生物材料（biomaterials）是现代医学中不可或缺的组成部分，广泛应用于组织工程、药物传递系统、人工器官和植入物等领域。随着生物医学工程技术的发展，对生物材料的需求和要求也在不断提高。本文旨在针对上篇系列文章《Med·投资 | 观点 浅析生物材料》，较为系统地探讨按照材料性质不同，生物材料的分类及其应用，以期为相关领域的研究和应用提供参考。 一、医用高分子材料 聚乳酸（PLA）是一种由乳酸聚合而成的合成聚合物，具有良好的生物相容性和可降解性。PLA的降解产物为无毒的乳酸，可以通过新陈代谢被人体完全吸收。由于其优良的机械性能和热塑性，PLA被广泛应用于缝合线、药物载体和组织工程支架等领域。PLA的降解速率和力学性能可以通过调控其分子量和结晶度来调节，从而满足不同医学应用的需求。 聚乙醇酸（PGA）是一种由乙醇酸聚合而成的合成聚合物，具有较快的降解速率和良好的生物相容性。PGA在水解过程中生成乙醇酸，最终被人体完全吸收。由于其优异的力学性能和可降解性，PGA被广泛应用于可吸收缝合线、骨折固定装置和组织工程支架等领域。PGA与PLA共聚形成的PLGA材料，结合了两者的优点，具有可控的降解速率和良好的机械性能，被广泛用于药物控释系统和组织工程中。 聚乳酸-乙醇酸共聚物（PLGA）是一种由乳酸和乙醇酸共聚而成的合成聚合物，具有可控的降解速率和优良的生物相容性。PLGA的降解速率可以通过调控乳酸和乙醇酸的比例来调节，从而满足不同医学应用的需求。PLGA广泛应用于药物载体、组织工程支架和可吸收缝合线等领域。PLGA微球和纳米粒子作为药物载体，可以实现药物的控制释放，提高药物的治疗效果和减少副作用。 聚氨酯（PU）是一种具有优异力学性能和生物相容性的合成聚合物，广泛应用于医疗器械和组织工程中。聚氨酯的物理化学性质可以通过调控其分子结构和制备工艺来调节，从而满足不同的医学需求。例如，聚氨酯泡沫可作为软组织工程支架，聚氨酯薄膜可作为血管移植物的内衬材料。聚氨酯基材料还可以与其他材料复合，进一步增强其生物相容性和功能性。 二、生物陶瓷材料 羟基磷灰石（HA）是一种天然存在于人体骨骼和牙齿中的无机矿物，具有优异的生物相容性和骨传导性。由于其化学成分与天然骨骼相似，HA被广泛应用于骨移植、牙科植入物和骨修复材料中。HA可以制备成多孔支架，为骨细胞的附着和生长提供理想的环境，促进新骨组织的形成。此外，HA还可与聚合物或金属材料复合，增强材料的机械性能和生物活性。 磷酸三钙（TCP）是一种具有良好生物相容性和生物降解性的无机材料，常用于骨修复和牙科材料。TCP在体内逐渐降解，并被新生的骨组织取代，从而实现骨组织的再生。TCP可以制备成多孔结构，提供细胞迁移和血管生成所需的空间，促进骨修复和再生。TCP与其他材料复合，如聚合物或胶原，可以提高材料的力学性能和生物活性，扩展其应用范围。 生物玻璃是一种具有良好生物活性和骨诱导性的无机材料，广泛应用于骨修复和牙科材料。生物玻璃在体内与生理液接触后，表面会形成一层类似于HA的生物活性层，促进骨细胞的附着和新骨的形成。此外，生物玻璃还具有良好的力学性能和抗菌性能，可作为骨填充材料和抗菌涂层使用。生物玻璃的成分和结构可以通过调控制备工艺进行优化，以满足不同医学应用的需求。 三、医用金属材料 钛及其合金是最常用的生物金属材料，具有优异的机械性能、生物相容性和耐腐蚀性。钛及其合金在人体内具有良好的稳定性，不会引起过敏反应或毒性，因此被广泛应用于骨科植入物、牙科植入物和心血管支架等领域。钛合金如Ti-6Al-4V由于其优良的力学性能和生物相容性，成为制造骨板、髓内钉和人工关节的理想材料。此外，钛表面可以通过化学处理或涂层技术进一步提高其生物活性和抗菌性能，从而促进骨组织的生长和植入物的长期稳定性。 不锈钢是另一种常用的生物金属材料，具有优异的机械性能和耐腐蚀性。医用不锈钢如316L不锈钢，由于其优良的生物相容性和耐腐蚀性，被广泛应用于骨科植入物、牙科器械和外科器械中。不锈钢植入物如骨钉、骨板和关节置换器在骨折固定和关节置换手术中发挥着重要作用。然而，不锈钢在长期使用中可能会发生金属离子释放和腐蚀，因此在某些应用中逐渐被钛合金和其他高性能材料所取代。 镁合金是一种新兴的生物金属材料，具有优异的生物相容性和可降解性。镁合金在体内逐渐降解，并被新生的骨组织取代，从而实现骨组织的再生。镁合金植入物如骨钉和骨板在骨折固定和骨修复中具有重要应用。由于镁的降解产物对人体无害，镁合金植入物可以避免二次手术取出植入物的问题。