生物医用材料现状和发展趋势

第一篇：生物医用材料现状和发展趋势

生物医用材料现状和发展趋势

一、生物医用材料概述

生物医用材料(Biomedical Materials)，又称生物材料(Biomaterials)，是用于诊断、治疗、修复或替换人体组织或器官或增进其功能的一类高技术新材料，可以是 天然的，也可以是合成的，或是它们的复合。生物医用材料不是药物，其作用不必通过药理学、免疫学或代谢手段实现，为药物所不能替代，是保障人类健康的必需 品，但可与之结合，促进其功能的实现。按国际惯例，其管理划属医疗器械范畴，所占医疗器械市场份额>40%。

生物医用材料的研究与开发必须有明确的应用目标，即使化学组成相同的材料，其应用目的不同，不仅结构和性质要求不同，制造工艺也不同。因此，生物医用材料 科学与工程总是与其终端应用制品(一般指医用植入体)密不可分，通常谈及生物医用材料，既指材料自身，也包括医用植入器械。

按材料的组成和结构，生物医用材料可分为医用金属、医用高分子、生物陶瓷、医用复合材料、生物衍生材料等。按临床用途，可分为骨科材料，心脑血管系统修复 材料，皮肤掩膜、医用导管、组织粘合剂、血液净化及吸附等医用耗材，软组织修复及整形外科材料，牙科修复材料，植入式微电子有源器械，生物传感器、生物及 细胞芯片以及分子影像剂等临床诊断材料，药物控释载体及系统等。

尽管现代意义上的生物医用材料仅起源于上世纪40年代中期，产业形成在上世纪80年代，但是由于临床的巨大需求和科学技术进步的驱动，却取得了巨大的成 功。其应用不仅挽救了数以千万计危重病人的生命，显著降低了心血管病、癌症、创伤等重大疾病的死亡率，而且极大地提高了人类的健康水平和生命质量。同时其 发展对当代医疗技术的革新和医疗卫生系统的改革正在发挥引导作用，并显著降低了医疗费用，是解决当前看病难、看病贵及建设和谐稳定的小康社会的重要物质基 础。

伴随着临床应用的巨大成功，一个高技术生物医学材料产业已经形成，且是一个典型的低原材料消耗、低能耗、低环境污染(一个售价5000余元的药物洗脱冠脉 支架，其不锈钢用量仅≈100mg，全球不锈钢用量不超过1吨)、高技术附加值(知识成本可达总成本的50-70%)的新兴产业，近十余年来以高达20% 以上的年增长率持续增长，即使近年国际金融危机导致世界经济衰退，2009年美国医疗器械产业仍保持7%的年增长率，表明其发展受外部环境影响很小，对国 家经济及安全具有重大意义，是世界经济中最具生气的朝阳产业。

生物医用材料是当代科学技术中涉及学科最为广泛的多学科交叉领域，涉及材料、生物和医学等相关学科，是现代医学两大支柱—生物技术和生物医学工程的重要基 础。由于当代材料科学与技术、细胞生物学和分子生物学的进展，在分子水平上深化了材料与机体间相互作用的认识，加之现代医学的进展和临床巨大需求的驱动，当代生物材料科学与产业正在发生革命性的变革，并已处于实现意义重大的突破的边缘─再生人体组织，进一步，整个人体器官，打开无生命的材料转变为有生命的 组织的大门。在我国常规高技术生物医用材料市场基本上为外商垄断的情况下，抓住生物材料科学与工程正在发生革命性变革的有利时机，前瞻未来20-30年的 世界生物材料科学与产业，刻意提高创新能力，不仅可为振兴我国生物材料科学与产业，赶超世界先进水平赢得难得的机遇，且可为人类科学事业的发展做出中国科 学家的巨大贡献。

二、国外生物医用材料产业和技术现状及发展趋势

1、产业现状、规模、竞争优势及发展趋势

随着人口老龄化、中、青年创伤的增加，高技术的注入，以及人类对自身健康的关注度随经济发展提高，生物医用材料产业高速发展。2000-2010年全球市 场复合增长率(CAGR)高达22%以上，2010年全球市场达US20亿元，预计2009-2020年市场CAGR可保持15%左右，2015年世界市 场可达US50余亿元，2020年达US40余亿元，与此同时带动相关产业(不含医疗)新增产值约3倍，2015年和2020年直接和间接销售总额分别可 达4×US50亿元≈US200余亿元，和US560余亿元。与2010年相比，2015和2020可新增工作岗位分别达200余万个和600余万个(按 美国医疗器械产业每新增1个岗位，将另增1.5个配套产业岗位，2010年全球工作岗位≈250万个计)(图1)。同时，它亦是世界贸易中最活跃的领域，年贸易额复合增长率达25%，正在成长为世界经济的一个支柱性产业。

全球最大的医疗器械生产和消费国家是美国，2010年它占全球市场的40%左右，消费全球产品的37%，年增长率约8%；由于经济发达，社会医疗保障体系 健全，欧盟成为全球第二大医疗器械市场，占有全球市场份额的29%；亚太地区是全球第三大市场，占有18%的市场份额，其中日本是亚-太地区医疗技术最先 进且发展最快速的国家，是世界第三大医疗器械消费国，我国和印度则最具备成长潜力与空间，因拥有最多的人口，且其医疗保健系统正在发展当中尚未成熟，东南 亚国家的医疗保健系统也还有很大的改善空间，因此市场也将持续成长；拉丁美洲是另一个成长最迅速的区域，墨西哥、巴西、阿根廷和智利等国家都逐步向工业化 国家发展，预估未来对医疗器械的需求也将会保持较大速度增长。(The value of medical technology companies in a competities environment connections, 2011.07.03)。

生物医用材料及植入器械产业是学科交叉最多、知识密集的高技术产业，其发展需要上、下游知识、技术和相关环境的支撑，多数聚集在经济、技术、人才较集中或 临床资源较丰富的地区，产业高度集聚是发达国家医用生物医用材料产业的重要特点。如美国集聚于技术资源丰富的硅谷、128号公路科技园、北卡罗来纳研究三 角园，以及临床资源丰富的明尼阿波利斯及克利夫兰医学中心等；德国聚集于巴州艾尔格兰、图林根州等地区；日本聚集于筑波、神奈川、九州科技园等。

产业高度集中(垄断)，产品多样或多角化是生物医用材料产业发展的又一特点和趋势。

2010年世界医疗器械产业由27000个医疗器械公司构成，其中90%以上为中小企业。发达国家的中小企业主要从事新产品、新技术研发，通过向大公司转 让技术或被大公司兼并维持生存。大规模产品生产及市场运作基本上由大公司进行。不同于我国医疗器械企业“多、小、散”，发达国家医疗器械产业已形成“寡 头”统治的局面，全球市场也呈现类似的格局。2009年，排名前50位的跨国大公司占有全球医疗器械市场的88%，其中排名前25位的公司占有 75%；2008年6家美、英公司：DePuy，Zimmer，Stryker，Biomet，Medtronic，Synthes Mathys和Smith&Nephew占有全球骨科材料和器械市场的≈75%，其中前4家美国公司和英国Smith&Nephew公司 占有人工关节市场的90%；6家大公司：Johnson&Johnson，Abbott，Boston Scientific，Medtronic，CR Bard(美国)，Terumo(日本)公司占有心脑血管系统修复材料及植(介)入器械市场的80-90% ；5家大公司：Baxter International(美国)，Fresenius(德国)，Gambro(瑞典)，Terumo和AsahiMedia(日本)占有血液净化及体 外循环系统材料和装置市场的80%；牙种植体和牙科材料市场基本上为Straumann(瑞士)，Dentsply International(美国)，Nobel Biocare(德国)和Osstem(韩国)等大公司所垄断。为提高市场竞争力，保持优势，世界医疗器械行业的兼并和整合一直在进行，仅 1998-2009期间，美国行业年均兼并收购达200起，行业集中度或垄断度不断提高是生物医用材料产业发展的一个重要趋势。

生物医用材料产业不同于家电或通讯行业，单一产品的市场容量不大，绝大部分单一产品销售额小于US0亿元。为提升企业市场竞争力，回避风险，发展壮大企 业，国外跨国公司已从最初的较单一产品生产，通过企业内部技术创新和并购其它企业，不断进行产品生产线延伸和扩大，实现多品种生产。例 如，2004-2009年美国GE公司相关并购次数达59次；再如成立于1949年的国际第四大医疗器械生产企业美敦力公司，已从最初的心脏起搏器生产发 展成为多品类产品生产，产品覆盖了心律失常、心衰、血管疾病、人工心瓣膜、体外心脏支持系统、微创心脏手术、恶性及非恶性疼痛、运动失调、糖尿病、胃肠疾 病、脊柱病、神经系统疾病及五官科手术治疗等多个领域疾病治疗的产品，公司年销售额从1968年的US00万元增长到2010年的US9亿元，收入复合增 长率已达11%，利润复合增长率达10%，近几年来公司大部分收入均来自新产品销售，大约2/3的销售额来自过去三年研制和发展的新产品，研发经费投入达 销售额的10%，1999-2011年公司并购支出总金额达US3亿元(表1)。

生产和销售国际化是生物医用材料发展的突出趋势。几乎所有生物医用材料的大型企业均是跨国公司，其销售额的相当部分来自国际市场，如2010年美国强生公 司，销售额的40%(US2亿元)，Boston Scientific 销售额的46%(US.9亿元)，2011年美敦力销售额的43%(US.37亿元)，均来自境外市场。

为开拓国际市场，跨国公司通过向境外技术和资金输出，在国外建立子公司和研发中心，就地生产和研发。同时，为适应国际贸易的发展，国际标准化组织(ISO)不断制定和发布生物医用材料和制品的国际标准。

2、重点产品、核心技术及其发展趋势

生物医用材料产业的发展强烈依靠相关领域先进技术的支持及经济实力。美国医疗器械的高速发展及其在国际上的领先地位得力于其航天技术，生物技术，微电子技 术，精密加工技术，软件开发等领域为医疗器械产业发展提供的支撑，以及良好的政策环境。目前发达国家依靠其顶尖的科技创新和经济实力，主要生产技术含量高 的生物材料和植入器械，劳动密集型、资源消耗型企业已逐渐向海外转移，因此其技术装备非常先进。各种高档的加工中心、专用机床、激光微加工及涂层等设备已 装备于生物材料企业；自动化、信息化技术已在生产中广泛应用；最先进的检验设备在大公司中随处可见。先进的技术装备确保了其产品的先进性及市场的垄断地 位。

生物医用材料产业是一个新兴的产业，其产品和技术更新换代周期短，通常仅10年左右，为保持技术的先进性和产品的市场竞争力，技术创新和升级是其生存和进 一步发展的基础。为此，发达国家企业在研究与开发方面的投入不断增大，仅次于新药研发，高达其销售额的11%-13%，且持续增长(图2)。

