、高密度聚乙烯等、无机材料如磷酸三钙、羟基磷灰石、氧化铝生物陶瓷等。

1·由于人骨的各种生物学特性，故对人工骨的要求也很苛刻，具体对人工骨的性能要求如下：

由于对活骨化学、生物特性的不断了解, 人们更有能力设计和开发出模仿这些特性的材料, 理想的骨移植替代材料应当具有成骨性、生物相容性、可吸收降解、可提供结构支撑、临床使用方便、价格低廉。根据其具体用途, 一些特性要比其它的特点更重要。骨移植物和其替代物可依据其骨传导、骨诱导和成骨特性分类(见表1)。同种异体骨移植物与自体骨移植物的特性比较(见表2)。复合材料移植物是具有骨传导性的基质与骨诱导和成骨活性物质的组合, 有可能替代自体骨。

人工骨容易商品化获得, 使用方便, 但目前单一的人工骨多为骨传导材料或复合骨诱导因子材料, 其机械性能较差, 难以起到机械支撑作用, 尚不能用于修复重建大段骨缺损和关节缺损, 仅用于填充植骨或脊柱融合。一些人工骨制备成注射剂型, 能够采用非手术或微创的方法提高骨修复效果, 方法操作简单、创伤轻微, 对血运和关节肌肉功能干扰小。避免了局部血供的进一步破坏, 大大减少了感染和手术并发症的发生可能, 而且恢复快, 符合现今微创外科的趋势。在此仅介绍两种最常用人工骨临床应用及相关问题。

1·医用硫酸钙

Osteoset是一种医用硫酸钙骨移植替代物,(于1996年6月通过美国食品与药品委员会论证, 并在同年获得欧洲CE商标, 此后已在成千例病人中使用, 并且证明是安全有效的。Osteoset颗粒有两种型号, 小颗粒在小的骨缺损中使用较为理想, 直径分别为4.8mm和3.0mm, 颗粒分别重100mg和30mg。为了方便使用, 各种尺寸颗粒均用小瓶包装, ˜射线灭菌。Osteoset2T内含4 %的妥布霉素, 妥布霉素亦称妥布拉霉素(To2bramycin), 为氨基糖甙类抗生素, 抗菌谱与庆大霉素相似。主要用于各种革兰氏阴性杆菌感染(绿脓杆菌、变形杆菌、克雷氏菌、沙门氏菌、葡萄球菌包括金黄色葡萄球菌), 对绿脓杆菌较庆大霉素约强2～3倍, 比多粘菌素B也较强, 对庆大霉素耐药的绿脓杆菌也常敏感, 对其它革兰氏阴性菌的作用则低于庆大霉素, 对金葡菌的作用约与庆大霉素相等。适用于感染性骨缺损, 引起肾毒反应者较庆大霉素为低。

2· 自固化磷酸钙水泥

自固化磷酸钙水泥(Calcium Phosphate Cement , CPC)是Brown和Chow于20世纪80年代早期研制出来的快速凝固型、非陶瓷型羟基磷灰石(HAP)类人工骨材料, 由数种磷酸钙粉末和固化液两部分在使用时按比例调和而成。调和物呈膏体状, 能根据填充部位的要求随意塑形, 在体内条件下发生固化反应, 约4h后自然转变成含微孔的HA晶体。在固化过程中基本不放热, 不会造成组织灼伤。一般ACPC固化的抗压强度为30～50MPa , 它与反应物中的添加成分或制备方法等因素无关。上世纪90年代中期国内研制成功了自固化磷酸钙水泥(CPC)人工骨材料, 并进行了商品化开发, 商品名瑞邦骨泰。其剂型分为普通型骨泰、载药型骨泰和注射型骨泰。

参考文献 1· 中国矫形外科杂志

2004年12月第12卷第23、24期

2·史文红、赵成如.医用硅橡胶及其制品[J ].中国医疗器械信息，2009,15（11）3·温变英.生物医用高分子材料及其应用[J ].化工新型材料,2001 ,29(9):41 4·医用高分子材料—硅橡胶

5·贡长生、张克立.新型功能材料[M].北京:化学工业出版社,2001.

