生物医用材料基础及展望_生物医学工程发展展望
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生物医用材料基础及展望
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摘要：涉及到生物医用材料相关课程，介绍了生物医用材料的定义、分类和主要研究内容；概括了生物医用材料的应用状况；并对生物医用材料的发展现状及前景趋势进行了简单分析。生物医用材料在医药学方面的应用越来越广，也是未来新材料产业的重要组成部分，发展潜力巨大。
关键词：生物医用材料；研究内容；应用；发展趋势
The Basis and Prospect of Biomedical Materials
Zhang Xiao ID: 3090705060 Abstract: The biomedical material subject is involved.Introduces the definition, claification 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
伴随着现代社会的人口老龄化、交通工具大量涌现导致的意外伤害的剧增，发展用于人体组织和器官再生与修复的高性能生物医用材料显得尤为迫切。事实上，人类探索修复人体器官材料的脚步从未停止过。
生物医用材料(Biomedical Materials)，又称生物材料(Biomaterials)，是和生物系统接合以诊断、治疗或替换机体中的组织、器官或增进其功能的材料。许多临床应用的生物医用材料原本不是按生物医用材料所设计，而是以现有材料解决实际问题。近几年来，逐渐开始重视生物医用材料的设计与制备，使其本体特别是表面具有所需的化学、物理和生物特性，因而扩大了应用领域。20世纪80年代后期，工程学科与医学学科交叉产生的组织工程兴起，将工程科学原理和方法与生命科学(医学、生物学)相融合，使生物组织功能再生、维持和改善。组织工程的产生对相关生物医用材料提出了新的挑战，除生物功能性和生物相容性外，更要求与组织接触时产生所期望的响应。[1]
生物医用材料在国内外医学治疗的应用越来越广，这也是未来新材料产业的重要组成部分，在医用市场上也占有很大的份额，成为未来医药学领域治疗疾病的重要手段。生物医用材料简介
1.1 生物医用材料的定义
生物医用材料又叫做生物材料，分别来自于Biomedical Materials 和Biomaterials的译名。目前国际上两本本学科最主要的学术期刊是英国的《Biomaterials》和美国的《Journal of Biomedical Materials Research》，两个期刊所涉及的内容是相同的，由此可见Biomedical Materials 和Biomaterials两词是指相同的材料。
广义的说，生物医用材料一是指用于生物体内的材料，达到治疗康复的目的，例如隐形眼镜、人工髋关节；二是指来源于生物体，可能用于或不再用于生物体，例如动物皮革用于服装。
狭义上讲，生物医用材料指的是对生物系统的疾病进行诊断、治疗、外科修复、理疗康复、替换生物体组织或器官(人工器官)，增进或恢复其功能，而对人体组织不会产生不良影响的材料。生物医用材料本身不是药物，而是通过与生物机体直接结合和相互作用来进行治疗。概括起来就是生物医用材料是一种植入躯体活系统内或与活系统相接触而设计的人工材料。[2]
1.2 生物医用材料的分类特点
生物材料应用广泛，品种很多，有不同的分类方法。[3](1)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(biomedical metallic materials)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、钛合金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(biomedical polymer)生物医学高分子材料有天然的和合成的两种，发展得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。其中软性材料常用来作为人体软组织如血管、食道和指关节等的代用品；合成的硬材料可以用来作人工硬脑膜、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来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(biomedical ceramics)生物陶瓷这类医用材料化学性质稳定，具有良好的生物相容性。生物陶瓷主要包括两类：一是惰性生物陶瓷(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，分子中的键力较强。二是生物活性陶瓷(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(biomedical composites)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。其中钻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(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，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。
