在20世纪，生物医用材料被定义为“一类以诊断、治疗为目的，用于与活体组织接触，且具有功能的无生命材料”。由于生物材料需与活体组织不同程度的接触，材料自身对机体的毒性、组织相容性、血液相容性受到特别的重视，即在诊断与治疗过程中，生物材料对人体必须是无毒性的、安全的，不引起免疫或炎症等副作用，不改变机体正常的生理代谢，绝大多数均属于无生命材料。但是随着细胞生物学、基因工程、材料科学等领域的深入发展、交叉影响和互补融合，出现了崭新的医疗技术，如组织工程、生物医学工程、器官再生与移植、细胞治疗、基因治疗等，由此对生物医用材料提出了更高、更新的要求。生物医用材料仍然以诊断与治疗为目的，但是已经从外科修复手术中所应用的由单纯生物材料制成的植入物，发展成活细胞与生物材料的复合物，用以替代、修复人体内组织或器官的缺损或坏死。对生物材料的要求不仅仅局限于无毒安全、组织相容性、血液相容性好，而且要求生物材料具有细胞外基质的作用，即生物材料在生理环境中，应与活体细胞产生相互作用，有特殊的细胞响应，从而诱导发展成有生命力的新生组织或器官。因此生物材料新的研究，集中到了从材料与细胞的相互作用入手，研究细胞与材料之间、细胞之间的信息传输，通过分子设计和结构模拟，合成和制备出有活性的生物医用材料。该材料的生物活性应该能满足细胞在化学和力学性质上的要求，以及组织的生理要求，这与传统的生物材料有着极大的差别。

组织工程与再生医学的崛起标志着医学将走出组织器官移植的范畴，步入到制造组织和器官的新时代。种子细胞、材料支架、再生体系构建是组织工程与再生医学的重要研究内容，在组织工程产品构建过程中，从取得的活体组织中分离获得种子细胞，初步获得单个细胞悬液，然后在体外培养扩增，达到构建组织或器官数量之后，接种于符合要求或筛选后合适的生物材料支架上，形成细胞与生物材料支架复合物。在构建过程中，根据组织工程产品的需要将材料支架设计成合适的形状，并保证材料能够为种子细胞提供一个生存的三维空间，细胞在此环境中获得营养物质，排出废物，并按支架形状生长。最终将细胞生物材料复合物植入机体组织病变部位，进行组织的修复或替换。复合物在体内进行很好的融合，种植的细胞存活并继续增殖，细胞支架逐步降解吸收消失或能够与组织完美相容，让位于细胞、组织与机体，形成新的具有一定功能与形状的组织与器官，行使正常的生物学功能。组织工程与再生医学的出现并快速发展，对生物材料提出了全新的要求。同时，在组织工程中种子细胞的繁衍、分化、生长都是在材料制得的细胞支架与机体组织相容的特定环境下进行的。因此所需组成支架的生物材料对细胞的吸附贴壁、细胞活性、细胞的生长与细胞功能的影响是支架选择的重要考察指标。通常评价材料对细胞生长的影响最直接的方法便是在该材料上进行细胞培养，但也有一定的局限性。例如:在体外培养的细胞，观察不到材料植入体内时细胞的响应，而在体内培养时，又不容易得到可控制的、可做比较的培养环境，因此不能完全准确地表达组织工程中生物材料与细胞的相互影响与作用。此外研究人员使用不同的实验技术培养细胞，这些技术上的差别也将影响对材料与细胞相互作用的评价。本节介绍的是使用最多的细胞体外培养法，即将细胞置于生物材料的表面，测量细胞在表面的黏附与伸展的程度，并通过长时间的细胞培养，确定材料对细胞活性、细胞功能以及细胞迁移和聚集的影响。下面将详细叙述细胞在各个生长时期与生物材料相互作用的评价和表征方法。

