發(fā)布時間：2023-12-31 10:49:55
序言：寫作是分享個人見解和探索未知領域的橋梁，我們?yōu)槟x了8篇的生物材料的特性樣本，期待這些樣本能夠為您提供豐富的參考和啟發(fā)，請盡情閱讀。
1.納米材料的特性
當一種物質(zhì)被不斷切割至一定程度，其粒子小至納米量級，即為納米材料?？茖W家發(fā)現(xiàn)納米材料有許多鮮為人知的性質(zhì)，比如體積效應、表面效應、量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應和介電限效應等。而出現(xiàn)許多特性：光學性質(zhì)、催化性質(zhì)、化學反應性質(zhì)、硬度高、可塑性強、高比熱和熱膨脹、高導電率和擴散性、高磁化率和高矯頑力等。正由于納米材料具有諸如上述的性質(zhì)，為生物醫(yī)學、藥學等許多領域帶來新的生機。
2.納米技術在生物醫(yī)學中的應用
2.1生物兼容性物質(zhì)的開發(fā)
在生物醫(yī)學中應用納米技術，可以使得材料生物的相容性得到最大限度的提升，同時還能夠降低生物的毒性、增強生物的傳導性從而使得材料生物可以最大限度的滿足生物組織的需求，達到生物組織規(guī)定的標準。納米技術應用到生物醫(yī)學中，衍生出各種納米材料，如納米無機金屬生物材料，這種材料不具有毒副作用，其與人體的組織具有相容性，有利于人體相關組織的生長。同時納米具有較強的生物活性，能夠?qū)θ梭w的血液進行有效的凈化處理，將人體中的有毒物質(zhì)排出人體的體外，從而使得人體的抵抗力得到進一步的提升，降低人體患病的可能性。
另外，相關的生物醫(yī)學研究學者利用納米技術已經(jīng)研制出一種新型的骨骼亞結(jié)構(gòu)納米材料，這種材料在實際的臨床應用中應用較為廣泛，現(xiàn)如今已經(jīng)成功的取代了原有的合金材料，并且其他成功研制的納米材料也在臨床中得到了應用，可以說，在生物醫(yī)學領域中，納米技術無處不在。
2.2 DNA納米技術
DNA納米技術主要是依據(jù)DNA的理化性質(zhì)來實現(xiàn)對納米技術的合理設計和應用，這種DNA納米技術在實際的應用中，主要是用來實現(xiàn)對分子的組裝，在對DNA進行復制的過程中，也能夠應用這種技術實現(xiàn)對堿基各種特性的體現(xiàn)，同時也能夠使得遺傳信息的多樣性得到最大限度的體現(xiàn)，在納米技術進行設計的過程中，所遵循的原理也包括這幾方面的特性和內(nèi)容。
3.納米技術在藥學領域中的應用
3.1納米控釋系統(tǒng)改善藥動學性質(zhì)
將藥物制成納米制劑后，不但達到緩控釋效果，而且改變其藥物動力學的特性。比如有人以環(huán)抱素A為模型藥物，以硬脂酸制備了納米球以市售CYA微乳型口服液為對照，測得口服CYA-SA-NP在大鼠體內(nèi)相對利用度接近80%，達峰時間推遲，具有明顯效果。還有人以鏈脈霉素糖尿病大鼠為模型，皮下注射胰島素納米囊實驗，其結(jié)果降糖作用持續(xù)3天，且在藥物吸收相具有明顯的量效關系。本品3天一次與一天3次的常規(guī)胰島素療效相當。
3.2納米釋藥系統(tǒng)增強藥物靶向性
納米材料生物相容性好，采用可生物降解的高分子材料作藥物載體制成納米釋藥系統(tǒng)，可增強抗腫瘤藥物靶向性，就相關的阿霉素免疫磁性毫微粒的體內(nèi)磁靶向定位研究可以了解到，AIMN具有超順磁特性，在給藥部位近端和遠端磁區(qū)均能產(chǎn)生放射性富集，富集強度為給藥量的60%-65%，同時其在臟器的分布顯著減少，從而證實了AIMN具有較強的磁靶向定位功能，為靶向治療腫瘤奠定了結(jié)實的基礎。
3.3納米技術在藥理學研究上的應用
在藥理學研究上，人們可以利用尖端直徑小到可以插入活細胞內(nèi)而又不嚴重干擾細胞正常生理過程的超微化傳感器或納米傳感器用以獲得活細胞內(nèi)大量的動態(tài)信息，反映出機體的功能狀態(tài)并深化對生理及病理過程的理解，為藥理學研究提供精確的細胞水平模型。
4.展望
納米技術屬于一種新型的學科技術，在未來的社會發(fā)展中，這種技術將會對生物醫(yī)學以及藥學領域帶來更為積極的影響，在未來的社會中，這種技術的應用會使得生物醫(yī)藥與藥學領域之間的聯(lián)系性得到進一步的加強，就這方面來說，這項技術在生物醫(yī)學以及藥學領域中的應用主要包括以下幾個方面：
（1）在未來的生物醫(yī)學以及藥學領域中，對于分子的研究會更加的深入，而其對于分子的要求也會進一步的提升，而納米技術的應用就會進一步的提高分子之間相互的作用效果，從而實現(xiàn)對分子的有效組裝，而且其在未來的社會發(fā)展中，主要的應用方向會是細胞器結(jié)構(gòu)細節(jié)以及自身裝配機理上等方面。
（2）隨著納米技術的深入發(fā)展，這種技術在應用于生物醫(yī)學以及藥學領域中后，會使得診斷以及檢測技術的水平更上一層樓，同時這種技術的應用也會在微觀上以及微量上實現(xiàn)有效的應用，并且在未來的發(fā)展中，這種技術也會逐漸向著功能性以及智能化的方向發(fā)展，以實現(xiàn)生物醫(yī)學以及藥學領域各項技術功能水平的提升，還會使得生物醫(yī)學以及藥學領域在管理上實現(xiàn)智能化和數(shù)字化，從而對生物醫(yī)學以及藥學領域的發(fā)展形成有效的推動作用。
（3）納米技術在未來的生物醫(yī)學中以及藥學領域中會實現(xiàn)靶向性的轉(zhuǎn)變，納米技術會將藥物的作用進行有效的轉(zhuǎn)向處理，在一定程度上可以將藥物的藥效得到最大限度的提升，同時也能夠?qū)λ幬锏某杀具M行有效的降低，從而推動生物醫(yī)學以及藥學的發(fā)展。
1材料與方法
1.1 材料
（1）供試菌種： 金黃色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、傷寒沙門菌、大腸桿菌、銅綠假單胞菌、乙型副溶血性鏈球菌、變形桿菌等。（2） 培養(yǎng)基： 普通營養(yǎng)瓊脂、半固體、血瓊脂培養(yǎng)基。（3）1.5ml EP管，2ml凍存管。（4）標簽紙，封口膠布。（5）真空冷凍干燥機，-70℃ 冰箱。
1.2 保存方法
濾紙片保存法[1]：打孔器制取d=3mm圓形濾紙片，10ml普通試管加塞高壓消毒滅菌備用，用滅菌鑷子夾取濾紙片于平板上正反面蘸取待保存菌種的純菌落1-2個。放于高壓消毒滅菌后的1.5ml EP管再用封口膠帶將蓋邊緣封好于-70℃冰箱保存。
甘油原液保存法：將純化后的待保存菌種，用高壓消毒滅菌后的濾紙片正反面蘸取1-2個菌落，置于1.5ml EP管中，滴加0.3ml甘油原液，膠帶將蓋邊緣封好于-70℃冰箱保存。
菌種保存液法：配制：K2HPO4?：12.6g，檸檬酸鈉0.98g，MgSO4?7H2O：0.18g，KH2PO4： 3.6g，甘油88g加蒸餾水至1000ml，121℃滅菌30分鐘，4℃保存?zhèn)溆肹2]。將細菌接種于普通瓊脂平板或血平板，37℃培養(yǎng)24h后，加入3ml備用的菌種保存液，刮取菌落，洗下菌苔充分混勻。微量加樣器取0.5ml菌液分裝于2ml凍存管中，將蓋擰緊于-70℃冰箱保存。
半固體保存法：將普通瓊脂高壓消毒滅菌后，無菌環(huán)境下取1ml分裝2ml凍存管中，加蓋備用。將待保存的菌種平板劃線分離后，用接種針取單個菌落穿刺接種到備用的半固體培養(yǎng)基中，加蓋擰緊在37℃ 下培養(yǎng)24h后，存放于-70℃冰箱保存。
脫脂牛奶冷凍干燥法[3]：鮮牛奶煮沸，冷卻脫脂，8磅15min滅菌備用。取3ml脫脂牛奶加入待保存菌種平板內(nèi)，用取菌環(huán)刮取菌落，輕輕磨勻。以微量加樣器量取0.3ml脫脂牛奶菌懸液加入2ml凍存管，加蓋擰緊4℃冰箱保存20min，再轉(zhuǎn)到-20℃冰箱速凍30min.取出后，將蓋稍擰松放于真空冷凍干燥機中，真空干燥24h。冷凍干燥結(jié)束后，將蓋擰緊，于-70℃冰箱保存。