(2)按材料的医用功能分为：
①血液相容性材料；②软组织相容性材料；③硬组织相容性材料；④生物降解材料；⑤高分子药物。
此外，可以按照有无生物活性分为生物惰性材料(bioinert)、生物活性材料(bioactive)；按照可否生物降解(biodegradable)来划分可以分为人工合成材料和天然材料；可以分为单一材料、复合材料、活体细胞、天然组织与无生命材料结合的杂化材料。生物医用材料的发展
早在公元前3500年，古埃及人就使用棉花纤维、马鬃做成的缝线缝合伤口；墨西哥印第安人利用木片修补受伤的颅骨；在公元前500年的中国和埃及墓葬中发现假牙、假鼻及假耳等假体；隋末唐初，银膏补牙所使用的材料与现代牙齿填充材料汞齐合金类似；1936年有机玻璃出现后，很快被用于制作假牙和补牙，使用至今；上世纪50年代，有机硅聚合物被广泛应用于医学领域。
20世纪60-80年代，在对工业化的材料进行生物相容性研究基础上，开发了第一代生物医用材料及产品使用于临床治疗，例如体内固定用骨钉和骨板、人工关节、人工心脏瓣膜、人工血管、人工晶体和人工肾等。上述生物医用材料，具有一个普遍的共性：生物惰性。即生物医用材料所遵循的原则是尽量将受体对植入器械的异物反应降到最低。20年时间，数以千万的患者植入了这一类生物医用材料，生活水平和健康状况得到不同程度的改善。至今，第一代生物医用材料仍在临床上广泛医用，世界销量500多亿美元。[4]
20世纪80-90年代，生物医用材料领域的重点由惰性向生物活性转变，开发了第二代生物医用材料及相关产品。这种材料能够在生理条件下发生可控的反映，并作用于人体。与第一代生物医用材料相比，无毒无副作用，不存在免疫和干扰免疫系统的问题，耐腐蚀强度高，表面带有极性，能与细胞表层的多糖和糖蛋白等通过氢键结合。80年代中期，生物活性材料、生物陶瓷、玻璃—陶瓷及其复合物等多种生物活性材料广泛应用于整形外科和牙科。[4]
20世纪90年代后期，能在高分子水平上刺激细胞产生特殊应答反映的具有的新一代生物医用材料诞生。作为细胞外基质,它们可在分子水平上激活基因、刺激细胞增殖、诱导其组织分化进而构筑成新的组织和器官。这类生物医用材料将生物活性与降解材料两个独立的概念结合起来，在可降解材料上进行分子修饰，引起细胞整合素的相互作用，诱导细胞增值、分化，以及细胞外基质的合成和组装，从而启动起动集体的再生系统。[4]生物医用材料的应用
生物医学材料应用广泛，仅高分子材料，全世界在医学上应用的就有90多个品种、1800余种制品，西方国家在医学上消耗的高分子材料每年以10%~20%的速度增长。随着现代科学技术的发展尤其是生物技术的重大突破，生物材料的应用将更加广泛。[5]
(1)高抗凝血材料：这是生物材料最活跃的前沿领域，主要用于人工心脏、人工血管和人工心脏瓣膜等人工器官。目前虽已开发了抗凝血性较好的材料，但仍然不能满足临床要求。
(2)生物活性陶瓷及玻璃：主要用于人工骨、人工关节、人工种植牙等。现已开发出具有较好组织相容性的材料，但对其生物活性表征及生物活性的可信赖机理、应力传递时弹性模量的不匹配效应、生物活性界面键合的长期稳定性等问题仍需进一步解决。
(3)钛及钛合金、钛镍记忆合金：主要用于骨科修补及矫形外科。
(4)生物活性缓释材料及靶向药物载体材料：主要用于局部长时间释放药物、植入型长效治疗药物系统。现已开发出医用的乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚硅氧烷、聚甲基丙烯酸羟乙酯、聚乙烯基吡咯烷酮、聚乙烯醇、琼脂糖、羧基纤维素、胶原、聚葡糖肽等多种缓释材料。
(5)生物粘合剂：主要用于替代外科手术的缝合及活组织的接合。现已开发出了α氰基丙烯酸酯、明胶/间苯二酚复合物、血纤维蛋白阮、氧化再生纤维、琥珀酰化直链淀粉，并已广泛应用于手术切口的吻合、肠腔吻合、骨科及齿科硬组织的接合、血管栓塞、止血等。
(6)可生物降解与可吸收性生物材料：主要用作手术缝线、骨组织的修补、人工血管及药物缓释包膜、防组织粘连涂层等，已开发出的可降解、可吸收和可溶性生物材料有β-磷酸钙、医用聚己内酯、聚己醇酸乙二醇酯、聚乙二酸亚烷酯、聚乳酸、聚原酸酯交联白蛋白等。
(7)智能与杂化材料。(8)血液净化材料。
