植入式生物材料
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2021-09-09
植入式生物材料的實(shí)例教程
但是，
必須移除可植入傳感器。第二次移除程序會(huì)導(dǎo)致進(jìn)一步的組織損傷，這可能是中樞神經(jīng)系統(tǒng)等組織的問題。使用可生物降解的傳感器減輕了這些問題，因?yàn)樗鼈儾恍枰瞥绦颉? 材料科學(xué)的最新進(jìn)展使所有傳感器組件都可以生物降解成為可能。植入物的小尺寸和功率以及有限的材料選擇是決定可生物降解設(shè)備能力的主要限制因素。因此，探索這些參數(shù)之間的權(quán)衡的設(shè)計(jì)將始終是一個(gè)挑戰(zhàn)。盡管令人鼓舞的結(jié)果表明可生物降解的傳感器可以與市售的不可降解傳感器一樣準(zhǔn)確和可靠，但可生物降解的可植入傳感器仍處于起步階段。本文批判性地回顧了該領(lǐng)域取得的重大進(jìn)展，并強(qiáng)調(diào)了未來的前景。
圖1
生物可降解植入式傳感器的發(fā)展概況，包括生物材料（金屬、聚合物、硅基半導(dǎo)體材料）、制造技術(shù)和報(bào)告的應(yīng)用。
圖2
示意圖顯示了用于制造可生物降解傳感器的各種組件和材料。
還顯示了傳感器的位置以及與外部放置的采集設(shè)備的通信。
相關(guān)綜述論文以題為
Biodegradable Implantable Sensors: Materials Design, Fabrication, and Applications
發(fā)表在《
Advanced Functional Materials
》上。
通訊作者
是
加州大學(xué)
洛杉磯分校
Nureddin Ashammakhi
博士
。
參考文獻(xiàn)：
doi.org/10.1002/adfm.202104149
展開 傳導(dǎo)性耳聾可由植入人工聽小骨治療，但由于每例病患的聽小骨大小構(gòu)造不同，外科手術(shù)時(shí)必須耗費(fèi)大量時(shí)間手工打磨植入體，而且失敗率較高。
由Jeffrey D. Hirsch博士率領(lǐng)的美國馬里蘭大學(xué)(University of Maryland)科研團(tuán)隊(duì)利用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)匹配的聽小骨植入體，在實(shí)驗(yàn)中科研團(tuán)隊(duì)通過三具尸體提取了聽骨鏈構(gòu)造的砧骨，并以此為原型通過CT掃描和計(jì)算機(jī)技術(shù)來重建這些尸體的聽骨鏈完整模型，應(yīng)用低成本的3D打印構(gòu)造這些尸體的設(shè)施聽骨鏈植入體原型。在對(duì)尸體的外科手術(shù)中，重新植入的3D打印聽骨鏈構(gòu)造完全與這些尸體匹配。現(xiàn)在，科研團(tuán)隊(duì)正計(jì)劃采用生物兼容材料打印這些聽骨鏈構(gòu)造，在未來他們希望直接用生物兼容材料補(bǔ)漏受損的原生聽小骨，生物兼容材料能夠被干細(xì)胞重新生長的骨骼細(xì)胞替代。“這項(xiàng)研究展現(xiàn)了3D打印技術(shù)在醫(yī)療中的核心威力，可以在亞毫米級(jí)水平的生物解剖空間中，植入生物兼容材料的植入體，可逐漸被生長出的自然骨骼代替。”
展開 廣泛應(yīng)用于瓣膜置換手術(shù)的生物瓣膜，其使用壽命受到炎癥、鈣化反應(yīng)，尤其是凝血反應(yīng)和內(nèi)皮化困難的限制。抗凝血和促內(nèi)皮化改性是提高生物瓣膜長效性的有效策略，然而由于瓣膜周圍微環(huán)境的復(fù)雜性，單一目的的表面改性策略難以滿足生物瓣膜的功能需要。此外，單一的抗凝改性可能造成內(nèi)皮化延遲而單一的促內(nèi)皮策略也可能引起蛋白吸附和血栓形成。瓣膜植入體內(nèi)后，凝血與炎癥反應(yīng)及細(xì)胞的遷移增殖等宿主反應(yīng)具有時(shí)間尺度上的順序性。初期蛋白質(zhì)的異常吸附會(huì)促進(jìn)炎癥和凝血級(jí)聯(lián)反應(yīng)，并導(dǎo)致功能涂層失效。因此，基于宿主應(yīng)答的順序性前提，將抗凝血和促內(nèi)皮化功能有機(jī)結(jié)合，是瓣膜改性中亟需解決的問題。
