生物医学材料与人工器官

古代人类只能用天然材料(丰要是药物，来治病，包括用天然材料来修 复人体的创伤。例如，公元前3500年，古埃及人用棉花纤维、马鬃等缝合 伤口；墨西哥印第安人用木片修补受伤的颅骨。公元前2500年中国的墓葬 中发现有假牙，假鼻、假耳。1588年，人们用黄金板修颚骨；1755年，用 金属在体内固定骨折；J809年，有人用黄金修复缺损的牙齿；1851年，发 明了天然橡胶的硫化方法后，采用硬胶木制作人工牙托和颚骨。最近几十 年来，生物医学材料和人工：器官的研究才有了较大的进步，在很大程序 上应归功于高分子材料科学和工业的发展。1936年发明了有机玻璃很快就 用于制作假牙和补牙；1943年，赛璐珞薄膜开始用于血液透析；1950年开 始用有机玻璃做人工股骨头。50年代，有机硅聚合物开始应用于医学，对 人工器官的研究起了促进作用。特别是60年代以后，具有各种特殊功能的 高分子材料不断研制出来，一部分从事高分子科学的人员也把研究方向转 向生物医学高分子材料方面。在经济发达国家，用高分子材料制造医疗用 品已十分普遍。1976年美国医用塑料的消耗量占当年塑料消耗量的4．4％， 达53．6万吨。同年，日本用于医疗一次性使用的塑料制品达一万吨。现 在，除了大脑之外，几乎所有的人工器官都在进行研究，有些已经作为商 品出售。仅美国和欧洲，每年用于人体自然缺陷和损伤的修复植入材料就 有四五百万件，每年有上百万病人在用人工器官。全世界有六万人靠人工 肾维持生命，美国和德国每百万居民中有超过500人的心脏病患者要植人 心脏起搏器。在美国，每年有3．5万人安装人工心脏办膜；有18万人植入 人工血管；有12万人安装人工髋关节；有10万人注射有机硅隆胸美容。人 工器官和以高分子材料为主的生物医学材料已开始成为一个新兴的工业。
参考文献
《现代功能材料》 -陈玉安，王必本，廖其龙编著 2008 《现代工业化学》 -贡长生主编 2008
《高科技与医学人文》 -李传俊等主编 2001 《世界科技全景百卷书 100 仿生学》 -戴银涛 朱恒静编写 1998 《自然启示录 仿生学》 -戴银涛 朱恒静编写
根据物质属性，生物医学材料大致可以分为以下几种。 1、生物医学金属材料 2、生物医学高分子材料 3、生物医学无机非金属材料或生物陶瓷 4、生物医学复合材料 5、生物医学衍生材料（biomedical derived materials） 生物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，经过处理的生物衍生材料是无生物活力的材料
人工器官：人工器官(artificialorgans)是指生命体器官或器官
的部分功能的人工替代物。其实，早在中国古代和占埃及就有应用 实例，现代人工器官的临床应用始于本世纪四五十年代。随着生物 医学材料的发展及对人造器官种植面(plantinterface)，即植入性 人工器件表面与机体组织形成的作用界面的深入研究，人工器官的 研究和应用规模也在不断扩大。
(3)生物医学材料表面修饰学的研究。生物医学材料与人体接触时，必须充 分满足与生物体环境的相容性，其关键取决于材料表面与生物体环境的 相互作用。发展各种生物梯度材料，通过对材料表面的合理修饰，使其 表面形成一个能与生物活体相适应的过渡层，从而提高材料的生物相容 性。
2．生物医学材料的发展趋势
组织工程是近十年来发展起来的前沿科学，标志着医学 将走出组织器官移植的范畴，步入到制造组织器官的新时代。 大力研究和开发新一代生物相容性良好并可被人体逐步降解 吸收的生物医学材料，是今后生物医学材料发展的重要方向。 另外，纳米技术的发展，纳米材料与医学药物领域的交叉是 必然的发展趋势，譬如以纳米磁性材料为药物载体的靶向药 物被称为“生物导弹”。总之，通过分子设计、仿生模拟、 表面改性等，将会出现一批性能优异的生物医学材料，以此 不断提高医疗效果和降低医疗成本，改善人类的生活质量， 延长人类寿命。
表2是对国内生物医学材料与制品的市场需求分析。我国生 物材料及器械主要依靠进口，国内产品单一，技术落后，科研 与产业脱节。基础研究水平不高更直接制约了新技术和新材料 的发展应用。
生物医学的研究方向与发展趋势
1．生物医学材料的研究方向