细胞与材料表面的黏附可以分为两个阶段，细胞首先通过伪足的延伸与材料表面接触，进而通过黏着斑黏附到材料表面。鉴于大多数从生物体组织中分离出来的细胞是贴附生长型的，即细胞首先必须贴附于材料的表面，然后才有细胞的伸展、迁移、分化和其他的生长模式。为了表征细胞在材料表面的贴附强度，发展了很多技术。而细胞的贴附又与实验条件有关，因此对于使用不同的实验技术，其结果不宜互相进行比较。测量细胞在材料表面黏附步骤大致可分为3步:①将细胞分散到材料的表面;②细胞在培养基存在下培养一定的时间;③在一定的作用力下脱附那些贴附较弱的细胞。细胞贴附程度可以根据在材料表面贴附的细胞数及被淋洗下来的脱附的细胞数来确定。放射性或荧光标记的细胞，以及测量细胞外酶的浓度，细胞外DNA的染色都可用来计算贴附与脱附的细胞数。平行板流槽实验装置可以用来测定细胞与材料支架的黏附程度。

细胞的迁移是组织工程中一个重要的现象，细胞在材料支架上的迁移应该是无规则迁移，但由于支架材料的特殊处理、表面有图像、离子浓度、表面受体等因素的影响，细胞的迁移会出现趋向性。一个个细胞的迁移是重新构建生成组织和器官的极其重要的因素。细胞迁移的定量测定更是困难，至今也没有一种方法能被大家普遍接受。目前使用的表征细胞迁移的方法归纳起来可以分为两大类，一类是用少量的细胞直接地逐个地观察其运动，或是对贴壁铺满皿底的细胞进行划痕实验，观察细胞的迁移;另一类是观察一组细胞的运动:也就是在一个过滤室里，计算通过一张膜或一个滤器的细胞数;或者在材料表面涂以琼脂糖，监测细胞向琼脂糖的迁移，后类方法使用更为普遍。

细胞聚集是发展生成组织器官的重要手段，在正常组织中，细胞呈聚集态，通过细胞分泌的胞外基质细胞相互接触、相互通讯，细胞间存在着相互作用力，这个作用力是与细胞分化、细胞活动、细胞迁移以及组织生成密切相关。细胞培养过程中，只有细胞聚集才能重建细胞之间的相互作用，实验证明在聚集态下培养的细胞，细胞的功能和存活率都提高了。在悬浮液中培养细胞，即使用搅拌分散细胞，也会产生细胞聚集，血清与血清蛋白的加入可以促进聚集，控制细胞从材料表面脱附也可促使细胞聚集。聚集的程度是通过测定细胞聚集的尺寸大小来决定的。聚集动力学是测定的聚集的尺寸与分布随时间的变化，并且可以通过计算机图像分析系统完成。一般应用小角光散射仪可用于连续地记录细胞聚集的发展过程，目前可以通过活细胞工作站可以完整的记录和观察细胞的聚集过程和聚集结果。

目前多种不同类型的生物材料，已被广泛地应用于组织工程中。由于与细胞接触的是材料的表面，因此研究细胞与材料的相互作用时，材料的表面的化学、物理性质表面形态起了主要作用。材料表面的性质如官能团受体不同、组织化结构不同、正负离子不同、机械刺激强度不同等差异与种子细胞接触时，材料与细胞相互作用产生的ECM也不同。不同性质的ECM提供的信号不同，引起的细胞生物行为学变化也不同，从而影响细胞黏附、沉积、激活、生长、分化、基因及蛋白表达的不同。尤其是通过与最先与材料结合细胞上的蛋白种类、数量及构象进行信号传导与通讯，实现材料对细胞的调控。主要影响因素包括:材料表面的物理形貌、亲疏水性、表面能、电荷、微图案、微结构对细胞行为学的影响。

生物材料表面的形貌包括非人为的无规则形貌和人为的具有规则几何图形或空间结构的表面形貌。一般认为无规则的粗糙表面更有益于细胞的黏附，能够增强细胞的黏附、增殖和迁移，如上皮细胞和成纤维细胞更加容易附着于粗糙表面( 10nm～50μm)，血管内皮细胞更容易迁移、骨髓细胞在粗糙的羟基磷灰石表面更容易黏附和增殖。微孔表面结构也对细胞的黏附、增殖和迁移有类似的作用。

