第一篇：生物醫(yī)用材料現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

生物醫(yī)用材料現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

一、生物醫(yī)用材料概述

生物醫(yī)用材料(Biomedical Materials)，又稱生物材料(Biomaterials)，是用于診斷、治療、修復(fù)或替換人體組織或器官或增進(jìn)其功能的一類高技術(shù)新材料，可以是 天然的，也可以是合成的，或是它們的復(fù)合。生物醫(yī)用材料不是藥物，其作用不必通過藥理學(xué)、免疫學(xué)或代謝手段實(shí)現(xiàn)，為藥物所不能替代，是保障人類健康的必需 品，但可與之結(jié)合，促進(jìn)其功能的實(shí)現(xiàn)。按國際慣例，其管理劃屬醫(yī)療器械范疇，所占醫(yī)療器械市場份額>40%。

生物醫(yī)用材料的研究與開發(fā)必須有明確的應(yīng)用目標(biāo)，即使化學(xué)組成相同的材料，其應(yīng)用目的不同，不僅結(jié)構(gòu)和性質(zhì)要求不同，制造工藝也不同。因此，生物醫(yī)用材料 科學(xué)與工程總是與其終端應(yīng)用制品(一般指醫(yī)用植入體)密不可分，通常談及生物醫(yī)用材料，既指材料自身，也包括醫(yī)用植入器械。

按材料的組成和結(jié)構(gòu)，生物醫(yī)用材料可分為醫(yī)用金屬、醫(yī)用高分子、生物陶瓷、醫(yī)用復(fù)合材料、生物衍生材料等。按臨床用途，可分為骨科材料，心腦血管系統(tǒng)修復(fù) 材料，皮膚掩膜、醫(yī)用導(dǎo)管、組織粘合劑、血液凈化及吸附等醫(yī)用耗材，軟組織修復(fù)及整形外科材料，牙科修復(fù)材料，植入式微電子有源器械，生物傳感器、生物及 細(xì)胞芯片以及分子影像劑等臨床診斷材料，藥物控釋載體及系統(tǒng)等。

盡管現(xiàn)代意義上的生物醫(yī)用材料僅起源于上世紀(jì)40年代中期，產(chǎn)業(yè)形成在上世紀(jì)80年代，但是由于臨床的巨大需求和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的驅(qū)動(dòng)，卻取得了巨大的成 功。其應(yīng)用不僅挽救了數(shù)以千萬計(jì)危重病人的生命，顯著降低了心血管病、癌癥、創(chuàng)傷等重大疾病的死亡率，而且極大地提高了人類的健康水平和生命質(zhì)量。同時(shí)其 發(fā)展對(duì)當(dāng)代醫(yī)療技術(shù)的革新和醫(yī)療衛(wèi)生系統(tǒng)的改革正在發(fā)揮引導(dǎo)作用，并顯著降低了醫(yī)療費(fèi)用，是解決當(dāng)前看病難、看病貴及建設(shè)和諧穩(wěn)定的小康社會(huì)的重要物質(zhì)基 礎(chǔ)。

伴隨著臨床應(yīng)用的巨大成功，一個(gè)高技術(shù)生物醫(yī)學(xué)材料產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成，且是一個(gè)典型的低原材料消耗、低能耗、低環(huán)境污染(一個(gè)售價(jià)5000余元的藥物洗脫冠脈 支架，其不銹鋼用量僅≈100mg，全球不銹鋼用量不超過1噸)、高技術(shù)附加值(知識(shí)成本可達(dá)總成本的50-70%)的新興產(chǎn)業(yè)，近十余年來以高達(dá)20% 以上的年增長率持續(xù)增長，即使近年國際金融危機(jī)導(dǎo)致世界經(jīng)濟(jì)衰退，2009年美國醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)仍保持7%的年增長率，表明其發(fā)展受外部環(huán)境影響很小，對(duì)國 家經(jīng)濟(jì)及安全具有重大意義，是世界經(jīng)濟(jì)中最具生氣的朝陽產(chǎn)業(yè)。

生物醫(yī)用材料是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)中涉及學(xué)科最為廣泛的多學(xué)科交叉領(lǐng)域，涉及材料、生物和醫(yī)學(xué)等相關(guān)學(xué)科，是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)兩大支柱—生物技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)工程的重要基 礎(chǔ)。由于當(dāng)代材料科學(xué)與技術(shù)、細(xì)胞生物學(xué)和分子生物學(xué)的進(jìn)展，在分子水平上深化了材料與機(jī)體間相互作用的認(rèn)識(shí)，加之現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的進(jìn)展和臨床巨大需求的驅(qū)動(dòng)，當(dāng)代生物材料科學(xué)與產(chǎn)業(yè)正在發(fā)生革命性的變革，并已處于實(shí)現(xiàn)意義重大的突破的邊緣─再生人體組織，進(jìn)一步，整個(gè)人體器官，打開無生命的材料轉(zhuǎn)變?yōu)橛猩?組織的大門。在我國常規(guī)高技術(shù)生物醫(yī)用材料市場基本上為外商壟斷的情況下，抓住生物材料科學(xué)與工程正在發(fā)生革命性變革的有利時(shí)機(jī)，前瞻未來20-30年的 世界生物材料科學(xué)與產(chǎn)業(yè)，刻意提高創(chuàng)新能力，不僅可為振興我國生物材料科學(xué)與產(chǎn)業(yè)，趕超世界先進(jìn)水平贏得難得的機(jī)遇，且可為人類科學(xué)事業(yè)的發(fā)展做出中國科 學(xué)家的巨大貢獻(xiàn)。

二、國外生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)和技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1、產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀、規(guī)模、競爭優(yōu)勢及發(fā)展趨勢

隨著人口老齡化、中、青年創(chuàng)傷的增加，高技術(shù)的注入，以及人類對(duì)自身健康的關(guān)注度隨經(jīng)濟(jì)發(fā)展提高，生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展。2000-2010年全球市 場復(fù)合增長率(CAGR)高達(dá)22%以上，2010年全球市場達(dá)US20億元，預(yù)計(jì)2009-2020年市場CAGR可保持15%左右，2015年世界市 場可達(dá)US50余億元，2020年達(dá)US40余億元，與此同時(shí)帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)(不含醫(yī)療)新增產(chǎn)值約3倍，2015年和2020年直接和間接銷售總額分別可 達(dá)4×US50億元≈US200余億元，和US560余億元。與2010年相比，2015和2020可新增工作崗位分別達(dá)200余萬個(gè)和600余萬個(gè)(按 美國醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)每新增1個(gè)崗位，將另增1.5個(gè)配套產(chǎn)業(yè)崗位，2010年全球工作崗位≈250萬個(gè)計(jì))(圖1)。同時(shí)，它亦是世界貿(mào)易中最活躍的領(lǐng)域，年貿(mào)易額復(fù)合增長率達(dá)25%，正在成長為世界經(jīng)濟(jì)的一個(gè)支柱性產(chǎn)業(yè)。

全球最大的醫(yī)療器械生產(chǎn)和消費(fèi)國家是美國，2010年它占全球市場的40%左右，消費(fèi)全球產(chǎn)品的37%，年增長率約8%；由于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，社會(huì)醫(yī)療保障體系 健全，歐盟成為全球第二大醫(yī)療器械市場，占有全球市場份額的29%；亞太地區(qū)是全球第三大市場，占有18%的市場份額，其中日本是亞-太地區(qū)醫(yī)療技術(shù)最先 進(jìn)且發(fā)展最快速的國家，是世界第三大醫(yī)療器械消費(fèi)國，我國和印度則最具備成長潛力與空間，因擁有最多的人口，且其醫(yī)療保健系統(tǒng)正在發(fā)展當(dāng)中尚未成熟，東南 亞國家的醫(yī)療保健系統(tǒng)也還有很大的改善空間，因此市場也將持續(xù)成長；拉丁美洲是另一個(gè)成長最迅速的區(qū)域，墨西哥、巴西、阿根廷和智利等國家都逐步向工業(yè)化 國家發(fā)展，預(yù)估未來對(duì)醫(yī)療器械的需求也將會(huì)保持較大速度增長。(The value of medical technology companies in a competities environment connections, 2011.07.03)。

生物醫(yī)用材料及植入器械產(chǎn)業(yè)是學(xué)科交叉最多、知識(shí)密集的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展需要上、下游知識(shí)、技術(shù)和相關(guān)環(huán)境的支撐，多數(shù)聚集在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、人才較集中或 臨床資源較豐富的地區(qū)，產(chǎn)業(yè)高度集聚是發(fā)達(dá)國家醫(yī)用生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)的重要特點(diǎn)。如美國集聚于技術(shù)資源豐富的硅谷、128號(hào)公路科技園、北卡羅來納研究三 角園，以及臨床資源豐富的明尼阿波利斯及克利夫蘭醫(yī)學(xué)中心等；德國聚集于巴州艾爾格蘭、圖林根州等地區(qū)；日本聚集于筑波、神奈川、九州科技園等。

產(chǎn)業(yè)高度集中(壟斷)，產(chǎn)品多樣或多角化是生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的又一特點(diǎn)和趨勢。

2010年世界醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)由27000個(gè)醫(yī)療器械公司構(gòu)成，其中90%以上為中小企業(yè)。發(fā)達(dá)國家的中小企業(yè)主要從事新產(chǎn)品、新技術(shù)研發(fā)，通過向大公司轉(zhuǎn) 讓技術(shù)或被大公司兼并維持生存。大規(guī)模產(chǎn)品生產(chǎn)及市場運(yùn)作基本上由大公司進(jìn)行。不同于我國醫(yī)療器械企業(yè)“多、小、散”，發(fā)達(dá)國家醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)已形成“寡 頭”統(tǒng)治的局面，全球市場也呈現(xiàn)類似的格局。2009年，排名前50位的跨國大公司占有全球醫(yī)療器械市場的88%，其中排名前25位的公司占有 75%；2008年6家美、英公司：DePuy，Zimmer，Stryker，Biomet，Medtronic，Synthes Mathys和Smith&Nephew占有全球骨科材料和器械市場的≈75%，其中前4家美國公司和英國Smith&Nephew公司 占有人工關(guān)節(jié)市場的90%；6家大公司：Johnson&Johnson，Abbott，Boston Scientific，Medtronic，CR Bard(美國)，Terumo(日本)公司占有心腦血管系統(tǒng)修復(fù)材料及植(介)入器械市場的80-90% ；5家大公司：Baxter International(美國)，F(xiàn)resenius(德國)，Gambro(瑞典)，Terumo和AsahiMedia(日本)占有血液凈化及體 外循環(huán)系統(tǒng)材料和裝置市場的80%；牙種植體和牙科材料市場基本上為Straumann(瑞士)，Dentsply International(美國)，Nobel Biocare(德國)和Osstem(韓國)等大公司所壟斷。為提高市場競爭力，保持優(yōu)勢，世界醫(yī)療器械行業(yè)的兼并和整合一直在進(jìn)行，僅 1998-2009期間，美國行業(yè)年均兼并收購達(dá)200起，行業(yè)集中度或壟斷度不斷提高是生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢。

生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)不同于家電或通訊行業(yè)，單一產(chǎn)品的市場容量不大，絕大部分單一產(chǎn)品銷售額小于US0億元。為提升企業(yè)市場競爭力，回避風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)展壯大企 業(yè)，國外跨國公司已從最初的較單一產(chǎn)品生產(chǎn)，通過企業(yè)內(nèi)部技術(shù)創(chuàng)新和并購其它企業(yè)，不斷進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)線延伸和擴(kuò)大，實(shí)現(xiàn)多品種生產(chǎn)。例 如，2004-2009年美國GE公司相關(guān)并購次數(shù)達(dá)59次；再如成立于1949年的國際第四大醫(yī)療器械生產(chǎn)企業(yè)美敦力公司，已從最初的心臟起搏器生產(chǎn)發(fā) 展成為多品類產(chǎn)品生產(chǎn)，產(chǎn)品覆蓋了心律失常、心衰、血管疾病、人工心瓣膜、體外心臟支持系統(tǒng)、微創(chuàng)心臟手術(shù)、惡性及非惡性疼痛、運(yùn)動(dòng)失調(diào)、糖尿病、胃腸疾 病、脊柱病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病及五官科手術(shù)治療等多個(gè)領(lǐng)域疾病治療的產(chǎn)品，公司年銷售額從1968年的US00萬元增長到2010年的US9億元，收入復(fù)合增 長率已達(dá)11%，利潤復(fù)合增長率達(dá)10%，近幾年來公司大部分收入均來自新產(chǎn)品銷售，大約2/3的銷售額來自過去三年研制和發(fā)展的新產(chǎn)品，研發(fā)經(jīng)費(fèi)投入達(dá) 銷售額的10%，1999-2011年公司并購支出總金額達(dá)US3億元(表1)。

生產(chǎn)和銷售國際化是生物醫(yī)用材料發(fā)展的突出趨勢。幾乎所有生物醫(yī)用材料的大型企業(yè)均是跨國公司，其銷售額的相當(dāng)部分來自國際市場，如2010年美國強(qiáng)生公 司，銷售額的40%(US2億元)，Boston Scientific 銷售額的46%(US.9億元)，2011年美敦力銷售額的43%(US.37億元)，均來自境外市場。

為開拓國際市場，跨國公司通過向境外技術(shù)和資金輸出，在國外建立子公司和研發(fā)中心，就地生產(chǎn)和研發(fā)。同時(shí)，為適應(yīng)國際貿(mào)易的發(fā)展，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)不斷制定和發(fā)布生物醫(yī)用材料和制品的國際標(biāo)準(zhǔn)。

2、重點(diǎn)產(chǎn)品、核心技術(shù)及其發(fā)展趨勢

生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展強(qiáng)烈依靠相關(guān)領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)的支持及經(jīng)濟(jì)實(shí)力。美國醫(yī)療器械的高速發(fā)展及其在國際上的領(lǐng)先地位得力于其航天技術(shù)，生物技術(shù)，微電子技 術(shù)，精密加工技術(shù)，軟件開發(fā)等領(lǐng)域?yàn)獒t(yī)療器械產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供的支撐，以及良好的政策環(huán)境。目前發(fā)達(dá)國家依靠其頂尖的科技創(chuàng)新和經(jīng)濟(jì)實(shí)力，主要生產(chǎn)技術(shù)含量高 的生物材料和植入器械，勞動(dòng)密集型、資源消耗型企業(yè)已逐漸向海外轉(zhuǎn)移，因此其技術(shù)裝備非常先進(jìn)。各種高檔的加工中心、專用機(jī)床、激光微加工及涂層等設(shè)備已 裝備于生物材料企業(yè)；自動(dòng)化、信息化技術(shù)已在生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用；最先進(jìn)的檢驗(yàn)設(shè)備在大公司中隨處可見。先進(jìn)的技術(shù)裝備確保了其產(chǎn)品的先進(jìn)性及市場的壟斷地 位。

生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)是一個(gè)新興的產(chǎn)業(yè)，其產(chǎn)品和技術(shù)更新?lián)Q代周期短，通常僅10年左右，為保持技術(shù)的先進(jìn)性和產(chǎn)品的市場競爭力，技術(shù)創(chuàng)新和升級(jí)是其生存和進(jìn) 一步發(fā)展的基礎(chǔ)。為此，發(fā)達(dá)國家企業(yè)在研究與開發(fā)方面的投入不斷增大，僅次于新藥研發(fā)，高達(dá)其銷售額的11%-13%，且持續(xù)增長(圖2)。