(1)开发新型生物医学材料。开发新型的生物相容性材料、血液相容性材料、 生物降解材料和纳米材料在医学领域的应用将成为21世纪生物医学材料 研究开发的热点。生物相容性重点研究材料的一次结构及表面高次结构 与活体的组织相容性、咀液相容性及体内耐老化性的关系；血液相容性 的研究主要是对仿肝素结构材料和表面生物化处理材料的研究；生物降 解材料随着组织工程学的发展而得到迅猛的发展，天然材料的改性、天 然材料与合成材料的复合、新型杂化材料的制备以及合成新型生物降解 材料的研究El新月异。纳米生物医学材料有望用于制备各类软组织的支 架，组织工程支架材料，基因药物或靶向药物的载体以及内固定器件等 。(2)仿生智能生物医学材料的研究。天然材料的基本组成单元很平常，而 且能在常温常压下通过自组装、分级成型等途径，一边承载一边组装而 实现具有适应环境及功能需要的复杂结构，表现出优异的强韧性、功能 适应性及损伤愈合能力。按照严格、精确、科学的方法复合或组装，构 成智能材料，最重要的技术手段是把软件功能引入材料。这类似于生物 体的信息处理单元——神经元，可融各种功能于一体，将多种软件功能 置于几纳米到十几纳米厚的不同层次结构中，这样就可以将智能属性 “注入”到材料系统的宏观和微观结构中。
生物医学材料与人工器官
生物医学材料：生物医学材料(Biom发生相互作用的，并能对其细胞、组织和器官进行 诊断治疗，替换修复人体组织器官，或增进其功能的一类天然或人工合成 的特殊功能材料，也称生物材料(Biomaterials)。
人工器官又包括哪些内容呢?当人体器官组织因损伤、病变而用常规 疗法不能奏效时，可以用某些人工制造的替代性装置来部分或全面取而 代之原机体的病变损伤的自然器官。所有这类可用于替代置换机体自然 固有器官的人工装置，广义上都属于人工器官。每一种新型的医用生物 材料的研制面世，都必然引发带动人工器官研究与临床应用的巨大进展， 如能够补偿循环系统功能的人工心脏瓣膜，人工血管、人工血液、人工 心脏与人工心脏脏辅助装置；能够辅助呼吸机能的人工肺、人工喉、人 工气管；具有血液净化功能的人工肾、人工肝；具有支持消化功能的人 工食道、人工胆管、人工肠等；并且，能够辅助内分泌功能的人工胰及 人工胰岛细胞；能辅助生殖系统功能的人工子宫、人工输卵管、人工睾 丸、人工阴道和人工阴茎假体等等。能够模拟神经传导作用的心脏起搏 器、膈起搏器以及人工视觉、人工听觉、人工晶体、人工角膜等具有感 觉辅助功能的人工器官。例如，人工心脏起搏技术是心脏电生理与工程 技术学结合形成的一个新兴学科。随着微电子和微处理以及新能源的应 用，如今，人工心脏起搏技术较之于1932年工程师Hyman创制的重7．2KG 的第一台起搏器已经有了改天换地般的进步。有关资料统计，1990年全 世界共使用了28．4万个心脏起搏器。 上述列举的人工器官研究应用几乎涉及人体各系统组织器官，许多 严重脏器疾病可以通过人工器官的辅助或替代作用来治疗。人工器官研 究与应用将是21世纪医学及整个科学界的重大课题和重大成就。这一领 域的进展将越来越受到重视并更加引人瞩目。有学者预言，2l世纪将是 “替换外科，，发挥重要医疗保健作用的世纪。
生物医学材料的现状
据统计：以高分子材料为例，世界范围在医学上应用的 有90多个品种，1800余种制品。西方国家在医学上耗用的高 分子材料每年以10％～15％的速度增长。现代生物材料产业 是一个迅猛发展的高技术产业。不包括齿科材料。21304年 世界及主要国家和地区市场情况如表10—2所示。
2002～2004年全年增长率为7％～10％，亚洲地区发展较快达22％。预 计15年后，产业的销售额将达到药物市场的份额(1995年药品销售额为2260 亿美元，2000年为3300亿美元，2021年预计为6000亿美元)，成为整个国民 经济的一项支柱性产业。生物医学材料的研究越来越受到世界各国科学家 的重视。以四年一次的世界生物材料大会为例，1980年第一次大会出席人 数400人，论文281篇；1984年第二次800人，论文358篇；1988年第三次 1200人，论文571篇；1992年第四次1071人，论文714篇；1996年第五次， 33个国家1500人，论文近1000篇，其中中国代表29人，论文14篇；2000年 后发展更快
生物医学材料的特性
生物医学材料的特性由于生物医学材料直接作用于人体组 织，在生理条件下必须具有长期稳定的力学、物理化学和生物 学性能。研究生物医学材料区别于其他材料的最基本特征是生 物相容性(biocompatibility)。生物相容性是指材料在生物体 内与周围环境的相互适应性，也可理解为宿主体与材料之间的 相互作用程度。植人人体内的生物医学材料及人工器官、医用 辅助装置等医疗器械，必须对人体无毒性、无致敏性、无刺激 性、无遗传毒性和无致癌性，对人体组织、血液、免疫等系统 不产生不良反应。因此，材料的生物相容性优劣是生物医学材 料研究设计中首先考虑的重要问题。生物医学材料的生物相容 性按材料接触的人体部位不同一般可分为血液相容性、组织相 容性和免疫相容性。