生物材料在医学上应用的现状及发展前景
xx人xx单位
摘 要: 材料科学与物理学、化学、生物学及临床科学越来越紧密地结合，并突破旧有科学的狭小范围，诞生了另一个新兴的产业--生物医学材料产业。生物医学材料已经成为生物医学工程的4大支柱产业之一，它为医学、药物学及生物学等学科的发展提供了丰富的物质基础。作为材料学的一个重要分支，它对于促进人类文明的发展必将作出更大的贡献。
生物医学材料指的是一类具有特殊性能、特种功能，用于人工器官、外科修复、理疗康复、诊断、治疗疾患，而对人体组织不会产生不良影响的材料。现在各种合成和天然高分子材料、金属和合金材料、陶瓷和碳素材料以及各种复合材料，其制成产品已经被广泛地应用于临床和科研。
关键词: 生物材料; 陶瓷；高分子;降解。
生物材料也称为生物医学材料, 是指以医疗为目的, 用于与生物组织接触以形成功能的无生命的材料[1]自19世纪80年代以来, 以医疗、保健、增进生活质量、造福人类为目的的生物材料取得了快速的发展。它最早的使用可以追溯至19世纪末, 在1886年, 首例钢片和镀镍钢治疗骨折应用于临床获得成功。迄今为止, 除大脑以外的各种人工器官已经应用于人体, 并取得了良好的效果。目前, 生物材料主要包括医用高分子材料、生物陶瓷、医用金属材料等[2]。
1．生物医学材料的分类
一般而言，临床医学对生物医学材料有以下基本的要求：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；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；化学性质稳定，抗体液、血液及酶的作用；具有与天然组织相适应的物理机械特性；针对不同的使用目的具有特定的功能。
目前, 按材料性质不同, 生物材料一般可分为医用高分子材料、生物陶瓷材料、医用金属材料、生物降解材料、生物医学复合材料等。
1. 1 医用高分子材料
医用高分子材料是生物医用材料研究领域最活跃的领域之一, 特别是20世纪60年代以来发展更快, 已经能合成出许多具有优良性能的软、硬材料及药物控释材料应用到各个医学领域。医用高分子易于加工成型, 原材料易得, 理化性质可以在很宽的范围内被调节和控制, 加之生物体的大部分组织和器官实质都是由高分子化合物构成, 故一经出现就得到重视和应用。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、化学稳性、可加工性等严格的要求。当前研究主要集中在外科置入件用高分子材料和生物降解及药物控制释放材料[3]。
1. 2 生物陶瓷材料
生物陶瓷又称生物医用非金属材料, 从广义上讲包括主要构成成分为无机非金属材料及其制品。与高分子材料和金属材料相比, 生物陶瓷在人体内极其稳定, 压缩强度高, 对生物组织有良好的相容性与亲和性, 且耐腐蚀, 无毒副作用, 几乎看不到与生物组织的排斥反应, 因而受到人们的普遍关注[4, 5],是近年来研究较多且进展较快的领域。当前的研究主要集中在具有特异性功能的活性材料, 良好的力学性能且促进组织生长的功能材料, 具有生物体组织结构的复合材料
[6], 以磷酸盐为基体材料的生物活性陶瓷是目前生物陶瓷研究中最活跃的领域
[7]。
1. 3 医用金属材料
医用金属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。己经应用于临床的医用金属材料主要是不锈钢、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、锆、铌等。主要用于骨和牙等硬组织的修复和替换, 心血管和软组织修复以及人工器官的制造, 如人工髋关节、骨折内固定钢板以及骨螺钉等。最先泛用于临床治疗的金属是金(Au)、银(Ag)、铂(Pt)等贵重金属[8], 它们具有良好的稳定性和加工性能。之后, 铜(Cu)、铅(Pb)、镁(Mg)、铁(Fe)和钢等曾用于临床试验, 但因耐腐蚀性、生物相容性较差以及力学性能欠佳未受到广泛应用。随着冶金技术的进步, 不锈钢逐渐应用于临床, 虽然抗腐蚀性并不十分理想, 但其易加工, 价格低廉, 故在临床应用中得到了一席地[9]。目前应用最多的医用金属是不锈钢、钛及钛合金以及钴铬钼合金[10]。
1. 4 生物降解材料
所谓可降解材料是指那些在被植入人体内以后, 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, 现已成为医用高分子发展的重要方向之一[11]。临床中主要用作非永久性植入支架或装置。植入后, 首先代行被替换组织的功能, 然后随着材料的降解吸收被新生组织同步替换,最后达到永久治疗的目的, 免去了二次手术的痛苦, 可提高疗效[12]。聚乳酸( PLA)是典型的合成可降解聚合物之一, 其代谢产物乳酸是体内三羧酸循环的中间代谢物, 且吸收和代谢机理己经明确并具有可靠的生物安全性, 因此作为第一批可生物降解吸收材料已被美国FDA批准用于临床, 是迄今研究最多, 应用最广泛的可降解生物材料。其强度相对较高, 模量可达4Gpa, 故广泛地应用于制作医疗器械、骨折固定装置等, 并因具有一定的生物活性, 也曾应用于骨填充、替换材料。
