淺談生物醫(yī)用材料

1、-作者xxxx-日期xxxx淺談生物醫(yī)用材料【精品文檔】淺談生物醫(yī)用材料關(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，促進其功能的實現(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

2、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)進步的驅(qū)動，卻取得了巨大的成功。其應(yīng)用不僅挽救了數(shù)以千萬計危重病人的生命，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。同時其發(fā)展對當(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)定的小康社會的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。生物醫(yī)用材

3、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)的進展，在分子水平上深化了材料與機體間相互作用的認(rèn)識，加之現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的進展和臨床巨大需求的驅(qū)動，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，并已處于實現(xiàn)意義重大的突破的邊緣再生人體組織，進一步，整個人體器官，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機，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

4、力，不僅可為振興我國生物材料科學(xué)與產(chǎn)業(yè)，趕超世界先進水平贏得難得的機遇，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。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

5、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)的各個領(lǐng)域。生物醫(yī)用材料得以迅猛發(fā)展的主要動力來自人口老齡化、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。人口老齡化進程的加速和人類對健康與長壽的追求，激發(fā)了對生物醫(yī)用材

6、料的需求。目前生物醫(yī)用材料研究的重點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)建一個生物裝置，來維護、增進人體細(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)

7、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行結(jié)構(gòu)、形態(tài)和功能的重建，并達到永久替代。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要素，即"種子"細(xì)胞、支架材料、細(xì)胞生長因子。最近，由于干

8、細(xì)胞具有分化能力強的特點，將其用作"種子"細(xì)胞進行構(gòu)建人工器官成為熱點。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展，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究也不斷得到擴展。目前的研究熱點主要是藥物控釋材料及基因治療載體材料。藥物控釋是指

9、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。由于人類基因組計劃的完成及基因診斷與治療不斷取得進展，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行修復(fù)；或者導(dǎo)人能夠表達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，從而達到治療的目的。這是治療學(xué)的一個巨大進步。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，

10、它具有承載容量大，安全性高的特點。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

11、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)展相對比較緩慢，但由于金屬材料具有其他材料不能比擬的高機械強度和優(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。目前的研究熱點在鎳鈦合金和新型生物醫(yī)用鈦合金兩個方向。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

12、等精密器械進入病變部位進行治療。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、球囊擴張式或擴張固定在血管內(nèi)壁上。雖然經(jīng)皮冠狀動脈介入性治療取得較好的成果，但經(jīng)皮冠狀動脈成形術(shù)后6 個月后再狹窄發(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

13、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)可分為對機體無活性、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)管運送，易得、易消毒等要求。更高的要求是能控制閉塞血管時間的長短，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

14、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?。ㄏ到y(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。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，可以分為口腔有機高分子材料、口腔無機非金屬材料、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

15、。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?？谇徊牧现械纳锘律牧仙写窈笱芯亢吞接?。陶瓷材料脆弱的撓曲強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，以及人類對自身健康的關(guān)注度隨經(jīng)濟發(fā)展提高，生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展。同時，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25%，正在

16、成長為世界經(jīng)濟的一個支柱性產(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、知識密集的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展需要上、下游知識、技術(shù)和相關(guān)環(huán)境的支撐，多數(shù)聚集在經(jīng)濟、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)達國家醫(yī)用生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)的重要特點。如美國集聚于技術(shù)資源豐富的硅谷、128號公路科技園、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，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)，不斷進行產(chǎn)品生產(chǎn)線延伸和擴大，實現(xiàn)多品種生產(chǎn)。例如，2004-2009年美國GE公司