納米生物醫(yī)用材料的進(jìn)展研究

1、生物醫(yī)用材料的研究進(jìn)展生物醫(yī)用材料是用來對于生物體進(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，它是研究人工器官和醫(yī)療器械的基礎(chǔ)，己成為材料學(xué)科的重要分支，尤其是隨著生物技術(shù)的蓮勃發(fā)展和重大突破，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)。 研究動態(tài)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。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，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1. 提高生物醫(yī)用材料的組織相容性途徑不外乎有兩種，一是使用天然高分子材料

2、，例如利用基因工程技術(shù)將產(chǎn)生蛛絲的基因?qū)虢湍讣?xì)菌并使其表達(dá)；二是在材料表面固定有生理功能的物質(zhì)，如多肽、酶和細(xì)胞生長因子等，這些物質(zhì)充當(dāng)鄰近細(xì)胞、基質(zhì)的配基或受體 ,使材料表面形成一個(gè)能與生物活體相適應(yīng)的過渡層。2. 生物醫(yī)用材料的可降解化組織工程領(lǐng)域研究中 ,通常應(yīng)用生物相容性的可降解聚合物去誘導(dǎo)周圍組織的生長或作為植入細(xì)胞的粘附、生長、分化的臨時(shí)支架。其中組織工程材料除了具備一定的機(jī)械性能外，還需具有生物相容性和可降解性。英國科學(xué)家發(fā)明了一種可降解淀粉基聚合物支架。以玉米淀粉為基本材料， 分別加入乙烯基乙烯醇和醋酸纖維素 ,再分別對應(yīng)加入不同比例的發(fā)泡劑 (主要為羧酸 )，注塑成型后就可

3、以獲得支撐組織再生的可降解支架。3. 生物醫(yī)用材料的生物功能化和生物智能化利用細(xì)胞學(xué)和分子生物學(xué)方法將蛋白質(zhì)、細(xì)胞生長因子、酶及多肽等固定在現(xiàn)有材料的表面 ,通過表面修飾構(gòu)建新一代的分子生物材料 ,來引發(fā)我們所需的特異生物反應(yīng) ,抑制非特異性反應(yīng)。例如將一種名叫玻璃粘連蛋白 ()的物質(zhì)固定到鈦表面，發(fā)現(xiàn)固定的骨結(jié)合界面上有相對多的蛋白存在。4開發(fā)新型醫(yī)用合金材料生物適應(yīng)性優(yōu)良的Zr、Nb、Ta、Pd、Sn合金化元素被用于取代鈦合金中有毒性的Al、V等，如Ti -15Zr - 4Nb - 2Ta和Ti - 12Mo - 6Zr - 2Fe等合金的生物親和性顯著提高，,耐蝕及機(jī)械性能也有較大改善，

4、Ti-Ni和Cu、Zn、Al等形狀記憶合金由于具有形狀記憶和超彈性雙重功能，在脊椎校正、斷骨固定等方面有特殊的應(yīng)用。5作為研究熱點(diǎn)的納米生物材料目前取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展的是納米控釋技術(shù)和納米顆粒基因轉(zhuǎn)移技術(shù)。這種技術(shù)是以納米顆粒作為藥物和基因轉(zhuǎn)移載體，將藥物、DNA和RNA等基因治療分子包裹在納米顆粒之中或吸附在其表面，同時(shí)也在顆粒表面耦聯(lián)特異性的靶向分子，如特異性配體、單克隆抗體等，通過靶向分子與細(xì)胞表面特異性受體結(jié)合，在細(xì)胞攝取作用下進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，實(shí)現(xiàn)安全有效的靶向性藥物和基因治療。6增強(qiáng)生物醫(yī)用材料的治療特性研究表明，腫瘤部位的神經(jīng)和血管都不發(fā)達(dá)，通過溫?zé)岑煼梢赃x擇性殺死癌細(xì)胞。通常采用鐵磁材

