生物材料科普

提纲：生物材料概念阐述生物材料对相关领域的研究意义/作用2.1生物医用材料与医疗健康2.2生物仿生材料与新材料开发3.生物材料当前研究热点与产业现状3.1生物材料当前研究热点/重点领域3.1.1生物医用材料当前研究热点/重点领域3.1.2生物仿生材料当前研究热点/重点领域3.2我国生物材料产业现状与问题4.生物材料未来发展趋势内容：生物材料概念阐述生物材料（Biomaterials）是近年来快速发展的新兴学科，是材料学、生命科学、医学、工程学的交叉融合，被广泛应用于临床医学、新型制造、生物技术等领域；具有知识、技术密集和多学科交叉的特点，已成为当代材料学科的重要分支。狭义上的生物材料是指生物医用材料（BiomedicalMaterials），是一类用于诊断、治疗、修复或替换人体组织、器官或增进其功能的新型高技术材料。生物医用材料在临床应用中属于医疗器械的范畴，作为保障人类健康的必需品，引领着现代医疗技术和卫生事业的革新和发展。广义上的生物材料还包括生物仿生材料（BiomimeticMaterials），是指受生物启发或者模仿生物的各种特性而设计开发的具有超高性能或特殊功能的新型结构或功能材料，可应用于电子信息、能源、环境、光学、医疗等各种领域。进入二十一世纪，生物材料正以惊人的步伐和巨大的创新势头向前发展，不仅成为了国际材料学科的重大前沿方向，同时也推动着我国新材料产业的快速发展，为我国国民经济注入新鲜血液。生物材料对相关领域的研究意义/作用2.1生物医用材料与医疗健康生物医用材料为医疗健康产业提供物质基础，引导着当代医疗技术的革新和医疗卫生系统的改革。其临床应用的终端形式为医疗器械，用途主要有三种：一是替代损害的器官和组织，如人造心脏瓣膜、假牙和人工血管等；二是改善和恢复器官的功能，如隐形眼镜、心脏起搏器等；三是在辅助治疗过程，如介入性治疗血管支架、用于血液透析的薄膜、药物载体与控释材料等。因此生物医用材料一般既指材料自身，也包括植入医疗器械。生物医用材料包括一般性材料和生物相容性材料。一般性材料指一次性使用的输液器、注射器具、一般性外科手术器具以及药棉、绷带、纱布等卫生用品。生物相容性材料，也称为高技术生物材料，指直接植入人体或与生理系统结合使用的材料及其终端产品，如医用高分子、医用金属和合金、生物陶瓷、复合材料等制备的骨科材料及植入器械、心血管系统介/植入材料和器械、牙科材料、眼科材料、人工器官、药物控释系统等。大量高端生物医用材料和医疗器械的开发显著降低了心脑血管、肿瘤、创伤等疾病的致死率和致残率，大大提高了患者的生活质量。此外，生物医用材料的发展也推动临床治疗、诊断技术的革新。比如，以生物芯片为代表的分子诊断材料和器械不仅在传统的传染病、遗传疾病的筛查与诊断方面发挥重要作用，还被用于肿瘤、心脏病等重大疾病的早期诊断和防治。因此，大力发展生物材料及其医疗器械产业对我国医疗健康产业和国民经济可持续发展具有战略性重要意义。2.2生物仿生材料与新材料开发材料作为21世纪的支柱产业之一，已经渗透到了国民经济、社会生活和国防建设的各个领域。新材料被视为新技术革命的基础和先导，对信息技术、航空航天、新能源、新医疗等战略性新兴产业的发展起着重要的支撑作用。随着全球制造业和高技术产业的飞速发展，新材料的市场需求日益增长，世界各国均高度重视新材料的开发。近年来，按照仿生思路和原理来设计制备新材料及新器件受到越来越多来自化学、材料学、生命科学等领域科学家的广泛关注和高度重视，并快速发展成为多领域交叉的前沿热点方向。