脫脂奶粉冷凍干燥法：配備15%奶粉乳液，煮沸冷卻脫脂，8磅15min滅菌備用。取3ml脫脂奶粉乳液加入待保存菌種平板內(nèi)，用取菌環(huán)刮取菌落，輕輕磨勻。以微量加樣器量取0.3ml菌懸液加入2ml凍存管，加蓋擰緊4℃冰箱保存20min， 再轉(zhuǎn)到-20℃冰箱速凍30min。取出后，將蓋稍擰松放于真空冷凍干燥機中，真空干燥24h。冷凍干燥結(jié)束后，將蓋擰緊，于-70℃冰箱保存。
1.3 活力檢測方法 分別于保藏后3、6、9、12個月進行復蘇。從-70℃取出一套保存的菌種，37℃水浴快速解凍，根據(jù)菌種不同特性，選擇不同培養(yǎng)基復蘇，檢測細菌的存活情況，計算存活率[4]。并結(jié)合教學實驗進行細菌的形態(tài)、染色特性觀察、生化反應指標檢測和毒力的檢測等，比較各教學菌種生物特性是否發(fā)生變化。
存活率=（菌株存活數(shù)/受檢菌株數(shù)）×100%
2結(jié)果
6種方法保存1年后存活數(shù)量及存活率見表1。統(tǒng)計學分析，各組在存活率存在差異。脫脂牛奶冷凍干燥法和脫脂牛奶冷凍干燥法保存效果最好，復蘇后全部存活，在細菌的形態(tài)、染色特性觀察、生化反應指標檢測和毒力的檢測方面未發(fā)生改變。保存液法也能起到較好的保存作用，在短期保存效果上與以上兩種方法相同。濾紙片法和甘油原液法在存活率及各項檢測指標并無差異。半固體法一年內(nèi)存活效果最差，復蘇后細菌形態(tài)發(fā)生改變，部分生化指標異常。
3討論
菌種保存是醫(yī)學微生物教學必不可少的工作，菌種保存的目的不僅是保持菌種的活性，還要維持各菌種的典型生物學特性、形態(tài)，盡可能的不發(fā)生或少發(fā)生變異。
1.1納米碳材料
納米碳材料主要包括碳納米管、氣相生長碳纖維也稱為納米碳纖維、類金剛石碳等。
碳納米管有獨特的孔狀結(jié)構(gòu)［1］，利用這一結(jié)構(gòu)特性，將藥物儲存在碳納米管中并通過一定的機制激發(fā)藥物的釋放，使可控藥物變?yōu)楝F(xiàn)實。此外，碳納米管還可用于復合材料的增強劑、電子探針（如觀察蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的AFM探針等）或顯示針尖和場發(fā)射。納米碳纖維通常是以過渡金屬Fe、Co、Ni及其合金為催化劑，以低碳烴類化合物為碳源，氫氣為載體，在873K～1473K的溫度下生成，具有超常特性和良好的生物相溶性，在醫(yī)學領域中有廣泛的應用前景。類金剛石碳（簡稱DLC）是一種具有大量金剛石結(jié)構(gòu)C—C鍵的碳氫聚合物，可以通過等離子體或離子束技術沉積在物體的表面形成納米結(jié)構(gòu)的薄膜，具有優(yōu)秀的生物相溶性，尤其是血液相溶性。資料報道，與其他材料相比，類金剛石碳表面對纖維蛋白原的吸附程度降低，對白蛋白的吸附增強，血管內(nèi)膜增生減少，因而類金剛石碳薄膜在心血管臨床醫(yī)學方面有重要的應用價值。
1.2納米高分子材料
納米高分子材料，也稱高分子納米微?；蚋叻肿映⒘＃匠叨仍?nm～1000nm范圍。這種粒子具有膠體性、穩(wěn)定性和優(yōu)異的吸附性能，可用于藥物、基因傳遞和藥物控釋載體，以及免疫分析、介入性診療等方面。
1.3納米復合材料
目前，研究和開發(fā)無機—無機、有機—無機、有機—有機及生物活性—非生物活性的納米結(jié)構(gòu)復合材料是獲得性能優(yōu)異的新一代功能復合材料的新途徑，并逐步向智能化方向發(fā)展，在光、熱、磁、力、聲［2］等方面具有奇異的特性，因而在組織修復和移植等許多方面具有廣闊的應用前景。國外已制備出納米ZrO2增韌的氧化鋁復合材料，用這種材料制成的人工髖骨和膝蓋植入物的壽命可達30年之久［3］。研究表明，納米羥基磷灰石膠原材料也是一種構(gòu)建組織工程骨較好的支架材料［4］。此外，納米羥基磷灰石粒子制成納米抗癌藥，還可殺死癌細胞，有效抑制腫瘤生長，而對正常細胞組織絲毫無損，這一研究成果引起國際的關注。北京醫(yī)科大學等權(quán)威機構(gòu)通過生物學試驗證明，這種粒子可殺死人的肺癌、肝癌、食道癌等多種腫瘤細胞。
此外，在臨床醫(yī)學中，具有較高應用價值的還有納米陶瓷材料，微乳液等等。
2納米材料在生物醫(yī)學應用中的前景
2.1用納米材料進行細胞分離
利用納米復合體性能穩(wěn)定，一般不與膠體溶液和生物溶液反應的特性進行細胞分離在醫(yī)療臨床診斷上有廣闊的應用前景。20世紀80年代后，人們便將納米SiO2包覆粒子均勻分散到含有多種細胞的聚乙烯吡咯烷酮膠體溶液中，使所需要的細胞很快分離出來。目前，生物芯片材料已成功運用于單細胞分離、基因突變分析、基因擴增與免疫分析（如在癌癥等臨床診斷中作為細胞內(nèi)部信號的傳感器［5］）。倫敦的兒科醫(yī)院、挪威工科大學和美國噴氣推進研究所利用納米磁性粒子成功地進行了人體骨骼液中癌細胞的分離來治療病患者［6］。美國科學家正在研究用這種技術在腫瘤早期的血液中檢查癌細胞，實現(xiàn)癌癥的早期診斷和治療。
2.2用納米材料進行細胞內(nèi)部染色
比利時的DeMey博士等人利用乙醚的黃磷飽和溶液、抗壞血酸或檸檬酸鈉把金從氯化金酸（HAuCl4）水溶液中還原出來形成金納米粒子，（粒徑的尺寸范圍是3nm～40nm），將金納米粒子與預先精制的抗體或單克隆抗體混合，利用不同抗體對細胞和骨骼內(nèi)組織的敏感程度和親和力的差異，選擇抗體種類，制成多種金納米粒子—抗體復合物。借助復合粒子分別與細胞內(nèi)各種器官和骨骼系統(tǒng)結(jié)合而形成的復合物，在白光或單色光照射下呈現(xiàn)某種特征顏色（如10nm的金粒子在光學顯微鏡下呈紅色），從而給各種組織“貼上”了不同顏色的標簽，為提高細胞內(nèi)組織分辨率提供了各種急需的染色技術。
2.3納米材料在醫(yī)藥方面的應用
2.3.1納米粒子用作藥物載體
一般來說，血液中紅血球的大小為6000nm～9000nm，一般細菌的長度為2000nm～3000nm［7］，引起人體發(fā)病的病毒尺寸為80nm～100nm，而納米包覆體尺寸約30nm［8］，細胞尺寸更大，因而可利用納米微粒制成特殊藥物載體或新型抗體進行局部的定向治療等。專利和文獻資料的統(tǒng)計分析表明，作為藥物載體的材料主要有金屬納米顆粒、無機非金屬納米顆粒、生物降解性高分子納米顆粒和生物活性納米顆粒。
磁性納米顆粒作為藥物載體，在外磁場的引導下集中于病患部位，進行定位病變治療，利于提高藥效，減少副作用。如采用金納米顆粒制成金溶液，接上抗原或抗體，就能進行免疫學的間接凝聚實驗，用于快速診斷［9］。生物降解性高分子納米材料作為藥物載體還可以植入到人體的某些特定組織部位，如子宮、陰道、口（頰、舌、齒）、上下呼吸道（鼻、肺）、以及眼、耳等［10］。這種給藥方式避免了藥物直接被消化系統(tǒng)和肝臟分解而代謝掉，并防止藥物對全身的作用。如美國麻省理工學院的科學家已研制成以用生物降解性聚乳酸（PLA）制的微芯片為基礎，能長時間配選精確劑量藥物的藥物投送系統(tǒng)，并已被批準用于人體。近年來生物可降解性高分子納米粒子（NPs）在基因治療中的DNA載體以及半衰期較短的大分子藥物如蛋白質(zhì)、多肽、基因等活性物質(zhì)的口服釋放載體方面具有廣闊的應用前景。藥物納米載體技術將給惡性腫瘤、糖尿病和老年癡呆癥的治療帶來變革。
2.3.2納米抗菌藥及創(chuàng)傷敷料
Ag+可使細胞膜上蛋白失去活性從而殺死細菌，添加納米銀粒子制成的醫(yī)用敷料對諸如黃色葡萄球菌、大腸桿菌、綠濃桿菌等臨床常見的40余種外科感染細菌有較好抑制作用。
2.3.3智能—靶向藥物
在超臨界高壓下細胞會“變軟”，而納米生化材料微小易滲透，使醫(yī)藥家能改變細胞基因，因而納米生化材料最有前景的應用是基因藥物的開發(fā)。德國柏林醫(yī)療中心將鐵氧體納米粒子用葡萄糖分子包裹，在水中溶解后注入腫瘤部位，使癌細胞部位完全被磁場封閉，通電加熱時溫度達到47℃，慢慢殺死癌細胞。這種方法已在老鼠身上進行的實驗中獲得了初步成功［11］。美國密歇根大學正在研制一種僅20nm的微型智能炸彈，能夠通過識別癌細胞化學特征攻擊癌細胞，甚至可鉆入單個細胞內(nèi)將它炸毀。