5、料植入腫瘤部位，在交變磁場作用下通過磁滯加熱使癌細(xì)胞死亡。由于鐵磁材料不具備生物活性，加熱后要用外科手術(shù)的方法去除，給患者帶來不便。而鐵磁微晶玻璃（Fe2O3 - CaO -SiO2）可以將磁滯與良好的生物相容性結(jié)合，即使長期留在人體內(nèi)也無不良影響。7研制具有多種特殊功能的生物材料如：膜式人工肺中使用的透氧氣和二氧化碳的材料；用于植入體內(nèi)降解緩蝕性材料和經(jīng)過皮膚吸收的液晶緩蝕膜材料；用于口腔醫(yī)學(xué)臨床的金屬和陶瓷與用碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料。 研究熱點(diǎn)1. 生物材料表面改性:改進(jìn)和發(fā)展生物醫(yī)用材料的血液相容性和組織相容性以及生物材料分子相容性評價(jià)新方法研究。今后對材料生物相容性的研究主要集中在以下3

6、個(gè)方面：生物醫(yī)用材料對組織、器官的全面生理影響；降解材料在體內(nèi)的代謝過程；生物醫(yī)用材料對細(xì)胞、組織、器官間的信息傳遞、基因調(diào)控的影響。新的生物相容性內(nèi)容的研究對材料的生物學(xué)評價(jià)提出新的要求，除了目前的ISO10993標(biāo)準(zhǔn)外，新的評價(jià)方法將從以下幾個(gè)方面展開：生物醫(yī)用材料對人體免疫系統(tǒng)的影響；生物醫(yī)用材料對各種細(xì)胞因子的影響；生物醫(yī)用材料對細(xì)胞生長、調(diào)亡的影響；降解控釋材料對人體代謝過程的影響；智能材料對人體信息傳遞和功能調(diào)控的影響；藥物控釋材料、凈化功能材料、組織工程材料的生物相容性評價(jià)。2. 組織工程材料：研究具有全面生理功能的人工器官、組織支架材料、研究新的降解材料。3. 復(fù)合生物材料，有

7、效解決材料的強(qiáng)度、韌性及生物相容性問題，目前研究較多的是：合金、碳纖維/高分子材料、無機(jī)材料4. 血液凈化材料，利用濾膜、吸附劑等生物材料，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。是治療尿毒癥、各種藥物中毒、免疫性疾病、高脂血癥等各種疑難病癥的有效手段。血液凈化材料的研究和臨床應(yīng)用在日本和歐洲已成為生物材料發(fā)展的熱點(diǎn)。我國在這一研究領(lǐng)域具有一定的實(shí)力，研究水平居于世界前列，但臨床應(yīng)用不夠，應(yīng)予以加強(qiáng)。5. 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

8、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。納米材料作為基因治療的理想載體，具有承載容量大，安全性能高的特點(diǎn)。近來新合成的樹枝狀高分子材料作為基因?qū)氲妮d體值得關(guān)注。6. 口腔材料。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。7. 生物體植入集成電路，包括生物功能修復(fù)集成電路的設(shè)計(jì)與制造；生物功能修復(fù)IC封裝材料及其生物相容性研究；生物電傳感材料及其生物相容性研究。8. 我國生物醫(yī)用材料

9、的研究熱點(diǎn)。國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“生物醫(yī)用材料基本科學(xué)問題的研究”選定以下領(lǐng)域作為研究熱點(diǎn)：具有誘導(dǎo)組織再生的骨、軟骨及肌腱等基底和框架材料的設(shè)計(jì)原理和組織誘導(dǎo)機(jī)制；賦予材料抗凝血性和生物活性的表面設(shè)計(jì)和改性原理；具有特異性識別細(xì)胞和血液中致病毒物分子的材料的分子識別規(guī)律和機(jī)制；能識別特定（病變）組織、器官及細(xì)胞受體的靶向型生物活性物質(zhì)控釋體系的材料設(shè)計(jì)原理和控釋機(jī)制；以及材料的制備方法學(xué)和質(zhì)量控制體系的科學(xué)基礎(chǔ)。 我國生物醫(yī)用材料研究的對策我國生物醫(yī)用材料的研究雖然取得一些令人矚目的成果，但整體水平不高，跟蹤研究多，源頭創(chuàng)新少。在產(chǎn)業(yè)化方面，生物醫(yī)用材料及其制品占世界市場的份額不足2，主要依

