[科普中國(guó)]-生物醫(yī)用材料

生物醫(yī)用材料(Biomedical Materials)是用來(lái)對(duì)生物體進(jìn)行診斷、治療、修復(fù)或替換其病損組織、器官或增進(jìn)其功能的材料。

簡(jiǎn)介生物醫(yī)用材料(Biomedical Materials)是用來(lái)對(duì)生物體進(jìn)行診斷、治療、修復(fù)或替換其病損組織、器官或增進(jìn)其功能的材料。它是研究人工器官和醫(yī)療器械的基礎(chǔ)，已成為當(dāng)代材料學(xué)科的重要分支，尤其是隨著生物技術(shù)的蓬勃發(fā)展和重大突破，生物醫(yī)用材料已成為各國(guó)科學(xué)家競(jìng)相進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。

人類(lèi)利用生物醫(yī)用材料的歷史與人類(lèi)歷史一樣漫長(zhǎng)。自從有了人類(lèi)，人們就不斷地與各種疾病作斗爭(zhēng)，生物醫(yī)用材料是人類(lèi)同疾病作斗爭(zhēng)的有效工具之一。追溯生物醫(yī)用材料的歷史，公元前約3500年古埃及人就利用棉花纖維、馬鬃作縫合線縫合傷口。而這些棉花纖維、馬鬃則可稱之為原始的生物醫(yī)用材料。墨西哥的印第安人（阿茲臺(tái)克人）使用木片修補(bǔ)手上的顱骨。公元前2500年前中國(guó)、埃及的墓葬中就發(fā)現(xiàn)有假牙、假鼻、假耳。人類(lèi)很早就用黃金來(lái)修復(fù)缺損的牙齒。文獻(xiàn)記載，1588年人們就用黃金板修復(fù)顎骨。1775年，就有金屬固定體內(nèi)骨折的記載，1800年有大量有關(guān)應(yīng)用金屬板固定骨折的報(bào)道。1809年有人用黃金制成種植牙齒。1851年有人使用硫化天然橡膠制成的人工牙托和顎骨。20世紀(jì)初開(kāi)發(fā)的高分子新材料促成了人工器官的系統(tǒng)研究的開(kāi)始，人工器官的臨床應(yīng)用則始于1940年。由于人工器官的臨床應(yīng)用，拯救了成千上萬(wàn)患者的生命，減輕了病魔給患者及其家屬帶來(lái)的痛苦與折磨，引起了醫(yī)學(xué)界的廣泛重視，加快了人工器官研究步伐。目前可以說(shuō)，從天靈蓋到腳趾骨，從人體的內(nèi)臟到皮膚，從血液到五官，除了腦以及大多數(shù)內(nèi)分泌器官外，大豆有了代用的人工器官。依據(jù)生物材料的發(fā)展歷史及材料本身的特點(diǎn)，可以將已有的材料分為三代，它們鴿子都有自己明顯的特點(diǎn)和發(fā)展時(shí)期，代表了生物醫(yī)用材料發(fā)展的不同水平。20世紀(jì)初第一次世界大戰(zhàn)以前所使用的醫(yī)用材料可歸于第一代生物醫(yī)用材料，代表材料有石膏、各種金屬、橡膠以及棉花等物品，這一代的材料大都被現(xiàn)代醫(yī)學(xué)所淘汰。第二代生物醫(yī)用材料的發(fā)展是建立在醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)（尤其是高分子材料學(xué)）、生物化學(xué)、物理學(xué)及大型物理測(cè)試技術(shù)發(fā)簪的基礎(chǔ)之上的。研究工作者也多由材料雪茄或主要由材料學(xué)家與醫(yī)生合作來(lái)承擔(dān)。代表材料有羥基磷灰石、磷酸三鈣、據(jù)羥基乙酸、聚甲基丙烯酸羥乙基酯、膠原、多肽、纖維蛋白等。這類(lèi)材料與第一代生物醫(yī)用材料一樣，研究的思路仍然是努力改善材料本身的力學(xué)、生化性能，以使其能夠在生理環(huán)境下有長(zhǎng)期的替代、模擬生物組織的功能。第三代生物醫(yī)用材料是一類(lèi)具有促進(jìn)人體自修復(fù)和再生作用的生物醫(yī)學(xué)復(fù)合材料，它以對(duì)生物體內(nèi)各種細(xì)胞組織、生長(zhǎng)因子、生長(zhǎng)抑素及生長(zhǎng)基質(zhì)等結(jié)構(gòu)和性能的了解為基礎(chǔ)來(lái)簡(jiǎn)歷生物醫(yī)用材料的概念。它們一般是由具有生理“活性”的組元及控制載體的“非活性”組元所構(gòu)成，具有比較理想的修復(fù)再生效果。其基本思想是通過(guò)材料之間的復(fù)合，材料與活細(xì)胞的融合，活體材料和人工材料的雜交等手段，賦予材料具有特異的靶向修復(fù)、治療和促進(jìn)作用，從而達(dá)到病變 組織主要甚至全部由健康的再生組織所取代。骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP）材料是第三代生物醫(yī)用材料中的代表材料。

