生物医用复合材料发展现状及趋势

生物医用复合材料发展现状及趋势王俊(中国科学院国家科学图书馆总馆北京100080)摘要：本文通过简要总结生物医用复合材料的分类及所经历的三个发展阶段，并结合当前该领域的研究动态分析了生物医用复合材料的发展趋势与应用前景；同时总结了我国的发展现状及存在的一些问题及可供参考的一些建议。关键词：生物医用复合材料组织工程纳米复合材料材料表面改性1前言生物医用复合材料(biomedicalcompositematerials)是由两种或两种以上的不同材料复合而成的生物医用材料，又称为生物材料(biomedicalmaterials)，是指以医疗为目的，用于诊断、治疗、修复或替换人体组织器官或增进其功能的材料[1]。生物医用材料是研究人工器官和医疗器械的基础，目前已成为材料科学的重要分支，尤其是随着生物技术的莲勃发展和重大突破，生物材料已成为各国科学家进行研究和开发的热点。当今，随着材料科学、生命科学和临床医学的不断发展，其研究内容涉及材料医学、生物学、力学、工程学等诸多学科。不同学科的科学家通过广泛的科研合作，使制造具有完全生物功能的人工器官展示出美好的前景。人体组织和器官的修复，将从简单的利用器械固定发展到再生和重建有生命的人体组织和器宫；从短寿命的组织和器官的修复发展至永久性的修复和替换。这一医学革命(特别是外科学)，对生命科学和材料科学等相关学科的发展提出了诸多需求，对生物医学材料的发展产生了重要的促进作用。2生物医用复合材料分类生物医用材料由高分子、金属、陶瓷、天然材料、复合材料等材料组成，具有不同的分类方法。[2]生物医用材料按材料组成和性质分为，合成高分子材料(聚氨醋、聚醋、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2子材料(如胶原、丝蛋白、纤维素、壳聚糖等)、金属与合金材料(如钛金属及其合金等)、无机材料(生物活性陶瓷，羟基磷灰石等)、复合材料(碳纤维/聚合物、玻璃纤维/聚合物等）。金属、陶瓷、高分子及其复合材料是应用最广的生物医用材料。按应用生物医用材料又可分为可降解与吸收材料、组织工程材料与人工器官、控制释放材料、仿生智能材料等。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；这些材料通过长期植入、短期植入、表面修复分别用于硬组织和软组织修复与替换。由于直接用于人体或与人体健康密切相关，因此对生物医用材料的使用有严格要求。首先，生物医用材料应具有良好的血液相容性和组织相容性。其次，要求耐生物老化，即对长期植入的材料，其生物稳定性要好；对于暂时植入的材料，要求在确定时间内降解为可被人体吸收或代谢的无毒单体或片断；同时，还要求具有稳定的物理学及力学性质、易于加工成型、价格适当。此外，还必须考虑易于消毒灭菌、无毒、不致癌、不致畸。对于不同用途的材料，其要求各有侧重。目前临床上应用的生物医用材料主要有：生物医用金属材料、生物医用高分子材料、生物医用无机非金属材料、生物医用复合材料和生物衍生材料等。3生物医用复合材料的几个发展阶段生物医用材料的研究和临床应用主要经历了三个发展阶段。第一代生物医用材料，是生物相容和生物惰性材料，其特点是它们在人体内相对稳定，不易分解或生物降解；同时材料本身具有良好的生物相容性和理想的免疫反应性，而且其力学强度和物理性能适宜，能与人体环境很好地相匹配，保证植入材料与生物组织的形变相协调[3]。第二代生物医用材料，是具有生物活性的硬组织植入或生物降解性医用材料，它们分别在牙齿修补和整形外科、手术外科和骨科等方面具有大量临床应用。特别是生物降解性医用材料在可作为目前常用的各种可吸收性医用缝合线，包括Vicryl(乙交酯和丙交酯的共聚物)、Maxon(乙交酯和三亚甲基碳酸酪的共聚物)和PDS(聚二氧杂环己烷酮)等，均能很好地满足不同外科手术的临床需要。第三代生物医用材料，是同时具有生物活性和生物降解性的新一代生物医用材料。