生物医学材料的应用及发展

生物医学材料的应用及其发展

一、生物医学材料分类

生物医学材料是指这样一类具有特殊性能、特种功能，用于人工器官、外科修复、理疗康复、诊断、治疗疾患，而对人体组织不会产生不良影响的材料。取材于各种合成材料、天然高分子材料、金属和合金材料、陶瓷和碳素材料以及各种复合材料，其制成品都已经被广泛应用于临床和科研。主要应用于人工皮肤、人工食道、人工心肺气管、烧伤保护膜、手术缝合线、填充物、注射针筒、血袋、引流插管及植入体(implant)、人工脏器止血剂（如止血绵）、微胶囊、皮下注射剂、避孕海绵等，在国外发达国家的应用已经进入普及阶段。

根据物质属性，生物医学材料大致可以分为五种:

1、生物医学金属材料医用金属材料是作为生物医学材料的金属或合金，具有很高的机械强度和抗疲劳特性，是临床应用最广泛的承力植入材料，主要有钴合金（Co-Cr-Ni）、钛合金（Ti-6Al-4V）和不锈钢的人工关节和人工骨。镍钛形状记忆合金具有形状记忆的智能特性，能够用于矫形外科、心血管外科。

2、生物医学高分子材料生物医学高分子材料有天然的和合成的两种，发展最快的是合成高分子医用材料。通过分子设计，可以获得很多具有良好物理机械性和生物相容性的生物材料。如软性材料常用作人体软组织如血管、食道等的代用品；合成的硬材料常用作人工硬脑膜、笼架球形的人工心脏瓣膜的球形阀等；液态的合成材料如室温硫化硅橡胶可以用作注入式组织修补材料。

3、生物医学无机非金属材料或生物陶瓷生物陶瓷化学性质稳定，具有良好的生物相容性。生物陶瓷主要包括两类:1）惰性生物陶瓷（如氧化铝、医用碳素材料等），这类材料具有较高的强度，耐磨性能良好。2）生物活性陶瓷（如羟基磷灰石和生物活性玻璃等），这类材料具有能在生理环境中逐步降解和吸收，或与生物机体形成稳定的化学键结合的特性，因而具有极为广阔的发展前景。

4、生物医学复合材料生物医学复合材料是由两种或两种以上不同材料复合而成的生物医学材料，主要用于修复或替换人体组织、器官或增进其功能以及人工器官的制造。其中钛合金和聚乙烯组织的假体常用作关节材料；碳—钛合成材料是临床应用良好的人工股骨头；高分子材料与生物高分子（如酶、抗源、抗体和激素等）结合可以作为生物传感器。

5、生物医学衍生材料生物医学衍生材料是经过特殊处理的天然生物组织形成的生物医学材料，是无生物活力的材料，但是由于具有类似天然组织的构型和功能，在人体组织的修复和替换中具有重要作用，主要用作皮肤掩膜、血液透析膜、人工心脏瓣膜等。

二、生物医学材料现阶段的应用状况

我国医疗器械产业近10年来虽以高达15-18%的年增长率持续增长，但与药品市场之比仅为1：5，国产品所占世界市场份额仍不到4%，其中生物相容性材料所占医疗器械市场份额远低于国际市场的35%，特别是产品技术结构不合理，技术含量高的产品90％以上依赖进口，与我国13亿人口对生物医学材料和制品的需求极不适应。发展生物医学材料和制品产业，已是我国社会、经济发展的迫切需求，特别是满足全民保健，建立稳定、和谐的小康社会的迫切需求。

材料的生物相容性引起适当的机体反应的能力，是生物医学材料区别母其它

高技术材料的最重要的特链。材料表面和表面改性，成为现阶段改进和提高常规材料的主要途径，也是发展新一代生物医学村料的基础。其研究热点主要集中于：(1)清洁表面，即阻碍蛋白和细胞吸附/粘附的表面改性。这对用于心血管系统修复材料特别重要。可使其不吸附血液中的蛋白而获得抗凝血性能。(2)特异性表面的设计与改性，即可以选择性吸附/粘附蛋白和细胞的表面，也可控制生物学反应的表面。通过在材料表面固定有特定结合区结构的生物分子和蛋白质层，可实现材料对特定细胞的选择性粘附。研究材料表面组成、结构和性质与体内蛋白分子的相互作用，及其对蛋白和细胞特异性吸附/粘附的影响，是生物医学材科科学的基本问题之一。

三、生物医学材料的发展远景

纳米生物材料及软纳米技术是当前生物材料的前沿和热点研究。生物医学材料科学史当代科学技术中涉及学科最为广泛的多学科交叉领域，它不仅是构成现代医学基础的生物医学工程和生物技术的重要基础，而且对材料科学、信息科学及生命科学等相关学科的发展有重要的促进作用，具有重大的科学意义。

设计和合成可引导或诱导组织再生和重建，或恢复病变或损伤组织生物功能的材科，是新一代生物医学材料研究和生物材料科学与工程追求的目标。最活跃的研究领域包括：1）组织诱导生物材料，即可诱导组织再生和重建的细胞支架材料。2）类似于自然组织高水合状态环境的水凝胶。3）智能生物材料。

纳米生物材料及软纳米技术史当今生物材料的前沿和研究热点。研究发现，纳米增强高分子复合材料的结构、生物力学相容性和生物活性更接近于自然骨，可望成为优良的组织工程支架材料。而且纳米尺度的材料颗粒可穿透细胞膜进入细胞，从而在基因控释中具有重要应用。

虽然纳米生物材料的生物学效应还远未被认识，但是现有研究表明纳米生物医学村料的纳米效应可增进材料的生物学性能，还有可能表现出尚未发现的优良生物学性能。但是，纳米生物材料亦可导致生物学风险，这是纳米生物材料研究有特且必须解决的问题。