在不同的歷史時(shí)期，生物醫(yī)用材料被賦予了不同的意義。其定義是隨著生命科學(xué)和材料科學(xué)的不斷發(fā)展而演變的。但是，他們都有一些共同的特征。即生物醫(yī)用材料是一類(lèi)人工或天然的材料，可以單獨(dú)或與藥物一起制成部件、器械用于組織或器官的治療、增強(qiáng)或替代，并在有效試用期內(nèi)不會(huì)對(duì)宿主引起急性或慢性危害。但由于生命現(xiàn)象是極其復(fù)雜的，是在幾百萬(wàn)年的進(jìn)化過(guò)程中適應(yīng)生存需要的結(jié)果，生命具有一定得生長(zhǎng)、再生和修復(fù)精確調(diào)控能力，這是目前所有人工器官和生物醫(yī)用材料所無(wú)法比擬的。因此，目前的生物醫(yī)用材料與人們的真正期望和要求相差甚遠(yuǎn)。

生物醫(yī)用材料的分類(lèi)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(guò)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。

生物醫(yī)用材料按材料的組成和性質(zhì)可以分類(lèi)如下：

生物醫(yī)用金屬材料生物醫(yī)用金屬材料是用作生物醫(yī)用材料的金屬或合金，又稱外科用金屬材料或醫(yī)用金屬材料，是一類(lèi)惰性材料。這類(lèi)材料具有高的機(jī)械強(qiáng)度和抗疲勞性能，是臨床應(yīng)用最廣泛的承力植入材料。該類(lèi)材料的應(yīng)用非常廣泛，遍及硬組織、軟組織、人工器官和外科輔助器材等各個(gè)方面。除了要求它具有良好的力學(xué)性能及相關(guān)的物理性質(zhì)外，優(yōu)良的抗生理腐蝕性和生物相容性也是其必須具備的條件。醫(yī)用金屬材料應(yīng)用中的主要問(wèn)題是由于生理環(huán)境的腐蝕而造成的金屬離子向周?chē)M織擴(kuò)散及植入材料自身性質(zhì)的退變，前者可能導(dǎo)致毒副作用，后者常常導(dǎo)致植入的失敗。已經(jīng)用于臨床的醫(yī)用金屬材料主要有純金屬鈦、鉭、鈮、鋯等、不銹鋼、鈷基合金和鈦基合金等。

生物醫(yī)用無(wú)機(jī)非金屬材料或稱為生物陶瓷包括陶瓷、玻璃、碳素等無(wú)機(jī)非金屬材料。此類(lèi)材料化學(xué)性能穩(wěn)定，具有良好的生物相容性。一般來(lái)說(shuō)，生物陶瓷主要包括惰性生物陶瓷、活性生物陶瓷和功能活性生物陶瓷三類(lèi)。

生物醫(yī)用高分子材料醫(yī)用高分子材料是生物醫(yī)用材料中發(fā)展最早、應(yīng)用最廣泛、用量最大的材料，也是一個(gè)正在迅速發(fā)展的領(lǐng)域。它有天然產(chǎn)物和人工合成兩個(gè)來(lái)源。該材料除應(yīng)滿足一般的物理、化學(xué)性能要求外，還必須具有足夠好的生物相容性。按性質(zhì)醫(yī)用高分子材料可分為非降解型和可生物降解型兩類(lèi)。對(duì)于前者，要求其在生物環(huán)境中能長(zhǎng)期保持穩(wěn)定，不發(fā)生降解、交聯(lián)或物理磨損等，并具有良好的物理機(jī)械性能。并不要求它絕對(duì)穩(wěn)定，但是要求其本身和少量的降解產(chǎn)物不對(duì)機(jī)體產(chǎn)生明顯的毒副作用，同時(shí)材料不致發(fā)生災(zāi)難性破壞。該類(lèi)材料主要用于人體軟、硬組織修復(fù)體、人工器官、人造血管、接觸鏡、膜材、粘接劑和管腔制品等方面。這類(lèi)材料主要包括聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸酯、芳香聚酯、聚硅氧烷、聚甲醛等。而可降解型高分子主要包括膠原、線性脂肪族聚酯、甲殼素、纖維素、聚氨基酸、聚乙烯醇、聚己丙酯等。它們可在生物環(huán)境作用下發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞和性能蛻變，其降解產(chǎn)物能通過(guò)正常的新陳代謝或被機(jī)體吸收利用或被排出體外，主要用于藥物釋放和送達(dá)載體及非永久性植入裝置。按使用的目的或用途，醫(yī)用高分子材料還可分為心血管系統(tǒng)、軟組織及硬組織等修復(fù)材料。用于心血管系統(tǒng)的醫(yī)用高分子材料應(yīng)當(dāng)著重要求其抗凝血性好，不破壞紅細(xì)胞、血小板，不改變血液中的蛋白并不干擾電解質(zhì)等。