本工作中，王云兵教授團(tuán)隊(duì)提出一種結(jié)合長效抗凝和增強(qiáng)促內(nèi)皮功能的模塊化多功能表面改性策略，改性涂層具有前期抗凝抗粘附、中后期抗凝促內(nèi)皮的階段性功能，從而匹配宿主反應(yīng)進(jìn)程。其中，負(fù)載抗凝藥利伐沙班的納米凝膠和可脫落的聚乙二醇作為主要功能模塊，這兩種抗凝血策略通過葡萄糖氧化酶連接。在葡萄糖氧化酶催化體內(nèi)葡萄糖氧化的過程中，會(huì)產(chǎn)生過氧化氫和局部的酸性環(huán)境。產(chǎn)生的過氧化氫能夠刺激納米凝膠釋放抗凝藥物，從而實(shí)現(xiàn)長效的抗凝功能。同時(shí)，通過pH敏感鍵附著在涂層表面的聚乙二醇，在材料/血液接觸的初始階段，通過抵抗血清蛋白和血小板的粘附來防止血栓形成。隨后，抗粘附的聚乙二醇在局部弱酸性環(huán)境下逐漸脫落，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的細(xì)胞親和力。這種順應(yīng)宿主反應(yīng)的多功能改性策略有效提高了生物瓣膜的長期抗凝血性能和促內(nèi)皮化能力，進(jìn)而改善了瓣膜的組織親和力，降低了鈣化和炎癥反應(yīng)。其實(shí)現(xiàn)的植入后材料和組織之間的反應(yīng)順序匹配的潛力，為心血管植入材料的表面改性提供了一種新的功能整合思路。
展開 6月27日消息，據(jù)TechCrunch報(bào)道，在總部位于美國舊金山Dogpatch社區(qū)的生物技術(shù)初創(chuàng)企業(yè)孵化器MBC
Biolabs，許多科學(xué)家和實(shí)習(xí)生正在為小型初創(chuàng)企業(yè)Prellis
Biologics工作，幫助其在開發(fā)可移植3D打印人體器官的道路上邁出了一大步。
Prellis
Biologics公司成立于2016年，聯(lián)合創(chuàng)始人包括研究科學(xué)家梅勒妮·馬修（Melanie Matheu）和諾艾爾·穆林（Noelle
Mullin）。這家公司把自己的未來(和300萬美元投資)押注在制造毛細(xì)血管的新技術(shù)上。毛細(xì)血管是只有1個(gè)細(xì)胞厚的血管，充當(dāng)氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)送通道，以幫助滋養(yǎng)體內(nèi)各種器官。
馬修解釋稱，如果沒有正常發(fā)揮作用的毛細(xì)血管結(jié)構(gòu)，就不可能制造出器官。她說，在打印心臟、肝臟、腎臟和肺臟的過程中，它們是最重要的拼圖之一。美國萊斯大學(xué)（Rice
University）生物工程學(xué)助理教授、3D打印植入式生物材料結(jié)構(gòu)專家喬丹·米勒（Jordan
Miller）在一份聲明中說：“毛細(xì)血管系統(tǒng)是支持高級(jí)多細(xì)胞生命的基本建筑單位，因此它是自下而上的人體器官工程和再生醫(yī)學(xué)的重要目標(biāo)。”
現(xiàn)在，Prellis
Biologics公司發(fā)表的研究成果表明，它能夠以特定尺寸和速度制造出3D打印器官，并在未來五年內(nèi)投入市場。該公司使用全息印刷技術(shù)，通過光誘導(dǎo)的化學(xué)反應(yīng)在5毫秒內(nèi)生成三維層。Prellis
Biologics公司介紹稱，這一功能對(duì)于構(gòu)建腎臟或肺臟等器官組織至關(guān)重要。Prellis
Biologics通過將光敏光引發(fā)劑與傳統(tǒng)生物墨水相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。傳統(tǒng)生物墨水可以使細(xì)胞材料在紅外線照射下發(fā)生反應(yīng)，從而催化生物墨水的聚合。
Prellis
Biologics公司并非全息印刷技術(shù)的發(fā)明者。
展開 植入式生物材料和醫(yī)療器械在臨床中有著廣泛的應(yīng)用，包括組織工程支架，植入假體，藥物緩釋載體，連續(xù)血糖檢測器等。這些材料植入體內(nèi)后會(huì)被宿主免疫系統(tǒng)識(shí)別，并被認(rèn)為是外來物，從而在植入體與宿主接觸界面引起一系列免疫反應(yīng)過程，包括強(qiáng)烈的炎癥反應(yīng)、異物巨細(xì)胞的形成和纖維化，最終導(dǎo)致植入物被纖維膠原包裹，與宿主組織相隔離。這種材料植入后的異物反應(yīng)阻斷了植入體與宿主之間的物質(zhì)信號(hào)傳遞，切斷了營養(yǎng)傳輸，導(dǎo)致組織變形和病人痛苦，造成植入失敗。而當(dāng)前報(bào)道的抗異物反應(yīng)材料種類很少，許多材料的合成和制備相對(duì)困難。因此，研究和發(fā)現(xiàn)生物相容性好、結(jié)構(gòu)簡單且易大量制備的新型抗異物反應(yīng)材料在生物材料領(lǐng)域具有重要意義。
