医用可降解材料研究进展论文

生物材料学作为生命科学和材料科学的前沿性交叉学科，更是优先发展的重点。生物功能材料专业正是根据社会发展的需要，特别是生物医学工程、组织工程和药物释放等交叉学科技术的迅速发展对专业人才的迫切需求而设立的 。生物医用材料的分类生物材料应用广泛，品种很多，有不同的分类方法。通常是按材料属性分为：合成高分子材料（聚氨醋、聚醋、聚乳酸、聚乙醇酸、乳酸乙醇酸共聚物及其他医用合成塑料和橡胶等）、天然高分子材料（如胶原、丝蛋白、纤维素、壳聚糖等）、金属与合金材料（如钦金属及其合金等）、无机材料（生物活性陶瓷，羟基磷灰石等）、复合材料（碳纤维/聚合物、玻璃纤维/聚合物等）。根据材料的用途，这些材料又可以分为生物惰性（bioinert）、生物活性（bioactive）或生物降解（biodegradable）材料。这些材料通过长期植入、短期植入、表面修复分别用于硬组织和软组织修复与替换。生物医用材料由于直接用于人体或与人体健康密切相关，对其使用有严格要求。首先，生物医用材料应具有良好的血液相容性和组织相容性。其次，要求耐生物老化。即对长期植入的材料，其生物稳定性要好；对于暂时植入的材料，耍求在确定时间内降解为可被人体吸收或代谢的无毒单体或片断。还要求物理和力学性质稳定、易于加工成型、价格适当。便于消毒灭茵、无毒无热源、不致癌不致畸也是必须考虑的。对于不同用途的材料，其要求各有侧重。 常用的医学生物材料 一、医用硅橡胶 医用硅橡胶(silicone rubber)是美容外科中应用较广的生物材料(组织代用品).它是高分子有机化合物聚硅酮的一种橡胶样固体形态,又称二甲基硅氧烷。 二、人工骨 随着生物医学和材料的发展,各种人工制备的生物材料植入骨内替代骨移植,临床应用效果好.这些人工合成或提取的植入材料生物相容性好,对骨形成具有明显的诱导作用,被泛称为人工骨(artificial bone)。 一般而言，临床医学对生物医学材料有以下基本的要求：无毒性，不致癌，不致畸，不引起人体细胞的突变和组织细胞的反应；与人体组织相容性好，不引起中毒、溶血凝血、发热和过敏等现象；化学性质稳定，抗体液、血液及酶的作用；具有与天然组织相适应的物理机械特性；针对不同的使用目的具有特定的功能。物质属性分类根据物质属性，生物医学材料大致可以分为以下几种： 1、生物医学金属材料（biomedical metallic materials）医用金属材料是作为生物医学材料的金属或合金，具有很高的机械强度和抗疲劳特性，是临床应用最广泛的承力植入材料，主要有钻合金（co-cr-ni）、钛合金（ti-6a1-4v）和不锈钢的人工关节和人工骨。镍钛形状记忆合金具有形状记忆的智能特性，能够用于矫形外科、心血管外科。 2、生物医学高分子材料（biomedical polymer）生物医学高分子材料有天然的和合成的两种，发展得最快的是合成高分子医用材料。通过分子设计，可以获得很多具有良好物理机械性和生物相容性的生物材料。其中软性材料常用来作为人体软组织如血管、食道和指关节等的代用品；合成的硬材料可以用来作人工硬脑膜、笼架球形的人工心脏瓣膜的球形阀等；液态的合成材料如室温硫化硅橡胶可以用来作注入式组织修补材料。 3、生物医学无机非金属材料或生物陶瓷（biomedical ceramics）生物陶瓷这类医用材料化学性质稳定，具有良好的生物相容性。生物陶瓷主要包括两类。（1）惰性生物陶瓷（如氧化铝、医用碳素材料等）。这类材料具有较高的强度，耐磨性能良好，分子中的键力较强。（2）生物活性陶瓷（如羟基磷灰石和生物活性玻璃等），这类材料具有能在生理环境中逐步降解和吸收，或与生物机体形成稳定的化学键结合的特性，因而具有极为广阔的发展前景。 