生物醫(yī)用復(fù)合材料生物醫(yī)用復(fù)合材料又稱為生物復(fù)合材料，它是由兩種或兩種以上不同材料復(fù)合而成的生物醫(yī)用材料，并且與其所有單體的性能相比，復(fù)合材料的性能都有較大程度的提高的材料。制備該類(lèi)材料的目的就是進(jìn)一步提高或改善某一種生物材料的性能。該類(lèi)材料主要用于修復(fù)或替換人體組織、器官或增進(jìn)其功能以及人工器官的制造。它除應(yīng)具有預(yù)期的物理化學(xué)性質(zhì)之外，還必須滿足生物相容性的要求。這里不僅要求組分材料自身必須滿足生物相容性要求，而且復(fù)合之后不允許出現(xiàn)有損材料生物學(xué)性能的性質(zhì)。按基材分生物復(fù)合材料可分為高分子基、金屬基和無(wú)機(jī)非金屬三類(lèi)。它們既可以作為生物復(fù)合材料的基材，又可作為增強(qiáng)體或填料，它們之間的相互搭配或組合形成了大量性質(zhì)各異的生物醫(yī)用復(fù)合材料。利用生物技術(shù),一些活體組織、細(xì)胞和誘導(dǎo)組織再生的生長(zhǎng)因子被引入了生物醫(yī)用材料，大大改善了其生物學(xué)性能，并可使其具有藥物治療功能，已成為生物醫(yī)用材料的一個(gè)十分重要的發(fā)展方向。根據(jù)材料植入體內(nèi)后引起的組織反應(yīng)類(lèi)型和水平，它又可分為生物惰性的、生物活性的、可生物降解和吸收等幾種類(lèi)型。人和動(dòng)物中絕大多數(shù)組織均可視為復(fù)合材料，生物醫(yī)用復(fù)合材料的發(fā)展為獲得真正仿生的生物材料開(kāi)辟了廣闊的途徑。

生物衍生材料生物衍生材料是由經(jīng)過(guò)特殊處理的天然生物組織形成的生物醫(yī)用材料。也稱為生物再生材料。生物組織可取自同種或異種動(dòng)物體的組織.特殊處理包括維持組織原有構(gòu)型而進(jìn)行的固定、滅菌和消除抗原性的輕微處理，以及拆散原有構(gòu)型、重建新的物理形態(tài)的強(qiáng)烈處理。由于經(jīng)過(guò)處理的生物組織已失去生命力，生物衍生材料是無(wú)生命力的材料。但是,由于生物衍生材料或是具有類(lèi)似于自然組織的構(gòu)型和功能，或是其組成類(lèi)似于自然組織，在維持人體動(dòng)態(tài)過(guò)程的修復(fù)和替換中具有重要作用。主要用于人工心瓣膜、血管修復(fù)體、皮膚掩膜、纖維蛋白制品、骨修復(fù)體、鞏膜修復(fù)體、鼻種植體、血液唧筒、血漿增強(qiáng)劑和血液透析膜等。

應(yīng)用與發(fā)展前景迄今為止 ,被詳細(xì)研究過(guò)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(gè)領(lǐng)域。生物醫(yī)用材料得以迅猛發(fā)展的主要?jiǎng)恿?lái)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(jìn)程的加速和人類(lèi)對(duì)健康與長(zhǎng)壽的追求，激發(fā)了對(duì)生物醫(yī)用材料的需求。目前生物醫(yī)用材料研究的重點(diǎn)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。

當(dāng)代生物材料的發(fā)展不僅強(qiáng)調(diào)材料自身理化性能和生物安全性、可靠性的改善，而且更強(qiáng)調(diào)賦予其生物結(jié)構(gòu)和生物功能，以使其在體內(nèi)調(diào)動(dòng)并發(fā)揮機(jī)體自我修復(fù)和完善的能力，重建或康復(fù)受損的人體組織或器官。結(jié)合南開(kāi)大學(xué)俞耀庭教授的觀點(diǎn)和2004年中國(guó)新材料發(fā)展報(bào)告，可以將目前國(guó)際上生物醫(yī)用材料學(xué)科的最新進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)概括如下：

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(gè)生物裝置，來(lái)維護(hù)、增進(jìn)人體細(xì)胞和組織的生長(zhǎng)，以恢復(fù)受損組織或器官的功能。它的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)受損組織或器官的修復(fù)和再建，延長(zhǎng)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（組織工程材料）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(zhǎng)繁殖提供三維空間和營(yíng)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)的組織或器官；這種具有生命力的活體組織或器官能對(duì)病損組織或器宮進(jìn)行結(jié)構(gòu)、形態(tài)和功能的重建，并達(dá)到永久替代。近10 年來(lái)，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(mén)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(shí)組織工程也為生物醫(yī)用材料提出問(wèn)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(gè)要素，即"種子"細(xì)胞、支架材料、細(xì)胞生長(zhǎng)因子。最近，由于干細(xì)胞具有分化能力強(qiáng)的特點(diǎn)，將其用作"種子"細(xì)胞進(jìn)行構(gòu)建人工器官成為熱點(diǎn)。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。

