生物醫用材料是一類用于診斷、治療、修復或替換人體組織、器官或增進其功能的新型高技術材料，其應用不僅挽救了數以千萬計危重病人的生命，而且降低了心血管病、癌癥、創傷等重大疾病的死亡率，在提高患者生命質量和健康水平、降低醫療成本方面發揮了重要作用。

 

　　伴隨著臨床的成功應用，生物醫用材料及其制品產業已經形成，它不但是整個醫療器械產業的基礎，而且是世界經濟中最有生機的朝陽產業。隨著社會經濟的發展，生活水平的提高，以及人口老齡化、新技術的注入，生物醫用材料產業以高于20%的年增長率持續增長，正在成長為世界經濟的支柱性產業。發展生物醫用材料科學與產業不僅是社會、經濟發展的迫切需求，而且對國防事業以及國家安全也具有重要意義。正如美國21世紀陸軍戰略技術報告中指出的，生物技術如戰場快速急救、止血、創傷、手術機器人等技術，是未來30年增強戰斗力最有希望的技術。而生物醫用材料，則是生物技術的重要組成部分。

 

　　作為一個人口大國，我國對生物醫用材料和制品有巨大的需求，市場年增長率已高達30%以上。多年來在國家相關科技計劃支持下，我國生物醫用材料的研究得到了快速發展，但與國際領先水平差距較大，占世界市場份額不到3%，生物醫用高技術產品仍基本依靠進口，已成為導致我國醫療費用大幅度增加的重要原因之一。

 

　　生物醫用材料科學的顯著特點是多學科交叉，包括材料學、化學(特別是高分子化學與物理學)、生物學、醫學/臨床醫學、藥學及工程學等10余個學科。因此，生物醫用材料種類較多、應用范圍廣，是典型的小品種、多批量。故本文簡要概述生物醫用材料的研究及應用現狀與發展趨勢。

 

　　生物醫用材料的分類較多，可以從材料特性、使用范圍等不同角度進行分類，本文從材料研究角度進行分類，主要包括高分子材料(含聚合物基復合材料)、金屬、陶瓷(包括碳、陶瓷和玻璃)、天然材料(包括動植物材料)。

 

　　一、高分子材料

 

　　1.高分子材料種類

 

　　由于人體絕大部分組織與器官都是由高分子化合物構成，因此高分子材料在生物醫學上具有獨特的功效和重要的作用，是臨床上應用最廣的一類生物材料。生物醫用高分子材料包括天然、人工合成、聚合物基復合材料等。

 

　　天然高分子材料有植物材料，如纖維素、藻酸鈉、淀粉等;天然動物材料，如膠原、黏多糖(GAG)、肝素及透明質酸其他的天然材料，如所有生物的遺傳物質脫氧核糖核酸(DNA)。天然高分子材料在臨床上主要應用于內置的人工骨和關節、心臟、心臟瓣膜、食道、膽管、血管、尿道等組織和器官的修復或置換,外置的人工心肺機、腎、肝、脾、假肢、假齒、假眼等。

 

　　為了改善材料綜合性能，人工合成高分子材料作為主體材料，是目前應用最廣泛的高分子材料。它包括疏水的、非吸水材料，如硅橡膠(SR)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚四氟乙烯(PTFE)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA);極性小的材料，如聚氯乙烯(PVC)、乳酸和乙醇酸的共聚物(PLGA)和尼龍;也有吸水溶脹材料，如聚甲基丙酸羥乙酯(PHEMA)，水可溶材料，如聚乙二醇(PEG或PEO)等。下面簡要介紹一些臨床常用材料。

 

　　PMMA是一種疏水的線型鏈聚合物，在室溫下是透明、無定型、玻璃狀的材料，廣泛應用于骨水泥、鏡片〔甲基丙烯酸甲酯中的甲醚用羥乙酯基取代(甲基丙烯酸-2-羥乙酯，HEMA)可以制得一種親水的聚合物)〕、口腔(樹脂牙)等領域。

 