4、生物医学复合材料（biomedical composites）生物医学复合材料是由两种或两种以上不同材料复合而成的生物医学材料，主要用于修复或替换人体组织、器官或增进其功能以及人工器官的制造。其中钻合金和聚乙烯组织的假体常用作关节材料；碳-钛合成材料是临床应用良好的人工股骨头；高分子材料与生物高分子（如酶、抗源、抗体和激素等）结合可以作为生物传感器。 5、生物医学衍生材料（biomedical derived materials）生物衍生材料是经过特殊处理的天然生物组织形成的生物医学材料，经过处理的生物衍生材料是无生物活力的材料，但是由于具有类似天然组织的构型和功能，在人体组织的修复和替换中具有重要作用，主要用作皮肤掩膜、血液透析膜、人工心脏瓣膜等。编辑本段应用广泛，增长迅速生物医学材料应用广泛，仅高分子材料，全世界在医学上应用的就有90多个品种、1800余种制品，西方国家在医学上消耗的高分子材料每年以10%～20%的速度增长。随着现代科学技术的发展尤其是生物技术的重大突破，生物材料的应用将更加广泛。表1列举了生物医用材料的一些典型应用，其应用之广泛可见一斑。编辑本段生物医学材料发展的主要动力生物医学材料得以迅猛发展的主要动力来自人口老龄化、中青年创伤的增多、疑难疾病患者的增加和高新技术的发展。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。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将更加巨大。 生活节奏的加快、活动空间的扩展和饮食结构的变化等因素，使创伤成为一个严重的社会问题。我国创伤住院年增长率达，高居住院人数第2位。美国1998年用于骨骼-肌肉系统损伤患者的治疗费高达1280亿美元，仅骨缺损患者就达123万，其中80%需用生物医学材料治疗。在全球，心脑血管疾病、各种癌症、艾滋病、糖尿病、老年痴呆症等发病率逐年增加，急需用于诊断、治疗和修复的生物材料。 随着生物技术的发展，不同学科的科学家进行了广泛合作，从而使制造具有完全生物功能的人工器官展示出美好的前景。人体组织和器宫的修复，将从简单的利用器械机械固定发展到再生和重建有生命的人体组织和器宫；从短寿命的组织和器官的修复发展至永久性的修复和替换。这一医学革命（特别是外科学），对生命利学和材料等相关学科的发展提出了诸多需求，对生物医学材料的发展产生了重要的促进作用。发展我国生物医学材料的建议生物医用材料学生物医用材料是材料科学与工程的重要分支，其最大特点是学科交叉广泛、应用潜力巨大、挑战性强。随着新材料、新技术、新应用的不断涌现，吸引了许多科学家投人这一领域的研究，成为当今材料学研究最活跃的领域之一。在我国，生物医学材料的研究虽然取得一些令人瞩目的成果，但整体水平不高，跟踪研究多，源头创新少。在产业化方面，生物医学材料及其制品占世界市场的份额不足2%，主要依靠进口，产品技术结构和水平基本上处于初级阶段。结合我国国情和学科发展趋势，按照"有所为，有所不为，重点突破"的原则，我们建议，应在五个方面开展重点研究。 一是生物结构和生物功能的设计和构建原理研究。着重研究具有诱导组织再生的骨、软骨及肌腱等基底材料和框架结构的设计及其仿生装配； 二是表面/界面过程-材料与机体之间的相互作用机制研究。从细胞和分子水平深入研究材料与特定细胞、组织之间的表面/界面作用，揭示影响生物相容性的因素及本质。 三是生物导向性及生物活性物质的控释机理研究。