當(dāng)前軟組織工程材料的研究和發(fā)展主要集中在研究新型可降解生物醫(yī)用材料，用物理、化學(xué)和生物方法以及基因工程手段改造和修飾原有材料，材料與細(xì)胞之間的反應(yīng)和信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制以及促進(jìn)細(xì)胞再生的規(guī)律和原理，細(xì)胞機(jī)制的作用和原理等，以及研制具有選擇通透性和表面改性的膜材，發(fā)展對(duì)細(xì)胞和組織具有誘導(dǎo)作用的智能高分子材料等方面。

當(dāng)前硬組織工程材料的研究和應(yīng)用發(fā)展主要集中在碳纖維/高分子材料、無(wú)機(jī)材料（生物陶瓷、生物活性玻璃）、高分子材料的復(fù)合研究。

生物醫(yī)用納米材料初見(jiàn)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(wú)機(jī)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(jìn)展，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究也不斷得到擴(kuò)展。目前的研究熱點(diǎn)主要是藥物控釋材料及基因治療載體材料。藥物控釋是指藥物通過(guò)生物材料以恒定速度、靶向定位或智能釋放的過(guò)程。具有上述性能的生物材料是實(shí)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(lèi)基因組計(jì)劃的完成及基因診斷與治療不斷取得進(jìn)展，科學(xué)家對(duì)使用基因療法治療腫瘤充滿信心?；蛑委熓菍?dǎo)人正?；蛴谔囟ǖ募?xì)胞（癌細(xì)胞）中，對(duì)缺損的或致病的基因進(jìn)行修復(fù)；或者導(dǎo)人能夠表達(dá)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(lái)阻止致病基因發(fā)生作用，從而達(dá)到治療的目的。這是治療學(xué)的一個(gè)巨大進(jìn)步?；虔煼ǖ年P(guān)鍵是導(dǎo)人基因的載體，只有借助于載體，正?；虿拍苓M(jìn)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，它具有承載容量大，安全性高的特點(diǎn)。近來(lái)新合成的一種樹(shù)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(cè)技術(shù)、納米復(fù)合醫(yī)用材料、與生物大分子進(jìn)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(qiáng)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(jí)類(lèi)骨磷灰石晶體已成為制備納米類(lèi)骨生物復(fù)合活性材料的基礎(chǔ)。該領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)是，納米生物醫(yī)用材料“部件”與納米醫(yī)用無(wú)機(jī)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(jī)器人、藥物的器官靶向化；通過(guò)納米技術(shù)使介入性診斷和治療向微型、微量、微創(chuàng)或無(wú)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。

活性生物醫(yī)用材料還待發(fā)展活性生物醫(yī)用材料是一類(lèi)能在材料界面上引發(fā)特殊生物反應(yīng)的材料。這種反應(yīng)導(dǎo)致組織和材料之間形成化學(xué)鍵合。該概念是在1969 年美國(guó)人L.Hench 在研究生物玻璃時(shí)發(fā)現(xiàn)并提出，進(jìn)而在生物陶瓷領(lǐng)域引入了生物活性概念，開(kāi)創(chuàng)了新的研究領(lǐng)域。經(jīng)過(guò)30多年來(lái)的發(fā)展，生物活性的概念在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域已建立了牢固的基礎(chǔ)，如?-磷酸三鈣可吸收生物陶瓷等，在體內(nèi)可被降解吸收并為新生組織代替，具有誘出特殊生物反應(yīng)的作用；羥基磷灰石由于是自然骨的主要無(wú)機(jī)成分，故植入體內(nèi)不僅能傳導(dǎo)成骨，而且能與新骨形成骨鍵合，在肌肉、韌帶或皮下種植時(shí)，能與組織密合，無(wú)炎癥或刺激反應(yīng)。生物活性材料具有的這些特殊的生物學(xué)性質(zhì)，有利于人體組織的修復(fù)，是生物醫(yī)用材料研究和發(fā)展的一個(gè)重要方向。

生物醫(yī)用金屬材料的開(kāi)發(fā)勢(shì)在必行金屬生物材料發(fā)展相對(duì)比較緩慢，但由于金屬材料具有其他材料不能比擬的高機(jī)械強(qiáng)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(diǎn)在鎳鈦合金和新型生物醫(yī)用鈦合金兩個(gè)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。