　　聚丙烯酸主要應用于口腔的玻璃離子水門汀、聚丙烯酸也以共價交聯的形式使用，作為粘膠粘合劑中的添加劑添加到黏膜藥物輸送的配方里。聚甲基丙烯酸也可少量加入到接觸鏡片聚合物的配方中以提高可濕性。

 

　　PE是醫學常用材料之一，除了作為醫用包裝材料外，高密度PE常用于導液管、導尿管;超高分子量的PE用于制作人工髖關節和其他一些假肢關節，具有很好的韌性和耐磨性，且能抵制脂類物質的吸附，在惰性氣氛中輻照滅菌也可能生成一些共價交聯鍵，具有一定增強作用。

 

　　PP是全同立構的結晶聚合物，具有高硬度、優良的耐化學藥品性和高的抗張強度。這種材料有優異的抗拉強度，可用于縫合線和疝氣修復。

 

　　PTFE與PE具有相同的結構，只是在PE重復單元上的4個氫被氟取代。這種材料非常疏水，潤滑性能優良，可用做導尿管。微孔型的PTFE也可用于人造血管。

 

　　聚二甲基硅氧烷(PDMS)或合成橡膠(SR)是極為通用的聚合物，但它們的應用由于機械強度較差常受到限制。它們的獨特之處在于主鏈是硅氧烷而不是碳骨架。由于板料的玻璃化溫度(Tg)值很低，所以聚硅氧烷對溫度的敏感性比橡膠低得多。為了提高其機械性能，一般向SR加進二氧化硅填充物做增強劑，有時候用芳環修飾聚硅氧烷的骨架以提高其堅韌程度。SR具有優異的柔順性和穩定性而將其用于各種假肢，如指關節、心臟瓣膜、乳房植入物，以及耳、下顎和鼻子的修復，它們也用于導管和導流管、起搏器的絕緣體。這一材料由于有很高的透氧性也已用于膜式人工肺，雖然最近多孔聚丙烯或聚砜在透氧膜方面用得更多。

 

　　PET是使用量最大的聚合物生物材料之一。這類聚合物是聚酯，主要用于制作大口徑編織、拉絨的或紡織的人工血管、韌帶重建等。

 

　　PEG可以和低溶解度的藥物復合，也可以和具有免疫性的或者很不穩定的蛋白質藥物形成復合物用于藥物輸送方面，它可以延長藥物的循環時間并增加其穩定性;也用于PEG-磷脂復合物以提高含脂藥物的穩定性和循環的時間。在這2種情況中，PEG都起到“掩蔽作用”，在藥物循環體系中避免免疫系統識別，特別是在肝臟里。PEG固定在聚合物生物材料的表面使其成為“抗污染物”。

 

　　PEG在聚合物表面常以高水合狀態存在，這樣的表面由于滲透或熵效應而呈現立體排斥性，這種現象說明含PEG的表面對蛋白質和細胞具有抵抗性。

 

　　另外共聚物是重要的改性材料、增強性能的方式，比如聚氨酯是含有“硬段”和“軟段”的嵌段共聚物，硬段的Tg值在室溫以上，是玻璃態或半結晶態增強段，由二異氰酸酯和擴鏈劑組成。在聚氨酯中典型的軟段是聚醚或聚酯二醇，其Tg值比室溫低得多，這可以使聚氨酯具有良好的抗疲勞和血液相容性能。這類材料用于起搏器的絕緣體、導管、人造血管、心臟輔助氣囊泵、人造心胞及傷口敷料。

 

　　可生物降解的高分子材料，成為現在的發展熱點與趨勢，包括脂肪族聚酯(聚乳酸、聚羥基乙酸、聚乙丙交酯、聚ε-己內酯等)、聚氨基酸(聚α-谷氨酸、聚賴氨酸、聚α-天門冬氨酸等)、聚碳酸酯、聚酸酐、聚原酸酯等。這種材料主要應用于手術縫合線、骨折固定、體內臨時支撐作用的器件、組織和器官的組織工程修復、藥物緩釋與控釋的載體材料等。

 