近期，劉潤輝教授課題組報(bào)道了受絲膠蛋白啟發(fā)的一類新型抗黏附和抗植入異物反應(yīng)高分子材料——聚β-絲氨酸（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 9586– 9593）。近日，劉潤輝教授課題組報(bào)道了結(jié)構(gòu)更為簡單、水溶性高、易合成和易大量制備的新一代抗植入異物反應(yīng)高分子材料——聚DL-絲氨酸。該研究成果以“Bio-inspired poly-DL-serine materials resist the foreign-body response”為題發(fā)表在Nature Communications上（Nat. Commun. 2021, 12, 5327）。
受絲膠蛋白低免疫原性的啟發(fā)，作者推測基于聚L-絲氨酸（P-L-Ser）的材料能夠抗異物反應(yīng)，但P-L-Ser由于其β-折疊的二級(jí)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其難溶于水，溶解度小于0.1 mg/mL，這極大限制了它的應(yīng)用，這可能是沒有任何P-L-Ser的應(yīng)用報(bào)道的原因。
展開 
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植入式生物材料的最新內(nèi)容
植入式生物材料和醫(yī)療器械在臨床中有著廣泛的應(yīng)用，包括組織工程支架，植入假體，藥物緩釋載體，連續(xù)血糖檢測器等。這些材料植入體內(nèi)后會(huì)被宿主免疫系統(tǒng)識(shí)別，并被認(rèn)為是外來物，從而在植入體與宿主接觸界面引起一系列免疫反應(yīng)過程，包括強(qiáng)烈的炎癥反應(yīng)、異物巨細(xì)胞的形成和纖維化，最終導(dǎo)致植入物被纖維膠原包裹，與宿主組織相隔離。
監(jiān)測疾病、療法及其對(duì)身體的影響的能力是現(xiàn)代護(hù)理和個(gè)性化醫(yī)療的重要組成部分。實(shí)時(shí)監(jiān)測可以通過分析體液或通過在體內(nèi)或體內(nèi)應(yīng)用傳感器來實(shí)現(xiàn)。但是，
必須移除可植入傳感器。第二次移除程序會(huì)導(dǎo)致進(jìn)一步的組織損傷，這可能是中樞神經(jīng)系統(tǒng)等組織的問題。使用可生物降解的傳感器減輕了這些問題，因?yàn)樗鼈儾恍枰瞥绦颉? 材料科學(xué)的最新進(jìn)展使所有傳感器組件都可以生物降解成為可能。植入物的小尺寸和功率以及有限的材料選擇是決定可生物降解設(shè)備能力的主要限制因素
廣泛應(yīng)用于瓣膜置換手術(shù)的生物瓣膜，其使用壽命受到炎癥、鈣化反應(yīng)，尤其是凝血反應(yīng)和內(nèi)皮化困難的限制。抗凝血和促內(nèi)皮化改性是提高生物瓣膜長效性的有效策略，然而由于瓣膜周圍微環(huán)境的復(fù)雜性，單一目的的表面改性策略難以滿足生物瓣膜的功能需要。此外，單一的抗凝改性可能造成內(nèi)皮化延遲而單一的促內(nèi)皮策略也可能引起蛋白吸附和血栓形成。瓣膜植入體內(nèi)后
美國萊斯大學(xué)（Rice
University）生物工程學(xué)助理教授、3D打印植入式生物材料結(jié)構(gòu)專家喬丹·米勒（Jordan
Miller）在一份聲明中說：“毛細(xì)血管系統(tǒng)是支持高級(jí)多細(xì)胞生命的基本建筑單位，因此它是自下而上的人體器官工程和再生醫(yī)學(xué)的重要目標(biāo)。”
現(xiàn)在，Prellis
Biologics公司發(fā)表的研究成果表明，它能夠以特定尺寸和速度制造出3D打印器官，并在未來五年內(nèi)投入市場。
傳導(dǎo)性耳聾是指各種原因造成的聽小骨/聽骨鏈(ossicles)創(chuàng)傷受損導(dǎo)致的聽力損失，聽骨鏈?zhǔn)歉街诙伒墓趋罉?gòu)造，可將朵鼓膜的振動(dòng)轉(zhuǎn)化為聽覺信號(hào)傳遞給聽覺神經(jīng)。傳導(dǎo)性耳聾可由植入人工聽小骨治療，但由于每例病患的聽小骨大小構(gòu)造不同，外科手術(shù)時(shí)必須耗費(fèi)大量時(shí)間手工打磨植入體，而且失敗率較高。
由Jeffrey D. Hirsch博士率領(lǐng)的美國馬里蘭大學(xué)(University of Maryland