生物材料表面的亲疏水性对材料表面蛋白质的构象有重要影响，因此与细胞相容性有着密切的关系。具有适度亲水性的表面最有利于细胞的黏附、增殖及铺展。亲疏水性对细胞的影响大都涉及了材料表面所吸附的黏附蛋白的数量及构象(或活性)。亲水性很强的表面不利于蛋白质的吸附，从而不利于细胞的黏附。对于疏水性很强的表面，一方面非黏附蛋白如白蛋白在材料表面的吸附阻碍了黏附蛋白的吸附;另一方面吸附在高度疏水材料表面的黏附蛋白，其分子链的天然构象遭到破坏，导致材料与细胞膜表面整合素结合的活性位点无法完全暴露，不利于细胞的黏附。只有在亲水性适度的表面，黏附蛋白既可以吸附于材料表面，又保持了分子链的天然构象，使得活性位点较多的暴露在外面。

材料表面能对细胞的相容性有着重要的影响，较高的表面能有利于细胞的黏附、增殖和铺展。低表面能材料与活体组织之间大部分处于分离状态，表面黏附的细胞呈现球形或近球形，黏附作用极弱。而高表面能的材料则可被活体细胞完全覆盖，表面黏附的细胞呈现扁平、拉长的形态，黏附作用很强。因此，高表面能的表面更加有利于细胞的黏附与铺展。成纤维细胞在具有不同表面能的金属和聚合物表面的黏附、增殖和细胞外基质的分泌均有差异。细胞的黏附率和黏附力都随着材料表面能的增加而增大。在表面能比较高的金属材料表面，细胞的黏附力大约为在聚合材料表面的5倍，细胞在聚合材料表面的增殖率也比金属表面少一半。同时也发现，聚合材料表面平均每个细胞所分泌的胞外基质却是在金属材料表面时的2倍以上。

在生理pH下，细胞表面带有分布不均的负电荷。因而，有理由认为，带有正电荷的材料表面与负电荷的细胞之间的静电吸引将有利于细胞的黏附。在细胞培养中采用带有正电荷的多聚赖氨酸涂层材料表面以促进细胞黏附已经是一种常用的方法，带有氨基正电荷的表面更有利于细胞的黏附和铺展。对于负电荷的表面也能很好支持细胞生长，可能是因为培养基中含有阳离子，通过阳离子的媒介作用，使得带负电荷的细胞在带负电荷的材料表面也能较好的生长。表面电荷和离子化基团影响细胞的黏附和生长的本质在于黏附蛋白被选择性地吸附到带电或离子区域，从而影响细胞与表面间的黏附。

聚合物材料表面的化学官能团对细胞的相容性有重要影响，某些官能团如羟基、氨基、羧基、羰基、酰胺基、磺酸基等可通过调节表面的亲水性和表面的电荷而促进细胞的黏附和生长，而砜基、硫醚、醚键等对细胞的生长影响不大，芳香聚醚类则不利于细胞的黏附。利用含氮化合物的等离子体处理聚合物表面，可在材料表面引入各种含氮基团，不但能调节表面的亲疏水性，还能使得材料表面带上一定的正电荷，也是提高生物材料相容性的一种重要手段。同时将生物活性因子固定于材料表面也是提高材料相容性的有效手段之一，但也存在成本高、活性因子易失活的缺点。常见的活性因子包括促贴壁因子、生长因子、生物诱导因子等。通过材料表面复合生长因子，促进细胞的黏附、生长、定向分化等。

在材料表面利用表面微构建技术制备的具有微米、亚微米、纳米级的图案或微孔结构，能够实现细胞选择性的黏附、增殖、定向迁移和分化，特殊的空间结构处理还可以控制细胞的形态及功能。