10、靠進(jìn)口，產(chǎn)品技術(shù)結(jié)構(gòu)和水平基本上處于初級階段。結(jié)合我國國情和學(xué)科發(fā)展趨勢，中國 生物材料聯(lián)合會副主席、南開大學(xué)教授俞耀庭先生提出，我國應(yīng)該在以下五個(gè)方面開展重點(diǎn)研究：一是生物結(jié)構(gòu)和生物功能的設(shè)計(jì)和構(gòu)建原理研究，二是表面界面過程-材料與機(jī)體之間的相互作用機(jī)制研究，三是生物導(dǎo)向性及生物活性物質(zhì)的控釋機(jī)理研究, 四是生物降解吸收的調(diào)控機(jī)制研究, 五是材料的制備方法學(xué)和質(zhì)量控制體系研究。通過上述研究的開展，將使我國生物材料的研究水平有較大提高，為我國生物醫(yī)用材料科學(xué)及其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。生物醫(yī)用材料研究新進(jìn)展一、引 言 生物醫(yī)用材料(biomedical material)，是用于對生物體進(jìn)行

11、診斷、治療、修復(fù)或替換生物體病損組織或器官，或增進(jìn)生物體功能的新型功能材料，它是研究人工器官和醫(yī)療器械的基礎(chǔ)。生物醫(yī)用材料科學(xué)是生物技術(shù)、材料科學(xué)等交匯形成的前沿交叉學(xué)科，已成為人體健康領(lǐng)域的重要組成部分，也是材料學(xué)科的重要分支。隨著人類生活環(huán)境的改善和生活水平的提高，對生物醫(yī)用材料的需求日益擴(kuò)大，目前世界生物醫(yī)用材料市場以每年大于20的速度增長。中國的增長速度為28，居世界首位。生物醫(yī)用材料和制品產(chǎn)業(yè)已呈現(xiàn)與信息產(chǎn)業(yè)、汽車產(chǎn)業(yè)相抗衡的態(tài)勢，逐步發(fā)展成為本世紀(jì)世界經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一。 目前生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)仍以常規(guī)材料居主導(dǎo)地位。2000年全球醫(yī)療器械市場已達(dá)1650億美元，其中生物醫(yī)用材料及制

12、品約占50。硬組織材料是生物材料的重要組成部分，目前大約占整個(gè)生物材料產(chǎn)品銷售額的1/5。以骨缺損修復(fù)材料為例，美國每年有600多萬例骨傷，50萬-60萬人需骨修復(fù)材料，市場為每年6億10億美元。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國全國骨缺損病例每年為300萬例，對骨修復(fù)材料的需求每年是200萬例，目前的實(shí)際用量每年為50萬例。在中國市場，目前骨修復(fù)產(chǎn)品為每單元2000元人民幣左右。這樣目前每年有不低于10億元人民幣的市場，而潛在的市場每年是40億元人民幣。矯形外科修復(fù)材料和制品的世界市場年增長率維持在26；人造皮膚、組織黏合劑及術(shù)后防粘連制品年增長率達(dá)45；預(yù)計(jì)工程化組織和器官上市后，可開拓800億美元的新市場；心

13、血管系統(tǒng)修復(fù)材料、血液凈化材料、藥物緩釋材料也是高速增長的領(lǐng)域。與此同時(shí)，生物材料前沿研究不斷取得進(jìn)展，將開拓更為廣闊的市場空間，并為常規(guī)材料的改性和創(chuàng)新提供導(dǎo)向。預(yù)計(jì)在今后15-20年，生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)可達(dá)到相當(dāng)于藥物市場份額的規(guī)模。 生物醫(yī)用材料發(fā)展迅速的主要?jiǎng)恿碜匀蛐缘娜丝诶淆g化、中青年刨傷的增多、疑難疾病患者的增加，同時(shí)以納米技術(shù)、信息技術(shù)為主體的高新技術(shù)的發(fā)展有力地推進(jìn)了生物醫(yī)用材料的發(fā)展。人口老齡化進(jìn)程的加速和人類對健康與長壽的追求，激發(fā)了對生物材料的需求。例如，澳大利亞2000年17以上的人口大于65歲，2005年將增至20；與此相應(yīng)，人工心瓣膜、心臟起搏器等心血管系統(tǒng)材料和