生物医学材料的应用虽已取得极大成功，但是，长期临床应用亦暴露出不少的问题，突出表现在功能性、免疫性、服役寿命等不能很好地满足临床应用的要求。如人 心瓣膜植入12年后死亡率达58%，血管支架植入后血管再狭窄率达≈10%，人工关节有效期老年组为12-15年，中青年组仅≈5年等，根本原因是材料或 植入体基本上以异物存在体内。当代医学对于组织及器官的修复，已向再生和重建人体组织或器官、或恢复和增进其生物功能，个性化和微创伤治疗等方向发展，传 统的生物医学材料已难于满足临床要求。赋予材料生物结构和生物功能，充分调动人体自我康复的能力，再生和重建被损坏的人体组织或器官，或恢复和增进其生物 功能，实现被损坏的组织或器官的永久康复，已成为当代生物医学材料的发展方向。主要前沿领域集中于：可诱导被损坏的组织或器官再生的材料和植入器械(包括 组织工程化产品)；以及用于治疗难治愈疾病、恢复和增进组织或器官生物功能的药物和生物活性物质(疫苗、蛋白、基因等)靶向控释载体和系统等。生物医学材 料及植入器械的前沿研究正在不断取得重大进展，美国FDA已批准7个组织工程化产品上市，中国SFDA已批准可诱导骨再生的骨诱导人工骨及组织工程化皮肤 上市，并颁布了七个组织工程化产品标准，一大批可再生组织的植入器械正在国内外临床试验中。前沿研究已面临实现重大突破的边缘—设计和制造有生命的人体组 织，进一步整个人体器官。其发展和应用已催生一个新的学科—再生医学，预计再生医学的发展将萌生一个再生医学产品的新产业，未来20年内其市场销售额将突 破US00亿元。再生医学产品主要由干细胞、以生物材料为支架的组织工程化组织和器官、以及可供移植的生物组织和器官所构成，生物医用材料是其发展的基 础。

虽然前沿研究正在取得重大进展，但是由于技术及其他原因，传统材料至少仍将是未来20-30年内生物医学工程产业的基础和临床应用的重要材料。传统生物医 学材料生物学性能的改进和提高，亦是当代生物医用材料发展的另一个重点。生物医用材料植入体内与机体的反应首先发生于植入材料的表面/界面，即材料表面 /界面对体内蛋白/细胞的吸附/黏附。传统材料的主要问题是对蛋白/细胞的随机吸附/黏附，包括蜕变蛋白的吸附，从而导致炎症、异体反应、植入失效。控制 材料表面/界面对蛋白的吸附、进而细胞行为，是控制和引导其生物学反应、避免异体反应的关键。因此，深入研究生物材料的表面/界面，发展表面改性技术及表 面改性植入器械，是现阶段改进和提高传统材料的主要途径，也是发展新一代生物医用材料的基础。

可以预料，在未来20~30年内，生物医用材料和植入器械科学和产业将发生革命性变化：一个为再生医学提供可诱导组织或器官再生或重建的生物医用材料和植 入器械新产业将成为生物医用材料产业的主体；表面改性的常规材料和植入器械作为其重要的补充。保守估计，2030年左右两者可能导致世界高技术生物材料市 场增长至≈US.5万余亿元，与此相应，带动相关产业新增间接经济效益可达US.5万余亿元。

在生物医用材料产业现状、规模、竞争优势及其发展趋势引导下，当代生物医用材料重点发展的产品和核心技术包括：

（1）、组织诱导性生物医用材料，以及赋予材料诱导组织再生的设计和工程化制备技术。所谓组织诱导性生物材料是指可通过材料自身优化设计，而不是外加生长 因子或活体细胞，刺激细胞沿特定组织细胞系分化，形成特定组织的材料。这是在中国科学家原创性理论基础上发展出的新一代生物医用材料。目前诱导骨形成的人 工骨已在中国取证上市，美国等正在新建企业投入生产。进一步的发展集中于软骨、皮肤、肌腱、神经等非骨组织诱导性材料的设计及其制备工艺，预计5-10年 内后者将陆续上市。

（2）、组织工程化制品。美国FDA已批准组织工程化皮肤及软骨等7个产品上市，中国SFDA亦批准了组织工程皮肤上市，产业已开始形成。当前最有希望突 破的是骨、软骨、肌腱、角膜、神经等组织工程化制品及组织工程化人工肝和肾。优选支架材料并优化其制备工艺，干细胞和成体细胞的提取和体外传代、增殖、模 拟生物环境的体外细胞培养，以及生长因子的提取及生物衍生材料免疫原性消除和防钙化技术是其发展的关键核心技术。预计未来10年内，组织工程产业将初步形 成，并萌生一个US0亿元的市场。

（3）、材料表面改性以及表面改性植入器械的设计和制备的工程化技术，包括增进骨、牙等植入器械表面生物活性的表面生物活化技术；增进血液接触材料和器械 的表面抗凝血及防组织增生改性技术；赋予表面抗菌、抗磨损、选择性固定生物分子等的表面功能化技术等，以及植入器械形态结构设计系统及软件开发等。

（4）、用于微创或无创治疗的介/植入治疗器械和辅助器械，如血管支架、介/植入治疗辅助器械等。虽然用于心血管系统的血管支架及辅助器械已产业化并用于 临床，但其性能还需不断改进和提高。例如前几年盛行的药物洗脱支架，国外用量正在减少，可降解支架的研发可能导致血管支架的更新换代。关键技术是植入器械 的精密和微加工，以及表面抗凝血和防组织增生的改性等技术。同时，新的应用领域还有待进一步开拓，其发展有着很大的空间和市场。

（5）、生物衍生材料和生物人工器官。材料和植入器械的组成和结构越是接近于人体组织越能为人体所接受，最好的生物材料就是人体自身的组织。因此，生物仿 生是发展具有生物结构和生物功能的生物材料的最佳途径。来自动物的动物组织及其衍生的材料和生物人工器官是当代生物材料产业的一个重点。医用胶原、透明质 酸钠、几丁糖、丝素蛋白和制品、生物人工瓣膜、异体及异种组织修复片已在临床广泛应用并已产业化生产，但是质量和品种有待进一步提高和扩大，核心技术是动 物组织及其衍生材料免疫原性消除和防钙化等的工程化技术。

（6）、纳米生物医用材料、植入器械和软纳米技术，包括纳米涂层等。从材料学观点人体组织可视为纳米复合材料。纳米生物医用材料制备技术及其生物学效应，包括生物学风险试验和评价，是研究和发展的重点。人体自身形成的具有纳米结构的组织并未表现出生物学风险，因此模拟生理条件下人体组织形成的纳米生物材料 装配和合成技术，即软纳米技术，是发展纳米生物医用材料的关键技术。纳米羟基磷灰石—聚合物复合人工骨已在我国取证上市。未来10年左右，纳米生物医用材 料和器件，包括纳米药物控释载体和系统产业会有一个大的发展。

（7）、与信息和电子学技术相结合的有源植入或部分植入器械。如生物芯片、人工耳蜗、神经调节与刺激装置、可植入的生物传感器、心脏起搏器等。这类器械既 可用于离体和在体细胞及细胞内蛋白和基因的实时、动态检测，早期发现重大疾病，又可用于中枢神经系统功能恢复、治疗（如帕金森等中枢神经系统病的治疗）、心律管理和调节等，国际上正在大力发展并已用于临床，中国基本上属起步阶段。这类器械的发展将为生物材料产业开拓新的市场和空间。关键核心技术是精密微加 工，包括表面微图案加工、高灵敏度弱电信号检测、生理环境响应传感器的设计和制备、以及长寿命微电池的研发和制备等技术。

（8）、通用基础生物医用材料的原材料的开发和质量控制技术。迄今的生物医用材料基本上是移用其它高技术材料，生物学基础研究薄弱，是导致临床应用出现问 题的主要原因。提高材料的生物相容性和质量稳定性、研发新的原材料，如可降解医用镁合金、丝素蛋白等，对生物材料的发展有很大意义。

（9）、计算机辅助仿生设计及快速成型的生物制造及设备，包括精密加工及自动化生产技术、个性化植入器械的制备技术、组织工程化仿生活体器械的快速成型和 制备技术等。其发展可为临床提供一批生物制造设备，如口腔临床椅旁计算机设计及假牙快速成型设备，还可提高同类产品的技术附加值。

（10）、除上述产品外，生物医用材料和植入器械的封装、灭菌、消毒和储存技术，可生物降解和吸收医用高分子设计和合成技术等亦是正在发展的关键技术之一。

三、国内产业、技术现状和发展趋势

1、国内生物医用材料发展概况及特点

经过近十年的发展，我国现代生物医用材料产业已具雏形，并进入高速发展阶段，其概况及主要特点如下：

（1）、产业高速发展

2008-2010年我国生物医用材料的复合增长率高达30%，远高于国际市场的22%，2010年市场已近US0亿元，保守估计2015年和2020年 年销售额可分别达到US0亿元和US55亿元，所占世界市场份额可从6.5%快速提升至12%和22%，10年内成长为世界第二大生物医用材料市场（图 4）。

驱动我国生物医用材料产业高速发展的主要因素是：①人口老龄化。我国60岁以上的老龄人口持续攀升，2010年已占总人口的13.26%；2015年将攀 升至15%，达2亿。人体组织和器官均具有一定的寿命。人口老龄化将导致对生物医用材料的需求增加。②由于交通、体育等事业发展导致的中、青年创伤增加。2010年我国创伤住院人数已达总住院人数的第四位，交通事故造成的死亡人数已达创伤死亡总人数的第一位。③经济持续增长，人民生活水平提高、健康意识增 强，以及生活方式及疾病变化，特别是医改政策的实施，表2为我国城镇和农村家庭医疗费用支出情况，表3为我国糖尿病人数增加情况。④行业技术创新能力和技 术层次提升，促进产业向价值链上游转移。例如我国冠脉支架的国产率已从2001年的10%提高至2010年的76%，骨创伤器械65%实现国产化等。

（2）、国际市场地位不断提高

2010年我国医疗器械进出口总额已从2006年的US5.52亿元增长到2010年的US6.56亿元，年复合增长率高达21.05%，其中进口额从 US.81亿元增长至US.57亿元，出口额从US.71亿元增长至US6.99亿元，进、出口年复合增长率分别达16.53%和16.67%，出口额已 占医疗器械总销售额的大约58%，出口国家和地区达217个，出口的低值医用耗材已占全球医用耗材市场份额的60-70%（图5）。

（3）、科学、技术创新能力和产业技术层次快速提升

作为生物医用材料产业基础的“中国生物材料科学与工程”极为成功地登上了世界舞台，显著标志是四年一次的世界生物材料大会第九次大会于2012年6月在我 国成都举行。近十年来我国已初步形成以国家工程（技术）研究中心、企业创新中心、省部级工程中心和重点实验室为核心的、包括200余个单位的生物医用材料 科技创新体系；研发工作已从分散、重复逐步集中于学科和产业发展的方向和前沿，从跟踪、仿制开始进入原始创新。据统计，1999-2008年在44种 SCI收录的生物医学工程期刊上，我国学者发表的第一作者论文已居11个国家排名的第三位，年复合增长量名列16个国家和地区的第一；2010年在 “Biomaterials”、“J.BiomedicalMaterialsResearch”（美、日、澳学会联合会刊）、“MaterialsScience:MaterialsinMedicine”（欧洲学会会刊）、“Interface”（英皇家学会期刊）上发表的论 文数均名列第一；2003-2007年在世界15个国家和地区医疗器械专利优先权获得量排名第五。与此相应，一批国际生物医用材料前沿产品，如组织诱导性 骨和软骨、组织工程制品、植入性生物芯片、脑刺激电极、生物人工肝等几乎与国际研发同步或领先作出了样品，为进一步实施产业化、发展新的产业奠定了基础。一些原为进口品垄断市场的中高端产品近年来逐步实现了国产替代（表4）。

（4）、区位优势形成 我国已经形成了长三角、珠三角和京津环渤海湾等三大医疗器械产业聚集区。其中珠三角以研发生产综合性高技术医疗器械为主，包括有源植入性微电子器械、动物 源生物材料和人工器官等；长三角主要生产开发以出口为导向的中小型医疗器械，特别是骨科器械和牙科器械等；环渤海湾地区主要从事高技术数字化医疗器械的研 发生产，在医用高分子耗材、医用金属及植入器械等方面具有优势。三个集聚区已分别占全行业企业总数的21.02%，销售额的80%以上（中国经济信息 网，2010中国行业年度报告系列之医疗器械）。此外成都-重庆地区是新形的产业集聚区，在组织诱导性材料、表面改性植入器械、以及采血、储血（液）和输 血器械方面具有优势。