1. 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。
2 生物医学材料的应用前景
就材料和组织间的相互作用而论，生物材料科学的发展，已经历了生物惰性材料和与组织相互作用的生物材料阶段。进入20世纪90年代，由于高技术的进展以及临床需求推动了新型生物材料的设计、合成与制造。分子生物学的进展有力地促进了植入体科学的发展，使生物材料的研究进入了～个崭新的阶段，即将生物技术应用于生物材料，利用生物学原理去设计和制造具有生物结构和功能的材料。这种新型生物材料含有活体细胞、细胞组成和细胞
产物，以及模拟细胞生物功能，能充分调动人体自身修复和完善的功能，材料科学与生命科学真正融为一体，生物材料科学提供框架，生物技术提供功能。生物材料科学已从材料和宿主界面的研究，加入了新的成员——活体细胞，生物材料已从无生命的材料发展进入有生命活性的材料，从而使人类有可能在将来完全复制整个的人体器官。
近年来, 世界生物材料市场发展势头更为迅猛,其发展态势可与信息、汽车产业在世界经济中的地位相比。据1988年美国国家健康统计中心调查, 美国己有1100万人(不包括齿科材料)植入了一件以上的生物医用材料, 全球达3000万人以上, 1995年世界生物医用材料市场已达2000亿美元。中国科学院在2002年《高技术发展报告》中披露, 1990～1995年, 世界生物医用材料市场以每年大于20%的速度增长。这期间中国的增长虽然也比较快, 但由于起点低, 市场份额只占世界市场的2%。2000年, 全球医疗器械市场己达1650亿美元, 其中生物医学材料及制品约占40%至50%。20世纪90年代, 医疗器械平均年增长率在11%左右, 预计未来几年发展中国家将会大幅度增长。如除日本外的亚洲地区将从2000年占世界市场份额17%的280亿美元, 增长至2005年占世界市场份额的25%。生物医用材料及其制品的市场预计10- 15年将达到药品市场的规模, 成为本世纪经济的支柱性产业。
随着社会日益增加对生物材料的需要,将会促进材料合成技术的发展,改善对现有生物材料的改性,特别是表面改性技术,设计出便捷高效的方法,制造出功能更完善的组织工程材料;在新材料的设计和研究中,通常把研究对象要求的生物相容性作为一个重要问题考虑。因此,今后也会重点考虑对生物学性能的评价和检测方式的研究,与此同时,也将会考虑理化性能对生物学性能的影响,通过加强对材料组成结构、物理化学性能的研究方法的研究,促进人们对生物学性能的了解。
[参考文献]
[1] 何天白, 胡汉杰. 功能高分子与新技术[M]. 北京: 化学工业出版社, 2001. 95～98.
[2] L. G. Griffith. polymeric biomaterials [J].Actamater. 2000, (48): 263～277.
[3] Neeraj Kumar, Robert S. Langer, AbrahamJ Domb. Polyanhydrides: anoverview
[J ].Advanced Drug Delivery Reviews 2002,(54): 889～910.
[4] 冯凌云, 陈晓明. 生物陶瓷材料的生物学性能评价[J]. 武汉工业大学学报, 1998, (18):23
～26.
[5] C. Piconi, G. Maccauro. Zirconia as aceramic biomaterial [J ]. Biomaterials ,1999, (20): 1～
25.
[6] L. D. Timmie Topoleski, Paul Ducheyne,John M. Cuckler. Flow intrusioncharacteristics and
fracture propertiesoftitanium- fibre- reinforced bone cement[J]. Biomaterials , 1998, (19): 1569～1577.
[7] Y. Shikinami, M. Okuno. Bioresorbabledevices made of forged composites of hydroxyapatite
(HA) particles andpoly-L - lactide (PLLA) : Part I. Basic characteristics [J ]. Biomaterials, 1999,(20): 85～87.
[8] 张兴栋. 材料科学技术百科全书[M]. 北京: 中国大百科全书出版社, 1993. 927～928.
[9] 顾汉卿, 徐国风. 生物医学材料学[M]. 天津:科学技术出版社, 1993. 361～362.
[10] 张兴栋. 材料科学技术百科全书[M]. 北京:中国大百科全书出版社, 1995. 919～921,
927～928.
[11] 张兴栋. 硬组织修复与骨组织工程材料[M].天津: 天津大学出版社, 2000. 142～145, 120～122.
[12] Kulkami. BiodegradablematerialsResearch[J]. BiomedicalMaterials Research, 1971,(5): 169～181.