14、器械的市場將從2000年的5600萬美元增至2005年的8000萬美元。作為世界人口最多的國家，中國已進(jìn)入老齡化國家行列，生物材料的市場潛力將更加巨大。生活節(jié)奏的加快、活動空間的擴(kuò)展和飲食結(jié)構(gòu)的變化等因素，使創(chuàng)傷成為一個(gè)嚴(yán)重的社會問題。美國1998年用于骨骼-肌肉系統(tǒng)損傷患者的治療費(fèi)高達(dá)1280億美元，其中80需用生物醫(yī)用材料治療。同時(shí)，心腦血管疾病、各種癌癥、艾滋病、糖尿病、老年癡呆癥等發(fā)病率逐年增加，對急需用于診斷、治療和修復(fù)的生物材料提出了更大的需求。二、發(fā)展?fàn)顩r和趨勢隨著生物技術(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顯現(xiàn)出了美好的前景。人體組織和器

15、官的修復(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官；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))，對生命科學(xué)和材料等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展提出了諸多需求，對生物醫(yī)學(xué)材料的發(fā)展產(chǎn)生了重要的促進(jìn)作用。近年來生物醫(yī)用材料領(lǐng)域的研究論文和申請發(fā)明專利數(shù)的逐年快速增加(見圖1)，顯示了該領(lǐng)域研究與開發(fā)的活躍態(tài)勢。目前在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域以下研究方向最為活躍：醫(yī)用植入材料(尤其是活性可降解生物材料)、組織工程材料、診斷與治療相關(guān)材料及技術(shù)(主要是生物標(biāo)記和生物芯片材料)、藥物釋放材料。同時(shí)，納米技術(shù)和仿生合成技術(shù)在上述研究領(lǐng)域中的融入與應(yīng)用，不斷促使新材料

16、、新功能的誕生，已成為生物醫(yī)用材料研究領(lǐng)域的特征趨勢。 人體組織的病變和損傷直接影響人們的生活質(zhì)量，因此組織損傷的修復(fù)一直是人們非常關(guān)注的醫(yī)學(xué)研究課題。以骨組織損傷為例，采用人工材料植入體內(nèi)答復(fù)或替代病變及損傷骨組織是臨床上主要的治療方法。然而，一般的人造材料植入骨缺損部位后，通常會被纖維組織包圍，無法與周圍的組織結(jié)合以達(dá)到對損傷的修復(fù)。20世紀(jì)70年代美國科學(xué)家發(fā)明了CaO-SiO2-Na2O-P2O5系統(tǒng)生物活性玻璃，并發(fā)現(xiàn)這類生物玻璃材料可以在人體內(nèi)與骨組織發(fā)生鍵合反應(yīng)，與骨組織有機(jī)地結(jié)合在一起。生物活性玻璃的研究開創(chuàng)了生物活性材料研究的先河。在此之后的30年，在骨修復(fù)材料方面人們的研究

17、主要集中在生物活性玻璃、生物活性玻璃陶瓷及磷酸鈣類活性陶瓷方面。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著醫(yī)學(xué)、細(xì)胞技術(shù)和分子生物學(xué)的發(fā)展及組織工程學(xué)的建立和快速發(fā)展，對高性能生物活性材料的要求也大大增加。從目前的發(fā)展趨勢看，生物活性材料，特別是可降解的生物活性材料有可能成為在生物材料領(lǐng)域最有發(fā)展?jié)摿Φ姆较蛑?，在組織和器官修復(fù)方面有巨大的應(yīng)用前景。為此，美國著名生物材料學(xué)家Heneh教授在科學(xué)上發(fā)表文章提出了第三代生物材料的概念，并指出具有生物活性同時(shí)可降解的第三代生物材料是生物醫(yī)用材料發(fā)展的方向，將會對組織再生和組織工程技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生巨大的推動作用。此外，現(xiàn)有醫(yī)用植入材料表面改性，使其表面活性化，是組織與器官替代