材料表面改性的新方法和新技術(shù)還應(yīng)探索表面改性研究以大幅度改善生物醫(yī)用材料與生物體的相容性為目標(biāo)。生物相容性包括血液相容性和組織相容性，是生物醫(yī)用材料應(yīng)用的基本要求。除了設(shè)計(jì)、制各性能優(yōu)異的新材料外，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)醫(yī)用材料進(jìn)行表面化學(xué)處理（表面接枝大分子或基團(tuán)）、表面物理改性（等離子體、離子注人或離子束）和生物改性是有效途徑。材料表面改性的新方法和新技術(shù)是生物材料研究的永久性課題。目前流行的一些方法包括等離子體表面改性、離子注入表面改性、表面涂層與薄膜合成、自組裝單分子層、材料的表面修飾等。這個(gè)領(lǐng)域已成為生物材料學(xué)科最活躍、最引人注目和發(fā)展迅速的領(lǐng)域之一。

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)管等精密器械進(jìn)入病變部位進(jìn)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(guò)雕刻或激光蝕刻制備，在體內(nèi)以自膨脹、球囊擴(kuò)張式或擴(kuò)張固定在血管內(nèi)壁上。雖然經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入性治療取得較好的成果，但經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈成形術(shù)后6 個(gè)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(wèn)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(kuò)張式兩類(lèi)。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(duì)機(jī)體無(wú)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(wú)毒、無(wú)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(yùn)送，易得、易消毒等要求。更高的要求是能控制閉塞血管時(shí)間的長(zhǎng)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。

血液凈化材料血液凈化材料重在應(yīng)用采用濾過(guò)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(zhuān)一性或高選擇性地去除，從而達(dá)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(lèi)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(diǎn)。

復(fù)合生物醫(yī)用材料仍是開(kāi)發(fā)重點(diǎn)作為硬組織修復(fù)材料的主體，復(fù)合生物醫(yī)用材料受到廣泛重視。它具有強(qiáng)度高、韌性好的特點(diǎn)，目前己廣泛應(yīng)用于臨床。通過(guò)具有不同性能材料的復(fù)合，可以達(dá)到"取長(zhǎng)補(bǔ)短"的效果?？梢杂行Ы鉀Q材料的強(qiáng)度、韌性及生物相容性問(wèn)題。是生物醫(yī)用材料新品種開(kāi)發(fā)的有效手段。提高復(fù)合材料界面之間結(jié)合程度（相容性）是復(fù)合生物醫(yī)用材料研究的主要課題。根據(jù)使用方式的不同研究較多的是：合金、碳纖維/高分子材料、無(wú)機(jī)材料（生物陶瓷、生物活性玻璃）/高分子材料的復(fù)合研究。

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(lèi)方法很多，可以分為口腔有機(jī)高分子材料、口腔無(wú)機(jī)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。近年來(lái)組織工程技術(shù)在口腔臨床開(kāi)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(qiáng)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(wèn)題是影響牙齒及修復(fù)體客觀的一個(gè)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(cè)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。

生物相容性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)在不斷改進(jìn)和發(fā)展新的生物相容性內(nèi)容的研究對(duì)材料的生物學(xué)評(píng)價(jià)提出新的要求，除了目前的ISO10993 標(biāo)準(zhǔn)外，新的評(píng)價(jià)方法將從以下幾個(gè)方面展開(kāi)：①生物醫(yī)用材料對(duì)人體免疫系統(tǒng)的影響；②生物醫(yī)用材料對(duì)各種細(xì)胞因子的影響；③生物醫(yī)用材料對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)、凋亡的影響；④降解控釋材料對(duì)人體代謝過(guò)程的影響；⑤智能材料對(duì)人體信息傳遞和功能調(diào)控的影響；⑥藥物控釋材料、凈化功能材料、組織工程材料的生物相容性評(píng)價(jià)。

生物醫(yī)用材料對(duì)人體的生物學(xué)反應(yīng)理想的生物醫(yī)用材料應(yīng)該是對(duì)人體無(wú)毒性、無(wú)致敏性、無(wú)刺激性、無(wú)遺傳毒性和無(wú)致癌性等不良反應(yīng)。因此，了解生物醫(yī)用材料對(duì)人體的生物學(xué)反應(yīng)就顯得至關(guān)重要。這些反應(yīng)主要包括組織反應(yīng)、血液反應(yīng)及免疫反應(yīng)。

生物醫(yī)用材料的組織反應(yīng)組織反應(yīng)是指局部組織對(duì)生物醫(yī)用材料所發(fā)生的反應(yīng)。組織反應(yīng)是機(jī)體對(duì)異物入侵產(chǎn)生的防御性反應(yīng)，可以減輕異物對(duì)組織的損傷，促進(jìn)組織的修復(fù)和再生。然而，組織反應(yīng)本身也可能對(duì)機(jī)體造成危害。根據(jù)病理變化不同，可以分成以下兩種反應(yīng)：

1、以滲出為主的組織反應(yīng)

多見(jiàn)于植入初期和植入材料的性質(zhì)穩(wěn)定等情況。以中性粒細(xì)胞、漿液、纖維蛋白原滲出為主。如植入物周?chē)M織出現(xiàn)中性粒細(xì)胞聚集；長(zhǎng)期植入的、穩(wěn)定的材料周?chē)?，可由于纖維蛋白原的滲出而出現(xiàn)纖維囊。

