2024年全球生物醫(yī)用材料行業(yè)概況及分類調(diào)研報(bào)告

2024年全球生物醫(yī)用材料行業(yè)概況及分類調(diào)研報(bào)告全球生物醫(yī)用材料行業(yè)是醫(yī)療器械領(lǐng)域的關(guān)鍵組成部分，專注于研發(fā)、生產(chǎn)與應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域的材料，旨在替代或修復(fù)人體組織、器官，促進(jìn)醫(yī)療與康復(fù)過(guò)程，全球生物醫(yī)用材料行業(yè)具有廣闊的市場(chǎng)前景和巨大的發(fā)展?jié)摿?。一、生物醫(yī)用材料行業(yè)概況1、定義與范疇生物醫(yī)用材料（BiomedicalMaterials）又稱為生物材料，是一類通過(guò)外科修復(fù)、理療康復(fù)、替換人體組織或者器官，達(dá)到診斷、治療、修復(fù)生物系統(tǒng)疾病目的，并且不會(huì)對(duì)人體造成不良影響的材料。它屬于醫(yī)療器械的范疇，其作用機(jī)制是通過(guò)與人體組織結(jié)合和相互作用產(chǎn)生效果。這一領(lǐng)域涉及材料學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)等多個(gè)交叉學(xué)科，直接影響人體健康與生命，具有重要的臨床應(yīng)用價(jià)值。生物醫(yī)用材料具備三大核心功能：其一，能夠替換損壞的組織或器官，例如人造假牙、人工關(guān)節(jié)等，為失去原有器官功能的患者恢復(fù)基本生活能力；其二，可改善或修復(fù)器官功能，像脊柱修復(fù)支架、心臟起搏器等，助力患者身體機(jī)能的恢復(fù)與提升；其三，用于治療過(guò)程，如藥物載體與控釋材料、用于血液透析的薄膜等，為精準(zhǔn)醫(yī)療提供有力支持。其中，損壞組織或器官的替換、改善、修復(fù)功能的實(shí)現(xiàn)主要依賴通用生物醫(yī)用材料和組織工程生物醫(yī)用材料，而治療功能主要通過(guò)先進(jìn)控制釋放系統(tǒng)達(dá)成。二、生物醫(yī)用材料材料分類1、金屬材料金屬材料是最早應(yīng)用于生物醫(yī)用領(lǐng)域的材料之一，具有高強(qiáng)度、高韌性以及良好的加工性能等特點(diǎn)，常見(jiàn)的有不銹鋼、鈷基合金、鈦合金等。不銹鋼以其低成本和良好的加工性能、力學(xué)性能，在口腔醫(yī)學(xué)、骨折內(nèi)固定器械、人工關(guān)節(jié)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。1926年，18%Cr-8%Ni型不銹鋼（AISI304）首先被用作骨科植入材料，隨后在口腔科中也得到應(yīng)用。到1952年，含有2%Mo的AISI316不銹鋼在臨床上獲得應(yīng)用，并逐漸取代了304不銹鋼。為了解決不銹鋼的晶間腐蝕問(wèn)題，20世紀(jì)60年代，具有良好生物相容性、力學(xué)性能和更優(yōu)耐腐蝕性能的超低碳不銹鋼AISI316L和AISI317L開(kāi)始在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中得到應(yīng)用。醫(yī)用不銹鋼特別是植入用不銹鋼，其中的Ni和Cr等合金元素含量均高于普通不銹鋼，S和P等雜質(zhì)元素含量要低于普通不銹鋼。然而，醫(yī)用不銹鋼也存在一些問(wèn)題，如高密度、高強(qiáng)度以及高彈性模量等特性會(huì)因與骨組織的力學(xué)性能相差較大而導(dǎo)致力學(xué)相容性不夠匹配，從而引起應(yīng)力遮擋效應(yīng)，易導(dǎo)致骨質(zhì)疏松、骨吸收等現(xiàn)象發(fā)生；在生物環(huán)境中，不銹鋼還存在腐蝕或磨蝕問(wèn)題，腐蝕可能會(huì)對(duì)不銹鋼力學(xué)性能和生物相容性產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響，不僅會(huì)影響到材料或器件的使用壽命，還可能由于金屬溶出物引起種植體周圍組織的局部壞死和炎癥反應(yīng)。鈷基合金通常指Co-Cr合金，有Co-Cr-Mo合金和Co-Ni-Cr-Mo合金2種基本牌號(hào)，其微觀組織為鈷基奧氏體結(jié)構(gòu)，能夠鍛造或鑄造，機(jī)械性能和耐蝕性優(yōu)于不銹鋼，是現(xiàn)階段比較優(yōu)良的生物醫(yī)用金屬材料。