18、材料發(fā)展的一個(gè)重要方向。特別是現(xiàn)有人工關(guān)節(jié)等植入體的改性，有望在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。綜上所述，具有生物活性的可降解生物材料(第三代生物材料)和生物活性涂層材料有望在10-20年內(nèi)形成大產(chǎn)業(yè)，對社會經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生重大影響。 在骨修復(fù)植入材料中，磷酸鈣類的生物陶瓷材料如羥基磷灰石、磷酸三鈣等一直是人們研究的重點(diǎn)。國外已經(jīng)有較為成熟的羥基磷灰石、磷酸三鈣骨修復(fù)產(chǎn)品。然而，羥基磷灰石生物陶瓷雖然具有較好的生物活性，但降解性和力學(xué)性能都不理想。磷酸三鈣具有良好的降解性，但生物活性不理想。生物活性玻璃雖然已經(jīng)有30多年的歷史，但由于其理化特性和制備工藝等方面的原因，目前只有顆粒狀產(chǎn)品被用于骨組織損傷修復(fù)。此

19、外，組織工程學(xué)的快速發(fā)展也導(dǎo)致了多孔生物陶瓷作為細(xì)胞支架材料研究的快速發(fā)展，但其中大部分研究集中在多孔磷酸三鈣、人工改性珊瑚等方面，到目前為止還沒有一種理想的多孔支架材料問世。由于以上原因，研究探索新型生物活性陶瓷及其復(fù)合材料已經(jīng)成為生物材料領(lǐng)域的一個(gè)主要研究方向。就基礎(chǔ)研究而言，探索新型鈣-硅基生物活性陶瓷是一個(gè)很有潛力的發(fā)展方向。人們在生物活性玻璃研究中得到啟示，鈣、硅、磷等組分的組合是材料具有生物活性的重要因素之一。因此，研究探索不同化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)的鈣-硅基陶瓷，有可能找到具有優(yōu)良綜合性能的生物活性材料，彌補(bǔ)磷酸鈣類生物陶瓷和生物活性玻璃的不足。在國際上，西班牙和日本的研究小組近幾年先后

20、報(bào)道的硅灰石和假硅灰石生物陶瓷的研究結(jié)果，證實(shí)了硅灰石陶瓷具有較好的生物活性。在國內(nèi)，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所率先開展了一系列硅酸鹽生物活性陶瓷的研究，在粉體制備、活性涂層和材料活性及細(xì)胞相容性方面取得了較大的進(jìn)展，并在國際上率先發(fā)表了研究結(jié)果。在骨植入材料方面的另一個(gè)熱點(diǎn)是復(fù)合型生物活性材料的研究。過去的研究顯示，由于生物體是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，生物組織實(shí)際上是一個(gè)非常復(fù)雜的復(fù)合材料，因此任何單一組分的生物材料都存在這樣或那樣的缺陷。而通過復(fù)合有可能制備出具有接近生物組織特性的生物材料，實(shí)現(xiàn)理想的組織修復(fù)目標(biāo)。基于這個(gè)原因，近年來國內(nèi)外復(fù)合生物材料研究發(fā)展也較快。國內(nèi)外在高分子/磷酸鈣類復(fù)

21、合生物材料方面已經(jīng)做了大量研究工作，這些研究包括膠原蛋白/羥基磷灰石復(fù)合材料、殼聚糖/羥基磷灰石復(fù)合材料、聚乳酸/羥基磷灰石復(fù)合材料等。近幾年國內(nèi)在生物活性陶瓷/生物高分子復(fù)合材料方面開展了一些有意義的前瞻性研究，在國際上事先報(bào)道了膠原蛋白/硅酸鈣、殼聚糖/硅酸鈣及聚酯/硅酸鈣等復(fù)合生物活性材料的階段性研究結(jié)果?？梢哉f，鈣-硅基生物活性陶瓷及其復(fù)合材料的制備及性能研究是目前國際上前沿的研究方向之一。 從硬組織修復(fù)材料的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況來看，目前已經(jīng)形成產(chǎn)品的主要是顆粒狀生物活性玻璃、AW生物活性玻璃陶瓷、羥基磷灰石人工骨修復(fù)材料、-磷酸三鈣骨修復(fù)材料和自固化磷酸鈣骨修復(fù)材料。其中，國外產(chǎn)品占

