关键词：生物医学材料；生物相容性；应用现状；发展前景
引言
生物医学材料是一种毒副作用较小，生物相容性比较好的具有特殊性能和特殊功能的一种医用材料，它对人的生命，组织器官是无害的。它的发展是以提升人类卫生健康水品，疾病治疗，医疗保健为目的一种生物材料。生物医学材料主要以生物高分子材料，生物陶瓷材料，生物医学复合材料及生物金属材料和生物医学衍生材料为主。现如今生物医学而材料已经广泛应用于医学领域和科研领域。
一、生物医学材料的分类
1、医用高分子材料
所谓生物医学材料领域中发展最好的领域，医用高分子材料自改革开放以来就发展非常迅速，现如今医用高分子材料已经研究出了许多性能量好，应用广泛的制成品。医用高分子材料有很大的便利之处是原材料比较容易获取，加工制成品比较简单，而且研究发现人体大部分组织器官的软组织部位，比如血管，呼吸道等都是由高分子材料构成，这一特点使得医用高分子材料的应用越来越受到人们的重视。
2、生物陶瓷材料
生物陶瓷材料也可以因为其化学组成而被叫做生物无机非金属材料，它也是具有大部分生物医学材料共有的生物特性，它是一种具有很好的生物相容性，与医用高分子材料相比生物陶瓷材料化学性质极其稳定。从性能上来讲，生物陶瓷材料与生物体具有高度亲和性，毒副作用非常小，也很少与生物体产生免疫排斥反应。由于生物陶瓷材料的这些良好特性，近年来也逐渐被研究开发，现已经普遍受到关注。生物陶瓷材料可以分为惰性生物陶瓷和生物活性生物陶瓷。每类生物陶瓷材料都逐渐被广泛利用。
3、医用金属材料
生物金属材料顾名思义具有很强的机械强度，因为这种材料的组成主要是金属或者合金，它的化学组成决定了此种材料具有很好的抗疲劳特性。钛合金和钴合金就是被广泛使用在临床上为人所熟知的医用类金属材料，另外还有不锈钢。它们三者常作为植入材料，主要运用于骨和牙等硬组织的替换。比较常用在临床上的是贵重金属例如金，银和铂，当然一些常见材料比如铁、镁及铜等都有应用于临床试验上，只是这些金属的生物特性不是很好，因此尚未受到专家认可。
4、生物医学复合材料
生物医学复合材料是由两种或两种以上不同材料混合而成，比如现运用于临床的一些生物传感器就是由高分子材料结合生物高分子形成的。另外，人工骨头也可以有碳和钛复合而成。
5、生物医学衍生材料
生物医学衍生材料是将生物组织进行特殊处理形成的，虽然它已经不具有生物活性，但是由于它有着天然生物相同的构型因而在人体修复和替换的过程中成功率比较高。
二、生物医学材料的应用现状
生物医学材料作为一项发展迅速的高新技术产业，它的发展已经受到全世界的普遍关注。现如今随着分子材料和人造器官的广泛使用，生物医学材料交叉着诸多学科成为创新材料的重要组成部分。生物医学材料的运用虽然在亚洲地区发展较快，但目前还主要在经济发达国家具有竞争优势。发达国家现已逐步形成生物材料工业体系，创新材料制成产品比较多，每年的销售额也非常巨大，甚至可以达到药物市场的销售额。目前，主要的生物材料产品中具有代表性的有：人工器官、人工关节、人工股骨头都是运用生物医学材料来替代的。
三、生物医学材料的发展前景
生物医学材料作为新技术革命中高新技术产业，将成为国民经济发展的一个重要驱动力。就我国而言，人口众多、人口老龄化、交通拥挤及卫生医疗状况需要改善的国情来讲，人们在生活水平不断提高的同时对医疗保健的要求越来越高，同时对行业创新的提升具有迫切需求。生物医学材料工业体系解决了众多疾病难题，促进了医疗水平和提高了疾病治疗成功率。现如今，国家已经充分认识生物医学材料的V大发展前景，并投入大量资金用于技术研究、仿制到创新。在全区，如今生物医学材料的发展已经能够与汽车行业在经济发展中的地位相比，销售市场和销售额大幅度扩增。
四、结语
综上所述，生物医学材料具有如此强大的经济竞争实力，具有极大的发展前景。我国这场新技术革命中不仅面临国内设施条件的制约，而且被发达国家的材料工业体系所发展的巨大市场所冲击着。我国争取在新技术革命中能够占一席之地，必须加大对生物材料的研究和运用，从仿制到创新，加强知识产权的保护的同时也要积极向发达国家学习，迅速转化成产业成果，重点突破，追踪生物材料的前沿，形成竞争优势。在国家的重点关注和支持的情况下，生物医学材料这种高新技术产业即将在中国迅猛发展。
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一、生物医用高分子材料的特点
生物医用高分子材料是一种聚合物材料，主要用于制造人体内脏、体外器官、药物剂型及医疗器械。按照来源的不同，生物医用高分子材料可以分为天然生物高分子材料和合成生物高分子材料2种。前者是自然界形成的高分子材料，如纤维素、甲壳素、透明质酸、胶原蛋白、明胶及海藻酸钠等；后者主要通过化学合成的方法加以制备，常见的有合聚氨酯、硅橡胶、聚酯纤维、聚乙烯基吡咯烷酮、聚醚醚酮、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚乳酸、聚乙烯等。按照材料的性质，生物医用高分子材料可以分为非降解材料和降解材料。前者主要包括聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃，芳香聚酯、聚硅氧烷等；后者包括聚乙烯亚胺—聚氨基酸共聚物、聚乙烯亚胺—聚乙二醇—聚（β-胺酯）共聚物、聚乙烯亚胺—聚碳酸酯共聚物等。
生物医用高分子材料作为植入人体内的材料，必须满足人体内复杂的环境，因此对材料的性能有着严格的要求。首先，材料不能有毒性，不能造成畸形；其次，生物相容性比较好，不能与人体产生排异反应；第三，化学稳定性强，不容易分解；第四，具备一定的物理机械性能；第五，比较容易加工；最后，性价比适宜。其中最关键的性能是生物相容性。
根据国际标准化组织（InternationalStandardsOrganization，ISO）的解释，生物相容性是指非活性材料进入后，生命体组织对其产生反应的情况。当生物材料被植入人体后，生物材料和特定的生物组织环境相互产生影响和作用，这种作用会一直持续，直到达到平衡或者植入物被去除。生物相容性包括组织相容性、细胞相容性和血液相容性。
二、生物医用高分子材料的发展历史
人类对生物医用高分子材料的应用经过了漫长的阶段。根据记载，公元前3500年，古埃及人就用棉花纤维和马鬃缝合伤口，此后到19世纪中期，人类还主要停留在使用天然高分子材料的阶段；随后到20世纪20年代，人类开始学会对天然高分子材料进行改性，使之符合生物医学的要求；再后来人类开始尝试人工合成高分子材料；20世纪60年代以来，生物医用高分子材料得到了飞速发展和广泛的普及。1949年，美国就率先发表了研究论文，在文中第1次阐述了将有机玻璃作为人的头盖骨、关节和股骨，将聚酰胺纤维作为手术缝合线的临床应用情况，对医用高分子的应用前景进行了展望。这被认为是生物医用高分子材料的开端。
在20世纪50年代，人类发现有机硅聚合物功能多样，具有良好的生物相容性（无致敏性和无刺激性），之后有机硅聚合物被大量用于器官替代和整容领域。随着科技的发展，20世纪60年代，美国杜邦公司生产出了热塑性聚氨酯，这种材料的耐屈挠疲劳性优于硅橡胶，因此在植入生物体的医用装置及人工器官中得到了广泛应用。随后人工尿道、人工食道、人工心脏瓣膜、人工心肺等器官先后问世。生物医用高分子材料也从此走上快速发展的道路。
三、生物医用高分子材料的发展现状、前景和趋势
据相关研究调查显示，我国生物医用高分子材料研制和生产发展迅速。随着我国开始慢慢进入老龄化社会和经济发展水平的逐步提高，植入性医疗器械的需求日益增长，对生物医用高分子材料的需求也将日益旺盛。2015年1月28日，中国医药物资协会的《2014中国单体药店发展状况蓝皮书》显示，2014全年全国医疗器械销售规模约2556亿元，比2013年度的2120亿元增长了436亿元，增长率为20.06%。但是相比于医药市场总规模（预计为13326亿元）来说，医药和医疗消费比为1∶0.19还略低，因此业内普遍认为，医疗器械仍然还有较广阔的成长空间，生物医用高分子材料也将迎来良好的发展前景。
根据evaluateMedTech公司基于全球300家顶尖医疗器械生产商的公开数据而得出的报告《2015-2020全球医疗器械市场》预测，2020年全球医疗器械市场将达到4775亿美元，2016-2020年间的复合年均增长率为4.1%。世界医疗器械格局的前6大领域包括：诊断、心血管、影像大型设备、骨科、眼科、内窥镜，其中生物医用高分子材料在其中都得到了广泛的应用。
以往的医学研究对组织和器官的修复，更多是选择一种替代品，实现原有组织和器官的部分功能。随着再生医学和干细胞技术的迅速发展，利用生物技术再生和重建器官、个性化治疗和精准医学已经成为趋势。因此传统的生物医药高分子材料已经不能满足现有的需求，需要模拟生物的结构，恢复和改进生物体组织与器官的功能，最终实现器官和组织的再生，这也是生物医用高分子材料未来的发展方向。