　　雙酚A與光氣聚合得到聚碳酸酯，是一種清澈、堅韌的材料，具有很高的抗沖擊強度，適用于做眼鏡片和防護鏡片、氧合機的機體及心肺旁路機體。含大分子二醇的聚碳酸酯用來制造共聚物，如聚氨酯。聚碳酸酯鏈段可以使材料具有生物穩定性。另外Bis-GMA目前廣泛應用于牙科充填修復材料。

 

　　PLGA是一種無規共聚物，用于可吸收的手術縫合線、藥物輸送體系和整形外科的矯正器，如固定裝置。PLGA的降解產物是內源性代謝的化合物(乳酸和乙醇酸)，因此是無毒的。PLGA聚合反應經過乙交酯和丙交酯開環反應進行。在聚合物上酯鍵的存在可以使材料逐漸降解(再吸收)。其降解的速度可由聚乳酸和聚乙醇酸的比例進行控制。

 

　　2.高分子材料的制造和加工

 

　　聚合物材料使用前，必須進行物理的、熱的處理或者機械加工，才能成為所需要的形狀。加工開始時可以采用高分子質量的聚合物，這時可能需要在材料中加人添加劑以便于加工或有利于最終使用。添加劑包括抗氧劑、UV穩定劑、增強填充物、潤滑劑、脫模劑和增塑劑。聚合物的終端產品也可以從單體或者低分子質量的預聚物開始制造。典型的實例是PMMA牙科或骨水泥，在身體內原位固化。聚合物可以制成薄片、薄膜、棒、管和纖維，也可以噴涂在別的基片上制得更為復雜的幾何形狀和泡沫塑料。

 

　　材料使用前必須進行滅菌，包括蒸汽、干熱、化學藥品和輻照。聚合物用熱或粒子輻照處理可能發生鏈斷裂或生成交聯而影響聚合物的性質。化學試劑，如環氧乙烷也有可能被材料吸附，然后釋放到身體內。

 

　　二、金屬材料

 

　　生物醫用金屬材料由于具有高的機械強度和抗疲勞性能，因此在臨床上常用做承力植入材料，遍及硬組織、軟組織、人工器官和外科輔助器材等各個方面。生物醫用金屬材料除了良好的力學性能及相關的物理性質外，優良的抗生理腐蝕性和生物相容性也是其必須具備的條件。醫用金屬材料應用中的主要問題是由于生理環境的腐蝕而造成的金屬離子向周圍組織擴散及植入材料自身性質的退變，前者可能導致毒副作用，后者常常導致植入的失敗。

 

　　無論在經濟還是在臨床應用上，普通植入材料和特定的金屬植入體對生物材料都會帶來巨大的影響。已經用于臨床的醫用金屬材料主要有不銹鋼、鈷基合金和鈦基合金等3大類。這類金屬具有強度高、韌性好以及穩定性高的特點，此外還有形狀記憶合金、貴金屬以及純金屬鉭、鈮、鋯等。

 

　　隨著生物金屬材料的技術進步，不斷涌現出新的發展趨勢，比如粉末冶金、高熵合金、非晶合金、低模量鈦合金等。

 

　　1.醫用不銹鋼

 

　　已有多種不銹鋼材料被應用于制造金屬植入體，比如目前常用的316L、317L醫用不銹鋼。為避免其在體內被腐蝕，這種鋼中的碳含量不足0.030%(質量分數)。316L合金的組成成分主要為鐵(60%～65%)，重要的合金添加劑鉻(Cr，17%～20%)和鎳(12%～14%)，還有其他少量成分，如氮、二氧化錳、鉬、三氯化磷、硅和硫磺。依照ASTM的規定，316L合金應為單相的奧氏體(FCC)，微觀結構中沒有鐵酸鹽(BCC)或碳化物相。另外，鋼中不應含有雜質相。為了避免鎳的毒性作用，研制除了高氮無鎳不銹鋼。

 

　　2.鈷合金

 

