董亮，何星
上海理工大学材料科学与工程学院，上海 200093远红外烘干炉
摘要 随着材料科学、生命科学和临床医学的不断发展，以及人类对自身健康事业要求的不断提高，生物医用材料变得必不可少，已经成为了各国科学工作者进行研究和开发的热点。本文主要结合国内外的研究进展对生物医用材料进行了概述，并探讨了生物医用材料未来发展的趋势。关键词 生物医用材料；生物活性；发展前景
中图分类号 R730.58 文献标志码 A doi 10.11966/j.issn.2095-994X.2015.01.04.09
Research status and development trends of biomedical materials
DONG Liang , HE Xing
School of Materials Science and Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, china
Abstract Nowadays, human concern about their health more carefully. With the development of the material science, life science and clinical medicine, the biomedical materials become necessary, and the researches of the biomedical materials have been a hot topic round the world. This article introduces the biomedical materials according to the research in the domestic and overseas and the trends of development are also well described in the paper. Keywords biomedical materials; bioactivity; development trends
生物医用材料（Biomedical Materials ），又称生物材料（Biomaterials ），是用于诊断、、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，不是药物，其作用不必通过药理学、免疫学或代谢手段实现，属于医疗器械范畴[1]。生物医用材料是研究人工器官和医疗器械的基础，是在材料科学、材料化学、材料物理学等领域和生物学、医学、药学等学科之间形成的交叉性边缘学科，具有知识、技术密集和多学科交叉的特点，因而也成为了各国科学家进行研究和开发的热点。 1 生物医学对材料的要求
生物医用材料不管最终是作为植入体还是医疗器械，收稿日期：2015-10-21；修回日期：2015-11-20
基金项目：国家自然科学基金青年科学基金 （51202147）
作者简介：董亮，硕士在读，研究方向为3D 打印骨修复生物材料及其应用，： ；何星（通信作者），
副教授，研究方向为炭材料及多孔支架在生物工程方面的应用，：hexing@
引用格式：董亮，何星.生物医用材料的研究进展及发展前景[J].世界复合医学，2015,1（4）：340-346
都是在最为复杂的生物环境下进行工作。作为体内植入物的材料，不仅要在生物条件下物理机械性能长期稳定，而且要对人体的组织、血液、免疫等系统不产生不良影响。
具体来说，它必须满足如下几个条件。
1.1 生物学条件
作为和人体直接接触的应用材料，生物医用材料必须要有非常好的生物相容性，对人体无毒和无过敏反应，并且对机体不能产生免疫排斥反应。理想中的植入体，在对自体不产生排斥的同时，最好能够具有良好的生物活性，促进相应组织的愈合和生长。由于生物医用材料必须与血液接触，因此它应具有抗凝血和抗血栓性能，
不会引起血液凝固和溶血现象[2-3]。
* 论著——复合医学基础技术*
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本文摘自领导科学论坛
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1.2 物理化学条件
作为植入人体内的外来物，首先所要具备的就是安全可靠性，这就要求生物医用材料的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。比如对于用作人工关节的生物医用材料，不仅要具有良好的抗拉强度、压缩强度、弯曲强度及合适的弹性模量和硬度等，还必须要具有良好的耐磨损、耐疲劳性能，以保证人工关节能够在人体内经受反复的载荷和冲击。
1.3 其他条件
作为生物医用材料，材料本身应该容易加工成型，使用操作简便，能满足患者的不同需求。合适的价格对于材料的普及与应用有着至关重要的作用。对于特殊的应用，生物医用材料的要求也有不同，譬如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[4]。
2 生物医学材料的分类
从材料学的角度按照材料的组成和性质来分，生物医用材料可分为生物医用高分子材料、生物医用金属材料、生物医用陶瓷材料、生物医用复合材料以及生物衍生材料。2.1 生物医用高分子材料 早在公元前3500年，埃及人就开始使用棉花纤维，马鬃缝合伤口。墨西哥印第安人用木片修补受伤的颅骨[5]。生物医用高分子材料并不是一个新的学科，是生物医用材料中发展最早、应用最广泛、用量最大的材料。按照材料的来源，我们把生物医用高分子材料分为生物医用天然高分子材料和生物医用合成高分子材料。