生物医用高分子材料在医疗器械领域中得到了非常广泛的应用，主要体现在人工器官、医用塑料和医用高分子材料3个领域。
1.人工器官
人工器官指的是能植入人体或能与生物组织或生物流体相接触的材料；或者说是具有天然器官组织或部件功能的材料，如人工心瓣膜、人工血管、人工肾、人工关节、人工骨、人工肌腱等，通常被认为是植入性医疗器械。人工器官主要分为机械性人工器官、半机械性半生物性人工器官、生物性人工器官3种。第1种是指用高分子材料仿造器官，通常不具有生物活性；第2种是指将电子技术和生物技术结合；第3种是指用干细胞等纯生物的方法，人为“制造”出器官。目前生物医用高分子材料主要应用在第1种人工器官中。
目前，植入性医疗器械中骨科占据约为38%的市场份额；随后是心血管领域的36%；伤口护理和整形外科分别为8%左右。人工重建骨骼在骨科产品市场中占据了超过31%的市场份额，主要产品是人工膝盖，人工髋关节以及骨骼生物活性材料等，主要应用的生物医用高分子材料有聚甲基丙烯酸甲酯、高密度聚乙烯、聚砜、聚左旋乳酸、乙醇酸共聚物、液晶自增强聚乳酸、自增强聚乙醇酸等。心血管产品市场中支架占据了一半以上的市场份额，此外还有周边血管导管移植、血管通路装置和心跳节律器等。
目前各国都认识到了人工器官的重要价值，加大了研发力度，取得了一些进展。2015年，美国康奈尔大学的研究人员开发出了一种轻量级的柔性材料，并准备将其用于创建一个人工心脏。在我国，3D打印人工髋关节产品获得国家食品药品监督管理总局（CFDA）注册批准，这也是我国首个3D打印人体植入物。
人工器官未来发展趋势是诱导被损坏的组织或器官再生的材料和植入器械。人工骨制备的发展趋势是将生物活性物质和基质物质组合到一起，促进生物活性物质的黏附、增殖和分化。血管生物支架的发展趋势是聚合物共混技术，如海藻酸钠/壳聚糖、胶原/壳聚糖、胶原/琼脂糖、壳聚糖/明胶、壳聚糖/聚己内酯、聚乳酸/聚乙二醇等体系。
2.医用塑料
医用塑料，主要用于输血输液用器具、注射器、心导管、中心静脉插管、腹膜透析管、膀胱造瘘管、医用粘合剂以及各种医用导管、医用膜、创伤包扎材料和各种手术、护理用品等。注塑产品是医用塑料制品当中产量最大的品种。与普通塑料相比，医用塑料要求比较高，严格限制了单体、低聚物、金属离子的残留，对于原材料的纯度要求很高，对加工设备的要求也非常严格，在加工和改性过程中避免使用有毒助剂，通常具有表面亲水、抗凝血等特殊功能。常用医用塑料包括聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚四氟乙烯（PTFE）、热塑性聚氨酯（TPU）、聚碳酸酯（PC）、聚酯（PET）等。
目前医用塑料市场约占全球医疗器械市场的10%，并保持着每年7%～12%的年均增长率。统计数据显示，美国每人每年在医用塑料领域消费额为300美元，而我国只有30元，由此可见医用塑料在我国的发展潜力非常大。
我国医用塑料制品产业经过多年的发展，取得了长足的进步。中国医药保健品进出口商会统计数据显示，2015年上半年，纱布、绷带、医用导管、药棉、化纤制一次性或医用无纺布物服装、注射器等一次性耗材和中低端诊断治疗器械等成为我国医疗器械的出口大户。但是也必须清醒地认识到，我国的医用塑料发展水平还比较落后。医用塑料的原料门类不全、生产质量标准不规范、新技术和新产品的创新能力薄弱，导致一些高端原料导致国内所需的高端产品原料还主要靠进口。
目前各国都认识到了医用塑料的重要价值，加大了研发力度，取得了一些进展。2015年，英国伦敦克莱蒙特诊所率先开展了塑胶晶状体移植手术，不仅可以治疗远视眼或近视眼，还可以恢复患有白内障和散光者的视力；住友德马格公司推出一种聚甲醛（POM）齿轮微注塑设备，在新型白内障手术器械中具有重要作用；美国美利肯公司开发了一项技术，可使非处方药和保健品塑料瓶的抗湿性和抗氧化性提高30%；MHT模具与热流道技术公司开发出了PET血液试管，质量不足4g，优于玻璃试管；Rollprint公司与TOPAS先进高分子材料公司合作，采用环烯烃共聚物作为聚丙烯腈树脂的替代品，以满足苛刻的医疗标准；美国化合物生产商特诺尔爱佩斯推出了一款硬质PVC，以取代透明医疗零部件中用到的PC材料，如连接器、止回阀、Y接头、套管、鲁尔接口配件、过滤器、滴注器和盖子，以及样本容器。
未来医用塑料的发展趋势是开发可耐多种消毒方式的医用塑料，改善现有医用塑料的血液相容性和组织相容性，开发新型的治疗、诊断、预防、保健用塑料制品等。
3.药用高分子材料，
药用高分子材料在现代药物制剂研发及生产中扮演了重要的角色，在改善药品质量和研发新型药物传输系统中发挥了重要作用。药用高分子材料的应用主要包括2个方面：用于药品剂型的改善以及缓释和靶向作用，此外还可以合成新的药物。
药物缓释技术是指将衣物表面包裹一层医用高分子材料，使得药物进入人体后短时间内不会被吸收，而是在流动到治疗区域后再溶解到血液中，这时药物就可以最大限度的发挥作用。药物缓释技术主要有贮库型（膜控制型）、骨架型（基质型）、新型缓控释制剂（口服渗透泵控释系统、脉冲释放型释药系统、pH敏感型定位释药系统、结肠定位给药系统等）。
贮库型制剂是指在药物外包裹一层高分子膜，分为微孔膜控释系统、致密膜控释系统、肠溶性膜控释系统等，常用的高分子材料有丙烯酸树脂、聚乙二醇、羟丙基纤维素、聚维酮、醋酸纤维素等。骨架型制剂是指向药物分散到高分子材料形成的骨架中，分为不溶性骨架缓控释系统、亲水凝胶骨架缓控释系统、溶蚀性骨架缓控释系统，常用的高分子材料有无毒聚氯乙烯、聚乙烯、聚氧硅烷、甲基纤维素、羟丙甲纤维素、海藻酸钠、甲壳素、蜂蜡、硬脂酸丁酯等。
我国的高分子基础研究处于世界一流，但是药用高分子的应用发展相对滞后，品种不够多、规格不完整、质量不稳定，导致制剂研发能力与国际产生差距。国内市场规模前10大种类分别为明胶胶囊、蔗糖、淀粉、薄膜包衣粉、1，2-丙二醇、PVP、羟丙基甲基纤维素（HPMC）、微晶纤维素、HPC、乳糖。高端药用高分子材料几乎全部依赖进口。专业药用高分子企业则存在规模小、品种少、技术水平低、研发投入少的问题。
目前，药物剂型逐步走向定时、定位、定量的精准给药系统，考虑到医用高分子材料所具备的优异性能，将会在这一发展过程中发挥关键性的作用。未来发展趋势是开发生物活性物质（疫苗、蛋白、基因等）靶向控释载体。
四、结语
虽然生物医用高分子材料的应用已经取得了一些进展，但是，随着临床应用的不断推广，也暴露出不少问题，主要表现出功能有局限、免疫性不好、有效时间不长等问题。如植入血管支架后，血管易出现再度狭窄的情况；人工关节有效期相对较短，之所以出现这些问题，主要原因是人体与生俱来的排异性。
生物医用高分子材料隶属于医疗器械产业，其发展备受政策支持。国务院于2015年5月印发的《中国制造2025》明确指出，大力发展生物医药及高性能医疗器械，重点发展全降解血管支架等高值医用耗材，以及可穿戴、远程诊疗等移动医疗产品。可以预见，在未来20～30年，生物医用高分子材料就会迎来新一轮的快速发展。
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2 生物材料的类型与应用 生物材料种类繁多,到目前为止,被详细研究过的生物材料已经超过一千种,在医学临床上广泛应用的也有几十种,涉及材料学科各个领域。依据不同的分类标准,可以分为不同的类型。
2.1 以材料的生物性能为分类标准根据材料的生物性能,生物材料可分为生物惰性材料、生物活性材料、生物降解材料和生物复合材料四类。
2.1.1 生物惰性材料 生物惰性材料是指一类在生物环境中能保持稳定,不发生或仅发生微弱化学反应的生物医学材料,主要是生物陶瓷类和医用合金类材料。由于在实际中不存在完全惰性的材料,因此生物惰性材料在机体内也只是基本上不发生化学反应,它与组织间的结合主要是组织长入其粗糙不平的表面形成一种机械嵌联,即形态结合。生物惰性材料主要包括以下几类:(1)氧化物陶瓷 主要包括氧化铝陶瓷和氧化锆陶瓷.氧化铝陶瓷中以纯刚玉及其复合材料的人工关节和人工骨为主,具体包括纯刚玉双杯式人工髋关节;纯刚玉— 金属复合型人工股骨头;纯刚玉—聚甲基丙烯酸酯—钴铬钼合金铰链式膝关节,其他人工骨、人工牙根等。(2)玻璃陶瓷 该材料主要用来制作部分人工关节。(3)Si3N4 陶瓷 该类材料主要用来制作一些作为替代用的较小的人工骨,目前还不能用作承重材料。(4)医用碳素材料 它主要被作为制作人工心脏瓣膜等人工脏器以及人工关节等方面的材料。(5)医用金属材料 该类材料是目前人体承重材料中应用最广泛的材料,在其表面涂上活性生物材料后可增加它与人体环境的相容性.同时它还能制作各类其他人体骨的替代物。
