生物材料是除药物外，开发用于医学的材料。它们是快速发展的应用组织工程和再生医学领域的重要组成部分。在他们的日常实践中，临床医生和外科医生正在广泛使用生物材料，但可能没有意识到这个术语本身。事实上，用于诊断和干预的医疗设备，包括外科植入物，都是由我们今天定义的“生物材料”材料制成的。尽管该术语有多种定义，但都传达了相同的一般思想，即生物材料是一种天然或人造材料，旨在以精确的诊断或治疗目的插入人体。较早的定义规定，生物材料是一种必须与生物系统接口的材料，其目的是“评估、治疗、增强或替换身体的任何组织、器官或功能”。根据最新的定义，“生物材料是一种被设计为采用某种形式的物质，该形式单独或作为复杂系统的一部分，通过控制与生命系统组成部分的相互作用，用于指导任何治疗或诊断程序的过程”。最近讨论了与生物材料定义相关的某些令人困惑的歧义，得出的结论是，该术语应严格用于制造直接影响人类健康的设备的任何材料，无论其来源如何。
参与生物材料研究和开发的研究人员主要包括非医学专家，如材料/高分子科学家、化学工程师、生物学家、生物化学家和免疫学家。由于各种原因，医生在相当有限的范围内参与了生物材料的研究。他们的首要任务显然是患者的治疗和护理，这项活动与诊所和医院非常苛刻的工作量相关，几乎没有时间个人参与其他学科的研究。
生物相容性的概念
理想的生物材料应该在生物学上被宿主活细胞和组织所接受，以便在病理状况的诊断、替代疗法或组织再生中发挥其预期作用。换句话说，一旦确定了其预期的生物功能，生物材料候选者也必须表现出生物相容性。后一个术语看似不言自明，但实际上是一个相当复杂的概念，已经使用了几十年，但没有完全理解。当材料能够根据人体特定应用中的预期目的发挥作用并提供适当的反应时，材料具有生物相容性;显然，生物相容性只能根据特定应用来定义。生物相容性最终涉及活组织与设备或植入物中存在的生物材料成分表面的相互作用。这种相互作用的质量作为生物相容性的基本标准，通常通过生物材料表面促进和维持活细胞附着、扩散、增殖和分化的能力来衡量。然而，这还不够：生物材料中仅仅存在可浸出的有毒物质就使其不具有生物相容性，而不管表面-细胞相互作用的任何其他更微妙的方面如何。事实上，这是一种常见的情况，尤其涉及合成聚合物生物材料，有毒污染物（例如未反应的单体、微量抑制剂、引发剂和其他添加剂）扩散到细胞环境中会导致细胞损伤或死亡、异物反应，并最终排斥植入材料。进一步的生物相容性测定对于此类材料变得毫无意义，这些材料不应再被定性为生物材料和/或以这种身份使用。相反，材料中缺乏残留的有毒污染物并不足以成为断言其生物相容性并认为其是真正的生物材料的理由。例如，某些聚合物可能由于分子水平上的结构因素而表现出固有的细胞毒性。
生物材料与胃肠道
当谈到生物材料在胃肠病学中的应用时，需要讨论一些特定的方面。首先，人们可以注意到，在生物材料科学领域出版的主要教科书或评论中，很少有人关注胃肠道生物材料。其次，对各种治疗器械在胃肠道应用中的临床性能的综述或报告不讨论与材料科学相关的方面;事实上，这些出版物中关于材料性质的信息很少，如果有的话。当生物材料的化学性质没有被披露时，生物材料专家很难对胃肠道中使用的生物材料进行有意义的评估。我们的概述旨在为改善这种状况做出贡献。此外，乍一看，生物材料在胃肠道（以下称为胃肠道）中的使用似乎只涉及材料与覆盖该道内壁粘膜表面的上皮细胞之间的接触。这种情况引发了一个现在已经成为经典的问题：仅接触上皮层的材料可以被视为生物材料吗？根据大多数调查人员的说法，答案是肯定的。为了说明这一点，无论是眼镜镜片中的玻璃，还是听诊器或假肢设计中的聚合物和金属，都不能被视为生物材料，因为它们与我们身体各部位的接触是偶发的、肤浅的或完全缺乏的，并且不涉及与体液的接触或渗透到体内。相反，用于制造隐形眼镜或支架的材料由于在应用过程中与上皮/粘膜表面直接接触，因此被视为真正的生物材料。我们将讨论目前用于制造用于胃肠病治疗目的的植入式设备的材料，但仅限于放置在胃肠道组件内的材料，因此与粘膜表面接触。
