生物醫用材料:對生物體進行診斷器官或增進其功能的材料-中文百科頻道

應用與發展前景

迄今為止,被詳細研究過的生物材料已有一千多種，醫學臨床上廣泛使用的也有幾十種，涉及到材料學的各個領域。生物醫用材料得以迅猛發展的主要動力來自人口老齡化、中青年創傷的增多、疑難疾病患者的增加和高新技術的發展。人口老齡化進程的加速和人類對健康與長壽的追求，激發了對生物醫用材料的需求。目前生物醫用材料研究的重點是在保證安全性的前提下尋找組織相容性更好、可降解、耐腐蝕、持久、多用途的生物醫用材料。

當代生物材料的發展不僅強調材料自身理化性能和生物安全性、可靠性的改善，而且更強調賦予其生物結構和生物功能，以使其在體内調動并發揮機體自我修複和完善的能力，重建或康複受損的人體組織或器官。結合南開大學俞耀庭教授的觀點和2004年中國新材料發展報告，可以将目前國際上生物醫用材料學科的最新進展和發展趨勢概括如下：

組織工程材料面臨重大突破

組織工程是指應用生命科學與工程的原理和方法，構建一個生物裝置，來維護、增進人體細胞和組織的生長，以恢複受損組織或器官的功能。它的主要任務是實現受損組織或器官的修複和再建，延長壽命和提高健康水乎。其方法是，将特定組織細胞"種植"于一種生物相容性良好、可被人體逐步降解吸收的生物醫用材料（組織工程材料）上，形成細胞－生物醫用材料複合物；生物醫用材料為細胞的增長繁殖提供三維空間和營養代謝環境；随着材料的降解和細胞的繁殖，形成新的具有與自身功能和形态相應的組織或器官；這種具有生命力的活體組織或器官能對病損組織或器宮進行結構、形态和功能的重建，并達到永久替代。近10年來，組織工程學發展成為集生物工程、細胞生物學、分子生物學、生物醫用材料、生物技術、生物化學、生物力學以及臨床醫學于一體的一門交叉學科。

生物醫用材料在組織工程中占據非常重要的地位，同時組織工程也為生物醫用材料提出問題和指明發展方向。由于傳統的人工器官（如人工腎、肝）不具備生物功能（代謝、合成），隻能作為輔助治療裝置使用，研究具有生物功能的組織工程人工器官已在全世界引起廣泛重視。構建組織工程人工器官需要三個要素，即"種子"細胞、支架材料、細胞生長因子。最近，由于幹細胞具有分化能力強的特點，将其用作"種子"細胞進行構建人工器官成為熱點。組織工程學已經在人工皮膚、人工軟骨、人工神經、人工肝等方面取得了一些突破性成果，展現出美好的應用前景。

當前軟組織工程材料的研究和發展主要集中在研究新型可降解生物醫用材料，用物理、化學和生物方法以及基因工程手段改造和修飾原有材料，材料與細胞之間的反應和信号傳導機制以及促進細胞再生的規律和原理，細胞機制的作用和原理等，以及研制具有選擇通透性和表面改性的膜材，發展對細胞和組織具有誘導作用的智能高分子材料等方面。

當前硬組織工程材料的研究和應用發展主要集中在碳纖維/高分子材料、無機材料（生物陶瓷、生物活性玻璃）、高分子材料的複合研究。

生物醫用納米材料初見端倪

納米生物材料，在醫學上主要用作藥物控釋材料和藥物載體。從物質性質上可以将納米生物材料分為金屬納米顆粒、無機非金屬納米顆粒和生物降解性高分子納米顆粒；從形态上可以将納米生物材料分為納米脂質體、固體脂質納米粒、納米囊（納米球）和聚合物膠束。