2.1.2 生物活性材料生物活性材料是一类能诱出或调节生物活性的生物医学材料。但是,也有人认为生物活性是增进细胞活性或新组织再生的性质。现在,生物活性材料的概念已建立了牢固的基础,其应用范围也大大扩充. 一些生物医用高分子材料,特别是某些天然高分子材料及合成高分子材料都被视为生物活性材料.羟基磷灰石是一种典型的生物活性材料。由于人体骨的主要无机质成分为该材料,故当材料植入体内时不仅能传导成骨,而且能与新骨形成骨键合。在肌肉、韧带或皮下种植时,能与组织密合,无炎症或刺激反应.生物活性材料主要有以下几类:
(1)羟基磷灰石,它是目前研究最多的生物活性材料之一,作为最有代表性的生物活性陶瓷—羟基磷灰石(简称HAP)材料的研究, 在近代生物医学工程学科领域一直受到人们的密切关注.羟基磷灰石 [Ca10(PO4)6(OH)2]是脊椎动物骨和齿的主要无机成分,结构也非常相近,与动物体组织的相容性好、无毒副作用、界面活性优于各类医用钛合金、硅橡胶及植骨用碳素材料。因此可广泛应用于生物硬组织的修复和替换材料,如口腔种植、牙槽脊增高、耳小骨替换、脊椎骨替换等多个方面.另外,在HA 生物陶瓷中耳通气引流管、颌面骨、鼻梁、假眼球以及填充用HA颗粒和抑制癌细胞用HA微晶粉方面也有广泛的应用.又因为该材料受到本身脆性高、抗折强度低的限制,因此在承重材料应用方面受到了限制.现在该材料已引起世界各国学者的广泛关注。目前制备多孔陶瓷和复合材料是该材料的重要发展方向,涂层材料也是重要分支之一。该类材料以医用为目的,主要包括制粉、烧结、性能实验和临床应用几部分。
(2)磷酸钙生物活性材料 这种材料主要包括磷酸钙骨水泥和磷酸钙陶瓷纤维两类.前者是一种广泛用于骨修补和固定关节的新型材料,有望部分取代传统的PMMA 有机骨水泥. 国内研究抗压强度已达60MPa 以上。后者具有一定的机械强度和生物活性,可用于无机骨水泥的补强及制备有机与无机复合型植入材料。
(3)磁性材料 生物磁性陶瓷材料主要为治疗癌症用磁性材料,它属于功能性活性生物材料的一种。把它植入肿瘤病灶内,在外部交变磁场作用下,产生磁滞热效应,导致磁性材料区域内局部温度升高,借以杀死肿瘤细胞,抑制肿瘤的发展。动物实验效果良好。
(4)生物玻璃 生物玻璃主要指微晶玻璃,包括生物活性微晶玻璃和可加工生物活性微晶玻璃两类。目前关于该方向的研究已成为生物材料的主要研究方向之一。
2.1.3 生物降解材料所谓可降解生物材料是指那些在被植入人体以后,能够不断的发生分解,分解产物能够被生物体所吸收或排出体外的一类材料,主要包括β-TCP 生物降解陶瓷和生物陶瓷药物载体两类,前者主要用于修复良性骨肿瘤或瘤样病变手术刮除后所致缺损,而后者主要用作微药库型载体,可根据要求制成一定形状和大小的中空结构,用于各种骨科疾病。
2.1.4 生物复合材料生物复合材料又称为生物医用复合材料,它是由两种或两种以上不同材料复合而成的生物医学材料,并且与其所有单体的性能相比,复合材料的性能都有较大程度的提高的材料。制备该类材料的目的就是进一步提高或改善某一种生物材料的性能。该类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,它除应具有预期的物理化学性质之外,还必须满足生物相容性的要求,这里不仅要求组分材料自身必须满足生物相容性要求,而且复合之后不允许出现有损材料生物学性能的性质。按基材分生物复合材料可分为高分子基、金属基和陶瓷基三类,它们既可以作为生物复合材料的基材,又可作为增强体或填料,它们之间的相互搭配或组合形成了大量性质各异的生物医学复合材料,利用生物技术,一些活体组织、细胞和诱导组织再生的生长因子被引入了生物医学材料,大大改善了其生物学性能,并可使其具有药物治疗功能,已成为生物医学材料的一个十分重要的发展方向,根据材料植入体内后引起的组织反应类型和水平,它又可分为近于生物惰性的、生物活性的、可生物降解和吸收等几种类型。人和动物中绝大多数组织均可视为复合材料,生物医学复合材料的发展为获得真正仿生的生物材料开辟了广阔的途径。
2.2 以材料的属性为分类标准
2.2.1 生物医用金属材料生物医用金属材料是用作生物医学材料的金属或合金,又称外科用金属材料或医用金属材料,是一类惰性材料,这类材料具有高的机械强度和抗疲劳性能,是临床应用最广泛的承力植入材料。该类材料的应用非常广泛,及硬组织、软组织、人工器官和外科辅助器材等各个方面,除了要求它具有良好的力学性能及相关的物理性质外,优良的抗生理腐蚀性和生物相容性也是其必须具备的条件。医用金属材料应用中的主要问题是由于生理环境的腐蚀而造成的金属离子向周围组织扩散及植入材料自身性质的退变,前者可能导致毒副作用,后者常常导致植入的失败。已经用于临床的医用金属材料主要有不锈钢、钴基合金和钛基合金等三大类。此外,还有形状记忆合金、贵金属以及纯金属钽、铌、锆等。
2.2.2 生物医用高分子材料 医用高分子材料是生物医学材料中发展最早、应用最广泛、用量最大的材料,也是一个正在迅速发展的领域。它有天然产物和人工合成两个来源,该材料除应满足一般的物理、化学性能要求外,还必须具有足够好的生物相容性。按性质医用高分子材料可分为非降解型和可生物降解型两类。对于前者,要求其在生物环境中能长期保持稳定,不发生降解、交联或物理磨损等,并具有良好的物理机械性能。并不要求它绝对稳定,但是要求其本身和少量的降解产物不对机体产生明显的毒副作用,同时材料不致发生灾难性破坏。该类材料主要用于人体软、硬组织修复体、人工器官、人造血管、接触镜、膜材、粘接剂和管腔制品等方面。这类材料主要包括聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸酯、芳香聚酯、聚硅氧烷、聚甲醛等. 而可降解型高分子主要包括胶原、线性脂肪族聚酯、甲壳素、纤维素、聚氨基酸、聚乙烯醇、聚己丙酯等。它们可在生物环境作用下发生结构破坏和性能蜕变,其降解产物能通过正常的新陈代谢或被机体吸收利用或被排出体外,主要用于药物释放和送达载体及非永久性植入装置.按使用的目的或用途,医用高分子材料还可分为心血管系统、软组织及硬组 织等修复材料。用于心血管系统的医用高分子材料应当着重要求其抗凝血性好,不破坏红细胞、血小板,不改变血液中的蛋白并不干扰电解质等。
2.2.3 生物医用无机非金属材料或称为生物陶瓷。生物医用非金属材料,又称生物陶瓷。包括陶瓷、玻璃、碳素等无机非金属材料。此类材料化学性能稳定,具有良好的生物相容性。一般来说,生物陶瓷主要包括惰性生物陶瓷、活性生物陶瓷和功能活性生物陶瓷三类。其中惰性生物陶瓷和活性生物陶瓷在前面已经简要作了介绍,而功能活性生物陶瓷是近年来提出的一个新概念.随着生物陶瓷材料研究的深入和越来越多医学问题的出现,对生物陶瓷材料的要求也越来越高。原先的生物陶瓷材料无论是生物惰性的还是生物活性的,强调的是材料在生物体内的组织力学环境和生化环境的适应性,而现在组织电学适应性和能参与生物体物质、能量交换的功能已成为生物材料应具备的条件。因此,又提出了功能活性生物材料的概念。它主要包括以下两类:(1)模拟性生物陶瓷材料 该类材料是将天然有机物(如骨胶原、纤维蛋白以及骨形成因子等)和无机生物材料复合,来模拟人体硬组织成分和结构,以改善材料的力学性能和手术的可操作性,并能发挥天然有机物的促进人体硬组织生长的特性。(2)带有治疗功能的生物陶瓷复合材料 该类材料是利用骨的压电效应能刺激骨折愈合的特点,使压电陶瓷与生物活性陶瓷复合,在进行骨置换的同时,利用生物体自身运动对置换体产生的压电效应来刺激骨损伤部位的早期硬组织生长。具体来说是由于肿瘤中血管供氧不足,当局部被加热到43~45℃时,癌细胞很容易被杀死。现在最常用的是将铁氧体与生物活性陶瓷复合,填充在因骨肿瘤而产生的骨缺损部位,利用外加交变磁场,充填物因磁滞损耗而产生局部发热,杀死癌细胞,又不影响周围正常组织。现在,功能活性生物陶瓷的研究还处于探索阶段,临床应用鲜有报道,但其发展应用前景是很光明的。各种不同种类的生物陶瓷的物理、化学和生物性能差别很大,在医学领域用途也不同.尤其是功能活性陶瓷更有不可估量的发展前途.临床应用中,生物陶瓷存在的主要问题是强度和韧性较差.氧化铝、氧化锆陶瓷耐压、耐磨和化学稳定性比金属、有机材料都好,但其脆性的问题也没有得到解决。生物活性陶瓷的强度则很难满足人体承力较大部位的需要。
2.2.4 生物医用复合材料此类材料在2.1.4 中已有介绍,此处不再详述
2.2.5 生物衍生材料生物衍生材料是由经过特殊处理的天然生物组织形成的生物医用材
料,也称为生物再生材料.生物组织可取自同种或异种动物体的组织. 特殊处理包括维持组织原有构型而进行的固定、灭菌和消除抗原性的轻微处理,以及拆散原有构型、重建新的物理形态的强烈处理.由于经过处理的生物组织已失去生命力,生物衍生材料是无生命力的材料. 但是,由于生物衍生材料或是具有类似于自然组织的构型和功能,或是其组成类似于自然组织,在维持人体动态过程的修复和替换中具有重要作用.主要用于人工心瓣膜、血管修复体、皮肤掩膜、纤维蛋白制品、骨修复体、巩膜修复体、鼻种植体、血液唧筒、血浆增强剂和血液透析膜等.