生物醫(yī)學(xué)材料的應(yīng)用雖已取得極大成功，但是，長期臨床應(yīng)用亦暴露出不少的問題，突出表現(xiàn)在功能性、免疫性、服役壽命等不能很好地滿足臨床應(yīng)用的要求。如人 心瓣膜植入12年后死亡率達(dá)58%，血管支架植入后血管再狹窄率達(dá)≈10%，人工關(guān)節(jié)有效期老年組為12-15年，中青年組僅≈5年等，根本原因是材料或 植入體基本上以異物存在體內(nèi)。當(dāng)代醫(yī)學(xué)對(duì)于組織及器官的修復(fù)，已向再生和重建人體組織或器官、或恢復(fù)和增進(jìn)其生物功能，個(gè)性化和微創(chuàng)傷治療等方向發(fā)展，傳 統(tǒng)的生物醫(yī)學(xué)材料已難于滿足臨床要求。賦予材料生物結(jié)構(gòu)和生物功能，充分調(diào)動(dòng)人體自我康復(fù)的能力，再生和重建被損壞的人體組織或器官，或恢復(fù)和增進(jìn)其生物 功能，實(shí)現(xiàn)被損壞的組織或器官的永久康復(fù)，已成為當(dāng)代生物醫(yī)學(xué)材料的發(fā)展方向。主要前沿領(lǐng)域集中于：可誘導(dǎo)被損壞的組織或器官再生的材料和植入器械(包括 組織工程化產(chǎn)品)；以及用于治療難治愈疾病、恢復(fù)和增進(jìn)組織或器官生物功能的藥物和生物活性物質(zhì)(疫苗、蛋白、基因等)靶向控釋載體和系統(tǒng)等。生物醫(yī)學(xué)材 料及植入器械的前沿研究正在不斷取得重大進(jìn)展，美國FDA已批準(zhǔn)7個(gè)組織工程化產(chǎn)品上市，中國SFDA已批準(zhǔn)可誘導(dǎo)骨再生的骨誘導(dǎo)人工骨及組織工程化皮膚 上市，并頒布了七個(gè)組織工程化產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，一大批可再生組織的植入器械正在國內(nèi)外臨床試驗(yàn)中。前沿研究已面臨實(shí)現(xiàn)重大突破的邊緣—設(shè)計(jì)和制造有生命的人體組 織，進(jìn)一步整個(gè)人體器官。其發(fā)展和應(yīng)用已催生一個(gè)新的學(xué)科—再生醫(yī)學(xué)，預(yù)計(jì)再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展將萌生一個(gè)再生醫(yī)學(xué)產(chǎn)品的新產(chǎn)業(yè)，未來20年內(nèi)其市場銷售額將突 破US00億元。再生醫(yī)學(xué)產(chǎn)品主要由干細(xì)胞、以生物材料為支架的組織工程化組織和器官、以及可供移植的生物組織和器官所構(gòu)成，生物醫(yī)用材料是其發(fā)展的基 礎(chǔ)。

雖然前沿研究正在取得重大進(jìn)展，但是由于技術(shù)及其他原因，傳統(tǒng)材料至少仍將是未來20-30年內(nèi)生物醫(yī)學(xué)工程產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)和臨床應(yīng)用的重要材料。傳統(tǒng)生物醫(yī) 學(xué)材料生物學(xué)性能的改進(jìn)和提高，亦是當(dāng)代生物醫(yī)用材料發(fā)展的另一個(gè)重點(diǎn)。生物醫(yī)用材料植入體內(nèi)與機(jī)體的反應(yīng)首先發(fā)生于植入材料的表面/界面，即材料表面 /界面對(duì)體內(nèi)蛋白/細(xì)胞的吸附/黏附。傳統(tǒng)材料的主要問題是對(duì)蛋白/細(xì)胞的隨機(jī)吸附/黏附，包括蛻變蛋白的吸附，從而導(dǎo)致炎癥、異體反應(yīng)、植入失效。控制 材料表面/界面對(duì)蛋白的吸附、進(jìn)而細(xì)胞行為，是控制和引導(dǎo)其生物學(xué)反應(yīng)、避免異體反應(yīng)的關(guān)鍵。因此，深入研究生物材料的表面/界面，發(fā)展表面改性技術(shù)及表 面改性植入器械，是現(xiàn)階段改進(jìn)和提高傳統(tǒng)材料的主要途徑，也是發(fā)展新一代生物醫(yī)用材料的基礎(chǔ)。

可以預(yù)料，在未來20~30年內(nèi)，生物醫(yī)用材料和植入器械科學(xué)和產(chǎn)業(yè)將發(fā)生革命性變化：一個(gè)為再生醫(yī)學(xué)提供可誘導(dǎo)組織或器官再生或重建的生物醫(yī)用材料和植 入器械新產(chǎn)業(yè)將成為生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)的主體；表面改性的常規(guī)材料和植入器械作為其重要的補(bǔ)充。保守估計(jì)，2030年左右兩者可能導(dǎo)致世界高技術(shù)生物材料市 場增長至≈US.5萬余億元，與此相應(yīng)，帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)新增間接經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)US.5萬余億元。

在生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀、規(guī)模、競爭優(yōu)勢及其發(fā)展趨勢引導(dǎo)下，當(dāng)代生物醫(yī)用材料重點(diǎn)發(fā)展的產(chǎn)品和核心技術(shù)包括：

（1）、組織誘導(dǎo)性生物醫(yī)用材料，以及賦予材料誘導(dǎo)組織再生的設(shè)計(jì)和工程化制備技術(shù)。所謂組織誘導(dǎo)性生物材料是指可通過材料自身優(yōu)化設(shè)計(jì)，而不是外加生長 因子或活體細(xì)胞，刺激細(xì)胞沿特定組織細(xì)胞系分化，形成特定組織的材料。這是在中國科學(xué)家原創(chuàng)性理論基礎(chǔ)上發(fā)展出的新一代生物醫(yī)用材料。目前誘導(dǎo)骨形成的人 工骨已在中國取證上市，美國等正在新建企業(yè)投入生產(chǎn)。進(jìn)一步的發(fā)展集中于軟骨、皮膚、肌腱、神經(jīng)等非骨組織誘導(dǎo)性材料的設(shè)計(jì)及其制備工藝，預(yù)計(jì)5-10年 內(nèi)后者將陸續(xù)上市。

（2）、組織工程化制品。美國FDA已批準(zhǔn)組織工程化皮膚及軟骨等7個(gè)產(chǎn)品上市，中國SFDA亦批準(zhǔn)了組織工程皮膚上市，產(chǎn)業(yè)已開始形成。當(dāng)前最有希望突 破的是骨、軟骨、肌腱、角膜、神經(jīng)等組織工程化制品及組織工程化人工肝和腎。優(yōu)選支架材料并優(yōu)化其制備工藝，干細(xì)胞和成體細(xì)胞的提取和體外傳代、增殖、模 擬生物環(huán)境的體外細(xì)胞培養(yǎng)，以及生長因子的提取及生物衍生材料免疫原性消除和防鈣化技術(shù)是其發(fā)展的關(guān)鍵核心技術(shù)。預(yù)計(jì)未來10年內(nèi)，組織工程產(chǎn)業(yè)將初步形 成，并萌生一個(gè)US0億元的市場。

（3）、材料表面改性以及表面改性植入器械的設(shè)計(jì)和制備的工程化技術(shù)，包括增進(jìn)骨、牙等植入器械表面生物活性的表面生物活化技術(shù)；增進(jìn)血液接觸材料和器械 的表面抗凝血及防組織增生改性技術(shù)；賦予表面抗菌、抗磨損、選擇性固定生物分子等的表面功能化技術(shù)等，以及植入器械形態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)及軟件開發(fā)等。

（4）、用于微創(chuàng)或無創(chuàng)治療的介/植入治療器械和輔助器械，如血管支架、介/植入治療輔助器械等。雖然用于心血管系統(tǒng)的血管支架及輔助器械已產(chǎn)業(yè)化并用于 臨床，但其性能還需不斷改進(jìn)和提高。例如前幾年盛行的藥物洗脫支架，國外用量正在減少，可降解支架的研發(fā)可能導(dǎo)致血管支架的更新?lián)Q代。關(guān)鍵技術(shù)是植入器械 的精密和微加工，以及表面抗凝血和防組織增生的改性等技術(shù)。同時(shí)，新的應(yīng)用領(lǐng)域還有待進(jìn)一步開拓，其發(fā)展有著很大的空間和市場。

（5）、生物衍生材料和生物人工器官。材料和植入器械的組成和結(jié)構(gòu)越是接近于人體組織越能為人體所接受，最好的生物材料就是人體自身的組織。因此，生物仿 生是發(fā)展具有生物結(jié)構(gòu)和生物功能的生物材料的最佳途徑。來自動(dòng)物的動(dòng)物組織及其衍生的材料和生物人工器官是當(dāng)代生物材料產(chǎn)業(yè)的一個(gè)重點(diǎn)。醫(yī)用膠原、透明質(zhì) 酸鈉、幾丁糖、絲素蛋白和制品、生物人工瓣膜、異體及異種組織修復(fù)片已在臨床廣泛應(yīng)用并已產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，但是質(zhì)量和品種有待進(jìn)一步提高和擴(kuò)大，核心技術(shù)是動(dòng) 物組織及其衍生材料免疫原性消除和防鈣化等的工程化技術(shù)。

（6）、納米生物醫(yī)用材料、植入器械和軟納米技術(shù)，包括納米涂層等。從材料學(xué)觀點(diǎn)人體組織可視為納米復(fù)合材料。納米生物醫(yī)用材料制備技術(shù)及其生物學(xué)效應(yīng)，包括生物學(xué)風(fēng)險(xiǎn)試驗(yàn)和評(píng)價(jià)，是研究和發(fā)展的重點(diǎn)。人體自身形成的具有納米結(jié)構(gòu)的組織并未表現(xiàn)出生物學(xué)風(fēng)險(xiǎn)，因此模擬生理?xiàng)l件下人體組織形成的納米生物材料 裝配和合成技術(shù)，即軟納米技術(shù)，是發(fā)展納米生物醫(yī)用材料的關(guān)鍵技術(shù)。納米羥基磷灰石—聚合物復(fù)合人工骨已在我國取證上市。未來10年左右，納米生物醫(yī)用材 料和器件，包括納米藥物控釋載體和系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)會(huì)有一個(gè)大的發(fā)展。

（7）、與信息和電子學(xué)技術(shù)相結(jié)合的有源植入或部分植入器械。如生物芯片、人工耳蝸、神經(jīng)調(diào)節(jié)與刺激裝置、可植入的生物傳感器、心臟起搏器等。這類器械既 可用于離體和在體細(xì)胞及細(xì)胞內(nèi)蛋白和基因的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)檢測，早期發(fā)現(xiàn)重大疾病，又可用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能恢復(fù)、治療（如帕金森等中樞神經(jīng)系統(tǒng)病的治療）、心律管理和調(diào)節(jié)等，國際上正在大力發(fā)展并已用于臨床，中國基本上屬起步階段。這類器械的發(fā)展將為生物材料產(chǎn)業(yè)開拓新的市場和空間。關(guān)鍵核心技術(shù)是精密微加 工，包括表面微圖案加工、高靈敏度弱電信號(hào)檢測、生理環(huán)境響應(yīng)傳感器的設(shè)計(jì)和制備、以及長壽命微電池的研發(fā)和制備等技術(shù)。

（8）、通用基礎(chǔ)生物醫(yī)用材料的原材料的開發(fā)和質(zhì)量控制技術(shù)。迄今的生物醫(yī)用材料基本上是移用其它高技術(shù)材料，生物學(xué)基礎(chǔ)研究薄弱，是導(dǎo)致臨床應(yīng)用出現(xiàn)問 題的主要原因。提高材料的生物相容性和質(zhì)量穩(wěn)定性、研發(fā)新的原材料，如可降解醫(yī)用鎂合金、絲素蛋白等，對(duì)生物材料的發(fā)展有很大意義。

（9）、計(jì)算機(jī)輔助仿生設(shè)計(jì)及快速成型的生物制造及設(shè)備，包括精密加工及自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)、個(gè)性化植入器械的制備技術(shù)、組織工程化仿生活體器械的快速成型和 制備技術(shù)等。其發(fā)展可為臨床提供一批生物制造設(shè)備，如口腔臨床椅旁計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)及假牙快速成型設(shè)備，還可提高同類產(chǎn)品的技術(shù)附加值。

（10）、除上述產(chǎn)品外，生物醫(yī)用材料和植入器械的封裝、滅菌、消毒和儲(chǔ)存技術(shù)，可生物降解和吸收醫(yī)用高分子設(shè)計(jì)和合成技術(shù)等亦是正在發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。

三、國內(nèi)產(chǎn)業(yè)、技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

1、國內(nèi)生物醫(yī)用材料發(fā)展概況及特點(diǎn)

經(jīng)過近十年的發(fā)展，我國現(xiàn)代生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)已具雛形，并進(jìn)入高速發(fā)展階段，其概況及主要特點(diǎn)如下：

（1）、產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展

2008-2010年我國生物醫(yī)用材料的復(fù)合增長率高達(dá)30%，遠(yuǎn)高于國際市場的22%，2010年市場已近US0億元，保守估計(jì)2015年和2020年 年銷售額可分別達(dá)到US0億元和US55億元，所占世界市場份額可從6.5%快速提升至12%和22%，10年內(nèi)成長為世界第二大生物醫(yī)用材料市場（圖 4）。

驅(qū)動(dòng)我國生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的主要因素是：①人口老齡化。我國60歲以上的老齡人口持續(xù)攀升，2010年已占總?cè)丝诘?3.26%；2015年將攀 升至15%，達(dá)2億。人體組織和器官均具有一定的壽命。人口老齡化將導(dǎo)致對(duì)生物醫(yī)用材料的需求增加。②由于交通、體育等事業(yè)發(fā)展導(dǎo)致的中、青年創(chuàng)傷增加。2010年我國創(chuàng)傷住院人數(shù)已達(dá)總住院人數(shù)的第四位，交通事故造成的死亡人數(shù)已達(dá)創(chuàng)傷死亡總?cè)藬?shù)的第一位。③經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長，人民生活水平提高、健康意識(shí)增 強(qiáng)，以及生活方式及疾病變化，特別是醫(yī)改政策的實(shí)施，表2為我國城鎮(zhèn)和農(nóng)村家庭醫(yī)療費(fèi)用支出情況，表3為我國糖尿病人數(shù)增加情況。④行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力和技 術(shù)層次提升，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)向價(jià)值鏈上游轉(zhuǎn)移。例如我國冠脈支架的國產(chǎn)率已從2001年的10%提高至2010年的76%，骨創(chuàng)傷器械65%實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化等。

（2）、國際市場地位不斷提高

2010年我國醫(yī)療器械進(jìn)出口總額已從2006年的US5.52億元增長到2010年的US6.56億元，年復(fù)合增長率高達(dá)21.05%，其中進(jìn)口額從 US.81億元增長至US.57億元，出口額從US.71億元增長至US6.99億元，進(jìn)、出口年復(fù)合增長率分別達(dá)16.53%和16.67%，出口額已 占醫(yī)療器械總銷售額的大約58%，出口國家和地區(qū)達(dá)217個(gè)，出口的低值醫(yī)用耗材已占全球醫(yī)用耗材市場份額的60-70%（圖5）。

（3）、科學(xué)、技術(shù)創(chuàng)新能力和產(chǎn)業(yè)技術(shù)層次快速提升

作為生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)的“中國生物材料科學(xué)與工程”極為成功地登上了世界舞臺(tái)，顯著標(biāo)志是四年一次的世界生物材料大會(huì)第九次大會(huì)于2012年6月在我 國成都舉行。近十年來我國已初步形成以國家工程（技術(shù)）研究中心、企業(yè)創(chuàng)新中心、省部級(jí)工程中心和重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為核心的、包括200余個(gè)單位的生物醫(yī)用材料 科技創(chuàng)新體系；研發(fā)工作已從分散、重復(fù)逐步集中于學(xué)科和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向和前沿，從跟蹤、仿制開始進(jìn)入原始創(chuàng)新。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1999-2008年在44種 SCI收錄的生物醫(yī)學(xué)工程期刊上，我國學(xué)者發(fā)表的第一作者論文已居11個(gè)國家排名的第三位，年復(fù)合增長量名列16個(gè)國家和地區(qū)的第一；2010年在 “Biomaterials”、“J.BiomedicalMaterialsResearch”（美、日、澳學(xué)會(huì)聯(lián)合會(huì)刊）、“MaterialsScience:MaterialsinMedicine”（歐洲學(xué)會(huì)會(huì)刊）、“Interface”（英皇家學(xué)會(huì)期刊）上發(fā)表的論 文數(shù)均名列第一；2003-2007年在世界15個(gè)國家和地區(qū)醫(yī)療器械專利優(yōu)先權(quán)獲得量排名第五。與此相應(yīng)，一批國際生物醫(yī)用材料前沿產(chǎn)品，如組織誘導(dǎo)性 骨和軟骨、組織工程制品、植入性生物芯片、腦刺激電極、生物人工肝等幾乎與國際研發(fā)同步或領(lǐng)先作出了樣品，為進(jìn)一步實(shí)施產(chǎn)業(yè)化、發(fā)展新的產(chǎn)業(yè)奠定了基礎(chǔ)。一些原為進(jìn)口品壟斷市場的中高端產(chǎn)品近年來逐步實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)替代（表4）。

