纳米生物医用材料的进展研究

纳米生物医用材料的进展研究生物医用材料是用来关于生物体进行诊断、治疗、修复或替换其病损组织、器官或增进其功能的新型高技术材料，它是研究人工器官和医疗器械的基础，己成为材料学科的重要分支，专门是随着生物技术的莲勃进展和重大突破，生物材料己成为各国科学家竞相进行研究和开发的热点。

研究动态迄今为止,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。

目前生物医用材料研究的重点是在保证安全性的前提下查找组织相容性更好、可降解、耐腐蚀、持久、多用途的生物医用材料，具体表达在以下几个方面：
1. 提高生物医用材料的组织相容性
途径不外乎有两种，一是使用天然高分子材料，例如利用基因工程技术将产生蛛丝的基因导入酵母细菌并使其表达；二是在材料表面固定有生理功能的物质，如多肽、酶和细胞生长因子等，这些物质充当邻近细胞、基质的配基或受体,使材料表面形成一个能与生物活体相适应的过渡层。

2. 生物医用材料的可降解化
组织工程领域研究中,通常应用生物相容性的可降解聚合物去诱导周围组织的生长或作为植入细胞的粘附、生长、分化的临时支架。

其中组织工程材料除了具备一定的机械性能外，还需具有生物相容性和可降解性。

英国科学家发明了一种可降解淀粉基聚合物支架。

以玉米淀粉为差不多材料，分别加入乙烯基乙烯醇和醋酸纤维素,再分别对应加入不同比例的发泡剂(要紧为羧酸)，注塑成型后就能够获得支撑组织再生的可降解支架。

3. 生物医用材料的生物功能化和生物智能化
利用细胞学和分子生物学方法将蛋白质、细胞生长因子、酶及多肽等固定在现有材料的表面,通过表面修饰构建新一代的分子生物材料,来引发我们所需的特异生物反应,抑制非特异性反应。

例如将一种名叫玻璃粘连蛋白(ＶＮ)的物质固定到钛表面，发觉固定ＶＮ的骨结合界面上有相对多的蛋白存在。

4．开发新型医用合金材料
生物适应性优良的Zr、Nb、Ta、Pd、Sn合金化元素被用于取代钛合金中有毒性的Al、V等，如Ti -15Zr - 4Nb - 2Ta和Ti - 12Mo - 6Zr - 2Fe等合金的生物亲和性显著提高，,耐蚀及机械性能也有较大改善，Ti-Ni 和Cu、Zn、Al等形状经历合金由于具有形状经历和超弹性双重功能，在脊椎校正、断骨固定等方面有专门的应用。

5．作为研究热点的纳米生物材料
目前取得实质性进展的是纳米控释技术和纳米颗粒基因转移技术。

这种技术是以纳米颗粒作为药物和基因转移载体，将药物、DNA和RNA等基因治疗分子包裹在纳米颗粒之中或吸附在其表面，同时也在颗粒表面耦联特异性的靶向分子，如特异性配体、单克隆抗体等，通过靶向分子与细胞表面特异性受体结合，在细胞摄取作用下进入细胞内，实现安全有效的靶向性药物和基因治疗。

6．增强生物医用材料的治疗特性
研究说明，肿瘤部位的神经和血管都不发达，通过温热疗法能够选择性杀死癌细胞。

通常采纳铁磁材料植入肿瘤部位，在交变磁场作用下通过磁滞加热使癌细胞死亡。

由于铁磁材料不具备生物活性，加热后要用外科手术的方法去除，给患者带来不便。

而铁磁微晶玻璃（Fe2O3 - CaO -SiO2）能够将磁滞与良好的生物相容性结合，即使长期留在人体内也无不良阻碍。

7．研制具有多种专门功能的生物材料
如：膜式人工肺中使用的透氧气和二氧化碳的材料；用于植入体内降解缓蚀性材料和通过皮肤吸取的液晶缓蚀膜材料；用于口腔医学临床的金属和陶瓷与用碳纤维增强的复合材料。

