人与自然 系列丛书-第185章
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医用高分子材料是生物材料中的最大家族。事实上，正是由于高分子科学的发展才确立了生物医学材料的学科地位。医用高分子材料，包括合成和天然高分子，品种达100多种，已被广泛应用于各种韧带、肌腱、皮肤、血管、角膜、骨和牙以及各种人工器官脏器的修复和制造。医用高分子材料所包括的范围虽然较繁杂，但大致上可归纳为5个方面：即软组织替换材料、硬组织替换材料、生物降解材料、组织工程材料（又称杂化生物材料、生物化材料或第三代生物医学材料）、药物传递系统、粘接剂和高分子药物等。
根据材料的性质分为生物降解和非生物降解材料两大类。所谓降解型高分子材料是指材料在植入体内后，可在生物环境作用下发生结构破坏和性能蜕变，最终通过体内新陈代谢分解而排出体外，如胶原、纤维素、聚氨基酸、壳聚糖及某些聚酯材料等；非降解型高分子材料则相反，可作长期植入之用，如常见的聚乙烯、聚丙烯、硅橡胶、聚砜、聚丙烯酸酯（有机玻璃）等。
生物复合材料是上述三种材料任意两种以上复合而成的。生物医学材料的研究仍属于仿生学范畴。从材料科学观点来看，几乎所有的生物体组织和器官，都是由两种或两种以上材料复合而成。如骨骼和牙齿可看作是由胶原蛋白、多糖基质等天然高分子构成的连续相和弥散于其中的羟基磷灰石晶粒复合而成。皮肤、肌肉、肌腱、韧带等是由弹性硬蛋白和胶原蛋白所组成。
当然，也可根据材料行为分为近于生物惰性的、生物活性的和可生物降解的三种基本类型。前面提及的组织工程材料也可看作是一类特殊的“活”复合材料。这为将来获得真正具有“生命活力”的生物材料开辟了广阔的道路。
生物材料虽然已经在临床上得到了广泛应用，并得到了医学界、化学界、材料学界乃至经济学界人士的高度重视，但它距离人们的真正期望和要求相差甚远。因此，它仍然是一类正在高速发展的“未来材料”。
生物医学的应用历史
生物医学材料的应用历史与人类历史一样漫长。早期人类主要是利用各种天然材料或从已有的材料中寻求比较适合于人体组织的人工材料，如采用马鬃、棉花等缝合伤口，用木板、铜、铁、金等修复颅骨、牙齿，用金属丝固定断骨等。这类材料并没有明确的生物相容性、可靠性要求，所使用的材料也多由于感染、失效而被淘汰了。
进入19世纪中叶以后，由于冶金、工业和医学的进步，人们在详细分析和测定了生物体各种物质、组织和器官成分、结构和性能基础上，开始有意识地通过成分、结构模仿，或采用与人体组织的结构成分相类似材料来发展多种新型生物材料，如羟基磷灰石、胶原、生物衍生材料、多肽等。生物医学材料的应用也由于高分子学说的建立而获得较大发展。
近年来，随着世界性高技术的发展和生命科学、材料科学的进步，人们开始逐渐加深了对生物体内各种细胞、组织、生长因子、生长抑素及生命机制的了解，在此基础上建立了研制第三代具有促进人体组织器官自身修复和再生作用的生物医学复合材料新概念。这类材料一般是由具有生理“活性”的组元及具有控制培养作用的载体非“活性”组元复合而成。这可称得上是材料科学、生物技术、医学、药学等方面共同协作努力的成功典范，具有极为光明的发展前景。
生物材料研究是一项多学科交叉的课题，涉及跨学科的多门类知识，是集基础科学、工程技术、临床医学和药学于一体的学科。生物医学材料研究的最终目的是用其能够完全替代或修复人体病变、衰竭或损伤的各种组织和器官，并实现其生理功能。
生物陶瓷在医学上的妙用