3. 生物材料的性能评价 目前关于生物材料性能评价的研究主要集中在生物相容性方面.因为生物相容性是生物材料研究中始终贯穿的主题.它是指生命体组织对生物材料产生反应的一种性能,该材料既能是非活性的又能是活性的.一般是指材料与宿主之间的相容性,包括组织相容性和血液相容性.现在普遍认为,生物相容性包括两大原则,一是生物安全性原则,二是生物功能性原则.生物安全性是植入体内的生物材料要满足的首要性能,是材料与宿主之间能否结合完好的关键.关于生物材料生物学评价标准的研究始于20 世纪70 年代,目前形成了从细胞水平到整体动物的较完整的评价框架.国际标准化组织(ISO)以 10993编号了17个相关标准,同时对生物学评价方法也进行了标准化.迫于现代社会动物保护和减少动物试验的压力,国际上各国专家对体外评价方法进行了大量的研究,同时利用现代分子生物学手段来评价生物材料的安全性、使评价方法从整体动物和细胞水平深入到分子水平.主要在体外细胞毒性试验、遗传性和致癌性试验以及血液相容性评价方法等方面进行了一些研究.但具体评价方法和指标都未统一,更没有标准化.随着对生物材料生物相容性的深入研究,人们发现评价生物材料对生物功能的影响也很重要.关于这一方面的研究主要是体外法。具体来说侧重于对细胞功能的影响和分子生物学评价方面的一些研究。总之,关于生物功能性的原则是提出不久的一个新的生物材料的评价方面,它必将随着研究的不断深入而向前发展.而涉及材料的化学稳定性、疲劳性能、摩擦、磨损性能的生物材料在人体内长期埋植的稳定性是需要开展评价研究的一个重要方面。
4 生物材料的发展趋势展望 生物材料科学是20 世纪新兴学科中最耀眼的新星之一。现在,生物材料科学已成为一门与人类现代医疗保健系统密切相关的边缘学科。其重要性不仅因为它与人类自身密切相关,还因为它跨越了材料、医学、物理、生物化学和现代高科技等诸多学科领域。现在对于该材料的研究已从被动地适应生物环境发展到有目的地设计材料,以达到与生物组织的有机连接。并随着生命科学和材料科学的发展,生物材料必将走向功能性半生命方向。生物材料的临床应用已从短期的替换和填充发展成永久性牢固种植,并与其它高科技(如电子技术、信息处理技术)相结合,制备富有应用潜力的医疗器械。生物材料的研究在世界各国也日益受到重视.四年一次的世界生物材料大会代表着国际上生物材料研究的发展动态和目前的水平。分析认为,以下几个方面是生物材料今后研究发展的几个主要方向:
(1)发展具有主动诱导、激发人体组织和器官再生修复功能的,能参与人体能量和物质交换产生相互结合的功能性活性生物材料,将成为生物材料研究的主要方向之一。
(2)把生物陶瓷与高分子聚合物或生物玻璃进行二元或多元复合,来制备接近人体骨真实情况的骨修复或替代材料将成为研究的重要方向之一。
(3)制备接近天然人骨形态的、纳微米相结合的、用于承重的、多孔型生物复合材料将成为方向之一。
(4)用于延长药效时间、提高药物效率和稳定性、减少用量及对机体的毒副作用的药物传递材料将成为研究热点之一。
(5)血液相容性人工脏器材料的研究也是突破方向之一。
(6)如何能够制备出纳米尺寸的生物材料的工艺以及纳米生物材料本身将成为研究热点之一。
2 生物材料的类型与应用 生物材料种类繁多,到目前为止,被详细研究过的生物材料已经超过一千种,在医学临床上广泛应用的也有几十种,涉及材料学科各个领域。依据不同的分类标准,可以分为不同的类型。
2.1 以材料的生物性能为分类标准根据材料的生物性能,生物材料可分为生物惰性材料、生物活性材料、生物降解材料和生物复合材料四类。
2.1.1 生物惰性材料 生物惰性材料是指一类在生物环境中能保持稳定,不发生或仅发生微弱化学反应的生物医学材料,主要是生物陶瓷类和医用合金类材料。由于在实际中不存在完全惰性的材料,因此生物惰性材料在机体内也只是基本上不发生化学反应,它与组织间的结合主要是组织长入其粗糙不平的表面形成一种机械嵌联,即形态结合。生物惰性材料主要包括以下几类:(1)氧化物陶瓷 主要包括氧化铝陶瓷和氧化锆陶瓷.氧化铝陶瓷中以纯刚玉及其复合材料的人工关节和人工骨为主,具体包括纯刚玉双杯式人工髋关节;纯刚玉— 金属复合型人工股骨头;纯刚玉—聚甲基丙烯酸酯—钴铬钼合金铰链式膝关节,其他人工骨、人工牙根等。(2)玻璃陶瓷 该材料主要用来制作部分人工关节。(3)Si3N4 陶瓷 该类材料主要用来制作一些作为替代用的较小的人工骨,目前还不能用作承重材料。(4)医用碳素材料 它主要被作为制作人工心脏瓣膜等人工脏器以及人工关节等方面的材料。(5)医用金属材料 该类材料是目前人体承重材料中应用最广泛的材料,在其表面涂上活性生物材料后可增加它与人体环境的相容性.同时它还能制作各类其他人体骨的替代物。
2.1.2 生物活性材料生物活性材料是一类能诱出或调节生物活性的生物医学材料。但是,也有人认为生物活性是增进细胞活性或新组织再生的性质。现在,生物活性材料的概念已建立了牢固的基础,其应用范围也大大扩充. 一些生物医用高分子材料,特别是某些天然高分子材料及合成高分子材料都被视为生物活性材料.羟基磷灰石是一种典型的生物活性材料。由于人体骨的主要无机质成分为该材料,故当材料植入体内时不仅能传导成骨,而且能与新骨形成骨键合。在肌肉、韧带或皮下种植时,能与组织密合,无炎症或刺激反应.生物活性材料主要有以下几类:
(1)羟基磷灰石,它是目前研究最多的生物活性材料之一,作为最有代表性的生物活性陶瓷—羟基磷灰石(简称HAP)材料的研究, 在近代生物医学工程学科领域一直受到人们的密切关注.羟基磷灰石 [Ca10(PO4)6(OH)2]是脊椎动物骨和齿的主要无机成分,结构也非常相近,与动物体组织的相容性好、无毒副作用、界面活性优于各类医用钛合金、硅橡胶及植骨用碳素材料。因此可广泛应用于生物硬组织的修复和替换材料,如口腔种植、牙槽脊增高、耳小骨替换、脊椎骨替换等多个方面.另外,在HA 生物陶瓷中耳通气引流管、颌面骨、鼻梁、假眼球以及填充用HA颗粒和抑制癌细胞用HA微晶粉方面也有广泛的应用.又因为该材料受到本身脆性高、抗折强度低的限制,因此在承重材料应用方面受到了限制.现在该材料已引起世界各国学者的广泛关注。目前制备多孔陶瓷和复合材料是该材料的重要发展方向,涂层材料也是重要分支之一。该类材料以医用为目的,主要包括制粉、烧结、性能实验和临床应用几部分。
(2)磷酸钙生物活性材料 这种材料主要包括磷酸钙骨水泥和磷酸钙陶瓷纤维两类.前者是一种广泛用于骨修补和固定关节的新型材料,有望部分取代传统的PMMA 有机骨水泥. 国内研究抗压强度已达60MPa 以上。后者具有一定的机械强度和生物活性,可用于无机骨水泥的补强及制备有机与无机复合型植入材料。
(3)磁性材料 生物磁性陶瓷材料主要为治疗癌症用磁性材料,它属于功能性活性生物材料的一种。把它植入肿瘤病灶内,在外部交变磁场作用下,产生磁滞热效应,导致磁性材料区域内局部温度升高,借以杀死肿瘤细胞,抑制肿瘤的发展。动物实验效果良好。