研究热点
1. 生物材料表面改性:改进和进展生物医用材料的血液相容性和组织相容性以及生物材料分子相容性评判新方法研究。

今后对材料生物相容性的研究要紧集中在以下3个方面：①生物医用材料对组织、器官的全面生理阻碍；②降解材料在体内的代谢过程；③生物医用材料对细胞、组织、器官间的信息传递、基因调控的阻碍。

新的生物相容性内容的研究对材料的生物学评判提出新的要求，除了目前的ISO10993标准外，新的评判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阻碍；②生物医用材料对各种细胞因子的阻碍；③生物医用材料对细胞生长、调亡的阻碍；④降解控释材料对人体代谢过程的阻碍；⑤智能材料对人体信息传递和功能调控的阻碍；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判。

2. 组织工程材料：研究具有全面生理功能的人工器官、组织支架材料、研究新的降解材料。

3. 复合生物材料，有效解决材料的强度、韧性及生物相容性问题，目前研究较多的是：合金、碳纤维/高分子材料、无机材料
4. 血液净化材料，利用滤膜、吸附剂等生物材料，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。

是治疗尿毒症、各种药物中毒、免疫性疾病、高脂血症等各种疑难病症的有效手段。

血液净化材料的研究和临床应用在日本和欧洲已成为生物材料进展的热点。

我国在这一研究领域具有一定的实力，研究水平居于世界前列，但临床应用不够，应予以加强。

5. 纳米生物材料，在医学上要紧用作药物控释材料和药物载体。

从物质性质上能够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；从形状上能够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。

纳米材料作为基因治疗的理想载体，具有承载容量大，安全性能高的特点。

近来新合成的树枝状高分子材料作为基因导入的载体值得关注。

6. 口腔材料。

陶瓷材料脆弱的挠曲强度一直困扰着牙科大夫和患者。

而牙科修复学中颜色的再现问题是阻碍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、性能稳固的陶瓷材料的方向进展的。

7. 生物体植入集成电路，包括生物功能修复集成电路的设计与制造；生物功能修复IC封装材料及其生物相容性研究；生物电传感材料及其生物相容性研究。

8. 我国生物医用材料的研究热点。

国家自然科学基金项目“生物医用材料差不多科学问题的研究”选定以下领域作为研究热点：具有诱导组织再生的骨、软骨及肌腱等基底和框架材料的设计原理和组织诱导机制；给予材料抗凝血性和生物活性的表面设计和改性原理；具有特异性识别细胞和血液中致病毒物分子的材料的分子识别规律和机制；能识别特定（病变）组织、器官及细胞受体的靶向型生物活性物质控释体系的材料设计原理和控释机制；以及材料的制备方法学和质量操纵体系的科学基础。

我国生物医用材料研究的计策
我国生物医用材料的研究尽管取得一些令人瞩目的成果，但整体水平不高，跟踪研究多，源头创新少。

在产业化方面，生物医用材料及其制品占世界市场的份额不足2％，要紧依靠进口，产品技术结构和水平差不多上处于初级时期。

结合我国国情和学科进展趋势，中国生物材料联合会副主席、南开大学教授俞耀庭先生提出，我国应该在以下五个方面开展重点研究：一是生物结构和生物功能的设计和构建原理研究，二是表面／界面过程-材料与机体之间的相互作用机制研究，三是生物导向性及生物活性物质的控释机理研究, 四是生物降解／吸取的调控机制研究, 五是材料的制备方法学和质量操纵体系研究。

通过上述研究的开展，将使我国生物材料的研究水平有较大提高，为我国生物医用材料科学及其产业的进展奠定坚实的基础。

生物医用材料研究新进展
一、引言
生物医用材料(biomedical material)，是用于对生物体进行诊断、治疗、修复或替换生物体病损组织或器官，或增进生物体功能的新型功能材料，它是研究人工器官和医疗器械的基础。