（4）、區(qū)位優(yōu)勢形成 我國已經(jīng)形成了長三角、珠三角和京津環(huán)渤海灣等三大醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)。其中珠三角以研發(fā)生產(chǎn)綜合性高技術(shù)醫(yī)療器械為主，包括有源植入性微電子器械、動(dòng)物 源生物材料和人工器官等；長三角主要生產(chǎn)開發(fā)以出口為導(dǎo)向的中小型醫(yī)療器械，特別是骨科器械和牙科器械等；環(huán)渤海灣地區(qū)主要從事高技術(shù)數(shù)字化醫(yī)療器械的研 發(fā)生產(chǎn)，在醫(yī)用高分子耗材、醫(yī)用金屬及植入器械等方面具有優(yōu)勢。三個(gè)集聚區(qū)已分別占全行業(yè)企業(yè)總數(shù)的21.02%，銷售額的80%以上（中國經(jīng)濟(jì)信息 網(wǎng)，2010中國行業(yè)年度報(bào)告系列之醫(yī)療器械）。此外成都-重慶地區(qū)是新形的產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)，在組織誘導(dǎo)性材料、表面改性植入器械、以及采血、儲(chǔ)血（液）和輸 血器械方面具有優(yōu)勢。

（5）、多元（品種）化生產(chǎn)的龍頭企業(yè)已開始萌生

2009年我國醫(yī)療器械行業(yè)由16000余家企業(yè)構(gòu)成，其中90%以上均為中小企業(yè)，年銷售額>1億元的企業(yè)占企業(yè)總數(shù)不到1%，國內(nèi)排名前10位 的醫(yī)療器械企業(yè)所占行業(yè)市場份額僅18.45%，而國際排名前25位的公司占有全球市場份額的75%，行業(yè)集中度差，但與2005年國內(nèi)排名前10位的公 司僅占市場份額8.5%相比，情況正在逐步好轉(zhuǎn)。通過拓寬和延伸產(chǎn)品生產(chǎn)線、兼并其他企業(yè)和擴(kuò)展海外市場，國內(nèi)一些有實(shí)力的公司已開始實(shí)施多元化，即多品 種生產(chǎn)，公司銷售額復(fù)合增長率大大提高，近十家生物醫(yī)用材料生產(chǎn)企業(yè)已在證劵市場上市，一批年銷售額逾或近10億元的企業(yè)正在涌現(xiàn)（表5）。

（6）、管理日趨規(guī)范和完善

生物醫(yī)用材料的使用直接關(guān)系到人的生命安全，生物安全性和可靠性，是其臨床應(yīng)用關(guān)注的首要問題。我國政府十分重視醫(yī)療器械和生物醫(yī)用材料產(chǎn)品的質(zhì)量，國務(wù) 院已于2000年頒布了《醫(yī)療器械監(jiān)督管理?xiàng)l例》，國家食品藥品監(jiān)督局制定了一系列規(guī)章和規(guī)范性文件，努力完善產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，市場準(zhǔn)入及上市后監(jiān)督管理規(guī)范，并盡量使之與國際接軌，促進(jìn)行業(yè)的國際化和實(shí)現(xiàn)醫(yī)療器械國際貿(mào)易的真正平等。

為完善生物醫(yī)用材料產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)確保產(chǎn)品質(zhì)量，國家已相繼建立了13個(gè)與生物醫(yī)用材料相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)，負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)的制訂和修訂，已制訂和頒布醫(yī)療器械行 業(yè)標(biāo)準(zhǔn)629個(gè)、國家標(biāo)準(zhǔn)157個(gè)，特別是在組織工程化產(chǎn)品質(zhì)量控制方面，我國已發(fā)布8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，和國際處于同一水平。我國早于20世紀(jì)80年代就是國際標(biāo) 準(zhǔn)化組織（ISO）成員，享有直接參與對(duì)口國際標(biāo)準(zhǔn)草案投票的權(quán)力，國際標(biāo)準(zhǔn)取標(biāo)率已近80%，促進(jìn)了醫(yī)療器械產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的國際化。

醫(yī)療器械檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)是行政管理的技術(shù)支撐。目前經(jīng)國家藥監(jiān)局認(rèn)可的醫(yī)療器械檢測機(jī)構(gòu)已達(dá)到50家，基本滿足了我國醫(yī)療器械檢測和監(jiān)督管理的需要。為確保產(chǎn)品 質(zhì)量的安全性和可靠性，從2008年起，國家食品藥品監(jiān)督管理局對(duì)生物醫(yī)學(xué)材料和植入器械的第三類醫(yī)療器械強(qiáng)制要求建立和執(zhí)行GMP質(zhì)量管理體系，使產(chǎn)品 標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)的質(zhì)量管理符合國際規(guī)范，確保產(chǎn)品的質(zhì)量和安全有效。

通過一系列措施的頒布和執(zhí)行，我國生物醫(yī)用材料的監(jiān)督管理日趨完善，并正在加速與國際接軌。

2、存在的主要問題

（1）、產(chǎn)業(yè)規(guī)模小、技術(shù)裝備落后、規(guī)模化生產(chǎn)企業(yè)尚未形成、缺乏市場競爭力。

我國人口占全球總?cè)丝诘?3%，但2010年我國生物醫(yī)用材料的市場僅占全球市場大約6.5%，人均醫(yī)療器械年耗僅6美元，低于美國人均年耗309美元，瑞士人年耗519美元，遠(yuǎn)不能滿足眾多人口的需求。企業(yè)規(guī)模小、經(jīng)濟(jì)實(shí)力不強(qiáng)、相當(dāng)部分的技術(shù)裝備停留于上世紀(jì)80年代水平，不僅產(chǎn)品質(zhì)量不能保證，且難 于形成規(guī)模化生產(chǎn)。2010年我國從事生物醫(yī)用材料生產(chǎn)的企業(yè)約2400家，年平均銷售額約US0萬元/家，不足2007年美國同類企業(yè)平均年銷售額的 14%，年銷售額逾10億元的企業(yè)僅寥寥數(shù)家，上億元的企業(yè)僅30家左右，銷售額排名前5位企業(yè)銷售額總和所占國內(nèi)生物醫(yī)用材料總銷售額僅≈10.2%，而國際上達(dá)37%，規(guī)模化生產(chǎn)尚未形成，市場競爭力低下。

（2）、科技成果轉(zhuǎn)化能力低，產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力不強(qiáng)，產(chǎn)品技術(shù)結(jié)構(gòu)落后，技術(shù)高端產(chǎn)品70%以上依靠進(jìn)口

我國生物材料科學(xué)與工程研究雖已進(jìn)入國際先進(jìn)水平，但成果工程化、產(chǎn)業(yè)化水平低，80-90%的成果仍保持在實(shí)驗(yàn)室；企業(yè)規(guī)模小、研發(fā)經(jīng)費(fèi)缺乏，2010 年本土企業(yè)研發(fā)經(jīng)費(fèi)平均僅占企業(yè)銷售收入的1.77%。2011年醫(yī)療器械對(duì)外貿(mào)易出口額雖已達(dá)US7億元，但外企占50%，三資企業(yè)占83%，且50% 出自對(duì)外加工貿(mào)易。國內(nèi)整個(gè)醫(yī)療器械市場份額的65%被低、中端產(chǎn)品占有，其它35%高端醫(yī)用設(shè)備和植入器械，國內(nèi)企業(yè)介入不多。國內(nèi)企業(yè)僅為中、低端產(chǎn) 品，高、中端產(chǎn)品的關(guān)鍵核心技術(shù)基本上為外商所控制，70%的高端產(chǎn)品依靠進(jìn)口。

（3）、完整的產(chǎn)業(yè)鏈尚未形成 如前所述，我國已向全球提供60-70%的低值醫(yī)用耗材，2011年占國內(nèi)醫(yī)療器械出口額的24%≈US億元，其中一次性無菌注射器是國際最大生產(chǎn)國，年 產(chǎn)85億套，出口35億套。但是迄今為止，我國一次性注射器及輸液器所用的高分子材料仍主要為聚氯乙烯（PVC），其添加的增塑劑易從材料遷出進(jìn)入人體，造成對(duì)肝臟、生殖系統(tǒng)、腎臟等多種器官的危害，我國食品行業(yè)早已禁用PVC作為食品包裝，但卻仍是醫(yī)療器械大宗使用的封裝材料。與此同時(shí)，為保護(hù)環(huán)境，蒙 特利爾公約規(guī)定2015年前全球禁用環(huán)氧乙烷和溴甲烷，我國PVC器械的滅菌消毒均使用環(huán)氧乙烷，如果采用輻射滅菌會(huì)導(dǎo)致其顏色變黃，物理性能下降，迄今 尚無有效措施解決這一重大問題，將對(duì)我國一次性注射器、輸液器等的生產(chǎn)造成致命影響。除此之外尚無醫(yī)用級(jí)金屬、高分子及其它高分子等的專門供應(yīng)商，也無通 用基礎(chǔ)原材料的國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，從源頭上妨礙了產(chǎn)業(yè)鏈的形成，是產(chǎn)業(yè)鏈尚未完整形成的一個(gè)典型。此外，生物醫(yī)用材料和植入器械產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新鏈，應(yīng)當(dāng)是政、產(chǎn)、學(xué)、研、醫(yī)相結(jié)合，此種結(jié)合體制我國尚未有效形成。

（4）、缺乏產(chǎn)業(yè)化接軌機(jī)制，風(fēng)險(xiǎn)投資出口狹窄，融資渠道不暢通，缺乏成果產(chǎn)業(yè)化及企業(yè)技術(shù)改造資金，特別是相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)業(yè)發(fā)展資金主要來源于國有商 業(yè)銀行，其主要投資方向是國有大型企業(yè)，而不是以中小型企業(yè)為主的生物材料及植入器械企業(yè)，導(dǎo)致生物醫(yī)用材料新產(chǎn)品、新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化困難，企業(yè)技術(shù)改造資金 缺乏，從而生產(chǎn)裝備落后，產(chǎn)品質(zhì)量不高且穩(wěn)定性差，影響了國產(chǎn)品的市場聲譽(yù)。近年來，雖然風(fēng)險(xiǎn)投資渠道大有改善，但大宗來源于國外風(fēng)險(xiǎn)投資機(jī)構(gòu)和大型跨國 企業(yè)，結(jié)果是雖然引進(jìn)了產(chǎn)品和技術(shù)，彌補(bǔ)了國內(nèi)的不足，但發(fā)展稍好的民營企業(yè)如微創(chuàng)、蒙太因等陸續(xù)為外資兼并或控股，轉(zhuǎn)變?yōu)橥赓Y企業(yè)，加之國外大企業(yè)及財(cái) 團(tuán)在中國大規(guī)模建廠實(shí)施就地生產(chǎn)，我國生物材料和植入器械產(chǎn)業(yè)外資化，已是十分需要關(guān)注的問題。

（5）、管理部門缺乏協(xié)調(diào)機(jī)制，未能形成統(tǒng)一的一盤棋的全面規(guī)劃和管理機(jī)制，重復(fù)立項(xiàng)，多頭管理常有所見；政策法規(guī)不健全，產(chǎn)品注冊(cè)時(shí)間長，處理效率低，一些政策規(guī)定和灰色的行規(guī)不利于中資企業(yè)的發(fā)展。

第二篇：淺談生物醫(yī)用材料

淺談生物醫(yī)用材料

姓名：曹曉萌 學(xué)號(hào)：201540913001 學(xué)院班級(jí)：師范學(xué)院2015級(jí)學(xué)

前教育 手機(jī)號(hào)：*** 關(guān)鍵詞： 生物醫(yī)用材料 現(xiàn)狀 發(fā)展前景 組織工程材料 納米材料 介入治療材料

一、生物醫(yī)用材料概述

生物醫(yī)用材料，又稱生物材料，是用于診斷、治療、修復(fù)或替換人體組織或器官或增進(jìn)其功能的一類高技術(shù)新材料，可以是天然的，也可以是合成的，或是它們的復(fù)合。生物醫(yī)用材料不是藥物，其作用不必通過藥理學(xué)、免疫學(xué)或代謝手段實(shí)現(xiàn)，為藥物所不能替代，是保障人類健康的必需品，但可與之結(jié)合，促進(jìn)其功能的實(shí)現(xiàn)。

生物醫(yī)用材料的研究與開發(fā)必須有明確的應(yīng)用目標(biāo)，即使化學(xué)組成相同的材料，其應(yīng)用目的不同，不僅結(jié)構(gòu)和性質(zhì)要求不同，制造工藝也不同。因此，生物醫(yī)用材料科學(xué)與工程總是與其終端應(yīng)用制品(一般指醫(yī)用植入體)密不可分，通常談及生物醫(yī)用材料，既指材料自身，也包括醫(yī)用植入器械。

盡管現(xiàn)代意義上的生物醫(yī)用材料僅起源于上世紀(jì)40年代中期，產(chǎn)業(yè)形成在上世紀(jì)80年代，但是由于臨床的巨大需求和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的驅(qū)動(dòng)，卻取得了巨大的成功。其應(yīng)用不僅挽救了數(shù)以千萬計(jì)危重病人的生命，顯著降低了心血管病、癌癥、創(chuàng)傷等重大疾病的死亡率，而且極大地提高了人類的健康水平和生命質(zhì)量。同時(shí)其發(fā)展對(duì)當(dāng)代醫(yī)療技術(shù)的革新和醫(yī)療衛(wèi)生系統(tǒng)的改革正在發(fā)揮引導(dǎo)作用，并顯著降低了醫(yī)療費(fèi)用，是解決當(dāng)前看病難、看病貴及建設(shè)和諧穩(wěn)定的小康社會(huì)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。

生物醫(yī)用材料是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)中涉及學(xué)科最為廣泛的多學(xué)科交叉領(lǐng)域，涉及材料、生物和醫(yī)學(xué)等相關(guān)學(xué)科，是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)兩大支柱—生物技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)工程的重要基礎(chǔ)。由于當(dāng)代材料科學(xué)與技術(shù)、細(xì)胞生物學(xué)和分子生物學(xué)的進(jìn)展，在分子水平上深化了材料與機(jī)體間相互作用的認(rèn)識(shí)，加之現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的進(jìn)展和臨床巨大需求的驅(qū)動(dòng)，當(dāng)代生物材料科學(xué)與產(chǎn)業(yè)正在發(fā)生革命性的變革，并已處于實(shí)現(xiàn)意義重大的突破的邊緣─再生人體組織，進(jìn)一步，整個(gè)人體器官，打開無生命的材料轉(zhuǎn)變?yōu)橛猩慕M織的大門。在我國常規(guī)高技術(shù)生物醫(yī)用材料市場基本上為外商壟斷的情況下，抓住生物材料科學(xué)與工程正在發(fā)生革命性變革的有利時(shí)機(jī)，前瞻未來20-30年的世界生物材料科學(xué)與產(chǎn)業(yè)，刻意提高創(chuàng)新能力，不僅可為振興我國生物材料科學(xué)與產(chǎn)業(yè)，趕超世界先進(jìn)水平贏得難得的機(jī)遇，且可為人類科學(xué)事業(yè)的發(fā)展做出中國科學(xué)家的巨大貢獻(xiàn)。