第五篇：生物医学材料

钛及钛合金在生物医学上的应用及研究进展

摘 要:简单介绍了钛及钛合金和其作为生物医学材料的优点,简述了钛及钛合金的物理性能、化学性能，同时阐明了其生物相容性原理。综述了国内外生物医学钛合金材料的应用和研究进展。

关键词: 医用钛合金；生物医学材料；生物相容性；应用和发展 引言

金属材料是最早用于临床的生物医学材料,可用于传统的人体硬组织缺损、创伤、骨科、牙科疾病等的各种修复,矫形及内、外固定治疗等。从20世纪中叶以来,以钛合金为主的生物医学金属材料开始在人体硬组织植入，特别是在人体软组织的介入治疗方面显示出独特而神奇的疗效。极大地促进医用了钛合金材料在外科植入物和矫形器械产品中的应用和推广。近年来钛及其合金以其与骨相近似的弹性模量、良好的生物相容性及在生物环境下优良的抗腐蚀性在临床上得到了越来越广泛的应用。而具有典型代表性的医疗器械产品的问世,无疑是医学领域的一个里程碑,具有划时代的意义

[2，3]

[1]。

2钛及钛合金作为生物材料的优点

2.1钛及其合金的物理性能

纯钛有4个牌号，还有20余种合金，为临床选择使用提供了余地，钛熔点1668士4℃，沸点3553℃，具有α、β俩种同素异形体，882℃转变时伴随5 ％的相变体膨胀。导热系数0.036cal/cm.s.k，接近牙釉质导热系数0.002cal/cm.s.k，作为口腔修复体时可保护牙髓。钛的强度比不锈钢高，且有较高韧性和抗疲劳能力，即使在有裂纹和缺陷时也需要用极高的载荷才能使其断裂。合金化虽然可以提高其强度，但降低其断裂韧度(Klc)2.2钛及其合金的化学性能

钛在空气中或氧化条件下其表面生成一层钝化膜(主要由TiO2、Ti3O2=TiO组 成)，温度升高，时间延长使钝化速度增大，膜厚度增加，而且该钝化膜有自修复功能。通过生化试验，动物实验和临床观察均证明钛对于血液、体液等有极好 的耐腐蚀性能[4，8]

[4-7]

[4]。

。2.3生物相容性

普通金属材料力学性能优良、易加工，但组成与人体组织成分相距甚远，因而很难与生物组织亲合，一般不具有生物活性。作为生物医学材料的钛及钛合金满足了2个基本条件：①无毒性；②耐生理体液腐蚀。

钛及钛合金的缺点是硬度较低，耐磨性差。如果将钛制品表面进行高温离子氮化处理，纯钛及钛合金硬度分别提高 7倍和 2倍，氮化后钛材的年腐蚀率仅 为非氮化的三分之一。动物实验结果表明，生物组织对表面渗氮处理钛材反应轻微且无毒性。[9]3钛及其合金在生物医学领域的应用

近年来，钛及其合金以整形外科、牙科及各种医疗器械为中心，在医学领域得到空前的快速发展。3.1人体矫形

钛合金弹性模量比不锈钢更接近于人体骨骼，因此钛合金肘关节、踩关节等被广泛用于人体矫形手术中。每年世界上大约有1亿病人由于臂关节和膝关节 炎症而进行替换治疗。钛制膝盖板比用不锈钢膝盖板轻许多且腐蚀问题得到了 改善。德国在20世纪80年代开发了钛合金精铸假肢，推动了钛功能假肢的发展，从此，钛合金精铸假肢在各国很快得到了推广应用。目前，钛制假肢正在逐渐取代钢制假肢[10]。

3.2介入性治疗

介入性治疗是近几年来得到快速发展的一种先进的非手术临床诊疗技术。该技术通常是在X射线图像监视下，几利用穿刺插管技术将特制导管、支架等沿血管或体内其它管腔输送到体内病变处，就地治疗