(4)生物玻璃 生物玻璃主要指微晶玻璃,包括生物活性微晶玻璃和可加工生物活性微晶玻璃两类。目前关于该方向的研究已成为生物材料的主要研究方向之一。
2.1.3 生物降解材料所谓可降解生物材料是指那些在被植入人体以后,能够不断的发生分解,分解产物能够被生物体所吸收或排出体外的一类材料,主要包括β-TCP 生物降解陶瓷和生物陶瓷药物载体两类,前者主要用于修复良性骨肿瘤或瘤样病变手术刮除后所致缺损,而后者主要用作微药库型载体,可根据要求制成一定形状和大小的中空结构,用于各种骨科疾病。
2.1.4 生物复合材料生物复合材料又称为生物医用复合材料,它是由两种或两种以上不同材料复合而成的生物医学材料,并且与其所有单体的性能相比,复合材料的性能都有较大程度的提高的材料。制备该类材料的目的就是进一步提高或改善某一种生物材料的性能。该类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,它除应具有预期的物理化学性质之外,还必须满足生物相容性的要求,这里不仅要求组分材料自身必须满足生物相容性要求,而且复合之后不允许出现有损材料生物学性能的性质。按基材分生物复合材料可分为高分子基、金属基和陶瓷基三类,它们既可以作为生物复合材料的基材,又可作为增强体或填料,它们之间的相互搭配或组合形成了大量性质各异的生物医学复合材料,利用生物技术,一些活体组织、细胞和诱导组织再生的生长因子被引入了生物医学材料,大大改善了其生物学性能,并可使其具有药物治疗功能,已成为生物医学材料的一个十分重要的发展方向,根据材料植入体内后引起的组织反应类型和水平,它又可分为近于生物惰性的、生物活性的、可生物降解和吸收等几种类型。人和动物中绝大多数组织均可视为复合材料,生物医学复合材料的发展为获得真正仿生的生物材料开辟了广阔的途径。
2.2 以材料的属性为分类标准
2.2.1 生物医用金属材料生物医用金属材料是用作生物医学材料的金属或合金,又称外科用金属材料或医用金属材料,是一类惰性材料,这类材料具有高的机械强度和抗疲劳性能,是临床应用最广泛的承力植入材料。该类材料的应用非常广泛,及硬组织、软组织、人工器官和外科辅助器材等各个方面,除了要求它具有良好的力学性能及相关的物理性质外,优良的抗生理腐蚀性和生物相容性也是其必须具备的条件。医用金属材料应用中的主要问题是由于生理环境的腐蚀而造成的金属离子向周围组织扩散及植入材料自身性质的退变,前者可能导致毒副作用,后者常常导致植入的失败。已经用于临床的医用金属材料主要有不锈钢、钴基合金和钛基合金等三大类。此外,还有形状记忆合金、贵金属以及纯金属钽、铌、锆等。
2.2.2 生物医用高分子材料 医用高分子材料是生物医学材料中发展最早、应用最广泛、用量最大的材料,也是一个正在迅速发展的领域。它有天然产物和人工合成两个来源,该材料除应满足一般的物理、化学性能要求外,还必须具有足够好的生物相容性。按性质医用高分子材料可分为非降解型和可生物降解型两类。对于前者,要求其在生物环境中能长期保持稳定,不发生降解、交联或物理磨损等,并具有良好的物理机械性能。并不要求它绝对稳定,但是要求其本身和少量的降解产物不对机体产生明显的毒副作用,同时材料不致发生灾难性破坏。该类材料主要用于人体软、硬组织修复体、人工器官、人造血管、接触镜、膜材、粘接剂和管腔制品等方面。这类材料主要包括聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸酯、芳香聚酯、聚硅氧烷、聚甲醛等. 而可降解型高分子主要包括胶原、线性脂肪族聚酯、甲壳素、纤维素、聚氨基酸、聚乙烯醇、聚己丙酯等。它们可在生物环境作用下发生结构破坏和性能蜕变,其降解产物能通过正常的新陈代谢或被机体吸收利用或被排出体外,主要用于药物释放和送达载体及非永久性植入装置.按使用的目的或用途,医用高分子材料还可分为心血管系统、软组织及硬组 织等修复材料。用于心血管系统的医用高分子材料应当着重要求其抗凝血性好,不破坏红细胞、血小板,不改变血液中的蛋白并不干扰电解质等。
2.2.3 生物医用无机非金属材料或称为生物陶瓷。生物医用非金属材料,又称生物陶瓷。包括陶瓷、玻璃、碳素等无机非金属材料。此类材料化学性能稳定,具有良好的生物相容性。一般来说,生物陶瓷主要包括惰性生物陶瓷、活性生物陶瓷和功能活性生物陶瓷三类。其中惰性生物陶瓷和活性生物陶瓷在前面已经简要作了介绍,而功能活性生物陶瓷是近年来提出的一个新概念.随着生物陶瓷材料研究的深入和越来越多医学问题的出现,对生物陶瓷材料的要求也越来越高。原先的生物陶瓷材料无论是生物惰性的还是生物活性的,强调的是材料在生物体内的组织力学环境和生化环境的适应性,而现在组织电学适应性和能参与生物体物质、能量交换的功能已成为生物材料应具备的条件。因此,又提出了功能活性生物材料的概念。它主要包括以下两类:(1)模拟性生物陶瓷材料 该类材料是将天然有机物(如骨胶原、纤维蛋白以及骨形成因子等)和无机生物材料复合,来模拟人体硬组织成分和结构,以改善材料的力学性能和手术的可操作性,并能发挥天然有机物的促进人体硬组织生长的特性。(2)带有治疗功能的生物陶瓷复合材料 该类材料是利用骨的压电效应能刺激骨折愈合的特点,使压电陶瓷与生物活性陶瓷复合,在进行骨置换的同时,利用生物体自身运动对置换体产生的压电效应来刺激骨损伤部位的早期硬组织生长。具体来说是由于肿瘤中血管供氧不足,当局部被加热到43~45℃时,癌细胞很容易被杀死。现在最常用的是将铁氧体与生物活性陶瓷复合,填充在因骨肿瘤而产生的骨缺损部位,利用外加交变磁场,充填物因磁滞损耗而产生局部发热,杀死癌细胞,又不影响周围正常组织。现在,功能活性生物陶瓷的研究还处于探索阶段,临床应用鲜有报道,但其发展应用前景是很光明的。各种不同种类的生物陶瓷的物理、化学和生物性能差别很大,在医学领域用途也不同.尤其是功能活性陶瓷更有不可估量的发展前途.临床应用中,生物陶瓷存在的主要问题是强度和韧性较差.氧化铝、氧化锆陶瓷耐压、耐磨和化学稳定性比金属、有机材料都好,但其脆性的问题也没有得到解决。生物活性陶瓷的强度则很难满足人体承力较大部位的需要。
2.2.4 生物医用复合材料此类材料在2.1.4 中已有介绍,此处不再详述
2.2.5 生物衍生材料生物衍生材料是由经过特殊处理的天然生物组织形成的生物医用材
料,也称为生物再生材料.生物组织可取自同种或异种动物体的组织. 特殊处理包括维持组织原有构型而进行的固定、灭菌和消除抗原性的轻微处理,以及拆散原有构型、重建新的物理形态的强烈处理.由于经过处理的生物组织已失去生命力,生物衍生材料是无生命力的材料. 但是,由于生物衍生材料或是具有类似于自然组织的构型和功能,或是其组成类似于自然组织,在维持人体动态过程的修复和替换中具有重要作用.主要用于人工心瓣膜、血管修复体、皮肤掩膜、纤维蛋白制品、骨修复体、巩膜修复体、鼻种植体、血液唧筒、血浆增强剂和血液透析膜等.