　　鈷合金主要是鈷(Co)-Cr-鉬(Mo)合金(ASTM F799)和多相(MP)合金MP35N(ASTMF562)。F75和F799合金的組成大致相同，都含有58%～70%的Co和26%～30%的Cr，兩者的主要差異在于加工歷程。另外2種合金(F90和F562)，Co和Cr的含量都有所減少，F562中填入了鎳，而F90中填入了鎢。

 

　　3. 鈦合金

 

　　商業純鈦(ASTM F67)和超低雜質(ELI)Ti-6AI-4V合金(ASTMF136)是2種最常用于植入生物材料的鈦合金。F67中鈦的含量是98.9%～99.6%。CP鈦中的氧含量(及其他雜質元素，如碳、氮)對材料的屈服強度、拉伸強度、疲勞強度都會產生很大的影響。

 

　　ASTM F67現今普遍用于齒科器材的是相對較純的鈦類植入體，其典型的微觀結構是單一的α相(HCP)。這表明它經過了適度(30%)的冷加工且晶粒粒徑處于10～150um之間(依加工過程而定)。按間隙式固溶體加強機理，純鈦和鈦合金中的填隙元素(氧、碳、氮)使金屬的強度得到提高，且氮元素對于提高材料強度的作用比碳元素和氧元素高近1倍。經冷加工的高純鈦材料比退火處理的相同材料的疲勞強度平均增加28%。ASIM F136 F136是1種α-β合金，它的微觀結構由熱加工和機械加工歷程決定。另外目前正在發展的是低模量生物醫用鈦合金。這主要是采用生物安全元素〔如鈮(Nb)、鉭(Ta)、鋯(Zr)、鐵(Fe)、錫(Sn)等〕來替代鋁(Al)、釩(V)等有害元素，從而制備出彈性模量低、強度高、耐蝕性好、耐磨性高的第3代醫用鈦合金。

 

　　大塊非晶合金具有不同于晶態合金的獨特性質，比如高強度、高硬度、高耐磨耐蝕性、高疲勞抗力、低彈性模量等，有可能用于接骨板、螺釘、起搏器等方面。因此開展了大量的有關研究，其中尤以鈦(Ti)基、鋯(Zr)基、鐵(Fe)基、鎂(Mg)基、鈣(Ca)基為主。

 

　　高熵合金是另一類具有研究前途的新型金屬材料，這是基于大塊非晶合金具有超高玻璃化形成能力的合金。高熵合金一般是由5個以上的元素按照原子比或接近于等原子比合金化，其混合熵高于合金的熔化熵。五元合金相圖中，在中間位置存在固溶體相區。高熵合金具有一些傳統合金所無法比擬的優異性能，如高強度、高硬度、高耐磨耐蝕性、低彈性模量、良好的生物相容性等。另外通過添加不同的元素，比如銀(Ag)、銅(Cu)等還可以具有抗菌性能。

 

　　除了傳統的機械加工方式外，目前粉末冶金技術在生物醫用金屬方面的研究與應用越來越多。相比傳統機加工，粉末冶金具有近終成型、易于添加合金元素、可以制備復雜零部件等優勢，尤其是隨著激光3D打印技術的發展，個性化金屬植入物將逐步在臨床得以推廣應用。生物醫用粉末涵蓋了上述的醫用不銹鋼、鈦合金、鈷基合金等。

 

　　除了上述不可降解合金外，目前在大力研發可降解生物醫用合金，研發新型的具有可控降解特性、良好生物相容性和力學性能的醫用生物金屬材料成為當前醫學和生物材料的重要課題。目前主要包括鎂、鐵和鎢等合金，研究報道最多的是鎂合金。鎂及其合金具有較高的比強度和比剛度，與自然骨相似的密度、彈性模量以及屈服強度，可以有效避免應力遮擋效應;同時具有可降解性以及良好的生物相容性，已經在血管支架和骨修復領域受到了大量的關注。

 

　　三、陶瓷、玻璃材料

 

