2.2 生物体与生物材料相互作用

2.2.1 生物学环境

2.2.1.1 生物材料所处的生物学环境

生物学环境指处于生物系统中的生物材料周围的情况和条件，包括与其接触的体液、有机大分子、酶、自由基、细胞等多种因素。当然，生物环境也受到材料自身组成和性质的影响，如生物材料的降解产物可能改变与其邻近体液的pH值和组成等。植入的动物种系、植入位置、应用目标、手术设计和创伤程度也与之有关。

生物环境建立在部分或全部的有机材料（分子和组织）之上，大多数变化是通过一个活跃的、需要能量的控制系统来调节的，这种变化受特殊的生物催化剂（酶）的作用，其能量来源是耦合反应产生的化学能。这些生物系统之间还在局部或整体范围内存在着相互作用，因此在生物体内引入外来材料会引发生物主体的反应，这种反应可能是局部的，也可能是系统水平的。

2.2.1.2 细胞的表面结构与粘附分子

生物学反应经常被认为发生在溶液相，但是实际上生物学上大多数反应是发生在界面上的。典型的生物学界面包括：细胞表面/细胞外基质、细胞表面/植入材料表面、细胞外基质/生物大分子、水化组织/空气（肺）、矿物质/蛋白质（骨）。

在生命体系中，细胞之间以及细胞与细胞外基质之间的相互作用是从细胞表面开始的。细胞膜表面的寡糖链形成细胞外被，细胞膜下的表层溶胶中有由细胞骨架成分组成的网络结构，除对质膜有支持作用外，还与维持质膜的功能有关，所以这部分细胞骨架又被称为膜骨架。细胞外被、细胞膜和表层胞质溶胶构成细胞表面。细胞膜由流动的磷脂双分子层和嵌在其中的蛋白质组成。磷脂分子以疏水性尾部相对，极性头部朝向水相组成生物膜骨架，蛋白质或嵌在脂双层表面，或嵌在其内部，或横跨整个脂双层，表现出分布的不对称性。其中，细胞膜的功能性主要是由膜蛋白的功能性来体现的，细胞的特异性的识别和粘附都是通过由糖基化的蛋白以及蛋白多糖来实现的。

细胞粘附分子是指由细胞产生、存在于细胞表面、参与细胞与细胞之间及细胞与细胞外基质之间相互作用的一类分子。目前已经发现上百种细胞粘附分子，它们可大致分为五类：钙粘素、选择素、免疫球蛋白超家族、整合素及透明质酸粘素。这些细胞粘附分子都是跨膜糖蛋白，少数为糖脂，分子结构由三部分组成：①胞外区，肽链的N端部分，带有糖链，负责与配体识别；②跨膜区，多为一次跨膜；③胞质区，肽链的C端部分，一般较小，或与质膜下的骨架成分直接相连，或与胞内的化学信号分子相连，以活化信号转导途径。粘附分子是以受体—配体的形式发挥作用的，它会导致细胞与细胞间、细胞与基质间的粘附，并参与细胞的信号传导与活化、细胞的伸展与迁移、细胞的生长与分化、炎症和血栓的形成、肿瘤的转移、创伤的愈合等重要的生理和病理过程。其中整合素（Integrin）为特异性细胞粘附分子，介导细胞与细胞间的相互作用及细胞与细胞外基质间的相互作用。整合素是由α（120～185 kD）和β（90～110 kD）两个亚单位形成的异二聚体。迄今人类已发现16种α亚单位和9种β亚单位。它们按不同的组合构成20余种整合素。虽然细胞表面其他的蛋白多糖和糖蛋白也具有粘附作用，如通过静电相互作用和疏水作用力，但是，它们都不具有特异性。

2.2.1.3 细胞外基质的结构

机体中除了细胞之外还有一些非细胞物质，称为细胞外基质（Extracellular Matrix，ECM）。它们是在机体的发育过程中由细胞分泌到细胞外的各种生物大分子，这些细胞外大分子在细胞周围高度水合，构成凝胶或纤维网络，结构精细而又复杂。细胞是通过特殊的细胞表面受体与周围的细胞外基质发生作用，将细胞骨架及细胞内信号通道与细胞外基质连接起来的。

细胞外基质的种类繁多，成分很复杂，主要包括：胶原、非胶原糖蛋白、氨基聚糖与蛋白聚糖、弹性蛋白等。细胞外基质的成分及组装形式由产生它的细胞决定，并与组织的功能相适应。如角膜的细胞外基质是透明柔软的片层，肌腱的细胞外质基则非常坚韧。细胞外基质不仅对细胞产生支持、连接、保水、保护等物理作用，而且在细胞的存活、死亡、增殖和分化以及组织的再生与修复方面发挥着重要作用。细胞外基质在生命演绎过程中不仅仅是广泛存在于多种组织与器官中的被动角色，最近的研究表明，细胞外基质还是完全动态的。正如身体内的其他结构一样，它一直处于不断的更新过程中，而且在组织修复和胚胎发育的过程中更是重要的结构。