研究可自控或靶向释放蛋白、基因等特异性生物活性物质的材料的设计以及生物导向性原理；用于组织细胞和基因治疗的半渗透聚合物膜的设计、自装配及特异性细胞密封技术； 四是生物降解/吸收的调控机制研究。研究生物降解/吸收材料的分子结构和生物环境对其降解的影响、降解/吸收速度的调控、降解/吸收及代谢机制，以及降解产物对机体的影响。其目标是为组织工程化人工器官生物材料及药物控释材料的自成、改性方法提供理论基础，实现材料参与生命过程和构建生命组织的目的。 五是材料的制备方法学和质量控制体系研究。主要研究生物医用材料及修复体的计算机辅助设计； 通过上述研究的开展，将使我国生物材料的研究水平有较大提高，为我国生物医用材料科学及其产业的发展奠定坚实的基础。编辑本段意义生物医用材料为挽救生命和提高人民健康水平做出了重大贡献，当前正面临重大突破。我国加入 WTO后，生物医用材料产业将面临更大的挑战和更多的机遇，生物材料科学工作者任重而道远。我们相信，在国家的大力支持下，跨部门、跨学科通力合作，通过走自力更生与技术引进相结合的发展之路，在生物材料组织工程化、分子设计、仿生模拟、智能化药物控释等方面重点投人，生物医用材料必将为全面提高人们的生活水乎，造福人类做出更大的贡献。

生态环境材料的定义生态环境材料是指那些具有良好的使用性能和优良的环境协调性的材料。良好的环境协调性是指资源、能源消耗少，环境污染小，再生循环利用率高。生态环境材料是人类主动考虑材料对生态环境的影响而开发的材料，是充分考虑人类、社会、自然三者相互关系的前提下提出的新概念，这一概念符合人与自然和谐发展的基本要求，是材料产业可持续发展的必由之路。生态环境材料是由日本学者山本良一教授于20世纪90年代初提出的一个新的概念，它代表了21世纪材料科学的一个新的发展方向。发展生态环境材料的意义人类的生产过程从材料的生产－使用－废弃的过程来看，可以说是将大量的资源提取出来，又将大量废弃物排回到自然环境的循环过程，人类在创造社会文明的同时，也在不断的破坏人类赖以生存的环境空间。传统的材料研究、开发与生产往往过多的追求良好的使用性能，而对材料的生产、使用和废弃过程中需消耗大量的能源和资源，并造成严重的环境污染，危害人类生存的严峻事实重视不够。生态环境材料是在人类认识到生态环境保护的重要战略意义和世界各国纷纷走可持续发展道路的背景下提出来的，是国内外材料科学与工程研究发展的必然趋势。生态环境材料的评价目前通常采用生命周期评价(Life cycle assessment，LCA)的基本概念、原则和方法对材料或产品进行环境行为评估。国际标准化组织(IS014040：2005)对LCA的定义：对一个产品系统的生命周期输入、输出及其潜在环境影响的汇编和评价。生命周期是指产品系统中前后衔接的一系列阶段，包括产品原材料的提取与加工、制造、运输和销售、使用、再使用、维持、循环回收，直至最终处理。在LCA研究中有四个阶段：1）目标和范围的确定；2）清单分析；3）影响评价；4）解释。生态环境材料研究的主要方向生态环境材料研究的主要方向有：① 减少人均材料流量，减少材料集约化程度 ；② 减少寿命周期中的环境负荷，使用生态化的生产工艺 ；③开发天然能源，使用藏量丰富的矿物和天然材料；④ 避免使用有害物质，使用“清洁”材料 ；⑤使用长寿命材料，强化再生利用，强化生物降解性；⑥修复环境，强调生态效率(性能一环境负荷比)；⑦环境负荷小的高分子合金设计；⑧可再生循环高分子材料的设计；⑨完全降解高分子材料设计；⑩高分子材料加工和使用过程中产生的有害物质无害化处理技术。生物降解材料生物降解材料是20世纪80年代后由于环境和能源之间的矛盾凸显而发展起来的一种新型高分子材料 。它是指在一定条件下、一定时间内能被细菌、霉菌、藻类等微生物降解的一类高分子材料。