生物医用材料:对生物体进行诊断器官或增进其功能的材料-中文百科频道

应用与发展前景

迄今为止,被详细研究过的生物材料已有一千多种，医学临床上广泛使用的也有几十种，涉及到材料学的各个领域。生物医用材料得以迅猛发展的主要动力来自人口老龄化、中青年创伤的增多、疑难疾病患者的增加和高新技术的发展。人口老龄化进程的加速和人类对健康与长寿的追求，激发了对生物医用材料的需求。目前生物医用材料研究的重点是在保证安全性的前提下寻找组织相容性更好、可降解、耐腐蚀、持久、多用途的生物医用材料。

当代生物材料的发展不仅强调材料自身理化性能和生物安全性、可靠性的改善，而且更强调赋予其生物结构和生物功能，以使其在体内调动并发挥机体自我修复和完善的能力，重建或康复受损的人体组织或器官。结合南开大学俞耀庭教授的观点和2004年中国新材料发展报告，可以将目前国际上生物医用材料学科的最新进展和发展趋势概括如下：

组织工程材料面临重大突破

组织工程是指应用生命科学与工程的原理和方法，构建一个生物装置，来维护、增进人体细胞和组织的生长，以恢复受损组织或器官的功能。它的主要任务是实现受损组织或器官的修复和再建，延长寿命和提高健康水乎。其方法是，将特定组织细胞"种植"于一种生物相容性良好、可被人体逐步降解吸收的生物医用材料（组织工程材料）上，形成细胞－生物医用材料复合物；生物医用材料为细胞的增长繁殖提供三维空间和营养代谢环境；随着材料的降解和细胞的繁殖，形成新的具有与自身功能和形态相应的组织或器官；这种具有生命力的活体组织或器官能对病损组织或器宫进行结构、形态和功能的重建，并达到永久替代。近10年来，组织工程学发展成为集生物工程、细胞生物学、分子生物学、生物医用材料、生物技术、生物化学、生物力学以及临床医学于一体的一门交叉学科。

生物医用材料在组织工程中占据非常重要的地位，同时组织工程也为生物医用材料提出问题和指明发展方向。由于传统的人工器官（如人工肾、肝）不具备生物功能（代谢、合成），只能作为辅助治疗装置使用，研究具有生物功能的组织工程人工器官已在全世界引起广泛重视。构建组织工程人工器官需要三个要素，即"种子"细胞、支架材料、细胞生长因子。最近，由于干细胞具有分化能力强的特点，将其用作"种子"细胞进行构建人工器官成为热点。组织工程学已经在人工皮肤、人工软骨、人工神经、人工肝等方面取得了一些突破性成果，展现出美好的应用前景。

当前软组织工程材料的研究和发展主要集中在研究新型可降解生物医用材料，用物理、化学和生物方法以及基因工程手段改造和修饰原有材料，材料与细胞之间的反应和信号传导机制以及促进细胞再生的规律和原理，细胞机制的作用和原理等，以及研制具有选择通透性和表面改性的膜材，发展对细胞和组织具有诱导作用的智能高分子材料等方面。

当前硬组织工程材料的研究和应用发展主要集中在碳纤维/高分子材料、无机材料（生物陶瓷、生物活性玻璃）、高分子材料的复合研究。

生物医用纳米材料初见端倪

纳米生物材料，在医学上主要用作药物控释材料和药物载体。从物质性质上可以将纳米生物材料分为金属纳米颗粒、无机非金属纳米颗粒和生物降解性高分子纳米颗粒；从形态上可以将纳米生物材料分为纳米脂质体、固体脂质纳米粒、纳米囊（纳米球）和聚合物胶束。

