刘昌胜院士论“生物材料：未来充满无限可能” | 大家

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刘昌胜

中国科学院院士，重庆大学校长

陈曦

华东理工大学材料学院教授、博士生导师

从古代的石器、青铜器到现代的钢铁和硅基材料，人类文明的进步始终与材料的发展密不可分。无论是原始人用石器狩猎，还是现代人用硅基芯片驱动人工智能，材料的革新始终推动着社会的变革。但你有没有想过，材料不仅仅可以用来建造房屋或制造工具？

事实上，材料在我们的生活中扮演着更为重要的角色，尤其是在医学和健康领域。想象一下，如果没有材料科学的进步，我们可能还在用木头和石头修补身体，而不是用先进的人工关节或心脏支架。其中，生物材料——一种与我们的身体健康紧密相关的材料，正悄然影响和改变着我们的生活。

以全球“头号杀手”心血管疾病为例，心血管支架的迭代历程集中体现了生物材料的进步。

第一代心血管支架为球囊支架，采用聚氨酯材料，通过物理扩张疏通血管，但再狭窄率高达40%~50%，患者需要反复手术。

第二代心血管支架为金属裸支架，由不锈钢和钴铬合金制成，提供持久支撑，再狭窄率降至20%~30%，但金属长期滞留可能引发炎症或血栓。

第三代心血管支架为药物涂层支架，在金属裸支架上涂层抗凝药物，阻止内皮细胞增生，将再狭窄率降至5%~10%，但金属支架永久存留体内，可能干扰血管的自然功能。

第四代心血管支架为可降解支架，革命性材料镁锌合金和聚乳酸登场，这类支架在术后2~3年内逐步降解为水和二氧化碳，血管恢复自然弹性。通过心血管生物材料的发展及其在临床上的应用，我们可以看到，先进的生物材料对于保障人民生命健康具有不可替代的重要意义。

生物材料进步推动心血管支架发展

其实，早在2000多年前，中国、古罗马以及阿兹特克人就已经使用黄金来修补牙齿。到了19世纪，金属铂因其对身体的刺激最小，开始在临床上广泛应用。而今天，我们不仅可以用生物材料制成人工关节、心脏支架来治疗疾病，还能用它来修复甚至替代受损的组织和器官。

从社会角度看，生物材料能够显著提高生命质量，甚至挽救生命。以心血管疾病为例，30年前，美国每10万患者中死亡人数高达587人；而随着生物材料制成的心血管支架的普及，这一数字降至215人。

从经济角度看，生物材料是具有高技术附加值、低消耗、低能耗的高技术产业，正逐步成为世界经济的支柱产业。目前，我国生物医用材料在全球的市场份额约为8%，虽然起步较晚，落后于欧盟和美国，但我国在生物材料及医疗器械领域正快速崛起。预计到2030年，我国将位居全球医疗器械市场收入的第2位。

生物材料发展历程

什么是生物材料

生物材料这一概念最早出现在20世纪70年代，最初仅指“与活体结合的人工非生命材料”。1992年，生物材料的定义被扩展为“用于取代或修复活组织的天然或人造材料”。如今，生物材料是指用于与生命系统接触和发生相互作用的，能对机体的细胞、组织和器官进行诊断、治疗、替代、修复、诱导再生或增进其功能的特殊功能材料。从这一定义可以看出，生物材料涉及多学科的交叉渗透，包括材料学、生命科学、病理学、临床医学、药学等。

生物材料的研究内容主要包括四个方面。

第一个方面是原材料的研发。最早的生物材料来源于天然材料，如胶原蛋白和丝素蛋白。随着这些天然材料在临床上的应用，研究人员发现其性能已无法满足复杂的临床需求。因此，人工合成材料应运而生，如聚乙烯、聚丙烯等。随着临床需求的多样化，复合材料也逐渐发展起来。复合材料由两种或两种以上材料复合而成，可以是天然材料与合成材料的结合，也可以是两种天然材料或两种合成材料的组合。

第二个方面是材料的加工。材料的结构往往决定了其性能，而材料的加工和铸造技术决定了其结构。目前，常用的生物材料加工技术包括3D打印技术、冷冻制造技术和静电纺丝技术等。

第三个方面是材料的功能评价。由于生物材料直接应用于人体，安全性是最重要的考量因素。此外，生物材料需要发挥其生物学功效，因此功能评价侧重材料的安全性和有效性。常用的评价模型包括体外细胞模型和体内动物模型（如实验鼠、兔子等）。

第四个方面是临床转化。临床转化是生物材料研究的最终目标，也是其“试金石”。从研发到临床应用，生物材料需要经过一系列复杂的流程，包括临床前研究和多中心临床研究。因此，生物材料的研究具有多学科交叉的特点，体现了医学与工程技术的紧密结合。

通过以上四个方面，我们可以看到，生物材料的研究不仅涉及材料的开发与加工，还涵盖了功能评价和临床应用，是一个复杂而系统的过程。

生物材料的分类

生物材料按照材料学的划分方法，可以分为四类：高分子生物材料、金属生物材料、无机生物材料及复合生物材料。

四类生物材料的特点

第一类是高分子生物材料，也称聚合物生物材料。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，主要用于制造人体的内脏、体外器官、药物剂型以及相关医疗器械等。