　　陶瓷、玻璃及玻璃陶瓷包括一系列的無機/非金屬復合物。在醫療工業中，這一類材料已經在眼鏡、診斷儀器、化學器皿、溫度計組織培養瓶以及內腔鏡的光學纖維等行業中不可或缺。不溶性多孔玻璃在用作酶、抗體、抗原的載體時具有明顯的優點，如可以抵抗微生物的侵襲、pH值的變化、有機溶劑及溫度的改變等。作為修復材料，陶瓷也在齒科技術中得到了廣泛的應用，如金屬烤瓷牙冠、玻璃填充離子水門汀及氧化物(氧化鋯、氧化鋁)、玻璃陶瓷假牙等。另外，作為骨科植入材料也有一些應用，比如磷酸鈣類骨水泥以及得到大量關注的羥基磷灰石陶瓷。

 

　　1.氧化物陶瓷

 

　　氧化物陶瓷是一類惰性材料，包括氧化鋯、氧化鋁等，主要應用于硬組織替換修復，如牙科的牙冠、牙根植入，骨科的關節頭等。

 

　　2.玻璃陶瓷

 

　　玻璃陶瓷包括惰性的玻璃陶瓷、生活活性玻璃等。惰性的玻璃陶瓷多用于修復材料，主要是綜合應用玻璃與陶瓷的復合性能，這類材料可以用鑄造、機加工等方式。

 

　　生物活性玻璃主要由二氧化硅(SiO2)、氧化鈉(Na2O)、氧化鈣(CaO)和五氧化二磷(P2O5)等基本組分組成的硅酸鹽玻璃。生物活性玻璃的降解產物能夠促進生長因子的生成，促進細胞的繁衍、增強成骨細胞的基因表達和骨組織的生長，是既能夠與骨組織成鍵結合，又能與軟組織相連接的人工生物材料。

 

　　3.磷酸鈣陶瓷

 

　　理想情況下，希望植入材料在完成其作為新骨生長支架的任務后能慢慢地被人體吸收。磷酸鈣陶瓷就具有這種特色，故成為研究熱點。體內磷酸鈣的降解或吸收是顆粒吞噬和酸性物質生成共同作用的結果。然而，當選擇可吸收性生物材料作為植入體時，必須要注意，材料可吸收速率要和預期的骨組織再生速率相匹配。如果在某些部位，磷酸鈣的溶解速率高于組織的再生速率，它就不宜用于骨缺損的修復。磷酸鈣的溶解速率隨著鈣磷比的降低而增加，因此摩爾比(Ca/P)為1.5的磷酸三鈣(TCP)比羥基磷灰石(HA)具有更快的吸收速率。20世紀80年代開始了磷酸鈣骨水泥的研究，這種材料具有可原位成型和可注射的潛在優勢。有多種磷酸鈣復合物[如β-磷酸三鈣(β-TCP)、氧化二異丙苯(DCP)]可以用于制備骨水泥但是最終產品一般為缺鈣HA。

 

　　4.復合材料

 

　　“復合”指“由2種或者2種以上的不同組分組成”。大部分的復合材料的研究，是為了提供預期的理化性能，如強度、硬度、韌性和抗疲勞性能等。增強機理強烈依賴于增強材料的幾何性能。目前用于生物醫用復合材料的增強材料主要包括碳纖維、聚合物纖維、陶瓷和玻璃。根據用途的不同，增強物可為惰性材料，也可為可吸收降解材料。多數生物醫用復合材料都以聚合物為基質，陶瓷增強后的基質材料可用于人工髖關節、骨折固定裝置、人工關節軸承表面、人工牙和骨水泥等。

 

　　生物醫學材料研究的最終目的是用其能夠代替或修復人體器官和組織，并實現其生理功能。由于生命現象是極其復雜的，是在幾百萬年的進化過程中適應生存需要的結果，生命具有一定的生長、再生和修復精確調控能力。這是目前所有人工器官和材料所無法實現的。因此，目前的生物醫學材料與人們的真正期望和要求相差甚遠，常常出現各種各樣的問題。

 

　　長期以來，人們一直希望致力于研究能夠使損傷、病變組織或器官完美重現和再生的材料和裝置。相信隨著生物、新材料、化學、仿生學等技術等的發展，新型生物醫用材料將得到快速發展。

圖片來源：找項目網