生物材料

生物材料生物医用材料(BiomedicalMaterials)，又称生物材料(Biomaterials)，是用于诊断、治疗、修复或替换人体组织或器官或增进其功能的一类高技术新材料，可以是天然的，也可以是合成的，或是它们的复合。

生物医用材料不是药物，其作用不必通过药理学、免疫学或代谢手段实现，为药物所不能替代，是保障人类健康的必需品，但可与之结合，促进其功能的实现。

按国际惯例，其管理划属医疗器械范畴，所占医疗器械市场份额>40%。

自90年代后期以来，世界生物材料科学和技术迅速发展，即使在当今全球经济低迷的大环境下，生物材料依然保持着每年13%高速增长，充分体现了其强大的生命力和广阔的发展前景。

现代医学正向再生和重建被损坏的人体组织和器官、恢复和增进人体生理功能、个性化和微创治疗等方向发展。

传统的无生命的医用金属、高分子、生物陶瓷等常规材料已不能满足医学发展的要求，生物医学材料科学与工程面临着新的机遇与挑战。

未来，生物医用材料的市场占有率大有可能将赶上药物。

因此，加强生物医用材料的临床应用研究和推广应用，重点发展我国生物医用材料的研究、开发、生产、营销紧密结合的一体化体系是当务之急。

实际上，国家当前在生物材料科学基础研究方面已经取得了重大突破进展，走在了世界先进行列，但产业化水平尚待提高，产业规模小、发展相对滞后，还不能满足全民医疗保健的实际需要。

在国家政策、经济的大力支持下，我国生物材料的产业化发展将提速。

企业应增强自主创新的能力，进一步解决依靠进口的局面，同时加大出口力度，实现跨越发展，扩大中国生物材料产品在国际上的影响力。

生物材料是应用生物学和工程学的原理，对生物材料、生物所特有的功能，定向地组建成具有特定性状的生物新品种的综合性的科学技术。

生物工程学是70年代初，在分子生物学、细胞生物学等的基础上发展起来的，包括基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程等，他们互相联系，其中以基因工程为基础。

只有通过基因工程对生物进行改造，才有可能按人类的愿望生产出更多更好的生物产品。

而基因工程的成果也只有通过发酵等工程才有可能转化为产品。

生物材料应用广泛，品种很多，其分类方法也很多。

生物材料包括金属材料（如碱金属及其合金等）、无机材料（生物活性陶瓷，羟基磷灰石等）和有机材料三大类。

有机材料中主要是高分子集合物材料，高分子材料通常按材料属性分为合成高分子材料（聚氨酯、聚酯、聚乳酸、聚乙醇酸、乳酸乙醇酸共聚物及其他医用合成塑料和橡胶等）、天然高分子材料（如胶原、丝蛋白、纤维素、壳聚糖等）；根据材料的用途，这些材料又可以分为生物惰性（bioinert）、生物活性（bioactive）或生物降解（biodegradable）材料，高分子聚合物中，根据降解产物能否被机体代谢和吸收，降解型高分子又可分为生物可吸收性和生物不可吸收性。

根据材料与血液接触后对血液成分、性能的影响状态则分为血液相容性聚合物和血液不相容性。

根据材料对机体细胞的亲和性和反映情况，可分为生物相容性和生物不相容性聚合物等。

生物材料植入人体内后，可能会对局部组织和全身产生作用和影响。

主要包括局部的组织反应和全身的免疫反应。

具体如下：①排异反应：生物材料植人体内后，可在植人物周围发生不同程度的炎症反应。

这是机体对异物进行酶解和消化的结果。

但大多数医学生物材料比较稳定，不会被很快代谢掉。

这时胶原纤维会包围在植入物周围形成被膜，或称为包囊，将正常组织与植入物隔离开。

纤维包囊形成后可发生以下变化：纤维囊增厚，从而影响局部血液供应，并为机体代谢产物和材料变性产物提供蓄积场所；纤维囊钙化或变硬，引起机械性能不相配而产生疼痛；局部持续性感染，由于纤维囊血运较差，缺乏足够的免疫细胞，坏死细胞清除较慢，使感染持续存在或加重。