真正的生物降解高分子在有水存在的环境下，能被酶或微生物水解降解，从而使高分子主链断裂，分子量逐渐变小，以致最终成为单体或代谢成二氧化碳和水。生物降解材料的作用机理生物降解性高分子材料的降解通常是以化学方式进行的，即在微生物活性的作用下，酶进入聚合物的活性位置并渗透至聚合物的作用点后，使聚合物发生水解，从而使聚合物的分子骨架发生断裂，成为小的链段，并最终断裂成稳定的小分子产物，完成降解过程。一般高分子材料通过生物物理作用、生物化学作用和酶的直接作用等途径而进行降解。生物降解材料的研究进展目前在生物降解材料方面研究最热、发展最快的为医用生物降解高分子材料。主要为聚乳酸(PLA)类医用高分子降解材料，因其无毒、无刺激性、强度高、易加工成型，具有优良的生物兼容性，可生物降解吸收，在生物体内经过酶解，最终分解成水和二氧化碳，所以广泛用于医疗方面。笔者以PLA类医用生物降解材料为例说明生物降解材料的研究进展。几种重要的生物降解材料及应用当前国内外研究的高分子生物降解材料主要有：①淀粉基降解材料 。淀粉基降解材料指的是其组成中含有淀粉或其衍生物作为共混体系的一类材料。淀粉作为可再生资源价廉易得，淀粉填料能促进基体树脂的降解，加工和成型利用现有的填充塑料加工技术和设备，使用性能与基体树脂接近或相当。②PLA类降解材料 』。PLA无毒、无刺激性、强度高、易加工成型，具有优良的生物兼容性，可生物降解吸收，在生物体内经过酶解，最终分解成水和二氧化碳。PLA类降解材料是一种新型功能性医用高分子材料。③ 聚酸酐降解材料 。20世纪70年代人们利用其水解不稳定性，开发出生物降解材料。由于其优良的生物兼容性和表面溶蚀性，在医学领域得到广泛的应用。④ 聚氨酯(PUR)降解材料 。可降解性PUR主要有纤维素／木质素／树皮改性PUR、单糖或二糖改性PUR和淀粉改性PUR。广泛用于建筑、家具、电器等行业。⑤ 聚对苯二甲酸乙二酯(PET)／聚乙二醇(PEG)降解材料 。PET是一种性能优良的通用高分子材料，当其中加入PEG进行熔融共缩聚，可以合成具有微相分离结构的嵌段共聚物，其降解速度明显加快，为聚合物用作环境友好材料和生物医学材料奠定了基础。生物降解材料的应用极为广泛，包括医药、农业、工业包装、家庭娱乐等 。近年来发展的生物降解性吸收高分子材料是指材料完成医疗作用后，在一定时间内被水解或酶解成小分子参与正常的代谢循环，从而被人体吸收或排泄。生物降解塑料已被用在血管外科、矫形外科、体内药物释放基体和吸收性缝合线等医疗领域。农用降解材料最终转化成提高土质的材料，主要有农用覆膜、药物的控制释放。在塑料卡中(如信用卡、IP卡等)加入降解性材料也能使其在废弃后迅速降解而不污染环境。目前在美国等西方发达国家 ，包装材料和方便袋等都已使用可降解的纸材料或纸袋。这些材料的使用大大降低了对环境的白色污染，提高了环境质量。我国目前已经开始重视白色污染的问题，2008年6月1日开始实行的“限塑令”就充分说明了这一点。长寿命高分子材料长寿命高分子材料的开发是未来高分子材料重要研究内容之一，但是应根据用途和是否对环境产生深远影响进行综合研究 。通过延长高分子材料的使用寿命，从而提高资源的利用率，降低资源开发速度。目前日本在长寿命高分子材料研究方面处于领先地位，日本出兴光产公司开发了长寿命蓝光和绿光有机发光材料 ，此材料改进了蓝光有机发光材料的分子结构，因而得到电流发光效率为9 cd／A，半寿命为223 000 h，不仅改进了绿光有机发光材料的色纯度，而且提高了寿命。兰伟等 对用于长寿命热电池的气相SiO，复合保温材料进行了研究。其所研制的保温材料在500~C，密度为0．