自然界既是最好的材料设计师，也是最好的材料加工厂。因此，材料科学与生命科学的交叉融合为新材料的设计与开发提供了新的灵感和制备方法。生物仿生材料则是在研究自然界天然生物材料的基础上，仿照生命系统的运行模式和生物体材料的结构规律、功能特性而设计制造的各种新型结构材料和功能材料。例如，模拟含羞草细胞离子调节机制的形态可控水凝胶；仿荷叶表面微结构和性能的自清洁界面材料；仿鲨鱼皮表面棱纹微结构的低能耗飞机外壳涂层；仿乌贼等动物变色机制制成的智能玻璃；模仿蚕吐丝的过程研制了各种化学纤维的纺丝方法；模拟蛋白构象变化的分子马达；模仿电鳗放电的能量转换装置等。生物仿生材料应用领域将涵盖电子、能源、环境、医疗等。3.生物材料当前研究热点与产业现状3.1生物材料当前研究热点/重点领域3.1.1生物医用材料当前研究热点/重点领域传统生物医用材料的时代正在成为历史，未来将以可再生人体组织和器官的新一代生物医用材料为重点和方向。目前生物医用材料发展的重点领域与前沿技术如下：深化生物医用材料科学基础，完善理论体系：从分子水平上深入理解材料与宿主相互作用机制，建立无生命的生物材料诱导有生命的组织或器官再生的理论体系，为生物材料科学与产业发展开拓新途径。包括工程化组织或器官与宿主相互作用机制，生物相容性的机制，材料表面/界面改性原理，可降解智能材料的降解及降解产物对机体的作用机制，以及纳米生物材料的生物安全性研究等。（2）诱导性组织再生修复材料及制备技术：可通过材料自身优化设计，而不是外加生长因子，来提高外源性或内源性细胞或干细胞生长、迁移、分化、细胞外基质沉积及组装等一系列特定的细胞行为和功能，开发可激活基因/细胞的新一代生物医用材料。其中，组织工程种子细胞规模化高效扩增技术、仿生体内微环境的三维培养技术、复杂组织或器官工程化制品的构建技术、动物源性生物材料免疫原性消除技术等有待突破。目前诱导性活性人工骨材料已获得较大突破和成功，进一步的发展将集中于软骨、皮肤、肌腱、神经等组织诱导性材料的设计及制备工艺，以及植入性人工肝、肾、心脏等人工器官的构建。（3）生物功能化医用金属材料：作为目前临床上用量最大和应用最广泛的一类生物医用材料，无论是当前还是未来仍然是不可或缺的一类重要生物医用材料。不同于目前临床应用的生物惰性医用金属材料，未来医用金属材料将以生物功能化金属材料为主，即通过材料表面/界面生物功能化及表面改性技术，或金属材料自身离子释放等，使其具有特定的生物活性和医学功能，从而达到更佳的临床医疗效果。（4）心脑血管介/植入材料和器械：心脑血管疾病已经成为人类健康的第一大杀手，于是对相关介/植入材料和器械的需要及要求会越来越高。具有血管自修复能力的全降解高分子支架，可降解金属支架，介入治疗心脏瓣膜，心衰治疗水凝胶，表面抗凝血的植入器械等为代表的心脑血管介/植入材料和器械已成为目前开发的重点。（5）个性化介/植入器械快速成型及生物3D打印技术：个性化精准医疗是未来医疗发展的必然趋势。随着科技的发展，特别是3D打印技术的发展和成熟，有针对性的为患者定制符合个体形态和功能的植入器械已成为可能。特别是将工业3D打印技术与生物材料和医学技术相结合的生物3D打印技术成为发展的重点和前沿领域。以生物材料和/或细胞、蛋白和基因物质为打印原料，进行组织和器官的仿生重建，打印对象从非生命物质向具有生物活性的生物材料、生长因子及活细胞转换。