生物医用材料科学是生物技术、材料科学等交汇形成的前沿交叉学科，已成为人体健康领域的重要组成部分，也是材料学科的重要分支。

随着人类生活环境的改善和生活水平的提高，对生物医用材料的需求日益扩大，目前世界生物医用材料市场以每年大于20％的速度增长。

中国的增长速度为28％，居世界首位。

生物医用材料和制品产业已出现与信息产业、汽车产业相抗衡的态势，逐步进展成为本世纪世界经济的支柱产业之一。

目前生物医用材料产业仍以常规材料居主导地位。

2000年全球医疗器械市场已达1650亿美元，其中生物医用材料及制品约占50％。

硬组织材料是生物材料的重要组成部分，目前大约占整个生物材料产品销售额的1/5。

以骨缺损修复材料为例，美国每年有600多万例骨伤，50万-60万人需骨修复材料，市场为每年6亿～10亿美元。

据统计，我国全国骨缺损病例每年为300万例，对骨修复材料的需求每年是200万例，目前的实际用量每年为50万例。

在中国市场，目前骨修复产品为每单元2000元人民币左右。

如此目前每年有不低于10亿元人民币的市场，而潜在的市场每年是40亿元人民币。

矫形外科修复材料和制品的世界市场年增长率坚持在26％；人造皮肤、组织黏合剂及术后防粘连制品年增长率达45％；估量工程化组织和器官上市后，可开拓800亿美元的新市场；心血管系统修复材料、血液净化材料、药物缓释材料也是高速增长的领域。

与此同时，生物材料前沿研究不断取得进展，将开拓更为宽敞的市场空间，并为常规材料的改性和创新提供导向。

估量在今后15-20年，生物医用材料产业可达到相当于药物市场份额的规模。

生物医用材料进展迅速的要紧动力来自全球性的人口老龄化、中青年刨伤的增多、疑难疾病患者的增加，同时以纳米技术、信息技术为主体的高新技术的进展有力地推进了生物医用材料的进展。

人口老龄化进程的加速和人类对健康与长寿的追求，激发了对生物材料的需求。

例如，澳大利亚2000年17％以上的人口大于65岁，2005年将增至20％；与此相应，人工心瓣膜、心脏起搏器等心血管系统材料和器械的市场将从2000年的5600万美元增至2005年的8000万美元。

作为世界人口最多的国家，中国已进入老龄化国家行列，生物材料的市场潜力将更加庞大。

生活节奏的加快、活动空间的扩展和饮食结构的变化等因素，使创伤成为一个严峻的社会问题。

美国1998年用于骨骼-肌肉系统损害患者的治疗费高达1280亿美元，其中80％需用生物医用材料治疗。

同时，心脑血管疾病、各种癌症、艾滋病、糖尿病、老年痴呆症等发病率逐年增加，对急需用于诊断、治疗和修复的生物材料提出了更大的需求。

二、进展状况和趋势
随着生物技术的进展，不同学科的科学家进行了广泛合作，从而使制造具有完全生物功能的人工器官显现出了美好的前景。

人体组织和器官的修复，将从简单的利用器械机械固定进展到再生和重建有生命的人体组织和器官；从短寿命的组织和器官的修复进展至永久性的修复和替换。

这一医学革命(专门是外科学)，对生命科学和材料等相关学科的进展提出了诸多需求，对生物医学材料的进展产生了重要的促进作用。

近年来生物医用材料领域的研究论文和申请发明专利数的逐年快速增加(见图1)，显示了该领域研究与开发的活跃态势。

目前在生物医用材料领域以下研究方向最为活跃：医用植入材料(专门是活性可降解生物材料)、组织工程材料、诊断与治疗相关材料及技术(要紧是生物标记和
生物芯片材料)、药物开释材料。