納米技術在90年代獲得了突破性進展，在生物醫學領域的應用研究也不斷得到擴展。目前的研究熱點主要是藥物控釋材料及基因治療載體材料。藥物控釋是指藥物通過生物材料以恒定速度、靶向定位或智能釋放的過程。具有上述性能的生物材料是實現藥物控釋的關鍵，可以提高藥物的治療效果和減少其用量和毒副作用。由于人類基因組計劃的完成及基因診斷與治療不斷取得進展，科學家對使用基因療法治療腫瘤充滿信心。基因治療是導人正常基因于特定的細胞（癌細胞）中，對缺損的或緻病的基因進行修複；或者導人能夠表達出具有治療癌症功能的蛋白質基因，或導人能阻止體内緻病基因合成蛋白質的基因片斷來阻止緻病基因發生作用，從而達到治療的目的。這是治療學的一個巨大進步。基因療法的關鍵是導人基因的載體，隻有借助于載體，正常基因才能進人細胞核内。目前，高分子納米材料和脂質體是基因治療的理想載體，它具有承載容量大，安全性高的特點。近來新合成的一種樹枝狀高分子材料作為基因導人的載體值得關注。

此外，生物醫用納米材料在分析與檢測技術、納米複合醫用材料、與生物大分子進行組裝、用于輸送抗原或疫苗等方面也有良好的應用前景。納米碳材料可顯着提高人工器官及組織的強度、韌度等多方面性能；納米高分子材料粒子可以用于某些疑難病的介入診斷和治療；人工合成的納米級類骨磷灰石晶體已成為制備納米類骨生物複合活性材料的基礎。該領域未來的發展趨勢是，納米生物醫用材料“部件”與納米醫用無機材料及晶體結構“部件”的結合發展，如由納米微電子控制的納米機器人、藥物的器官靶向化；通過納米技術使介入性診斷和治療向微型、微量、微創或無創、快速、功能性和智能性的方向發展；模拟人體組織成分、結構與力學性能的納米生物活性仿生醫用複合材料等。

活性生物醫用材料還待發展

活性生物醫用材料是一類能在材料界面上引發特殊生物反應的材料。這種反應導緻組織和材料之間形成化學鍵合。該概念是在1969年美國人L.Hench 在研究生物玻璃時發現并提出，進而在生物陶瓷領域引入了生物活性概念，開創了新的研究領域。經過30多年來的發展，生物活性的概念在生物醫用材料領域已建立了牢固的基礎，如-磷酸三鈣可吸收生物陶瓷等，在體内可被降解吸收并為新生組織代替，具有誘出特殊生物反應的作用；羟基磷灰石由于是自然骨的主要無機成分，故植入體内不僅能傳導成骨，而且能與新骨形成骨鍵合，在肌肉、韌帶或皮下種植時，能與組織密合，無炎症或刺激反應。生物活性材料具有的這些特殊的生物學性質，有利于人體組織的修複，是生物醫用材料研究和發展的一個重要方向。

生物醫用金屬材料的開發勢在必行

金屬生物材料發展相對比較緩慢，但由于金屬材料具有其他材料不能比拟的高機械強度和優良的疲勞性能，目前仍是臨床上應用最廣泛的承力植入物。目前的研究熱點在鎳钛合金和新型生物醫用钛合金兩個方向。發展方向在于用生物适應性優良的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，可體液腐蝕吸收的生物醫用鎂合金的研究剛剛起步。

以大幅度改善生物醫用材料與生物體的相容性為目标。生物相容性包括血液相容性和組織相容性，是生物醫用材料應用的基本要求。除了設計、制各性能優異的新材料外，通過對傳統醫用材料進行表面化學處理（表面接枝大分子或基團）、表面物理改性（等離子體、離子注人或離子束）和生物改性是有效途徑。材料表面改性的新方法和新技術是生物材料研究的永久性課題。目前流行的一些方法包括等離子體表面改性、離子注入表面改性、表面塗層與薄膜合成、自組裝單分子層、材料的表面修飾等。這個領域已成為生物材料學科最活躍、最引人注目和發展迅速的領域之一。