二、生物醫(yī)用材料的分類

生物醫(yī)用材料按用途可分為骨、牙、關(guān)節(jié)、肌腱等骨骼-肌肉系統(tǒng)修復(fù)材料，皮膚、乳房、食道、呼吸道、膀胱等軟組織材料，人工心瓣膜、血管、心血管內(nèi)插管等心血管系統(tǒng)材料，血液凈化膜和分離膜、氣體選擇性透過膜、角膜接觸鏡等醫(yī)用膜材料，組織粘合劑和縫線材料，藥物釋放載體材料，臨床診斷及生物傳感器材料，齒科材料等。

生物醫(yī)用材料按按材料在生理環(huán)境中的生物化學(xué)反應(yīng)水平分為惰性生物醫(yī)用材料、活性生物醫(yī)用材料、可降解和吸收的生物醫(yī)用材料。

按材料的組成和結(jié)構(gòu)，生物醫(yī)用材料可分為醫(yī)用金屬、醫(yī)用高分子、生物陶瓷、醫(yī)用復(fù)合材料、生物衍生材料等。按臨床用途，可分為骨科材料，心腦血管系統(tǒng)修復(fù)材料，皮膚掩膜、醫(yī)用導(dǎo)管、組織粘合劑、血液凈化及吸附等醫(yī)用耗材，軟組織修復(fù)及整形外科材料，牙科修復(fù)材料，植入式微電子有源器械，生物傳感器、生物及細(xì)胞芯片以及分子影像劑等臨床診斷材料，藥物控釋載體及系統(tǒng)等。

三、應(yīng)用與發(fā)展前景

迄今為止 ,被詳細(xì)研究過的生物材料已有一千多種，醫(yī)學(xué)臨床上廣泛使用的也有幾十種，涉及到材料學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域。生物醫(yī)用材料得以迅猛發(fā)展的主要?jiǎng)恿碜匀丝诶淆g化、中青年創(chuàng)傷的增多、疑難疾病患者的增加和高新技術(shù)的發(fā)展。人口老齡化進(jìn)程的加速和人類對(duì)健康與長壽的追求，激發(fā)了對(duì)生物醫(yī)用材料的需求。目前生物醫(yī)用材料研究的重點(diǎn)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(yī)用材料。

1、組織工程材料面臨重大突破

組織工程是指應(yīng)用生命科學(xué)與工程的原理和方法，構(gòu)建一個(gè)生物裝置，來維護(hù)、增進(jìn)人體細(xì)胞和組織的生長，以恢復(fù)受損組織或器官的功能。它的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)受損組織或器官的修復(fù)和再建，延長壽命和提高健康水乎。其方法是，將特定組織細(xì)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(yī)用材料上，形成細(xì)胞－生物醫(yī)用材料復(fù)合物；生物醫(yī)用材料為細(xì)胞的增長繁殖提供三維空間和營養(yǎng)代謝環(huán)境；隨著材料的降解和細(xì)胞的繁殖，形成新的具有與自身功能和形態(tài)相應(yīng)的組織或器官；這種具有生命力的活體組織或器官能對(duì)病損組織或器宮進(jìn)行結(jié)構(gòu)、形態(tài)和功能的重建，并達(dá)到永久替代。近10 年來，組織工程學(xué)發(fā)展成為集生物工程、細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)、生物醫(yī)用材料、生物技術(shù)、生物化學(xué)、生物力學(xué)以及臨床醫(yī)學(xué)于一體的一門交叉學(xué)科。

生物醫(yī)用材料在組織工程中占據(jù)非常重要的地位，同時(shí)組織工程也為生物醫(yī)用材料提出問題和指明發(fā)展方向。由于傳統(tǒng)的人工器官（如人工腎、肝）不具備生物功能（代謝、合成），只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(gòu)建組織工程人工器官需要三個(gè)要素，即“種子”細(xì)胞、支架材料、細(xì)胞生長因子。最近，由于干細(xì)胞具有分化能力強(qiáng)的特點(diǎn)，將其用作“種子”細(xì)胞進(jìn)行構(gòu)建人工器官成為熱點(diǎn)。組織工程學(xué)已經(jīng)在人工皮膚、人工軟骨、人工神經(jīng)、人工肝等方面取得了一些突破性成果，展現(xiàn)出美好的應(yīng)用前景。

2、生物醫(yī)用納米材料初見端倪

納米生物材料，在醫(yī)學(xué)上主要用作藥物控釋材料和藥物載體。從物質(zhì)性質(zhì)上可以將納米生物材料分為金屬納米顆粒、無機(jī)非金屬納米顆粒和生物降解性高分子納米顆粒；從形態(tài)上可以將納米生物材料分為納米脂質(zhì)體、固體脂質(zhì)納米粒、納米囊（納米球）和聚合物膠束。

納米技術(shù)在90 年代獲得了突破性進(jìn)展，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究也不斷得到擴(kuò)展。目前的研究熱點(diǎn)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(shí)現(xiàn)藥物控釋的關(guān)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(jì)劃的完成及基因診斷與治療不斷取得進(jìn)展，科學(xué)家對(duì)使用基因療法治療腫瘤充滿信心。基因治療是導(dǎo)人正常基因于特定的細(xì)胞（癌細(xì)胞）中，對(duì)缺損的或致病的基因進(jìn)行修復(fù)；或者導(dǎo)人能夠表達(dá)出具有治療癌癥功能的蛋白質(zhì)基因，或?qū)四茏柚贵w內(nèi)致病基因合成蛋白質(zhì)的基因片斷來阻止致病基因發(fā)生作用，從而達(dá)到治療的目的。這是治療學(xué)的一個(gè)巨大進(jìn)步。基因療法的關(guān)鍵是導(dǎo)人基因的載體，只有借助于載體，正常基因才能進(jìn)人細(xì)胞核內(nèi)。目前，高分子納米材料和脂質(zhì)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(diǎn)。近來新合成的一種樹枝狀高分子材料作為基因?qū)说妮d體值得關(guān)注。

此外，生物醫(yī)用納米材料在分析與檢測技術(shù)、納米復(fù)合醫(yī)用材料、與生物大分子進(jìn)行組裝、用于輸送抗原或疫苗等方面也有良好的應(yīng)用前景。納米碳材料可顯著提高人工器官及組織的強(qiáng)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(jí)類骨磷灰石晶體已成為制備納米類骨生物復(fù)合活性材料的基礎(chǔ)。該領(lǐng)域未來的發(fā)展趨勢是，納米生物醫(yī)用材料“部件”與納米醫(yī)用無機(jī)材料及晶體結(jié)構(gòu)“部件”的結(jié)合發(fā)展，如由納米微電子控制的納米機(jī)器人、藥物的器官靶向化；通過納米技術(shù)使介入性診斷和治療向微型、微量、微創(chuàng)或無創(chuàng)、快速、功能性和智能性的方向發(fā)展；模擬人體組織成分、結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的納米生物活性仿生醫(yī)用復(fù)合材料等。

3、生物醫(yī)用金屬材料的開發(fā)勢在必行

金屬生物材料發(fā)展相對(duì)比較緩慢，但由于金屬材料具有其他材料不能比擬的高機(jī)械強(qiáng)度和優(yōu)良的疲勞性能，目前仍是臨床上應(yīng)用最廣泛的承力植入物。目前的研究熱點(diǎn)在鎳鈦合金和新型生物醫(yī)用鈦合金兩個(gè)方向。發(fā)展方向在于用生物適應(yīng)性優(yōu)良的Zr、Nb、Ta、Pd、Sn 合金化元素取代鈦合金中有毒性的Al、V 等。另外，可體液腐蝕吸收的生物醫(yī)用鎂合金的研究剛剛起步。

4、介入治療材料研究異軍突起

介入治療是指在醫(yī)學(xué)影像技術(shù)（如X線透視、CT、超聲波、核磁共振）引導(dǎo)下，用穿刺針、導(dǎo)絲、導(dǎo)管等精密器械進(jìn)入病變部位進(jìn)行治療。介入治療能以微小的創(chuàng)傷獲得與外科手術(shù)相同或更好的治療效果。介入治療材料包括支架材料、導(dǎo)管材料及栓塞材料等。置入血管內(nèi)支架是治療心血管疾病的重要方法，當(dāng)前冠脈支架多為醫(yī)用不銹鋼通過雕刻或激光蝕刻制備，在體內(nèi)以自膨脹、球囊擴(kuò)張式或擴(kuò)張固定在血管內(nèi)壁上。雖然經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入性治療取得較好的成果，但經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈成形術(shù)后6 個(gè)月后再狹窄發(fā)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涂層支架、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鈦形狀記憶合金制備，有自膨脹和球囊擴(kuò)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(shù)切除的惡性腫瘤引起的食管瘺及惡性難治性食管狹窄等。制作導(dǎo)管的材料有聚乙烯、聚氨脂、聚氯乙烯、聚四氟乙烯等。導(dǎo)管外層材料多為能夠提供硬度和記憶的聚脂、聚乙烯等，內(nèi)層為光滑的聚四氟乙烯。栓塞材料按照材料性質(zhì)可分為對(duì)機(jī)體無活性、自體材料和放射性顆粒三種。理想的栓塞材料應(yīng)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(jīng)導(dǎo)管運(yùn)送，易得、易消毒等要求。更高的要求是能控制閉塞血管時(shí)間的長短，一旦需要可經(jīng)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。

5、血液凈化材料

血液凈化材料重在應(yīng)用采用濾過沉淀或吸附的原理，將體內(nèi)內(nèi)源性或外源性毒物（致病物質(zhì)）專一性或高選擇性地去除，從而達(dá)到治病的目的，是治療各種疑難病癥的有效療法。尿毒癥、各種藥物中毒、免疫性疾病（系統(tǒng)性紅斑狼瘡、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎）、高脂血癥等，都可采用血液凈化療法治療，其核心是濾膜、吸附劑等生物醫(yī)用材料。血液凈化材料的研究和臨床應(yīng)用，在日本和歐洲成為了生物醫(yī)用材料發(fā)展的熱點(diǎn)。

6、口腔材料口腔材料仍在發(fā)展 口腔材料學(xué)是口腔醫(yī)學(xué)與材料學(xué)之間的界面學(xué)科，其品種及分類方法很多，可以分為口腔有機(jī)高分子材料、口腔無機(jī)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(jié)材料、印模材料、耐火包埋材料。近年來組織工程技術(shù)在口腔臨床開始應(yīng)用，主要是膜引導(dǎo)組織再生技術(shù)和牙周外科治療和即刻植入修復(fù)中的應(yīng)用。口腔材料中的生物化仿生材料尚待今后研究和探討。陶瓷材料脆弱的撓曲強(qiáng)度一直困擾著牙科醫(yī)生和患者。而牙科修復(fù)學(xué)中顏色的再現(xiàn)問題是影響牙齒及修復(fù)體客觀的一個(gè)重要因素。因此牙科陶瓷技術(shù)是沿著克服材料的脆性，精確測定牙的顏色并提供組成、性能穩(wěn)定的陶瓷材料的方向發(fā)展的。

四、國外生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀、規(guī)模、競爭優(yōu)勢及發(fā)展趨勢

隨著人口老齡化、中、青年創(chuàng)傷的增加，高技術(shù)的注入，以及人類對(duì)自身健康的關(guān)注度隨經(jīng)濟(jì)發(fā)展提高，生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展。同時(shí)，它亦是世界貿(mào)易中最活躍的領(lǐng)域，年貿(mào)易額復(fù)合增長率達(dá)25%，正在成長為世界經(jīng)濟(jì)的一個(gè)支柱性產(chǎn)業(yè)。

生物醫(yī)用材料及植入器械產(chǎn)業(yè)是學(xué)科交叉最多、知識(shí)密集的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展需要上、下游知識(shí)、技術(shù)和相關(guān)環(huán)境的支撐，多數(shù)聚集在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、人才較集中或臨床資源較豐富的地區(qū)，產(chǎn)業(yè)高度集聚是發(fā)達(dá)國家醫(yī)用生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)的重要特點(diǎn)。如美國集聚于技術(shù)資源豐富的硅谷、128號(hào)公路科技園、北卡羅來納研究三角園，以及臨床資源豐富的明尼阿波利斯及克利夫蘭醫(yī)學(xué)中心等；德國聚集于巴州艾爾格蘭、圖林根州等地區(qū)；日本聚集于筑波、神奈川、九州科技園等。

生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)不同于家電或通訊行業(yè)，單一產(chǎn)品的市場容量不大。為提升企業(yè)市場競爭力，回避風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)展壯大企業(yè)，國外跨國公司已從最初的較單一產(chǎn)品生產(chǎn)，通過企業(yè)內(nèi)部技術(shù)創(chuàng)新和并購其它企業(yè)，不斷進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)線延伸和擴(kuò)大，實(shí)現(xiàn)多品種生產(chǎn)。例如，2004-2009年美國GE公司相關(guān)并購次數(shù)達(dá)59次；再如成立于1949年的國際第四大醫(yī)療器械生產(chǎn)企業(yè)美敦力公司，已從最初的心臟起搏器生產(chǎn)發(fā)展成為多品類產(chǎn)品生產(chǎn)，產(chǎn)品覆蓋了心律失常、心衰、血管疾病、人工心瓣膜、體外心臟支持系統(tǒng)、微創(chuàng)心臟手術(shù)、惡性及非惡性疼痛、運(yùn)動(dòng)失調(diào)、糖尿病、胃腸疾病、脊柱病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病及五官科手術(shù)治療等多個(gè)領(lǐng)域疾病治療的產(chǎn)品。為開拓國際市場，跨國公司通過向境外技術(shù)和資金輸出，在國外建立子公司和研發(fā)中心，就地生產(chǎn)和研發(fā)。同時(shí)，為適應(yīng)國際貿(mào)易的發(fā)展，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織不斷制定和發(fā)布生物醫(yī)用材料和制品的國際標(biāo)準(zhǔn)。

第三篇：生物醫(yī)用金屬材料

生物醫(yī)用金屬材料

摘要：在概述醫(yī)用金屬材料目前的研究現(xiàn)狀、性能和應(yīng)用的基礎(chǔ)上，指出了醫(yī)用金屬材料應(yīng)用中目前存在的主要問題，闡述了近些年生物醫(yī)用金屬材料的新進(jìn)展，并對(duì)今后的發(fā)展進(jìn)行展望分析。關(guān)鍵詞：生物醫(yī)用金屬材料

現(xiàn)狀

研究進(jìn)展 引言：

生物醫(yī)用材料（biomedical material）是用于對(duì)生物體進(jìn)行診斷、治療、修復(fù)或替換其病損組織、器官或增進(jìn)其功能的新型高技術(shù)材料，能夠植入生物體或與生物組織相糅合。它的研究及產(chǎn)業(yè)化對(duì)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大作用正日益受到各國政府、產(chǎn)業(yè)界和科技界的高度重視。

目前用于臨床的生物醫(yī)用材料主要包括生物醫(yī)用金屬材料、生物醫(yī)用有機(jī)材料（主要指有機(jī)高分子材料）、生物醫(yī)用無機(jī)非金屬材料（主要指生物陶瓷、生物玻璃和碳素材料）以及生物醫(yī)用復(fù)合材料等。

而與其它幾種生物材料相比，生物醫(yī)用金屬材料具有高的強(qiáng)度、良好的韌性及抗彎曲疲勞強(qiáng)度、優(yōu)異的加工性能等許多其它醫(yī)用材料不可替代的優(yōu)良性能。但生物醫(yī)用金屬材料在應(yīng)用中也面臨著一些問題，由于生理環(huán)境的腐蝕而造成的金屬離子向周圍組織擴(kuò)散以及植入材料自身性質(zhì)的退變，前者可能導(dǎo)致毒副作用，后者可能導(dǎo)致植入失效，因此研究和開發(fā)性能更優(yōu)、生物相容性更好的新型生物醫(yī)用金屬材料依然是材料工作者和醫(yī)務(wù)工作者共同關(guān)心的課題。生物醫(yī)用金屬材料

