前言

    生物醫用材料是研究人工器官和醫療器械的基礎，目前，已成為材料科學的重要分支。尤其是隨著生物技術的蓬勃發展和重大突破，生物醫用材料已成為各國科學家進行研究和開發的熱點。現在，生物醫用材料科學已成為一門與人類現代醫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、醫學、物理、生物化學和現代高科技等諸多學科領域。現今對于生物醫用材料的研究已從被動地適應生物環境發展到有目的地設計材料，以達到與生物組織的有機連接。

    一 生物醫用材料行業概述

    1、生物醫用材料定義及用途

    生物醫用材料（BiomedicalMaterials），又稱生物材料（Biomaterials），是一類用于診斷、治療或替換人體組織、器官或增進其功能的新型高技術材料，是材料科學技術中的一個正在發展的新領域，不僅技術含量和經濟價值高，而且與患者生命和健康密切相關。生物醫用材料是研究人工器官和醫療器械的基礎，屬于醫療器械范疇，是在材料科學、材料化學、材料物理學等領域和生物學、醫學、藥學等學科之間形成的交叉性邊緣學科，具有知識、技術密集和多學科交叉的特點，已成為當代材料學科的重要分支，尤其是隨著生物技術的蓬勃發展和重大突破，生物醫用材料已成為各國科學家競相進行研究和開發的熱點。

    生物醫用材料的用途主要有三種：一是替代損害的器官和組織，如人造心臟瓣膜、假牙和人工血管等；二是改善和恢復器官的功能，如隱形眼鏡、心臟起搏器等；三是在輔助治療過程，如介入性治療血管支架、用于血液透析的薄膜、藥物載體與控釋材料等。

    2、生物醫用材料分類

    按照材料的性質不同，生物醫用材料可以分為金屬材料、高分子材料、醫用陶瓷、復合材料、生物衍生材料等。

圖表 1 生物醫用材料按材料性質分類

資料來源：賽瑞研究

    按臨床用途，生物醫用材料可分為骨科材料，心腦血管系統修復材料，皮膚掩膜、醫用導管、組織粘合劑、血液凈化及吸附等醫用耗材，軟組織修復及整形外科材料，牙科修復材料，植入式微電子有源器械，生物傳感器、生物及細胞芯片以及分子影像劑等臨床診斷材料，藥物控釋載體及系統等。

    3、生物醫用材料產業鏈

    生物醫用材料行業是植入性醫療器械的核心上游環節。從產業鏈角度來看，生物醫用材料上游領域包括金屬、陶瓷、高分子聚合物、動物活性組織等生產廠商，下游為植入性醫療器械，其應用領域主要在臨床和美容院。生物醫學材料作為植入醫療器械的上游，也是植入醫療器械的主要構成部分。在國內診斷、治療和手術費用占比提升的政策導向下，國內植入性醫療器械產業發展態勢良好。伴隨植入性醫療器械產業的發展，我國現代生物醫用材料產業已初具雛形，并進入高速發展階段。

圖表 2 生物醫用材料產業鏈導圖

資料來源：賽瑞研究

    二 生物醫用行業發展概述

    1、行業發展歷程

    （1）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官和生物材料為主體的醫療器械，使惰性生物材料在相當長時間內占統治地位。

    （2）生物材料的生物化——有益階段

    隨著材料科學、醫學的發展，以及先進儀器設備的發明，帶動了生物材料的發展。集中表現在發現新型生物材料，以及更多關注惰性生物材料所制成的人工器官和醫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。

    （3）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，器官（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。如何在體外培養出正常的組織供手術使用，是醫學界和生物醫學工程學界追求的目標之一。組織工程的出現和發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、氣體交換、廢物排泄和生長代謝的場所，是新的具有形態和功能的組織、器官的基礎。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提供了新的發展方向。

    2、生物醫用材料市場發展現狀

    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，生物醫用材料產業正以約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。

    我國生物醫用材料研制和生產迅速發展，并初具規模，現已經成為一個新興產業，其總產值的增長遠高于同期國民經濟平均增速。目前，我國生物醫用材料在臨床應用中主要用作植入醫療器械，其產品約占醫療器械市場的4-5成。據統計數據顯示，2010年我國生物醫用材料市場規模約670億元，發展到2016年增長至1,730億元左右，增長了158.21%；近幾年增速呈加快趨勢，目前年增長已達20%左右，保守估計至2020年，我國生物醫用材料市場規模可達4,000億元左右。