此外，镁合金的力学性能接近天然骨，有助于减轻应力屏蔽效应，促进骨组织的生长。然而，镁合金的降解速率较快，需要通过合金化和表面处理等方法进行调控，以满足实际应用的需求。 四、生物降解材料 蛋白质类材料 胶原是人体内最丰富的蛋白质之一，主要存在于皮肤、骨骼、肌腱和软骨中。由于其良好的生物相容性和可降解性，胶原被广泛应用于医学领域。胶原基生物材料在软组织修复、伤口敷料和药物递送系统中发挥着重要作用。胶原支架可为细胞提供附着和生长的基质，促进组织的再生。此外，胶原还具有较好的生物活性，可以调节细胞行为，促进组织的愈合。 明胶是胶原的水解产物，具有良好的生物相容性和可降解性。由于其溶解性和低免疫原性，明胶被广泛用于药物递送系统、组织工程和伤口敷料中。明胶基材料可以通过交联和改性来调节其物理化学性质，从而满足不同的医学需求。例如，明胶海绵在伤口敷料中被用作止血材料，明胶微球则被用作药物载体，实现药物的控制释放。 丝素蛋白是由蚕丝和蜘蛛丝中提取的一种天然蛋白质，具有优异的机械性能和生物相容性。丝素蛋白可以制备成纤维、薄膜、海绵和水凝胶等多种形式，广泛应用于组织工程、药物递送和生物医学成像等领域。丝素蛋白的降解产物对人体无害，并且其降解速率可以通过调节制备工艺来控制，这使得丝素蛋白在医学领域具有广阔的应用前景。 弹性蛋白是人体结缔组织中的一种重要成分，具有良好的弹性和生物相容性。弹性蛋白基材料在软组织工程、心血管修复和皮肤再生中具有重要应用。由于弹性蛋白的独特机械性能和生物活性，研究人员正在探索将其与其他材料结合，以开发具有更好性能的复合生物材料。 多糖类材料 壳聚糖是从甲壳类动物的外骨骼中提取的一种天然多糖，具有良好的生物相容性和可降解性。壳聚糖在酸性条件下溶解，形成黏稠的溶液，可制备成纤维、薄膜、海绵和凝胶等多种形式。壳聚糖具有优异的抗菌性能和止血效果，因此被广泛应用于伤口敷料、止血材料和抗菌涂层中。此外，壳聚糖还可作为药物载体，实现药物的控制释放，改善药物的疗效和减少副作用。 透明质酸是一种天然存在于人体结缔组织中的多糖，具有良好的生物相容性和水合作用。透明质酸在体内参与许多生理过程，如细胞迁移、增殖和分化。由于其良好的保湿和润滑性能，透明质酸广泛应用于眼科手术、关节炎治疗和皮肤护理等领域。此外，透明质酸还可作为组织工程支架材料，促进细胞的生长和组织的再生。 纤维素是地球上最丰富的天然多糖，主要来源于植物细胞壁。纤维素具有良好的生物相容性和机械性能，可制备成纤维、膜和海绵等多种形式。纤维素基材料在组织工程、药物递送和伤口敷料中具有广泛应用。例如，纤维素纳米纤维具有高比表面积和良好的力学性能，可作为高性能生物材料用于组织支架和药物载体。纤维素的化学结构可以通过化学修饰来调节，从而赋予其不同的功能和特性。 五、生物医学复合材料 PLA/HA复合材料是由聚乳酸（PLA）和羟基磷灰石（HA）组成的一种复合材料，结合了PLA的可塑性和HA的生物活性。PLA/HA复合材料具有良好的生物相容性和机械性能，广泛应用于骨组织工程支架。PLA的可降解性使得支架在体内逐渐降解，并被新生的骨组织取代，而HA则促进骨细胞的附着和新骨的形成。PLA/HA复合材料可以通过调控PLA与HA的比例、颗粒尺寸和分散状态来优化其性能，以满足不同的医学需求。 钛/聚醚醚酮（PEEK）复合材料是由钛金属和聚醚醚酮（PEEK）聚合物组成的一种复合材料，结合了钛的机械强度和PEEK的生物相容性。钛/PEEK复合材料具有优异的力学性能和生物相容性，广泛应用于骨科植入物和脊柱固定装置。钛提供了良好的机械支持，确保植入物的稳定性和耐久性，而PEEK则具有较低的弹性模量，与人体骨骼更加匹配，减轻应力屏蔽效应，促进骨组织的生长。 壳聚糖/明胶水凝胶是由壳聚糖和明胶组成的一种复合水凝胶，结合了壳聚糖的抗菌性能和明胶的生物相容性。壳聚糖/明胶水凝胶具有良好的机械性能和可降解性，广泛应用于组织工程和药物传递。壳聚糖提供了良好的支架结构，促进细胞的附着和生长，而明胶则提供了细胞所需的营养和生物活性，促进组织的再生。壳聚糖/明胶水凝胶的物理化学性质可以通过调控壳聚糖与明胶的比例、交联度和制备工艺来调节，从而满足不同的医学需求。 对生物材料进行系统地分类，不仅有助于科学地理解不同材料的特性和应用领域，而且对于推动医疗技术的发展和改善患者治疗体验具有重要意义。生物材料的研究和开发已经证明，它们在提高治疗效率、促进组织修复、增强疾病诊断准确性方面发挥着至关重要的作用。通过不断的技术创新和跨学科合作，生物材料的应用前景广阔，为患者带来了更多的治疗选择和更好的治疗效果。
