劉昌勝院士論“生物材料：未來充滿無限可能” | 大家

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劉昌勝

中國科學院院士，重慶大學校長

陳曦

華東理工大學材料學院教授、博士生導師

從古代的石器、青銅器到現(xiàn)代的鋼鐵和硅基材料，人類文明的進步始終與材料的發(fā)展密不可分。無論是原始人用石器狩獵，還是現(xiàn)代人用硅基芯片驅(qū)動人工智能，材料的革新始終推動著社會的變革。但你有沒有想過，材料不僅僅可以用來建造房屋或制造工具？

事實上，材料在我們的生活中扮演著更為重要的角色，尤其是在醫(yī)學和健康領域。想象一下，如果沒有材料科學的進步，我們可能還在用木頭和石頭修補身體，而不是用先進的人工關節(jié)或心臟支架。其中，生物材料——一種與我們的身體健康緊密相關的材料，正悄然影響和改變著我們的生活。

以全球“頭號殺手”心血管疾病為例，心血管支架的迭代歷程集中體現(xiàn)了生物材料的進步。

第一代心血管支架為球囊支架，采用聚氨酯材料，通過物理擴張疏通血管，但再狹窄率高達40%~50%，患者需要反復手術。

第二代心血管支架為金屬裸支架，由不銹鋼和鈷鉻合金制成，提供持久支撐，再狹窄率降至20%~30%，但金屬長期滯留可能引發(fā)炎癥或血栓。

第三代心血管支架為藥物涂層支架，在金屬裸支架上涂層抗凝藥物，阻止內(nèi)皮細胞增生，將再狹窄率降至5%~10%，但金屬支架永久存留體內(nèi)，可能干擾血管的自然功能。

第四代心血管支架為可降解支架，革命性材料鎂鋅合金和聚乳酸登場，這類支架在術后2~3年內(nèi)逐步降解為水和二氧化碳，血管恢復自然彈性。通過心血管生物材料的發(fā)展及其在臨床上的應用，我們可以看到，先進的生物材料對于保障人民生命健康具有不可替代的重要意義。

生物材料進步推動心血管支架發(fā)展

其實，早在2000多年前，中國、古羅馬以及阿茲特克人就已經(jīng)使用黃金來修補牙齒。到了19世紀，金屬鉑因其對身體的刺激最小，開始在臨床上廣泛應用。而今天，我們不僅可以用生物材料制成人工關節(jié)、心臟支架來治療疾病，還能用它來修復甚至替代受損的組織和器官。

從社會角度看，生物材料能夠顯著提高生命質(zhì)量，甚至挽救生命。以心血管疾病為例，30年前，美國每10萬患者中死亡人數(shù)高達587人；而隨著生物材料制成的心血管支架的普及，這一數(shù)字降至215人。

從經(jīng)濟角度看，生物材料是具有高技術附加值、低消耗、低能耗的高技術產(chǎn)業(yè)，正逐步成為世界經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)。目前，我國生物醫(yī)用材料在全球的市場份額約為8%，雖然起步較晚，落后于歐盟和美國，但我國在生物材料及醫(yī)療器械領域正快速崛起。預計到2030年，我國將位居全球醫(yī)療器械市場收入的第2位。

生物材料發(fā)展歷程

什么是生物材料

生物材料這一概念最早出現(xiàn)在20世紀70年代，最初僅指“與活體結(jié)合的人工非生命材料”。1992年，生物材料的定義被擴展為“用于取代或修復活組織的天然或人造材料”。如今，生物材料是指用于與生命系統(tǒng)接觸和發(fā)生相互作用的，能對機體的細胞、組織和器官進行診斷、治療、替代、修復、誘導再生或增進其功能的特殊功能材料。從這一定義可以看出，生物材料涉及多學科的交叉滲透，包括材料學、生命科學、病理學、臨床醫(yī)學、藥學等。

生物材料的研究內(nèi)容主要包括四個方面。

第一個方面是原材料的研發(fā)。最早的生物材料來源于天然材料，如膠原蛋白和絲素蛋白。隨著這些天然材料在臨床上的應用，研究人員發(fā)現(xiàn)其性能已無法滿足復雜的臨床需求。因此，人工合成材料應運而生，如聚乙烯、聚丙烯等。隨著臨床需求的多樣化，復合材料也逐漸發(fā)展起來。復合材料由兩種或兩種以上材料復合而成，可以是天然材料與合成材料的結(jié)合，也可以是兩種天然材料或兩種合成材料的組合。

第二個方面是材料的加工。材料的結(jié)構(gòu)往往決定了其性能，而材料的加工和鑄造技術決定了其結(jié)構(gòu)。目前，常用的生物材料加工技術包括3D打印技術、冷凍制造技術和靜電紡絲技術等。