（5）、多元（品种）化生产的龙头企业已开始萌生

2009年我国医疗器械行业由16000余家企业构成，其中90%以上均为中小企业，年销售额>1亿元的企业占企业总数不到1%，国内排名前10位 的医疗器械企业所占行业市场份额仅18.45%，而国际排名前25位的公司占有全球市场份额的75%，行业集中度差，但与2005年国内排名前10位的公 司仅占市场份额8.5%相比，情况正在逐步好转。通过拓宽和延伸产品生产线、兼并其他企业和扩展海外市场，国内一些有实力的公司已开始实施多元化，即多品 种生产，公司销售额复合增长率大大提高，近十家生物医用材料生产企业已在证劵市场上市，一批年销售额逾或近10亿元的企业正在涌现（表5）。

（6）、管理日趋规范和完善

生物医用材料的使用直接关系到人的生命安全，生物安全性和可靠性，是其临床应用关注的首要问题。我国政府十分重视医疗器械和生物医用材料产品的质量，国务 院已于2000年颁布了《医疗器械监督管理条例》，国家食品药品监督局制定了一系列规章和规范性文件，努力完善产品标准，市场准入及上市后监督管理规范，并尽量使之与国际接轨，促进行业的国际化和实现医疗器械国际贸易的真正平等。

为完善生物医用材料产品标准确保产品质量，国家已相继建立了13个与生物医用材料相关的技术标准化委员会，负责标准的制订和修订，已制订和颁布医疗器械行 业标准629个、国家标准157个，特别是在组织工程化产品质量控制方面，我国已发布8个标准，和国际处于同一水平。我国早于20世纪80年代就是国际标 准化组织（ISO）成员，享有直接参与对口国际标准草案投票的权力，国际标准取标率已近80%，促进了医疗器械产品标准的国际化。

医疗器械检验机构是行政管理的技术支撑。目前经国家药监局认可的医疗器械检测机构已达到50家，基本满足了我国医疗器械检测和监督管理的需要。为确保产品 质量的安全性和可靠性，从2008年起，国家食品药品监督管理局对生物医学材料和植入器械的第三类医疗器械强制要求建立和执行GMP质量管理体系，使产品 标准和生产的质量管理符合国际规范，确保产品的质量和安全有效。

通过一系列措施的颁布和执行，我国生物医用材料的监督管理日趋完善，并正在加速与国际接轨。

2、存在的主要问题

（1）、产业规模小、技术装备落后、规模化生产企业尚未形成、缺乏市场竞争力。

我国人口占全球总人口的23%，但2010年我国生物医用材料的市场仅占全球市场大约6.5%，人均医疗器械年耗仅6美元，低于美国人均年耗309美元，瑞士人年耗519美元，远不能满足众多人口的需求。企业规模小、经济实力不强、相当部分的技术装备停留于上世纪80年代水平，不仅产品质量不能保证，且难 于形成规模化生产。2010年我国从事生物医用材料生产的企业约2400家，年平均销售额约US0万元/家，不足2007年美国同类企业平均年销售额的 14%，年销售额逾10亿元的企业仅寥寥数家，上亿元的企业仅30家左右，销售额排名前5位企业销售额总和所占国内生物医用材料总销售额仅≈10.2%，而国际上达37%，规模化生产尚未形成，市场竞争力低下。

（2）、科技成果转化能力低，产业技术创新能力不强，产品技术结构落后，技术高端产品70%以上依靠进口

我国生物材料科学与工程研究虽已进入国际先进水平，但成果工程化、产业化水平低，80-90%的成果仍保持在实验室；企业规模小、研发经费缺乏，2010 年本土企业研发经费平均仅占企业销售收入的1.77%。2011年医疗器械对外贸易出口额虽已达US7亿元，但外企占50%，三资企业占83%，且50% 出自对外加工贸易。国内整个医疗器械市场份额的65%被低、中端产品占有，其它35%高端医用设备和植入器械，国内企业介入不多。国内企业仅为中、低端产 品，高、中端产品的关键核心技术基本上为外商所控制，70%的高端产品依靠进口。

（3）、完整的产业链尚未形成 如前所述，我国已向全球提供60-70%的低值医用耗材，2011年占国内医疗器械出口额的24%≈US亿元，其中一次性无菌注射器是国际最大生产国，年 产85亿套，出口35亿套。但是迄今为止，我国一次性注射器及输液器所用的高分子材料仍主要为聚氯乙烯（PVC），其添加的增塑剂易从材料迁出进入人体，造成对肝脏、生殖系统、肾脏等多种器官的危害，我国食品行业早已禁用PVC作为食品包装，但却仍是医疗器械大宗使用的封装材料。与此同时，为保护环境，蒙 特利尔公约规定2015年前全球禁用环氧乙烷和溴甲烷，我国PVC器械的灭菌消毒均使用环氧乙烷，如果采用辐射灭菌会导致其颜色变黄，物理性能下降，迄今 尚无有效措施解决这一重大问题，将对我国一次性注射器、输液器等的生产造成致命影响。除此之外尚无医用级金属、高分子及其它高分子等的专门供应商，也无通 用基础原材料的国家或行业标准，从源头上妨碍了产业链的形成，是产业链尚未完整形成的一个典型。此外，生物医用材料和植入器械产业创新链，应当是政、产、学、研、医相结合，此种结合体制我国尚未有效形成。

（4）、缺乏产业化接轨机制，风险投资出口狭窄，融资渠道不畅通，缺乏成果产业化及企业技术改造资金，特别是相当长时间内，产业发展资金主要来源于国有商 业银行，其主要投资方向是国有大型企业，而不是以中小型企业为主的生物材料及植入器械企业，导致生物医用材料新产品、新技术产业化困难，企业技术改造资金 缺乏，从而生产装备落后，产品质量不高且稳定性差，影响了国产品的市场声誉。近年来，虽然风险投资渠道大有改善，但大宗来源于国外风险投资机构和大型跨国 企业，结果是虽然引进了产品和技术，弥补了国内的不足，但发展稍好的民营企业如微创、蒙太因等陆续为外资兼并或控股，转变为外资企业，加之国外大企业及财 团在中国大规模建厂实施就地生产，我国生物材料和植入器械产业外资化，已是十分需要关注的问题。

（5）、管理部门缺乏协调机制，未能形成统一的一盘棋的全面规划和管理机制，重复立项，多头管理常有所见；政策法规不健全，产品注册时间长，处理效率低，一些政策规定和灰色的行规不利于中资企业的发展。

第二篇：浅谈生物医用材料

浅谈生物医用材料

姓名：曹晓萌 学号：201540913001 学院班级：师范学院2015级学

前教育 手机号：*** 关键词： 生物医用材料 现状 发展前景 组织工程材料 纳米材料 介入治疗材料

一、生物医用材料概述

生物医用材料，又称生物材料，是用于诊断、治疗、修复或替换人体组织或器官或增进其功能的一类高技术新材料，可以是天然的，也可以是合成的，或是它们的复合。生物医用材料不是药物，其作用不必通过药理学、免疫学或代谢手段实现，为药物所不能替代，是保障人类健康的必需品，但可与之结合，促进其功能的实现。

生物医用材料的研究与开发必须有明确的应用目标，即使化学组成相同的材料，其应用目的不同，不仅结构和性质要求不同，制造工艺也不同。因此，生物医用材料科学与工程总是与其终端应用制品(一般指医用植入体)密不可分，通常谈及生物医用材料，既指材料自身，也包括医用植入器械。

尽管现代意义上的生物医用材料仅起源于上世纪40年代中期，产业形成在上世纪80年代，但是由于临床的巨大需求和科学技术进步的驱动，却取得了巨大的成功。其应用不仅挽救了数以千万计危重病人的生命，显着降低了心血管病、癌症、创伤等重大疾病的死亡率，而且极大地提高了人类的健康水平和生命质量。同时其发展对当代医疗技术的革新和医疗卫生系统的改革正在发挥引导作用，并显着降低了医疗费用，是解决当前看病难、看病贵及建设和谐稳定的小康社会的重要物质基础。

生物医用材料是当代科学技术中涉及学科最为广泛的多学科交叉领域，涉及材料、生物和医学等相关学科，是现代医学两大支柱—生物技术和生物医学工程的重要基础。由于当代材料科学与技术、细胞生物学和分子生物学的进展，在分子水平上深化了材料与机体间相互作用的认识，加之现代医学的进展和临床巨大需求的驱动，当代生物材料科学与产业正在发生革命性的变革，并已处于实现意义重大的突破的边缘─再生人体组织，进一步，整个人体器官，打开无生命的材料转变为有生命的组织的大门。在我国常规高技术生物医用材料市场基本上为外商垄断的情况下，抓住生物材料科学与工程正在发生革命性变革的有利时机，前瞻未来20-30年的世界生物材料科学与产业，刻意提高创新能力，不仅可为振兴我国生物材料科学与产业，赶超世界先进水平赢得难得的机遇，且可为人类科学事业的发展做出中国科学家的巨大贡献。

二、生物医用材料的分类

生物医用材料按用途可分为骨、牙、关节、肌腱等骨骼-肌肉系统修复材料，皮肤、乳房、食道、呼吸道、膀胱等软组织材料，人工心瓣膜、血管、心血管内插管等心血管系统材料，血液净化膜和分离膜、气体选择性透过膜、角膜接触镜等医用膜材料，组织粘合剂和缝线材料，药物释放载体材料，临床诊断及生物传感器材料，齿科材料等。

生物医用材料按按材料在生理环境中的生物化学反应水平分为惰性生物医用材料、活性生物医用材料、可降解和吸收的生物医用材料。

按材料的组成和结构，生物医用材料可分为医用金属、医用高分子、生物陶瓷、医用复合材料、生物衍生材料等。按临床用途，可分为骨科材料，心脑血管系统修复材料，皮肤掩膜、医用导管、组织粘合剂、血液净化及吸附等医用耗材，软组织修复及整形外科材料，牙科修复材料，植入式微电子有源器械，生物传感器、生物及细胞芯片以及分子影像剂等临床诊断材料，药物控释载体及系统等。

三、应用与发展前景

迄今为止 ,被详细研究过的生物材料已有一千多种，医学临床上广泛使用的也有几十种，涉及到材料学的各个领域。生物医用材料得以迅猛发展的主要动力来自人口老龄化、中青年创伤的增多、疑难疾病患者的增加和高新技术的发展。人口老龄化进程的加速和人类对健康与长寿的追求，激发了对生物医用材料的需求。目前生物医用材料研究的重点是在保证安全性的前提下寻找组织相容性更好、可降解、耐腐蚀、持久、多用途的生物医用材料。

1、组织工程材料面临重大突破

组织工程是指应用生命科学与工程的原理和方法，构建一个生物装置，来维护、增进人体细胞和组织的生长，以恢复受损组织或器官的功能。它的主要任务是实现受损组织或器官的修复和再建，延长寿命和提高健康水乎。其方法是，将特定组织细胞“种植”于一种生物相容性良好、可被人体逐步降解吸收的生物医用材料上，形成细胞－生物医用材料复合物；生物医用材料为细胞的增长繁殖提供三维空间和营养代谢环境；随着材料的降解和细胞的繁殖，形成新的具有与自身功能和形态相应的组织或器官；这种具有生命力的活体组织或器官能对病损组织或器宫进行结构、形态和功能的重建，并达到永久替代。近10 年来，组织工程学发展成为集生物工程、细胞生物学、分子生物学、生物医用材料、生物技术、生物化学、生物力学以及临床医学于一体的一门交叉学科。