生物材料在医学上应用的现状及发展前景
xx人xx单位
摘 要: 材料科学与物理学、化学、生物学及临床科学越来越紧密地结合，并突破旧有科学的狭小范围，诞生了另一个新兴的产业--生物医学材料产业。生物医学材料已经成为生物医学工程的4大支柱产业之一，它为医学、药物学及生物学等学科的发展提供了丰富的物质基础。作为材料学的一个重要分支，它对于促进人类文明的发展必将作出更大的贡献。
生物医学材料指的是一类具有特殊性能、特种功能，用于人工器官、外科修复、理疗康复、诊断、治疗疾患，而对人体组织不会产生不良影响的材料。现在各种合成和天然高分子材料、金属和合金材料、陶瓷和碳素材料以及各种复合材料，其制成产品已经被广泛地应用于临床和科研。
关键词: 生物材料; 陶瓷；高分子;降解。
生物材料也称为生物医学材料, 是指以医疗为目的, 用于与生物组织接触以形成功能的无生命的材料[1]自19世纪80年代以来, 以医疗、保健、增进生活质量、造福人类为目的的生物材料取得了快速的发展。它最早的使用可以追溯至19世纪末, 在1886年, 首例钢片和镀镍钢治疗骨折应用于临床获得成功。迄今为止, 除大脑以外的各种人工器官已经应用于人体, 并取得了良好的效果。目前, 生物材料主要包括医用高分子材料、生物陶瓷、医用金属材料等[2]。
1．生物医学材料的分类
一般而言，临床医学对生物医学材料有以下基本的要求：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；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；化学性质稳定，抗体液、血液及酶的作用；具有与天然组织相适应的物理机械特性；针对不同的使用目的具有特定的功能。
目前, 按材料性质不同, 生物材料一般可分为医用高分子材料、生物陶瓷材料、医用金属材料、生物降解材料、生物医学复合材料等。
1. 1 医用高分子材料
医用高分子材料是生物医用材料研究领域最活跃的领域之一, 特别是20世纪60年代以来发展更快, 已经能合成出许多具有优良性能的软、硬材料及药物控释材料应用到各个医学领域。医用高分子易于加工成型, 原材料易得, 理化性质可以在很宽的范围内被调节和控制, 加之生物体的大部分组织和器官实质都是由高分子化合物构成, 故一经出现就得到重视和应用。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、化学稳性、可加工性等严格的要求。当前研究主要集中在外科置入件用高分子材料和生物降解及药物控制释放材料[3]。
1. 2 生物陶瓷材料
生物陶瓷又称生物医用非金属材料, 从广义上讲包括主要构成成分为无机非金属材料及其制品。与高分子材料和金属材料相比, 生物陶瓷在人体内极其稳定, 压缩强度高, 对生物组织有良好的相容性与亲和性, 且耐腐蚀, 无毒副作用, 几乎看不到与生物组织的排斥反应, 因而受到人们的普遍关注[4, 5],是近年来研究较多且进展较快的领域。当前的研究主要集中在具有特异性功能的活性材料, 良好的力学性能且促进组织生长的功能材料, 具有生物体组织结构的复合材料
[6], 以磷酸盐为基体材料的生物活性陶瓷是目前生物陶瓷研究中最活跃的领域
[7]。
1. 3 医用金属材料
医用金属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。己经应用于临床的医用金属材料主要是不锈钢、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、锆、铌等。主要用于骨和牙等硬组织的修复和替换, 心血管和软组织修复以及人工器官的制造, 如人工髋关节、骨折内固定钢板以及骨螺钉等。最先泛用于临床治疗的金属是金(Au)、银(Ag)、铂(Pt)等贵重金属[8], 它们具有良好的稳定性和加工性能。之后, 铜(Cu)、铅(Pb)、镁(Mg)、铁(Fe)和钢等曾用于临床试验, 但因耐腐蚀性、生物相容性较差以及力学性能欠佳未受到广泛应用。随着冶金技术的进步, 不锈钢逐渐应用于临床, 虽然抗腐蚀性并不十分理想, 但其易加工, 价格低廉, 故在临床应用中得到了一席地[9]。目前应用最多的医用金属是不锈钢、钛及钛合金以及钴铬钼合金[10]。
1. 4 生物降解材料
所谓可降解材料是指那些在被植入人体内以后, 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, 现已成为医用高分子发展的重要方向之一[11]。临床中主要用作非永久性植入支架或装置。植入后, 首先代行被替换组织的功能, 然后随着材料的降解吸收被新生组织同步替换,最后达到永久治疗的目的, 免去了二次手术的痛苦, 可提高疗效[12]。聚乳酸( PLA)是典型的合成可降解聚合物之一, 其代谢产物乳酸是体内三羧酸循环的中间代谢物, 且吸收和代谢机理己经明确并具有可靠的生物安全性, 因此作为第一批可生物降解吸收材料已被美国FDA批准用于临床, 是迄今研究最多, 应用最广泛的可降解生物材料。其强度相对较高, 模量可达4Gpa, 故广泛地应用于制作医疗器械、骨折固定装置等, 并因具有一定的生物活性, 也曾应用于骨填充、替换材料。