2.4納米材料用于介入性診療
日本科學家利用納米材料，開發(fā)出一種可測人或動物體內(nèi)物質(zhì)的新技術。科研人員使用的是一種納米級微粒子，它可以同人或動物體內(nèi)的物質(zhì)反應產(chǎn)生光，研究人員用深入血管的光導纖維來檢測反應所產(chǎn)生的光，經(jīng)光譜分析就可以了解是何種物質(zhì)及其特性和狀態(tài)，初步實驗已成功地檢測出放進溶液中的神經(jīng)傳達物質(zhì)乙酰膽堿。利用這一技術可以辨別身體內(nèi)物質(zhì)的特性，可以用來檢測神經(jīng)傳遞信號物質(zhì)和測量人體內(nèi)的血糖值及表示身體疲勞程度的乳酸值，并有助于糖尿病的診斷和治療。
2.5納米材料在人體組織方面的應用
納米材料在生物醫(yī)學領域的應用相當廣泛，除上面所述內(nèi)容外還有如基因治療、細胞移植、人造皮膚和血管以及實現(xiàn)人工移植動物器官的可能。
目前，首次提出納米醫(yī)學的科學家之一詹姆斯貝克和他的同事已研制出一種樹形分子的多聚物作為DNA導入細胞的有效載體，在大鼠實驗中已取得初步成效，為基因治療提供了一種更微觀的新思路。
納米生物學的設想，是在納米尺度上應用生物學原理，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，研制可編程的分子機器人，也稱納米機器人。納米機器人是納米生物學中最具有誘惑力的內(nèi)容，第一代納米機器人是生物系統(tǒng)和機械系統(tǒng)的有機結(jié)合體，這種納米機器人可注入人體血管內(nèi)，進行健康檢查和疾病治療（疏通腦血管中的血栓，清除心臟脂肪沉積物，吞噬病菌，殺死癌細胞，監(jiān)視體內(nèi)的病變等）［12］；還可以用來進行人體器官的修復工作，比如作整容手術、從基因中除去有害的DNA，或把正常的DNA安裝在基因中，使機體正常運行或使引起癌癥的DNA突變發(fā)生逆轉(zhuǎn)從而延長人的壽命。將由硅晶片制成的存儲器（ROM）微型設備植入大腦中，與神經(jīng)通路相連，可用以治療帕金森氏癥或其他神經(jīng)性疾病。第二代納米機器人是直接從原子或分子裝配成具有特定功能的納米尺度的分子裝置，可以用其吞噬病毒，殺死癌細胞。第三代納米機器人將包含有納米計算機，是一種可以進行人機對話的裝置。這種納米機器人一旦問世將徹底改變?nèi)祟惖膭趧雍蜕罘绞健?/p>
瑞典正在用多層聚合物和黃金制成醫(yī)用微型機器人，目前實驗已進入能讓機器人撿起和移動肉眼看不見的玻璃珠的階段［13］。
納米材料所展示出的優(yōu)異性能預示著它在生物醫(yī)學工程領域，尤其在組織工程支架、人工器官材料、介入性診療器械、控制釋放藥物載體、血液凈化、生物大分子分離等眾多方面具有廣泛的和誘人的應用前景。隨著納米技術在醫(yī)學領域中的應用，臨床醫(yī)療將變得節(jié)奏更快，效率更高，診斷檢查更準確，治療更有效。
論文關鍵詞：納米材料生物醫(yī)學應用
關鍵詞：光學相干層析成像（OCT）；頻域；多普勒效應
1.前言
量顯微成像技術已經(jīng)發(fā)展了很長時間了。為了觀察生物組織、微生物組織和了解材料的結(jié)構(gòu)，人們發(fā)展了多種成像技術，例如：X光技術及層析技術、核磁共振技術、超聲、正電子輻射層析技術及光學層析成像技術OT（Optical tomography）等。上世紀90年代初期，人們結(jié)合上述技術并利用寬帶光源的低相干特性對生物活體組織的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)進行了非侵入式的層析成像，這種新的技術被稱為光學相干層析技術（Optical CohereneeTomography OCT）[1]，這種成像技術具有許多其他成像方法所不具有的優(yōu)點，其原理是利用寬帶光源的低相干特性，通過測量樣品背向散射光的干涉信號，對生物組織內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)進行高分辨率層析三維成像。
2.OCT系統(tǒng)的基本原理
OCT系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)是邁克爾遜干涉儀如圖1所示。從光源發(fā)出的低相干光由分束鏡分為兩束，一束光由反射鏡反射后按原路返回并透射過分束鏡后到達探測器；另一束通過聚焦透鏡聚焦成一個點照射到物體后，其后向散射光按原路返回經(jīng)分光鏡反射后到達探測器，并與參考臂到達探測器的光發(fā)生干涉，干涉圖（光強信號）由探測器接收。由于低相干光具有極短的相干長度，因此只有在參考臂與信號臂的光程差匹配時才能發(fā)生強干涉，這樣經(jīng)反射鏡的掃描運動后可得到物體內(nèi)部各個點的不同強度的干涉信號，其干涉信號的強弱反映了物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，通過計算機仿真進行圖像重構(gòu)，可以得到物體內(nèi)部的層析圖像。
3.OCT系統(tǒng)成像研究
建立自1991年MIT的Huang[2]等人在Science上發(fā)表題為“Optical Coherence Tomography”的文章以來，OCT技術一直被關注，這項技術最初是在時域中以時域低相干干涉測量技術為基礎，出現(xiàn)了時域OCT成像系統(tǒng)[3-5]。
在1993年，F(xiàn)ercher與Swanson等[6-7]發(fā)表了人的角膜組織立體成像OCT圖。隨著橫向快速可調(diào)諧激光器和CCD技術的發(fā)展，頻域OCT出現(xiàn)了，由Fercher等[8]（1995）最早構(gòu)造了自由空間頻域OCT系統(tǒng)進行眼內(nèi)距離的。在頻域OCT系統(tǒng)中，深度信號是是通過參考臂與樣品臂的相干光譜進行傅立葉變換直接獲得，因此可以得到深度方向的全部信息從而從根本上提高了采集速度。
Everett等（1998）[9]與Schoenenberger等[10]（1998）使用偏振OCT測量組織的雙折射特性進行探測并獲得豬的心肌雙折射圖像。Hitzenberger等（2001）[11]利用偏振OCT系統(tǒng)獲取了雞心肌的包含相位延遲與快軸方向的OCT圖像。偏振OCT可以通過改變光的偏振態(tài)而獲得傳統(tǒng)OCT不能反映的組織信息，包括雙折射特性，衰減特性，擾頻特性等，為臨床確診提供更加可靠的依據(jù)。
功能OCT另一個發(fā)展領域是利用多普勒效應與OCT原理相結(jié)合衍生出多普勒OCT（DOCT），它源于流動顆粒散射的光與參考光發(fā)生干涉的原理，它可以提供生物組織內(nèi)部高分辨血管分布和速度分布圖像。
4.OCT的應用研究
4.1在醫(yī)學方面的應用
a）眼科診斷
OCT可用于檢測諸如青光眼、糖尿病水腫等需要定量測試視網(wǎng)膜變化的疾病，也可以很好的觀察眼球前部病變，探測深度可達2cm，OCT對眼底結(jié)構(gòu)觀察的清晰度遠高于其它檢查方法。
b）牙科診斷
在1992年，F(xiàn)ujimoto等[12]就提出了偏振敏感OCT的概念（PS-OCT），在PS-OCT中，使用樣品對背散射光雙折射的大小成像，對于具有較明顯的雙折射效應的生物組織來說，PS-OCT能夠獲得一些重要的結(jié)構(gòu)信息，而這些是傳統(tǒng)的OCT做不到的。A.Z.Freitas[13]最近用OCT得到牙齒微結(jié)構(gòu)的三維圖像、對口腔的健康狀況。
c）內(nèi)窺應用