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[4,5]。目前，第三代生物医用材料已成为国3际上材料前沿领域一个十分活跃的研究方向，在组织工程中已开始有广泛的临床应用[6,7]。4生物医用复合材料的研究动态目前生物医用材料主要有以下研究和发展方向。4.1生物材料的生理活化研究生物材料的生理活化研究生物材料的生理活化研究生物材料的生理活化研究材料生理活化研究是生物医用复合材料发展的一个重要方向，它利用现代生物工程技术，将生物活性组元引入生物材料，加速材料与机体组织的结合，并参与正常的生命活动，最终成为机体的一部分[8]。通过使用天然高分子材料与材料表面固定有生理功能的物质，如多肽、酶和细胞生长因子等，这些物质充当邻近细胞、基质的配基或受体，使材料表面形成一个能与生物活体相适应的过渡层。4.2研究新的降解研究新的降解研究新的降解研究新的降解材料材料材料材料组织工程领域研究中，通常应用生物相容性的可降解聚合物去诱导周围组织的生长或作为植入细胞的粘附、生长、分化的临时支架。其中组织工程材料除了具备一定的机械性能外，还需具有生物相容性和可降解性。4.3研究具有全面生理功能的人工器官和组织材料研究具有全面生理功能的人工器官和组织材料研究具有全面生理功能的人工器官和组织材料研究具有全面生理功能的人工器官和组织材料利用细胞学和分子生物学方法将蛋白质、细胞生长因子、酶及多肽等固定在现有材料的表面，通过表面修饰构建新一代的分子生物材料，来引发所需的特异生物反应，抑制非特异性反应，从而提高生物医用材料的生物功能化和生物智能化。4.4研究新型的药物载体材料研究新型的药物载体材料研究新型的药物载体材料研究新型的药物载体材料20世纪90年代以来，随着药物剂型和制剂研究进入药物释放系统(DDS)时代，新型药物释放系统已成为药学领域的重要发展方向，由此，对新型药物载体材料的研究也就愈加重要。如目前使用较为广泛的聚乙二醇(PEG)，它作为载体材料可以与蛋白质和多肽类药物形成结合物，从而被看作是一种新型的载药系统。4.5生物材料表面改性研究生物材料表面改性研究生物材料表面改性研究生物材料表面改性研究植入人体的材料应具有与活体组织形成键合的特性，即“生物活性”。生物活性可分为两个层次，一是生物惰性材料的“生物活化改性”；另一是“生物活性材料”。对植入材料与生物体相互作用机制的大量研究表明，通过物理、化学、生物等各种手段改善材料表面性质，可大幅度改善材料与生物体之间的相容性。4材料表面改性在优化现有材料方面是一个重要的方向。4.6开发新型医用合金材料开发新型医用合金材料开发新型医用合金材料开发新型医用合金材料生物适应性优良的Zr、Nb、Ta、Pd、Sn合金化元素被用于取代钛合金中有毒性的Al、V等，如Ti-15Zr-4Nb-2Ta和Ti-12Mo-6Zr-2Fe等合金的生物亲和性显著提高，耐蚀及机械性能也有较大改善，Ti-Ni和Cu、Zn、Al等形状记忆合金由于具有形状记忆和超弹性双重功能，因而在脊椎校正、断骨固定等方面有特殊的应用。4.7作为研究热点的纳米生物材料作为研究热点的纳米生物材料作为研究热点的纳米生物材料作为研究热点的纳米生物材料随着纳米技术和材料科学、生命科学的不断交叉，纳米生物医用材料是新型医用植入材料和介入医用材料、组织工程和再生医学材料、新型药物和基因控释载体及高效生物诊断材料领域的重要研究方向，并均取得了较大进展[9]。4.8研究增强生物医用材料治疗特性的新方法研究增强生物医用材料治疗特性的新方法研究增强生物医用材料治疗特性的新方法研究增强生物医用材料治疗特性的新方法研究表明，肿瘤部位的神经和血管都不发达，通过温热疗法可以选择性杀死癌细胞。通常采用铁磁材料植入肿瘤部位，在交变磁场作用下通过磁滞加热使癌细胞死亡。由于铁磁材料不具备生物活性，加热后要用外科手术的方法去除，给患者带来不便。