细胞外基质是一群具有特殊结构和功能的生物大分子，其基本结构骨架还是蛋白质，除胶原外，蛋白多糖的核心结构也是蛋白质，不过有氨基聚糖侧链的修饰。一般来说，胶原赋予细胞外基质抗牵拉引力，蛋白聚糖则结合大量的水分，使组织具有弹性、缓冲压。蛋白聚糖既有使细胞之间相互作用的能力与性质，又通过蛋白质—蛋白质之间的相互作用影响细胞外基质的组装过程。细胞外基质对各种类型的细胞的粘附、迁移、增殖、分化以及基因表达的调控具有重要的作用和显著的影响，在发育过程中有助于正常组织和器官的形成，在病态情况下参与修复过程。细胞外基质最突出的特点是重复性序列位点结构以及功能性位点结构。细胞外基质分子的一些重要特征如下：

（1）分子较大（分子量在105～106），从而具有非常弱的扩散性；

（2）具有多个活性位点，不但提供细胞结合位点，同时也提供与其他ECM结合的位点；

（3）能调节细胞的生物学活性，包括分化、凋亡和迁移；

（4）能在力学的作用下改变构象，从而暴露更多的活性结合位点；

（5）许多关键的结合区域都能被一些小肽所模拟；

（6）通过结合整合素分子对游离的哺乳动物细胞保持一定的限制；

这些特点对于理解细胞外基质在组织工程中的应用都很关键，尤其是ECM或一些小肽经常被用于调节细胞的粘附、迁移和显型。

细胞外基质是所有组织中的一种复杂的、动态的和关键的成分。它的功能包括为组织的形成提供支撑、诱导细胞的增殖与分化、促进分化组织的稳定和促进创伤后组织的修复，是各种生长因子、细胞因子和化学信号储存的场所。胶原、粘附分子、蛋白多糖、生长因子、细胞因子和其他化学信号是细胞外基质的基本成分，这些成分的数量和类型都随着组织类型的不同而发生变化，在同一组织中也随着发育的不同阶段而发生变化。

2.2.1.4 细胞与细胞外基质的相互作用

ECM包括很多复杂的网络及凝胶结构，这些结构能够和组织中所有的细胞及其细胞骨架相互作用。ECM具有组织结构和传递信息的功能，不但为细胞提供力学支持，使得细胞能在上面进行迁移，而且有细胞通信的位点。细胞的表面有很多粘附分子和ECM受体用于细胞—ECM之间的通信。这些信号能够调节细胞的迁移、复制、分化和凋亡。在自然条件下，这些信号受到ECM成分的调节，而这些成分又受到组织中的细胞的调节。

组织动力学，也就是损伤或功能病变以后，组织的形成、功能化和再生是由无数独立细胞生命过程在时间和空间上的复杂结合，细胞的这些生命过程最初是由来自细胞外基质微环境的无数信号引起的。［2］简单地讲，这种相互作用是一种高度动态的、复杂的而又有序的生物物理和生物化学信号，是来自细胞外部的各种各样的细胞表面受体、各种细胞外信号途径综合作用形成的，这些信号一起调节基因的表达并最终形成组织。细胞周围包含很多信号分子的细胞外微环境是一种高度水化的网络结构，主要有三个方面的影响因素：①不溶性的水化的大分子（纤维蛋白，如胶原；非胶原糖蛋白，如弹性蛋白、层粘连蛋白，或纤粘连蛋白；具有大的糖基化侧链的亲水的蛋白多糖）；②可溶性的大分子（生长因子、细胞因子和化学因子）；③临近细胞表面的蛋白。细胞内和细胞外的这些影响因素分子的相互作用最终决定了细胞分化、增殖、迁移、凋亡和某种功能的体现。值得注意的是，细胞和细胞外基质之间的信号交流是高度互动的，例如细胞外基质的降解和重建。

2.2.2 材料与生物体内的相互作用

2.2.2.1 蛋白与表面相互作用

现在人们逐渐认识到，要想真正了解细胞和组织与生物材料表面的相互作用，必须首先认识其表面所吸附的蛋白与生物材料表面的相互作用，这种认识不仅仅局限于蛋白吸附的种类和数量，更重要的是要了解蛋白吸附后的构象变化。

很多材料植入体内后都能使伤口正常地愈合，它们的共同特点是，所有的这些材料都能很快地获得包含很多蛋白的蛋白层（由200种或更多的蛋白组成），但每一种材料表面都有不同的最大吸附量，同时这些蛋白具有不同的趋向和变性程度。在正常的生理条件下，这些材料从来不利用这些非特异性的蛋白片层，而是用一种或几种特异性的蛋白作为信号分子，这些蛋白具有特定的趋向和构象。

表面对于表面生物材料的研究非常关键。生物材料的表面决定了它与体液的相互作用，尤其是与蛋白质的相互作用，这种相互作用反过来又导致了一连串的反应，包括人体对材料的反应和表面与组织界面之间的反应。