[11]

。过去支架通常以316L不锈钢制成，但这种支架的纵向柔韧性不太令人满意，而钛镍形状记忆合金支架具有偏置式力学效应和形状记忆效应，目前正被广泛研究并投人临床湘瓜合金制成的血管支架，不仅与316L不锈钢有相当的强度，而且具有良好的冷加土成形性、更适合人体要求的纵向柔顺性3.3牙科

从钛合金植入人体那一刻起 ,牙齿种植用金属材料就发生了一系列的改变。

[12]

。钛与人体骨骼上皮组织、结缔组织都具有良好的亲和性，力学性能也可与其它各种类型牙科用合金相媲美，且密度小，制成的义齿体感舒适义齿通过表面处理，还可满足人们对义齿美观的要求。3.4循环系统医疗器械

钛通常被用在制作心率调节器和除颤器，它可以作为载体工具替代心脏本身某些功能，如心脏瓣膜。美国活性金属公司提供了一种钛材，用以制造主动脉瓣膜，外科医生把这种心脏瓣膜放在适当位置而不必进行缝合。在心脏起搏器中，密封的钛盒能有效防止潮气渗入密封的电子元器件

[14]

[13]

。不仅如此，钛

。人工肺关键部位使用的微孔钛片作为气体扩散元件将氧气扩散到体外循环的病人血液中，将静脉血变成动脉血。3.5 面部治疗

当人体面部组织遭到严重破坏时，局部组织修复需要用外科植入件进行。钛合金具有良好生物相容性和所需强度，因此，是人体面部组织修复的理想材料。纯钛网作为骨头托架已用于颗骨再造手术3.6手术器械

钛医疗器械具有良好的抗腐蚀能力，反复的清洗、消毒表面质量不受影响；无磁性，能够排除对微小、敏感植入电子器械的破坏威胁；质轻、用来替代不锈钢重量大为减轻，使医生操作过程中更加灵活，降低医生的疲劳程度。因此，目前已用来制作手术刀片、止血钳、剪刀、电动骨钻、镊子等。

[9]

[15]。

参考文献：

[1],张玉梅，郭天文，李佐臣.钛及钛合金在口腔科应用的研究方向[J],生物医学工程学杂志，2000，17(2)：206-208 [2] 汶建宏,杨冠军,葛鹏,毛小南,赵映辉.钛合金的研究进展[J].钛工业进展,2008,25(1):33-40 [3] 徐雄.生物医用钛合金应用及发展

[4] Eylon.D著.张祖光,李湘杰.译.钛在能源与工业中的应用.机械工业出版社，1989：9.[5] 郭天文.口腔科铸钦理论与技术.世界图书出版西安公司,1997.[6](英)邓肯著,周光爵,译.钛的应用与选择.冶金工业出版社,1988.[7] 钛科学与工程.第七届学术会议(上、下册)，1991:1.[8] 范德辉,莫宣学，翁润生，秦飞.钛及钛合金在医学上的应用研究[J],口腔材料器械杂志，1998，8(1)：46-48 [9] 黄甫强.牛金龙.钛合金在医学领域的应用[J],稀有金属快报，2005,24(1)：33-34 [10] 李世普.生物医用材料导论[M].湖北：武汉工业大学出版社，2000 程奎；翁文剑；葛曼珍；生物陶瓷涂层[J].材料科学与工程，1998.16(3):8-12 [11] 顾汉卿，许国风.生物医学材料学[M].天津:天津科技翻译出版公司,1993 [12] 高敬,姚丽.国内外钛合金研究发展动态[J].世界有色金属，2001，（2）：4-7 [13] 杨遇春译.世界铁的应用趋势[J],现代材料动态,2002,(2):1-2 [14] 宁兴龙.钛工业进展[J],1996,(3):1-3

[15] 张新平，等.钛及钛合金在牙科领域中研究现状[J],稀有金属材料与工程，2002,31(4):246-251