生物医用材料在组织工程中占据非常重要的地位，同时组织工程也为生物医用材料提出问题和指明发展方向。由于传统的人工器官（如人工肾、肝）不具备生物功能（代谢、合成），只能作为辅助治疗装置使用，研究具有生物功能的组织工程人工器官已在全世界引起广泛重视。构建组织工程人工器官需要三个要素，即“种子”细胞、支架材料、细胞生长因子。最近，由于干细胞具有分化能力强的特点，将其用作“种子”细胞进行构建人工器官成为热点。组织工程学已经在人工皮肤、人工软骨、人工神经、人工肝等方面取得了一些突破性成果，展现出美好的应用前景。

2、生物医用纳米材料初见端倪

纳米生物材料，在医学上主要用作药物控释材料和药物载体。从物质性质上可以将纳米生物材料分为金属纳米颗粒、无机非金属纳米颗粒和生物降解性高分子纳米颗粒；从形态上可以将纳米生物材料分为纳米脂质体、固体脂质纳米粒、纳米囊（纳米球）和聚合物胶束。

纳米技术在90 年代获得了突破性进展，在生物医学领域的应用研究也不断得到扩展。目前的研究热点主要是药物控释材料及基因治疗载体材料。药物控释是指药物通过生物材料以恒定速度、靶向定位或智能释放的过程。具有上述性能的生物材料是实现药物控释的关键，可以提高药物的治疗效果和减少其用量和毒副作用。由于人类基因组计划的完成及基因诊断与治疗不断取得进展，科学家对使用基因疗法治疗肿瘤充满信心。基因治疗是导人正常基因于特定的细胞（癌细胞）中，对缺损的或致病的基因进行修复；或者导人能够表达出具有治疗癌症功能的蛋白质基因，或导人能阻止体内致病基因合成蛋白质的基因片断来阻止致病基因发生作用，从而达到治疗的目的。这是治疗学的一个巨大进步。基因疗法的关键是导人基因的载体，只有借助于载体，正常基因才能进人细胞核内。目前，高分子纳米材料和脂质体是基因治疗的理想载体，它具有承载容量大，安全性高的特点。近来新合成的一种树枝状高分子材料作为基因导人的载体值得关注。

此外，生物医用纳米材料在分析与检测技术、纳米复合医用材料、与生物大分子进行组装、用于输送抗原或疫苗等方面也有良好的应用前景。纳米碳材料可显著提高人工器官及组织的强度、韧度等多方面性能；纳米高分子材料粒子可以用于某些疑难病的介入诊断和治疗；人工合成的纳米级类骨磷灰石晶体已成为制备纳米类骨生物复合活性材料的基础。该领域未来的发展趋势是，纳米生物医用材料“部件”与纳米医用无机材料及晶体结构“部件”的结合发展，如由纳米微电子控制的纳米机器人、药物的器官靶向化；通过纳米技术使介入性诊断和治疗向微型、微量、微创或无创、快速、功能性和智能性的方向发展；模拟人体组织成分、结构与力学性能的纳米生物活性仿生医用复合材料等。

3、生物医用金属材料的开发势在必行

金属生物材料发展相对比较缓慢，但由于金属材料具有其他材料不能比拟的高机械强度和优良的疲劳性能，目前仍是临床上应用最广泛的承力植入物。目前的研究热点在镍钛合金和新型生物医用钛合金两个方向。发展方向在于用生物适应性优良的Zr、Nb、Ta、Pd、Sn 合金化元素取代钛合金中有毒性的Al、V 等。另外，可体液腐蚀吸收的生物医用镁合金的研究刚刚起步。

4、介入治疗材料研究异军突起

介入治疗是指在医学影像技术（如X线透视、CT、超声波、核磁共振）引导下，用穿刺针、导丝、导管等精密器械进入病变部位进行治疗。介入治疗能以微小的创伤获得与外科手术相同或更好的治疗效果。介入治疗材料包括支架材料、导管材料及栓塞材料等。置入血管内支架是治疗心血管疾病的重要方法，当前冠脉支架多为医用不锈钢通过雕刻或激光蚀刻制备，在体内以自膨胀、球囊扩张式或扩张固定在血管内壁上。虽然经皮冠状动脉介入性治疗取得较好的成果，但经皮冠状动脉成形术后6 个月后再狭窄发生率较高（约30%），是介入性治疗面临的重要问题。近年的研究方向有药物涂层支架、放射活性支架、包被支架、可降解支架等。管腔支架大多采用镍钛形状记忆合金制备，有自膨胀和球囊扩张式两类。主要用于晚期恶性肿瘤引起的胆道狭窄；晚期气管、支气管或纵隔肿瘤引起的呼吸困难的治疗，支气管良性狭窄等；不能手术切除的恶性肿瘤引起的食管瘘及恶性难治性食管狭窄等。制作导管的材料有聚乙烯、聚氨脂、聚氯乙烯、聚四氟乙烯等。导管外层材料多为能够提供硬度和记忆的聚脂、聚乙烯等，内层为光滑的聚四氟乙烯。栓塞材料按照材料性质可分为对机体无活性、自体材料和放射性颗粒三种。理想的栓塞材料应符合无毒、无抗原性，具有良好相容性，能迅速闭塞血管，能按需要闭塞不同口径、不同流量的血管，易经导管运送，易得、易消毒等要求。更高的要求是能控制闭塞血管时间的长短，一旦需要可经皮回收或使血管再通。常用栓塞材料包括自体血块、明胶海马、微胶原纤维、胶原绒聚物等。

5、血液净化材料

血液净化材料重在应用采用滤过沉淀或吸附的原理，将体内内源性或外源性毒物（致病物质）专一性或高选择性地去除，从而达到治病的目的，是治疗各种疑难病症的有效疗法。尿毒症、各种药物中毒、免疫性疾病（系统性红斑狼疮、类风湿性关节炎）、高脂血症等，都可采用血液净化疗法治疗，其核心是滤膜、吸附剂等生物医用材料。血液净化材料的研究和临床应用，在日本和欧洲成为了生物医用材料发展的热点。

6、口腔材料口腔材料仍在发展 口腔材料学是口腔医学与材料学之间的界面学科，其品种及分类方法很多，可以分为口腔有机高分子材料、口腔无机非金属材料、口腔金属材料、口腔辅助材料，也可分为烤瓷材料、种植材料、充填材料、粘结材料、印模材料、耐火包埋材料。近年来组织工程技术在口腔临床开始应用，主要是膜引导组织再生技术和牙周外科治疗和即刻植入修复中的应用。口腔材料中的生物化仿生材料尚待今后研究和探讨。陶瓷材料脆弱的挠曲强度一直困扰着牙科医生和患者。而牙科修复学中颜色的再现问题是影响牙齿及修复体客观的一个重要因素。因此牙科陶瓷技术是沿着克服材料的脆性，精确测定牙的颜色并提供组成、性能稳定的陶瓷材料的方向发展的。

四、国外生物医用材料产业现状、规模、竞争优势及发展趋势

随着人口老龄化、中、青年创伤的增加，高技术的注入，以及人类对自身健康的关注度随经济发展提高，生物医用材料产业高速发展。同时，它亦是世界贸易中最活跃的领域，年贸易额复合增长率达25%，正在成长为世界经济的一个支柱性产业。

生物医用材料及植入器械产业是学科交叉最多、知识密集的高技术产业，其发展需要上、下游知识、技术和相关环境的支撑，多数聚集在经济、技术、人才较集中或临床资源较丰富的地区，产业高度集聚是发达国家医用生物医用材料产业的重要特点。如美国集聚于技术资源丰富的硅谷、128号公路科技园、北卡罗来纳研究三角园，以及临床资源丰富的明尼阿波利斯及克利夫兰医学中心等；德国聚集于巴州艾尔格兰、图林根州等地区；日本聚集于筑波、神奈川、九州科技园等。

生物医用材料产业不同于家电或通讯行业，单一产品的市场容量不大。为提升企业市场竞争力，回避风险，发展壮大企业，国外跨国公司已从最初的较单一产品生产，通过企业内部技术创新和并购其它企业，不断进行产品生产线延伸和扩大，实现多品种生产。例如，2004-2009年美国GE公司相关并购次数达59次；再如成立于1949年的国际第四大医疗器械生产企业美敦力公司，已从最初的心脏起搏器生产发展成为多品类产品生产，产品覆盖了心律失常、心衰、血管疾病、人工心瓣膜、体外心脏支持系统、微创心脏手术、恶性及非恶性疼痛、运动失调、糖尿病、胃肠疾病、脊柱病、神经系统疾病及五官科手术治疗等多个领域疾病治疗的产品。为开拓国际市场，跨国公司通过向境外技术和资金输出，在国外建立子公司和研发中心，就地生产和研发。同时，为适应国际贸易的发展，国际标准化组织不断制定和发布生物医用材料和制品的国际标准。

第三篇：生物医用金属材料

生物医用金属材料

摘要：在概述医用金属材料目前的研究现状、性能和应用的基础上，指出了医用金属材料应用中目前存在的主要问题，阐述了近些年生物医用金属材料的新进展，并对今后的发展进行展望分析。关键词：生物医用金属材料

现状

研究进展 引言：

生物医用材料（biomedical material）是用于对生物体进行诊断、治疗、修复或替换其病损组织、器官或增进其功能的新型高技术材料，能够植入生物体或与生物组织相糅合。它的研究及产业化对社会和经济发展的重大作用正日益受到各国政府、产业界和科技界的高度重视。

目前用于临床的生物医用材料主要包括生物医用金属材料、生物医用有机材料（主要指有机高分子材料）、生物医用无机非金属材料（主要指生物陶瓷、生物玻璃和碳素材料）以及生物医用复合材料等。

而与其它几种生物材料相比，生物医用金属材料具有高的强度、良好的韧性及抗弯曲疲劳强度、优异的加工性能等许多其它医用材料不可替代的优良性能。但生物医用金属材料在应用中也面临着一些问题，由于生理环境的腐蚀而造成的金属离子向周围组织扩散以及植入材料自身性质的退变，前者可能导致毒副作用，后者可能导致植入失效，因此研究和开发性能更优、生物相容性更好的新型生物医用金属材料依然是材料工作者和医务工作者共同关心的课题。生物医用金属材料

生物医用金属材料是指一类用作生物材料的金属或合金，又称外科用金属材料。它是一类生物惰性材料。通常用于整形外科、牙科等领域，具有治疗、修复固定和置换人体硬组织系统的功能。

在生物医学材料中，金属材料应用最早，已有数百年的历史。人类在古代就已经尝试使用外界材料来替换修补缺损的人体组织。在公元前，人类就开始利用天然材料，如象牙，来修复骨组织；到了19世纪，由于金属冶炼技术的发展，人们开始尝试使用多种金属材料，不遗余力地发展生物医用材料，以解救在临床上由于创伤、肿瘤、感染所造成的骨组织缺损患者，如用银汞合金（主要成份：汞、银、铜、锡、锌）来补牙等；

目前临床应用的医用金属材料主要有不锈钢、钴基合金、钛和钛合金等几大类。此外还有形状记忆合金、贵金属以及纯金属钽、铌、锆等。

医用金属材料的特性与要求

（1）生物形容性即生物学反应最小，包括无毒性、无热源反应、不致畸、不致癌、不引起过敏反应或干扰机体的免疫机理、不破坏临近组织，也不发生材料表面的钙化沉积等。

（2）物理和化学稳定性好，包括强度、弹性、尺寸稳定性、耐腐蚀性、耐磨性以及界面稳定性等。（3）易于加工成型，材料易于制造，价格适当

（4）对于植入心血管系统或与血液接触的材料，除能满足以上条件外，还须具有良好的血液相容性，即不凝血（抗凝血性好）、不破坏红细胞（不溶血）、不破坏血小板、不改变血中蛋白（特别是脂蛋白）、不扰乱电解质平衡等。