同时，纳米技术和仿生合成技术在上述研究领域中的融入与应用，不断促使新材料、新功能的产生，已成为生物医用材料研究领域的特点趋势。

人体组织的病变和损害直截了当阻碍人们的生活质量，因此组织损害的修复一直是人们专门关注的医学研究课题。

以骨组织损害为例，采纳人工材料植入体内答复或替代病变及损害骨组织是临床上要紧的治疗方法。

然而，一样的人造材料植入骨缺损部位后，通常会被纤维组织包围，无法与周围的组织结合以达到对
损害的修复。

20世纪70年代美国科学家发明了CaO-SiO
2-Na
2
O-P
2
O
5
系统生物活
性玻璃，并发觉这类生物玻璃材料能够在人体内与骨组织发生键合反应，与骨组织有机地结合在一起。

生物活性玻璃的研究开创了生物活性材料研究的先河。

在此之后的30年，在骨修复材料方面人们的研究要紧集中在生物活性玻璃、生物活性玻璃陶瓷及磷酸钙类活性陶瓷方面。

进入21世纪，随着医学、细胞技术和分子生物学的进展及组织工程学的建立和快速进展，对高性能生物活性材料的要求也大大增加。

从目前的进展趋势看，生物活性材料，专门是可降解的生物活性材料有可能成为在生物材料领域最有进展潜力的方向之一，在组织和器官修复方面有庞大的应用前景。

为此，美国闻名生物材料学家Heneh教授在《科学》上发表文章提出了第三代生物材料的概念，并指出具有生物活性同时可降解的第三代生物材料是生物医用材料进展的方向，将会对组织再生和组织工程技术的进展产生庞大的推动作用。

此外，现有医用植入材料表面改性，使其表面活性化，是组织与器官替代材料进展的一个重要方向。

专门是现有人工关节等植入体的改性，有望在较短的时刻内实现产业化。

综上所述，具有生物活性的可降解生物材料(第三代生物材料)和生物活性涂层材料有望在10-20年内形成大产业，对社会经济产生重大阻碍。

在骨修复植入材料中，磷酸钙类的生物陶瓷材料如羟基磷灰石、磷酸三钙等一直是人们研究的重点。

国外差不多有较为成熟的羟基磷灰石、磷酸三钙骨修复产品。

然而，羟基磷灰石生物陶瓷尽管具有较好的生物活性，但降解性和力学性能都不理想。

磷酸三钙具有良好的降解性，但生物活性不理想。

生物活性玻璃尽管差不多有30多年的历史，但由于其理化特性和制备工艺等方面的缘故，目前只有颗粒状产品被用于骨组织损害修复。

此外，组织工程学的快速进展也导致了多孔生物陶瓷作为细胞支架材料研究的快速进展，但其中大部分研究集中在多孔磷酸三钙、人工改性珊瑚等方面，到目前为止还没有一种理想的多孔支架材料问世。

由于以上缘故，研究探究新型生物活性陶瓷及其复合材料差不多成为生物材料领域的一个要紧研究方向。

就基础研究而言，探究新型钙-硅基生物活性陶瓷是一个专门有潜力的进展方向。

人们在生物活性玻璃研究中得到启发，钙、硅、磷等组分的组合是材料具有生物活性的重要因素之一。

因此，研究探究不同化学组成和结构的钙-硅基陶瓷，有可能找到具有优良综合性能的生物活性材料，补偿磷酸钙类生物陶瓷和生物活性玻璃的不足。

在国际上，西班牙和日本的研究小组近几年先后报道的硅灰石和假硅灰石生物陶瓷的研究结果，证实了硅灰石陶瓷具有较好的生物活性。

在国内，中国科学院上海硅酸盐研究所领先开展了一系列硅酸盐生物活性陶瓷的研究，在粉体制备、活性涂层和材料活性及细胞相容性方面取得了较大的进展，并在国际上领先发表了研究结果。

