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前沿丨生物医用高分子 精选

已有 1861 次阅读 2018-9-18 13:58 |个人分类:科学书摘|系统分类:观点评述

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生物医用高分子泛指一切应用于诊断、治疗和器官修复与再生等生物医学领域的高分子材料,其应用有助于延长患者寿命、改善人体健康、提高人类生活质量。它是高分子科学的重要组成部分,是与材料、电子、机械、生物和医学等多学科高度交叉的研究领域。经过近百年的发展,生物医用高分子及其器件已成为现代医学各种诊断和治疗技术的基本辅助工具和材料,在现代医学中有着不可替代的作用,并不断推动各种创新性医疗技术的出现和发展。进入21世纪,随着社会文明的进步、生活环境的改善以及医疗技术的提高,人类的寿命在不断地延长,这使得人们更加关注疾病诊断和治疗技术的发展和临床应用。因此,生物医用高分子基础科学和产业化技术的发展必将发挥日益重要的作用。


生物医用高分子历史和研究概述


简要介绍了生物医用高分子的发展历史,并着重介绍了生物医用高分子的结构、分类、改性及应用等,并对生物医用高分子的研究和应用进行了展望。


可吸收植入器械


植入器械是目前获得广泛临床应用的生物医用高分子产品,也是目前发展最快的临床医疗产品之一。据统计,2015年世界市场已达3000余亿美元,2020年可达6000余亿美元,复合年均增长率高达22%以上。然而,遗憾的是,我国植入性医疗器械企业虽数量众多,但都普遍规模偏小,高端产品主要依赖进口。本章主要介绍了可吸收植入器械产品在骨科领域、心血管领域、口腔科领域、皮肤科领域和术中常用医用耗材领域中应用和发展现状。可以看出,随着我国植入性医疗器械企业不断整合创新,不断取得新的技术突破,植入性医疗器械的国产化能力将持续加强,并日趋成为高端医疗器械领域内重要的突破口。未来,我国植入性医疗器械行业将有望引领高端医疗器械领域国产化浪潮。


组织工程支架材料


组织工程是材料学、工程学和生命科学共同发展并相互融合的产物,是在正确认识哺乳动物的正常及病理两种状态下结构与功能关系的基础上,研究开发用于修复、维护、促进体内各种组织或器官损伤后的功能和形态的生物替代物的科学。本章首先系统介绍了骨、软骨、神经、血管、脏器、角膜和皮肤等组织、器官的基本特征,并提出修复和再生这些组织、器官各自所需的支架特性和要求;进一步阐明了如何通过调控材料结构和组成以及选择搭载药物或细胞,实现理想的组织修复或再生。


生物可降解水凝胶


高分子水凝胶是一种由亲水性的聚合物通过物理或者化学相互作用形成的交联网状结构,因其含水量很大、具有一定的力学强度和多孔的性质以及与天然的细胞外基质(ECM)相类似的结构,已被广泛应用于药物缓控释和组织工程。本章系统介绍了温敏性水凝胶、化学交联水凝胶和酶交联水凝胶的材料结构特点及其在药物缓控释和组织工程等领域的研究和应用发展现状。


抗肿瘤纳米药物载体


化疗是癌症治疗的三大基本手段之一。然而,化疗药物通常存在水溶性差、靶向性差、以及毒副作用大等诸多问题。因此,如何设计纳米药物载体实现化疗药物的高效担载和靶向传输是获得安全高效的抗肿瘤药物给药体系的关键所在。本章首先概述了肿瘤组织的基本特征和纳米药物载体的优势,随后详细介绍了几种常见的高分子纳米药物载体类型,进一步重点介绍了被动靶向和主动靶向纳米药物载体的研究现状和设计理念。


新型缓控释给药系统


这里介绍了两种新型缓控释给药系统——胰岛素的口服给药系统和吸入型肺部给药系统。


糖尿病是一组以高血糖为特征的代谢性疾病,是目前严重威胁我国居民健康的四大类慢性病之一。据媒体报道,2016年底我国糖尿病患者总人数已达1亿,而且还在不断快速增长;预防和治疗的形势十分严峻。外源性胰岛素的补充是目前治疗糖尿病最有效和最主要的途径,但现行的给药方式仍以注射胰岛素为主。然而,注射胰岛素给药方式与正常的胰岛素药代动力学过程不同,经皮下或静脉注射后药物先经毛细血管、静脉系统回心脏,再经动脉系统到肝脏代谢及全身各效应细胞发挥作用,这使得胰岛素在外周血管滞留时间较长,造成诸多副作用。为了提高胰岛素制剂安全性、有效性和可接受性,长久以来,科学工作者一直致力于胰岛素非注射给药途径的研究。口服是最常见也是最容易被人接受的给药方式。胰岛素通过口服的形式给药后在肝门静脉中浓度最高,能够更好地模拟生理状态下胰岛素的分泌和代谢模式。然而,低的生物利用严重制约了口服胰岛素给药开发和应用。本节将为你详细介绍口服胰岛素面临的主要障碍和解决方案,并着重介绍了利用高分子材料作为口服胰岛素给药载体的设计策略和研究进展。