22、了主要市場，因此，具有優(yōu)良性能的生物活性玻璃和生物活性陶瓷多孔支架材料有可能成為“十一五”期間最具競爭力的骨修復(fù)產(chǎn)品。硬組織替代材料也是生物材料的重要組成部分，在各種硬組織技術(shù)產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)用方面，美國、瑞士和德國的一些公司比較活躍。鈦合金表面生物涂層材料是目前最被看好的硬組織種植體的材料，其中等離子噴涂技術(shù)制備的涂層材料較為成功。目前應(yīng)用最為廣泛的為鈦合金表面的Ti和HA涂層。但是隨著人們生活水平的提高和生活質(zhì)量的改善，對人工硬組織材料的性能要求也隨之提高，而目前的這些涂層材料的性能仍然存在一些不足。Ti涂層具有良好的力學(xué)性能，但是不具生物活性，在體內(nèi)與宿主骨之間常常形成一層結(jié)締組織，不能產(chǎn)生

23、直接的化學(xué)結(jié)合。HA涂層具有良好的生物活性，但是由于HA涂層與鈦合金基體結(jié)合強(qiáng)度較低，影響體內(nèi)使用安全性和壽命。有報(bào)道髖關(guān)節(jié)置換10年后松動率達(dá)51，再翻修率為10-18。歐美發(fā)達(dá)國家60歲以上者約2做了髖關(guān)節(jié)置換，若以這樣的翻修率計(jì)，其數(shù)量相當(dāng)可觀，并給大量的病人帶來痛苦。因此，研制既具良好生物活性，又具優(yōu)良力學(xué)性能的涂層材料，已經(jīng)成為勢在必行的工作。我國等離子噴涂技術(shù)制備硬組織置換涂層材料的研究開始于20世紀(jì)60年代，已有40余年歷史。但由于起步較晚，總體上仍然與國際先進(jìn)水平存在一定差距。主要的不足之處有：制備工藝質(zhì)量不高，產(chǎn)品檔次較低；生物涂層材料在品質(zhì)上也未達(dá)到生物學(xué)性能與力學(xué)性能完美

24、結(jié)合，研發(fā)尚未形成規(guī)模。目前羥基磷灰石涂層鈦合金人工關(guān)節(jié)主要由國外產(chǎn)品占據(jù)了市場。因此，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型生物活性陶瓷涂層具有重大意義。 納米生物材料，特別是納米復(fù)合生物材料也是一個(gè)有發(fā)展前景的研究方向。納米生物材料的個(gè)最主要的應(yīng)用是藥物的控制釋放。其中無機(jī)納米孔結(jié)構(gòu)材料作為新型藥物載體的研究，是國際上近期備受關(guān)注的研究方向。無機(jī)孔狀納米結(jié)構(gòu)材料，如納米管和介孔材料，具有納米孔結(jié)構(gòu)和高比表面特征，且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在物質(zhì)存儲方面具有廣闊的應(yīng)用空間，利用無機(jī)納米孔結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行藥物的存儲與釋放系統(tǒng)研究具有良好的發(fā)展前景。無機(jī)納米孔結(jié)構(gòu)材料特別適用于可控性藥物釋放系統(tǒng)，通過對微孔的功能化組裝，能夠

25、實(shí)現(xiàn)藥物存儲與釋放的定時(shí)、定速、定向完全控制。此外，納米復(fù)合生物材料也是近來發(fā)展較快的研究方向。從最近發(fā)表的論文情況來看，目前的研究主要集中在納米羥基磷灰石與膠原蛋白、聚乳酸等高分子材料復(fù)合，以此得到具有更好的力學(xué)和生物學(xué)性能的生物材料。這方面國內(nèi)與國外的差距相對較小，比如清華大學(xué)已經(jīng)研究并開發(fā)出納米羥基磷灰石與膠原蛋白復(fù)合材料并成功用于骨缺損修復(fù)。但是，納米材料的安全性是一個(gè)目前人們越來越關(guān)注的問題，所以納米生物材料是否能進(jìn)步發(fā)展和得到應(yīng)用與其安全性研究結(jié)果密切相關(guān)。 生物材料的仿生設(shè)計(jì)和制備也是生物材料研究發(fā)展的一個(gè)主要趨勢。生物是非常復(fù)雜的開放體系，其內(nèi)部和環(huán)境間進(jìn)行著復(fù)雜的物質(zhì)、能量和