2、以增生為主的組織反應(yīng)

多見(jiàn)于植入物長(zhǎng)期存在并損傷機(jī)體的情況。以巨噬細(xì)胞為主，也可見(jiàn)淋巴細(xì)胞、漿細(xì)胞和嗜酸性粒細(xì)胞，并伴有明顯的組織增生，可逐漸發(fā)展為肉芽腫或腫瘤。

在使用生物醫(yī)用材料的過(guò)程中，由組織反應(yīng)引起的兩種嚴(yán)重的并發(fā)癥是炎癥和腫瘤。炎癥包括感染性炎癥和無(wú)菌性炎癥。感染性炎癥可能是由于材料植入的過(guò)程中損傷組織，使病原體趁虛而入；也可能是由于植入物本身未經(jīng)嚴(yán)格的消毒滅菌處理，成為了病原體的載體。無(wú)菌性炎癥不是由于病原體侵入引起，而是由于影響機(jī)體內(nèi)的炎癥和抗炎系統(tǒng)的調(diào)節(jié)而引發(fā)的炎癥反應(yīng)。生物材料植入引起腫瘤是一個(gè)緩慢的過(guò)程，可能是由于材料本身釋放毒性物質(zhì)，也可能是由于材料的外形和表面性能所致。因此，在應(yīng)用長(zhǎng)期植入物之前，進(jìn)行植入物的慢性毒性、致突變和致癌的生物學(xué)試驗(yàn)是十分必要的。

生物醫(yī)用材料的血液反應(yīng)生物醫(yī)用材料血液相容性包含不引起血液凝聚和不破壞血液成分兩個(gè)方面。在一定限度內(nèi)即使在材料表面張力的剪切作用下，對(duì)血液中的紅細(xì)胞等有一定的破壞(即發(fā)生溶血)，由于血液具有很強(qiáng)的再生能力，隨時(shí)間的推移其不利影響并不顯著；而如果在材料表面有血栓形成，由于有累計(jì)效應(yīng)，隨著時(shí)間的推移，凝血程度越來(lái)越高，對(duì)人體造成嚴(yán)重的影響。因此，材料在血液中最受關(guān)注的是其抗凝血性能。材料與血液接觸導(dǎo)致凝血及血栓形成的途徑如圖1所示。正常人體心血管系統(tǒng)內(nèi)的血液保持液體狀態(tài)，環(huán)流不息，并不發(fā)生凝固。當(dāng)醫(yī)用材料與血液接觸時(shí)會(huì)引起血液一系列變化。首先是血漿蛋白在材料表面的吸附，依材料表面結(jié)構(gòu)性能不同，在1分鐘甚至幾秒鐘，在材料表面就會(huì)產(chǎn)生白蛋白和球蛋白以及各種蛋白質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)吸附，在生物材料表面形成復(fù)雜的蛋白質(zhì)吸附層。當(dāng)材料表面吸附?球蛋白、纖維蛋白原時(shí)易于使血小板粘附表面，進(jìn)而導(dǎo)致血小板變形聚集，引發(fā)凝血。蛋白表面也可引起紅細(xì)胞的粘附。雖然紅細(xì)胞在凝血中的作用仍然不十分清楚，但是如若紅細(xì)胞發(fā)生細(xì)胞膜破裂，即出現(xiàn)溶血，紅細(xì)胞釋放的血紅蛋白和二磷酸腺苷簡(jiǎn)稱ADP(促血小板聚集物質(zhì))。它們可以引起血小板的粘附、變形和聚集，進(jìn)而導(dǎo)致凝血。

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圖1 凝血機(jī)制

抗凝系統(tǒng)包括抗凝和纖溶作用?？鼓饔弥饕峭ㄟ^(guò)一些抗凝因子（如抗凝血酶Ⅲ、肝素）來(lái)實(shí)現(xiàn)。纖溶過(guò)程包括纖溶酶原轉(zhuǎn)化為纖溶酶，纖溶酶降解纖維蛋白。血栓形成是常見(jiàn)的生物醫(yī)用材料植入引發(fā)的局部血液循環(huán)障礙。內(nèi)皮細(xì)胞的損傷、血流動(dòng)力學(xué)的改變和血液的高凝狀態(tài)，其中任何一個(gè)因素都可以導(dǎo)致血栓形成。完整的內(nèi)皮細(xì)胞可以通過(guò)表達(dá)肝素樣分子與抗凝血酶Ⅲ結(jié)合使IIa、Xa、IXa 失活，合成 PGI2、NO 、ADP 酶抑制血小板聚集及合成tPA 使纖維蛋白降解等作用抑制血栓形成。血流動(dòng)力學(xué)的改變可以誘發(fā)血栓形成。正常血流是分層流動(dòng)的，當(dāng)血流減慢或?qū)恿鞅黄茐臅r(shí)，血小板與內(nèi)膜接觸并激活，凝血因子也可以在局部聚集。當(dāng)處于創(chuàng)傷、手術(shù)等情況時(shí)，血液的凝血系統(tǒng)亢進(jìn)和（或）抗凝系統(tǒng)減弱也可導(dǎo)致血栓形成。