第三個方面是材料的功能評價。由于生物材料直接應用于人體，安全性是最重要的考量因素。此外，生物材料需要發(fā)揮其生物學功效，因此功能評價側(cè)重材料的安全性和有效性。常用的評價模型包括體外細胞模型和體內(nèi)動物模型（如實驗鼠、兔子等）。

第四個方面是臨床轉(zhuǎn)化。臨床轉(zhuǎn)化是生物材料研究的最終目標，也是其“試金石”。從研發(fā)到臨床應用，生物材料需要經(jīng)過一系列復雜的流程，包括臨床前研究和多中心臨床研究。因此，生物材料的研究具有多學科交叉的特點，體現(xiàn)了醫(yī)學與工程技術的緊密結(jié)合。

通過以上四個方面，我們可以看到，生物材料的研究不僅涉及材料的開發(fā)與加工，還涵蓋了功能評價和臨床應用，是一個復雜而系統(tǒng)的過程。

生物材料的分類

生物材料按照材料學的劃分方法，可以分為四類：高分子生物材料、金屬生物材料、無機生物材料及復合生物材料。

四類生物材料的特點

第一類是高分子生物材料，也稱聚合物生物材料。高分子生物材料可以分成天然高分子生物材料以及合成高分子生物材料，主要用于制造人體的內(nèi)臟、體外器官、藥物劑型以及相關醫(yī)療器械等。

應用于臨床的高分子生物材料須具備以下特性：良好的生物相容性、化學性質(zhì)穩(wěn)定、不易分解；如果可生物降解，其降解產(chǎn)物應無毒副作用；同時還須具備一定的機械性能、良好的加工性能以及較低的成本。常用的高分子生物材料包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚乳酸、聚醚酮、聚乙烯、聚氨酯等。以聚乳酸為例，醫(yī)用聚乳酸除了具有合成簡便、可規(guī)模化生產(chǎn)等特點，還可以生物降解，降解產(chǎn)物是人體可以吸收的乳酸。

第二類是金屬生物材料。與高分子材料相比，金屬材料具有強度高、韌性好、抗彎曲、抗疲勞以及優(yōu)異的加工性能等特點。然而，金屬材料在體內(nèi)的生理環(huán)境中容易受到腐蝕，導致金屬離子溶出，可能引發(fā)不可預測的毒副作用。

臨床上常用的金屬生物材料包括鈦合金、鎂合金、不銹鋼等。以鈦合金為例，它具有質(zhì)量輕、生物相容性好以及強度高等優(yōu)點，廣泛應用于人工關節(jié)、顱骨板和種植牙等領域。

第三類是無機非金屬材料。它包括生物玻璃、生物陶瓷、生物水泥等。這類材料在體內(nèi)的主要優(yōu)點是化學穩(wěn)定性好、生物相容性高、耐壓強度大且易于高溫消毒。

常見的無機生物材料有磷酸鈣骨水泥（CPC）、磷酸鈣陶瓷、氧化鋁陶瓷和生物活性玻璃等。以磷酸鈣骨水泥為例，它由幾種磷酸鈣鹽通過水化反應形成低結(jié)晶度的羥基磷灰石（與人體骨成分相似），具有可塑性、自固化性、可生物降解及促進骨傳導等特性，能夠與組織界面形成化學鍵結(jié)合，常用于非承重骨的修復。

第四類是復合生物材料，由兩種或兩種以上不同材料復合而成，目的是進一步提升某一種材料的生物性能。復合材料具有集成性優(yōu)點，如改善抗疲勞性能、抗生理腐蝕性能、彈性模量、生物適配性和生物活性等。

例如，在金屬材料表面涂覆一層磷酸鹽涂層，可以增強其與骨骼的整合性，充分發(fā)揮復合材料的優(yōu)異生物學性能。

對比分析幾類生物材料的優(yōu)缺點，可以看出每類生物材料都有其獨特的優(yōu)勢和局限性，科學家正在不斷改進這些材料，以滿足日益復雜的臨床需求。

生物材料的應用

生物材料不僅僅是醫(yī)學領域的工具，它已經(jīng)悄然滲透到我們生活的方方面面，幫助無數(shù)人恢復健康、提升生活質(zhì)量。接下來，我們通過幾類生物材料的典型應用看看它們是如何改變我們的生活的。