內(nèi)窺OCT可用于執(zhí)行生物活檢、監(jiān)測人體器官的功能狀態(tài)、引導手術或其它治療、監(jiān)測術后恢復過程等。在醫(yī)學實踐中，活檢切除部位的選擇通常基于視覺診察或較大組織區(qū)域內(nèi)生物化學數(shù)據(jù)，但可能導致錯誤的臨床結(jié)果。OCT能精確表示結(jié)構(gòu)變化區(qū)域的邊界，因此，能提供活檢切除部位的精確示意圖。
4.2工業(yè)材料的檢測
工程聚合物現(xiàn)有檢測方法有超聲檢測和顯微鏡表面檢測，前者分辨率低為亞毫米量級，而后者只能對表面高精度檢測，看不到材料生產(chǎn)過程中所關心的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。而OCT方法則克服了上述兩種方法的缺陷，做到了具有一定深度的高分辨率檢測。下圖2為OCT對一種工業(yè)聚合物材料的檢測結(jié)果，圖中亮度代表光強。
1．1材料來源
經(jīng)過嚴格篩選的人手掌肌腱45根，男35根，女10根，供者平均年齡為（55±3）歲，由中國人民第401醫(yī)院提供。肌腱經(jīng)過－80℃深低溫冷凍7周后隨機分成A、B、C組共3組。
1．2研究方法
A組肌腱在干冰環(huán)境下行3．5kGy高能電子束照射10次，總輻射劑量為35kGy。B組在干冰環(huán)境下行3．5kGy的γ射線照射，共10次，總輻射劑量為35kGy。C組肌腱只在干冰環(huán)境下保存。
1．3組織學觀察
對各組肌腱分別行蘇木精－伊紅（HE）染色和膠原纖維經(jīng)典VG染色，觀察組織形態(tài)學改變。
1．4羥脯氨酸（Hyp）含量檢測
采用高效液相色譜法分別檢測各組肌腱Hyp的含量。
2結(jié)果
2．1組織學觀察
C組肌腱染色均勻，纖維排列規(guī)整緊密，肌腱細胞沿纖維走行排列。A組肌腱染色仍較均勻，纖維排列欠規(guī)整，纖維之間出現(xiàn)縫隙，肌腱細胞沿纖維走行排列。B組肌腱染色不均勻，纖維排列雜亂，大部分出現(xiàn)斷裂，纖維之間縫隙更大更明顯。
2．2各組Hyp含量比較
A、B、C組肌腱Hyp含量分別為2．809±0．353、3．20±0．376及2．52±0．331。B組Hyp含量明顯高于C、A組（F＝16．32，q＝4．60、8．05，P＜0．05），A組Hyp含量與C比較差異無顯著性（P＞0．05）。
3討論
納米材料在結(jié)構(gòu)、光電和化學性質(zhì)等方面的誘人特征，引起物理學家、材料學家和化學家的濃厚興趣。80年代初期納米材料這一概念形成以后，世界各國對這種材料給予極大關注。它所具有的獨特的物理和化學性質(zhì)，使人們意識到它的發(fā)展可能給物理、化學、材料、生物、醫(yī)藥等學科的研究帶來新的機遇。納米材料的應用前景十分廣闊。近年來，它在化工生產(chǎn)領域也得到了一定的應用，并顯示出它的獨特魅力。
1.在催化方面的應用
催化劑在許多化學化工領域中起著舉足輕重的作用，它可以控制反應時間、提高反應效率和反應速度。大多數(shù)傳統(tǒng)的催化劑不僅催化效率低，而且其制備是憑經(jīng)驗進行，不僅造成生產(chǎn)原料的巨大浪費，使經(jīng)濟效益難以提高，而且對環(huán)境也造成污染。納米粒子表面活性中心多，為它作催化劑提供了必要條件。納米粒于作催化劑，可大大提高反應效率，控制反應速度，甚至使原來不能進行的反應也能進行。納米微粒作催化劑比一般催化劑的反應速度提高10～15倍。
納米微粒作為催化劑應用較多的是半導體光催化劑，特別是在有機物制備方面。分散在溶液中的每一個半導體顆粒，可近似地看成是一個短路的微型電池，用能量大于半導體能隙的光照射半導體分散系時，半導體納米粒子吸收光產(chǎn)生電子——空穴對。在電場作用下，電子與空穴分離，分別遷移到粒子表面的不同位置，與溶液中相似的組分進行氧化和還原反應。
光催化反應涉及到許多反應類型，如醇與烴的氧化，無機離子氧化還原，有機物催化脫氫和加氫、氨基酸合成，固氮反應，水凈化處理，水煤氣變換等，其中有些是多相催化難以實現(xiàn)的。半導體多相光催化劑能有效地降解水中的有機污染物。例如納米TiO2，既有較高的光催化活性，又能耐酸堿，對光穩(wěn)定，無毒，便宜易得，是制備負載型光催化劑的最佳選擇。已有文章報道，選用硅膠為基質(zhì)，制得了催化活性較高的TiO／SiO2負載型光催化劑。Ni或Cu一Zn化合物的納米顆粒，對某些有機化合物的氫化反應是極好的催化劑，可代替昂貴的鉑或鈕催化劑。納米鉑黑催化劑可使乙烯的氧化反應溫度從600℃降至室溫。用納米微粒作催化劑提高反應效率、優(yōu)化反應路徑、提高反應速度方面的研究，是未來催化科學不可忽視的重要研究課題，很可能給催化在工業(yè)上的應用帶來革命性的變革。
2.在涂料方面的應用
納米材料由于其表面和結(jié)構(gòu)的特殊性，具有一般材料難以獲得的優(yōu)異性能，顯示出強大的生命力。表面涂層技術也是當今世界關注的熱點。納米材料為表面涂層提供了良好的機遇，使得材料的功能化具有極大的可能。借助于傳統(tǒng)的涂層技術，添加納米材料，可獲得納米復合體系涂層，實現(xiàn)功能的飛躍，使得傳統(tǒng)涂層功能改性。涂層按其用途可分為結(jié)構(gòu)涂層和功能涂層。結(jié)構(gòu)涂層是指涂層提高基體的某些性質(zhì)和改性；功能涂層是賦予基體所不具備的性能，從而獲得傳統(tǒng)涂層沒有的功能。結(jié)構(gòu)涂層有超硬、耐磨涂層，抗氧化、耐熱、阻燃涂層，耐腐蝕、裝飾涂層等；功能涂層有消光、光反射、光選擇吸收的光學涂層，導電、絕緣、半導體特性的電學涂層，氧敏、濕敏、氣敏的敏感特性涂層等。在涂料中加入納米材料，可進一步提高其防護能力，實現(xiàn)防紫外線照射、耐大氣侵害和抗降解、變色等，在衛(wèi)生用品上應用可起到殺菌保潔作用。在標牌上使用納米材料涂層，可利用其光學特性，達到儲存太陽能、節(jié)約能源的目的。在建材產(chǎn)品如玻璃、涂料中加入適宜的納米材料，可以達到減少光的透射和熱傳遞效果，產(chǎn)生隔熱、阻燃等效果。日本松下公司已研制出具有良好靜電屏蔽的納米涂料，所應用的納米微粒有氧化鐵、二氧化鈦和氧化鋅等。這些具有半導體特性的納米氧化物粒子，在室溫下具有比常規(guī)的氧化物高的導電特性，因而能起到靜電屏蔽作用，而且氧化物納米微粒的顏色不同，這樣還可以通過復合控制靜電屏蔽涂料的顏色，克服炭黑靜電屏蔽涂料只有單一顏色的單調(diào)性。納米材料的顏色不僅隨粒徑而變，還具有隨角變色效應。在汽車的裝飾噴涂業(yè)中，將納米TiO2添加在汽車、轎車的金屬閃光面漆中，能使涂層產(chǎn)生豐富而神秘的色彩效果，從而使傳統(tǒng)汽車面漆舊貌換新顏。納米SiO2是一種抗紫外線輻射材料。在涂料中加入納米SiO2，可使涂料的抗老化性能、光潔度及強度成倍地增加。納米涂層具有良好的應用前景，將為涂層技術帶來一場新的技術革命，也將推動復合材料的研究開發(fā)與應用。
3.在其它精細化工方面的應用
精細化工是一個巨大的工業(yè)領域，產(chǎn)品數(shù)量繁多，用途廣泛，并且影響到人類生活的方方面面。納米材料的優(yōu)越性無疑也會給精細化工帶來福音，并顯示它的獨特畦力。在橡膠、塑料、涂料等精細化工領域，納米材料都能發(fā)揮重要作用。如在橡膠中加入納米SiO2，可以提高橡膠的抗紫外輻射和紅外反射能力。納米Al2O3，和SiO2，加入到普通橡膠中，可以提高橡膠的耐磨性和介電特性，而且彈性也明顯優(yōu)于用白炭黑作填料的橡膠。塑料中添加一定的納米材料，可以提高塑料的強度和韌性，而且致密性和防水性也相應提高。國外已將納米SiO2，作為添加劑加入到密封膠和粘合劑中，使其密封性和粘合性都大為提高。此外，納米材料在纖維改性、有機玻璃制造方面也都有很好的應用。在有機玻璃中加入經(jīng)過表面修飾處理的SiO2，可使有機玻璃抗紫外線輻射而達到抗老化的目的；而加入A12O3，不僅不影響玻璃的透明度，而且還會提高玻璃的高溫沖擊韌性。一定粒度的銳鈦礦型TiO2具有優(yōu)良的紫外線屏蔽性能，而且質(zhì)地細膩，無毒無臭，添加在化妝品中，可使化妝品的性能得到提高。超細TiO2的應用還可擴展到涂料、塑料、人造纖維等行業(yè)。最近又開發(fā)了用于食品包裝的TiO2及高檔汽車面漆用的珠光鈦白。納米TiO2，能夠強烈吸收太陽光中的紫外線，產(chǎn)生很強的光化學活性，可以用光催化降解工業(yè)廢水中的有機污染物，具有除凈度高，無二次污染，適用性廣泛等優(yōu)點，在環(huán)保水處理中有著很好的應用前景。在環(huán)境科學領域，除了利用納米材料作為催化劑來處理工業(yè)生產(chǎn)過程中排放的廢料外，還將出現(xiàn)功能獨特的納米膜。這種膜能探測到由化學和生物制劑造成的污染，并能對這些制劑進行過濾，從而消除污染。