26、信息的傳輸和變換。隨著生物的形成和進(jìn)化，生物體成為充滿奧秘的各種個(gè)體，它由不同層次的各種“組元”極其復(fù)雜和系列化地相互作用發(fā)展而成。從材料科學(xué)角度看，可將蛋白質(zhì)、糖類和脫氧核糖核酸視作自組裝構(gòu)成生物體的基石；將組織視同為細(xì)胞復(fù)合材料，它由細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)組成。通過材料科學(xué)與生命科學(xué)的交叉，從生物大分子蛋白質(zhì)、多糖和DNA之間的相互作用闡明細(xì)胞形成，為生物材料介導(dǎo)細(xì)胞行為的控制提供了依據(jù)，更為基因工程、基因治療、組織工程的發(fā)展創(chuàng)造了條件。生命科學(xué)與材料科學(xué)的融合，啟迪人們以廣闊的視角思考材料科學(xué)與工程問題。以經(jīng)過億萬年進(jìn)化形成的生物體為極限目標(biāo)，于不同層次和水平上仿生，才可能有效解決材料生物體的

27、界面接口問題，且使材料與系統(tǒng)智能化和環(huán)境友好化，使材料制備節(jié)能、省資源、高效化。 根據(jù)目前組織與器官修復(fù)及組織工程學(xué)快速發(fā)展的趨勢和與其密切相關(guān)的第三代生物材料有望形成大型產(chǎn)業(yè)的分析，今后的戰(zhàn)略重點(diǎn)應(yīng)該是可以原位誘導(dǎo)組織和器官再生與修復(fù)的生物活性材料及組織工程支架材料。從目前的發(fā)展趨勢來看，以這兩方面為應(yīng)用背景的生物材料有可能成為組織工程和組織與器官再生技術(shù)發(fā)展的瓶頸。誰先突破這瓶頸，誰將會取得重大經(jīng)濟(jì)效益。三、政策建議生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的特點(diǎn)是投資風(fēng)險(xiǎn)較高，尤其是產(chǎn)業(yè)化前期的風(fēng)險(xiǎn)較高，而投資回報(bào)相對較慢。原因主要有兩點(diǎn)：一是由于生物醫(yī)用材料產(chǎn)品進(jìn)入市場前需要獲得國家醫(yī)療器械管理局的審批，而

28、審批要求申報(bào)的產(chǎn)品都需要經(jīng)過安全性檢驗(yàn)，比如動物實(shí)驗(yàn)和臨床實(shí)驗(yàn)。這就使生物醫(yī)用材料產(chǎn)品從開發(fā)到進(jìn)入市場的周期比較長。另一方面，新材料作為產(chǎn)品申報(bào)一般都必須通過企業(yè)來進(jìn)行，科研單位在生產(chǎn)條件和人員方面都無法滿足申報(bào)產(chǎn)品的要求，一般也沒有單獨(dú)的經(jīng)費(fèi)來支持申報(bào)工作。此外，由于生物醫(yī)用材料產(chǎn)品都需經(jīng)過醫(yī)院進(jìn)行推廣，要經(jīng)過臨床醫(yī)生的了解和認(rèn)可，這個(gè)過程也比較長，使得進(jìn)入市場所需時(shí)間長，增加了風(fēng)險(xiǎn)。所以，生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵矛盾在于產(chǎn)品開發(fā)階段，特別是產(chǎn)品申報(bào)階段需要資金支持，而這一階段又沒有學(xué)術(shù)論文等研究成果產(chǎn)出，因而科研項(xiàng)目資金不適合用于產(chǎn)品開發(fā)，但社會資金由于考慮申報(bào)階段的風(fēng)險(xiǎn)又不愿投入，