肺部给药系统指能将药物传递到肺部,产生局部或全身治疗作用的给药系统。它在治疗肺炎、肺癌、哮喘、急性肺损伤、肺气肿、肺囊性纤维化、慢性阻塞性肺病等肺部疾病方面有着独特的优势,比如,能有效地将药物运送至肺部,从而减少药物用量,降低毒副作用;可避免肝脏的首过效应,提高药物的生物利用度等。据统计,全球肺部给药系统市场规模在2018年将达4390亿美元,因此肺部给药具有广阔的市场前景。本节首先介绍了肺部的生理结构、给药方式和剂型分类,并围绕如何改善制剂类型以提高肺部沉积率,实现药物在肺部缓慢释放,阐述了肺部给药体系的设计策略和最新研究进展。


高分子基因载体


基因治疗是从20世纪70年代发展起来用于预防和治疗疾病的具革命性的生物医学医疗技术,其原理是将人或动物的正常基因或有治疗作用的基因物质通过一定方式导入患者靶细胞中以纠正或补偿因基因的缺陷和异常引起的疾病,从而达到治疗或改善某种疾病的目的。基因治疗是伴随DNA重组技术发展起来的一种新型治疗手段,它被认为是医学和药学领域的一次革命,有望彻底地治愈由基因缺陷或异常而引起的各种疾病,是当今生物医学发展重要的里程碑之一,同时也必将对传统制药业产生深远的影响和巨大的冲击。目前,制约基因治疗的主要瓶颈问题在于如何将目的基因运输到靶细胞,并实现高效的基因转染。高分子基因载体近年来备受研究者的追捧。相比于其他类载体,阳离子聚合物更加安全有效,易于设计,并且种类繁多,极有潜力成为理想的安全、高效、可控的传递载体。本章首先详细介绍了高分子基因载体的种类及其功能化改性策略,进一步系统总结了高分子基因载体在疾病预防、早期诊断与疾病治疗等领域的应用,并对其未来研究和应用的发展方向进行了展望。


医用高分子材料的表面与界面


生物医用材料在应用过程中首先面临的是材料表面与人体组织及体液的相互作用问题,这种相互作用不但决定了材料的生物相容性,还关乎材料能否诱导相关生物学活性,从而实现特定应用中的生物医用功能。因此,全面了解生物物质与材料之间的相互作用并实现对这些作用的调控对于生物医用材料的发展至关重要。生物体与材料表面的相互作用主要涉及蛋白质吸附、细胞界面行为以及多糖和核酸等生物大分子的界面反应等,其中前两者的影响为广泛。本章首先介绍了蛋白质在高分子材料表面的吸附过程、吸附的影响因素和相关的研究方法,随后介绍了细胞在材料表面的界面行为及其影响因素,最后重点介绍了如何通过化学或物理的方法对高分子材料表面进行改性修饰,从而实现表面与生物物质之间相互作用的特定调控。


尽管生物医用高分子材料已在临床上获得广泛的应用,但目前获得临床应用的生物医用高分子仍以不可降解的惰性高分子以及少部分生物可降解高分子为主。而近年来,医疗技术的发展和日益增长的医疗需求,都对生物医用高分子研究提出了新的要求和挑战。本书紧密围绕这些全新的挑战和要求,全面总结了生物医用高分子在相关前沿研究领域的发展现状,并展现了其巨大的发展潜力和市场前景。然而,需要指出的是,这些研究方向还存在一些基础的科学和产业化技术问题尚待解决,离实际的临床应用还有一段距离。这需要更多的科研人员精诚合作,共同努力;这也是撰写本书的初衷所在——意在抛砖引玉,跟同行共勉、互相学习、共同努力。


《生物医用高分子》出版之际,恰逢中国科学院长春应用化学研究所建所70周年,谨以此书献给中国科学院长春应用化学研究所建所70周年所庆!


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作者简介

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中国科学院张希院士作序


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 生物医用高分子

陈学思  陈红  著

责任编辑:翁靖一  

北京:科学出版社 2018.09

ISBN:978-7-03-058793-0


生物医用高分子材料是临床医疗中广泛应用的材料之一,是医疗器械和其他医疗用品不可或缺的组成部分。近年来,医疗技术的发展和日益增长的医疗需求,都对生物医用高分子的研究提出了新的挑战。本书从简要介绍生物医用高分子的发展历程和应用领域入手,紧密围绕目前临床急需的医疗产品方向,总结了近年来生物医用高分子材料在可吸收植入器械、组织工程支架材料、生物可降解水凝胶、抗肿瘤纳米药物载体、新型缓控释给药系统、高分子基因载体、医用高分子材料的表面与界面等相关领域的研究进展,并对其发展前景进行了展望。全书密切结合本领域前沿研究方向,期望在给读者介绍本领域研究进展的同时,为本领域研究带来启发和思考。


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(本期编辑:安 静)


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