生物醫(yī)用材料的免疫反應(yīng)免疫系統(tǒng)是人體的“軍隊(duì)”和“警察”，它可以識(shí)別自己和非己。免疫系統(tǒng)的主要功能包括針對(duì)病原微異原分子免疫防御功能、針對(duì)自體衰老和病變細(xì)胞的免疫自穩(wěn)功能和針對(duì)腫瘤細(xì)胞的免疫監(jiān)視功能。免疫系統(tǒng)由天然免疫系統(tǒng)和獲得性免疫系統(tǒng)組成。天然免疫系統(tǒng)包括肥大細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、自然殺傷細(xì)胞、中性粒細(xì)胞和補(bǔ)體等。天然免疫系統(tǒng)可以早期識(shí)別、清除病原體，然而它對(duì)于病原體的識(shí)別不具有特異性。在受到病原體刺激后，再次接觸病原體時(shí)能夠針對(duì)性地做出反應(yīng)的免疫系統(tǒng)成為獲得性的免疫系統(tǒng)。獲得性免疫系統(tǒng)又可分為由B 細(xì)胞介導(dǎo)的體液免疫和由T 細(xì)胞介導(dǎo)的細(xì)胞免疫。由于生物醫(yī)用材料造成免疫系統(tǒng)的功能（包括免疫識(shí)別和反應(yīng)程度）紊亂，可以發(fā)生以下免疫反應(yīng)：

1、免疫抑制

由于有些生物醫(yī)用材料造成免疫防御功能不足，使得機(jī)體抵抗病原微生物的能力降

低。

2、變態(tài)反應(yīng)

由于有些生物醫(yī)用材料造成免疫防御功能亢進(jìn)，免疫反應(yīng)過(guò)于強(qiáng)烈損傷人體。如殘留乳膠、雙酚A、丙烯酸添加劑等低分子量有機(jī)分子或單體。

3、自身免疫

由于有些生物醫(yī)用材料造成免疫自穩(wěn)功能亢進(jìn)，免疫系統(tǒng)不能和識(shí)別自己和非己，對(duì)自體正常組織產(chǎn)生免疫反應(yīng)。如聚四氟乙烯、聚酯等。

生物醫(yī)用材料與人體組織作用的界面界面是一個(gè)有一定厚度（通常小于0.1μm）的區(qū)域，物質(zhì)的能量可以通過(guò)這個(gè)區(qū)域從一個(gè)相連續(xù)地變化到另一個(gè)相。根據(jù)植入材料的不同，與生物體組織作用的界面可分為：惰性材料與生物體組織作用的界面和活性材料與生物體組織作用的界面。

1、惰性生物醫(yī)用材料與生物體組織作用的界面惰性生物醫(yī)用材料的特點(diǎn)是在生物體內(nèi)保持穩(wěn)定，幾乎不參加生物體的化學(xué)反應(yīng)。長(zhǎng)期植入惰性材料，植入物與機(jī)體發(fā)生滲出性組織反應(yīng)，其中以纖維蛋白原滲出為主，形成纖維包囊。如果材料無(wú)毒性物質(zhì)滲出，包囊將逐漸變薄，淋巴細(xì)胞消失，鈣鹽沉積。這一類(lèi)的材料有氧化鋁、碳纖維、鈦合金等。如果材料持續(xù)釋放金屬離子或有機(jī)單體等毒性離子，會(huì)促使局部組織反應(yīng)遷延不愈，轉(zhuǎn)變?yōu)槁匝装Y。纖維薄膜逐漸變厚，淋巴細(xì)胞增多，鈣鹽沉積，可發(fā)展為肉芽腫，甚至腫瘤。

2、活性生物醫(yī)用材料與生物體組織作用的界面活性生物醫(yī)用材料可以與機(jī)體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，與組織之間形成化學(xué)鍵。這里我們主要介紹表面活性生物醫(yī)用材料與生物體組織作用的界面、可降解生物陶瓷與生物體組織作用的界面和雜化生物醫(yī)用材料與生物體組織作用的界面。

(1)表面活性生物醫(yī)用材料與生物體組織作用的界面：表面活性生物醫(yī)用材料其表面成分與組織成分相近，能與組織結(jié)合形成穩(wěn)定的結(jié)合界面。這種材料與組織親和性好。如表面含羥基磷灰石的生物材料。

(2)可降解生物陶瓷與生物體組織作用的界面：陶瓷可在組織內(nèi)釋放組織所需的成分，加速組織的生長(zhǎng)，并逐漸為新生的組織所取代。如β-磷酸三鈣陶瓷可在體液中釋放Ca2+、PO4