生物医用金属材料的应用现状

1.纯钛和钛合金

纯钛具有无毒、质轻、强度高、生物相容性好等优点，且纯钛不会生锈，而且耐高温、低温、耐腐蚀，可与骨组织直接连接形成物理性结合，经证明与骨组织也可以发生化学性结合，因此在骨科领域应用较广。

基于以上优点，20世纪50年代，美国和英国就开始把纯钛用于生物体。到了20世纪60年代，钛合金开始作为人体植入材料而广泛应用于临床。钛合金就是为了进一步加强纯钛的强度而制成的。生物相容性不如纯钛，但强度是不锈钢的3.51 倍，为目前所有工业金属材料中最高。从最初的Ti—6Al—4V到随后的Ti—5Al—2.5Fe和Ti—6Al—7Nb合金，以及近些年发展起来的新型钛合金，钛合金在人体植入材料方面获得了较快的发展。

1973年北京有色金属研究总院与天津市骨科医疗器械厂合作生产了300个钛人工股骨和髋关节，并用于临床。由于钒有毒，对人体具有潜在的有害影响，因此20世纪70～80年代世界各国开始用钛合金研制无钒植入物。80年代中期2种新型（）型钛合金Ti—5Al—2.5Fe和Ti—6Al—7Nb在欧洲得到了发展，这类合金的力学性能与Ti—6Al—4V相近，具有较好的生物相容性和耐腐蚀性，并去掉了对人体有毒性的V元素。然而此类合金仍含有Al元素（Al元素能导致器官的损伤，引起骨软化、贫血和神经紊乱等症状），且其弹性模量为骨弹性模量的4—10倍。种植体与骨弹性模量之间的不匹配，使得载荷不能由种植体很好地传递到相邻骨组织，出现“应力屏蔽”现象，从而导致种植体周围出现骨吸收，最终引起种植体松动或断裂，造成种植失败。

而最新研制的新型（）钛合金Ti—15Zr系和Ti—15Sn系合金则同时去掉了V和Al。近年来开发出的一些新型钛合金（主要是型合金），因都注重减少了对人体有一定危害的元素，有效地改善了钛合金的生物相容性。

在临床领域内纯钛及其合金在修补各类大的（颅、肋、胸、颌骨等）骨缺损、人工关节、种植体以及作为骨固定用板、钉、螺丝等材料中广泛使用，并取得了令人瞩目的成绩。

2.医用不锈钢

用作生物医用材料的不锈钢，具有良好的耐腐蚀性能和综合力学性能，且加工工艺简便，是生物医用金属材料中应用最广、最多的一类材料。人们很早就使用铁丝、镍钢、镀金的铁钉及钒钢等金属材料进行临床治疗的尝试。目前医用不锈钢在医学领域得到了广泛应用，如AISI304、AISI316不锈钢等。316L不锈钢是制作医用人工关节比较廉价的常用金属材料，主要用作关节柄和关节头材料。

医用不锈钢的生物相容性及相关问题，主要涉及到不锈钢植入生物体后由于腐蚀或磨损造成金属离子溶出所引起的组织反应等，特别是不锈钢中镍离子析出诱发的严重病变（通常用的奥氏体医用不锈钢均含有10%左右的镍）。如临床表明，316L不锈钢植入人体后，在生理环境中，有时会产生缝隙腐蚀或摩擦腐蚀以及疲劳腐蚀破裂等问题，并且会因摩擦磨损等原因释放出Ni2+、Cr3+、Cr5+，从而引起假体松动，最终导致植入体失败。

近些年低镍和无镍的医用不锈钢正逐渐得到发展和应用。医用不锈钢由于其优良的综合性能，主要应用于骨骼系统的置换和修复方面，此外，在齿科、心脏外科，心血管植入支架等方面也得到应用。

3.医用钴基合金

钴基合金通常指Co—Cr合金，有2种基本牌号：Co—Cr—Mo合金和Co—Ni—Cr—Mo合金。锻造加工的Co—Ni—Cr—Mo合金是一种新材料，用于制造关节替换加体连接件的主干，如膝关节和髋关节替换假体等。从耐腐蚀和力学性能综合衡量，它是目前医用金属材料中最优良的材料之一，已列入ISO国际标准。

医用钴基合金也是医疗中常用的医用金属材料，相对不锈钢而言，医用钴基合金更适合于制造体内承载条件苛刻的长期植入体。国外研制的钴铬钼铸造合金，其耐腐蚀性比不锈钢高40倍，但力学性能低于不锈钢，四川大学华西口腔医院的研究人员发现，深冷处理可以有效提高钴铬钼高熔铸造合金的抗拉强度，也能有效增强口腔铸造合金的弯曲弹性模量、抗弯强度、耐磨性和耐腐蚀性。但是由于钴基合金价格较贵，并且合金中的Co、Ni元素存在着严重致敏性等生物学问题，应用受到一定的限制。近些年通过表面改性技术来改善钴基合金的表面特性，有效提高了其临床效果。

4.医用贵金属和钽、铌、锆等金属

金属材料在医学上的应用已有很长的历史，最先广泛用于临床治疗的金属是金、银、铂等贵重金属。它们具有良好的稳定性和加工性能。因其价格较贵，广泛应用受到限制，之后，铜、铅、镁、铁和钢等曾用于临床试验，但因耐腐蚀性、生物形容性较差、力学性能偏低而未应用。贵金属材料在牙科、针灸、体内植入及医用生物传感器等方面有其广泛的应用。钽具有很好的化学稳定性和抗生理腐蚀性，钽的氧化物基本上不被吸收和不呈现毒性反应，可以和其他金属结合使用而不破坏其表面的氧化膜。在临床上，钽也表现出良好的生物相容性。铌、锆及钽与钛都具有极相似的组织结构和化学性能，在生物学上也得到一定应用。但总的来说，医用贵金属和钽、铌、锆等金属因其价格较贵，广泛应用受到限制。

5.形状记忆合金

形状记忆合金是一种新型医生物材料，国内医用形状记忆合金研究始于20世纪70年代，并很快得到了广泛应用。临床上已采用的形状记忆合金主要有镍钛形状记忆合金和铜基形状记忆合金，前者应用广泛。

医用镍钛形状记忆合金在相变区具有形状记忆特性和超弹性，在低温下（0℃左右，处于马氏体状态）比较柔软，可以变形，将其加热到人体温度时（高温相状态）立刻恢复到原来形状，产生持续柔和的恢复力。而此时材料较硬富有弹性，可起到矫形或支撑作用。其记忆恢复温度为36±2℃，符合人体温度，在临床上表现出与不锈钢和钛合金相当的生物相容性。其优良的生物相容性、耐腐蚀、耐磨性、无毒等特征，被称为21世纪的新型功能材料。

但由于镍钛记忆合金中含有大量的镍元素，如果表面处理不当，则其中的镍离子可能向周围组织扩散渗透。医用形状记忆合金主要用于整形外科和口腔科，镍钛记忆合金应用最好的例子是自膨胀支架，特别是心血管支架。

医用金属材料目前存在的主要问题

生物医用金届材料具有良好的耐腐蚀性能和综合力学性能．加工工艺简便．是应用最广泛的一类医用材料。传统使用的医用金属材料经过多年的临床应用，仍然存在许多问题，除了医用材料常见的宿主反应以外，主要还是由金属腐蚀和磨损直接或间接造成的。医用金属材料中均含有较多的合金化元素．但它们在人体中所允许的浓度非常低。这些合金化元素多呈强的负电性，能够变化其电子价态并与生物体内的有机物或无机物质化台形成复杂的化台物(有些含有强烈的毒性，与金属材料植入人体以后，由于腐蚀、磨损等导致金属离子溶出、金属离于进八组织液里会引发～些生物反应，如组织反应．血液反应和全身反应，表现为水肿、血栓栓塞、感染及肿瘤等现象。

另外在人体血液中．由于血小板、细胞和蛋白质带有负电荷，而金属析出离子一般带有正电荷，因此血液中大量金属离子的析出还易于造成血栓的形成。在铁(Fe)、铬(Cr)、镍（Ni)、钼(Mo)、钴(Co)等人体必需的微量元素中，镍、钴、铬离子对人体都有致敏反应，钢中的铬元素当呈现六价态时．对人体也有较大的毒性和过敏倾向。镍离子的富集对人体有很大毒性，有过敏反应．可能诱导有机体突变以及发生癌变。有研究报道了植入物释放出来的金属离诱导炎症的过程，发现即使亚微摩尔浓度的锌、镍和钴．也能诱导内皮细胞E选择素的表达。研究金属毒性的医生早就知道镍是一种能够致癌的有毒化学元素，科学上早就存在的“镍过敏和镍致癌问题”，直到最近几十年才受到各国重视，对日用和医用金属材料中的镍含量限制越来越严格，标准文件中所允许的最高镍含量也越来越少。由1967年、1988年和1994年颁布的欧洲议会标准，就可以清楚地看出这种趋势。因此在发展新型医用金属材料时必须严格控制其中的金属元隶，最好是少用或不用对人体产生毒性和过敏性较大的合金化元素。

新型医用金属材料的研究和进展

在过去的几十年中．生物医用金属材料已经得到很快的发展，然而在临床上使用的仍然是有限的几种。因此研究并推动新型生物医用材料的应用，依然非常重要。新型金属材料的发展应从现存的旧题出发，采用新技术和新工艺，改善现有生物金属材料的性能，以减少和避免上述问题。

1.镁及镁合金

镁及镁合金由于密度低，比强度、比刚度高等优异的综合性能已被广泛应用在航空航天、电子通信、汽车制造等领域。从这十几年来国内外对镁及镁合金各方面的报道发现镁如作为硬组织植入材料，与现已投入临床使用的各种金属植入材料相比，具有资源丰富、与人骨的密致骨密度相近、镁及镁合金有高的比强度与比刚度且加工性能良好、能有效地缓解应力遮挡效应、镁离子对人体的微量释放是有益的，且镁及其合金与生物相容性好、资源丰富、价格低。

虽然有很多优于其他生物金属材料的性能，但镁及镁合金的耐蚀性能较差，并且在腐蚀介质中产生的氧化膜疏松多孔，不能对集 体产生很好的保护作用。因此，要使镁及镁合金替代现有金属生物材料成为可能，必须对其进行表面改性，以满足临床应用对生物材料耐蚀性能的苛刻要求。

（1）稀土转化膜对镁及镁合金进行表面改性

稀土无毒环保，而且具有较好的生物形容性。高家诚等人用激光在Ti6Al4V上合成及涂覆含稀土的生物基钙磷基陶瓷涂层。植入成年狗7—180d后，与骨结合良好。可见，将稀土转化膜工艺处理过的纯镁或镁合金应用在生物材料领域是可能的。（2）碱处理、热处理对镁及镁合金的表面改性

2.多孔镍钛合金

多孔镍钛合金是目前医用金属材料的研究热点，已有研究表明它的多孔结构可使新骨生长，因而可形成牢固的嵌合。研究人员对长人多孔结构的新骨的显微硬度及组织学参数进行了检定，证明同周围的骨质具有相似的性质，因而此种材料比较适合作为颅骨、颌骨的替代材料。生物医用多孔金属材料由于其独特的多孔结构极大地提高了植入体生物相容性，此外多孔金属还具有多孔聚合物和多孔陶瓷不可比拟的优良强度和塑性组合，因而作为一种新型的骨关节和牙根等人体硬组织修复和替换材料，具有广阔的应用前景。中国每年髋关节病患者