3. 生物材料的性能评价 目前关于生物材料性能评价的研究主要集中在生物相容性方面.因为生物相容性是生物材料研究中始终贯穿的主题.它是指生命体组织对生物材料产生反应的一种性能,该材料既能是非活性的又能是活性的.一般是指材料与宿主之间的相容性,包括组织相容性和血液相容性.现在普遍认为,生物相容性包括两大原则,一是生物安全性原则,二是生物功能性原则.生物安全性是植入体内的生物材料要满足的首要性能,是材料与宿主之间能否结合完好的关键.关于生物材料生物学评价标准的研究始于20 世纪70 年代,目前形成了从细胞水平到整体动物的较完整的评价框架.国际标准化组织(ISO)以 10993编号了17个相关标准,同时对生物学评价方法也进行了标准化.迫于现代社会动物保护和减少动物试验的压力,国际上各国专家对体外评价方法进行了大量的研究,同时利用现代分子生物学手段来评价生物材料的安全性、使评价方法从整体动物和细胞水平深入到分子水平.主要在体外细胞毒性试验、遗传性和致癌性试验以及血液相容性评价方法等方面进行了一些研究.但具体评价方法和指标都未统一,更没有标准化.随着对生物材料生物相容性的深入研究,人们发现评价生物材料对生物功能的影响也很重要.关于这一方面的研究主要是体外法。具体来说侧重于对细胞功能的影响和分子生物学评价方面的一些研究。总之,关于生物功能性的原则是提出不久的一个新的生物材料的评价方面,它必将随着研究的不断深入而向前发展.而涉及材料的化学稳定性、疲劳性能、摩擦、磨损性能的生物材料在人体内长期埋植的稳定性是需要开展评价研究的一个重要方面。
4 生物材料的发展趋势展望 生物材料科学是20 世纪新兴学科中最耀眼的新星之一。现在,生物材料科学已成为一门与人类现代医疗保健系统密切相关的边缘学科。其重要性不仅因为它与人类自身密切相关,还因为它跨越了材料、医学、物理、生物化学和现代高科技等诸多学科领域。现在对于该材料的研究已从被动地适应生物环境发展到有目的地设计材料,以达到 与生物组织的有机连接。并随着生命科学和材料科学的发展,生物材料必将走向功能性半生命方向。生物材料的临床应用已从短期的替换和填充发展成永久性牢固种植,并与其它高科技(如电子技术、信息处理技术)相结合,制备富有应用潜力的医疗器械。生物材料的研究在世界各国也日益受到重视.四年一次的世界生物材料大会代表着国际上生物材料研究的发展动态和目前的水平。分析认为,以下几个方面是生物材料今后研究发展的几个主要方向:
(1)发展具有主动诱导、激发人体组织和器官再生修复功能的,能参与人体能量和物质交换产生相互结合的功能性活性生物材料,将成为生物材料研究的主要方向之一。
(2)把生物陶瓷与高分子聚合物或生物玻璃进行二元或多元复合,来制备接近人体骨真实情况的骨修复或替代材料将成为研究的重要方向之一。
(3)制备接近天然人骨形态的、纳微米相结合的、用于承重的、多孔型生物复合材料将成为方向之一。
(4)用于延长药效时间、提高药物效率和稳定性、减少用量及对机体的毒副作用的药物传递材料将成为研究热点之一。
(5)血液相容性人工脏器材料的研究也是突破方向之一。
(6)如何能够制备出纳米尺寸的生物材料的工艺以及纳米生物材料本身将成为研究热点之一。
关键词：新型生物医学材料；产业；发展；创新；研究
经济新常态背景下，科学技术的创新发展促使我国生物医学材料与产业迈进了崭新的时代，传统生物医学材料已逐渐走向没落，新型生物医学材料与产业已成为新常态时代我国经济发展的新引擎，构建高速成长的生物医学产业发展新途径至关重要。当前，新型生物医学材料层出不穷，其产业体系建设也日趋走向完备，不仅为人类有效治愈重大疾病提供了更多可能性，而且为人类健康生活保驾护航。本文从我国新型生物医药材料的发展概况入手，在考察生物医药产业发展现状的基础上，从技术与政策两方面探索创新我国新型生物医学材料及产业发展的必由之路。
一、我国新型生物医学材料及产业概述
从全球科技领域的发展来看，生物医学材料专指那些能够应用于人体组织的特殊高科技材料，其具有下述功能：如诊断疾病、治疗疾病、外科修复人体组织或进行理疗复健、置换人体组织或器官等等，在一定程度上还能够强化人体组织或器官的原有功能，是生命与材料科学发展的必然产物。一直以来，我国都将新型生物医学材料研究与开发视为具有高附加值、节能环保、能够拉动经济增长的朝阳产业，尤其是2012年以后，第九届世界生物材料大会在我国召开预示着我国生物医学材料建设已经迈入了世界领先发展的行列。当前，我国的新型生物医学材料主要集中在通过合成的方式构建的各种生物医学材料上，如天然高分子材料、生物合金材料、生物陶瓷等等多种复合材料，而生物医学衍生物也凭借其与自然人体组织有相似性的特点跃为生物医学材料中的重要组成部分。在我国，新型生物医学材料的市场需求极为庞大，使用者人数众多，广泛的市场前景推动了生物医学材料研发与营销力度，基于此，我国新型生物医学材料产业的崛起也已成为必然趋势。
二、我国新型生物医学材料及产业发展现状
从国内需求来看，人类对健康身体与高质量生活体验的追求一直未曾停歇，新型生物医学材料凭借其对人体组织或器官的智能化、功能化改善或替换等优势，在临床实践中得到了全面而广泛的使用。尤其是伴随我国人口老龄化时代的到来，近2亿的老龄人口对新型生物医学材料有着巨大的需求；在我国，因各种原因而发生身体创伤的人数每年超过数百万，这部分人群也属于新型生物医学材料的需求人群。因此，自2000年以后，我国新型生物医学材料产业销售逐渐出现大幅度的井喷式增长，以2013年为例，该产业销售额达1200亿美元，这一数据相当于2008年全球新型生物医学材料的产值，销售额增幅维持27%的高速增长。自2014年以来，我国新型生物医学材料的产业规模仍在迅速扩张，并已构建出长三角、珠三角、环渤海三个生物医学材料产业集群区域。从国内外市场竞争来看，我国国内对新型生物医学材料的研制与开发起步远远落后于欧美等国，生物医学材料这一交叉学科的研究基础是非常薄弱的。从学科自身特点看，新型生物医学材料作为一种高技术附加值的产业，其材料产品研发的知识成本高达总成本的70%，受知识产权保护与专业技术壁垒的影响，很多新型生物医学材料的研发仍落后于西方发达国家，技术水平较高的生物医学材料还需从国外进口使用。近年来，以强生等公司为代表的跨国公司在我国新型生物医学材料产业发展中不断推进实施并购战略，这些跨国公司凭借其产业集群发展较为集中的优势，掌握了我国国内市场的部分生产、销售份额。我国新型生物医学材料产业虽然有了较大发展，但仍处于外资跨国公司等强敌环视的不利地位，产业突围还需要不断努力。面对上述现状，考虑到生物医学材料的高技术附加值特点，单个生物医学材料企业单打独斗的研发、销售过程必然会遇到重重困难，我国新型生物医学材料及产业必须依托区域经济发展，走产业集群发展模式，才能在未来生物医药材料国内国际的激烈竞争中占据有利地位。
三、我国新型生物医学材料及产业发展创新研究
我国新型生物医学材料及产业的发展已从原有的分散、低水平研发逐渐转型为集中发展、重视技术创新、自主研发的产业发展方向上，在推动我国经济发展新常态方面成效显著。新型生物医学材料及产业的培育与塑造离不开产业发展的良好环境支持与技术支持，本文从技术创新与政策助力两个角度，探讨我国新型生物医学材料及产业发展的创新路径。
1.我国新型生物医学材料及产业发展创新的技术路径。
1.1产学研协作，推进技术创新。生物医学材料产业集群发展之路仅仅依靠生物医药材料企业自身是不可能实现的，而生物医药材料的技术创新又面临着学科交叉复杂，新型材料研发周期长，耗资巨大，对知识技术要求较高等问题，这就需要对我国国内新型生物医学材料所涉及到的各种资源进行充分整合，通过产学研协作开发方式，优势互补，推进生物医学材料的技术创新。当前，可以利用现有我国国内生物医学材料及产业的功能体系，为其技术研发提供优质环境。如整合高等院校、科研机构以及生物医学材料企业自身的现有资源，积极开展协作创新，在新型生物医学材料的研发方面共同进步，期待收获。近年来，国内部分知名高校已成为推动新型生物医学材料技术创新的生力军，各大高校在新型生物医学材料领域的研究均有不同程度的突破，清华大学、武汉理工大学、四川大学等院校均凭借其在新型生物医学材料研究方面的出色表现而荣获国家自然科学奖、国家科技进步奖等重要奖项，将这些研究成果转化为生产力，加快合作下的产业园区建设，实施产学研协作策略，对我国新型生物医药材料及产业的技术创新将起到重要的推动作用。