第一類是骨科/口腔硬組織修復材料。許多生物材料被廣泛應用于骨和口腔等硬組織的修復。什么是硬組織呢？簡單來說，硬組織是指經(jīng)過生物礦化過程形成的組織，比如骨骼和牙齒。這些組織具有較高的強度和硬度，能夠支撐和保護身體。常見的應用包括骨缺損的填充修復材料、牙齒種植體以及人工關節(jié)等。

例如，當患者因外傷或疾病導致骨缺損時，醫(yī)生可以使用生物材料制成的骨填充材料來修復缺損，幫助骨骼重新生長。牙齒種植體則通過植入人工牙根，替代缺失的牙齒，幫助患者恢復咀嚼功能。人工關節(jié)則用于替代受損的關節(jié)，幫助患者恢復行動能力。

第二類是心血管軟組織修復材料。心血管疾病是全球范圍內(nèi)的主要健康威脅之一，而生物材料為治療這些疾病提供了重要的解決方案。

例如，人工血管通常由膨體聚四氟乙烯制成，用于替代因疾病等而受損的血管，恢復血液的正常流動。此外，人工心臟瓣膜和人工心肌補片等軟組織修復材料也在臨床上得到了廣泛應用。人工心臟瓣膜可以替代病變的心臟瓣膜，幫助患者恢復心臟的正常功能；人工心肌補片則用于修復因心肌梗死等原因受損的心肌組織。

第三類是皮膚創(chuàng)面組織修復材料。對于燒傷患者或嚴重皮膚損傷的患者來說，皮膚創(chuàng)面修復材料是救命的關鍵。皮膚是人體最大的器官，一旦受損，不僅會帶來劇烈的疼痛，還可能導致感染和其他并發(fā)癥。人工皮膚等材料為創(chuàng)面愈合提供了支撐和保障，幫助患者加速康復，減少感染風險。

例如，對于大面積燒傷患者，醫(yī)生可以使用人工皮膚覆蓋創(chuàng)面，防止水分和熱量流失，同時促進新皮膚的再生。這些材料不僅幫助患者度過了最危險的階段，還為他們的長期康復奠定了基礎。

第四類是血液凈化和透析材料。血液凈化和透析是許多腎病患者的生命線，而這一過程的核心技術依賴于多孔的血液過濾膜。慢性腎病患者由于腎臟功能衰竭，無法有效清除體內(nèi)的毒素和廢物，因此需要依靠透析維持生命。這種過濾膜材料能夠有效清除血液中的毒素和廢物，幫助患者維持生命。

例如，血液透析機通過過濾膜將患者的血液與透析液進行交換，去除血液中的有害物質(zhì)，同時補充必要的電解質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)。這些材料不僅延長了患者的生命，還顯著提高了他們的生活質(zhì)量。

第五類是藥物緩釋和控釋材料。你是否注意到，有些藥物可以緩慢釋放，效果持久。這要歸功于藥物緩釋和控釋材料。傳統(tǒng)的藥物服用方式往往會導致藥物在體內(nèi)的濃度波動，影響療效并可能產(chǎn)生副作用。而藥物緩釋和控釋材料作為藥物的載體，能夠控制藥物的釋放速度和位置，確保藥物在體內(nèi)達到最佳效果。

例如，一些治療慢性疾病的藥物通過緩釋技術，可以在體內(nèi)持續(xù)釋放，保持穩(wěn)定的血藥濃度，從而減少服藥次數(shù)，提高患者的依從性。這些材料不僅提高了藥物的療效，還減少了副作用，為患者提供了更加安全和便捷的治療方案。

第六類是整形外科材料。隨著醫(yī)美行業(yè)的快速發(fā)展，整形外科材料也越來越受到關注。無論是為了修復先天缺陷、外傷損傷，還是為了追求美麗與年輕，整形外科材料都在其中扮演著重要角色。

早期的材料如透明質(zhì)酸，因其良好的生物相容性和可吸收性，常用于面部填充，幫助改善面部輪廓，填補皺紋和凹陷部位，使面部線條更加流暢自然。

近年來，隨著科技的進步，新型材料如聚乳酸和聚己內(nèi)酯再生微球逐漸成為熱門選擇。這些材料通過刺激人體免疫反應，促進膠原蛋白的再生，從而改善皮膚質(zhì)地，提升面部緊致度，效果更加持久和自然。

最近，羥基磷灰石微球也逐漸流行起來，它通過力學刺激促進膠原再生，且不會引發(fā)免疫反應，避免了傳統(tǒng)材料可能帶來的過敏或排異問題，成為醫(yī)美領域的新寵。