一个生命垂危的心脏病患者躺在手术台上，无形灯下，医生用娴熟的手法切开了病人的胸膛，把患者已不能正常“工作”的心脏瓣膜取下，将一个精巧的“人工合成心脏瓣膜”换上去。。经过一系列治疗，把病人从死亡线上抢救过来。类似的方法20多年来已使50万以上的病人摆脱了死神的魔爪。
你知道这种神奇的人工合成心脏瓣膜是用什么材料制造的吗？说出来你也许会大吃一惊，那竟然是我们每个人每天都要接触的“陶瓷”——当然，并不是普通的陶瓷。
陶瓷，可以说是人类最早运用的材料之一，在中华民族历史上，它的渊源几乎可以追溯到青铜器之前，那就仅次于石器了。近年来，现代科学技术的发展，又赋予了陶瓷新的“生命”，它不仅作为传统的生活用品，而且在工业、航空、医学等领域都大显身手。尤其是70年代以后，随着氧化铝多晶和单晶陶瓷的引入和广泛应用，开创了崭新的生物陶瓷时代，继氧化铝陶瓷后又发现了许多生物性能优良的陶瓷材料，在大量临床基础医学研究的同时，生物陶瓷的品种日渐繁多，满足着不同的临床需要。
生物陶瓷是用来达到特定的生物或生理功能的陶瓷材料。它包括：接近惰性的材料；能完全被吸收的陶瓷；可控制表面活性的陶瓷。由于生物陶瓷具有优良的生物相容性，被广泛地用于人工牙齿（根）、人工骨、人工关节、固定骨折用的器具、人工心脏瓣膜、人工眼等。
例如，基于氧化铝陶瓷优良的生物相容性、耐磨损、机械强度高等特征，已使其广泛应用于各种关节的置换，取代已失去功能的关节，达到恢复其各种功能的作用。它不仅能使许多患者的手、脚重新灵活自如，更能使一些失去听力的患者由于换上人工听小骨后部分或全部地恢复听力。
人工心脏瓣膜的工作环境十分苛刻，它要求在湍流和近滞流的区域抗凝血，要求耐10亿或更多次荷载冲击而不产生明显疲劳的磨损。
碳质生物陶瓷正好具有良好的血液相容性和生物相容性，它作为瓣膜材料与血液接触不产生凝血，耐磨损度竟可达钛同高钴铬钼耐蚀耐热合金的30倍！碳假体还被用于牙科植入，其弹性和负载性能十分适宜。
此外，生物活性陶瓷和生物降解陶瓷可作骨科和牙科的良好修补材料；电热陶瓷在医用热象仪中的应用使许多疾病的诊断变得更加快速更加可靠；声誉鹊起的各类超声波医疗仪器则是以压电陶瓷作为主要的换能器件；磁性陶瓷在“磁疗”中的作用更是妇孺皆知；尤其令人称绝的是一种敏感陶瓷，它能使医生在患者的医学参量测定中做到深入、广泛，从而为诊治提供更科学的依据。。你看，古老的陶瓷和新兴的科学技术的结合能为人类创造多少“福音”！
生物陶瓷在未来的岁月中还会有更广阔的发展前景！
细胞融合术和植物“激光技术”
本世纪60年代初，日本科学家冈田善雄首创了细胞融合术。他把仙台病素和人的细胞融合一起，打响了细胞融合的第一炮。冈田善雄预言，用他的新方法可以按人类意愿，创造出许多新的生物品种。
此后，捷报频传。1976年德国生物化学家梅尔希亚用马铃薯细胞和蕃茄细胞融合，结果长出有蕃茄味道的马铃薯来；80年代，日本科学家用细胞融合术培养出抗倒伏、耐寒、高产的水稻品种。梅尔希亚又把绵羊和山羊的胚胎细胞融合在一起，放入绵羊子宫中，成为既有绵羊特性又有山羊特征的新品种。
不同生物的细胞为什么可以融合呢？
著名生理学家托马斯认为，当两个不同种的细胞接触时，接触部位的细胞膜组织会自行溶解。这样，细胞内的物质便可以相互沟通，最后两个细胞核融合一起，成为一个具有两种细胞特征的新品种。这就是细胞融合技术的原理。
另外，号称植物激光技术的是组织培养术。它是将某一植物的单细胞，通过人工培养，使它成为一棵植株。
最早发明这种技术的是生理学家罗宾斯。他在1992年用棉花、豌豆和玉米等茎尖培养出植株。1937年，生理学家怀特用一个胡萝卜细胞，在试管中培养出胡萝卜植株。本世纪80年代后，生理学家弗雷迪又把传统组织培养技术改进为“微繁殖法”，方法简单而效果惊人。他把植物细胞的细胞芽尖放在含有植物生长素的培养基中培养，经过几星期，芽尖就发育成植株，便可以移到田中去种植。