生物医用天然高分子材料来源于大自然，是由生命过程形成的材料，通常这种材料资源丰富、容易获取，具有良好的生物相容性、较低的生物毒性以及可降解性。目前为止，主要有具有特殊功能和生物活性的天然多糖、两亲性多糖衍生物、天然高分子类水凝胶以及蛋白质及其衍生物[6]。
生物医用合成高分子材料是指人类根据材料的用途不同，依据相应化学原理人工合成的高分子材料。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；第二阶段始于1953年，其标志是医用级有机硅橡胶的出现；第三阶段是具有主动诱导、激发人体组织器官再生修复的新材料的出现[7]。
目前已使用到临床上的生物医用高分子材料如表1[8]所示。可以从表中看出，目前进入临床的还是主要以生物医用合成高分子材料为主。
表1 临床上使用的生物医用高分子材料
实名认证系统用途主要使用的高分子材料
人工血管聚酯纤维、真丝、聚氨酯
人工心脏聚氨酯、聚氯乙烯、硅橡胶、天然橡胶
人工皮肤硅橡胶骨胶原无纺布、离子型聚酯复合物、聚氨基酸
人工骨多孔聚四氟乙烯、超高分子量聚乙烯、聚砜碳纤维复合物
人工关节甲基苯烯酸甲酯与苯乙烯共聚物、多孔聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯碳纤维复合物骨板、骨钉、脊椎钉聚砜碳纤维复合物、聚乳酸、聚乙烯醇复合材料
人工乳房硅橡胶、硅凝胶、氟硅橡胶
各种医用插管聚乙烯、聚氯乙烯、硅橡胶、天然橡胶、聚氨酯、聚四氟乙烯
可吸收缝合线乳酸-羟基乙酸共聚物、聚乳酸、乙交酯和丙交酯的共聚物、聚二氧杂环己烷酮
2.2 生物医用金属材料
生物医用金属材料主要包括医用金属和合金，是一类生物惰性材料，具有很高的机械强度和抗疲劳性能，是临床上应用最为广泛的承力植入材料，主要用于骨和牙等硬组织的修复和替换，心血管和软组织的修复以及人工器官制造中的结构元件。相对于其他的生物医用材料，生物医用金属材料具有高强度、良好的韧性及抗弯曲疲劳强度、优异的加工性能等许多其他医用材料不可替代的优良性能。目前用于临床的生物医用金属材料主要包括不锈钢、贵金属、钴基合金、钛基合金、形状记忆合金以及钽、铌、锆等单位金属。
2.3 生物医用陶瓷材料
生物医用陶瓷材料主要指的是陶瓷、玻璃和碳素等无机非金属医用材料，其主要成分是氧化铝、生物碳、生物玻璃、羟基磷灰石、磷酸钙陶瓷等。生物陶瓷材料主要用于骨和牙齿、承重关节等硬组织的修复和替换以
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及药物释放载体，生物碳还可以用作血液接触材料，如人工心脏瓣膜等[9]。
与金属材料、高分子材料相比，生物医用陶瓷材料具有优良的耐高温性、耐腐蚀、抗氧化性和较高的机械强度。生物学性能方面，生物医用陶瓷材料具有良好的生物相容性和骨传导性，能与细胞等生物组织表现出良好的亲和性。但是，由于陶瓷材料本身脆性大、韧性低而导致它的使用可靠性差和抗破坏能力差的致命缺点，使其在使用的过程中受到了很大的限制。因此，增加陶瓷材料的韧性，提高陶瓷材料的使用可靠性一直是国际材料界的研究重点[10]。
2.4 生物医用复合材料
生物医用复合材料是采用多种不同特性的材料，通过相应的工艺方法复合而成，可用于对生命体进行诊断医疗、修复或替换生命体病变的器官组织以及改善器官组织的高新材料[11]。根据基体材料的不同，可将生物医用复合材料大致分为金属基、陶瓷基和高分子基复合材料三大类。单一的材料往往会存在某一方面的缺陷，不能很好地满足临床应用的要求。生物医用复合材料可以结合各类材料的优点，通过相应的工艺可制出与生物组织的结构和性质都类似的替代材料，其工艺设计性多样化。生物医用复合材料主要用于修复或替换人体软组、硬组织和器官或增进其功能以及人工器官的制造。组织工程如今成为科学家研究的热门方向，如何将活性物质引入人工材料制成具有生物活性的组件，这将是生物医用复合材料未来发展的主要方向。2.5 生物衍生材料
生物衍生材料主要是指由经过特殊处理的天然生物组织形成的生物医用材料，主要成分是活性生物组织。生物组织可以取自同种或者异种动物的体组织，其结构与人体组织极为相似，生物相容性好，主要用于人工瓣膜、皮肤、血管修复体、骨修复体等。高明杰等[12]将异种生物衍生骨材料与骨髓间充质干细胞复合培养，发现兔骨髓间充质干细胞在生物衍生骨上发生了良好的附着，证明异种生物衍生骨材料细胞毒性低，其与骨髓间充质干细胞之间具备良好的生物相容性。由于生物衍生材料起步较晚，还有很大的空间值得我们去探索和发掘。
3 生物医学材料的发展前景
随着生物技术、医药技术、信息技术、制造技术、纳米技术和材料科学技术的迅猛发展与交互融合，新型和新概念生物医用材料层出不穷。譬如3D打印技术的出现，使得生物医学材料在组织再生工程、口腔种植领域、药物输送系统以及医学诊断等方面有了全新的应用[13]。药物控制释放材料、组织工程材料、纳米生物材料、生物活性材料、介入诊断和材料、可降解和吸收生物材料、新型人造器官、人造血液等代表了新的发展趋势和方向。
生物医用材料领域中，细胞与材料间的相互作用是研究的主要课题。材料表面的微观结构对细胞的生物调控作用更为重要。纳米材料因具有一些独特的效应，如体积效应和表面效应，有利于细胞黏附、增殖和功能表达，因而作为生物医用材料特别是组织工程支架材料具有良好的应用前景[14]。
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