②钙化：生物材料表面形成钙化经常导致材料丧失功能。

引起钙化有材料本身的原因，也有机体的原因，如材料的表面性质、死亡细胞的沉积、局部营养不良、体内钙磷含量、机械运动等因素，都是产生或加速钙化的原因。

对于软组织和心血管植入材料，应尽可能避免或减少钙化的发生。

而植入物刺激的钙化对骨性组织的修复是有利的，如陶瓷以及复合材料制备的表面活性植入物，通过钙化与组织结合，可防止界面活动。

③感染：感染是植入材料最常见的并发症。

植入材料常常增加临床手术的感染发生率。

其原因一方面是材料的污染，另一方面，植入材料本身具有很强的加重组织感染的易感性，植入材料通过限制巨噬细胞的迁移，阻断抗感染的生理过程；某些植入物的表机或其释放出的可溶性成分，可干扰巨噬细胞的杀菌机制等。

因此，生物医学材料应在不影响其性能的情况下，采用适当方法严格灭菌。

其植入手术应加强无菌操作。

避免因感染导致的植入失败。

④血液反应：主要是血栓形成，见于植入循环系统与血液密切接触的生物医学材料。

因此，与血液接触的植入材料都必须有优良的抗凝血性能。

⑤肿瘤：生物材料的致癌性是一个引人注目的问题。

尽管在临床极少见，但在动物实验中却屡见不鲜。

可能与以下因素相关：植入材料在生物老化过程中释放致癌物质；植入材料被致癌物质污染l纤维包膜增厚，导致局部组织代谢障碍，代谢产物长期积蓄，细胞发生突变的可能性增加；植入物的表面形状、粉末状或海绵状的材料几乎不会发生恶性肿瘤，纤维状的材料也很少发生，只有表面光滑的材料才容易发生。

因此在材料的选择和应用上，避免使用可能产生刺激性、乃至有毒可溶物质的材料，尽可能使用表面粗糙的材料，植入时尽量减少材料与组织的间隙等。

⑥免疫反应：有些生物材料植入后可导致全身性的免疫反应，包括体液免疫和细胞免疫反应。

临床研究发现这种免疫反应的发生与补体的激活密切相关。

例如高分子材料可通过补体系统经典途径的激活，涤纶人工血管材料植入后可通过经典途径和旁路途径激活补体。

植人材料引起的免疫反应常见于应用接触血液的生物医学材料，如人工透析使用的透析膜等。

在临床上可表现为过敏反应，容易感染，恶性肿瘤发生率高，软组织钙化或纤维化，特别是肺纤维化、钙化及动脉硬化等。

生物医用材料产业的发展强烈依靠相关领域先进技术的支持及经济实力。

美国医疗器械的高速发展及其在国际上的领先地位得力于其航天技术，生物技术，微电子技术，精密加工技术，软件开发等领域为医疗器械产业发展提供的支撑，以及良好的政策环境。

目前发达国家依靠其顶尖的科技创新和经济实力，主要生产技术含量高的生物材料和植入器械，劳动密集型、资源消耗型企业已逐渐向海外转移，因此其技术装备非常先进。

各种高档的加工中心、专用机床、激光微加工及涂层等设备已装备于生物材料企业；自动化、信息化技术已在生产中广泛应用；最先进的检验设备在大公司中随处可见。

先进的技术装备确保了其产品的先进性及市场的垄断地位。

生物医用材料产业是一个新兴的产业，其产品和技术更新换代周期短，通常仅10年左右，为保持技术的先进性和产品的市场竞争力，技术创新和升级是其生存和进一步发展的基础。

为此，发达国家企业在研究与开发方面的投入不断增大，仅次于新药研发，高达其销售额的11%-13%，且持续增长。

生物医学材料的应用虽已取得极大成功，但是，长期临床应用亦暴露出不少的问题，突出表现在功能性、免疫性、服役寿命等不能很好地满足临床应用的要求。

如人心瓣膜植入12年后死亡率达58%，血管支架植入后血管再狭窄率达≈10%，人工关节有效期老年组为12-15年，中青年组仅≈5年等，根本原因是材料或植入体基本上以异物存在体内。