1. 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。
2 生物医学材料的应用前景
就材料和组织间的相互作用而论，生物材料科学的发展，已经历了生物惰性材料和与组织相互作用的生物材料阶段。进入20世纪90年代，由于高技术的进展以及临床需求推动了新型生物材料的设计、合成与制造。分子生物学的进展有力地促进了植入体科学的发展，使生物材料的研究进入了～个崭新的阶段，即将生物技术应用于生物材料，利用生物学原理去设计和制造具有生物结构和功能的材料。这种新型生物材料含有活体细胞、细胞组成和细胞
产物，以及模拟细胞生物功能，能充分调动人体自身修复和完善的功能，材料科学与生命科学真正融为一体，生物材料科学提供框架，生物技术提供功能。生物材料科学已从材料和宿主界面的研究，加入了新的成员——活体细胞，生物材料已从无生命的材料发展进入有生命活性的材料，从而使人类有可能在将来完全复制整个的人体器官。
近年来, 世界生物材料市场发展势头更为迅猛,其发展态势可与信息、汽车产业在世界经济中的地位相比。据1988年美国国家健康统计中心调查, 美国己有1100万人(不包括齿科材料)植入了一件以上的生物医用材料, 全球达3000万人以上, 1995年世界生物医用材料市场已达2000亿美元。中国科学院在2002年《高技术发展报告》中披露, 1990～1995年, 世界生物医用材料市场以每年大于20%的速度增长。这期间中国的增长虽然也比较快, 但由于起点低, 市场份额只占世界市场的2%。2000年, 全球医疗器械市场己达1650亿美元, 其中生物医学材料及制品约占40%至50%。20世纪90年代, 医疗器械平均年增长率在11%左右, 预计未来几年发展中国家将会大幅度增长。如除日本外的亚洲地区将从2000年占世界市场份额17%的280亿美元, 增长至2005年占世界市场份额的25%。生物医用材料及其制品的市场预计10- 15年将达到药品市场的规模, 成为本世纪经济的支柱性产业。
随着社会日益增加对生物材料的需要,将会促进材料合成技术的发展,改善对现有生物材料的改性,特别是表面改性技术,设计出便捷高效的方法,制造出功能更完善的组织工程材料;在新材料的设计和研究中,通常把研究对象要求的生物相容性作为一个重要问题考虑。因此,今后也会重点考虑对生物学性能的评价和检测方式的研究,与此同时,也将会考虑理化性能对生物学性能的影响,通过加强对材料组成结构、物理化学性能的研究方法的研究,促进人们对生物学性能的了解。
[参考文献]
[1] 何天白, 胡汉杰. 功能高分子与新技术[M]. 北京: 化学工业出版社, 2001. 95～98.
[2] L. G. Griffith. polymeric biomaterials [J].Actamater. 2000, (48): 263～277.
[3] Neeraj Kumar, Robert S. Langer, AbrahamJ Domb. Polyanhydrides: anoverview
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[4] 冯凌云, 陈晓明. 生物陶瓷材料的生物学性能评价[J]. 武汉工业大学学报, 1998, (18):23
～26.
[5] C. Piconi, G. Maccauro. Zirconia as aceramic biomaterial [J ]. Biomaterials ,1999, (20): 1～
25.
[6] L. D. Timmie Topoleski, Paul Ducheyne,John M. Cuckler. Flow intrusioncharacteristics and
fracture propertiesoftitanium- fibre- reinforced bone cement[J]. Biomaterials , 1998, (19): 1569～1577.
[7] Y. Shikinami, M. Okuno. Bioresorbabledevices made of forged composites of hydroxyapatite
(HA) particles andpoly-L - lactide (PLLA) : Part I. Basic characteristics [J ]. Biomaterials, 1999,(20): 85～87.
[8] 张兴栋. 材料科学技术百科全书[M]. 北京: 中国大百科全书出版社, 1993. 927～928.
[9] 顾汉卿, 徐国风. 生物医学材料学[M]. 天津:科学技术出版社, 1993. 361～362.
[10] 张兴栋. 材料科学技术百科全书[M]. 北京:中国大百科全书出版社, 1995. 919～921,
927～928.
[11] 张兴栋. 硬组织修复与骨组织工程材料[M].天津: 天津大学出版社, 2000. 142～145, 120～122.
[12] Kulkami. BiodegradablematerialsResearch[J]. BiomedicalMaterials Research, 1971,(5): 169～181.