带你掌握关键生物医用材料及应用

生物医用材料是用来对生物体进行诊断、治疗、修复或替换其病损组织、器官或增进其功能的材料。

它是研究人工器官和医疗器械的基础，已成为当代材料学科的重要分支，尤其是随着生物技术的蓬勃发展和重大突破，生物医用材料已成为各国科学家竞相进行研究和开发的热点。

作为材料和生物医学的交叉研究领域，生物医用材料的研究和发展跟材料科学密不可分。

在不同的历史时期，生物医用材料被赋予不同的意义。其定义是随着生命科学和材料科学的不断发展而演变的。

但是，他们都有一些共同的特征。即生物医用材料是一种人工或天然的材料，可以单独或与药物一起制成部件、器械用于组织或器官的治疗、增强或替代，并在有效试用期内不会对宿主引起急性或慢性危害。

但由于生命现象是极为复杂的，是在几百万年的进化过程中适应生存需要的结果，生命具有一定的生长、再生和修复精确调控能力，这是目前所有人工器官和生物医用材料所无法比拟的。

因此，目前的生物医用材料与人们的真正期望和要求相差甚远。

（图片来源：百度）

材料结构决定性能，性能导向临床应用，而临床试验结果又会对材料结构提出新的优化目标。

根据材料结构和属性不同，可将生物医用材料划分为医用金属材料、陶瓷和高分子材料。

查理今天给小伙伴们汇总了生物医用材料的分类、应用领域和研究趋势。

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。

生物医用材料按材料的组成和性质可以分类如下：

生物医用金属材料是用作生物医用材料的金属或合金，又称外科用金属材料或用金属材料，是一类惰性材料。

这类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。

该类材料的应用非常广泛，遍及硬组织、软组织、人工器官和外科辅助器材等各个方面。

一直是临床中用量大而广的一类生物医用材料，受到广大相关材料工作者、临床医生、医疗器械制造企业等方面的广泛关注。

现已成为牙齿和骨等硬组织修复替换、心血管和软组织修复及人工器官制造的主要原料。

常用类别：

古医用金属材料根据元素组成、合成方式和物理性质等不同，可分为以下种类：

（图片来源：百度——生物医用金属材料分类）

性能要求：

1.生物相容性：

生物医用金属材料作为植入医疗器械的其前提就是优异的生物相容性，即必须是无毒无害，最小化机体排异反应、不致癌、不致畸、不引起感染炎症、不影响其他组织和器官的正常功能。

各类医用金属材料长期植入机体后会存在以下问题：

（1）不锈钢医用金属容易溶出镍离子诱发毒性及肿瘤等；

（2）钴基合金材料长期磨损造成钴、镍等离子溶出，在体内引起细胞和组织坏死；

（3）钛合金溶出铝、钒等离子，导致组织炎症反应；

2.力学性质：

医用金属材料作为植入医疗器件（人工关节、锥体、骨折内固定钢钉、骨钉等）或外科手术器具时，必须满足人体正常生活和工作时所需的力学要求（通常指骨方面），能在一定限度范围保持优良的力学性能和耐磨损性。

（人体股骨头抗压强度为143MPa，强度纵向弹性模量约为13.8GPa，径向弹性模量为纵向的1/3，但具有较低的弹性模量）。

（图片来源：百度——医学常用金属材料的力学性质）

3.耐腐蚀：

医用金属材料长期植入机体后最大的缺点就是腐蚀问题。

由于体液换进复杂，包含多种有机组分和无机离子等，致使金属产生均匀腐蚀。腐蚀不仅会导致金属材料机械性能下降或失效，还会溶出有毒金属离子，产生炎症反应、免疫反应等，给机体带来严重影响。

因此，如何增强医用植入材料的耐腐蚀性能，是当前金属材料研究的方向之一。

临床应用：

21世纪以来，与迅猛发展的生物医用高分子材料、陶瓷材料、复合杂化材料相比，生物医用金属材料的临床研究和应用发展相对较为缓慢。

然而金属及生物医疗器械具有其他材料不可比拟的优异力学性能，在临床部分应用上占据重要地位。

生物医疗金属材料主要应用于牙科、骨科、整形外科等领域，发挥着治疗、修复固定和置换人体硬组织等功能。

（图片来源：百度——医用金属材料应用领域）

新型可降解生物医用镁合金材料

镁具有资源丰富、密度小、比强度高、可降解、优异的生物相容性等特点，其生物医用制品是理想的人体植入材料。

镁合金的机械性能与人骨接近，且生物相容性好；其次，镁是多种酶的重要活化剂，可参与细胞新陈代谢；而且镁合金可降解为镁离子自然排出体外，避免了二次手术造成的伤害。

可降解镁合金可制成多种植入医疗器械，与现有金属植入医疗器械相比具有突破性的优势，因此其研发的临床应用备受关注。

（图片来源：百度——医用镁合金血管支架和骨钉）

据统计，2020年，我国骨科植入医疗器械市场规模达到350亿元以上，心血管植入医疗器械市场规模达到370亿元以上，可降解镁合金拥有巨大的市场空间和需求缺口。

新型可降解镁合金硬组织植入器械研发被列入国家【十四五】规划治疗装备与生物医用材料【重点专项】中，政策上的支持将推动我国植入医疗器械领域对可降解镁合金需求增长。

生物医用镁合金行业的研发和临床转化将会成为未来医疗器械行业的【金三角】！

生物医用陶瓷材料

生物医用陶瓷是指通过植入人体或人体组织直接接触，使机体能得以恢复或增强，用天然或人工合成的粉状化合物经过成形的高温烧结制成的，由金属和非金属元素的无机化合物构成的多晶固体材料。

生物陶瓷作为临床医用植入材料，必须具备以下条件：

良好的机械性能、生物相容性、与生物组织有优异的亲和能力，抗血栓，不引起炎症或自杀菌并具有很好的物理、化学稳定性。

发展历史：

生物陶瓷在人类生活中应用非常广泛，最初用于齿科。

（图片来源：百度——生物陶瓷材料发展历史）

常见类别：

生物陶瓷植入材料根据与生物体组织的反应程度一般可分为三类：

生物惰性陶瓷、生物活性陶瓷和生物可降解陶瓷。

（图片来源：百度——生物医用陶瓷分类、特点及应用）

临床应用：

生物惰性陶瓷材料具有优异的力学性能、生物相容性和化学惰性，常被用作牙冠、骨钉和人工关节等医用植入固定材料。

生物活性陶瓷可与机体进行生理相互作用，主要应用于置换或修复骨组织、牙齿、皮肤创面修复等方面。

部分生物医用陶瓷已作为体内植入器械或制成商品，如：生物活性玻璃牙膏和创面修复凝胶，应用于人体组织修复和重建，具有广阔的应用需求和市场前景。