纳米技术在90年代获得了突破性进展，在生物医学领域的应用研究也不断得到扩展。目前的研究热点主要是药物控释材料及基因治疗载体材料。药物控释是指药物通过生物材料以恒定速度、靶向定位或智能释放的过程。具有上述性能的生物材料是实现药物控释的关键，可以提高药物的治疗效果和减少其用量和毒副作用。由于人类基因组计划的完成及基因诊断与治疗不断取得进展，科学家对使用基因疗法治疗肿瘤充满信心。基因治疗是导人正常基因于特定的细胞（癌细胞）中，对缺损的或致病的基因进行修复；或者导人能够表达出具有治疗癌症功能的蛋白质基因，或导人能阻止体内致病基因合成蛋白质的基因片断来阻止致病基因发生作用，从而达到治疗的目的。这是治疗学的一个巨大进步。基因疗法的关键是导人基因的载体，只有借助于载体，正常基因才能进人细胞核内。目前，高分子纳米材料和脂质体是基因治疗的理想载体，它具有承载容量大，安全性高的特点。近来新合成的一种树枝状高分子材料作为基因导人的载体值得关注。

此外，生物医用纳米材料在分析与检测技术、纳米复合医用材料、与生物大分子进行组装、用于输送抗原或疫苗等方面也有良好的应用前景。纳米碳材料可显着提高人工器官及组织的强度、韧度等多方面性能；纳米高分子材料粒子可以用于某些疑难病的介入诊断和治疗；人工合成的纳米级类骨磷灰石晶体已成为制备纳米类骨生物复合活性材料的基础。该领域未来的发展趋势是，纳米生物医用材料“部件”与纳米医用无机材料及晶体结构“部件”的结合发展，如由纳米微电子控制的纳米机器人、药物的器官靶向化；通过纳米技术使介入性诊断和治疗向微型、微量、微创或无创、快速、功能性和智能性的方向发展；模拟人体组织成分、结构与力学性能的纳米生物活性仿生医用复合材料等。

活性生物医用材料还待发展

活性生物医用材料是一类能在材料界面上引发特殊生物反应的材料。这种反应导致组织和材料之间形成化学键合。该概念是在1969年美国人L.Hench 在研究生物玻璃时发现并提出，进而在生物陶瓷领域引入了生物活性概念，开创了新的研究领域。经过30多年来的发展，生物活性的概念在生物医用材料领域已建立了牢固的基础，如-磷酸三钙可吸收生物陶瓷等，在体内可被降解吸收并为新生组织代替，具有诱出特殊生物反应的作用；羟基磷灰石由于是自然骨的主要无机成分，故植入体内不仅能传导成骨，而且能与新骨形成骨键合，在肌肉、韧带或皮下种植时，能与组织密合，无炎症或刺激反应。生物活性材料具有的这些特殊的生物学性质，有利于人体组织的修复，是生物医用材料研究和发展的一个重要方向。

生物医用金属材料的开发势在必行

金属生物材料发展相对比较缓慢，但由于金属材料具有其他材料不能比拟的高机械强度和优良的疲劳性能，目前仍是临床上应用最广泛的承力植入物。目前的研究热点在镍钛合金和新型生物医用钛合金两个方向。发展方向在于用生物适应性优良的Zr、Nb、Ta、Pd、Sn合金化元素取代钛合金中有毒性的Al、V 等。另外，可体液腐蚀吸收的生物医用镁合金的研究刚刚起步。

以大幅度改善生物医用材料与生物体的相容性为目标。生物相容性包括血液相容性和组织相容性，是生物医用材料应用的基本要求。除了设计、制各性能优异的新材料外，通过对传统医用材料进行表面化学处理（表面接枝大分子或基团）、表面物理改性（等离子体、离子注人或离子束）和生物改性是有效途径。材料表面改性的新方法和新技术是生物材料研究的永久性课题。目前流行的一些方法包括等离子体表面改性、离子注入表面改性、表面涂层与薄膜合成、自组装单分子层、材料的表面修饰等。这个领域已成为生物材料学科最活跃、最引人注目和发展迅速的领域之一。