265 g／em 时，导热系数为0．0629 W／(Ill·K)，接近美国同类材料Min—K的水平。仿生物材料人工制造的具有生物功能、生物活性或者与生物体相容的材料称为仿生物材料。仿生物材料在生物兼容性的基础上，从材料的制备到应用都与环境、人体有着自然的协调性。已经研究开发的仿生物材料主要有生物陶瓷及其复合材料、组织工程材料和仿生智能材料等。组织工程材料是用于取代某些生物体组织器官或恢复、维持以及改善其功能的一类仿生物材料。常见的组织工程材料包括组织引导材料、组织诱导材料、组织隔离材料、组织修复材料和组织替换材料等。仿生智能材料是指能模仿生命系统，同时具有感知和驱动双重功能的材料。仿生智能材料刚刚出现十余年，但已经发展成为生物材料领域最引人注目的研究热点之一。目前主要有智能高分子凝胶材料、智能药物释放体系以及仿生薄膜材料等。生态环境材料的发展趋势生态环境材料经过十几年的发展和研究，以下几点已为世界公认：① 材料的环境性能将成为2l世纪新材料的一个基本性能；②用LCA方法评价材料产业的资源和能源消耗、三废排放等将成为一项常规的评价方法；③结合资源保护、资源综合利用，对不可再生资源的替代和再资源化研究将成为材料产业的重要发展方向；④各种生态环境材料及其产品的开发和广泛应用是其发展的重点。高分子生态环境材料未来的发展方向是：① 开发高效生产技术，使高分子材料精细化、功能化、高性能化以及生态化；②优化设计，根据各种高分子材料制品用途进行可降解或长寿命高分子材料的设计；③探讨与环境协调的再生循环方法，使高分子材料废弃物变废为宝，实现资源再生利用。总之，生态环境材料必将成为未来新材料的一个重要分支，作为跨材料科学、环境科学以及生态科学等学科的新型材料，在保持资源平衡、能源平衡和环境平衡，实现社会和经济的可持续发展等方面将起到非常重要的作用。如果在生产和生活中广泛使用该类材料，就可以实现社会的可持续发展，使资源和能源得到有效的利用，使我们的生产和生活环境得到有效的保护。该类材料代表着科学技术发展的方向和社会发展进步的趋势，必将对人类社会进步起到巨大的推动作用。

生物降解指材料在生物体内通过溶解、酶解、细胞吞噬等作用，在组织长入的过程中不断从体内排出，修复后的组织完全替代植入材料的位置，而材料在体内不存在残留的性质。包括：1. 生物降解金属材料生物降解金属医用材料是指金属植入物在辅助并完成生物组织修复的过程中，在生物体内逐渐腐蚀直至完全溶解的一类金属材料，同时材料的腐蚀产物对生物体不会产生或产生轻微的宿主反应。因此可生物降解金属材料的主要组成元素应为可被生物体通过新陈代谢排出体外的基本金属元素，并在生物体内具有一定的腐蚀速率。生物降解金属材料主要包括纯镁及镁基合金、纯铁及铁基合金、纯锌及锌基合金、钨和（钙基、锌基和锶基）大块非晶合金等。2. 生物降解无极非金属材料生物陶瓷在生理环境中产生的结构或物质衰变，其产物被机体吸收利用或通过循环系统排出体外，称为陶瓷的生物降解。生物可降解或生物可吸收陶瓷材料植入骨组织后，材料通过体液溶解吸收或被代谢系统排出体外，最终使缺损的部位完全被新生的骨组织所取代，而植入的生物可降解材料只起到临时支架作用。在体内通过系列的生化反应一部分排出体外，一部分参与新骨的形成。目前广泛应用和研究的可降解和吸收的生物陶瓷主要是指磷酸钙类生物陶瓷材料，它包括磷酸三钙、磷酸四钙和羟基磷灰石以及它们的混合物等，这类磷酸钙类陶瓷材料植入体内后经过一段时间，可部分或全部吸收，发生陶瓷生物降解，其中生物降解显著的为β-磷酸三钙（β-TCP）陶瓷，它具有良好的生物降解性、生物相容性和无生物毒性，当其植入人体后，降解下来的 Ca、P 能进入活体循环系统形成新生骨。