這些材料幫助人們實現(xiàn)了外貌上的改善，提升了自信心和生活質(zhì)量，成為現(xiàn)代醫(yī)美行業(yè)中不可或缺的一部分。

未來展望

生物材料在過去幾十年里經(jīng)歷了飛速發(fā)展，而它的未來同樣充滿希望，將繼續(xù)大步向前邁進。生物材料的未來發(fā)展方向可以概括為四個關鍵詞：多功能化、智能化、個性化和集成化。

多功能化

未來的生物材料將不僅僅是單一功能的修復工具，而是具備多種功能的“全能選手”。

通過仿生設計和材料結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，科學家正在開發(fā)能夠同時實現(xiàn)多種生物學效應的活性材料。例如，這些材料具有捕捉活性因子、招募干細胞、調(diào)控免疫細胞等能力。這種多功能材料能夠滿足復雜組織的修復需求，為患者提供更全面的治療方案。比如，一種材料不僅可以修復受損的骨骼，還能促進血管和神經(jīng)的再生，加速愈合過程。這種多功能化的趨勢將使生物材料在醫(yī)學領域的應用更加廣泛和高效。

智能化

智能生物材料是未來的另一大趨勢。

這類材料能夠感知外界的各種刺激，如力、熱、光、電等物理信號，或者人體內(nèi)的pH值、血糖、酶活性等生化變化，并做出相應的反應。通過與組織和細胞的動態(tài)互動，智能材料可以主動調(diào)控細胞行為，影響生命的進程。

此外，人工智能（AI）的引入也將徹底改變生物材料的設計方式。傳統(tǒng)材料設計往往需要大量試驗和試錯，成本高、耗時長，而AI可以通過大數(shù)據(jù)分析和模擬，快速預測材料性能，設計出更可靠、更高效的材料，大大縮短研發(fā)周期，降低成本。在可見的未來，AI將推動生物材料技術的快速發(fā)展。

個性化

每個人的身體結(jié)構(gòu)都是獨一無二的，因此未來的生物材料將朝著個性化方向發(fā)展。

通過3D打印等技術，科學家可以根據(jù)患者的具體需求，定制出完全匹配的生物材料。例如，對于面部骨缺損的患者，3D打印技術可以精確復制骨骼的復雜結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)個性化的修復。這種個性化治療方案不僅提高了治療效果，還推動了傳統(tǒng)醫(yī)療模式的變革。未來，隨著技術的進步，個性化材料甚至可能實現(xiàn)所有器官的替代，真正實現(xiàn)“量身定制”的醫(yī)療。比如，患者可以通過3D打印技術獲得完全匹配的心臟瓣膜，從而大大提高手術的成功率和患者的康復速度。

集成化

未來的生物材料不僅僅是修復工具，還將集成監(jiān)測和診斷功能。

通過材料的生物活性和智能響應特性，這些材料可以實時監(jiān)測健康狀況，并根據(jù)環(huán)境變化調(diào)整自身功能。例如，生物活性材料可以制成細胞內(nèi)外的生物傳感器，或者用于監(jiān)測皮膚菌群的貼片。這種集成化材料將推動生物材料與其他領域的融合，比如柔性可穿戴設備促進了生物材料與電子工程、傳感器技術、生物醫(yī)學工程、數(shù)據(jù)科學、人機交互等領域的深度融合。

未來，這些設備將在臨床上廣泛應用，幫助患者更好地管理慢性疾病。例如，集成化的生物材料貼片可以實時監(jiān)測糖尿病患者的血糖水平，并在必要時自動釋放胰島素，幫助患者更好地控制病情。

生物材料的未來充滿無限可能。無論是多功能化、智能化、個性化還是集成化，這些發(fā)展方向都將為人類健康帶來革命性的改變。通過不斷突破和創(chuàng)新，生物材料將繼續(xù)為我們的生活帶來更多驚喜，幫助我們更好地應對健康挑戰(zhàn)。

目前，生物材料及相關醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)正處于蓬勃發(fā)展的階段，堪稱“井噴式增長”的前夜。回顧過去幾年，一批新型國產(chǎn)生物材料與制品已成功進入產(chǎn)業(yè)化和臨床應用階段，形成了多個具有技術優(yōu)勢的產(chǎn)業(yè)群。展望未來，到 2030 年，我國將基本建成完整的生物材料研發(fā)與產(chǎn)業(yè)體系，高端生物材料及相關醫(yī)療器械的國產(chǎn)化率將超過 50% ，我國也將成為全球生物材料的重要供應地，為人類健康事業(yè)貢獻更多 “ 中國力量 ” 。

-本文刊載于《世界科學》雜志2026年第5期“大家·科技前沿”欄目；文章根據(jù)筆者在上海市科學技術普及志愿者協(xié)會主辦的“海上科普講壇”上的報告撰寫而成-

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