因此，为达到人工仿生构建活组织结构的目的，高精度的生物材料及/或细胞结构体的成形制造工艺成为基本的技术手段，迫切需要研发具有高生物相容性、高可靠性并可复制生产的先进制造工艺和设备。（6）肿瘤多模式诊疗：恶性肿瘤已经独立成为全世界人类最大致死原因，肿瘤的多模式诊疗必将是生物医学界研究的焦点和难点。单一的治疗模式例如药物治疗、磁热治疗、放射治疗、基因治疗等都各自具有一定的弊端，不能到达有效治疗的目的，所以结合多种单一治疗模式和肿瘤诊断手段的肿瘤多模式综合诊疗模式是成为了必然的发展趋势。肿瘤多模式诊疗整合了各种单模式的优点，可以到达取长补短、协同增敏的治疗效果，同时通过诊断技术实现治疗过程的实时监测，用于精准、高效治愈恶性肿瘤。（7）分子诊疗与生物传感：现代医学正逐渐向“4P”医学模式（4Pmedicalmodel）方向发展，即预防性（Preemptive）、预测性（Predictive）、个性化（Personalized）和参与性（Participatory）。为实现疾病治疗关口前移，分子诊疗和生物传感技术扮演了非常重要的角色。材料科学与纳米技术、生物技术、电子信息技术等交叉融合开发出的新型纳米生物材料，可实现体内、外分子信号的快速痕量检测，以及疾病早期诊断及治疗，具有高灵敏、高通量、特异性、高精准的特点。主要应用于无损监测、医学影像、人体监测、基因检测、生物芯片、疾病预警等领域。3.1.2生物仿生材料当前研究热点/重点领域虽然目前仿生材料研究已取得了很大的进展，已成为设计制造新型复合材料的有效途径，但系统的生物仿生材料学的研究才刚刚起步，未来具有巨大的发展空间。目前生物仿生材料研究主要包括成分和结构仿生、过程和加工制备仿生、功能和性能仿生。（1）超高性能结构仿生材料：结构仿生材料是目前研究最广泛、最深入的仿生材料分支。而且该领域未来依然仍将是仿生材料研究的重点领域，继续深入理解天然生物材料的结构-性能关系，完善仿生设计及制备技术，以及拓宽结构仿生材料在新领域的应用等。与此同时，建立在分子仿生学基础之上的结构仿生设计，以及应用于医学领域的结构仿生材料也将是未来前沿方向和重点领域。（2）分子仿生材料：分子仿生是以生物分子基元或人工合成分子为研究对象，在分子水平上仿生构筑分子或超分子组装体，获得结构或功能仿生的新材料或新系统。前沿方向和重点领域包括：①分子机器与生物马达：分子机器是由分子构成，能行驶特定功能的机器，如蛋白分子机器、核酸分子机器等。生命组织中已发现数百种分子机器，响应外界刺激调控特定的生命功能。当下与未来的研究热点包括天然分子机器（生物马达）结构和工作机理的探索；基于蛋白、核酸等天然生物分子及树枝状高分子等人工合成分子构建的超分子组装体的功能开发与应用；实现对分子机器的多功能化及成果转化，广泛应用于临床疾病检测及治疗、环境安全检测、生物反恐及国家安全等领域。②仿生物膜：仿生物膜是在研究天然生物结构、功能的基础上，在分子水平上设计并制造出与其组成或结构相似的各类人工膜，模拟天然生物膜的信息传输和分子识别功能等，应用于生物传感器，人工细胞，药物递送，医疗器械表面改性等。③仿生体系的创新设计与模拟：借助于纳米技术，计算机模拟和材料基因组技术，构建出更多具有优异性能的仿生体系，如靶向药物载体系统，微流控芯片仿生体系，DNA仿生体系，生物仿生多肽，有机-无机杂化体系，仿生人造组织/器官等。（3）智能仿生：仿生材料智能化将是未来仿生材料发展的一个重要方向和必然趋势。