鍛造鈷基合金用于制造關(guān)節(jié)替換假體連接件的主干，如膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)替換假體等。美國(guó)材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)推薦了4種可在外科植入中使用的鈷基合金：鍛造Co-Cr-Mo合金（F76）、鍛造Co-Cr-W-Ni合金（F90）、鍛造Co-Ni-Cr-Mo合金（F562）、鍛造Co-Ni-Cr-Mo-W-Fe合金（F563），其中F76和F562已廣泛用于植入體制造。不過(guò)，合金中Co、Ni等離子的溶出，也會(huì)引起過(guò)敏和毒性反應(yīng)，造成組織壞死和植入物的松動(dòng)。鈦合金具有良好的耐蝕性、力學(xué)性能和生物相容性，成為最具發(fā)展前景的醫(yī)用金屬材料。純鈦無(wú)毒、質(zhì)輕、強(qiáng)度高、生物相容性好，20世紀(jì)50年代美國(guó)和英國(guó)開(kāi)始把純鈦用于生物體，20世紀(jì)60年代后，鈦合金開(kāi)始作為人體植入材料而廣泛應(yīng)用于臨床。從最初的Ti-6Al-4V到隨后的Ti-5Al-2.5Fe和Ti-6Al-7Nb合金以及近些年發(fā)展起來(lái)的新型β鈦合金，鈦合金在人體植入材料方面的研究獲得了較快的發(fā)展。但醫(yī)用鈦合金的生物相容性長(zhǎng)期以來(lái)沒(méi)有形成綜合的、標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)體系，研究目標(biāo)針對(duì)性不強(qiáng)，影響了醫(yī)用鈦合金材料的研發(fā)和應(yīng)用。例如，Ti-6Al-4V雖然力學(xué)性能優(yōu)于純鈦，其中Al和V卻具有潛在毒性，因此將來(lái)的應(yīng)用將受到限制，目前對(duì)于Ti-6Al-4V的研究主要集中在Al和V的替代以及耐蝕性的影響因素上。2、高分子材料高分子材料在生物醫(yī)用領(lǐng)域的應(yīng)用極為廣泛，可分為非降解型和可降解型。非降解型醫(yī)用高分子材料主要包括聚氨酯、硅橡膠、聚乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯等，它們大多化學(xué)穩(wěn)定性好，具有良好的耐化學(xué)藥品及耐有機(jī)溶劑的性能。這類材料廣泛用于韌帶、肌腱、皮膚、血管、人工臟器、骨和牙齒等人體軟、硬組織及器官的修復(fù)和制造、粘合劑、材料涂層、人工晶體等，但其大多數(shù)不具有生物活性，與組織不易牢固結(jié)合，易導(dǎo)致毒性、過(guò)敏性等反應(yīng)。以聚氯乙烯為例，其聚合度約在590-1500（BP數(shù)均分子量約為3.6-9.3萬(wàn)），可溶于二甲基甲酰胺、環(huán)己酮、四氫呋喃等溶劑，機(jī)械性能和電性能良好，但耐光和熱的穩(wěn)定性較差，軟化點(diǎn)為80℃，于130℃開(kāi)始分解變色，析出氯化氫。聚氯乙烯制品分為軟制品和硬制品兩類，常用鄰苯二甲酸二丁酯、鄰苯二甲酸二辛酯等增塑劑改善其性質(zhì)，但增塑劑能使聚氯乙烯的抗張強(qiáng)度降低。21世紀(jì)以來(lái)發(fā)現(xiàn)單體氯乙烯有致癌毒性，許多國(guó)家規(guī)定醫(yī)用及食品包裝用聚氯乙烯制品的氯乙烯殘留量必須小于1ppm，溶出量小于0.05ppm。聚四氟乙烯有“塑料王”之稱，是最好的耐高溫塑料，結(jié)晶熔點(diǎn)高達(dá)327℃，幾乎完全是化學(xué)惰性的，具有自潤(rùn)滑性或非粘性，不易被組織液浸潤(rùn)，具有優(yōu)良的耐化學(xué)藥品性能、電性能、表面性能與物理機(jī)械性能，不易凝血、植入后組織反應(yīng)小，廣泛用于人工器官與組織修復(fù)材料、醫(yī)用縫合線、醫(yī)療器械材料等方面?？山到庑透叻肿硬牧先缒z原、脂肪族聚酯、甲殼素、纖維素、聚氨基酸、聚乙烯醇、聚乳酸、聚己內(nèi)酯、聚磷腈等，能在生理環(huán)境中發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，且降解產(chǎn)物能通過(guò)正常的新陳代謝被機(jī)體吸收或排出體外，主要用于藥物釋放載體及非永久性植入器械。例如，聚乳酸（PLA）具有良好的生物相容性和可降解性，其降解產(chǎn)物為乳酸，可參與人體的新陳代謝，被廣泛應(yīng)用于縫合線、骨固定材料、藥物緩釋載體等領(lǐng)域。在人工器官方面，醫(yī)用高分子材料發(fā)揮著重要作用。