胃肠道粘膜包含三个主要成分：上皮细胞（食管上皮细胞中有多层，但肠和胃中只有一层）、固有层（上皮下结缔组织）和平滑肌层。粘膜具有针对病原体的防御策略，包括机械（上皮前粘液、细胞本身以及睫状体和脱屑活性）、化学（抗菌蛋白、细胞因子、模式识别分子）和细胞（吞噬细胞、树突状细胞、肥大细胞、淋巴细胞等）成分。在某些情况下，这些防御策略会不堪重负，需要就医。受到胃肠道粘膜水平病原体攻击的潜在机制的启发，可以想象许多情况会导致聚合物等不生物相容性的异物造成的损害。例如，从材料中释放毒素会导致上皮损伤和上皮屏障丧失。它可能会导致氯离子通道长时间打开，氯离子通道有助于维持小肠分泌水和吸收水之间的平衡。它还可能导致中性粒细胞的募集和浸润的促进，从而进一步引发上粘膜的坏死。如果活性氧参与其中，上皮细胞就会受损或死亡，取而代之的未成熟细胞缺乏吸收水分和营养物质所必需的酶和转运蛋白。所有这些事件都会给患者带来严重的并发症。
许多胃肠道治疗程序，例如静脉曲张止血或缓解管腔阻塞，都依赖于内窥镜检查，我们的概述将详细介绍与胃肠病学家进行的内窥镜手术相关的生物材料。虽然内窥镜的主要作用是作为诊断工具，但在本文中，我们将仅讨论用作治疗工具的内窥镜制造所涉及的材料。内窥镜的插入管和远端包含金属、聚合物和玻璃（作为镜片）。其中一些材料与粘膜表面接触，因此它们必须具有生物相容性且未受污染，因此有资格成为适当的生物材料。插入管制造中涉及的聚合物包括有机硅、聚氨酯、聚酯和其他材料，无论是这样一种，还是混合物、复合材料或多层。除了显示生物相容性外，这些材料还必须耐化学侵蚀和耐热，后者是强制性灭菌程序的要求。插入管通常由两层聚合物组成，其中面涂层聚合物与内窥镜的功能特别相关;管子外表面存在带扣或裂纹禁止其使用。我们体内连接中空器官和外部的天然孔口是插入内窥镜的安全部位，不会引起生物相容性问题。通过小切口将内窥镜插入安全位置的空腔可能会引起此类担忧，但目前用于制造内窥镜的材料具有生物相容性，预计不会发生明显的组织反应。胃肠内窥镜检查的严重并发症可能是意外引起的，也可能是由于仪器维护或清洁/灭菌不当引起的，它们可能超过手术的好处。此类并发症包括肠壁穿孔、出血、感染以及患者对镇静剂的不良反应。在穿孔的情况下，生物相容性确实可能成为一个问题;然而，对组织的损伤比组织对远端尖端和插入管的聚合物或金属成分的异物反应更令人担忧。过去二十年来开发的胶囊用于实现小肠结构的可视化，确实提出了更严格的生物相容性问题。这些微型摄像机封装在聚碳酸酯外壳中，由患者吞咽。尽管据称它们会在24-48小时内通过粪便排出，但有大量病例报道了胶囊的滞留持续时间更长。由于可能出现肠梗阻或穿孔作为并发症，通常通过手术、内窥镜检查或药物作去除胶囊。然而，迄今为止，即使在长时间保留后，也没有由于外部聚合物胶囊恶化而导致的并发症的报道，这证明了该设备的聚碳酸酯外层具有显着的抵抗力。
当前发展