4.在醫(yī)藥方面的應用
21世紀的健康科學，將以出入意料的速度向前發(fā)展，人們對藥物的需求越來越高?？刂扑幬镝尫?、減少副作用、提高藥效、發(fā)展藥物定向治療，已提到研究日程上來。納米粒子將使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為方便。用數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進入人體，可主動搜索并攻擊癌細胞或修補損傷組織；使用納米技術的新型診斷儀器，只需檢測少量血液就能通過其中的蛋白質(zhì)和DNA診斷出各種疾病，美國麻省理工學院已制備出以納米磁性材料作為藥物載體的靶定向藥物，稱之為“定向?qū)棥?。該技術是在磁性納米微粒包覆蛋白質(zhì)表面攜帶藥物，注射到人體血管中，通過磁場導航輸送到病變部位，然后釋放藥物。納米粒子的尺寸小，可以在血管中自由流動，因此可以用來檢查和治療身體各部位的病變。對納米微粒的臨床醫(yī)療以及放射性治療等方面的應用也進行了大量的研究工作。據(jù)《人民日報》報道，我國將納米技術應用于醫(yī)學領域獲得成功。南京?？萍瘓F利用納米銀技術研制生產(chǎn)出醫(yī)用敷料——長效廣譜抗菌棉。這種抗菌棉的生產(chǎn)原理是通過納米技術將銀制成尺寸在納米級的超細小微粒，然后使之附著在棉織物上。銀具有預防潰爛和加速傷口愈合的作用，通過納米技術處理后的銀表面急劇增大，表面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，殺菌能力提高200倍左右，對臨床常見的外科感染細菌都有較好的抑制作用。
微粒和納粒作為給藥系統(tǒng)，其制備材料的基本性質(zhì)是無毒、穩(wěn)定、有良好的生物性并且與藥物不發(fā)生化學反應。納米系統(tǒng)主要用于毒副作用大、生物半衰期短、易被生物酶降解的藥物的給藥。
納米生物學用來研究在納米尺度上的生物過程，從而根據(jù)生物學原理發(fā)展分子應用工程。在金屬鐵的超細顆粒表面覆蓋一層厚為5～20nm的聚合物后，可以固定大量蛋白質(zhì)特別是酶，從而控制生化反應。這在生化技術、酶工程中大有用處。使納米技術和生物學相結(jié)合，研究分子生物器件，利用納米傳感器，可以獲取細胞內(nèi)的生物信息，從而了解機體狀態(tài)，深化人們對生理及病理的解釋。
【摘要】 以應力松弛的試驗方法研究氣管軟骨的應力松弛特性，為臨床提供氣管軟骨的應力松弛特性參數(shù)。在日本島津電子萬能試驗機上對10個軟骨進行應力松弛實驗，應力松弛實驗應變增加速度為50%/min，實驗溫度為(36.5±0.65)℃，設定實驗時間7 200 s，采集100個實驗數(shù)據(jù)，以一元線性回歸分析的方法處理實驗數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：氣管軟骨7 200 s應力松弛量為0.316 MPa，7 200 s時應力松弛曲線基本達到平衡。氣管軟骨應力松弛曲線是以對數(shù)關系變化的，氣管軟骨為非線性粘彈性材料。
【關鍵詞】 氣管軟骨;應力松弛;粘彈性;力學特性
Abstract：To research the tracheal cartilage stress relaxation characteristic and provide the tracheal cartilage stress relaxation characteristic parameter for the clinical.10 cartilages were taken on the electronic universal testing machine to carry on the stress relaxation experiment.The increasing speed of the stress relaxation experiment strain was 50%/min.Experimental temperature was (36.5±0.65)℃，the experimental time was set at 7 200 s.Then 100 empirical data were gathered and processed by the method of Unary Linear Regression Analysis.The tracheal cartilage 7 200 s stress relaxation quantity was 0.316 MPa，the 7 200 s stress relaxation curve achieved the balance basically.The tracheal cartilage stress relaxation curve is changed by the logarithm relations，the tracheal cartilage is the non-linear viscoelastic material.
Key words：Tracheal cartilage;Stress relaxation;Viscoelastic;Mechanics characteristic
1 引 言
國內(nèi)外學者對氣管損傷氣道功能重建，對人工氣管的基礎研究和臨床實踐做了一定的研究，但對氣管軟骨的生物力學研究報道較少。前田富興等[1]對人工氣管的抗變形能力進行了研究。ToomesH等[2]以人工氣管氣道再建進行運動物實驗研究。劉德若等[3]對人工氣管進行了實驗研究。徐艷等[4]研究了紡織結(jié)構(gòu)復合材料人工氣管。關于氣管軟骨的生物力學特性實驗國內(nèi)、外學者們也進行了一定的研究，鄧衛(wèi)軍等[5]對成年離體豬氣管進行了生物力學的特性實驗。王憶勤[6]等對大鼠氣管的零應力狀態(tài)進行了研究。 楊林等[7]對旋轉(zhuǎn)生物反應器用于提高組織工程氣管軟骨力學強度進行了研究。以往對氣管軟骨力學特性研究多以動物氣管軟骨和一維拉伸實驗居多[5-7]，對人氣管軟骨應力松弛粘彈性力學特性研究較少。生物材料的粘彈性主要以應力松弛蠕變?yōu)楸憩F(xiàn)形式，應力松弛是軟組織在恒應變作用下，對載荷松弛適應性的反應，雖然機制尚不清楚，但氣管軟骨的應力松弛力學特性對于認識吻合口張力，確定氣管損傷后的張力臨界點具有重要意義。
氣管由于炎癥、腫瘤、損傷等疾患需要進行氣道再建，現(xiàn)代呼吸道(氣道)外科手術對氣管病變不超過1/2程度，可切除病變部位氣管后直接縫合吻接，修復和重建氣管的功能。當氣管切除超過其直接的吻合長度，則需要置換人工氣管。鑒于臨床實際需要，我們對正常國人尸體氣管軟骨進行了應力松弛實驗，得出了氣管軟骨7 200 s應力松弛量，得出了應力松弛曲線和歸一化應力松弛函數(shù)曲線。以一元線性回歸分析的方法處理實驗數(shù)據(jù)，得出了應力松弛函數(shù)方程。
2 材料與方法
2.1 材料