29、使得科研單位研發(fā)出的新產(chǎn)品在取得醫(yī)療器械管理局生產(chǎn)許可和臨床使用許可之前處于既沒有科研項(xiàng)目支持、又很難取得社會資金支持的處境。因此，這一階段政府專項(xiàng)基金的支持是非常重要的，而這類專項(xiàng)基金應(yīng)以最終產(chǎn)品獲得國家食品藥品監(jiān)督管理局頒發(fā)注冊證，準(zhǔn)許進(jìn)入市場銷售為考核指標(biāo)，并要求企業(yè)提供整個(gè)申報(bào)和臨床實(shí)驗(yàn)所需經(jīng)費(fèi)的10。這樣既降低了企業(yè)為獲得新產(chǎn)品所承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)，又使企業(yè)會認(rèn)真支持整個(gè)申報(bào)和產(chǎn)品開發(fā)。生物醫(yī)用材料未來發(fā)展趨勢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)胞和組織的生長曰指

30、詞芩鹱櫓蚱鞴俚墓堋K鬧饕撾袷鞘迪質(zhì)芩鹱櫓蚱鞴俚男薷春馱俳映倜吞岣囈】鄧酢F浞椒牽囟櫓赴?quot;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(組織工程材料)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。   

31、; 生物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。     

32、   生物醫(yī)用納米材料初見端倪    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)家對使用基因療法治療腫瘤充滿信心。基因治療是導(dǎo)人正?；蛴谔囟ǖ募?xì)胞(癌細(xì)胞)中，對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

33、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?；虿拍苓M(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)。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。    一種新型的納米材料樹枝狀聚合物(dendrimers)正在被人們用于基因治療的載體研究之中，它最早由美國化學(xué)家Tomalia DA 博士于

34、80年代初發(fā)明并成功合成。10多年來，dendrimers在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域從簡單的藥物運(yùn)送載體，到復(fù)雜的醫(yī)療成像等多個(gè)方面都得到了應(yīng)用。主要包括：納米級生物傳感器、納米級催化劑、微型納妝謾擅準(zhǔn)兌錛盎蛟靨澹約懊庖噠鋃夏擅資約戀取endrimers具有精確的納米構(gòu)造，其合成方法有發(fā)散法和會聚法。由合成步驟決定了dendrimers精確的代數(shù)(generations，或?qū)訑?shù)layers)與體積。Dendrimers的直徑范圍從GO代到G10代分別為10?130?。與普通高分子聚合物不同，dendrimers具有低粘度、高溶解性、可混合性以及高反應(yīng)性等特點(diǎn)。同時(shí)。其體積和形態(tài)還可在合成過程中加以專一性的

35、控制。比如，設(shè)計(jì)出具有巨大內(nèi)部疏水空間(hydrophobic void spaces)，而表面卻是親水性質(zhì)的樹枝狀聚合物。    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、吸附劑等生物材料。    目前已研究和開發(fā)用于制備血液凈化高分子膜的材質(zhì)多達(dá)數(shù)十種，但是由于臨

36、床對血液透析、血漿濾過和血漿置換用高分子膜的要求非?？量?，即必須具備良好的通透性、機(jī)械強(qiáng)度以及血液相容性，所以實(shí)際已獲得臨床使用的只有以下幾種，即纖維素類膜、聚丙烯腈膜、聚碳酸酯膜、聚砜膜、聚烯烴膜和聚乙烯醇膜。雖然以上血液凈化用膜已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化并已應(yīng)用到臨床，但仍存在許多問題需要解決，如毒物的去除效率問題、血液相容性問題等?？s短透析和濾過的時(shí)間，提高毒害物質(zhì)的清除率和血液相容性是臨床治療的要求和血液凈化膜材料研究者追求的主要目標(biāo)。    血液凈化吸附材料的類型主要有活性炭吸附劑、合成樹脂類吸附劑、免疫吸附劑和生物型人工肝臟等?；钚蕴课絼┈F(xiàn)已廣泛應(yīng)用于吸附血液中的各種內(nèi)源性和外源性的有害物質(zhì)，如肌酐、尿酸、酚類、脂肪酸、中分子物質(zhì)、膽紅素、安眠藥、農(nóng)藥等；合成樹脂類吸附劑是另一類有實(shí)際使用價(jià)