圖表 3 2010-2016年我國生物醫用材料市場規模增長趨勢

資料來源：賽瑞研究

    3、生物醫用材料產業發展趨勢

    技術創新化、產品高端化、產業融合化、區域集群化和布局國際化是生物醫用材料產業的發展大趨勢。

圖表 4 生物醫用材料行業發展趨勢

資料來源：新材料在線

    當前行業大趨勢發展中，生物醫用材料重點發展的產品或核心技術主要有：

    （1）組織誘導性生物醫用材料以及賦予材料誘導組織再生的設計和工程化制備技術

    組織誘導性生物材料是在中國科學家原創性理論基礎上發展出的新一代生物醫用材料。目前誘導骨形成的人工骨已在中國取證上市，美國等正在新建企業投入生產。進一步的發展集中于軟骨、皮膚、肌腱、神經等非骨組織誘導性材料的設計及其制備工藝，預計5-10 年內將陸續上市。

    （2）組織工程化產品

    當前最有希望突破的是骨、軟骨、肌腱、角膜、神經等組織工程化制品及組織工程化人工肝和腎。優選支架材料并優化其制備工藝，干細胞和成體細胞的提取和體外傳代、增殖、模擬生物環境的體外細胞培養，以及生長因子的提取及生物衍生材料免疫原性消除和防鈣化技術是其發展的關鍵核心技術。

    （3）材料表面改性

    材料表面改性以及表面改性植入器械的設計和制備的工程化技術，包括增進骨、牙等植入器械表面生物活性的表面生物活化技術；增進血液接觸材料和器械的表面抗凝血及防組織增生改性技術；賦予表面抗菌、抗磨損、選擇性固定生物分子等的表面功能化技術等，以及植入器械形態結構設計系統及軟件開發等。

    （4）微創或無創治療的介/植入治療器械和輔助器械

    血管支架、介/植入治療輔助器械等。關鍵技術是可降解材料研發，植入器械的精密和微加工，以及表面抗凝血和防組織增生的改性等技術。

    （5）納米生物醫用材料、植入器械和軟納米技術（包括納米涂層）

    納米生物醫用材料制備技術及其生物學效應，包括生物學風險試驗和評價，是研究和發展的重點。人體自身形成的具有納米結構的組織并未表現出生物學風險，因此模擬生理條件下人體組織形成的納米生物材料裝配和合成技術，即軟納米技術，是發展納米生物醫用材料的關鍵技術。納米羥基磷灰石—聚合物復合人工骨已在我國取證上市。

    （6）計算機輔助仿生設計及3D 打印的生物制造及設備

    包括精密加工及自動化生產技術、個性化植入器械的制備技術、組織工程化仿生活體器械的快速成型和制備技術等。

    此外，生物醫用材料和植入器械的封裝、滅菌、消毒和儲存技術，可生物降解和吸收的醫用材料技術等亦是當前發展的關鍵技術。

    4、生物醫用材料行業競爭格局

    市場方面，全球的生物醫療器械及材料相關產業的消費市場以北美為最大，歐盟次之，亞洲第三。產業競爭方面，生物醫用材料產業主要由發達國家高度壟斷，全球70%以上的市場份額由排名前30的公司占領，國外生物醫用材料企業龍頭以跨國企業為主，具有適應國際化的生產和銷售形式，歐盟主要跨國公司以德國貝朗醫療（B.Braun）、德國拜耳公司（Bayer）等為代表；美國以強生公司（Johnson&Johnson）、美敦力公司（Medtronic）、雅培公司（Abbott）、英斯特朗、Ceramtec、泰科納（Ticona）、冶聯科技集團、CRS、安捷倫科技等為代表。研發方面，由于生物醫用材料具有產品附加值高、技術更新周期短、技術競爭激烈等特點，發達國家企業在相關的科研投入量一直占比很大，且持續增長。此外，國外眾多名校亦參與到生物材料的研發，如著名的斯坦福大學、哈佛大學、麻省理工學院、加州大學伯克利分校、加州理工學院、約翰霍普金斯大學、普林斯頓大學、加州大學舊金山分校、耶魯大學、康乃爾大學、圣路易斯華盛頓大學、杜克大學、芝加哥大學等美國頂尖院校，英國劍橋大學、牛津大學等在生物工程研究方面全球排名靠前。

    中國生物醫用材料產業的發展相對落后，科技成果轉化能力比較低，產業技術創新能力不強，技術高端產品多數依賴進口。但是，隨著國家重視程度不斷提升以及居民健康意識的逐漸提高，中國生物醫用材料產業的發展突飛猛進，近些年已涌現一大批具備競爭力的優秀企業。目前來看，中國已經形成了長三角、珠三角和京津環渤海灣三大醫療器械產業聚集區。其中珠三角以研發生產綜合性高技術醫療器械為主，包括有源植入性微電子器械、動物源生物材料和人工器官等；長三角主要生產開發以出口為導向的中小型醫療器械，特別是骨科器械和牙科器械等；環渤海灣地區主要從事高技術數字化醫療器械的研發生產，在醫用高分子耗材、醫用金屬及植入器械等方面具有優勢。此外成都—重慶地區是新興的產業集聚區，在組織誘導性材料、表面改性植入器械以及采血、儲血（液）和輸血器械方面具有優勢。