實驗標本正常國人新鮮尸體氣管標本2個，均為男性，25歲尸體1具，30歲尸體一具。由白求恩醫(yī)科大學解剖教研室提供。將氣管標本生理鹽水浸泡的紗布包裹，裝入塑料袋中密封后置于-20℃冰箱內(nèi)保存。實驗前取出標本在常溫下解凍后，以手術刀切取軟骨環(huán)試樣10個。
2.2 試驗裝置
日本島津AG-10TA自動控制電子萬能試驗機，該機具有自動控制應力、應變增加速度和使應力或應變保持恒定的功能。載荷通過載荷傳感器傳遞，載荷傳感器最大量程100 N，使用量程10 N。
2.3 應力松弛實驗方法
首先測量式樣的原始尺寸。在軟組織測量實驗中，測量試樣的原始尺寸非常關鍵。作者采用國內(nèi)外均認可的準長度理論，即在每一給定條件下式樣的長度等尺寸。將試樣裝夾在軟組織實驗夾具上，給予滿量程1%的初載做為準長度的基礎。利用讀數(shù)顯微鏡測量其長度、寬度和厚度，試樣的長度為25 mm，寬度為5 mm，厚度為1.8～2.2 mm，韌帶和其他軟組織一樣，其彈性主要來自熵的改變。因而不存在唯一的自然狀態(tài)，所以首先對試樣進行預調(diào)處理，即在同一應力水平下加載-卸載20次。對每個試樣分別預調(diào)處理后進行實驗。
將經(jīng)過預調(diào)的10個試樣分別裝夾到軟組織專用夾具上，夾具與有機玻璃缸連接，玻璃鋼內(nèi)裝pH值為7.4的生理鹽水，試樣置于生理鹽水中，裝有試樣的夾具與實驗機上、下頭連接。試驗機帶有-35℃～250℃環(huán)境溫箱?？勺詣诱{(diào)節(jié)溫度并保持恒溫。本實驗模擬正常人體溫，在(36.5±5)℃的溫度場下進行。預先設定好程序，記錄方式為X-T，其中X軸為應力，T軸為時間。本實驗以50%/min的速度對試樣施加載拉應變，當應變達到9.28%，應力達到1.207 MPa時保持恒定，應力隨時間的改變不斷下降。
計算機程序設定從時間t0開始采集數(shù)據(jù)，每10 s采集一個數(shù)據(jù)40次，之后每136 s采集一個數(shù)據(jù)，采集50次，共采集90個數(shù)據(jù)，歷時7 200 s達到設定時間后，計算機自動輸出實驗曲線和數(shù)據(jù)。
3 結(jié)果
3.1 應力松弛實驗數(shù)據(jù)和歸一化應力松弛函數(shù)數(shù)據(jù)
10個氣管軟骨試樣應力松弛實驗數(shù)據(jù)經(jīng)統(tǒng)計分析后結(jié)果見表1。10個氣管軟骨試樣歸一化應力松弛函數(shù)數(shù)據(jù)見表2。表1 應力松弛實驗數(shù)據(jù)(x±s)表2 歸一化應力松弛函數(shù)數(shù)據(jù)
3.2 應力松弛曲線
對每組10個應力松弛試樣的實驗數(shù)據(jù)擬合應力松弛曲線見圖1。對每組10個試樣歸一化應力松弛函數(shù)數(shù)據(jù)擬合曲線見圖2。圖1 應力松弛曲線
Fig 1 The stress relaxation curve
圖2 歸一化應力松弛函數(shù)曲線
Fig 2 Normalized stress relaxation function curve
3.3 歸一化應力松弛函數(shù)方程的計算歸一化應力松弛函數(shù)方程的建立：以一元線性回歸方法處理實驗數(shù)據(jù)，松弛曲線是以對數(shù)關系變化的，因此設
G(t)=1
c lnt+d t=0
t>0(1)
令φ(a，d)=∑nt=1[G(t)-G(實)]2
則φc=0 φd=0
c∑11i=1ln2t+d∑11i=1lnt-∑11i=1G實=0
c∑11i=1lnt+d∑11i=1d-∑11i=1G實=0(2)
將實驗數(shù)據(jù)帶入(2)式，結(jié)出屈肌腱c=-0.0396，d=1.0306。將c、d代入(1)式得出氣管軟骨：
G(t)=1t=0
-0.0313lnt+1.0626t>0
4 討論
試驗結(jié)果表明，氣管軟骨7 200 s應力松弛量為0.316 MPa，應力松弛最初600 s變化較快，達總松弛量的30%，之后應力緩慢下降，達到7 200 s時曲線基本達到平衡，氣管軟骨的應力松弛曲線是以對數(shù)關系變化的。氣管軟骨在生理上主要是具有一定的舒張性，吸氣時伸長而變粗，呼氣時復原。氣管具有一定的屈、伸性，屈、伸時氣管和氣管軟骨都承受著一定的生理載荷。氣管的力學性能的保持主要是膠原纖維的合理排列分布為彈性支架，通過蛋白多糖的親水作用來形成局部的張力和滲透張力，當組織受載時，由于壓力差大于局部張力使水緩慢流出，當去載時由于組織的膨脹壓和滲透壓使水流回組織內(nèi)[8]。在正常的生理狀態(tài)下，氣管軟骨能在生理載荷范圍內(nèi)適應外力的牽拉，表現(xiàn)出一定抗張性。
氣管組織內(nèi)含有膠原纖維，膠原纖維具有一定的韌性，膠原蛋白是動物體內(nèi)含量最豐富的蛋白質(zhì)，它是一種高級結(jié)構(gòu)，可形成最佳的力學特性。膠原蛋白最最重要的力學性質(zhì)是拉伸剛度和抗拉強度。
軟骨是一種多孔的粘彈材料，組織間隙為液體所充滿。在應力作用下，液體可在組織中流進或流出(當組織膨脹時流進，收縮時流出)，軟骨力學性能隨液體的含量而變化。事實上，液體在應力下的流動似乎是這種無血管組織取得營養(yǎng)的主要途徑。因此，研究氣管軟骨應力-應變的關系不僅對于了解軟骨傳遞載荷的特性有必要，而且對于了解組織的健康狀況也是非常重要的[9]，軟骨是由一種液相和固相組成，液相主要是水，固相主要是包括膠原纖維和彈性纖維，蛋白多糖和細胞成份。液相主要功能是通過自身的媒介作用把小的溶質(zhì)傳送或擴散于組織內(nèi)外，固相膠原纖維的網(wǎng)狀支架是張應變和張應力的表述[10-11]。蛋白多糖的親水性很強，對維持軟骨的粘彈性及對抗壓力起著重要作用。
本實驗初始應力與文獻[12]相同，但本實驗7 200 s應力松弛量低于文獻[12]中髖關節(jié)軟骨和膝關節(jié)軟骨。承重部位軟骨和非承重部位軟骨具有不同的力學特性。本實驗結(jié)果支持軟骨的力學性質(zhì)與軟骨的膠原含量呈正相關的觀點。軟骨所處不同的生理解剖位置及不同的生理功能決定了其粘彈性的存在和其間的差異。
本實驗以正常人青年新鮮尸體氣管軟骨為研究對象。更充分地揭示氣管軟骨作為生物粘彈性材料的力學特性，對臨床更具有實際意義。
參考文獻
[1]前田富興，久保良彥Mesh人工氣管的耐變形能研究[J].人工臟器，1991，20(2)：641-647.
[2]ToomesH.Experinen tal with prostheticre constructionofthe trachea and bafu-rcation[J].Thorax，1985，40(1)：32-36.
[3]劉德若，王福忠.人工氣管的實驗研究[J].白求恩醫(yī)科大學學報，1888，14(增刊)：147-150.
[4]徐艷，張佩華，王文祖.紡織結(jié)構(gòu)生物復合材料人工氣管的開發(fā)[J].安徽教育學院學報，2004 20(4)：11-13.
[5]鄧衛(wèi)軍，史宏燦，裴昶.成年離體豬氣管生物力學特性的實驗研究[J].醫(yī)用生物力學，2008，(5)：389-393.
[6]王憶勤，滕忠照.大鼠氣管零應力狀態(tài)[J].醫(yī)用生物力學，2001，(1)：6-9.
[7]楊林，武延格，紀靈，等.旋轉(zhuǎn)生物反應器用于提高組織工程氣管軟骨力學強度的實驗研究[J].中國生物醫(yī)學工程學報，2009，28(1)：103-107.
[8]李振宇，馬洪順，姜洪志.關節(jié)軟骨力學性能研究[J].試驗技術與試驗機，1989，(2)：7-9.
[9]馮元楨著.生物力學[M].北京：科學出版社，1983：251.
[10]Askew M J and Mow V C. The biome chanical function of collagen fibril ultrastructure of articular.cartilage[J].J Biomechanical Engineering，1978，22(1):5-8.
