文/张伟·中国科学院金属研究所

张伟

　　生物医用材料的研究已成为材料科学的重要分支，并逐渐从被动地适应生物环境发展到有目的地设计材料，以达到与生物组织的有机连接。

　　生物医用材料是研究人工器官和医疗器械的基础，目前，已成为材料科学的重要分支。尤其是随着生物技术的莲勃发展和重大突破，生物材料已成为各国科学家进行研究和开发的热点。现在，生物材料科学已成为一门与人类现代医疗保健系统密切相关的边缘学科。其重要性不仅因为它与人类自身密切相关，还因为它跨越了材料、医学、物理、生物化学和现代高科技等诸多学科领域。现在对于该材料的研究已从被动地适应生物环境发展到有目的地设计材料，以达到与生物组织的有机连接。

　　生物材料的发展现状

　　生物材料种类繁多，在医学临床上广泛应用的也有几十种，涉及材料学科各个领域。如果以材料的属性为分类标准，可将生物材料分为金属材料、高分子材料、无机非金属材料（或称为生物陶瓷）、复合材料、生物衍生材料。而从发展过程看，生物材料主要分为三个阶段。

　　惰性生物材料（无害阶段）

　　惰性生物材料是指对人体组织有化学惰性，其物理机械和功能特性与组织匹配，使材料在应用过程中不致产生不利于功能发挥和对其它组织影响的反应，特别是与组织接触或短（长）时间不产生炎症或凝血现象，无急性毒性或刺激反应，一般无补体激活产生的免疫反应的一类功能材料。这类材料的应用基于对材料本身性能的全面了解，是人类最早、最广泛应用的生物材料。

　　目前，惰性生物材料主要品种有金属材料、非金属材料、有机高分子材料以及复合材料。随着医学水平的提高以及人们生活质量的改善，惰性生物材料的应用会向更高层次生物化或组织工程化生物材料过渡。但就目前商品化和普及应用水平看，尤其是医学的目的从治病救人转轨到预防保健过程中，需要大量常用人工器宫和生物材料为主体的医疗器械，使惰性生物材料在相当长时间内占统治地位。

　　生物材料的生物化（有益阶段）

　　随着材料科学、医学的发展，以及先进仪器设备的发明，带动了生物材料的发展。集中表现在发现新型生物材料，以及更多关注惰性生物材料所制成的人工器宫和医疗器械在使用过程中与组织或血液产生的界面反应。

　　新型生物材料有代表性的成果是20世纪70年代发现的钙磷系玻璃陶瓷，如羟基磷灰石、β-磷酸三钙、珊瑚等。这类材料具有与人体骨组织的无机成分有类似的化学组成，材料抗压、抗折强度与人骨接近，植入后与组织亲和性良好，同时有降解作用，并诱导成骨细胞（加诱导因子如BMP）的长入，使植入组织骨化，一段时间后植入组织转化为正常组织等特点，即材料在使用过程中逐渐生物化。

　　组织工程支架材料（真正的生物材料阶段）

　　材料生物化毕竟不能改变材料的基本结构，这为材料的长期使用留下隐患；同时，器宫（尤其是组织）是一个复杂的系统，不可能用单一无活性的材料来模仿其全部或大部分功能。如何在体外培养出正常的组织供手术使用，是医学界和生物医学工程学界追求的目标之一。组织工程的出现和发展为这一目标的实现提供了可能。

　　组织工程的关键是构建细胞和生物材料的三维空间复合体，该结构是细胞获取营养、气体交换、废物排泄和生长代谢的场所，是新的具有形态和功能的组织、器宫的基础。生物材料在组织工程中占据非常重要的地位，同时组织工程也为生物材料出了难题和提供了新的发展方向。

　　医用金属材料

　　医用金属材料广泛应用于整形外科，口腔修复和心血管治疗等领域。目前，已应用于临床的医用金属植入材料主要有不锈钢、钻基合金和钛及钛合金、铜、贵金属等。此类材料的应用广泛，涉及人体硬组织、软组织、人工器宫和外科辅助器材等各个方面。

　　但是，经过临床应用，上述医用金属材料均显现了一些弊端，如材料在体内摩擦产生磨屑以及在体液环境中腐蚀产生可溶性离子。这些磨屑以及可溶性离子会产生一定的生物毒性，造成局部过敏反应或者炎症，甚至导致植人失败。力学性能特别是弹性模量不能与人骨组织相匹配，如不锈钢的弹性模量约为200GPa,钛合金约为100GPa,而人骨的弹性模量只有10~30GPa,这样会产生应力遮挡效应，导致愈合迟缓，甚至植入失败。

　　此外，这些医用金属材料均为不可降解材料，对于短期的植人材料，在人体自身机能恢复之后，须通过再次手术取出，增加了患者的痛苦及医疗费用负担。基于上述原因，研究开发新型医用金属材料，并探讨其腐蚀机理是十分必要的。

　　目前主要的医用金属材料包括不锈钢、Co-Cr合金、钛、镁合金。这些材料在应用中各有局限。

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