生物醫(yī)用金屬材料是指一類用作生物材料的金屬或合金，又稱外科用金屬材料。它是一類生物惰性材料。通常用于整形外科、牙科等領(lǐng)域，具有治療、修復(fù)固定和置換人體硬組織系統(tǒng)的功能。

在生物醫(yī)學(xué)材料中，金屬材料應(yīng)用最早，已有數(shù)百年的歷史。人類在古代就已經(jīng)嘗試使用外界材料來替換修補(bǔ)缺損的人體組織。在公元前，人類就開始利用天然材料，如象牙，來修復(fù)骨組織；到了19世紀(jì)，由于金屬冶煉技術(shù)的發(fā)展，人們開始嘗試使用多種金屬材料，不遺余力地發(fā)展生物醫(yī)用材料，以解救在臨床上由于創(chuàng)傷、腫瘤、感染所造成的骨組織缺損患者，如用銀汞合金（主要成份：汞、銀、銅、錫、鋅）來補(bǔ)牙等；

目前臨床應(yīng)用的醫(yī)用金屬材料主要有不銹鋼、鈷基合金、鈦和鈦合金等幾大類。此外還有形狀記憶合金、貴金屬以及純金屬鉭、鈮、鋯等。

醫(yī)用金屬材料的特性與要求

（1）生物形容性即生物學(xué)反應(yīng)最小，包括無毒性、無熱源反應(yīng)、不致畸、不致癌、不引起過敏反應(yīng)或干擾機(jī)體的免疫機(jī)理、不破壞臨近組織，也不發(fā)生材料表面的鈣化沉積等。

（2）物理和化學(xué)穩(wěn)定性好，包括強(qiáng)度、彈性、尺寸穩(wěn)定性、耐腐蝕性、耐磨性以及界面穩(wěn)定性等。（3）易于加工成型，材料易于制造，價(jià)格適當(dāng)

（4）對(duì)于植入心血管系統(tǒng)或與血液接觸的材料，除能滿足以上條件外，還須具有良好的血液相容性，即不凝血（抗凝血性好）、不破壞紅細(xì)胞（不溶血）、不破壞血小板、不改變血中蛋白（特別是脂蛋白）、不擾亂電解質(zhì)平衡等。

生物醫(yī)用金屬材料的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.純鈦和鈦合金

純鈦具有無毒、質(zhì)輕、強(qiáng)度高、生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，且純鈦不會(huì)生銹，而且耐高溫、低溫、耐腐蝕，可與骨組織直接連接形成物理性結(jié)合，經(jīng)證明與骨組織也可以發(fā)生化學(xué)性結(jié)合，因此在骨科領(lǐng)域應(yīng)用較廣。

基于以上優(yōu)點(diǎn)，20世紀(jì)50年代，美國和英國就開始把純鈦用于生物體。到了20世紀(jì)60年代，鈦合金開始作為人體植入材料而廣泛應(yīng)用于臨床。鈦合金就是為了進(jìn)一步加強(qiáng)純鈦的強(qiáng)度而制成的。生物相容性不如純鈦，但強(qiáng)度是不銹鋼的3.51 倍，為目前所有工業(yè)金屬材料中最高。從最初的Ti—6Al—4V到隨后的Ti—5Al—2.5Fe和Ti—6Al—7Nb合金，以及近些年發(fā)展起來的新型?鈦合金，鈦合金在人體植入材料方面獲得了較快的發(fā)展。

1973年北京有色金屬研究總院與天津市骨科醫(yī)療器械廠合作生產(chǎn)了300個(gè)鈦人工股骨和髖關(guān)節(jié)，并用于臨床。由于釩有毒，對(duì)人體具有潛在的有害影響，因此20世紀(jì)70～80年代世界各國開始用鈦合金研制無釩植入物。80年代中期2種新型（???）型鈦合金Ti—5Al—2.5Fe和Ti—6Al—7Nb在歐洲得到了發(fā)展，這類合金的力學(xué)性能與Ti—6Al—4V相近，具有較好的生物相容性和耐腐蝕性，并去掉了對(duì)人體有毒性的V元素。然而此類合金仍含有Al元素（Al元素能導(dǎo)致器官的損傷，引起骨軟化、貧血和神經(jīng)紊亂等癥狀），且其彈性模量為骨彈性模量的4—10倍。種植體與骨彈性模量之間的不匹配，使得載荷不能由種植體很好地傳遞到相鄰骨組織，出現(xiàn)“應(yīng)力屏蔽”現(xiàn)象，從而導(dǎo)致種植體周圍出現(xiàn)骨吸收，最終引起種植體松動(dòng)或斷裂，造成種植失敗。

而最新研制的新型（???）鈦合金Ti—15Zr系和Ti—15Sn系合金則同時(shí)去掉了V和Al。近年來開發(fā)出的一些新型鈦合金（主要是?型合金），因都注重減少了對(duì)人體有一定危害的元素，有效地改善了鈦合金的生物相容性。

在臨床領(lǐng)域內(nèi)純鈦及其合金在修補(bǔ)各類大的（顱、肋、胸、頜骨等）骨缺損、人工關(guān)節(jié)、種植體以及作為骨固定用板、釘、螺絲等材料中廣泛使用，并取得了令人矚目的成績。

2.醫(yī)用不銹鋼

用作生物醫(yī)用材料的不銹鋼，具有良好的耐腐蝕性能和綜合力學(xué)性能，且加工工藝簡便，是生物醫(yī)用金屬材料中應(yīng)用最廣、最多的一類材料。人們很早就使用鐵絲、鎳鋼、鍍金的鐵釘及釩鋼等金屬材料進(jìn)行臨床治療的嘗試。目前醫(yī)用不銹鋼在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，如AISI304、AISI316不銹鋼等。316L不銹鋼是制作醫(yī)用人工關(guān)節(jié)比較廉價(jià)的常用金屬材料，主要用作關(guān)節(jié)柄和關(guān)節(jié)頭材料。

醫(yī)用不銹鋼的生物相容性及相關(guān)問題，主要涉及到不銹鋼植入生物體后由于腐蝕或磨損造成金屬離子溶出所引起的組織反應(yīng)等，特別是不銹鋼中鎳離子析出誘發(fā)的嚴(yán)重病變（通常用的奧氏體醫(yī)用不銹鋼均含有10%左右的鎳）。如臨床表明，316L不銹鋼植入人體后，在生理環(huán)境中，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生縫隙腐蝕或摩擦腐蝕以及疲勞腐蝕破裂等問題，并且會(huì)因摩擦磨損等原因釋放出Ni2+、Cr3+、Cr5+，從而引起假體松動(dòng)，最終導(dǎo)致植入體失敗。

近些年低鎳和無鎳的醫(yī)用不銹鋼正逐漸得到發(fā)展和應(yīng)用。醫(yī)用不銹鋼由于其優(yōu)良的綜合性能，主要應(yīng)用于骨骼系統(tǒng)的置換和修復(fù)方面，此外，在齒科、心臟外科，心血管植入支架等方面也得到應(yīng)用。

3.醫(yī)用鈷基合金

鈷基合金通常指Co—Cr合金，有2種基本牌號(hào)：Co—Cr—Mo合金和Co—Ni—Cr—Mo合金。鍛造加工的Co—Ni—Cr—Mo合金是一種新材料，用于制造關(guān)節(jié)替換加體連接件的主干，如膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)替換假體等。從耐腐蝕和力學(xué)性能綜合衡量，它是目前醫(yī)用金屬材料中最優(yōu)良的材料之一，已列入ISO國際標(biāo)準(zhǔn)。

醫(yī)用鈷基合金也是醫(yī)療中常用的醫(yī)用金屬材料，相對(duì)不銹鋼而言，醫(yī)用鈷基合金更適合于制造體內(nèi)承載條件苛刻的長期植入體。國外研制的鈷鉻鉬鑄造合金，其耐腐蝕性比不銹鋼高40倍，但力學(xué)性能低于不銹鋼，四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院的研究人員發(fā)現(xiàn)，深冷處理可以有效提高鈷鉻鉬高熔鑄造合金的抗拉強(qiáng)度，也能有效增強(qiáng)口腔鑄造合金的彎曲彈性模量、抗彎強(qiáng)度、耐磨性和耐腐蝕性。但是由于鈷基合金價(jià)格較貴，并且合金中的Co、Ni元素存在著嚴(yán)重致敏性等生物學(xué)問題，應(yīng)用受到一定的限制。近些年通過表面改性技術(shù)來改善鈷基合金的表面特性，有效提高了其臨床效果。

4.醫(yī)用貴金屬和鉭、鈮、鋯等金屬

金屬材料在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用已有很長的歷史，最先廣泛用于臨床治療的金屬是金、銀、鉑等貴重金屬。它們具有良好的穩(wěn)定性和加工性能。因其價(jià)格較貴，廣泛應(yīng)用受到限制，之后，銅、鉛、鎂、鐵和鋼等曾用于臨床試驗(yàn)，但因耐腐蝕性、生物形容性較差、力學(xué)性能偏低而未應(yīng)用。貴金屬材料在牙科、針灸、體內(nèi)植入及醫(yī)用生物傳感器等方面有其廣泛的應(yīng)用。鉭具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性和抗生理腐蝕性，鉭的氧化物基本上不被吸收和不呈現(xiàn)毒性反應(yīng)，可以和其他金屬結(jié)合使用而不破壞其表面的氧化膜。在臨床上，鉭也表現(xiàn)出良好的生物相容性。鈮、鋯及鉭與鈦都具有極相似的組織結(jié)構(gòu)和化學(xué)性能，在生物學(xué)上也得到一定應(yīng)用。但總的來說，醫(yī)用貴金屬和鉭、鈮、鋯等金屬因其價(jià)格較貴，廣泛應(yīng)用受到限制。

5.形狀記憶合金

形狀記憶合金是一種新型醫(yī)生物材料，國內(nèi)醫(yī)用形狀記憶合金研究始于20世紀(jì)70年代，并很快得到了廣泛應(yīng)用。臨床上已采用的形狀記憶合金主要有鎳鈦形狀記憶合金和銅基形狀記憶合金，前者應(yīng)用廣泛。

醫(yī)用鎳鈦形狀記憶合金在相變區(qū)具有形狀記憶特性和超彈性，在低溫下（0℃左右，處于馬氏體狀態(tài)）比較柔軟，可以變形，將其加熱到人體溫度時(shí)（高溫相狀態(tài)）立刻恢復(fù)到原來形狀，產(chǎn)生持續(xù)柔和的恢復(fù)力。而此時(shí)材料較硬富有彈性，可起到矯形或支撐作用。其記憶恢復(fù)溫度為36±2℃，符合人體溫度，在臨床上表現(xiàn)出與不銹鋼和鈦合金相當(dāng)?shù)纳锵嗳菪浴Ｆ鋬?yōu)良的生物相容性、耐腐蝕、耐磨性、無毒等特征，被稱為21世紀(jì)的新型功能材料。

但由于鎳鈦記憶合金中含有大量的鎳元素，如果表面處理不當(dāng)，則其中的鎳離子可能向周圍組織擴(kuò)散滲透。醫(yī)用形狀記憶合金主要用于整形外科和口腔科，鎳鈦記憶合金應(yīng)用最好的例子是自膨脹支架，特別是心血管支架。

醫(yī)用金屬材料目前存在的主要問題

生物醫(yī)用金屆材料具有良好的耐腐蝕性能和綜合力學(xué)性能．加工工藝簡便．是應(yīng)用最廣泛的一類醫(yī)用材料。傳統(tǒng)使用的醫(yī)用金屬材料經(jīng)過多年的臨床應(yīng)用，仍然存在許多問題，除了醫(yī)用材料常見的宿主反應(yīng)以外，主要還是由金屬腐蝕和磨損直接或間接造成的。醫(yī)用金屬材料中均含有較多的合金化元素．但它們?cè)谌梭w中所允許的濃度非常低。這些合金化元素多呈強(qiáng)的負(fù)電性，能夠變化其電子價(jià)態(tài)并與生物體內(nèi)的有機(jī)物或無機(jī)物質(zhì)化臺(tái)形成復(fù)雜的化臺(tái)物(有些含有強(qiáng)烈的毒性，與金屬材料植入人體以后，由于腐蝕、磨損等導(dǎo)致金屬離子溶出、金屬離于進(jìn)八組織液里會(huì)引發(fā)～些生物反應(yīng)，如組織反應(yīng)．血液反應(yīng)和全身反應(yīng)，表現(xiàn)為水腫、血栓栓塞、感染及腫瘤等現(xiàn)象。

另外在人體血液中．由于血小板、細(xì)胞和蛋白質(zhì)帶有負(fù)電荷，而金屬析出離子一般帶有正電荷，因此血液中大量金屬離子的析出還易于造成血栓的形成。在鐵(Fe)、鉻(Cr)、鎳（Ni)、鉬(Mo)、鈷(Co)等人體必需的微量元素中，鎳、鈷、鉻離子對(duì)人體都有致敏反應(yīng)，鋼中的鉻元素當(dāng)呈現(xiàn)六價(jià)態(tài)時(shí)．對(duì)人體也有較大的毒性和過敏傾向。鎳離子的富集對(duì)人體有很大毒性，有過敏反應(yīng)．可能誘導(dǎo)有機(jī)體突變以及發(fā)生癌變。有研究報(bào)道了植入物釋放出來的金屬離誘導(dǎo)炎癥的過程，發(fā)現(xiàn)即使亞微摩爾濃度的鋅、鎳和鈷．也能誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞E選擇素的表達(dá)。研究金屬毒性的醫(yī)生早就知道鎳是一種能夠致癌的有毒化學(xué)元素，科學(xué)上早就存在的“鎳過敏和鎳致癌問題”，直到最近幾十年才受到各國重視，對(duì)日用和醫(yī)用金屬材料中的鎳含量限制越來越嚴(yán)格，標(biāo)準(zhǔn)文件中所允許的最高鎳含量也越來越少。由1967年、1988年和1994年頒布的歐洲議會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，就可以清楚地看出這種趨勢。因此在發(fā)展新型醫(yī)用金屬材料時(shí)必須嚴(yán)格控制其中的金屬元隸，最好是少用或不用對(duì)人體產(chǎn)生毒性和過敏性較大的合金化元素。

新型醫(yī)用金屬材料的研究和進(jìn)展

在過去的幾十年中．生物醫(yī)用金屬材料已經(jīng)得到很快的發(fā)展，然而在臨床上使用的仍然是有限的幾種。因此研究并推動(dòng)新型生物醫(yī)用材料的應(yīng)用，依然非常重要。新型金屬材料的發(fā)展應(yīng)從現(xiàn)存的舊題出發(fā)，采用新技術(shù)和新工藝，改善現(xiàn)有生物金屬材料的性能，以減少和避免上述問題。

1.鎂及鎂合金

鎂及鎂合金由于密度低，比強(qiáng)度、比剛度高等優(yōu)異的綜合性能已被廣泛應(yīng)用在航空航天、電子通信、汽車制造等領(lǐng)域。從這十幾年來國內(nèi)外對(duì)鎂及鎂合金各方面的報(bào)道發(fā)現(xiàn)鎂如作為硬組織植入材料，與現(xiàn)已投入臨床使用的各種金屬植入材料相比，具有資源豐富、與人骨的密致骨密度相近、鎂及鎂合金有高的比強(qiáng)度與比剛度且加工性能良好、能有效地緩解應(yīng)力遮擋效應(yīng)、鎂離子對(duì)人體的微量釋放是有益的，且鎂及其合金與生物相容性好、資源豐富、價(jià)格低。

雖然有很多優(yōu)于其他生物金屬材料的性能，但鎂及鎂合金的耐蝕性能較差，并且在腐蝕介質(zhì)中產(chǎn)生的氧化膜疏松多孔，不能對(duì)集 體產(chǎn)生很好的保護(hù)作用。因此，要使鎂及鎂合金替代現(xiàn)有金屬生物材料成為可能，必須對(duì)其進(jìn)行表面改性，以滿足臨床應(yīng)用對(duì)生物材料耐蝕性能的苛刻要求。