组织培养术的发展无论是在经济上或科学研究上都有重大意义。拿经济价值来说，这种技术已给人们带来数以亿计的收益。例如，新加坡有一家专门用组织培养术培养兰花的公司，已培养出150种兰花新品种，每年纯利润就达数百万美元。科学研究上看，组织培养术给农业生产的工业化提供了条件。它可以使植株大量在试管中繁殖，在3～4个月内可保证培养出数百万株优质种苗，供人移栽到大田。这完全摆脱了以往那种繁琐的育苗法。难怪人们将组织培养术誉称为植物学里的激光技术。
细胞融合术、组织培养术、DNA重组术号称20世纪以来三大生物技术，这些技术的应用使按照人们的意愿“制造”或“改造”生物及其品种成为可能，在不久的将来将极大地改变人们的生活方式。
与人类关系密切的动物毒素
动物毒素与人类关系极为密切，它们作用的多样性令人感到惊奇，它们的化学结构的多样性也同样令人称奇，这些毒素可以是蛋白质或多肽，也可以是生物胺、生物碱，还有的是杂环化合物。
据不完全统计，目前全世界每年大约有170万人被毒蛇咬伤，其中4万个案例中的受害者中毒死亡；每年有2万人由于吃了有毒的鱼类或贝类而中毒，其中有300个案例致人死亡。在墨西哥，每年就有7万人被蝎类刺伤，其中1200人死亡。在美国，从1959～1973年的14年间，共有1729人被毒蜘蛛刺伤，其中55人死亡。
河豚鱼类是卵巢毒素鱼类。在日本，河豚鱼被作为美味食品上市，但必须经过十分仔细地处理。在我国，河豚鱼是不许上市出售的，因为河豚鱼的毒素太毒了，它的半致死剂量为8微克/千克，这对于一个体重为75千克的人来说，1毫克多的毒素就能致人于死地。河豚鱼毒素存在于鱼的卵巢、睾丸、肝脏和肠胃中，肉和皮肤中的毒素相反却很少。河豚毒素的毒性与生殖周期有关，最大毒性期是在怀卵期内。河豚鱼毒素不仅作用于人的神经系统，而且还作用于人的心脏。
蛇毒是人类研究得较为深入的另一种动物毒素。在我国南方各省中，有着金环蛇、银环蛇、眼镜蛇、竹叶青蛇等等剧毒的蛇。在北方，大连附近的海上，有一个叫蛇岛的小岛，上面有数以万计的蝮蛇。目前，我国已建立了不少养蛇场，饲养着许多毒蛇。
毒蛇有一个完整的毒器，这种毒器由高度特异的牙齿和毒腺组成，它们的毒腺相当于鳃腺，输导毒素的导管由毒牙处出口。毒蛇在咬人时，毒液就从毒牙中注入人体。蛇场的工作人员定期从毒蛇身上采集毒液。这种取毒的办法很有趣：取毒者一手抓住毒蛇的头部，另一只手拿一只玻璃的培养皿，让毒蛇咬住培养皿，此时毒液就从毒牙中流入培养皿。从毒液中可以分离出毒蛋白，然后再进一步分离其中的有效成分，科研工作者研究它们的化学结构和药理作用，并利用免疫学的办法制成抗血清，用于救治被毒蛇咬伤的人。
蛇毒的成分多为毒蛋白，而且多数属于神经毒素类型，例如，眼镜蛇蛇毒为心脏毒素和类似于箭毒的神经毒素。
生物毒素损害人类的健康，威胁人类的生命，但如果使用得当，它们又能造福于人类，不少毒素现已被广泛应用在临床治疗上。
蛇毒具有镇痛作用，这对于癌症病患者的后期特别有意义，这种病人往往病痛难忍，不得不采用吗啡类的药物来镇痛，吗啡类的药物用多了之后就会上瘾，得不断注射。临床实验证明，眼镜蛇毒素的镇痛效果比吗啡要好，而且不会有成瘾的副作用。
毒蝰蛇和沙蝰蛇的毒素，对风湿性关节痛和关节炎痛，可取得满意的效果，响尾蛇毒还可治偏头痛。
另外，蜂毒素可用来治疗风湿性关节痛，蟾蜍毒素用于治疗心脏水肿及老年性心脏玻在我国，动物毒素应用于医药的研究很早就已经开始了。唐朝