应用于临床的高分子生物材料须具备以下特性：良好的生物相容性、化学性质稳定、不易分解；如果可生物降解，其降解产物应无毒副作用；同时还须具备一定的机械性能、良好的加工性能以及较低的成本。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。以聚乳酸为例，医用聚乳酸除了具有合成简便、可规模化生产等特点，还可以生物降解，降解产物是人体可以吸收的乳酸。

第二类是金属生物材料。与高分子材料相比，金属材料具有强度高、韧性好、抗弯曲、抗疲劳以及优异的加工性能等特点。然而，金属材料在体内的生理环境中容易受到腐蚀，导致金属离子溶出，可能引发不可预测的毒副作用。

临床上常用的金属生物材料包括钛合金、镁合金、不锈钢等。以钛合金为例，它具有质量轻、生物相容性好以及强度高等优点，广泛应用于人工关节、颅骨板和种植牙等领域。

第三类是无机非金属材料。它包括生物玻璃、生物陶瓷、生物水泥等。这类材料在体内的主要优点是化学稳定性好、生物相容性高、耐压强度大且易于高温消毒。

常见的无机生物材料有磷酸钙骨水泥（CPC）、磷酸钙陶瓷、氧化铝陶瓷和生物活性玻璃等。以磷酸钙骨水泥为例，它由几种磷酸钙盐通过水化反应形成低结晶度的羟基磷灰石（与人体骨成分相似），具有可塑性、自固化性、可生物降解及促进骨传导等特性，能够与组织界面形成化学键结合，常用于非承重骨的修复。

第四类是复合生物材料，由两种或两种以上不同材料复合而成，目的是进一步提升某一种材料的生物性能。复合材料具有集成性优点，如改善抗疲劳性能、抗生理腐蚀性能、弹性模量、生物适配性和生物活性等。

例如，在金属材料表面涂覆一层磷酸盐涂层，可以增强其与骨骼的整合性，充分发挥复合材料的优异生物学性能。

对比分析几类生物材料的优缺点，可以看出每类生物材料都有其独特的优势和局限性，科学家正在不断改进这些材料，以满足日益复杂的临床需求。

生物材料的应用

生物材料不仅仅是医学领域的工具，它已经悄然渗透到我们生活的方方面面，帮助无数人恢复健康、提升生活质量。接下来，我们通过几类生物材料的典型应用看看它们是如何改变我们的生活的。

第一类是骨科/口腔硬组织修复材料。许多生物材料被广泛应用于骨和口腔等硬组织的修复。什么是硬组织呢？简单来说，硬组织是指经过生物矿化过程形成的组织，比如骨骼和牙齿。这些组织具有较高的强度和硬度，能够支撑和保护身体。常见的应用包括骨缺损的填充修复材料、牙齿种植体以及人工关节等。

例如，当患者因外伤或疾病导致骨缺损时，医生可以使用生物材料制成的骨填充材料来修复缺损，帮助骨骼重新生长。牙齿种植体则通过植入人工牙根，替代缺失的牙齿，帮助患者恢复咀嚼功能。人工关节则用于替代受损的关节，帮助患者恢复行动能力。

第二类是心血管软组织修复材料。心血管疾病是全球范围内的主要健康威胁之一，而生物材料为治疗这些疾病提供了重要的解决方案。

例如，人工血管通常由膨体聚四氟乙烯制成，用于替代因疾病等而受损的血管，恢复血液的正常流动。此外，人工心脏瓣膜和人工心肌补片等软组织修复材料也在临床上得到了广泛应用。人工心脏瓣膜可以替代病变的心脏瓣膜，帮助患者恢复心脏的正常功能；人工心肌补片则用于修复因心肌梗死等原因受损的心肌组织。

第三类是皮肤创面组织修复材料。对于烧伤患者或严重皮肤损伤的患者来说，皮肤创面修复材料是救命的关键。皮肤是人体最大的器官，一旦受损，不仅会带来剧烈的疼痛，还可能导致感染和其他并发症。人工皮肤等材料为创面愈合提供了支撑和保障，帮助患者加速康复，减少感染风险。

例如，对于大面积烧伤患者，医生可以使用人工皮肤覆盖创面，防止水分和热量流失，同时促进新皮肤的再生。这些材料不仅帮助患者度过了最危险的阶段，还为他们的长期康复奠定了基础。

第四类是血液净化和透析材料。血液净化和透析是许多肾病患者的生命线，而这一过程的核心技术依赖于多孔的血液过滤膜。慢性肾病患者由于肾脏功能衰竭，无法有效清除体内的毒素和废物，因此需要依靠透析维持生命。这种过滤膜材料能够有效清除血液中的毒素和废物，帮助患者维持生命。

例如，血液透析机通过过滤膜将患者的血液与透析液进行交换，去除血液中的有害物质，同时补充必要的电解质和营养物质。这些材料不仅延长了患者的生命，还显著提高了他们的生活质量。