3+離子，促進(jìn)骨組織的生長(zhǎng)，并逐漸為之取代。

(3)雜化生物醫(yī)用材料與生物體組織作用的界面：雜化材料由活體組織和非活體組

織復(fù)合而成。由于活體組織的存在是使材料的免疫反應(yīng)減輕，使材料具有很好的相容性。

這類(lèi)材料有各種人工材料與生物高分子的復(fù)合物，合成材料與細(xì)胞的復(fù)合物等。

3、界面理論及其研究方法

(1)界面潤(rùn)濕理論；主要研究液體對(duì)固體表面的親和狀況。材料植入首先是與由血漿、組織液組成的液體環(huán)境接觸，所以材料與機(jī)體組織親和性與液體與材料表面的潤(rùn)濕作用密切相關(guān)。一般通過(guò)研究固體表面潤(rùn)濕臨界張力和液體在固體上的潤(rùn)濕角測(cè)定界面能。

(2)界面吸附理論；通過(guò)研究界面對(duì)水分子、各種細(xì)胞、氨基酸、蛋白質(zhì)和各種離子的吸附作用，為材料界面改性提供參考。可以運(yùn)用生物流變學(xué)的原理和方法，了解材料的形態(tài)表面對(duì)細(xì)胞吸附作用的影響。

(3)界面化學(xué)鍵合理論；理論上講，植入物與人體組織同處于人體的內(nèi)環(huán)境中，存在形成各種化學(xué)鍵的可能性。主要采用電子探針、電子能譜、質(zhì)譜、核磁共振、拉曼光譜等分析界面元素及化合態(tài)。

(4)界面分子結(jié)合理論 植入材料由于的表面極性、表面電荷及活性基團(tuán)不同，對(duì)人體組織的作用也存在差異。通過(guò)測(cè)量生物壓電材料所產(chǎn)生的微電流，評(píng)價(jià)其對(duì)于細(xì)胞界面形成的影響。

(5)界面酸堿理論；由于界面細(xì)胞的生長(zhǎng)與界面局部的酸堿度直接相關(guān)，所以可以通過(guò)研究界面酸堿度，了解并改善生物醫(yī)用材料與組織的親和性。在離體實(shí)驗(yàn)中，通常采取常規(guī)的pH 值測(cè)定法和納米級(jí)超微電極測(cè)定界面pH 值。

(6)界面物理結(jié)合理論；植入體與人體組織的結(jié)合首先是物理結(jié)合，組織細(xì)胞通過(guò)微孔長(zhǎng)入植入體以增加其結(jié)合強(qiáng)度。微孔的大小關(guān)系著組織細(xì)胞能否長(zhǎng)入植入體，微孔的比率決定著植入體的強(qiáng)度。主要采用各種傳感技術(shù)及光彈應(yīng)力分析法、有限元計(jì)算分析法等測(cè)定界面結(jié)合強(qiáng)度與應(yīng)力。

另外，界面研究方法還包括界面的形態(tài)學(xué)研究。主要通過(guò)透射電鏡、掃描電鏡及各種立體成像技術(shù)觀察界面處的形態(tài)。

生物醫(yī)用材料才人體內(nèi)的代謝產(chǎn)物和途徑一般來(lái)講，生物醫(yī)用材料在體內(nèi)首先與體液接觸，通過(guò)水解作用，某些材料可能由高分子物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄缘男》肿游镔|(zhì)。這些小分子物質(zhì)經(jīng)由血液循環(huán)，運(yùn)輸?shù)胶粑到y(tǒng)、消化、泌尿系統(tǒng)，經(jīng)呼吸、糞、尿的方式排出體外。在代謝的過(guò)程中，可能有酶參與其中。生物醫(yī)用材料經(jīng)過(guò)一系列的反應(yīng)，可能完全降解由體內(nèi)排出，也可能會(huì)有部分材料或其降解產(chǎn)物長(zhǎng)期存在于人體內(nèi)。生物醫(yī)用材料在體內(nèi)代謝的中間產(chǎn)物和終產(chǎn)物可能對(duì)人體有利也可能有害，因此對(duì)于材料在生物體內(nèi)的代謝產(chǎn)物和途徑的研究具有十分重要的意義。材料在體內(nèi)的代謝受很多方面因素的影響，如材料本身的因素、植入環(huán)境的因素等。目前，材料在體內(nèi)代謝的研究方法主要分為體外試驗(yàn)和體內(nèi)試驗(yàn)。體外降解試驗(yàn)主要是在體外模擬體內(nèi)的環(huán)境條件，從外形、力學(xué)性能、質(zhì)量等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。這種試驗(yàn)主要用于研究固體生物醫(yī)用材料。體內(nèi)試驗(yàn)主要是在動(dòng)物體內(nèi)進(jìn)行。體內(nèi)試驗(yàn)是將生物醫(yī)用材料植入動(dòng)物體內(nèi)觀察材料的改變。具體可以通過(guò)解剖、X 線、放射性標(biāo)記示蹤等方法。這種試驗(yàn)方法的優(yōu)點(diǎn)是可以獲得更接近人體的試驗(yàn)結(jié)果。

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本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

奚廷斐 - 研究員 - 北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院