（1）稀土轉(zhuǎn)化膜對(duì)鎂及鎂合金進(jìn)行表面改性

稀土無毒環(huán)保，而且具有較好的生物形容性。高家誠等人用激光在Ti6Al4V上合成及涂覆含稀土的生物基鈣磷基陶瓷涂層。植入成年狗7—180d后，與骨結(jié)合良好。可見，將稀土轉(zhuǎn)化膜工藝處理過的純鎂或鎂合金應(yīng)用在生物材料領(lǐng)域是可能的。（2）堿處理、熱處理對(duì)鎂及鎂合金的表面改性

2.多孔鎳鈦合金

多孔鎳鈦合金是目前醫(yī)用金屬材料的研究熱點(diǎn)，已有研究表明它的多孔結(jié)構(gòu)可使新骨生長，因而可形成牢固的嵌合。研究人員對(duì)長人多孔結(jié)構(gòu)的新骨的顯微硬度及組織學(xué)參數(shù)進(jìn)行了檢定，證明同周圍的骨質(zhì)具有相似的性質(zhì)，因而此種材料比較適合作為顱骨、頜骨的替代材料。生物醫(yī)用多孔金屬材料由于其獨(dú)特的多孔結(jié)構(gòu)極大地提高了植入體生物相容性，此外多孔金屬還具有多孔聚合物和多孔陶瓷不可比擬的優(yōu)良強(qiáng)度和塑性組合，因而作為一種新型的骨關(guān)節(jié)和牙根等人體硬組織修復(fù)和替換材料，具有廣闊的應(yīng)用前景。中國每年髖關(guān)節(jié)病患者

至少有1萬人，因而開發(fā)研制性能優(yōu)良、使用可靠的硬組織修復(fù)、替代產(chǎn)品無論是在醫(yī)用價(jià)值還是在商業(yè)價(jià)值上都是不可估量的。生物醫(yī)用多孔金屬材料以其優(yōu)良的力學(xué)相容性和生物相容性在骨、牙齒等硬組織修復(fù)領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。

3.鐵素體及雙相醫(yī)用不銹鋼的開發(fā)

目前臨床上廣泛應(yīng)用的是316L及317L型醫(yī)用不銹鋼，但其耐腐蝕性能并不十分令人滿意。對(duì)傳統(tǒng)醫(yī)用不銹鋼的改進(jìn)，通過改進(jìn)熔煉工藝如采用真空一電弧重熔工藝來減少非金屬夾雜物的含量，可提高316L醫(yī)用不銹鋼的耐腐蝕性能。再者，通過向傳統(tǒng)醫(yī)用316L及317L不銹鋼中添加N也改善了鋼的耐腐蝕性能，從而提高了使用的安全性。近年來，研究者開發(fā)出一些鐵素體及雙相不銹鋼，如瑞典的SAF2507。通過對(duì)這些材料在模擬體液環(huán)境下的點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕斷裂及Fe、Cr、Ni等金屬元素的溶出試驗(yàn)研究表明，材料具有良好的耐局部腐蝕性能，有望用作植入材料。但是，由于材料具有鐵磁性，也限制了其在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用。

4.醫(yī)用低鎳和無鎳Cr-Mn-N型奧氏體不銹鋼

最近，國外對(duì)低鎳及無鎳醫(yī)用不銹鋼的研究開發(fā)比較活躍。對(duì)于低鎳醫(yī)用不銹鋼，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制訂了外科植人高氮不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)IS05832—9。瑞典的Sandvik鋼鐵公司應(yīng)用先進(jìn)的熔煉技術(shù)，不需經(jīng)過二次重熔制備了超純凈高氮醫(yī)用不銹鋼。意大利開發(fā)了20Cr9Ni2M00．39N，瑞士也開發(fā)Rex734(IS05832—9)，這些材料中的Ni含量都較傳統(tǒng)316L醫(yī)用不銹鋼低，并且具有更好的耐模擬體液腐蝕性能，是很有潛力的不銹鋼植入材料。新型不銹鋼植人材料中基本上不含Ni，而是利用高的含氮量來維持其高強(qiáng)度和高耐蝕性。考慮到錳及其金屬鹽類的毒性，甚至開發(fā)不含Ni及Mn的醫(yī)用不銹鋼，如日本利用氮?dú)饧訅弘娫厝酃に囍苽銯e24Cr2M01．5N及采用氮吸附／吸收處理的方法制備Fe24Cr2Mo(0．62,---0．92)N和Fe-24Cr-(0．65～O．88)N。對(duì)于醫(yī)用無鎳高氮不銹鋼的開發(fā)大多處在研究階段，實(shí)際商品生產(chǎn)和臨床應(yīng)用還不多，只有美國的Carpenter公司可提供不同尺寸管材。而氮?dú)饧訅骸㈦娫厝鄣确椒ǔ杀据^高，進(jìn)一步提高鋼中的氮含量是開發(fā)該類材料面臨的一大困難。相比較而言，國內(nèi)對(duì)于醫(yī)用無鎳不銹鋼的研究開展較晚，只有中國科學(xué)院金屬研究所楊柯領(lǐng)導(dǎo)課題組在國家“863”課題的資助下，開發(fā)出新型含氮醫(yī)用無鎳不銹鋼Fel7Crl4Mn2Moo．45N，其強(qiáng)度、耐蝕性和部分生物學(xué)性能均優(yōu)于316L不銹鋼。

金屬材料的表面處理

生物醫(yī)用材料直接接觸人體組織，因此其表面性能非常重要。為了使植人體內(nèi)的材料充分發(fā)揮其功能，最好將其表面加以適當(dāng)?shù)奶幚恚岣弑砻婺臀g性或改善其生物學(xué)特性從而減小其生物學(xué)毒性．這也是醫(yī)用金屬材料今后十分重要的發(fā)展方向。目前醫(yī)用金屬材料表面處理的方法很多，主要有：等離子的影響。噴涂、激光熔覆、妻子束輔助沉積、熱噴涂、電化學(xué)沉積和仿生沉積等 展望

隨著生物技術(shù)的發(fā)展，不同學(xué)科的科學(xué)家進(jìn)行了廣泛合作，從而使制造具有完全生物功能的人工器官展示出美好的前景。人體組織和器宮的修復(fù)，將從簡單的利用器械機(jī)械固定發(fā)展到再生和重建有生命的人體組織和器宮；從短壽命的組織和器官的修復(fù)發(fā)展至永久性的修復(fù)和替換。這一醫(yī)學(xué)革命（特別是外科學(xué)），對(duì)生命利學(xué)和材料等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展提出了諸多需求。因此生物材料己成為各國科學(xué)家競相進(jìn)行研究和開發(fā)的熱點(diǎn)。當(dāng)代生物材料已處于實(shí)現(xiàn)重大突破的邊緣，不遠(yuǎn)的將來，科學(xué)家有可能借助于生物材料設(shè)計(jì)和制造整個(gè)人體器官，生物醫(yī)用材料和制品產(chǎn)業(yè)將發(fā)展成為本世紀(jì)世界經(jīng)濟(jì)的一個(gè)支柱產(chǎn)業(yè)。

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第四篇：生物醫(yī)用高分子材料論文

醫(yī)用功能材料及應(yīng)用

學(xué) 院 化工學(xué)院

指導(dǎo)老師 喬紅斌 專業(yè)班級(jí) 高091班 學(xué)生姓名 張如心 學(xué) 號(hào) 099034030

醫(yī)用功能材料及應(yīng)用

摘要：了解生物醫(yī)用功能高分子材料近年來的應(yīng)用研究及發(fā)展?fàn)顩r，綜述國內(nèi)外生物醫(yī)用高分子材料的分類、特性及研究成果，展望對(duì)未來的生物醫(yī)用高分子材料的發(fā)展趨勢，通過介紹醫(yī)用高分子材料在人工臟器、藥劑及醫(yī)療器械方面的應(yīng)用，以及我國近年來的研究情況和存在的問題,形成對(duì)生物醫(yī)用功能高分子的認(rèn)識(shí)和其重要性的認(rèn)識(shí)。

關(guān)鍵詞：功能高分子材料 生物醫(yī)用高分子材料。

前言：現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展，對(duì)材料的性能提出了復(fù)雜而嚴(yán)格的多功能要求，這是大多數(shù)金屬材料和無機(jī)材料難以滿足的，而合成高分子材料與生物體（天然高分子）有著極其相似的化學(xué)結(jié)構(gòu)，化學(xué)結(jié)構(gòu)的相似決定了它們?cè)谛阅苌夏軌虮舜私咏鼜亩赡苡镁酆衔镏谱魅斯て鞴伲鳛槿梭w器官的替代物。另外，除人工器官用材料之外，醫(yī)藥用高分子材料、臨床檢查診斷和治療用高分子材料的開發(fā)研究也在積極地展開，它們被統(tǒng)稱為醫(yī)用高分子材料。

1.生物醫(yī)用功能高分子

生物醫(yī)用功能高分子材料主要以醫(yī)療為目的，用于與組織接觸以形成功能的無生命材料。其被廣泛地用來取代或恢復(fù)那些受創(chuàng)傷或退化的組織或器官的功能，從而達(dá)到治療的目的。主要包括醫(yī)用高分子材料(以修復(fù)、替代為主)、藥用高分子材料(以藥理療效為主)。生物醫(yī)用高分子材料融合了高分子化學(xué)和物理、高分子材料工藝學(xué)、藥理學(xué)、病理學(xué)、解剖學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)等方面的知識(shí),還涉及許多工程學(xué)問題。由于其與人體的組織和器官接觸，因此，醫(yī)用高分子材料必須滿足如下的基本要求：①在化學(xué)上是惰性的，會(huì)因?yàn)榕c體液接觸而發(fā)生反應(yīng)；②對(duì)人體組織不會(huì)引起炎癥或異物反應(yīng)；③不會(huì)致癌；④具有良好的血液相容性，不會(huì)在材料表面凝血；⑤長期植入體內(nèi)，不會(huì)減小機(jī)械強(qiáng)度；⑥能經(jīng)受必要的清潔消毒措施而不產(chǎn)生變形；⑦易于加工成需要的復(fù)雜形狀。

2.醫(yī)用高分子材料發(fā)展的4個(gè)階段

第1階段：時(shí)間大約是7千年前至19世紀(jì)中葉，是被動(dòng)地使用天然高分子材料階段。這一時(shí)期的高分子材料有，大漆及其制品、蠶絲及織物、麻、棉、羊皮、羊毛、紙、桐油等。

第2階段：從19世紀(jì)中頁到20世紀(jì)20年代，是對(duì)天然高分子材料進(jìn)行化

學(xué)改性，從而研制新材料階段。在這階段中，人類首次研制出合成高分子材料(酚醛樹脂)。這一時(shí)期的高分子材料有，硫化橡膠，賽璐珞(硝基纖維素脂)、硝基纖維素酯，人造絲、纖維素粘膠絲、酚醛樹脂清漆和電木等。

第3階段：20-世紀(jì)30年代至60年代，是人類大量研制新合成高分子材料階段。在這一階段，“高分子科學(xué)”概念已經(jīng)誕生，大批高分子化學(xué)家投入到新聚合物的合成和新材料開發(fā)的研究領(lǐng)域。從而導(dǎo)致了至今天仍有重要意義的大批通用高分子材料的誕生。例如順丁、丁苯、丁納等合成橡膠的出現(xiàn)；尼龍66、聚酯(PET)、聚丙烯腈等合成纖維的出現(xiàn)；聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚酰亞胺、有機(jī)硅、有機(jī)氟、雜環(huán)高分子等塑料和樹脂的出現(xiàn)。

第4階段：從20世紀(jì)60年代至今，是人類對(duì)高分子材料大普及、大擴(kuò)展階段。在這個(gè)階段，人類對(duì)上述聚合物的使用更加合理，聚合物生產(chǎn)的價(jià)格更為低廉，從而使高分子材料滲透到國民經(jīng)濟(jì)及人類生活的各個(gè)方面，使高分子材料成為了人類社會(huì)繼金屬材料，無機(jī)材料之后的第3大材料。

3.醫(yī)用高分子的現(xiàn)狀

現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的進(jìn)步已經(jīng)越來越依賴于生物材料和器械的發(fā)展,沒有醫(yī)用材料的醫(yī)學(xué)診斷和治療在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中幾乎是不可想象的。目前全球大量用于醫(yī)療器械的生物醫(yī)學(xué)材料主要有20 種,其中醫(yī)用高分子12 種,金屬4 種,陶瓷2 種,其他2 種。利用現(xiàn)有的生物醫(yī)學(xué)材料已開發(fā)應(yīng)用的醫(yī)用植入體、人工器官等近300 種,主要包括:起搏器、心臟瓣膜、人工關(guān)節(jié)、骨板、骨螺釘、縫線、牙種植體,以及藥物和生物活性物質(zhì)控釋載體等。近年來,西方國家在醫(yī)學(xué)上消耗的高分子材料每年以10 %～20 %的速度增長 ,而國內(nèi)也以20 %左右的速度迅速增長。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,尤其是生物技術(shù)的重大突破,生物材料的應(yīng)用將更加廣泛,需求量也隨之越來越大。生物醫(yī)用高分子材料的發(fā)展,對(duì)于戰(zhàn)勝危害人類的疾病,保障人民身體健康,探索人類生命奧秘具有重大意義。

4.生物醫(yī)用高分子材料的種類

高分子生物材料隨不同來源、應(yīng)用目的、活體組織對(duì)材料的影響等可以分為多種類型。

生物醫(yī)用高分子材料按性質(zhì)可分為非降解和可生物降解兩大類；按應(yīng)用目的分為與血液接觸的高分子材料、組織工程用高分子材料、藥用高分子材料、醫(yī)

藥包裝用高分子材料、醫(yī)用粘合劑與縫合線；按材料來源可分為天然和人工合成兩大類，下面我們就分別對(duì)這兩種材料進(jìn)行詳細(xì)的論述。

4.1 天然生物材料

天然生物材料是指從自然界現(xiàn)有的動(dòng)、植物體中提取的天然活性高分子，如從各種甲殼類、昆蟲類動(dòng)物體中提取的甲殼質(zhì)殼聚糖纖維，從海藻植物中提取的海藻酸鹽，從桑蠶體內(nèi)分泌的蠶絲經(jīng)再生制得的絲素纖維與絲素膜，以及由牛屈肌腱重新組構(gòu)而成的骨膠原纖維[6]等。自然界廣泛存在的天然生物材料仍有著人工材料無可比擬的優(yōu)越性能。由于天然活性高分子來自生物體內(nèi)且都具有很高的生物功能和很好的生物適應(yīng)性，在保護(hù)傷口、加速創(chuàng)面愈方面具有強(qiáng)大的優(yōu)勢。例如：甲殼素又稱幾丁質(zhì)（chitin），廣泛存在于蝦、蟹等甲殼動(dòng)物及昆蟲、藻類和細(xì)菌中，是世界上僅次于纖維素的第二大類天然高分子化合物。它是一種惰性多糖，用濃堿脫去乙酰基可轉(zhuǎn)變成聚殼糖（chintosan）。甲殼素、聚殼糖及其衍生物具有良好的生物相容性和生物降解性。降解產(chǎn)物帶有一定正電荷，能從血液中分離出血小板因子，增加血清中H-6水平，促進(jìn)血小板聚集或凝血素系統(tǒng)，作為止血?jiǎng)┯写龠M(jìn)傷口愈合，抑制傷口愈合中纖維增生，并促進(jìn)組織生長的功能，對(duì)燒、燙傷有獨(dú)特療效。根據(jù)研究報(bào)道，由于天然高分子醫(yī)用材料的獨(dú)特臨床效果，它的應(yīng)用前景相當(dāng)廣闊。