例如，硅橡膠具有無(wú)毒、無(wú)腐蝕、不引起凝血、不致癌、不致敏，注入或在人體內(nèi)使用后不會(huì)引起周圍組織炎癥和變態(tài)反應(yīng)等特性，與人的機(jī)體相容性好，并可耐受苛刻的消毒條件，是一種理想的醫(yī)用高分子材料，常用于制造人造瓣膜、人造心臟、人造血管等。在藥物載體領(lǐng)域，高分子材料可實(shí)現(xiàn)藥物的控釋與靶向輸送，提高藥物療效，降低毒副作用。如聚乳酸-羥基乙酸共聚物（PLGA）制成的納米粒可包裹抗癌藥物，實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤組織的靶向遞送，增強(qiáng)治療效果。3、復(fù)合材料復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料通過(guò)物理或化學(xué)的方法組合而成，兼具多種材料的優(yōu)勢(shì)，能夠克服單一材料的局限性，在生物醫(yī)用領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的性能。常見(jiàn)的生物醫(yī)用復(fù)合材料包括纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料等。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料以其高強(qiáng)度、高模量以及良好的生物相容性備受關(guān)注。例如，連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮（PEEK）復(fù)合材料，國(guó)內(nèi)已有企業(yè)將其用于制作骨外固定器中的連接桿，該復(fù)合材料強(qiáng)度極高，表現(xiàn)出重量輕、X光射線通透性好等優(yōu)異性能，生物相容性較好，與人體長(zhǎng)期接觸安全無(wú)害，其彈性模量接近人體皮質(zhì)骨，而拉伸強(qiáng)度優(yōu)于傳統(tǒng)金屬材料如317L不銹鋼和鈦合金，承載能力強(qiáng)，固定牢靠，應(yīng)用后骨折愈合快，患者使用輕便，負(fù)擔(dān)小，有望替代金屬材料，成為新型的骨修復(fù)材料。連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚烯烴復(fù)合材料作為體內(nèi)植入材料，對(duì)骨折內(nèi)固定及促進(jìn)愈合的效果較好，且在放射性診斷和治療過(guò)程中優(yōu)勢(shì)突出，由于碳原子序數(shù)較低，射線對(duì)其作用效果與人體相當(dāng)，在放射性定位診斷過(guò)程中，碳纖維植入物對(duì)圖像質(zhì)量影響很小，在放射性治療中，等劑量的射線穿過(guò)碳纖維植入物后衰減遠(yuǎn)小于不銹鋼和鈦合金植入物，不會(huì)造成射線的衰減，進(jìn)而導(dǎo)致骨腫瘤的放射劑量不足。陶瓷基復(fù)合材料將陶瓷的高硬度、耐磨性與其他材料的韌性相結(jié)合，提升了材料的綜合性能。比如，在生物陶瓷中加入碳纖維或聚合物纖維制成的復(fù)合材料，既保留了生物陶瓷良好的生物相容性和與人體骨骼成分相似的特性，又增強(qiáng)了其力學(xué)強(qiáng)度，可用于骨缺損修復(fù)、人工關(guān)節(jié)表面涂層等領(lǐng)域，為骨科治療提供了更優(yōu)質(zhì)的解決方案。金屬基復(fù)合材料以金屬為基體，加入陶瓷、纖維等增強(qiáng)相，使材料兼具金屬的優(yōu)良加工性能和增強(qiáng)相的特殊性能。例如，鈦基復(fù)合材料，在鈦合金中加入硼纖維、碳化硅纖維等增強(qiáng)相，提高了材料的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，同時(shí)保持了鈦合金良好的生物相容性，適用于制造高性能的骨科植入物和牙科修復(fù)材料。這些復(fù)合材料在骨科、牙科、心血管等多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。在骨科領(lǐng)域，可用于制造人工關(guān)節(jié)、骨折固定器械、骨缺損修復(fù)材料等，通過(guò)優(yōu)化材料的力學(xué)性能和生物相容性，更好地滿足臨床需求，促進(jìn)骨骼的修復(fù)與再生；在牙科領(lǐng)域，用于牙種植體、烤瓷牙等修復(fù)材料，提高修復(fù)效果和使用壽命；在心血管領(lǐng)域，可制備血管支架等介入器械，具備良好的生物相容性和力學(xué)性能，減少再狹窄等并發(fā)癥的發(fā)生。