至少有1万人，因而开发研制性能优良、使用可靠的硬组织修复、替代产品无论是在医用价值还是在商业价值上都是不可估量的。生物医用多孔金属材料以其优良的力学相容性和生物相容性在骨、牙齿等硬组织修复领域有良好的应用前景。

3.铁素体及双相医用不锈钢的开发

目前临床上广泛应用的是316L及317L型医用不锈钢，但其耐腐蚀性能并不十分令人满意。对传统医用不锈钢的改进，通过改进熔炼工艺如采用真空一电弧重熔工艺来减少非金属夹杂物的含量，可提高316L医用不锈钢的耐腐蚀性能。再者，通过向传统医用316L及317L不锈钢中添加N也改善了钢的耐腐蚀性能，从而提高了使用的安全性。近年来，研究者开发出一些铁素体及双相不锈钢，如瑞典的SAF2507。通过对这些材料在模拟体液环境下的点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀断裂及Fe、Cr、Ni等金属元素的溶出试验研究表明，材料具有良好的耐局部腐蚀性能，有望用作植入材料。但是，由于材料具有铁磁性，也限制了其在医疗领域的应用。

4.医用低镍和无镍Cr-Mn-N型奥氏体不锈钢

最近，国外对低镍及无镍医用不锈钢的研究开发比较活跃。对于低镍医用不锈钢，国际标准化组织制订了外科植人高氮不锈钢标准IS05832—9。瑞典的Sandvik钢铁公司应用先进的熔炼技术，不需经过二次重熔制备了超纯净高氮医用不锈钢。意大利开发了20Cr9Ni2M00．39N，瑞士也开发Rex734(IS05832—9)，这些材料中的Ni含量都较传统316L医用不锈钢低，并且具有更好的耐模拟体液腐蚀性能，是很有潜力的不锈钢植入材料。新型不锈钢植人材料中基本上不含Ni，而是利用高的含氮量来维持其高强度和高耐蚀性。考虑到锰及其金属盐类的毒性，甚至开发不含Ni及Mn的医用不锈钢，如日本利用氮气加压电渣重熔工艺制备Fe24Cr2M01．5N及采用氮吸附／吸收处理的方法制备Fe24Cr2Mo(0．62,---0．92)N和Fe-24Cr-(0．65～O．88)N。对于医用无镍高氮不锈钢的开发大多处在研究阶段，实际商品生产和临床应用还不多，只有美国的Carpenter公司可提供不同尺寸管材。而氮气加压、电渣重熔等方法成本较高，进一步提高钢中的氮含量是开发该类材料面临的一大困难。相比较而言，国内对于医用无镍不锈钢的研究开展较晚，只有中国科学院金属研究所杨柯领导课题组在国家“863”课题的资助下，开发出新型含氮医用无镍不锈钢Fel7Crl4Mn2Moo．45N，其强度、耐蚀性和部分生物学性能均优于316L不锈钢。

金属材料的表面处理

生物医用材料直接接触人体组织，因此其表面性能非常重要。为了使植人体内的材料充分发挥其功能，最好将其表面加以适当的处理，提高表面耐蚀性或改善其生物学特性从而减小其生物学毒性．这也是医用金属材料今后十分重要的发展方向。目前医用金属材料表面处理的方法很多，主要有：等离子的影响。喷涂、激光熔覆、妻子束辅助沉积、热喷涂、电化学沉积和仿生沉积等 展望

随着生物技术的发展，不同学科的科学家进行了广泛合作，从而使制造具有完全生物功能的人工器官展示出美好的前景。人体组织和器宫的修复，将从简单的利用器械机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），对生命利学和材料等相关学科的发展提出了诸多需求。因此生物材料己成为各国科学家竞相进行研究和开发的热点。当代生物材料已处于实现重大突破的边缘，不远的将来，科学家有可能借助于生物材料设计和制造整个人体器官，生物医用材料和制品产业将发展成为本世纪世界经济的一个支柱产业。

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第四篇：生物医用高分子材料论文

医用功能材料及应用

学 院 化工学院

指导老师 乔红斌 专业班级 高091班 学生姓名 张如心 学 号 099034030

医用功能材料及应用

摘要：了解生物医用功能高分子材料近年来的应用研究及发展状况，综述国内外生物医用高分子材料的分类、特性及研究成果，展望对未来的生物医用高分子材料的发展趋势，通过介绍医用高分子材料在人工脏器、药剂及医疗器械方面的应用，以及我国近年来的研究情况和存在的问题,形成对生物医用功能高分子的认识和其重要性的认识。

关键词：功能高分子材料 生物医用高分子材料。

前言：现代医学的发展，对材料的性能提出了复杂而严格的多功能要求，这是大多数金属材料和无机材料难以满足的，而合成高分子材料与生物体（天然高分子）有着极其相似的化学结构，化学结构的相似决定了它们在性能上能够彼此接近从而可能用聚合物制作人工器官，作为人体器官的替代物。另外，除人工器官用材料之外，医药用高分子材料、临床检查诊断和治疗用高分子材料的开发研究也在积极地展开，它们被统称为医用高分子材料。

1.生物医用功能高分子

生物医用功能高分子材料主要以医疗为目的，用于与组织接触以形成功能的无生命材料。其被广泛地用来取代或恢复那些受创伤或退化的组织或器官的功能，从而达到治疗的目的。主要包括医用高分子材料(以修复、替代为主)、药用高分子材料(以药理疗效为主)。生物医用高分子材料融合了高分子化学和物理、高分子材料工艺学、药理学、病理学、解剖学和临床医学等方面的知识,还涉及许多工程学问题。由于其与人体的组织和器官接触，因此，医用高分子材料必须满足如下的基本要求：①在化学上是惰性的，会因为与体液接触而发生反应；②对人体组织不会引起炎症或异物反应；③不会致癌；④具有良好的血液相容性，不会在材料表面凝血；⑤长期植入体内，不会减小机械强度；⑥能经受必要的清洁消毒措施而不产生变形；⑦易于加工成需要的复杂形状。

2.医用高分子材料发展的4个阶段

第1阶段：时间大约是7千年前至19世纪中叶，是被动地使用天然高分子材料阶段。这一时期的高分子材料有，大漆及其制品、蚕丝及织物、麻、棉、羊皮、羊毛、纸、桐油等。

第2阶段：从19世纪中页到20世纪20年代，是对天然高分子材料进行化

学改性，从而研制新材料阶段。在这阶段中，人类首次研制出合成高分子材料(酚醛树脂)。这一时期的高分子材料有，硫化橡胶，赛璐珞(硝基纤维素脂)、硝基纤维素酯，人造丝、纤维素粘胶丝、酚醛树脂清漆和电木等。

第3阶段：20-世纪30年代至60年代，是人类大量研制新合成高分子材料阶段。在这一阶段，“高分子科学”概念已经诞生，大批高分子化学家投入到新聚合物的合成和新材料开发的研究领域。从而导致了至今天仍有重要意义的大批通用高分子材料的诞生。例如顺丁、丁苯、丁纳等合成橡胶的出现；尼龙66、聚酯(PET)、聚丙烯腈等合成纤维的出现；聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚酰亚胺、有机硅、有机氟、杂环高分子等塑料和树脂的出现。

第4阶段：从20世纪60年代至今，是人类对高分子材料大普及、大扩展阶段。在这个阶段，人类对上述聚合物的使用更加合理，聚合物生产的价格更为低廉，从而使高分子材料渗透到国民经济及人类生活的各个方面，使高分子材料成为了人类社会继金属材料，无机材料之后的第3大材料。

3.医用高分子的现状

现代医学的进步已经越来越依赖于生物材料和器械的发展,没有医用材料的医学诊断和治疗在现代医学中几乎是不可想象的。目前全球大量用于医疗器械的生物医学材料主要有20 种,其中医用高分子12 种,金属4 种,陶瓷2 种,其他2 种。利用现有的生物医学材料已开发应用的医用植入体、人工器官等近300 种,主要包括:起搏器、心脏瓣膜、人工关节、骨板、骨螺钉、缝线、牙种植体,以及药物和生物活性物质控释载体等。近年来,西方国家在医学上消耗的高分子材料每年以10 %～20 %的速度增长 ,而国内也以20 %左右的速度迅速增长。随着现代科学技术的发展,尤其是生物技术的重大突破,生物材料的应用将更加广泛,需求量也随之越来越大。生物医用高分子材料的发展,对于战胜危害人类的疾病,保障人民身体健康,探索人类生命奥秘具有重大意义。

4.生物医用高分子材料的种类

高分子生物材料随不同来源、应用目的、活体组织对材料的影响等可以分为多种类型。

生物医用高分子材料按性质可分为非降解和可生物降解两大类；按应用目的分为与血液接触的高分子材料、组织工程用高分子材料、药用高分子材料、医

药包装用高分子材料、医用粘合剂与缝合线；按材料来源可分为天然和人工合成两大类，下面我们就分别对这两种材料进行详细的论述。

4.1 天然生物材料

天然生物材料是指从自然界现有的动、植物体中提取的天然活性高分子，如从各种甲壳类、昆虫类动物体中提取的甲壳质壳聚糖纤维，从海藻植物中提取的海藻酸盐，从桑蚕体内分泌的蚕丝经再生制得的丝素纤维与丝素膜，以及由牛屈肌腱重新组构而成的骨胶原纤维[6]等。自然界广泛存在的天然生物材料仍有着人工材料无可比拟的优越性能。由于天然活性高分子来自生物体内且都具有很高的生物功能和很好的生物适应性，在保护伤口、加速创面愈方面具有强大的优势。例如：甲壳素又称几丁质（chitin），广泛存在于虾、蟹等甲壳动物及昆虫、藻类和细菌中，是世界上仅次于纤维素的第二大类天然高分子化合物。它是一种惰性多糖，用浓碱脱去乙酰基可转变成聚壳糖（chintosan）。甲壳素、聚壳糖及其衍生物具有良好的生物相容性和生物降解性。降解产物带有一定正电荷，能从血液中分离出血小板因子，增加血清中H-6水平，促进血小板聚集或凝血素系统，作为止血剂有促进伤口愈合，抑制伤口愈合中纤维增生，并促进组织生长的功能，对烧、烫伤有独特疗效。根据研究报道，由于天然高分子医用材料的独特临床效果，它的应用前景相当广阔。

4.2 合成生物材料

由于天然材料的有限，人们需要大量的生物材料来维持他们的健康。合成高分子材料因与人体器官组织的天然高分子有着极其相似的化学结构和物理性能，因而可以植入人体，部分或全部取代有关器官。因此，在现代医学领域得到了最为广泛的应用，成为现代医学的重要支柱材料。与天然生物材料相比，合成高分子材料具有优异的生物相容性，不会因与体液接触而产生排斥和致癌作用，在人体环境中的老化不明显。通过选用不同成分聚合物和添加剂，改变表面活性状态等方法可进一步改善其抗血栓性和耐久性，从而获得高度可靠和适当有机物功能响应的生物合成高分子材料。目前，使用于人体植入产品的高分子合成材料包括聚酰胺、环氧树脂、聚乙烯、聚乙烯醇、聚乳酸、聚甲醛、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚醋酸乙烯酯、硅橡胶和硅凝胶等。应用场合涉及组织粘合、手术缝线、眼科材料(人工玻璃体、人工角膜和人工晶状体等)、软组织植入物(人工