在骨植入材料方面的另一个热点是复合型生物活性材料的研究。

过去的研究显示，由于生物体是一个专门复杂的系统，生物组织实际上是一个专门复杂的复合材料，因此任何单一组分的生物材料都存在如此或那样的缺陷。

而通过复合有可能制备出具有接近生物组
织特性的生物材料，实现理想的组织修复目标。

基于那个缘故，近年来国内外复合生物材料研究进展也较快。

国内外在高分子/磷酸钙类复合生物材料方面差不多做了大量研究工作，这些研究包括胶原蛋白/羟基磷灰石复合材料、壳聚糖/羟基磷灰石复合材料、聚乳酸/羟基磷灰石复合材料等。

近几年国内在生物活性陶瓷/生物高分子复合材料方面开展了一些有意义的前瞻性研究，在国际上事先报道了胶原蛋白/硅酸钙、壳聚糖/硅酸钙及聚酯/硅酸钙等复合生物活性材料的时期性研究结果。

能够说，钙-硅基生物活性陶瓷及其复合材料的制备及性能研究是目前国际上前沿的研究方向之一。

从硬组织修复材料的应用和产业进展情形来看，目前差不多形成产品的要紧是颗粒状生物活性玻璃、AW生物活性玻璃陶瓷、羟基磷灰石人工骨修复材料、β-磷酸三钙骨修复材料和自固化磷酸钙骨修复材料。

其中，国外产品占了要紧市场，因此，具有优良性能的生物活性玻璃和生物活性陶瓷多孔支架材料有可能成为“十一五”期间最具竞争力的骨修复产品。

硬组织替代材料也是生物材料的重要组成部分，在各种硬组织技术产品的开发应用方面，美国、瑞士和德国的一些公司比较活跃。

钛合金表面生物涂层材料是目前最被看好的硬组织种植体的材料，其中等离子喷涂技术制备的涂层材料较为成功。

目前应用最为广泛的为钛合金表面的Ti和HA涂层。

然而随着人们生活水平的提高和生活质量的改善，对人工硬组织材料的性能要求也随之提高，而目前的这些涂层材料的性能仍旧存在一些不足。

Ti涂层具有良好的力学性能，然而不具生物活性，在体内与宿主骨之间常常形成一层结缔组织，不能产生直截了当的化学结合。

HA涂层具有良好的生物活性，然而由于HA涂层与钛合金基体结合强度较低，阻碍体内使用安全性和寿命。

有报道髋关节置换10年后松动率达51％，再翻修率为10％-18％。

欧美发达国家60岁以上者约2％做了髋关节置换，若以如此的翻修率计，其数量相当可观，并给大量的病人带来痛楚。

因此，研制既具良好生物活性，又具优良力学性能的涂层材料，差不多成为势在必行的工作。

我国等离子喷涂技术制备硬组织置换涂层材料的研究开始于20世纪60年代，已有40余年历史。

但由于起步较晚，总体上仍旧与国际先进水平存在一定差距。

要紧的不足之处有：制备工艺质量不高，产品档次较低；生物涂层材料在品质上也未达到生物学性能与力学性能完美结合，研发尚未形成规模。

目前羟基磷灰石涂层钛合金人工关节要紧由国外产品占据了市场。

因此，开发具有自主知识产权的新型生物活性陶瓷涂层具有重大意义。

纳米生物材料，专门是纳米复合生物材料也是一个有进展前景的研究方向。

纳米生物材料的—个最要紧的应用是药物的操纵开释。

其中无机纳米孔结构材料作为新型药物载体的研究，是国际上近期备受关注的研究方向。

无机孔状纳米结构材料，如纳米管和介孔材料，具有纳米孔结构和高比表面特点，且结构稳固，在物质储备方面具有宽敞的应用空间，利用无机纳米孔结构材料进行药物的储备与开释系统研究具有良好的进展前景。

