文/張偉·中國科學院金屬研究所

張偉

　　生物醫(yī)用材料的研究已成為材料科學的重要分支，并逐漸從被動地適應生物環(huán)境發(fā)展到有目的地設計材料，以達到與生物組織的有機連接。

　　生物醫(yī)用材料是研究人工器官和醫(yī)療器械的基礎，目前，已成為材料科學的重要分支。尤其是隨著生物技術的蓮勃發(fā)展和重大突破，生物材料已成為各國科學家進行研究和開發(fā)的熱點。現在，生物材料科學已成為一門與人類現代醫(yī)療保健系統密切相關的邊緣學科。其重要性不僅因為它與人類自身密切相關，還因為它跨越了材料、醫(yī)學、物理、生物化學和現代高科技等諸多學科領域。現在對于該材料的研究已從被動地適應生物環(huán)境發(fā)展到有目的地設計材料，以達到與生物組織的有機連接。

　　生物材料的發(fā)展現狀

　　生物材料種類繁多，在醫(yī)學臨床上廣泛應用的也有幾十種，涉及材料學科各個領域。如果以材料的屬性為分類標準，可將生物材料分為金屬材料、高分子材料、無機非金屬材料（或稱為生物陶瓷）、復合材料、生物衍生材料。而從發(fā)展過程看，生物材料主要分為三個階段。

　　惰性生物材料（無害階段）

　　惰性生物材料是指對人體組織有化學惰性，其物理機械和功能特性與組織匹配，使材料在應用過程中不致產生不利于功能發(fā)揮和對其它組織影響的反應，特別是與組織接觸或短（長）時間不產生炎癥或凝血現象，無急性毒性或刺激反應，一般無補體激活產生的免疫反應的一類功能材料。這類材料的應用基于對材料本身性能的全面了解，是人類最早、最廣泛應用的生物材料。

　　目前，惰性生物材料主要品種有金屬材料、非金屬材料、有機高分子材料以及復合材料。隨著醫(yī)學水平的提高以及人們生活質量的改善，惰性生物材料的應用會向更高層次生物化或組織工程化生物材料過渡。但就目前商品化和普及應用水平看，尤其是醫(yī)學的目的從治病救人轉軌到預防保健過程中，需要大量常用人工器宮和生物材料為主體的醫(yī)療器械，使惰性生物材料在相當長時間內占統治地位。

　　生物材料的生物化（有益階段）

　　隨著材料科學、醫(yī)學的發(fā)展，以及先進儀器設備的發(fā)明，帶動了生物材料的發(fā)展。集中表現在發(fā)現新型生物材料，以及更多關注惰性生物材料所制成的人工器宮和醫(yī)療器械在使用過程中與組織或血液產生的界面反應。

　　新型生物材料有代表性的成果是20世紀70年代發(fā)現的鈣磷系玻璃陶瓷，如羥基磷灰石、β-磷酸三鈣、珊瑚等。這類材料具有與人體骨組織的無機成分有類似的化學組成，材料抗壓、抗折強度與人骨接近，植入后與組織親和性良好，同時有降解作用，并誘導成骨細胞（加誘導因子如BMP）的長入，使植入組織骨化，一段時間后植入組織轉化為正常組織等特點，即材料在使用過程中逐漸生物化。

　　組織工程支架材料（真正的生物材料階段）

　　材料生物化畢竟不能改變材料的基本結構，這為材料的長期使用留下隱患；同時，器宮（尤其是組織）是一個復雜的系統，不可能用單一無活性的材料來模仿其全部或大部分功能。如何在體外培養(yǎng)出正常的組織供手術使用，是醫(yī)學界和生物醫(yī)學工程學界追求的目標之一。組織工程的出現和發(fā)展為這一目標的實現提供了可能。

　　組織工程的關鍵是構建細胞和生物材料的三維空間復合體，該結構是細胞獲取營養(yǎng)、氣體交換、廢物排泄和生長代謝的場所，是新的具有形態(tài)和功能的組織、器宮的基礎。生物材料在組織工程中占據非常重要的地位，同時組織工程也為生物材料出了難題和提供了新的發(fā)展方向。

　　醫(yī)用金屬材料

　　醫(yī)用金屬材料廣泛應用于整形外科，口腔修復和心血管治療等領域。目前，已應用于臨床的醫(yī)用金屬植入材料主要有不銹鋼、鉆基合金和鈦及鈦合金、銅、貴金屬等。此類材料的應用廣泛，涉及人體硬組織、軟組織、人工器宮和外科輔助器材等各個方面。

　　但是，經過臨床應用，上述醫(yī)用金屬材料均顯現了一些弊端，如材料在體內摩擦產生磨屑以及在體液環(huán)境中腐蝕產生可溶性離子。這些磨屑以及可溶性離子會產生一定的生物毒性，造成局部過敏反應或者炎癥，甚至導致植人失敗。力學性能特別是彈性模量不能與人骨組織相匹配，如不銹鋼的彈性模量約為200GPa,鈦合金約為100GPa,而人骨的彈性模量只有10~30GPa,這樣會產生應力遮擋效應，導致愈合遲緩，甚至植入失敗。

　　此外，這些醫(yī)用金屬材料均為不可降解材料，對于短期的植人材料，在人體自身機能恢復之后，須通過再次手術取出，增加了患者的痛苦及醫(yī)療費用負擔。基于上述原因，研究開發(fā)新型醫(yī)用金屬材料，并探討其腐蝕機理是十分必要的。

　　目前主要的醫(yī)用金屬材料包括不銹鋼、Co-Cr合金、鈦、鎂合金。這些材料在應用中各有局限。

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