1.2完善技术引进，加强模仿创新。近年来，我国新型生物医学材料及产业虽然有了突飞猛进的发展，但是对于生物医学材料这种知识密集型产业而言，我国该产业目前的发展仍与西方发达国家有显著差距，尤其在一些高端生物医学材料产品制造方面。基于此，我国当务之急应认清生物医学材料及产业发展的实际情况，在完善国外技术引进的基础上，通过模仿创新谋求更大发展。这不仅符合我国新型生物医学材料技术薄弱，自主研发的核心能力差的当前国情，而且有利于我国生物医学材料企业或科研单位对引进的行业高端技术进行分析研究，尽快获得其技术的核心要素，加以改良创新以提升自身技术水平。这种通过技术引进而开展模仿创新的新型生物医学材料及产业发展的方式，并不是完全照搬照抄西方先进技术，而是立足于我国生物医药材料发展实际，对引进的先进技术进行本土化、中国化的消化吸收，为我国新型生物医学材料及产业的技术成熟、技术创新奠定坚实的基础。
1.3确定发展重点，促进技术成果转化创新。我国新型生物医学材料及产业的发展过程中一直存在技术水平低、重复研究现象普遍的突出问题，这要求无论是我国政府，还是生物医学材料企业，都应该确定新型生物医学材料及产业未来发展的方向，合理定位，明确发展重点，才能有效集中我国生物产业研发的优势资源，有的放矢，通过自主研发、创新实现并促进新型生物医学材料技术成果的转化。通过对当前国际生物医学材料及产业的发展趋势研究，我国新型生物医学材料及产业的技术创新与发展重点应该集中在再生生物医学材料与智能化生物医学材料方面，尤其是建立在干细胞、生物材料基础上的可供置换或移植的生物器官、组织等材料等研发，这些材料在未来新型生物医学材料及产业市场上前景广阔。
2.我国新型生物医学材料及产业发展创新的政策路径。
2.1转变政府对医学材料及产业的管理方式。实践中，政府部门对新型生物医学材料及产业的支持和管理对产业的创新发展至关重要。政府通过行政管理的方式，引导、支持生物医学材料及产业向集群化运作，通过资源整合与调配，协调企业与科研机构、高校之间的优势互补研发的关系，并通过健全生物医学材料行业法律法规、市场准入条件与技术标准等方式，维护生物医学材料及产业市场良性运转；政府对新型生物医学材料及产业研发的资金支持更是该产业创新发展的源泉所在。但我国政府对新型生物医学材料及产业的管理方式仍存在多头管理、条块分割等突出问题，不利于生物医学材料企业突破传统谋求发展。基于此，我国政府应积极转变生物医药材料及产业管理的方式，利用互联网信息化发展的优势，构建大生物医药材料产业理念，改革传统组织体制，深化产业融合度，建设区域化生物医学材料及产业协调发展的政府管理体制。
2.2引进高端人才带动产业发展。如前所述，新型生物医学材料及产业的发展关键在于技术创新，而技术创新水平与程度则取决于我国新型生物医学材料的研究开发人才。对我国生物工程的当前发展而言，人才的匮乏已成为制约生物学、材料学发展的主要因素。因此，我国应立足于现有高等院校与研究所等人才培养机构，注重新生代生物医学材料人才的发觉与培养；同时，还应注重对高端精英人才的引进，通过开辟渠道、整合资源等多种方式，加大对生物医学材料实验室与研究的基地的投资力度，吸收更多的有识之士加入到我国新型生物医学材料及产业的建设中来。
2.3创新驱动引领生物医学材料产业集聚效应。生物医学材料及产业发展离不开产业上、下游相关行业及环境的大力支持，纵观国际上生物医学材料较为发达成熟的跨国公司发展历史，产业高度集聚无疑是其发展的必由之路。另外，通过技术创新拓展新型生物医学材料产品的品种，淘汰单一产品生产企业，而推行多种产品并行开发销售的战略决策，也是生物医学材料产业得以发展壮大的关键所在。基于此，我国政府应立足于当前新型生物医学材料及产业的发展现状，通过政策引导与规划，不断扩大新型生物医学材料产业集群的规模，在现有产业集聚领域的基础上，进一步构建高端生物医学材料产业园，以品牌生物医药材料产品为主要发展方向，建设产业集聚效应明显、产业特色鲜明、信息资源融通的多个新型生物医学材料产业集群。
2.4政策导向促进生物医药产业科学发展。十二五规划中，新型生物医学材料及其产业发展就被作为新兴产业而纳入到我国政府重点培育的项目工程，随着新型生物医学材料及产业对我国经济发展影响力的增强，我国政府开始从政策角度入手，单独制定了《新材料产业“十二五”发展规划》、《生物产业发展规划》等重要文件，着力主导新型生物医学材料及产业的发展方向与发展趋势，对该产业的资金支持力度也由十一五规划中的4亿元投入提升到十二五规划中的5.1亿元的投入，十三五规划中国家无疑将继续增加对新型生物医学材料及产业的资金支持力度，我国新型生物医学材料及产业发展的关键机遇时期已经到来。另外，在产学研协作、科技创新与人才引进等方面，都离不开政府的大力引导与支持，我国新型生物医学材料及产业将走上良性循环的发展之路。
四、结语
生物医药科技的发展将给人类健康生活提供新保障，从无生命的生物医学材料发展到有生命的生物人体组织，无不彰显着生物医药科技的进步与创新带来的巨大力量。由此可见，未来我国生物医学产业的飞速发展必将成为经济变革的重要推助力。在推动生物医学工程不断前进的过程中，必须明确未来我国生物医学材料发展战略与发展方向，以解决人民群众医疗保健需求为根本目标，走科技创新融合与生物医药产业集群发展之路，注重政府、医药企业与研究机构等多方组织的协同共建与资源整合，以此构建我国生物医学材料及产业的成熟体系。
参考文献：
[1]梅梅,吕鹏辉.我国生物医学材料产业科技成果计量分析[J]中华医学图书情报杂志.2012(1).
[2]本刊通讯员.新型生物材料及其与再生医学交叉的前沿[J]中国材料进展.2012(6).
[3]贺正楚.生物医药产业共性技术服务效率研究[J]求索.2014(1).
【关键词】生物医学材料；研究现状；生物活性；发展趋势
科学技术的发展，各种新型生物医学材料被研制出来，并在医学领域中得应用。到2000年为止，在全世界高达1600亿美元的医疗市场中，医用生物材料所占比率已经达到了一半，且以20%的增长速度递增。二十世纪80年代是新型生物医学材料辈出的时代，进入到二十世纪90年代，以珊瑚为原材料的骨移植材料、人工皮肤、猪心脏瓣膜在医学领域中得以应用。二十世纪，美国采用新型聚氨酯材料研制出人造血管。中国在生物医学材料的研制方面起步较晚，但是应医学领域需要而对各种生物医学材料有所应用。随着国家对生物医学材料研究的重视，国家开始启动医学生物材料项目，并将生物医学材料纳入到优先发展的产业当中[3]。在中国的“十二五”规划中，还特别指出要将重点发展新型口腔植、人工关节、新型人工血管、人工心瓣膜以及各种人工修复材料等等生物医学材料。
一、生物医学材料研究现状
（一）金属生物材料
在医学领域中，医学金属材料是较早采用的，且应用材料非常广泛，包括不锈钢材料、钛合金材料等等。其中，不锈钢材料具有较强的耐腐蚀性，因此应用效果非常好。由于人体内为较为复杂的电解环境，随着316L不锈钢的应用，解决了这一问题，但是，却不具备生物相容性。钛合金具有良好的耐腐蚀性和生物相容性，具有一定的生物材料强度。钛合金的抗拉强度介于500兆帕至1100兆帕之间，使钛合金的弹性与人体的骨骼弹性更为接近，以使材料植入到人体后，与人的骨骼更为匹配。
（二）高分子生物材料
医用高分子材料的出现，使得医用材料可以用于对损伤的人体器官以修复，以增强器官的恢复功能。目前所使用的医用高分子材料分为可生物降解和非降解的高分子材料。可生物降解的高分子材料植入人体后，可以降解被为对人体无毒无害的CO2、H2O等对人体不会产生刺激性的物质。可生物降解的高分子材料可以是胶原蛋白或者纤维蛋白等等天然材料，也可以是聚乳酸等人工合成高分子材料。非降解的高分子材料属于是惰性的高分子材料。聚乳酸在医学生用于外科缝合线和药物释放的载体。由于其具有可降解性能，当伤口愈合后，就会被人体组织吸收。聚乳酸可以在降解的过程中，将药物释放到人体中，使药物发挥作用。
（三）秃仙物材料