一般而言，临床医学对生物医学材料有以下基本的要求：①无毒性，不致癌，不致畸，不引起人体细胞的突变和组织细胞的反应；②与人体组织相容性好，不引起中毒、溶血凝血、发热和过敏等现象；③化学性质稳定，抗体液、血液及酶的作用；④具有与天然组织相适应的物理机械特性；⑤针对不同的使用目的具有特定的功能。生物医用材料研究现状和发展趋势
4.1 生物医用材料的现状
目前，世界各国对生物材料的研究大多处于经验和半经验的阶段，材料与活组织之间相互作用机理还有许多不清楚的地方，一般以现有材料为对象，凡性质基本能满足使用要求者，则进行适当纯化，包括配方上减少有害助刑，工艺上减少单位残留量及低聚物，然后加以利用；性能不满足要求者，进行适当改性后再加以利用；还有的则把两种材料的性质结合起来以实现一定的功能。至今，真正建立在分子设计基础上，依据生物相容性，按照材料结构与性能的关系，来设计新型生物材料的研究尚不多见。因此，目前应用的生物材料，尤其是用于人工器官的材料，只是处于“勉强可用”或“仅可使用”的状态，还未满足应用的要求。
近年来，对生物材料结构与生物相容性之间关系的研究已受到重视。目前已进人了为“生物材料分子设计学”积累数据和资料的阶段，个别性能的分子设计已被应用并取得了较好结果。各国对生物材料表面修饰十分重视，目的是改善与机体直接接触的材料表面的生物相容性及力学相容性，采用的方法有粒子加速器、等离子束、溅射涂覆等先进技术，力求使材料表面形成逐步过渡的、与活体要求相适应的性能，如高生理惰性、高生物相容性、应力响应匹配性等，还提出了梯度生物材料的概念。[6]
4.2 生物医用材料的发展方向
生物医用材料是生命科学和材料科学的交叉学科，其研究内容涉及材料医学、生物学、力学、工程学等诸多领域。当今，生物医用材料已从20世纪的第一代和第二代生物医用材料发展到基于细胞和分子水平的第三代生物医用材料。在现今社会人口老龄化，这种新的治疗方法有可能创造出巨大的经济效益，并能根据特定的患者和疾病设计出相应的基因活化材料。基于患者自身细胞制造的组织工程医疗产品也为组织和器官修复开辟了新的道路。[7]
综合国内外生物医用材料的研究现状，生物医用材料的研究将集中在一下几方面[8]：(1)组织工程材料。组织工程是应用生命科学与工程的原理和方法构建一个生物装置，来维护、增进人体细胞和组织的生长，以恢复受损组织或器官的功能。它的主要任务是实现受损组织和器官的修复或再建，延长寿命和提高健康水平。
(2)生物医用纳米材料。纳米技术和生物医用材料相结合，纳米靶向控制释放体系使药物在预定的部位，按设计的剂量，在需要的时间范围内，以一定的速度在体内缓慢释放，不仅能提高药效，简化给药方式，大大降低药物的毒副作用，而且从而达到治疗某种疾病目的。
(3)复合生物材料。作为硬组织修复材料的主体，复合生物材料受到广泛重视，它具有强度高、韧性好的特点，目前已广泛用于临床。通过具有不同性能材料的复合，可以达到“取长补短”的效果，可以有效地解决材料的强度、韧性及生物相容性问题，是生物材料新品种开发的有效手段。
(4)生物材料表面改性。除了设计、制备性能优异的新材料外，还可通过对传统材料进行表面化学处理、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课题。结束语
生物医用材料为挽救生命和提高人民健康水平做出了重大贡献，当前正面临重大突破。中国加入WTO后，生物医用材料产业将面临更大的挑战和更多的机遇，生物材料科学工作者任重而道远。我们相信，在国家的大力支持下，跨部门、跨学科通力合作，通过走自力更生与技术引进相结合的发展之路，在生物材料组织工程化、分子设计、仿生模拟、智能化药物控释等方面重点投人，生物医用材料必将为全面提高人们的生活水平，造福人类做出更大的贡献。
【参考文献】
[1] 尹玉姬，李方，叶芬，姚康德.生物医用材料[J].化工进展，2001，1(2)：4-7.[2] 秦永健.生物医用材料的现状与展望[J].现代科技，2002，24(2)，33-34.[3] 俞耀庭.生物医用材料[M].天津：天津大学出版社，2000-12 [4] Hench LL, polakJM.Third-generation biomedical materials.Science, 2002, 295(5557): 1014-1017.[5] 付岩.生物医用材料的现状和发展前景[D].辽宁：辽宁工程技术大学材料学院材料，2009 [6] 奚廷斐.生物医用材料现状和发展趋势[J].中国医疗器械信息，2006，12(5)：1-4 [7] 张兴栋，顾中伟.蓬勃发展的生物医学材科学与工程[M].中国材料研究学会15周年纪念册，2006，84-90．
[8] 顾中伟.生物医用材料：现状与发展趋势[D].四川成都：国家生物医学材料工程技术研究中心(四川大学)，2006
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