当代医学对于组织及器官的修复，已向再生和重建人体组织或器官、或恢复和增进其生物功能，个性化和微创伤治疗等方向发展，传统的生物医学材料已难于满足临床要求。

赋予材料生物结构和生物功能，充分调动人体自我康复的能力，再生和重建被损坏的人体组织或器官，或恢复和增进其生物功能，实现被损坏的组织或器官的永久康复，已成为当代生物医学材料的发展方向。

主要前沿领域集中于：可诱导被损坏的组织或器官再生的材料和植入器械(包括组织工程化产品)；以及用于治疗难治愈疾病、恢复和增进组织或器官生物功能的药物和生物活性物质(疫苗、蛋白、基因等)靶向控释载体和系统等。

生物医学材料及植入器械的前沿研究正在不断取得重大进展，美国FDA已批准7个组织工程化产品上市，中国SFDA已批准可诱导骨再生的骨诱导人工骨及组织工程化皮肤上市，并颁布了七个组织工程化产品标准，一大批可再生组织的植入器械正在国内外临床试验中。

前沿研究已面临实现重大突破的边缘—设计和制造有生命的人体组织，进一步整个人体器官。

其发展和应用已催生一个新的学科—再生医学，预计再生医学的发展将萌生一个再生医学产品的新产业，未来20年内其市场销售额将突破US00亿元。

再生医学产品主要由干细胞、以生物材料为支架的组织工程化组织和器官、以及可供移植的生物组织和器官所构成，生物医用材料是其发展的基础。

虽然前沿研究正在取得重大进展，但是由于技术及其他原因，传统材料至少仍将是未来20-30年内生物医学工程产业的基础和临床应用的重要材料。

传统生物医学材料生物学性能的改进和提高，亦是当代生物医用材料发展的另一个重点。

生物医用材料植入体内与机体的反应首先发生于植入材料的表面/界面，即材料表面/界面对体内蛋白/细胞的吸附/黏附。

传统材料的主要问题是对蛋白/细胞的随机吸附/黏附，包括蜕变蛋白的吸附，从而导致炎症、异体反应、植入失效。

控制材料表面/界面对蛋白的吸附、进而细胞行为，是控制和引导其生物学反应、避免异体反应的关键。

因此，深入研究生物材料的表面/界面，发展表面改性技术及表面改性植入器械，是现阶段改进和提高传统材料的主要途径，也是发展新一代生物医用材料的基础。

可以预料，在未来20~30年内，生物医用材料和植入器械科学和产业将发生革命性变化：一个为再生医学提供可诱导组织或器官再生或重建的生物医用材料和植入器械新产业将成为生物医用材料产业的主体；表面改性的常规材料和植入器械作为其重要的补充。

保守估计，2030年左右两者可能导致世界高技术生物材料市场增长至≈US.5万余亿元，与此相应，带动相关产业新增间接经济效益可达US.5万余亿元。

当前国内外生物材料开发研究的主要趋势，是致力提高材料的生物相容性，致力于开发生物柏容性更好、更能适合人体牛理需要的新材料。

单凭“经验”对现有材料进行纯化或简单改性，已远远不能满足当今医学发展对生物材料越来越高的要求。

开始重视牛物棚容性的分子漩计学研究，并尝试应用分子设计学方法和仿生学方法，开发生物相容性更好的新材料。

此外，通过对材料的表面修饰或生物化处理，使材料与活体的接触界面有一个相容性和适应性较佳的过渡层，也是提高材料生物相容性的分子设计内容之一，近年来倍受再视。

我国的生物医用材料自1960年代开始应用于临床，到上世纪末大量使用，呈迅猛发展的态势。