如上文中提到的生物马达就具有智能特性，即具有感知环境（包括内环境和外环境）刺激，并对之进行分析、处理、判断，采取一定的措施进行适度响应的特性，包括传感功能、反馈功能、信息识别与积累功能、响应功能、自诊断能力、自愈性能力和自适应能力等。3.2我国生物材料产业现状与问题随着近年来中国相关政策的实施以及研发能力与技术条件的不断改善，我国本土生物材料产业在近年来取得了长足发展，部分中高端的植入器械，如骨折内固定器械、人工关节和冠脉支架等已实现国产化。尽管如此，高端产品市场总体仍由中外资和合资企业所垄断，目前国内市场中超过四分之一为进口产品，技术含量高的产品90%以上依靠进口。这也是造成国内“看病难、看病贵”的重要原因之一。可见，如不改变目前我国植入生物材料制品市场的产品布局，将对我国医疗事业产生深远的不良影响。据统计，近十年来生物材料产业全球市场每年以高达15%以上的复合增长率（CAGR）快速增长，即使在2009年国际金融危机时，美国医疗器械产业仍保持7%的年增长率。而中国作为生物材料和医疗器械产业的新兴市场，CAGR远高于全球平均水平，近5年年均增长在30%以上。生物材料产业的知识成本在总成本中所占的比例大约为50%～70%，最近10年以20%以上的年增长率高速增长。因此，开发具有我国自主知识产品的高端生物材料制品，推动我国新材料产业与医疗产业的健康繁荣发展，不仅可以大大降低患者医疗费用，惠及民众，也对我国经济发展与国防安全的稳定具有重大战略意义。除此之外，它又属于典型的低原材料消耗、低能耗、低环境污染、高技术附加值的新兴产业。因此，生物材料和医疗器械产业被认为是世界经济中最具生气的朝阳产业。在美国、欧洲、日本等国均属于国家大力扶持的新兴产业。在我国，也已被列为“十二五”和“十三五”期间大力发展的“战略性新兴产业”。而且规划表明：到2020年，实现本领域整体“并跑”、部分“领跑”。过去二三十年，我国的生物材料发展成绩显著：领军企业（如乐普医疗、鱼跃医药等）随着企业的跨越式发展与转型的需要，逐步实现了多种细分领域之间的融合，并衍生出新的产业形态；实现了从低级要素驱动向技术、资本等高级要素驱动的转变，加速促进了整个生物医用材料行业的健康发展。除企业自身转型发展外，国家在政策层面上也给予了多种鼓励性措施，使我国生物医用材料产品的国际竞争力不断加强，逐渐实现进口替代。但因我国生物材料总体起步较晚，产业规模小、技术装备落后、市场竞争力差、世界市场占有份额低，总体落后于发达国家10-15年。于是整体水平和规模都和美国等发达国家差距巨大，因而我国的生物材料发展还任重而道远，需要解决很多急迫的问题。（1）产业规模小、技术装备落后、规模化生产企业尚未形成、缺乏市场竞争力。企业规模小、经济实力不强、相当部分的技术装备停留于上世纪80年代水平，不仅产品质量不能保证，且难于形成规模化生产。（2）科技成果转化能力低，产业技术创新能力不强，产品技术结构落后，技术高端产品70%以上依靠进口。我国生物材料科学与工程研究虽已进入国际先进水平，但成果工程化、产业化水平低，80%~90%的成果仍待在实验室；企业规模小、研发经费严重缺乏，我国企业用于研发的费用不足销售收入的2%。（3）完整的产业链尚未形成。如前所述，我国已向全球提供60%~70%的低值医用耗材。但是迄今为止，我国一次性注射器及输液器所用的高分子材料仍主要为聚氯乙烯（PVC），其添加的增塑剂易从材料迁出进入人体，造成对肝脏、生殖系统、肾脏等多种器官的危害，我国食品行业早已禁用PVC作为食品包装，但却仍是医疗器械大宗使用的封装材料。