生物材料是组织工程（以下简称 TE）发展的重要工具，该学科旨在创造能够维持、恢复或改善因创伤、疾病或衰老而受损的组织功能的功能替代品。重要的是，TE 中使用的生物材料必须能够与宿主细胞和组织相互作用并完全整合，因此它们必须在化学和/或形态学上进行修饰，即为特定目的进行工程设计。TE超越了植入假体或装置的概念，旨在通过诱导细胞在对人体部位不正常的情况下实现这一目标来产生新的组织，用于人体部位的重建。
组织工程被认为是再生医学（以下简称 RM）的主要组成部分，该领域目前有许多定义，反映了对该学科目标的多种意见。简而言之，RM“替代或再生人体细胞、组织或器官，以恢复或建立正常功能”。传统的移植和替代疗法不属于RM，因为“替代”与“再生”不同。此外，RM的基础是“修复”和“再生”之间的区别。通过形成疤痕组织自发修复伤口并不能恢复原有的结构完整性和功能;这只能通过更先进的愈合过程来实现，该过程应涉及缺失组织或器官的重新合成并恢复其正常功能。RM 的任务是找到诱导再生的方法。
胃肠道是我们身体极其复杂的部分，无论是在解剖学上还是在生理上。为了修复由癌症、炎症性疾病或尿失禁造成的损害，需要比基于当前治疗武器库的策略更有效的策略。TE和RM在胃肠病学领域都取得了惊人的进展，以至于“再生胃肠病学”一词已经被创造出来。该领域的进展将在今后的概述中介绍。
食管和胃静脉曲张的闭塞手术
从根本上说，食管胃静脉曲张通常分为食管静脉曲张 （EV） 和胃静脉曲张 （GV），是胃肠道扩张的粘膜下静脉。它们通常是门静脉高压症的结果，门静脉高压症是慢性肝病终末期的进行性并发症，主要是肝硬化。静脉曲张破裂，随后不可避免地出血，构成重大医疗紧急情况，是肝硬化患者普遍死亡的原因。由于血流量较高，GV 比 EV 更严重，死亡率更高，但发生频率较低。
在过去的五十年里，胃肠病学家为开发和应用胃静脉曲张的治疗方法做出了巨大的努力，作为一级或二级预防疗法。内镜手术是治疗 EV 和 GV 的首选治疗方法，尽管手术的选择最终取决于静脉曲张类型的准确识别。根据Baveno共识工作组批准的基于位置的广泛接受的分类，有两种类型的EV被指定为GOV-1（位于小曲率）和GOV-2（位于眼底并延伸至大曲率），以及两种类型的孤立性GV，分别命名为IGV-1（在胃底）和IGV-2（在胃的其他部位）。
从目前可用于治疗食管胃静脉曲张的手术中，我们将仅讨论那些涉及应用生物材料、可以通过内窥镜实施以及治疗位于上消化道或下消化道内的组织和器官的手术。此类程序包括：球囊填塞;静脉曲张束结扎术、自扩张食管支架;止血剂（Hemospray）;用氰基丙烯酸酯胶水封闭。
氰基丙烯酸酯胶的封闭
迄今为止，氰基丙烯酸酯胶水是医学专家可用的最成功的手术粘合剂。它们在生物材料中具有相当独特的地位。因此，烷基-2-氰基丙烯酸酯单体是高反应性物质，因此当应用于组织时能够引起侵袭性反应，并且在该阶段不被视为生物材料。然而，当与生理水和组织蛋白质的氨基接触时，由于非常快的现场聚合过程，单体会迅速变成固体聚合物。这些聚合物具有粘合和密封性能，符合生物材料的定义。
烷基-2-氰基丙烯酸酯（也称为α-氰基丙烯酸酯）很久以前就由美国北卡罗来纳州夏洛特市的Goodrich Co.申请了专利，但尚未实现其出色的粘合性能。正是伊士曼柯达公司（美国纽约州罗切斯特市）在工业和医疗市场上推出了它们作为粘合剂。关于氰基丙烯酸酯聚合物及其医学应用的文献大量，总结在一些推荐的综述中。氰基丙烯酸酯胶水于1950年代后期提出，很快被外科医生用于制造无缝伤口密封，早期的开创性工作已在血管外科、眼科手术和胃肠道外科中开展。目前，商业氰基丙烯酸酯手术粘合剂/密封剂的范围很广，例如以下烷基-2-氰基丙烯酸酯（烷基的性质、商业名称和制造商）作为最著名的产品。