4、無(wú)機(jī)材料無(wú)機(jī)材料在生物醫(yī)用領(lǐng)域具有獨(dú)特的地位，主要包括生物陶瓷、生物玻璃等，它們以良好的生物相容性、化學(xué)穩(wěn)定性和與人體組織的相似性為特點(diǎn)。生物陶瓷是一類用作修復(fù)和重建人體患病或受損部位的陶瓷材料，由于其具有良好的生物相容性和與人體骨骼成分相似等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，逐步從骨填充替代材料發(fā)展到骨組織工程材料，是組織工程材料的研發(fā)重點(diǎn)。羥基磷灰石（HA）是最常見(jiàn)的生物陶瓷之一，其化學(xué)成分與人體骨骼中的無(wú)機(jī)成分相似，因此具有極高的生物相容性和生物活性，被廣泛用于骨缺損修復(fù)、骨折固定等領(lǐng)域，可作為骨移植材料，提供穩(wěn)定的物理和化學(xué)環(huán)境，促進(jìn)骨組織的再生。生物活性玻璃（BG）是一種硅酸鹽玻璃，能夠在植入體內(nèi)后與骨組織形成牢固的化學(xué)結(jié)合，促進(jìn)骨組織的生長(zhǎng)，可用于骨缺損填充、人工關(guān)節(jié)涂層等。三鈣磷酸鹽（TCP）是一種可降解的生物陶瓷，能夠在骨組織修復(fù)過(guò)程中逐漸被吸收，為新骨的形成提供空間，適用于兒童骨缺損修復(fù)等對(duì)骨生長(zhǎng)速度要求較高的場(chǎng)景。硅酸鈣（CS）是一種具有良好生物相容性的生物陶瓷，能夠促進(jìn)骨細(xì)胞的增殖和分化，加速骨缺損的修復(fù)。生物玻璃具有獨(dú)特的生物活性和可降解性，在與人體體液接觸時(shí)，能夠在表面形成一層具有生物活性的羥基磷灰石層，進(jìn)而與周圍組織形成化學(xué)鍵合，促進(jìn)細(xì)胞黏附、增殖和分化。例如，45S5生物玻璃，其組成為45%SiO?、24.5%Na?O、24.5%CaO和6%P?O?，在植入體內(nèi)后，能迅速與體液發(fā)生反應(yīng)，釋放出鈣、磷等離子，這些離子可促進(jìn)周圍組織的礦化，引導(dǎo)骨組織生長(zhǎng)，常用于牙周骨缺損修復(fù)、中耳骨修復(fù)等小型骨缺損修復(fù)場(chǎng)景。然而，生物陶瓷和生物玻璃也面臨一些挑戰(zhàn)，如生物陶瓷的機(jī)械性能通常低于金屬和聚合物材料，這限制了它們?cè)诔惺芨哓?fù)荷的骨缺損修復(fù)中的應(yīng)用；其降解速率需要與骨組織的生長(zhǎng)速率相匹配，過(guò)快或過(guò)慢的降解速率都可能影響骨缺損的修復(fù)效果；生物玻璃的制備工藝相對(duì)復(fù)雜，成本較高，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。為了克服這些挑戰(zhàn)，科研人員正在通過(guò)材料設(shè)計(jì)、表面改性技術(shù)、開(kāi)發(fā)新的制造技術(shù)等手段，不斷優(yōu)化無(wú)機(jī)材料的性能，拓展其應(yīng)用范圍。5、再生材料再生材料源于天然生物體組織，經(jīng)過(guò)特殊處理后保留了生物活性成分，具有獨(dú)特的生物相容性和誘導(dǎo)組織再生的能力，能夠更好地與人體自身組織融合，減少免疫排斥反應(yīng)。與其他材料相比，再生材料的最大優(yōu)勢(shì)在于其生物活性和組織特異性。例如，脫細(xì)胞基質(zhì)材料，是通過(guò)去除組織中的細(xì)胞成分，保留細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的結(jié)構(gòu)和生物活性分子，如膠原蛋白、纖連蛋白、生長(zhǎng)因子等。這些ECM成分能夠?yàn)榧?xì)胞提供天然的生長(zhǎng)環(huán)境，引導(dǎo)細(xì)胞黏附、遷移、增殖和分化，促進(jìn)受損組織的修復(fù)與再生。在皮膚修復(fù)領(lǐng)域，脫細(xì)胞真皮基質(zhì)可作為創(chuàng)面覆蓋材料，為皮膚細(xì)胞的再生提供支架，加速創(chuàng)面愈合，減少瘢痕形成；在神經(jīng)修復(fù)方面，脫細(xì)胞神經(jīng)基質(zhì)能夠?yàn)樯窠?jīng)細(xì)胞的生長(zhǎng)提供導(dǎo)向，促進(jìn)神經(jīng)再生，有望改善神經(jīng)損傷患者的預(yù)后。來(lái)源于同種異體或異種異體的組織工程材料也是再生材料的重要組成部分。經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的處理工藝，去除免疫原性成分后，這些材料保留了組織的天然結(jié)構(gòu)和部分功能，可直接用于組織修復(fù)。例如