4.2 合成生物材料

由于天然材料的有限，人們需要大量的生物材料來維持他們的健康。合成高分子材料因與人體器官組織的天然高分子有著極其相似的化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理性能，因而可以植入人體，部分或全部取代有關(guān)器官。因此，在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了最為廣泛的應(yīng)用，成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的重要支柱材料。與天然生物材料相比，合成高分子材料具有優(yōu)異的生物相容性，不會(huì)因與體液接觸而產(chǎn)生排斥和致癌作用，在人體環(huán)境中的老化不明顯。通過選用不同成分聚合物和添加劑，改變表面活性狀態(tài)等方法可進(jìn)一步改善其抗血栓性和耐久性，從而獲得高度可靠和適當(dāng)有機(jī)物功能響應(yīng)的生物合成高分子材料。目前，使用于人體植入產(chǎn)品的高分子合成材料包括聚酰胺、環(huán)氧樹脂、聚乙烯、聚乙烯醇、聚乳酸、聚甲醛、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚醋酸乙烯酯、硅橡膠和硅凝膠等。應(yīng)用場合涉及組織粘合、手術(shù)縫線、眼科材料(人工玻璃體、人工角膜和人工晶狀體等)、軟組織植入物(人工

心臟、人工腎、人工肝等)和人工管形器(人工器官、食道)等。合成醫(yī)用高分子材料發(fā)展的第一階段始于1937年，其特點(diǎn)是所用高分子材料都是已有的現(xiàn)成材料，如用丙烯酸甲酯制造義齒的牙床。第二階段始于1953年，其標(biāo)志是醫(yī)用級(jí)有機(jī)硅橡膠的出現(xiàn)，隨后又發(fā)展了聚羥基乙酸酯縫合線以及四種聚(醚一氨)酯心血管材料，從此進(jìn)入了以分子工程研究為基礎(chǔ)的發(fā)展時(shí)期。目前的研究焦點(diǎn)已經(jīng)從尋找替代生物組織的合成材料轉(zhuǎn)向研究一類具有主動(dòng)誘導(dǎo)、激發(fā)人體組織器官再生修復(fù)的新材料，這標(biāo)志著生物醫(yī)用高分子材料的發(fā)展進(jìn)入了第三個(gè)階段，其特點(diǎn)是這種材料一般由活體組織和人工材料有機(jī)結(jié)合而成，在分子設(shè)計(jì)上以促進(jìn)周圍組織細(xì)胞生長為預(yù)想功能，其關(guān)鍵在于誘使配合基和組織細(xì)胞表面的特殊位點(diǎn)發(fā)生作用以提高組織細(xì)胞的分裂和生長速度。

4.3 目前已開發(fā)并投入使用的醫(yī)用高分子材料的原材料分類列于表

5．醫(yī)用高分子材料的特性

除了作為材料在力學(xué)強(qiáng)度等方面的普遍要求之外，醫(yī)用高分子材料的特殊要求可以綜合

概括為以下４個(gè)方面：

1)生物功能性:因各種生物材料的用途而異,如:作為緩釋藥物時(shí),藥物的緩釋性能就是其生物功能性。

2)生物相容性:可概括為材料和活體之間的相互關(guān)系,主要包括血液相容性和組織相容性。組織相容性主要指無毒性,無致癌性,無熱原反應(yīng),無免疫排斥反應(yīng),不破壞鄰近組織等。血液相容性一般指不引起凝血,不破壞紅細(xì)胞,不破壞血小板,不改變血中蛋白,不擾亂電解質(zhì)平衡。

3)化學(xué)穩(wěn)定性: 耐生物老化性或可生物降解性。對(duì)于長期植入的醫(yī)用高分子材料,生物穩(wěn)定性要好;對(duì)于暫時(shí)植入的醫(yī)用高分子材料,則要求在確定時(shí)間內(nèi)降解為無毒的單體或片段,通過吸收、代謝過程排出體外。

4)生產(chǎn)加工性:首先,嚴(yán)格控制用于合成醫(yī)用高分子材料的原料純度,不能帶入有害物質(zhì),重金屬含量不能超標(biāo);其次,材料加工助劑必須符合醫(yī)用標(biāo)準(zhǔn);第三,對(duì)于體內(nèi)應(yīng)用的高分子材料,生產(chǎn)環(huán)境應(yīng)當(dāng)具有符合標(biāo)準(zhǔn)的潔凈級(jí)別;第四,便于消毒滅菌(紫外滅菌、高壓煮沸、環(huán)氧乙烷氣體消毒和酒精消毒等)。

6．醫(yī)用高分子材料的主要應(yīng)用 6.1 硬組織相容性高分子材料

硬組織相容性高分子材料(如各種人工骨、人工關(guān)節(jié)、牙根等)是醫(yī)學(xué)臨床上應(yīng)用量很大的一類產(chǎn)品,涉及醫(yī)學(xué)臨床的骨科、頜面外科、口腔科、顱腦外科和整形外科等多個(gè)專科,往往要求具有與替代組織類似的機(jī)械性能,同時(shí)能夠與周圍組織結(jié)合在一起。

6.2 軟組織相容性高分子材料

軟組織相容性高分子材料主要用于軟組織的替代與修復(fù),如隆鼻豐胸材料、人工肌肉(硅橡膠和滌綸織物)與韌帶材料等。這類材料往往要求具有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和彈性以及軟組織相容性,在發(fā)揮其功能的同時(shí),不對(duì)鄰近軟組織(如肌肉、肌腱、皮膚、皮下等)產(chǎn)生不良影響,不引起嚴(yán)重的組織病變。

6.3 血液相容性高分子材料

血液相容性高分子材料在醫(yī)用高分子材料的應(yīng)用方面,有相當(dāng)多的器件必須與血液接觸,例如:各種體外循環(huán)系統(tǒng)、介入治療系統(tǒng)、人工血管(聚對(duì)苯二甲酸乙二酯)和人工心瓣等人工臟器。血液相容性高分子材料必須不引起凝血、溶血等生理反應(yīng),與活性組織有良好的互相適應(yīng)性。

6.4 高分子藥物和藥物控釋高分子材料

高分子藥物指帶有高分子鏈的藥物和具有藥效的高分子,如:抗癌高分子藥物(非靶向、靶向)、用于心血管疾病的高分子藥物(治療動(dòng)脈硬化、抗血栓、凝血)、抗菌和抗病毒高分子藥物(抗菌、抗病毒)、抗輻射高分子藥物和高分子止血?jiǎng)┑取８叻肿硬牧现苽渌幬锟刂漆尫胖苿┲饕袃蓚€(gè)目的:1)為了使藥物以最小的劑量在特定部位產(chǎn)生治療藥效;2)優(yōu)化藥物釋放速率以提高療效,降低毒副作用。高分子控制釋放體系包括時(shí)間控制緩釋體系(如康泰克等,理想情形為零級(jí)釋放)、部位控制緩釋體系(靶向藥物)和脈沖釋放方式(智能藥物)。.醫(yī)用高分子材料的發(fā)展及展望

我國生物醫(yī)學(xué)高分子研究起步較晚。自20世紀(jì)70年代末起，北京大學(xué)和南開大學(xué)從事這一領(lǐng)域的研究。“九五”期間由何炳林與卓仁禧主持的國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目組織大批科研力量進(jìn)行研究，在此領(lǐng)域取得了顯著成績。1998年“生物醫(yī)學(xué)高分子”項(xiàng)目獲教育部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。我國現(xiàn)有醫(yī)用高分子材料60多種，制品達(dá)400余種。早在1999年6月，科技部生物領(lǐng)域?qū)＜医M就在南京和上海召開了“生物芯片技術(shù)”和“組織工程技術(shù)”研討會(huì)，會(huì)議決定啟動(dòng)這2個(gè)研究項(xiàng)目，并作為該領(lǐng)域的重點(diǎn)課題。東南大學(xué)、清華大學(xué)、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)、上海第二醫(yī)科大學(xué)、第一軍醫(yī)大學(xué)和華東理工大學(xué)等單位承擔(dān)了這些課題，其某些研究成果已見報(bào)道。此外，中科院化學(xué)所等多所高校以及軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院等單位也分別在組織工程、藥物控釋等方面展開了研究工作，使我國對(duì)醫(yī)用高分子材料的研究起到了重要進(jìn)展。

近年來，美國、歐洲和日本對(duì)生物醫(yī)用高分子材料的研究與開發(fā)突飛猛進(jìn)，從人工器官到高效緩釋高分子藥物都取得了很多成果和巨大效益。現(xiàn)在美國商業(yè)化的生物技術(shù)是以醫(yī)藥品為主的。加拿大的生物技術(shù)的優(yōu)勢領(lǐng)域在醫(yī)療器材和制

藥業(yè)。德國1997年投入生物技術(shù)研究與開發(fā)的總經(jīng)費(fèi)大約為33億馬克。生物技術(shù)是日本21世紀(jì)創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)的主要技術(shù)領(lǐng)域之一。在“生物技術(shù)立國”的口號(hào)下，日本政府5年內(nèi)投資2萬億日元，其中生物降解材料和藥物生產(chǎn)商業(yè)化是其重點(diǎn)支持的領(lǐng)域。韓國制定了《韓國生物技術(shù)2000綱要》，在實(shí)施綱要的14年期間，政府和企業(yè)將投資巨款用于該項(xiàng)建設(shè)。

醫(yī)用高分子材料要應(yīng)用于生物體必須同時(shí)要滿足生物功能性、生物相容性、化學(xué)穩(wěn)定性和可加工性等嚴(yán)格的要求。生物醫(yī)用材料的研究和發(fā)展方向主要包括以下幾方面: 7.1 組織工程材料

組織工程是應(yīng)用生命科學(xué)與工程的原理和方法構(gòu)建一個(gè)生物裝置,來維護(hù)、增進(jìn)人體細(xì)胞和組織的生長,以恢復(fù)受損組織或器官的功能。其方法是: 將特定組織細(xì)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材料上,形成細(xì)胞-生物材料復(fù)合物;生物材料為細(xì)胞的增長繁殖提供三維空間和營養(yǎng)代謝環(huán)境;隨著材料的降解和細(xì)胞的繁殖,形成新的與自身功能和形態(tài)相適應(yīng)的組織或器官。

7.2 生物醫(yī)用納米材料———藥物控釋材料及基因

治療載體材料高分子藥物控制釋放體系不僅能提高藥效,簡化給藥方式,大大降低藥物的毒副作用,而且納米靶向控制釋放體系使藥物在預(yù)定的部位,按設(shè)計(jì)的劑量,在需要的時(shí)間范圍內(nèi),以一定的速度在體內(nèi)緩慢釋放,從而達(dá)到治療某種疾病或調(diào)節(jié)生育的目的。目前,高分子納米材料和脂質(zhì)體是基因治療的理想載體,它具有承載容量大、安全性能高的特點(diǎn)。

7.3 復(fù)合生物材料

作為硬組織修復(fù)材料的主體,復(fù)合生物材料受到廣泛重視,它具有強(qiáng)度高、韌性好的特點(diǎn),目前已廣泛用于臨床。通過具有不同性能材料的復(fù)合,可以達(dá)到“取長補(bǔ)短”的效果,可以效地解決材料的強(qiáng)度、韌性及生物相容性問題,是生物材料新品種開發(fā)的有效手段。根據(jù)使用方式不同,研究較多的是合金、碳纖維/ 高分子材料、無機(jī)材料(生物陶瓷、生物活性玻璃)、高分子材料的復(fù)合研究。

7.4 生物材料表面改性是永久性課題

材料表面改性是生物材料研究的永久性課題。如:在選用合成高分子材料制造人造器官時(shí),可以用共聚的方法,把兩種以上的高分子合成在一起,使材料分子中的親水基團(tuán)稀稀落落分布于各處,呈微觀體均勻結(jié)構(gòu)狀態(tài),這樣可以大大提高抗血栓功能。

展望未來,高新技術(shù)的注入將極大地增強(qiáng)醫(yī)用高分子材料產(chǎn)業(yè)的活力。常規(guī)醫(yī)學(xué)材料的應(yīng)用中所面臨的人工關(guān)節(jié)失效的磨損碎屑問題,心血管器件的抗凝血問題,材料的降解機(jī)制問題,評(píng)價(jià)材料和植入體長期安全性、可靠性的可靠方法和模型等問題有望得到改善。但同發(fā)達(dá)國家相比,我國的醫(yī)用高分子相關(guān)產(chǎn)業(yè)的規(guī)模以及研究開發(fā)的水平都還有較大的差距。我國加入WTO 后醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)將面臨重大挑戰(zhàn)和機(jī)遇,所以應(yīng)在國家的大力支持下,跨部門、跨學(xué)科通力合作,通過走自力更生與技術(shù)引進(jìn)相結(jié)合之路,在生物材料、分子設(shè)計(jì)、仿生模擬、智能化藥物控施等方面重點(diǎn)投入。醫(yī)用高分子材料必將為造福人類作出更大貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

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第五篇：生物醫(yī)用材料基礎(chǔ)及展望

生物醫(yī)用材料基礎(chǔ)及展望

姓名

摘要：涉及到生物醫(yī)用材料相關(guān)課程，介紹了生物醫(yī)用材料的定義、分類和主要研究內(nèi)容；概括了生物醫(yī)用材料的應(yīng)用狀況；并對(duì)生物醫(yī)用材料的發(fā)展現(xiàn)狀及前景趨勢進(jìn)行了簡單分析。生物醫(yī)用材料在醫(yī)藥學(xué)方面的應(yīng)用越來越廣，也是未來新材料產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

關(guān)鍵詞：生物醫(yī)用材料；研究內(nèi)容；應(yīng)用；發(fā)展趨勢

The Basis and Prospect of Biomedical Materials

Zhang Xiao ID: 3090705060 Abstract: The biomedical material subject is involved.Introduces the definition, classification and main research contents of biomedical materials.And the application status is summaried, The situations of development and the futural trends of biomedical materials are also analysed briefly.Biomedical materials are widely used in medicine and pharmacology, and will play important roles in the advanced Materials Industries.Key words: biomedical materials;research contents;application;futural trends

0 引言

伴隨著現(xiàn)代社會(huì)的人口老齡化、交通工具大量涌現(xiàn)導(dǎo)致的意外傷害的劇增，發(fā)展用于人體組織和器官再生與修復(fù)的高性能生物醫(yī)用材料顯得尤為迫切。事實(shí)上，人類探索修復(fù)人體器官材料的腳步從未停止過。

生物醫(yī)用材料(Biomedical Materials)，又稱生物材料(Biomaterials)，是和生物系統(tǒng)接合以診斷、治療或替換機(jī)體中的組織、器官或增進(jìn)其功能的材料。許多臨床應(yīng)用的生物醫(yī)用材料原本不是按生物醫(yī)用材料所設(shè)計(jì)，而是以現(xiàn)有材料解決實(shí)際問題。近幾年來，逐漸開始重視生物醫(yī)用材料的設(shè)計(jì)與制備，使其本體特別是表面具有所需的化學(xué)、物理和生物特性，因而擴(kuò)大了應(yīng)用領(lǐng)域。20世紀(jì)80年代后期，工程學(xué)科與醫(yī)學(xué)學(xué)科交叉產(chǎn)生的組織工程興起，將工程科學(xué)原理和方法與生命科學(xué)(醫(yī)學(xué)、生物學(xué))相融合，使生物組織功能再生、維持和改善。組織工程的產(chǎn)生對(duì)相關(guān)生物醫(yī)用材料提出了新的挑戰(zhàn)，除生物功能性和生物相容性外，更要求與組織接觸時(shí)產(chǎn)生所期望的響應(yīng)。[1]

生物醫(yī)用材料在國內(nèi)外醫(yī)學(xué)治療的應(yīng)用越來越廣，這也是未來新材料產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，在醫(yī)用市場上也占有很大的份額，成為未來醫(yī)藥學(xué)領(lǐng)域治療疾病的重要手段。生物醫(yī)用材料簡介

1.1 生物醫(yī)用材料的定義

生物醫(yī)用材料又叫做生物材料，分別來自于Biomedical Materials 和Biomaterials的譯名。目前國際上兩本本學(xué)科最主要的學(xué)術(shù)期刊是英國的《Biomaterials》和美國的《Journal of Biomedical Materials Research》，兩個(gè)期刊所涉及的內(nèi)容是相同的，由此可見Biomedical Materials 和Biomaterials兩詞是指相同的材料。