心脏、人工肾、人工肝等)和人工管形器(人工器官、食道)等。合成医用高分子材料发展的第一阶段始于1937年，其特点是所用高分子材料都是已有的现成材料，如用丙烯酸甲酯制造义齿的牙床。第二阶段始于1953年，其标志是医用级有机硅橡胶的出现，随后又发展了聚羟基乙酸酯缝合线以及四种聚(醚一氨)酯心血管材料，从此进入了以分子工程研究为基础的发展时期。目前的研究焦点已经从寻找替代生物组织的合成材料转向研究一类具有主动诱导、激发人体组织器官再生修复的新材料，这标志着生物医用高分子材料的发展进入了第三个阶段，其特点是这种材料一般由活体组织和人工材料有机结合而成，在分子设计上以促进周围组织细胞生长为预想功能，其关键在于诱使配合基和组织细胞表面的特殊位点发生作用以提高组织细胞的分裂和生长速度。

4.3 目前已开发并投入使用的医用高分子材料的原材料分类列于表

5．医用高分子材料的特性

除了作为材料在力学强度等方面的普遍要求之外，医用高分子材料的特殊要求可以综合

概括为以下４个方面：

1)生物功能性:因各种生物材料的用途而异,如:作为缓释药物时,药物的缓释性能就是其生物功能性。

2)生物相容性:可概括为材料和活体之间的相互关系,主要包括血液相容性和组织相容性。组织相容性主要指无毒性,无致癌性,无热原反应,无免疫排斥反应,不破坏邻近组织等。血液相容性一般指不引起凝血,不破坏红细胞,不破坏血小板,不改变血中蛋白,不扰乱电解质平衡。

3)化学稳定性: 耐生物老化性或可生物降解性。对于长期植入的医用高分子材料,生物稳定性要好;对于暂时植入的医用高分子材料,则要求在确定时间内降解为无毒的单体或片段,通过吸收、代谢过程排出体外。

4)生产加工性:首先,严格控制用于合成医用高分子材料的原料纯度,不能带入有害物质,重金属含量不能超标;其次,材料加工助剂必须符合医用标准;第三,对于体内应用的高分子材料,生产环境应当具有符合标准的洁净级别;第四,便于消毒灭菌(紫外灭菌、高压煮沸、环氧乙烷气体消毒和酒精消毒等)。

6．医用高分子材料的主要应用 6.1 硬组织相容性高分子材料

硬组织相容性高分子材料(如各种人工骨、人工关节、牙根等)是医学临床上应用量很大的一类产品,涉及医学临床的骨科、颌面外科、口腔科、颅脑外科和整形外科等多个专科,往往要求具有与替代组织类似的机械性能,同时能够与周围组织结合在一起。

6.2 软组织相容性高分子材料

软组织相容性高分子材料主要用于软组织的替代与修复,如隆鼻丰胸材料、人工肌肉(硅橡胶和涤纶织物)与韧带材料等。这类材料往往要求具有适当的强度和弹性以及软组织相容性,在发挥其功能的同时,不对邻近软组织(如肌肉、肌腱、皮肤、皮下等)产生不良影响,不引起严重的组织病变。

6.3 血液相容性高分子材料

血液相容性高分子材料在医用高分子材料的应用方面,有相当多的器件必须与血液接触,例如:各种体外循环系统、介入治疗系统、人工血管(聚对苯二甲酸乙二酯)和人工心瓣等人工脏器。血液相容性高分子材料必须不引起凝血、溶血等生理反应,与活性组织有良好的互相适应性。

6.4 高分子药物和药物控释高分子材料

高分子药物指带有高分子链的药物和具有药效的高分子,如:抗癌高分子药物(非靶向、靶向)、用于心血管疾病的高分子药物(治疗动脉硬化、抗血栓、凝血)、抗菌和抗病毒高分子药物(抗菌、抗病毒)、抗辐射高分子药物和高分子止血剂等。高分子材料制备药物控制释放制剂主要有两个目的:1)为了使药物以最小的剂量在特定部位产生治疗药效;2)优化药物释放速率以提高疗效,降低毒副作用。高分子控制释放体系包括时间控制缓释体系(如康泰克等,理想情形为零级释放)、部位控制缓释体系(靶向药物)和脉冲释放方式(智能药物)。.医用高分子材料的发展及展望

我国生物医学高分子研究起步较晚。自20世纪70年代末起，北京大学和南开大学从事这一领域的研究。“九五”期间由何炳林与卓仁禧主持的国家自然科学基金重大项目组织大批科研力量进行研究，在此领域取得了显著成绩。1998年“生物医学高分子”项目获教育部科技进步一等奖。我国现有医用高分子材料60多种，制品达400余种。早在1999年6月，科技部生物领域专家组就在南京和上海召开了“生物芯片技术”和“组织工程技术”研讨会，会议决定启动这2个研究项目，并作为该领域的重点课题。东南大学、清华大学、华中农业大学、上海第二医科大学、第一军医大学和华东理工大学等单位承担了这些课题，其某些研究成果已见报道。此外，中科院化学所等多所高校以及军事医学科学院等单位也分别在组织工程、药物控释等方面展开了研究工作，使我国对医用高分子材料的研究起到了重要进展。

近年来，美国、欧洲和日本对生物医用高分子材料的研究与开发突飞猛进，从人工器官到高效缓释高分子药物都取得了很多成果和巨大效益。现在美国商业化的生物技术是以医药品为主的。加拿大的生物技术的优势领域在医疗器材和制

药业。德国1997年投入生物技术研究与开发的总经费大约为33亿马克。生物技术是日本21世纪创新产业的主要技术领域之一。在“生物技术立国”的口号下，日本政府5年内投资2万亿日元，其中生物降解材料和药物生产商业化是其重点支持的领域。韩国制定了《韩国生物技术2000纲要》，在实施纲要的14年期间，政府和企业将投资巨款用于该项建设。

医用高分子材料要应用于生物体必须同时要满足生物功能性、生物相容性、化学稳定性和可加工性等严格的要求。生物医用材料的研究和发展方向主要包括以下几方面: 7.1 组织工程材料

组织工程是应用生命科学与工程的原理和方法构建一个生物装置,来维护、增进人体细胞和组织的生长,以恢复受损组织或器官的功能。其方法是: 将特定组织细胞“种植”于一种生物相容性良好、可被人体逐步降解吸收的生物材料上,形成细胞-生物材料复合物;生物材料为细胞的增长繁殖提供三维空间和营养代谢环境;随着材料的降解和细胞的繁殖,形成新的与自身功能和形态相适应的组织或器官。

7.2 生物医用纳米材料———药物控释材料及基因

治疗载体材料高分子药物控制释放体系不仅能提高药效,简化给药方式,大大降低药物的毒副作用,而且纳米靶向控制释放体系使药物在预定的部位,按设计的剂量,在需要的时间范围内,以一定的速度在体内缓慢释放,从而达到治疗某种疾病或调节生育的目的。目前,高分子纳米材料和脂质体是基因治疗的理想载体,它具有承载容量大、安全性能高的特点。

7.3 复合生物材料

作为硬组织修复材料的主体,复合生物材料受到广泛重视,它具有强度高、韧性好的特点,目前已广泛用于临床。通过具有不同性能材料的复合,可以达到“取长补短”的效果,可以效地解决材料的强度、韧性及生物相容性问题,是生物材料新品种开发的有效手段。根据使用方式不同,研究较多的是合金、碳纤维/ 高分子材料、无机材料(生物陶瓷、生物活性玻璃)、高分子材料的复合研究。

7.4 生物材料表面改性是永久性课题

材料表面改性是生物材料研究的永久性课题。如:在选用合成高分子材料制造人造器官时,可以用共聚的方法,把两种以上的高分子合成在一起,使材料分子中的亲水基团稀稀落落分布于各处,呈微观体均匀结构状态,这样可以大大提高抗血栓功能。

展望未来,高新技术的注入将极大地增强医用高分子材料产业的活力。常规医学材料的应用中所面临的人工关节失效的磨损碎屑问题,心血管器件的抗凝血问题,材料的降解机制问题,评价材料和植入体长期安全性、可靠性的可靠方法和模型等问题有望得到改善。但同发达国家相比,我国的医用高分子相关产业的规模以及研究开发的水平都还有较大的差距。我国加入WTO 后医用材料产业将面临重大挑战和机遇,所以应在国家的大力支持下,跨部门、跨学科通力合作,通过走自力更生与技术引进相结合之路,在生物材料、分子设计、仿生模拟、智能化药物控施等方面重点投入。医用高分子材料必将为造福人类作出更大贡献。

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第五篇：生物医用材料基础及展望

生物医用材料基础及展望

姓名

摘要：涉及到生物医用材料相关课程，介绍了生物医用材料的定义、分类和主要研究内容；概括了生物医用材料的应用状况；并对生物医用材料的发展现状及前景趋势进行了简单分析。生物医用材料在医药学方面的应用越来越广，也是未来新材料产业的重要组成部分，发展潜力巨大。

关键词：生物医用材料；研究内容；应用；发展趋势

The Basis and Prospect of Biomedical Materials

Zhang Xiao ID: 3090705060 Abstract: The biomedical material subject is involved.Introduces the definition, classification and main research contents of biomedical materials.And the application status is summaried, The situations of development and the futural trends of biomedical materials are also analysed briefly.Biomedical materials are widely used in medicine and pharmacology, and will play important roles in the advanced Materials Industries.Key words: biomedical materials;research contents;application;futural trends

0 引言

伴随着现代社会的人口老龄化、交通工具大量涌现导致的意外伤害的剧增，发展用于人体组织和器官再生与修复的高性能生物医用材料显得尤为迫切。事实上，人类探索修复人体器官材料的脚步从未停止过。

生物医用材料(Biomedical Materials)，又称生物材料(Biomaterials)，是和生物系统接合以诊断、治疗或替换机体中的组织、器官或增进其功能的材料。许多临床应用的生物医用材料原本不是按生物医用材料所设计，而是以现有材料解决实际问题。近几年来，逐渐开始重视生物医用材料的设计与制备，使其本体特别是表面具有所需的化学、物理和生物特性，因而扩大了应用领域。20世纪80年代后期，工程学科与医学学科交叉产生的组织工程兴起，将工程科学原理和方法与生命科学(医学、生物学)相融合，使生物组织功能再生、维持和改善。组织工程的产生对相关生物医用材料提出了新的挑战，除生物功能性和生物相容性外，更要求与组织接触时产生所期望的响应。[1]

生物医用材料在国内外医学治疗的应用越来越广，这也是未来新材料产业的重要组成部分，在医用市场上也占有很大的份额，成为未来医药学领域治疗疾病的重要手段。生物医用材料简介

1.1 生物医用材料的定义

生物医用材料又叫做生物材料，分别来自于Biomedical Materials 和Biomaterials的译名。目前国际上两本本学科最主要的学术期刊是英国的《Biomaterials》和美国的《Journal of Biomedical Materials Research》，两个期刊所涉及的内容是相同的，由此可见Biomedical Materials 和Biomaterials两词是指相同的材料。

广义的说，生物医用材料一是指用于生物体内的材料，达到治疗康复的目的，例如隐形眼镜、人工髋关节；二是指来源于生物体，可能用于或不再用于生物体，例如动物皮革用于服装。

狭义上讲，生物医用材料指的是对生物系统的疾病进行诊断、治疗、外科修复、理疗康复、替换生物体组织或器官(人工器官)，增进或恢复其功能，而对人体组织不会产生不良影响的材料。生物医用材料本身不是药物，而是通过与生物机体直接结合和相互作用来进行治疗。概括起来就是生物医用材料是一种植入躯体活系统内或与活系统相接触而设计的人工材料。[2]

1.2 生物医用材料的分类特点

生物材料应用广泛，品种很多，有不同的分类方法。[3](1)根据物质属性，生物医学材料大致可以分为以下几种：

①生物医学金属材料(biomedical metallic materials)医用金属材料是作为生物医学材料的金属或合金，具有很高的机械强度和抗疲劳特性，是临床应用最广泛的承力植入材料，主要有钴合金、钛合金和不锈钢的人工关节和人工骨。镍钛形状记忆合金具有形状记忆的智能特性，能够用于矫形外科、心血管外科。