介入治療材料研究異軍突起

介入治療是指在醫學影像技術（如X線透視、CT、超聲波、核磁共振）引導下，用穿刺針、導絲、導管等精密器械進入病變部位進行治療。介入治療能以微小的創傷獲得與外科手術相同或更好的治療效果。介入治療材料包括支架材料、導管材料及栓塞材料等。置入血管内支架是治療心血管疾病的重要方法，當前冠脈支架多為醫用不鏽鋼通過雕刻或激光蝕刻制備，在體内以自膨脹、球囊擴張式或擴張固定在血管内壁上。雖然經皮冠狀動脈介入性治療取得較好的成果，但經皮冠狀動脈成形術後6個月後再狹窄發生率較高（約30%），是介入性治療面臨的重要問題。近年的研究方向有藥物塗層支架、放射活性支架、包被支架、可降解支架等。管腔支架大多采用鎳钛形狀記憶合金制備，有自膨脹和球囊擴張式兩類。主要用于晚期惡性腫瘤引起的膽道狹窄；晚期氣管、支氣管或縱隔腫瘤引起的呼吸困難的治療，支氣管良性狹窄等；不能手術切除的惡性腫瘤引起的食管瘘及惡性難治性食管狹窄等。制作導管的材料有聚乙烯、聚氨脂、聚氯乙烯、聚四氟乙烯等。導管外層材料多為能夠提供硬度和記憶的聚脂、聚乙烯等，内層為光滑的聚四氟乙烯。栓塞材料按照材料性質可分為對機體無活性、自體材料和放射性顆粒三種。理想的栓塞材料應符合無毒、無抗原性，具有良好相容性，能迅速閉塞血管，能按需要閉塞不同口徑、不同流量的血管，易經導管運送，易得、易消毒等要求。更高的要求是能控制閉塞血管時間的長短，一旦需要可經皮回收或使血管再通。常用栓塞材料包括自體血塊、明膠海馬、微膠原纖維、膠原絨聚物等。

血液淨化材料

血液淨化材料重在應用采用濾過沉澱或吸附的原理，将體内内源性或外源性毒物（緻病物質）專一性或高選擇性地去除，從而達到治病的目的，是治療各種疑難病症的有效療法。尿毒症、各種藥物中毒、免疫性疾病（系統性紅斑狼瘡、類風濕性關節炎）、高脂血症等，都可采用血液淨化療法治療，其核心是濾膜、吸附劑等生物醫用材料。血液淨化材料的研究和臨床應用，在日本和歐洲成為了生物醫用材料發展的熱點。

複合生物醫用材料仍是開發重點

作為硬組織修複材料的主體，複合生物醫用材料受到廣泛重視。它具有強度高、韌性好的特點，目前己廣泛應用于臨床。通過具有不同性能材料的複合，可以達到"取長補短"的效果。可以有效解決材料的強度、韌性及生物相容性問題。是生物醫用材料新品種開發的有效手段。提高複合材料界面之間結合程度（相容性）是複合生物醫用材料研究的主要課題。根據使用方式的不同研究較多的是：合金、碳纖維/高分子材料、無機材料（生物陶瓷、生物活性玻璃）/高分子材料的複合研究。

口腔材料口腔材料仍在發展

口腔材料學是口腔醫學與材料學之間的界面學科，其品種及分類方法很多，可以分為口腔有機高分子材料、口腔無機非金屬材料、口腔金屬材料、口腔輔助材料，也可分為烤瓷材料、種植材料、充填材料、粘結材料、印模材料、耐火包埋材料。近年來組織工程技術在口腔臨床開始應用，主要是膜引導組織再生技術和牙周外科治療和即刻植入修複中的應用。口腔材料中的生物化仿生材料尚待今後研究和探讨。陶瓷材料脆弱的撓曲強度一直困擾着牙科醫生和患者。而牙科修複學中顔色的再現問題是影響牙齒及修複體客觀的一個重要因素。因此牙科陶瓷技術是沿着克服材料的脆性，精确測定牙的顔色并提供組成、性能穩定的陶瓷材料的方向發展的。

生物相容性評價标準在不斷改進和發展

新的生物相容性内容的研究對材料的生物學評價提出新的要求，除了目前的ISO10993标準外，新的評價方法将從以下幾個方面展開：①生物醫用材料對人體免疫系統的影響；②生物醫用材料對各種細胞因子的影響；③生物醫用材料對細胞生長、凋亡的影響；④降解控釋材料對人體代謝過程的影響；⑤智能材料對人體信息傳遞和功能調控的影響；⑥藥物控釋材料、淨化功能材料、組織工程材料的生物相容性評價。