而铁磁微晶玻璃（Fe2O3-CaO-SiO2）可以将磁滞与良好的生物相容性结合，即使长期留在人体内也无不良影响。4.9研制具有多种特殊功能的生物材料研制具有多种特殊功能的生物材料研制具有多种特殊功能的生物材料研制具有多种特殊功能的生物材料研制特殊功能生物医用材料是很重要的研究方向，诸如，膜式人工肺中使用的透氧气和二氧化碳的材料；用于植入体内的降解缓蚀性材料和经过皮肤吸收的液晶缓蚀膜材料；用于口腔医学临床的金属和陶瓷与用碳纤维增强的复合材料等等。4.10组织工程材料研究组织工程材料研究组织工程材料研究组织工程材料研究最近几年，随着组织工程对材料要求的不断提高，生物医用材料的研究也发生了很大变化：从材料的化学、物理与力学性能、加工性能等进行构思，同时从植入材料的细胞水平和分子水平考虑进行材料设计[10]。5生物医用复合材料的研究趋势与展望随着生物技术、医药技术、信息技术、制造技术、纳米技术和材料科学技术的迅猛发展与交互融合，新型和新概念生物医用材料层出不穷。药物控制释放材料、组织工程材料、纳米生物材料、生物活性材料、介入诊断和治疗材料、可降解和吸收生物材料、新型人造器官、人造血液等代表了新的发展趋势和方向。55.1组织工程材料与纳米复合生物医用材料的研究组织工程材料与纳米复合生物医用材料的研究组织工程材料与纳米复合生物医用材料的研究组织工程材料与纳米复合生物医用材料的研究在自然界，某些细菌细胞膜可以不同程度地矿化，细胞膜外S层含有规律排列的蛋白质分子，从而作为模板诱导矿化微结构纳米材料合成。模仿上述过程，制成的含纳米纤维的生物可降解材料已经开始应用于组织工程研究，并显示出良好的应用前景。生物医用材料领域中，细胞与材料间的相互作用是研究的主要课题。材料表面的微观结构对细胞的生物调控作用更为重要。纳米材料因具有一些独特的效应，如体积效应和表面效应，有利于细胞黏附、增殖和功能表达，因而作为生物医用材料特别是组织工程支架材料具有良好的应用前景。目前用于生物医用研究的纳米材料主要有无机纳米材料、高分子纳米材料以及复合纳米材料等，研究热点主要是药物控释材料及基因治疗载体材料。纳米复合材料可以模拟出与人体组织相似的细胞基质微环境，因而是生物材料尤其是组织工程支架研究中应用最为广泛的材料。5.2材料表面改性的研究材料表面改性的研究材料表面改性的研究材料表面改性的研究生物相容性包括血液相容性和组织相容性，是生物材料应用的基本要求。除了设计、制备性能优异的新材料外，通过对传统材料进行表面化学处理(表面接枝大分子或基团)、表面物理改性(等离子体、离子注入或离子束)和生物改性是有效途径。材料表面改性的新方法和新技术将是未来生物材料研究领域的一项长期性课题。6我国生物医用材料的发展及存在问题6.1我国的发展现状我国的发展现状我国的发展现状我国的发展现状生物医用材料是我国“十一五”期间新材料领域重点发展的方向之一。近年来，在国家科技政策和计划，包括国家“973”计划、“863”计划、国家攻关、国家自然科学基金、国家计委等在内的大力资助下，我国生物医用材料已取得了长足进步,在组织工程支架材料、药物缓释材料、纳米材料、血液相容与净化材料、非病毒性基因治疗载体等领域已缩小了与国际先进水平的差距，已取得了一批具有自主知识产权的技术项目。我国组织工程材料以骨材料研究为主，形成了以四川、上海、武汉、北京等多家单位为代表的格局。随着安泰科技股份、法尔胜等一些上市公司的介入及留学归国人员的创业活动，我国介入诊疗材料与器械产业化取得了较大进展。国内年产值达到25-30亿人民币，国内市场占有率也有了较大提升，其中非血管和心血管介入治疗产品国内市场分别达到70%和50%6以上。受高新技术产业的带动，对生物医用材料的需求量以每年约20%的速度递增[12,13]。6.2存在的问题与建议存在的问题与建议存在的问题与建议存在的问题与建议我国生物医用材料产业目前也存在着很多问题，如产业基础薄弱，生物医用材料及器械产品单一，技术落后，科研与产业脱节，目前需求的很大份量依靠国外进口。诸如，植入体内的技术含量