1細菌纖維素的結(jié)構(gòu)與特性
1.1細菌纖維素的結(jié)構(gòu)特點：BC是由葡萄糖分子以β-1,4糖苷鍵聚合而成的一種具有多孔性結(jié)構(gòu)及一定納米級孔徑分布的高分子材料[2]。早在1940 年，人們就用電鏡觀察到BC由獨特的束狀纖維組成，這種束狀纖維的寬度大約為100 nm，厚度為3～8 nm，每一束由許多微纖維組成，而微纖維又與其晶狀結(jié)構(gòu)相關。術醋桿菌（A.xylinum）是合成BC最強的細菌之一[3]，BC的生物合成可分為聚合、分泌、組裝、結(jié)晶四大過程，這四大過程是高度耦合的，并和細胞膜上的特定位點密切相關。
1.2 細菌纖維素有許多獨特的性質(zhì)：①強的持水性和透氣性：BC是一種水不溶性的惰性支持物，有很多“孔道”,有良好的透氣、透水性能。依據(jù)合成條件的不同，它能吸收60～700倍于其干重的水份[2]，未經(jīng)干燥的BC的強持水性能(waterretentionvalues，wRv)值高達1000%以上，冷凍干燥后的持水能力仍超過600%。經(jīng)100℃干燥后的BC在水中的再溶脹能力與棉短絨相當，即有非凡的持水性,并具有高濕強度[4]；②高化學純度和高結(jié)晶度：BC是一種“純纖維素”，以100%纖維素的形式存在,不含半纖維素、木質(zhì)素、果膠和其他細胞壁成分,結(jié)構(gòu)單一，提純過程簡單；③較高的生物適應性和生物可降解性：Helenius等[5]開展了BC植入小鼠皮下組織的生物適應性研究及Klenm等[6]用BC微管材料取代老鼠頸動脈的研究都表明BC與老鼠身體沒有任何排斥反應。在自然環(huán)境中,在酸性、微生物以及纖維素酶催化等條件下可最終降解成單糖等小分子物質(zhì)，不污染環(huán)境，是環(huán)境的友好產(chǎn)品[7]；④高抗張強度和彈性模量：纖維直徑在0.01～0.1μm之間,纖維模數(shù)為一般纖維的數(shù)倍至十倍以上，BC經(jīng)洗滌、干燥后,楊氏模量可達10MPa,經(jīng)熱壓處理后,楊氏模量可達30MPa,比有機合成纖維的強度高4 倍；⑤BC生物合成時具有可調(diào)控性：通過采用不同的培養(yǎng)方法、培養(yǎng)條件，可以得到各種不同性質(zhì)BC[8]，在BC合成過程中及合成后都能對其結(jié)構(gòu)進行修飾，如木醋桿菌能利用葡萄糖與乙酰葡萄胺合成N-乙酰氨基葡萄糖,并以4%的比例將N-乙酰氨基葡萄糖連接在BC上[9]；⑥極好的形狀維持能力和抗撕力：BC膜的抗撕能力比聚乙烯膜和聚氧乙烯膜要強5倍；⑦抗菌性和防腐性：研究表明質(zhì)量分數(shù)為3%e-PL溶液處理后的BC膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有足夠的抑菌效果；⑧可利用廣泛的基質(zhì)進行生產(chǎn)。
2細菌纖維素的研究與應用
2.1 細菌纖維素的形成機制等基礎研究：1886年，Brown[10]最先發(fā)現(xiàn)并報道BC。他觀察到在醋酸發(fā)酵過程中培養(yǎng)基表面形成一層凝膠狀膜,經(jīng)進一步分析確定這是由醋酸桿菌發(fā)酵產(chǎn)生的一種纖維素物質(zhì),將其命名為纖維素薄膜。其后,很多課題組對 BC的形成機制做了研究，相關學者發(fā)表了一系列有關 BC的基礎研究論文。Hestrin等[11]在1947年第一次詳細闡明A. xylinum 合成纖維素的機制。Schramm等[12]在1954年報道了纖維素形成過程中的影響因素,研究了培養(yǎng)基以及相關抑制劑對其形成的影響,并于1957年研究了合成該纖維素的酶系統(tǒng)[13],同一個課題組的ElhananOGromet等[14]于1962年研究了纖維素合成過程中的中間產(chǎn)物。后期研究主要集中在A.xylinum 合成纖維素的生物模型機制。1977 年,Colvin等曾嘗試以一種單糖為原料利用纖維素合成酶全生物合成纖維素產(chǎn)品。1992～1993 年, Okiyama 等[15-16]報道了實驗室大規(guī)模培養(yǎng)及通過改進發(fā)酵罐的設計生產(chǎn)BC的文章。Fontana等將咖啡因和黃嘌呤添加到醋酸菌的培養(yǎng)基中，發(fā)現(xiàn)它們對纖維素的產(chǎn)量有促進作用。
2.2 細菌纖維素在非醫(yī)學領域的應用
2.2.1造紙工業(yè)：BC具有結(jié)晶度高、分子取向好、機械強度高的特點，添加到制漿中，纖維素大分子上的羥基產(chǎn)生氫鍵結(jié)合，紙張可以達到很好的濕強度、干強度、耐用性、吸水性等性能，可廣泛應用于各種特種紙。因此，Ajinomoto公司與日本三菱公司合作開發(fā)用于流通貨幣制造的特殊紙，生產(chǎn)出了質(zhì)量好，抗水性能好，強度高、抗膨脹性能的特殊紙品。加有菌纖維的高級書寫紙吸墨均勻性、附著性好。菌膠纖維機械勻漿后與各種相互不親和的有機、無機纖維材料混合后制造不同形狀用途的膜片和無紡織物布和紙張產(chǎn)品十分牢固。將其作為造紙原料，能免去一般植物纖維脫木質(zhì)素的制漿過程，提高紙張強度和耐用性。從而解決了廢紙回收再利用后紙纖維強度下降的問題，并可以利用其生物可降解性而有利于三廢處理和環(huán)保。
2.2.2食品行業(yè)：由于BC具有非常好的持水性、粘稠性和穩(wěn)定性，因此，在食品工業(yè)中可作為增稠劑、膠體填充劑等；同時也可以食品原料，用于飲料、功能食品的制造。利用Az纖維素的凝膠和高持水特性及其產(chǎn)物醋酸、醇酯和乳酸等混合物的特殊風味作為人造肉、人造魚、香腸、火腿腸中食品成型劑、增稠劑、分散劑、抗溶化劑、改善口感作為腸衣和某些食品的骨架，成為一種新型重要食品基料，有的發(fā)展成為保健食品。
2.2.3 聲學器材及建材方面：利用細菌性纖維素的高楊氏模量和很強的形狀維持性，味之素公司和日本紡織研究所組成的科研人員致力于利用BC的特殊物理性能制造高強度材料，攜手開發(fā)了用醋菌纖維素制造的超級音響、麥克風和耳機的振動膜，幾乎沒一種材料達到像醋酸纖維素膜那樣既高傳遞速度又高內(nèi)耗的雙優(yōu)性能。這大大改善了音質(zhì)利用高彈性高強度性質(zhì)產(chǎn)生的建材及塑料，其安全性更高。
2.2.4 重金屬吸附材料：功能性BC作為一種重金屬吸附材料雖已有報道，但其吸附性能相對不高。所以，為了提高BC膜材料的吸附性和選擇滲透性，利用生物、化學方法對BC進行改性以獲得更高吸附性能的BC復合材料也在研究中。Tokura等[17]在利用Acetobacter xylinum制備BC的培養(yǎng)基中加入羧甲基纖維素(Carboxymethyl Cellulose，CMC)或羧甲基甲殼素，制得了具有一定取代度的羧甲基BC(CM．BC)，它具有較好的離子交換能力，與BC相比，CM-BC對鉛和鈾離子有特殊的吸附能力。
2.2.5 紡織行業(yè)：由于纖維素的高度吸水性、持水性，故在紡織工業(yè)上有廣泛應用，如毛巾等日常用品。服裝方面，在面料中加入這種物質(zhì)后，其方便性增強，舒適感增加，還可以作為精密儀器的防潮材料。
3細菌纖維素在醫(yī)學領域的應用
3.1 在組織工程中的應用：2005年，Schumann[18]將BC長期植入老鼠體內(nèi)（1年），然后借助組織免疫和電子顯微鏡等手段研究老鼠的內(nèi)皮細胞、肌肉細胞、彈性結(jié)構(gòu)和結(jié)締組織等不同結(jié)構(gòu)的變化。同年，Svensson等[19]發(fā)現(xiàn)以BC作為軟骨組織工程支架效果良好，利用牛軟骨細胞來評價自然的BC材料,結(jié)果表明，未經(jīng)修飾的自然BC材料在保持良好的機械性能的前提下，Ⅱ型膠原基質(zhì)可達到正常軟骨表達的50%左右，并且支持軟骨細胞的增殖。接下來,未修飾的BC被進一步用于人軟骨細胞研究,發(fā)現(xiàn)其支持人軟骨的增殖,同時透射電鏡（TEM）也進一步證實軟骨細胞向BC支架內(nèi)生長的事實。Bodin等[20]用硅樹脂作為模具，制備出半月板形狀的BC材料，綜合BC材料的優(yōu)異力學性能。良好的塑形性能，并且維持軟骨分化、支持軟骨細胞的遷移增殖。Hong[21]、Wang[22]和Hutchens等[23]的研究發(fā)現(xiàn)BC可做為一種合適的基質(zhì)用于生物陶瓷沉積和晶核的形成。2009年，鄭敬彤等[24]研究大鼠脂肪干細胞與BC膜的復合培養(yǎng)結(jié)果表明生長于BC膜上的脂肪干細胞不僅能夠增殖，隨著培養(yǎng)時間的延長，細胞數(shù)量不斷增加。免疫熒光染色結(jié)果顯示，脂肪干細胞在BC材料上仍能很好表達脂肪干細胞標記蛋白，保持脂肪干細胞原有的生物活性。預期將來BC在組織工程領域會有較大的應用空間。在軟骨或骨組織工程研究中，BC以其獨特的性能、在濕態(tài)時優(yōu)異的力學性能、原位可塑性開始受到關注。
3.2 細菌纖維素在人工血管和顯微外科的應用：1991年， Yamanaka等首次研究BC用于人工血管。2001年和2003年Klem 等[25] 就報道了一種利用Acet0bacter xylinum原位成形制備的BC應用于顯微外科手術的人工血管。2004 年，Klemm等[26]進一步證實BASYC具有生物活性和相容性，BC完全符合顯微外科中人工血管的物理和生物要求。2006年，Henrik等研究了BC作為潛在的組織工程血管支架的機械性能，結(jié)果表明細菌纖維的應變能力與動脈血管相似,這很可能是由于納米纖維結(jié)構(gòu)的相似性造成的。PaulA Charpentier等[27]把醫(yī)用聚酯纖維經(jīng)過等離子體親水改性后，在表面涂層BC制成基于BC的血管修復裝置，克服了用聚酯和其他涂層劑制作血管修復裝置存在的問題。Bodin等[28]研究了Acetobacter xylinum 原位靜態(tài)培養(yǎng)時不同濃度的氧含量對BC管機械性能的影響說明了BC材料可以提供內(nèi)皮細胞良好的黏附增殖。Ananda等[29]用特殊發(fā)酵方法制備了管狀BC，這種管狀BC機械性能好，可應用于人工血管的制備。
3.3 在人工皮膚和創(chuàng)傷敷料的應用：巴西自1987年以來有近10個皮膚傷病醫(yī)療單位已報道400多例應用醋菌纖維素膜治療燒傷、燙傷、皮膚移植、創(chuàng)傷等治療取得成功[30-31]，已發(fā)展成人工皮膚、紗布、繃帶和“創(chuàng)可貼”等傷科敷料商品。馬霞[32-34]報道了以BC作為創(chuàng)傷輔料的研究，也發(fā)現(xiàn)BC膜表面孔徑具備作為人工皮膚支架的物理條件，適于成纖維細胞和毛細血管的長入。Phisalaphong等在發(fā)酵培養(yǎng)基中添加低分子質(zhì)量的殼聚糖以培養(yǎng)微生物，并制備出了殼聚糖/BC復合材料，該材料在處理燒傷、褥瘡、難以愈合的傷口以及需要頻繁更換敷料的傷口等具有很好的應用價值。Maneerung等制得的摻雜有納米銀粒子的BC復合材料對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有抗菌效果，用其制成的創(chuàng)傷敷料能大大減少傷口感染風險。為了應用于皮膚創(chuàng)傷，在1990年，F(xiàn)ontona等[35]首次報道了厚度可變的BC膜在作為手術縫合線、去疤痕等方面的應用。Slezak等[36]將BC膜產(chǎn)Bioprocess作為傷口敷料，結(jié)果表明BC膜具有低選擇性、對水和其它溶液易透過性（葡萄糖水溶液、蔗糖、乙醇、Nacl、Kcl等）的特點。他們認為這些材料可用于燙傷和潰瘍的治療。Czja等[37]研究了BC在治療二級和三級燒傷方面的應用前景,他們對20 例患者做了一項醫(yī)學研究: 將BC創(chuàng)傷敷料直接覆蓋在新鮮燒傷達9%～18%創(chuàng)面上,接下來觀察創(chuàng)傷以及傷口周圍環(huán)境的變化、觀測表皮生長、檢測微生物和研究組織病理學,結(jié)果顯示, BC是一種很好的促進燒傷愈合的材料。