研究表明，蛋白在材料表面的吸附首先是一个非常快的过程，接下来是一个动态变化的过程。吸附的成分不仅依赖于材料的表面化学性质、拓扑形貌和表面能，还和时间有关系。蛋白在表面吸附的速率主要依赖于几个因素：表面电荷的种类和数量、蛋白与表面之间的范德华力。

研究蛋白在表面的吸附主要有两种方式：等温吸附和吸附动力学。等温吸附不能监测吸附过程中的动态变化。在吸附的初期，吸附的过程也许是可逆的，但是在吸附的后期形成蛋白吸附层时，几乎没有蛋白分子能被溶剂分子取代。吸附动力学可能会提供最佳的信息使我们认识蛋白吸附与细胞事件的关系。在混合蛋白中，高浓度的蛋白会具有更高的扩散性，从而具有在表面吸附的更好的机会。即使这种蛋白把材料表面可提供的位点完全占据，但此时蛋白吸附层还是比较松散，很容易被那些与表面亲和力较高但浓度较低的蛋白分子所取代。

材料表面最终的蛋白吸附量不仅依赖于两者之间的亲和力，还和蛋白在材料表面的排列方式有关。虽然现在已经找到影响蛋白吸附动力的一些因素：材料的表面性能、溶剂条件（pH值、离子强度）及蛋白种类，但是仍然不能找到一条规律来预测蛋白在其他表面的吸附性能。

2.2.2.2 细胞与表面相互作用

一般来讲，生物材料已经被应用于很多方面，而在所有的应用中，材料表面与细胞和组织的相互作用是最重要的。除了最初应用于组织假体，近几年来，越来越多的是用于药物和细胞的载体，因此表征材料和细胞的相互作用成为材料的生物相容性研究的一个重要的方面。虽然这些性质对于生物材料的发展和应用具有非常重要的意义，但是最初材料和细胞的相互作用的概念很模糊，原因是这些作用的原理是非常复杂和难以理解的。虽然对生物材料的传统的研究已经使得很多的生物材料明显提高了它们的性能，但是如果不能更精确地了解生物学系统和周围环境的相互作用，就会有更多的问题出现。如果能够更加精确地了解这种相互作用，就能够更加容易地制备出新型的生物材料，这种材料就能够用于调节细胞的一些性质，比如细胞的增殖、分化和迁移。

细胞和生物材料的相互作用有两种主要的方式：特异性的和非特异性的相互作用。非特异性的作用通常很难控制，因为这种相互作用所基于的性质对于多数细胞类型来讲是共同拥有的，这些性质包括细胞的表面性质，如细胞膜表面的负电荷性、细胞膜表面的亲脂性膜蛋白和能够介导细胞在生物材料表面非特异性粘附的亲脂性细胞外基质蛋白；相反，特异性的相互作用更加容易控制，这是因为它们的相互作用基于特定的化学和生物学结构，如能够和细胞表面受体结合的配体。“生物仿生化”和“生物活性”的材料能够控制这些精细的相互作用。

一种方法是将整合素受体引入生物仿生化的材料，从而促进细胞自生物材料表面的粘附，这些材料主要是将RGD短肽引入材料的表面。材料表面出现的与细胞受体结合的配体能够决定细胞与表面相互作用的强度、细胞在材料表面的迁移速率和细胞骨架形成的范围。这些生物学的相互作用依赖于很多的因素，如受体和配体的亲和性、配体的密度和配体的空间分布，这些因素对于材料的设计都是非常重要的。另一种是将一些可溶性的生物活性分子引入材料，如生长因子从材料中释放，与细胞表面的受体相互作用而影响细胞的增殖和分化。这种分子识别可以通过控制一些材料的设计参数来实现。

2.2.2.3 组织与表面相互作用

目前大多数生物材料的表面如果暴露在伤口处就会使正常的愈合过程停止，接下来发生如下反应：在最初的几秒里，蛋白会从周围的体液中沉积到材料的表面，这层沉积的蛋白能够控制进一步的细胞的反应。由于吸附蛋白的成分和构象依赖于材料的表面性能，所以接下来吸附的蛋白会发生构象的变化或者被其他的蛋白取代而解吸附。植入材料表面与临近的组织会发生动态的反应，但是由于力学和化学信号的刺激使得植入材料引发炎症反应，所以粘附在这些材料表面的巨噬细胞不能识别这些材料，只能在表面铺展力图吞噬这些材料，但是它们不能消化这样大的材料。为了增加它们的作用力，它们就融合在一起形成多核的巨细胞，当然，这些细胞仍然不能吞没这样大的医学装置，于是巨细胞就向机体发出信号——这里有大的异物需要被包裹，于是成纤维细胞在巨细胞的引导下来到这里，分泌胶原产生纤维包囊。这种包裹的植入材料使得它们能够不被机体的免疫系统所识别。虽然这个过程还没有完全被弄清楚，但是多数专家对上述的内容表示认可。在植入材料和机体相互作用的过程中，聚集的一些介质引起了材料的降解，水解和氧化使得材料逐渐失去力学性能并且释放出降解产物。