与此同时，为保护环境，蒙特利尔公约规定2015年前全球禁用环氧乙烷和溴甲烷，我国PVC器械的灭菌消毒均使用环氧乙烷，如果采用辐射灭菌会导致其颜色变黄，物理性能下降，迄今尚无有效措施解决这一重大问题，这将对我国一次性注射器、输液器等的生产造成致命影响。除此之外尚无医用级金属、高分子及其他高分子等专门供应商，也无通用基础原材料的国家或行业标准，从源头上妨碍了产业链的形成，是产业链尚未完整形成的一个标志。此外，生物医用材料和植入器械产业创新链，应当是政、产、学、研、医相结合，此种结合体制我国尚未有效形成。（4）缺乏产业化接轨机制，风险投资出口狭窄，融资渠道不畅通，缺乏成果产业化及企业技术改造资金。近年来，虽然风险投资渠道大有改善，但大宗来源于国外风险投资机构和大型跨国企业，结果是虽然引进了产品和技术，弥补了国内的不足，但发展稍好的民营企业如微创、蒙太因等陆续为外资兼并或控股，转变为外资企业，加之国外大企业及财团在中国大规模建厂实施就地生产，我国生物材料和植入器械产业外资化，已是十分需要关注的问题。（5）管理部门缺乏协调机制，未能形成统一的全面规划和管理机制，重复立项，多头管理常有所见；政策法规不健全，产品注册时间长，处理效率低，一些政策规定和灰色的行规不利于中资企业的发展。我国生物医用材料产业应充分利用现存优势与动力，积极推动生物材料行业的技术创新与产品发展。具体建议举措包括：（1）继续加强国家投入，大力加强研发力量：相对任何一个产业而言，国家层面的科研投入太少，这也成为制约我国目前生物材料发展的重要因素。国家与政府引导资金支持生物材料技术研究。重点支持可发展和形成产业群的龙头产品实施产业化，作为优势突破点，带动整体行业发展，实现技术和产品互补及规模化生产。（2）促进生物材料的产学研结合：目前由于基础研究与临床应用脱节，以及我国相关转化机制缺失，我国生物医用材料研究成果转化缓慢；另外一方面大量民营企业因为核心技术欠缺、缺少竞争力等原因，被国外生物材料企业收购，产业外资化严重。这需要从国家层面能够出台政策措施引导和促进科研成果的转化，进一步推动产业升级和转化。（3）吸入人才项目落地：吸引生物材料领域顶尖人才，做好人才配套保障工作，争取生物材料项目落户当地。（4）积极有序建设全面系统的行业标准，并进行产业布局：发展我国的生物材料产业，必须提前建立完整的行业生产标准，布局各类型、各层次的相关企业，完善我国生物材料产业。提升我国该行业在国际标准化领域中的作用和地位，提高我国生物医用材料产品的安全、可靠性，提高企业的市场信誉度，逐步在国际市场中占有重要地位。4.生物材料未来发展趋势总体来讲，根据世界生物材料发展的当前现状和前沿热点，前瞻未来30年的发展趋势，中国生物材料科学必将紧随国际发展脚步，立足世界前沿，实现跨越式发展和重大突破，提升我国生物材料总体研发能力和产业技术水平，调整产业技术结构，成为国际高端生物材料及医疗器械的消费大国和生产大国。而技术创新化、产品高端化、产业融合化、区域集群化和布局国际化成为生物医用材料产业的发展大趋势。同时，生物仿生材料领域未来将逐渐建立和完善仿生材料学理论，继续拓宽仿生对象的领域和仿生的深度，从宏观仿生、微观仿生到分子仿生，从仿生设计到仿生制备，从结构仿生、功能仿生到智能仿生和综合仿生方向发展。当前行业大趋势发展中，生物材料重点发展的产品或核心技术主要有：（1）组织诱导性生物