②生物医学高分子材料(biomedical polymer)生物医学高分子材料有天然的和合成的两种，发展得最快的是合成高分子医用材料。通过分子设计，可以获得很多具有良好物理机械性和生物相容性的生物材料。其中软性材料常用来作为人体软组织如血管、食道和指关节等的代用品；合成的硬材料可以用来作人工硬脑膜、笼架球形的人工心脏瓣膜的球形阀等；液态的合成材料如室温硫化硅橡胶可以用来作注入式组织修补材料。

③生物医学无机非金属材料或生物陶瓷(biomedical ceramics)生物陶瓷这类医用材料化学性质稳定，具有良好的生物相容性。生物陶瓷主要包括两类：一是惰性生物陶瓷(如氧化铝、医用碳素材料等)。这类材料具有较高的强度，耐磨性能良好，分子中的键力较强。二是生物活性陶瓷(如羟基磷灰石和生物活性玻璃等)，这类材料具有能在生理环境中逐步降解和吸收，或与生物机体形成稳定的化学键结合的特性，因而具有极为广阔的发展前景。

④生物医学复合材料(biomedical composites)生物医学复合材料是由两种或两种以上不同材料复合而成的生物医学材料，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。其中钻合金和聚乙烯组织的假体常用作关节材料；碳-钛合成材料是临床应用良好的人工股骨头；高分子材料与生物高分子(如酶、抗源、抗体和激素等)结合可以作为生物传感器。

⑤生物医学衍生材料(biomedical derived materials)生物衍生材料是经过特殊处理的天然生物组织形成的生物医学材料，经过处理的生物衍生材料是无生物活力的材料，但是由于具有类似天然组织的构型和功能，在人体组织的修复和替换中具有重要作用，主要用作皮肤掩膜、血液透析膜、人工心脏瓣膜等。

(2)按材料的医用功能分为：

①血液相容性材料；②软组织相容性材料；③硬组织相容性材料；④生物降解材料；⑤高分子药物。

此外，可以按照有无生物活性分为生物惰性材料(bioinert)、生物活性材料(bioactive)；按照可否生物降解(biodegradable)来划分可以分为人工合成材料和天然材料；可以分为单一材料、复合材料、活体细胞、天然组织与无生命材料结合的杂化材料。生物医用材料的发展

早在公元前3500年，古埃及人就使用棉花纤维、马鬃做成的缝线缝合伤口；墨西哥印第安人利用木片修补受伤的颅骨；在公元前500年的中国和埃及墓葬中发现假牙、假鼻及假耳等假体；隋末唐初，银膏补牙所使用的材料与现代牙齿填充材料汞齐合金类似；1936年有机玻璃出现后，很快被用于制作假牙和补牙，使用至今；上世纪50年代，有机硅聚合物被广泛应用于医学领域。

20世纪60-80年代，在对工业化的材料进行生物相容性研究基础上，开发了第一代生物医用材料及产品使用于临床治疗，例如体内固定用骨钉和骨板、人工关节、人工心脏瓣膜、人工血管、人工晶体和人工肾等。上述生物医用材料，具有一个普遍的共性：生物惰性。即生物医用材料所遵循的原则是尽量将受体对植入器械的异物反应降到最低。20年时间，数以千万的患者植入了这一类生物医用材料，生活水平和健康状况得到不同程度的改善。至今，第一代生物医用材料仍在临床上广泛医用，世界销量500多亿美元。[4]

20世纪80-90年代，生物医用材料领域的重点由惰性向生物活性转变，开发了第二代生物医用材料及相关产品。这种材料能够在生理条件下发生可控的反映，并作用于人体。与第一代生物医用材料相比，无毒无副作用，不存在免疫和干扰免疫系统的问题，耐腐蚀强度高，表面带有极性，能与细胞表层的多糖和糖蛋白等通过氢键结合。80年代中期，生物活性材料、生物陶瓷、玻璃—陶瓷及其复合物等多种生物活性材料广泛应用于整形外科和牙科。[4]

20世纪90年代后期，能在高分子水平上刺激细胞产生特殊应答反映的具有的新一代生物医用材料诞生。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。这类生物医用材料将生物活性与降解材料两个独立的概念结合起来，在可降解材料上进行分子修饰，引起细胞整合素的相互作用，诱导细胞增值、分化，以及细胞外基质的合成和组装，从而启动起动集体的再生系统。[4] 生物医用材料的应用

生物医学材料应用广泛，仅高分子材料，全世界在医学上应用的就有90多个品种、1800余种制品，西方国家在医学上消耗的高分子材料每年以10%~20%的速度增长。随着现代科学技术的发展尤其是生物技术的重大突破，生物材料的应用将更加广泛。[5]

(1)高抗凝血材料：这是生物材料最活跃的前沿领域，主要用于人工心脏、人工血管和人工心脏瓣膜等人工器官。目前虽已开发了抗凝血性较好的材料，但仍然不能满足临床要求。

(2)生物活性陶瓷及玻璃：主要用于人工骨、人工关节、人工种植牙等。现已开发出具有较好组织相容性的材料，但对其生物活性表征及生物活性的可信赖机理、应力传递时弹性模量的不匹配效应、生物活性界面键合的长期稳定性等问题仍需进一步解决。

(3)钛及钛合金、钛镍记忆合金：主要用于骨科修补及矫形外科。

(4)生物活性缓释材料及靶向药物载体材料：主要用于局部长时间释放药物、植入型长效治疗药物系统。现已开发出医用的乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚硅氧烷、聚甲基丙烯酸羟乙酯、聚乙烯基吡咯烷酮、聚乙烯醇、琼脂糖、羧基纤维素、胶原、聚葡糖肽等多种缓释材料。

(5)生物粘合剂：主要用于替代外科手术的缝合及活组织的接合。现已开发出了α氰基丙烯酸酯、明胶/间苯二酚复合物、血纤维蛋白阮、氧化再生纤维、琥珀酰化直链淀粉，并已广泛应用于手术切口的吻合、肠腔吻合、骨科及齿科硬组织的接合、血管栓塞、止血等。

(6)可生物降解与可吸收性生物材料：主要用作手术缝线、骨组织的修补、人工血管及药物缓释包膜、防组织粘连涂层等，已开发出的可降解、可吸收和可溶性生物材料有β-磷酸钙、医用聚己内酯、聚己醇酸乙二醇酯、聚乙二酸亚烷酯、聚乳酸、聚原酸酯交联白蛋白等。

(7)智能与杂化材料。(8)血液净化材料。

一般而言，临床医学对生物医学材料有以下基本的要求：①无毒性，不致癌，不致畸，不引起人体细胞的突变和组织细胞的反应；②与人体组织相容性好，不引起中毒、溶血凝血、发热和过敏等现象；③化学性质稳定，抗体液、血液及酶的作用；④具有与天然组织相适应的物理机械特性；⑤针对不同的使用目的具有特定的功能。生物医用材料研究现状和发展趋势

4.1 生物医用材料的现状

目前，世界各国对生物材料的研究大多处于经验和半经验的阶段，材料与活组织之间相互作用机理还有许多不清楚的地方，一般以现有材料为对象，凡性质基本能满足使用要求者，则进行适当纯化，包括配方上减少有害助刑，工艺上减少单位残留量及低聚物，然后加以利用；性能不满足要求者，进行适当改性后再加以利用；还有的则把两种材料的性质结合起来以实现一定的功能。至今，真正建立在分子设计基础上，依据生物相容性，按照材料结构与性能的关系，来设计新型生物材料的研究尚不多见。因此，目前应用的生物材料，尤其是用于人工器官的材料，只是处于“勉强可用”或“仅可使用”的状态，还未满足应用的要求。

近年来，对生物材料结构与生物相容性之间关系的研究已受到重视。目前已进人了为“生物材料分子设计学”积累数据和资料的阶段，个别性能的分子设计已被应用并取得了较好结果。各国对生物材料表面修饰十分重视，目的是改善与机体直接接触的材料表面的生物相容性及力学相容性，采用的方法有粒子加速器、等离子束、溅射涂覆等先进技术，力求使材料表面形成逐步过渡的、与活体要求相适应的性能，如高生理惰性、高生物相容性、应力响应匹配性等，还提出了梯度生物材料的概念。[6]

4.2 生物医用材料的发展方向

生物医用材料是生命科学和材料科学的交叉学科，其研究内容涉及材料医学、生物学、力学、工程学等诸多领域。当今，生物医用材料已从20世纪的第一代和第二代生物医用材料发展到基于细胞和分子水平的第三代生物医用材料。在现今社会人口老龄化，这种新的治疗方法有可能创造出巨大的经济效益，并能根据特定的患者和疾病设计出相应的基因活化材料。基于患者自身细胞制造的组织工程医疗产品也为组织和器官修复开辟了新的道路。[7]

综合国内外生物医用材料的研究现状，生物医用材料的研究将集中在一下几方面[8]：(1)组织工程材料。组织工程是应用生命科学与工程的原理和方法构建一个生物装置，来维护、增进人体细胞和组织的生长，以恢复受损组织或器官的功能。它的主要任务是实现受损组织和器官的修复或再建，延长寿命和提高健康水平。

(2)生物医用纳米材料。纳米技术和生物医用材料相结合，纳米靶向控制释放体系使药物在预定的部位，按设计的剂量，在需要的时间范围内，以一定的速度在体内缓慢释放，不仅能提高药效，简化给药方式，大大降低药物的毒副作用，而且从而达到治疗某种疾病目的。

(3)复合生物材料。作为硬组织修复材料的主体，复合生物材料受到广泛重视，它具有强度高、韧性好的特点，目前已广泛用于临床。通过具有不同性能材料的复合，可以达到“取长补短”的效果，可以有效地解决材料的强度、韧性及生物相容性问题，是生物材料新品种开发的有效手段。

(4)生物材料表面改性。除了设计、制备性能优异的新材料外，还可通过对传统材料进行表面化学处理、表面物理改性和生物改性提高材料性能。材料表面改性是生物材料研究的永久性课题。结束语

生物医用材料为挽救生命和提高人民健康水平做出了重大贡献，当前正面临重大突破。中国加入WTO后，生物医用材料产业将面临更大的挑战和更多的机遇，生物材料科学工作者任重而道远。我们相信，在国家的大力支持下，跨部门、跨学科通力合作，通过走自力更生与技术引进相结合的发展之路，在生物材料组织工程化、分子设计、仿生模拟、智能化药物控释等方面重点投人，生物医用材料必将为全面提高人们的生活水平，造福人类做出更大的贡献。

【参考文献】

[1] 尹玉姬，李方，叶芬，姚康德.生物医用材料[J].化工进展，2001，1(2)：4-7.[2] 秦永健.生物医用材料的现状与展望[J].现代科技，2002，24(2)，33-34.[3] 俞耀庭.生物医用材料[M].天津：天津大学出版社，2000-12 [4] Hench LL, polakJM.Third-generation biomedical materials.Science, 2002, 295(5557): 1014-1017.[5] 付岩.生物医用材料的现状和发展前景[D].辽宁：辽宁工程技术大学材料学院材料，2009 [6] 奚廷斐.生物医用材料现状和发展趋势[J].中国医疗器械信息，2006，12(5)：1-4 [7] 张兴栋，顾中伟.蓬勃发展的生物医学材科学与工程[M].中国材料研究学会15周年纪念册，2006，84-90．

[8] 顾中伟.生物医用材料：现状与发展趋势[D].四川成都：国家生物医学材料工程技术研究中心(四川大学)，2006