复合生物材料用于医学领域中已经获得了长足发展，但是，由于材料植入人体后，会对人体的生理环境产生抵抗力，因此会存在一些问题有待进一步研究。目前医学领域中所采用的复合生物材料包括有三类，即生物陶瓷复合材料、金属基医用复合材料和高分子复合材料。生物陶瓷复合材料植入到生理环境中后，并不会产生毒性反应，且具有良好的生物活性和生理环境相容性。金属基医用复合材料在医学领域中应用，金属具有单一的生物活性，可以采用生物涂层技术，以提高金属表面的耐磨性和生物相融合。高分子复合材料是一种接近人体自然骨骼的高分子复合材料。人体骨骼本身就是一种层状的复合材料，采用这种复合材料替代，虽然可以起到治疗作用，但是其韧性明显要低于人体自然骨骼。
（四）无机非金属生物材料
无机非金属生物材料具有良好的化学稳定性和生物相容性，主要包括生物活性陶瓷和惰性的无机材料。生物活性陶瓷材料主要用于关节、牙齿等等的硬组织修复。但是，该种材料不会与人体的活体组织结合，从而影响治疗效果。惰性的无机材料以医用碳素材料为主。该种材料具有较高的耐磨性，韧性和强度都非常高，特别是具有良好的抗疲劳性，可以与人体自然骨骼相匹配。骨骼损伤者选择这种材料可以获得良好的治疗效果[2]。此外，医用碳素材料在人体的生理环境中并不会产生毒副作用，良好的化学稳定性和人体亲和性，且具有抗血栓性和抗溶血性。如果对患者执行人工心脏瓣膜手术，医用碳素材料是优先选择的材料。
二、生物医学材料研究的发展趋势
生物医用材料的发展进程中，从简单的结构模仿发展为组织诱导再生，使生物医用材料的单一性能逐渐向综合性能发展。简单的结构与外观的仿制，向智能化仿生发展，使材料的应用已经与现代的医疗技术融合，并共同发展。根据目前医学领域的发展程度，生物医用材料的研究空间还很大，并会涉及到多种学科，包括材料学、工程学、控制论以及生物技术等等，这些学科都会对生物医学的发展产生推动作用。特别是各种新技术、新方法的应用，将生物技术引入到智能化发展的思路，使生物材料不再局限于实验室研究，而会在临床上得以广泛应用，以为医疗做出贡献。
结论
综上所述，生物医学材料属于是交叉学科，为材料学和医学等等多种学科相互结合而形成。作为一门应用于医学领域的新兴学科，所研制的是用于医学组织工程领域的各种新型的人工材料。根据技术含量的不同，生物医学材料可以被划分为金属生物、高分析生物、复合生物和无机非金属生物材料。随着生物医学材料研究的发展，使得生物医用材料智能化发展。
参考文献：
关键词：生物医学材料；口腔临床；临床应用
1. 前言
口腔生物医学材料具有比较广泛的应用范围，不只是在因先天或后天原因导致牙体组织和颌面器官缺损的修复方面进行应用，还可能在鉴别诊断口腔疾病方面具有辅助作用。生物医学材料可实现对缺损组织与器官的修复和置换，恢复组织或器官的正常功能。随着迅猛发展的科技水平，口腔生物医学材料的制作方法也具有明显的改进，日益推出复合型与功能型形式各样的生物医学材料，并日益优化其性能。
2. 资料与方法
通过对生物医学和生命科学有关文献的数据库的检索，并进行较深入地分析。结合临床口腔生物医学材料应用的特点，比较分析有关数据。口腔生物医学材料基础性研究、临床应用的生物医学材料等相关文献都是重要依据，并将与目的无关的研究结果予以排除。
3. 结果
按照材质类别可将口腔生物医学材料分为金属、高分子及非金属生物复合材料三类。金属类材料在临床口腔生物材料中是最早应用的一类材料，这类材料优点是具有较高强度、较强韧性、获取容易等，在临床中应用广泛。还可结合其成分将金属类材料分为纯金属、合金及特种金属三种，在临床中纯金属类材料应用不多，应用较多的主要是合金和特种金属。合金类金属材料由不少于两种金属元素组成，尽管其延展与抗压等物理性能低于纯金属材料，但在应用中生物安全性较高，所以在临床中具有比较广泛的应用。钴基合金材料目前广泛应用的合金类材料，主要有钴铬钨镍和钴铬钼合金两类，具有抗腐蚀性较强的性能，高于单一金属材料40倍。但在加工制作过程中比较烦琐，所以相对具有比较昂贵的价格。此外，机械性能也比纯金属类材料高，通常在替换颞下颌关节与颌面部内固定大面积骨折中应用较多。钛合金与上述金属合金材料相比较，具有较高的机械性能和相容性，在人体植入后不会产生排斥反应和毒副作用，生物相容性较好。通常在种植牙基桩制作、固定骨折及骨缺损替代植入性材料中比较常用。但在使用中金属材料也具有不足之处，诸如在使用中因人体具有比较复杂的内部环境，因人体内长期存在金属材料部会造成离子向体内微渗入，进而产生较大的副作用和毒性。
在现代口腔生物医学材料中非金属生物复合材料也是其中的重要组成部分，主要有以下三种。一是生物活性陶瓷，该材料是表面具有生物活性和吸附性的一N陶瓷，通常具有羟基，为多孔形，具有较高的孔隙率。在体内生物活性陶瓷能够降解吸收，通常在生物体内用于骨诱导材料对新生骨生长具有一定的诱导作用。在实际应用中骨传导性与诱导性良好，所以通常该材料可用于修复骨缺损的一种支架材料，在支架的周围利用填充材料的良好生物学活性充填覆盖，以实现对缺损的修复作用，并使材料增加生物相容性。二是惰性生物陶瓷材料，其主要成分是氧化铝和氧化锆，硬度高，生物相容性好，所以通常在内固定骨折中应用较多，在制作口腔全瓷牙内冠中也比较常用。三是复合树脂，主要混合有机树脂基质和无机填料形成，在特定条件下是能够引发化学性反应的一种修复材料，在修复小面积牙体缺损时比较适合。在临床中目前主要应用的有光固化、化学固化及复合固化等树脂类材料，该材料具有较强的可塑性、良好的仿真性、较高的生物相容性、比较耐磨等优势。
在临床中高分子类材料是一种比较广泛应用的材料，稳定性强，聚乙烯和聚丙烯是其主要成分。与其它材料相比较，该材料在人体中不能降解产生离子，因此不具有毒性。抗冲击性和抗摩擦性也较强，所以在替换人工关节中应用比较广泛。高分子类材料中的硅橡胶材料耐高温、腐蚀及透气性较高，所以在制作颌面部复体及口腔印模精确制取材料中应用较广。另外，该材料可降解，经一段时间后可形成小分子化合物而随人体基础代谢排出患者体外。
4. 讨论
通过研究分析生物材料有关文献资料，在口腔临床生物医学材料中选取金属材料、高分子、生物复合材料三大类分别进行研究。大部分高分子材料与生物复合材料都是由不少于两种材料构成，对这类材料进行制作时，可利用相关技术对材料微观构造进行改变，使材料特性和优点得到充分发挥，对不足之处进行有效弥补，对生物材料赋予新的生物特性。材料的生物相容性和机械强度较高，具有较强的耐腐蚀性，在特定环境下能够降解吸收，在临床应用中完全满足。在高分子材料与生物复合材料中，我国开展相关的研究相对较晚，并在研究初期发展相对较为缓慢，但经过近年来的不断发展，已由最初的盲目效仿逐渐发展到自主研发，由质变迅速发展发展到量变。口腔医用生物医学材料目前在我国已逐渐由传统的单一功能、非专一化、低效逐步发展为功能完善、复合化、专业化及高效，发表的生物医学材料的相关文献也跃居世界第二。
随着医学技术及材料技术的快速发展，口腔生物医学材料也得到了前所未有的发展机遇。目前在临床研究中已逐渐由常用的无机材料转变为有机材料，有机类生物材料在开展较多研究的就是多糖类物质。天然多糖类物质中壳聚糖属于其中一种，其生物相容性良好，抗菌性能优异。通常该类材料被用于对各种材料进行塑造以便于长入细胞和将应力传递至骨与骨之间。壳聚糖类物质因其生物相容性和细胞黏附性较好，而被广泛用于各种细胞因子和药物载体，实现对遗传信息进行传递以及相关疾病的临床治疗。
5. 结语
综上所述，口腔生物医学材料近年来已由传统的单一型材料逐渐过渡到新的复合型、智能型和功能型材料，生物医学材料可实现对缺损组织与器官的修复和置换，恢复组织或器官的正常功能。随着迅猛发展的科技水平，口腔生物医学材料的制作方法也具有明显的改进，日益推出复合型与功能型形式各样的生物医学材料，并日益优化其性能。相信在不远的将来，这种材料在组织工程学及口腔临床应用中将得到迅速发展。
参考文献：
[1] 殷武雄，李玲.医用骨修复碳素增强生物复合材料的研究进展[J]，化工新型材料，2015.10
[2] 欧阳建安，王大平.多孔钽应用于骨科的生物材料特性研究进展[J]，中国临床解剖学杂志，2014.8
[3] 黎淑婷，黄华，周永明.不同表面处理对聚乳酸可吸收桩与树脂核间粘结性能的影响[J]，牙体牙髓牙周病学杂志，2015.4
[4] 余森，于振涛，张强等.医用钛合金表面载银抗菌涂层的研究进展[J]，稀有金属材料与工程，2014.7