廣義的說，生物醫(yī)用材料一是指用于生物體內(nèi)的材料，達(dá)到治療康復(fù)的目的，例如隱形眼鏡、人工髖關(guān)節(jié)；二是指來源于生物體，可能用于或不再用于生物體，例如動(dòng)物皮革用于服裝。

狹義上講，生物醫(yī)用材料指的是對(duì)生物系統(tǒng)的疾病進(jìn)行診斷、治療、外科修復(fù)、理療康復(fù)、替換生物體組織或器官(人工器官)，增進(jìn)或恢復(fù)其功能，而對(duì)人體組織不會(huì)產(chǎn)生不良影響的材料。生物醫(yī)用材料本身不是藥物，而是通過與生物機(jī)體直接結(jié)合和相互作用來進(jìn)行治療。概括起來就是生物醫(yī)用材料是一種植入軀體活系統(tǒng)內(nèi)或與活系統(tǒng)相接觸而設(shè)計(jì)的人工材料。[2]

1.2 生物醫(yī)用材料的分類特點(diǎn)

生物材料應(yīng)用廣泛，品種很多，有不同的分類方法。[3](1)根據(jù)物質(zhì)屬性，生物醫(yī)學(xué)材料大致可以分為以下幾種：

①生物醫(yī)學(xué)金屬材料(biomedical metallic materials)醫(yī)用金屬材料是作為生物醫(yī)學(xué)材料的金屬或合金，具有很高的機(jī)械強(qiáng)度和抗疲勞特性，是臨床應(yīng)用最廣泛的承力植入材料，主要有鈷合金、鈦合金和不銹鋼的人工關(guān)節(jié)和人工骨。鎳鈦形狀記憶合金具有形狀記憶的智能特性，能夠用于矯形外科、心血管外科。

②生物醫(yī)學(xué)高分子材料(biomedical polymer)生物醫(yī)學(xué)高分子材料有天然的和合成的兩種，發(fā)展得最快的是合成高分子醫(yī)用材料。通過分子設(shè)計(jì)，可以獲得很多具有良好物理機(jī)械性和生物相容性的生物材料。其中軟性材料常用來作為人體軟組織如血管、食道和指關(guān)節(jié)等的代用品；合成的硬材料可以用來作人工硬腦膜、籠架球形的人工心臟瓣膜的球形閥等；液態(tài)的合成材料如室溫硫化硅橡膠可以用來作注入式組織修補(bǔ)材料。

③生物醫(yī)學(xué)無機(jī)非金屬材料或生物陶瓷(biomedical ceramics)生物陶瓷這類醫(yī)用材料化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有良好的生物相容性。生物陶瓷主要包括兩類：一是惰性生物陶瓷(如氧化鋁、醫(yī)用碳素材料等)。這類材料具有較高的強(qiáng)度，耐磨性能良好，分子中的鍵力較強(qiáng)。二是生物活性陶瓷(如羥基磷灰石和生物活性玻璃等)，這類材料具有能在生理環(huán)境中逐步降解和吸收，或與生物機(jī)體形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵結(jié)合的特性，因而具有極為廣闊的發(fā)展前景。

④生物醫(yī)學(xué)復(fù)合材料(biomedical composites)生物醫(yī)學(xué)復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同材料復(fù)合而成的生物醫(yī)學(xué)材料，主要用于修復(fù)或替換人體組織、器官或增進(jìn)其功能以及人工器官的制造。其中鉆合金和聚乙烯組織的假體常用作關(guān)節(jié)材料；碳-鈦合成材料是臨床應(yīng)用良好的人工股骨頭；高分子材料與生物高分子(如酶、抗源、抗體和激素等)結(jié)合可以作為生物傳感器。

⑤生物醫(yī)學(xué)衍生材料(biomedical derived materials)生物衍生材料是經(jīng)過特殊處理的天然生物組織形成的生物醫(yī)學(xué)材料，經(jīng)過處理的生物衍生材料是無生物活力的材料，但是由于具有類似天然組織的構(gòu)型和功能，在人體組織的修復(fù)和替換中具有重要作用，主要用作皮膚掩膜、血液透析膜、人工心臟瓣膜等。

(2)按材料的醫(yī)用功能分為：

①血液相容性材料；②軟組織相容性材料；③硬組織相容性材料；④生物降解材料；⑤高分子藥物。

此外，可以按照有無生物活性分為生物惰性材料(bioinert)、生物活性材料(bioactive)；按照可否生物降解(biodegradable)來劃分可以分為人工合成材料和天然材料；可以分為單一材料、復(fù)合材料、活體細(xì)胞、天然組織與無生命材料結(jié)合的雜化材料。生物醫(yī)用材料的發(fā)展

早在公元前3500年，古埃及人就使用棉花纖維、馬鬃做成的縫線縫合傷口；墨西哥印第安人利用木片修補(bǔ)受傷的顱骨；在公元前500年的中國和埃及墓葬中發(fā)現(xiàn)假牙、假鼻及假耳等假體；隋末唐初，銀膏補(bǔ)牙所使用的材料與現(xiàn)代牙齒填充材料汞齊合金類似；1936年有機(jī)玻璃出現(xiàn)后，很快被用于制作假牙和補(bǔ)牙，使用至今；上世紀(jì)50年代，有機(jī)硅聚合物被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

20世紀(jì)60-80年代，在對(duì)工業(yè)化的材料進(jìn)行生物相容性研究基礎(chǔ)上，開發(fā)了第一代生物醫(yī)用材料及產(chǎn)品使用于臨床治療，例如體內(nèi)固定用骨釘和骨板、人工關(guān)節(jié)、人工心臟瓣膜、人工血管、人工晶體和人工腎等。上述生物醫(yī)用材料，具有一個(gè)普遍的共性：生物惰性。即生物醫(yī)用材料所遵循的原則是盡量將受體對(duì)植入器械的異物反應(yīng)降到最低。20年時(shí)間，數(shù)以千萬的患者植入了這一類生物醫(yī)用材料，生活水平和健康狀況得到不同程度的改善。至今，第一代生物醫(yī)用材料仍在臨床上廣泛醫(yī)用，世界銷量500多億美元。[4]

20世紀(jì)80-90年代，生物醫(yī)用材料領(lǐng)域的重點(diǎn)由惰性向生物活性轉(zhuǎn)變，開發(fā)了第二代生物醫(yī)用材料及相關(guān)產(chǎn)品。這種材料能夠在生理?xiàng)l件下發(fā)生可控的反映，并作用于人體。與第一代生物醫(yī)用材料相比，無毒無副作用，不存在免疫和干擾免疫系統(tǒng)的問題，耐腐蝕強(qiáng)度高，表面帶有極性，能與細(xì)胞表層的多糖和糖蛋白等通過氫鍵結(jié)合。80年代中期，生物活性材料、生物陶瓷、玻璃—陶瓷及其復(fù)合物等多種生物活性材料廣泛應(yīng)用于整形外科和牙科。[4]

20世紀(jì)90年代后期，能在高分子水平上刺激細(xì)胞產(chǎn)生特殊應(yīng)答反映的具有的新一代生物醫(yī)用材料誕生。作為細(xì)胞外基質(zhì),它們可在分子水平上激活基因、刺激細(xì)胞增殖、誘導(dǎo)其組織分化進(jìn)而構(gòu)筑成新的組織和器官。這類生物醫(yī)用材料將生物活性與降解材料兩個(gè)獨(dú)立的概念結(jié)合起來，在可降解材料上進(jìn)行分子修飾，引起細(xì)胞整合素的相互作用，誘導(dǎo)細(xì)胞增值、分化，以及細(xì)胞外基質(zhì)的合成和組裝，從而啟動(dòng)起動(dòng)集體的再生系統(tǒng)。[4] 生物醫(yī)用材料的應(yīng)用

生物醫(yī)學(xué)材料應(yīng)用廣泛，僅高分子材料，全世界在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用的就有90多個(gè)品種、1800余種制品，西方國家在醫(yī)學(xué)上消耗的高分子材料每年以10%~20%的速度增長。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展尤其是生物技術(shù)的重大突破，生物材料的應(yīng)用將更加廣泛。[5]

(1)高抗凝血材料：這是生物材料最活躍的前沿領(lǐng)域，主要用于人工心臟、人工血管和人工心臟瓣膜等人工器官。目前雖已開發(fā)了抗凝血性較好的材料，但仍然不能滿足臨床要求。

(2)生物活性陶瓷及玻璃：主要用于人工骨、人工關(guān)節(jié)、人工種植牙等。現(xiàn)已開發(fā)出具有較好組織相容性的材料，但對(duì)其生物活性表征及生物活性的可信賴機(jī)理、應(yīng)力傳遞時(shí)彈性模量的不匹配效應(yīng)、生物活性界面鍵合的長期穩(wěn)定性等問題仍需進(jìn)一步解決。

(3)鈦及鈦合金、鈦鎳記憶合金：主要用于骨科修補(bǔ)及矯形外科。

(4)生物活性緩釋材料及靶向藥物載體材料：主要用于局部長時(shí)間釋放藥物、植入型長效治療藥物系統(tǒng)。現(xiàn)已開發(fā)出醫(yī)用的乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚硅氧烷、聚甲基丙烯酸羥乙酯、聚乙烯基吡咯烷酮、聚乙烯醇、瓊脂糖、羧基纖維素、膠原、聚葡糖肽等多種緩釋材料。

(5)生物粘合劑：主要用于替代外科手術(shù)的縫合及活組織的接合。現(xiàn)已開發(fā)出了α氰基丙烯酸酯、明膠/間苯二酚復(fù)合物、血纖維蛋白阮、氧化再生纖維、琥珀酰化直鏈淀粉，并已廣泛應(yīng)用于手術(shù)切口的吻合、腸腔吻合、骨科及齒科硬組織的接合、血管栓塞、止血等。

(6)可生物降解與可吸收性生物材料：主要用作手術(shù)縫線、骨組織的修補(bǔ)、人工血管及藥物緩釋包膜、防組織粘連涂層等，已開發(fā)出的可降解、可吸收和可溶性生物材料有β-磷酸鈣、醫(yī)用聚己內(nèi)酯、聚己醇酸乙二醇酯、聚乙二酸亞烷酯、聚乳酸、聚原酸酯交聯(lián)白蛋白等。

(7)智能與雜化材料。(8)血液凈化材料。

一般而言，臨床醫(yī)學(xué)對(duì)生物醫(yī)學(xué)材料有以下基本的要求：①無毒性，不致癌，不致畸，不引起人體細(xì)胞的突變和組織細(xì)胞的反應(yīng)；②與人體組織相容性好，不引起中毒、溶血凝血、發(fā)熱和過敏等現(xiàn)象；③化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，抗體液、血液及酶的作用；④具有與天然組織相適應(yīng)的物理機(jī)械特性；⑤針對(duì)不同的使用目的具有特定的功能。生物醫(yī)用材料研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

4.1 生物醫(yī)用材料的現(xiàn)狀

目前，世界各國對(duì)生物材料的研究大多處于經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)的階段，材料與活組織之間相互作用機(jī)理還有許多不清楚的地方，一般以現(xiàn)有材料為對(duì)象，凡性質(zhì)基本能滿足使用要求者，則進(jìn)行適當(dāng)純化，包括配方上減少有害助刑，工藝上減少單位殘留量及低聚物，然后加以利用；性能不滿足要求者，進(jìn)行適當(dāng)改性后再加以利用；還有的則把兩種材料的性質(zhì)結(jié)合起來以實(shí)現(xiàn)一定的功能。至今，真正建立在分子設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，依據(jù)生物相容性，按照材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，來設(shè)計(jì)新型生物材料的研究尚不多見。因此，目前應(yīng)用的生物材料，尤其是用于人工器官的材料，只是處于“勉強(qiáng)可用”或“僅可使用”的狀態(tài)，還未滿足應(yīng)用的要求。

近年來，對(duì)生物材料結(jié)構(gòu)與生物相容性之間關(guān)系的研究已受到重視。目前已進(jìn)人了為“生物材料分子設(shè)計(jì)學(xué)”積累數(shù)據(jù)和資料的階段，個(gè)別性能的分子設(shè)計(jì)已被應(yīng)用并取得了較好結(jié)果。各國對(duì)生物材料表面修飾十分重視，目的是改善與機(jī)體直接接觸的材料表面的生物相容性及力學(xué)相容性，采用的方法有粒子加速器、等離子束、濺射涂覆等先進(jìn)技術(shù)，力求使材料表面形成逐步過渡的、與活體要求相適應(yīng)的性能，如高生理惰性、高生物相容性、應(yīng)力響應(yīng)匹配性等，還提出了梯度生物材料的概念。[6]

4.2 生物醫(yī)用材料的發(fā)展方向

生物醫(yī)用材料是生命科學(xué)和材料科學(xué)的交叉學(xué)科，其研究內(nèi)容涉及材料醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、力學(xué)、工程學(xué)等諸多領(lǐng)域。當(dāng)今，生物醫(yī)用材料已從20世紀(jì)的第一代和第二代生物醫(yī)用材料發(fā)展到基于細(xì)胞和分子水平的第三代生物醫(yī)用材料。在現(xiàn)今社會(huì)人口老齡化，這種新的治療方法有可能創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟(jì)效益，并能根據(jù)特定的患者和疾病設(shè)計(jì)出相應(yīng)的基因活化材料。基于患者自身細(xì)胞制造的組織工程醫(yī)療產(chǎn)品也為組織和器官修復(fù)開辟了新的道路。[7]

綜合國內(nèi)外生物醫(yī)用材料的研究現(xiàn)狀，生物醫(yī)用材料的研究將集中在一下幾方面[8]：(1)組織工程材料。組織工程是應(yīng)用生命科學(xué)與工程的原理和方法構(gòu)建一個(gè)生物裝置，來維護(hù)、增進(jìn)人體細(xì)胞和組織的生長，以恢復(fù)受損組織或器官的功能。它的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)受損組織和器官的修復(fù)或再建，延長壽命和提高健康水平。

(2)生物醫(yī)用納米材料。納米技術(shù)和生物醫(yī)用材料相結(jié)合，納米靶向控制釋放體系使藥物在預(yù)定的部位，按設(shè)計(jì)的劑量，在需要的時(shí)間范圍內(nèi)，以一定的速度在體內(nèi)緩慢釋放，不僅能提高藥效，簡化給藥方式，大大降低藥物的毒副作用，而且從而達(dá)到治療某種疾病目的。

(3)復(fù)合生物材料。作為硬組織修復(fù)材料的主體，復(fù)合生物材料受到廣泛重視，它具有強(qiáng)度高、韌性好的特點(diǎn)，目前已廣泛用于臨床。通過具有不同性能材料的復(fù)合，可以達(dá)到“取長補(bǔ)短”的效果，可以有效地解決材料的強(qiáng)度、韌性及生物相容性問題，是生物材料新品種開發(fā)的有效手段。

(4)生物材料表面改性。除了設(shè)計(jì)、制備性能優(yōu)異的新材料外，還可通過對(duì)傳統(tǒng)材料進(jìn)行表面化學(xué)處理、表面物理改性和生物改性提高材料性能。材料表面改性是生物材料研究的永久性課題。結(jié)束語

生物醫(yī)用材料為挽救生命和提高人民健康水平做出了重大貢獻(xiàn)，當(dāng)前正面臨重大突破。中國加入WTO后，生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)將面臨更大的挑戰(zhàn)和更多的機(jī)遇，生物材料科學(xué)工作者任重而道遠(yuǎn)。我們相信，在國家的大力支持下，跨部門、跨學(xué)科通力合作，通過走自力更生與技術(shù)引進(jìn)相結(jié)合的發(fā)展之路，在生物材料組織工程化、分子設(shè)計(jì)、仿生模擬、智能化藥物控釋等方面重點(diǎn)投人，生物醫(yī)用材料必將為全面提高人們的生活水平，造福人類做出更大的貢獻(xiàn)。

【參考文獻(xiàn)】

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