介入治疗材料研究异军突起

介入治疗是指在医学影像技术（如X线透视、CT、超声波、核磁共振）引导下，用穿刺针、导丝、导管等精密器械进入病变部位进行治疗。介入治疗能以微小的创伤获得与外科手术相同或更好的治疗效果。介入治疗材料包括支架材料、导管材料及栓塞材料等。置入血管内支架是治疗心血管疾病的重要方法，当前冠脉支架多为医用不锈钢通过雕刻或激光蚀刻制备，在体内以自膨胀、球囊扩张式或扩张固定在血管内壁上。虽然经皮冠状动脉介入性治疗取得较好的成果，但经皮冠状动脉成形术后6个月后再狭窄发生率较高（约30%），是介入性治疗面临的重要问题。近年的研究方向有药物涂层支架、放射活性支架、包被支架、可降解支架等。管腔支架大多采用镍钛形状记忆合金制备，有自膨胀和球囊扩张式两类。主要用于晚期恶性肿瘤引起的胆道狭窄；晚期气管、支气管或纵隔肿瘤引起的呼吸困难的治疗，支气管良性狭窄等；不能手术切除的恶性肿瘤引起的食管瘘及恶性难治性食管狭窄等。制作导管的材料有聚乙烯、聚氨脂、聚氯乙烯、聚四氟乙烯等。导管外层材料多为能够提供硬度和记忆的聚脂、聚乙烯等，内层为光滑的聚四氟乙烯。栓塞材料按照材料性质可分为对机体无活性、自体材料和放射性颗粒三种。理想的栓塞材料应符合无毒、无抗原性，具有良好相容性，能迅速闭塞血管，能按需要闭塞不同口径、不同流量的血管，易经导管运送，易得、易消毒等要求。更高的要求是能控制闭塞血管时间的长短，一旦需要可经皮回收或使血管再通。常用栓塞材料包括自体血块、明胶海马、微胶原纤维、胶原绒聚物等。

血液净化材料

血液净化材料重在应用采用滤过沉淀或吸附的原理，将体内内源性或外源性毒物（致病物质）专一性或高选择性地去除，从而达到治病的目的，是治疗各种疑难病症的有效疗法。尿毒症、各种药物中毒、免疫性疾病（系统性红斑狼疮、类风湿性关节炎）、高脂血症等，都可采用血液净化疗法治疗，其核心是滤膜、吸附剂等生物医用材料。血液净化材料的研究和临床应用，在日本和欧洲成为了生物医用材料发展的热点。

复合生物医用材料仍是开发重点

作为硬组织修复材料的主体，复合生物医用材料受到广泛重视。它具有强度高、韧性好的特点，目前己广泛应用于临床。通过具有不同性能材料的复合，可以达到"取长补短"的效果。可以有效解决材料的强度、韧性及生物相容性问题。是生物医用材料新品种开发的有效手段。提高复合材料界面之间结合程度（相容性）是复合生物医用材料研究的主要课题。根据使用方式的不同研究较多的是：合金、碳纤维/高分子材料、无机材料（生物陶瓷、生物活性玻璃）/高分子材料的复合研究。

口腔材料口腔材料仍在发展

口腔材料学是口腔医学与材料学之间的界面学科，其品种及分类方法很多，可以分为口腔有机高分子材料、口腔无机非金属材料、口腔金属材料、口腔辅助材料，也可分为烤瓷材料、种植材料、充填材料、粘结材料、印模材料、耐火包埋材料。近年来组织工程技术在口腔临床开始应用，主要是膜引导组织再生技术和牙周外科治疗和即刻植入修复中的应用。口腔材料中的生物化仿生材料尚待今后研究和探讨。陶瓷材料脆弱的挠曲强度一直困扰着牙科医生和患者。而牙科修复学中颜色的再现问题是影响牙齿及修复体客观的一个重要因素。因此牙科陶瓷技术是沿着克服材料的脆性，精确测定牙的颜色并提供组成、性能稳定的陶瓷材料的方向发展的。

生物相容性评价标准在不断改进和发展

新的生物相容性内容的研究对材料的生物学评价提出新的要求，除了目前的ISO10993标准外，新的评价方法将从以下几个方面展开：①生物医用材料对人体免疫系统的影响；②生物医用材料对各种细胞因子的影响；③生物医用材料对细胞生长、凋亡的影响；④降解控释材料对人体代谢过程的影响；⑤智能材料对人体信息传递和功能调控的影响；⑥药物控释材料、净化功能材料、组织工程材料的生物相容性评价。