生物材料与我们的生活

在我们的生活中，也许你会发现有的人口腔中装有假牙，有的人由于各种疾病不得不装上了假肢，还有的人为了美容换上了人造皮肤，这样的例子随处可见，或许你并没有意识到，这些都属于生物医用材料。生物医用材料，指用于生理系统疾病的诊断、治疗、修复或替换生物体组织或器官，增进或恢复其功能的材料。
　　
　　生物医用材料的研究与开发对国民经济和社会的发展具有十分重要的意义。近三十年来，生物医用材料的研究与开发取得了令人瞩目的成就，使得数以百万计的患者获得康复，大大提高了人类的生命质量。随着科学技术的发展和人口老龄化，中青年创伤的增多、疑难病患者的增加，以及工业、交通、体育等导致的创伤增加，人们对生物医用材料及其制品的需求越来越大。南开大学俞耀庭教授认为，人口老龄化进程的加速和人类对健康与长寿的追求，激发了对生物材料的需求。
　　
　　近年来，世界生物材料市场发展势头更为迅猛，其发展态势可与信息、汽车产业在世界经济中的地位相比。据1988年美国国家健康统计中心调查，美国已有1100万人(不包括齿科材料)植入了一件以上的生物医用材料，全球达3000万人以上，1995年世界生物医用材料市场已达2000亿美元。中国科学院在2002年《高技术发展报告》中披露，1990年至1995年，世界生物医用材料市场以每年大于20%的速度增长。这期间中国的增长虽然也比较快，但由于起点低，市场份额只占世界市场的2%。2000年，全球医疗器械市场已达1650亿美元，其中生物医学材料及制品约占40%至50%。20世纪90年代，医疗器械平均年增长率在11%左右，预计未来几年发展中国家将会大幅度增长。如除日本外的亚洲地区将从2000年占世界市场份额17%的280亿美元，增长至2005年占世界市场份额的25%。生物医用材料及其制品的市场预计10~15年将达到药品市场的规模，成为下个世纪经济的支柱性产业。
　　
　　追溯生物医用材料的历史，不得不提到人工器官。人工器官的研究实际上是个古老的命题。公元前约3500年古埃及人就利用棉花纤维、马鬃作缝合线缝合伤口。而这些棉花纤维、马鬃则可称之为原始的生物医用材料。墨西哥的印第安人(阿兹台克人)使用木片修补受伤的颅骨。公元前2500年前中国、埃及的墓葬中就发现有假牙、假鼻、假耳。人类很早就用黄金来修复缺损的牙齿。文献记载，1588年人们就用黄金板修复鄂骨。1775年，就有用金属固定体内骨折的记载，1800年有大量有关应用金属板固定骨折的报道。1809年有人用黄金制成种植牙齿。1851年有人报道使用硫化天然橡胶制成的人工牙托和鄂骨。
　　
　　人工器官的深入研究与现代材料科学发展密切相关。20世纪初开发的高分子新材料促成了人工器官的系统研究的开始，人工器官的临床应用则始于1940年。由于人工器官的临床应用，拯救了成千上万患者的生命，减轻了病魔给患者及其家属带来的痛苦与折磨，引起了医学界的广泛重视，加快了人工器官研究步伐。目前可以说，从天灵盖到脚趾骨，从人体的内脏到皮肤，从血液到五官，除了脑以及大多数内分泌器官外，大都有了代用的人工器官。
　　
　　随着材料科学、生命科学和生物技术的发展，使得人类在分子水平上去认识材料和机体间的相互作用，构建生物结构和功能，使传统的无生命的材料通过参与生命组织的活动，成为有生命组织的一部分。生物医用材料科学将成为人类进入生物技术世纪的重要基础。
　　
　　生物医用材料是生物医学工程学重要研究领域之一，目前较活跃的研究内容有用于人工心脏、人工血管和人工心脏瓣膜的高抗凝血材料；用于人工骨、人工关节、人工种植牙的生物陶瓷和玻璃；用于骨科修补及矫形外科的钛及其合金；用于局部控制释放的药物载体的高分子材料；用于替代外科手术的缝合及活组织结合的生物粘合剂，以及血液净化材料等。
　　
　　纳米技术的兴起更为材料的发展注入了新的活力。通常意义上的纳米材料指的是颗粒尺寸为1～100nm的粒子组成的新型材料。由于它的尺寸小、比表面大及量子尺寸效应，使之具有常规粗晶材料不具备的特殊性能，在光吸收、敏感、催化及其它功能特性等方面展现出引人注目的应用前景。纳米技术与生物材料的结合便产生了纳米生物材料。据报道，我国一种全新的骨置换材料将取代现在冰冷的金属和脆弱的塑料等材质，用几乎可以以假乱真的效果为病人送去福音，这就是纳米人工骨。纳米人工骨是用“纳米复合生物活性材料”制成的，目前这一技术在全世界首屈一指，其成果已通过我国863项目验收。专家认为，这种纳米材料在生物活性、柔韧性以及强度等方面都和人体组织接近，今后将在颅骨、脊椎骨、颌骨、肋骨、髂骨、关节及喉管支架、穿皮器件与修复领域有着十分广阔的应用天地。目前这种材料正被研究用于制作人工眼球，并且有了良好的开端。经动物实验证实，这种用纳米生物活性材料制成的可动眼球外壳，完全能和组织相容，并能与肌肉血管紧密地生长在一起。与这种材料相比，用陶瓷生物材料制作的可动眼球外壳太脆，金属材料又太硬了，可以肯定，纳米眼球已具有很好的可动功能，如果仅用于美容，这种眼球已相当成熟了，但医学家还有更高的追求，他们正在为达到可视的境界而不懈努力。
　　
　　对生物材料的需求刺激了生物材料的发展，作为世界人口最多的国家，中国已进入老龄化国家行列，生物材料的市场潜力十分巨大。专家认为，我国是生物材料和器械的需求大国，775万肢残患者和每年新增的300万骨损伤患者需要大量骨修复材料，2000万心血管病患者每年需要24套人工心瓣膜，2亿至3亿肝炎患者每年需要30万个人工肝，肾衰患者每年需要12万个肾透析器。生活节奏的加快、活动空间的拓展，使创伤问题日益突出，我国创伤住院年增长率达7.2%，高居住院人数第二位，其中80%需用生物医学材料治疗。在亚洲，肿瘤是死亡的主要原因之一；在西方国家，第一杀手则为心血管系统疾病。近年来创伤又成为威胁人类健康的一个主要因素；随着人们生活质量的提高，整形、美容正在兴起；计划生育对生物医学材料市场的需求正在增长。生物医学材料中，心脏和血管系统修复材料将保持高速增长，随后为矫形植入器械和材料，预计2005年后者将比1999年增长26%；人造皮肤、组织粘合剂、防组织粘连剂等的年增长率可达45%左右。由此可见，生物材料在中国大有潜力，也急需越来越多的人投入到生物材料的研究中。
　　
　　生物医学材料是在多门学科的共同合作、互相渗透、互相借鉴，突破旧有学科的狭小范围而开创的一门新学科。中国科学院金属研究所院士师昌绪认为，为了满足时代的要求及推动时代的发展，材料科学大有作为，其中生物材料最有发展前景。这门学科--作为材料科学的一个重要分支，它对于促进人类的文明发展，对于探索人类生命的秘密，对于保障人类的健康与长寿，必将做出极大的贡献。