4設想與展望
細菌纖維素作為一種極具應用潛力的生物學材料，雖然人們發(fā)現(xiàn)的較早，但對其功能特性的研究僅10年左右，因此，我們應從分子生物學的角度對其加以深入研究，進一步明確其生成和作用機理，拓展其新的應用領域。BC最重要特性之一是純度極高，這也是BC與植物纖維素的主要區(qū)別。通常除去植物纖維素的半纖維素和木質(zhì)素很困難。由于BC這種獨特的性質(zhì)，使其具有超微纖維網(wǎng)結(jié)構(gòu)。目前，BC應用的主要技術障礙：①發(fā)酵水平較低,產(chǎn)量低、成本高、價格不抵普通植物纖維素；②進一步研究和利用BC的成模和成型的工藝技術還沒有解決；③做為生物醫(yī)用材料,其與生物體長期作用效果、體內(nèi)的降解性，與宿主組織和細胞相容性,以及在體內(nèi)時BC的機械、物理和化學性能的變化等一系列問題還需要進一步研究。
要解決上述問題,今后的研究方向主要有兩個:①要研究設計可行的發(fā)酵設備及發(fā)酵工藝以提高纖維素產(chǎn)量,降低其成本；②要研制開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的BC生物醫(yī)用材料。因此，我們應采用基因工程和高密度培養(yǎng)等手段來提高BC的合成效率，同時應加強BC合成的動力學研究，設計合理的生物反應器，早日實現(xiàn)BC在我國的商品化。
[參考文獻]
[1]Yamanaka S.The structure and mechanical properties of sheets prepared from bacterial cellulose[J]. Mater Science，1989,24(2):3141-3145.
[2]李 ,王華平,陳仕艷. 一種潛在的組織工程支架材料-細菌纖維素[J].組織工程與重建外科雜志,2009,5(2): 111-113.
[3]范麗霞,王錫彬,楊先會.細菌纖維素生物理化特性及其應用[J].海南醫(yī)學院學報,2004,14(4):279-281.
[4]Yamamoto H,Horii H.Analysis of the crystal transformation Induced for vdonia cellulose by annealing at high temperatures[J].Mareomolecules,1993,26(3):1313-1317.
[5]Helenius G,Backdahl H,Bodin A.In vivo biocompatibility of bacterial cellulose[J].Biomed Mater Res A, 2006,76(2):432-438.
[6]Klenm D,Schumann D,Udhardt U.Bacterial synthesized cellulose-Artificial blood vessels for microsurgery[J].Prog Polym Sci,2001,26(3):1561-1603.
[7]Kenji T,Masashi F,Mitsuo T.Synthesis of Acetobacter xylinum bacteral cellulose composite and tis mechanical strength and biodegradability[J]. Mokuzai Gakkaishi,1995,41(8): 749-757.
[8]Watanabe K,Tarbchi M,Morinaga Y.Structural features and properties of bacterial cellulose produced in agitalted culture[J].Cellulose,1998,5(3):187-200.
[9]Shirai A,Takahashi M,Kaneko H.Biosynthesis of a novel polysaccharide by Acetobacter xylinum[J]. International Journal of Biological Macromolecules,1994,16(6): 297-300.
[10]Schramm M,Hestrin S.Factors affecting production of cellulose at the air- liquid interface of a culture of Acetobacter xylinum[J].J General Microbiol,1954,11(3):123-129.
[11]Schramm M,Gromet Z,Hestrin S.Synthesis of cellulose by Acetobacter xylinum. IV. Enzyme systems p resent in a crude extract of glucose grown cells[J].Biochem J,1957,67(5):679-689.
[12]Elhanan O,Gromet Z,Hestrin S.Synthesis of cellulose by Acetobacter xylinum. VI growth on citric acidcycle intermediates[J].Bacteriology,1962,85(3):284-292.
[13]Okiyama A,Shirae H,Kano H,et al.Bacterial cellulose two stage fermentation process for cellulose production by Acetobacter aceti[J].Food Hydrocolloids,1992,6(5):471-477.
[14]Okiyama A,Motoki M,Yamanka S.Bacterial cellulose III. Development of a new form of cellulose[J]. Food Hydrocolloids,1993, 6(6):493-501.
[15]Sakairi N,Suzuki S,Ueno K,et al.Biosynthesis of hetero-polysacch arides by Acetobacter xylinum-synthesis and characterization of metalion adsorptive properties of partially carboxymethylated cellulose[J]．Carbohydrate Polymers,1998,37(4):409-414.
[16]Svensson A,Nicklasson E,Harraha T,et al.Bacterial cellulose as a potential scaffold for tissue engineering of cartilage[J].Biomaterials,2005,26(5):419-431.
[17]Hong YL,Wang SR,Jia，et a1．Hydroxyapatite-bacterial cellulose composites synthesized via biomimetie route[J]．Materials Leaers，2006,60(2):1710-1713.
[18]Wang YZ,Huang Y,Yuan CD.Biomimetic synthesis of hydroxyapatite-bacterial cellulose nanocomposites for biomedical applications[J].Materials Science and Engineering C，2007，27(4):855-864.
[19]鄭敬彤,石 毅,賈原媛,等.大鼠脂肪干細胞與細菌纖維素膜的復合培養(yǎng)[J].中國組織工程研究與臨床康復,2009,13(1): 84-87.
[20]Klemm D,Schumann D,Udhardt U,et al.Bacterial synthesized celluloseOartificial blood vessels for microsurgery[J].Polymer Science,2001,26(3):1561-1603.
[21]Paul A.Charpentier，Anne Magnire．Surface modification of polyester to produce a bacterial cellulose-based vascular prosthetic device[J].Applied Surface Science，2005，9(3)：64-68.
[22]Bodin A.Backdahl H,Fink H.Influence of cultivation conditions on mechanical and morphological properties of bacterial cellulose tubes[J].Biotechnology and Bioengineering，2007,97(2):425-434.
[23]Ananda P，Akira K，Hidemitsu F，et a1.Tubular bacterial cellulose gelnm oriented fibrils on the curved surface[J].Polymer,2008,49(4):1885-1891.
[24]Geyer U,March S,Schmaceder HP.Formation derivation and application of bacterial cellulose [J].Biol Macromol,1994,16(2):343-347.
[25]Fumihiro Y，Naoco T，Kumibiko W.Research progress in production of bacterial cellulose by aeration and agitation culture and its application as a new industrial material[J].Biosci Biocech Biochem，1997,61(3):219-224.
[26]馬 霞, 陳世文, 王瑞明,等.納米材料細菌纖維素對大鼠皮膚創(chuàng)傷的促愈作用[J].中國臨床康復,2006,12(37):45-48.
[27]馬 霞, 張 華, 陳世文,等. 生物新材料細菌纖維素與深Ⅱ度燒傷大鼠皮膚的創(chuàng)面愈合[J].中國組織工程研究與臨床康復, 2009,13(34):6793-6796.
[28]馬 霞, 張 華, 陳世文. 細菌纖維素膜作為創(chuàng)傷性敷料的可行性[J].中國組織工程研究與臨床康復,2010,14(12):2261-2264.
[29]Fontana JD,De Souza AM,Fontana CK,et al.Acetobacter Cellulose Pellicle as a Temporary Skin Substitute[J].Appl Biochem Biotechnol,1990,24(25):253-264.
[30]Slezak A,Kucharzewski M,Sicron A,et al.Testing the osmotic-diffusion properties for the membranous dressing Bioprocess[J].Polim Med,1998,28(3-4):3-10.