无机纳米孔结构材料专门适用于可控性药物开释系统，通过对微孔的功能化组装，能够实现药物储备与开释的定时、定速、定向完全操纵。

此外，纳米复合生物材料也是近来进展较快的研究方向。

从最近发表的论文情形来看，目前的研究要紧集中在纳米羟基磷灰石与胶原蛋白、聚乳酸等高分子材料复合，以此得到具有更好的力学和生物学性能的生物材料。

这方面国内与国外的差距相对较小，比如清华大学差不多研究并开发出纳米羟基磷灰石与胶原蛋白复合材料并成功用于骨缺损修复。

然而，纳米材料的安全性是一个
目前人们越来越关注的问题，因此纳米生物材料是否能进—步进展和得到应用与其安全性研究结果紧密相关。

生物材料的仿生设计和制备也是生物材料研究进展的一个要紧趋势。

生物是专门复杂的开放体系，其内部和环境间进行着复杂的物质、能量和信息的传输和变换。

随着生物的形成和进化，生物体成为充满隐秘的各种个体，它由不同层次的各种“组元”极其复杂和系列化地相互作用进展而成。

从材料科学角度看，可将蛋白质、糖类和脱氧核糖核酸视作自组装构成生物体的基石；将组织视同为细胞复合材料，它由细胞和细胞外基质组成。

通过材料科学与生命科学的交叉，从生物大分子蛋白质、多糖和DNA之间的相互作用阐明细胞形成，为生物材料介导细胞行为的操纵提供了依据，更为基因工程、基因治疗、组织工程的进展制造了条件。

生命科学与材料科学的融合，启发人们以宽敞的视角摸索材料科学与工程问题。

以通过亿万年进化形成的生物体为极限目标，于不同层次和水平上仿生，才可能有效解决材料—生物体的界面接口问题，且使材料与系统智能化和环境友好化，使材料制备节能、省资源、高效化。

依照目前组织与器官修复及组织工程学快速进展的趋势和与其紧密相关的第三代生物材料有望形成大型产业的分析，今后的战略重点应该是能够原位诱导组织和器官再生与修复的生物活性材料及组织工程支架材料。

从目前的进展趋势来看，以这两方面为应用背景的生物材料有可能成为组织工程和组织与器官再生技术进展的瓶颈。

谁先突破这—瓶颈，谁将会取得重大经济效益。

三、政策建议
生物医用材料产业进展的特点是投资风险较高，专门是产业化前期的风险较高，而投资回报相对较慢。

缘故要紧有两点：一是由于生物医用材料产品进入市场前需要获得国家医疗器械治理局的审批，而审批要求申报的产品都需要通过安全性检验，比如动物实验和临床实验。

这就使生物医用材料产品从开发到进入市场的周期比较长。

另一方面，新材料作为产品申报一样都必须通过企业来进行，科研单位在生产条件和人员方面都无法满足申报产品的要求，一样也没有单独的经费来支持申报工作。

此外，由于生物医用材料产品都需通过医院进行推广，要通过临床大夫的了解和认可，那个过程也比较长，使得进入市场所需时刻长，增加了风险。

因此，生物医用材料产业进展的一个关键矛盾在于产品开发时期，专门是产品申报时期需要资金支持，而这一时期又没有学术论文等研究成果产出，因而科研项目资金不适合用于产品开发，但社会资金由于考虑申报时期的风险又不愿投入，使得科研单位研发出的新产品在取得医疗器械治理局生产许可和临床使用许可之前处于既没有科研项目支持、又专门难取得社会资金支持的处境。

因此，这一时期政府专项基金的支持是专门重要的，而这类专项基金应以最终产品获得国家食品药品监督治理局颁发注册证，准许进入市场销售为考核指标，并要求企业提供整个申报和临床实验所需经费的10％。

如此既降低了企业为获得新产品所承担的风险，又使企业会认真支持整个申报和产品开发。

生物医用材料以后进展趋势。