改进生物材料与细胞的相互作用，实质上是增强细胞在材料上的黏附及生长能力。其中细胞黏附是基础，黏附特性的差异将影响细胞的增殖、分化等功能。其综合的作用亦称为细胞亲和性。通常表面改性策略有以下4种方法:①通过化学或物理的方法来替代表面的原子或分子(表面处理、刻蚀、化学改性) ;②将新的组分覆盖在材料的表面(涂覆、接枝、薄膜沉积) ;③离子、簇、粒子的表面插入;④表面诱导粗糙刻蚀。

来自培养基或培养细胞自身分泌的蛋白质，吸附在聚合物表面，将改变材料的化学性质，进而影响细胞与材料的黏附。ECM及血清都是由非常复杂的蛋白质、生物大分子和小分子组成的混合体系，其中含有对细胞黏附、生长、繁殖有促进作用的多种活性因子，因此把这些具有生理活性的因子涂覆在材料表面，可为细胞的黏附生长提供理想的条件。常用的生长因子、贴壁因子有糖蛋白Fn、Laminin、GP3( cntactin)、胶原( collagen)、聚赖氨酸［poly( D-lysine)］等。众多研究发现，细胞黏附和伸展同吸附在各种材料表面上的Fn有关。细胞在材料表面的黏附、迁移依赖于预涂黏附蛋白以及蛋白质介导的细胞黏附剂的浓度。

等离子体是由中性的原子或分子、激发态的原子或分子、自由基、电子或负离子、正离子以及辐射光子组成。实验室常采用0. 1～100Pa气压下的气体射频放电获得等离子体，由于其中的离子、自由基、中性原子或分子等粒子的温度接近或略高于室温，故称低温等离子体。用低温等离子体改性高分子材料有其独特的优点，既能使材料表面分子激发、电离或断键，又不会使材料热解或烧蚀，其改性的深度只是材料表面几十至几千埃的范围。与其他表面改性方法相比，等离子体法既能较容易地在材料表面引入特定的官能团或其他高分子链，还可避免因加工而使材料表面改性效果降低或丧失。等离子体技术还常被用来进行生物材料的表面锚定研究。其方法是先将一些所要锚定的物质吸附或沉积在聚合物的表面，这些物质在聚合物表面只是形成一种弱相互作用的层，如经过惰性气体等离子体或氮气等离子体处理后就可使这些物质锚定在材料的表面。这种方法可使等离子体的应用范围大大扩展，其有几个优点:①直接简单的两步处理过程;②共价锚定;③不需要引发剂或活性试剂;④材料本体性质没有改变;⑤不需要使用挥发性的有机化合物;⑥表面层的均一性。用这种方法锚定表面，分子可以是有机化合物、表面活性剂、聚合物、蛋白质，分子中不需要有双键。该方法使得生物医用材料在许多应用领域取得成功，如可以得到官能团化的聚合物表面;亲水性和抗污性的生物材料;生物相容性或生物活性表面。

为了在材料上引入的分子的稳定性增强及得到一些活性的生物材料表面，人们提出了通过光化学的方法将一些所设计需要的分子接到材料表面的方法。BSI公司开发了一种专利技术可以通过共价结合的方法将一系列的分子接枝到生物材料的表面。光化学试剂根据改性过程中所需要的处理步骤通常分为一步法和两步法两种。一步法包括涂层分子光反应部分的预先衍生化，再将纯化好的光化学试剂溶于适当的溶剂后应用于要改性的基质材料，经过适当波长的光照来活化光偶联过程。两步法中，材料本身能预先衍生化(而不是涂层分子)，基质材料与光活性试剂复合经光照，再通过常用的有机反应或蛋白质化学反应将目标分子接在基质材料上。特异性的细胞外基质如Fn( fibronectin)、Lm( 1aminin)、胶原Ⅰ、胶原Ⅴ等都可通过光化学接枝在材料的表面以提高材料的细胞亲和性。Green等人将胶原Ⅳ通过光化学的方法接枝在聚苯乙烯培养皿上，考察了不同细胞在培养皿上的生长，发现改性后的材料非常有利于细胞在材料上的贴附和生长。