氰基丙烯酸酯胶水封堵食管胃静脉曲张是一种成熟的技术，已在主要专题综述中讨论过[14,15,16,18,89,90,98,99,100]。使用氰基丙烯酸酯治疗静脉曲张的第一次尝试是一种间接方法[101]：用通过聚四氟乙烯导管注射的2-氰基丙烯酸异丁酯封闭食管静脉曲张。®结果比使用硬化剂的结果“更令人满意”。
后来，当静脉曲张内或静脉曲张周围注射氰基丙烯酸异丁酯或正丁酯时，应用了更直接的方法。原则上，目前的程序包括内窥镜静脉注射胶水，放置在静脉曲张内。在静脉内的材料快速硬化后，会产生一个塞子，阻止血流并止血。聚合物塞最终被挤出到静脉曲张腔中，这种情况可能发生在一周到一年内的任何时间，届时可能会再次出血。有时会用碘醇（罂粟籽油脂肪酸的碘乙酯混合物）稀释胶水，旨在防止内窥镜通道闭塞，控制硬化速度，降低栓塞风险，或在必要时充当不透射线造影剂。然而，优选使用未稀释的氰基丙烯酸酯胶水。该手术已被尝试用于治疗所有类型的静脉曲张，但主要用于胃底静脉曲张（GOV2 和 IGV1 型）的闭塞，并且被认为是静脉曲张出血最有效的疗法之一，尽管报告的比较再出血率存在很大差异。
氰基丙烯酸酯胶水应用于出血性静脉曲张的并发症主要是由于凝固的胶颗粒或胶塞表面形成的血栓的迁移引起的栓塞事件，包括脑栓塞和中风，以及肺、冠状动脉、脾脏或肾栓塞。其他报告的并发症包括炎症、菌血症和败血症、腹腔积血、糜烂和粘膜水肿以及胃溃疡。血栓并发症显然与分散固体材料的存在和迁移有关，但这不仅仅局限于氰基丙烯酸酯胶。菌血症和感染也是由未适当消毒的异物或装置引起的常见并发症，尽管有人推测它们是静脉曲张出血发病机制所固有的。然而，水肿或致溃疡作用可能与生物材料的特定作用有关，即胶塞。血管周围炎症和血管壁坏死可归因于异物反应。
与胃肠道中使用的大多数生物材料相比，氰基丙烯酸酯胶水的生物相容性从引入医学开始就已被广泛研究。最初，有人认为单体的高反应性和/或聚合时释放的热量可能是炎症反应和坏死的原因，并且在某种程度上可能是。2-氰基丙烯酸酯单体异常高的反应性归因于氰基 （-C≡N） 和烷氧基羰基 （RO-CO–） 基团的强烈吸电子作用，两者都连接到可聚合双键 H2C（β）=C（α） 的 α-碳上。因此，β碳甚至可以被水或醇等弱亲核碱激活，从而迅速启动聚合过程。血液或组织蛋白中的悬垂氨基也可能充当能够引发聚合的亲核剂。烷基取代基（R-）越短，双键的活化越强，聚合速率越快。这解释了为什么具有较长烷基链长度的氰基丙烯酸酯，例如正丁基、正己基或 2-辛基氰基丙烯酸酯，需要更多时间聚合并且更容易应用。这些氰基丙烯酸酯还导致浇在静脉曲张上的胶水具有更高的柔韧性，诱导更低的组织毒性，并且更有效地实现止血。
目前，据信，由于胶水的化学性质，生物材料相关并发症有两个潜在来源：胶水的低组织吸收导致异物反应，以及凝固聚合物的生物降解和伴随的有毒副产物的积累由此过程产生。胶-组织异物型反应伴随着多形核细胞和巨噬细胞的浸润，这些细胞和巨噬细胞试图吞噬胶水和组织碎片。降解有毒副产物（主要是甲醛和氰基乙酸盐）的产生和积累导致细胞死亡和含氧自由基的释放，导致脂质过氧化物的形成和炎症介质和血栓素的促进。这两种机制最终都会导致缺血、坏死和组织损伤。聚-2-氰基丙烯酸酯的毒性已在体外（非生物条件）、体外（细胞培养）和体内（动物）进行了研究，仅举几篇具有里程碑意义的报道。该主题也进行了偶发性综述。人们普遍认为，通过聚-2-氰基丙烯酸酯的生物降解产生的有毒甲醛和其他化学物质的量足够低，足以使其在组织内完全代谢并随后通过生理流清除。产生的代谢物通过正常的排泄途径被消除，并且没有物质储存在组织中。