第五类是药物缓释和控释材料。你是否注意到，有些药物可以缓慢释放，效果持久。这要归功于药物缓释和控释材料。传统的药物服用方式往往会导致药物在体内的浓度波动，影响疗效并可能产生副作用。而药物缓释和控释材料作为药物的载体，能够控制药物的释放速度和位置，确保药物在体内达到最佳效果。

例如，一些治疗慢性疾病的药物通过缓释技术，可以在体内持续释放，保持稳定的血药浓度，从而减少服药次数，提高患者的依从性。这些材料不仅提高了药物的疗效，还减少了副作用，为患者提供了更加安全和便捷的治疗方案。

第六类是整形外科材料。随着医美行业的快速发展，整形外科材料也越来越受到关注。无论是为了修复先天缺陷、外伤损伤，还是为了追求美丽与年轻，整形外科材料都在其中扮演着重要角色。

早期的材料如透明质酸，因其良好的生物相容性和可吸收性，常用于面部填充，帮助改善面部轮廓，填补皱纹和凹陷部位，使面部线条更加流畅自然。

近年来，随着科技的进步，新型材料如聚乳酸和聚己内酯再生微球逐渐成为热门选择。这些材料通过刺激人体免疫反应，促进胶原蛋白的再生，从而改善皮肤质地，提升面部紧致度，效果更加持久和自然。

最近，羟基磷灰石微球也逐渐流行起来，它通过力学刺激促进胶原再生，且不会引发免疫反应，避免了传统材料可能带来的过敏或排异问题，成为医美领域的新宠。

这些材料帮助人们实现了外貌上的改善，提升了自信心和生活质量，成为现代医美行业中不可或缺的一部分。

未来展望

生物材料在过去几十年里经历了飞速发展，而它的未来同样充满希望，将继续大步向前迈进。生物材料的未来发展方向可以概括为四个关键词：多功能化、智能化、个性化和集成化。

多功能化

未来的生物材料将不仅仅是单一功能的修复工具，而是具备多种功能的“全能选手”。

通过仿生设计和材料结构的优化，科学家正在开发能够同时实现多种生物学效应的活性材料。例如，这些材料具有捕捉活性因子、招募干细胞、调控免疫细胞等能力。这种多功能材料能够满足复杂组织的修复需求，为患者提供更全面的治疗方案。比如，一种材料不仅可以修复受损的骨骼，还能促进血管和神经的再生，加速愈合过程。这种多功能化的趋势将使生物材料在医学领域的应用更加广泛和高效。

智能化

智能生物材料是未来的另一大趋势。

这类材料能够感知外界的各种刺激，如力、热、光、电等物理信号，或者人体内的pH值、血糖、酶活性等生化变化，并做出相应的反应。通过与组织和细胞的动态互动，智能材料可以主动调控细胞行为，影响生命的进程。

此外，人工智能（AI）的引入也将彻底改变生物材料的设计方式。传统材料设计往往需要大量试验和试错，成本高、耗时长，而AI可以通过大数据分析和模拟，快速预测材料性能，设计出更可靠、更高效的材料，大大缩短研发周期，降低成本。在可见的未来，AI将推动生物材料技术的快速发展。

个性化

每个人的身体结构都是独一无二的，因此未来的生物材料将朝着个性化方向发展。

通过3D打印等技术，科学家可以根据患者的具体需求，定制出完全匹配的生物材料。例如，对于面部骨缺损的患者，3D打印技术可以精确复制骨骼的复杂结构，实现个性化的修复。这种个性化治疗方案不仅提高了治疗效果，还推动了传统医疗模式的变革。未来，随着技术的进步，个性化材料甚至可能实现所有器官的替代，真正实现“量身定制”的医疗。比如，患者可以通过3D打印技术获得完全匹配的心脏瓣膜，从而大大提高手术的成功率和患者的康复速度。

集成化

未来的生物材料不仅仅是修复工具，还将集成监测和诊断功能。

通过材料的生物活性和智能响应特性，这些材料可以实时监测健康状况，并根据环境变化调整自身功能。例如，生物活性材料可以制成细胞内外的生物传感器，或者用于监测皮肤菌群的贴片。这种集成化材料将推动生物材料与其他领域的融合，比如柔性可穿戴设备促进了生物材料与电子工程、传感器技术、生物医学工程、数据科学、人机交互等领域的深度融合。

未来，这些设备将在临床上广泛应用，帮助患者更好地管理慢性疾病。例如，集成化的生物材料贴片可以实时监测糖尿病患者的血糖水平，并在必要时自动释放胰岛素，帮助患者更好地控制病情。

生物材料的未来充满无限可能。无论是多功能化、智能化、个性化还是集成化，这些发展方向都将为人类健康带来革命性的改变。通过不断突破和创新，生物材料将继续为我们的生活带来更多惊喜，帮助我们更好地应对健康挑战。

目前，生物材料及相关医疗器械产业正处于蓬勃发展的阶段，堪称“井喷式增长”的前夜。回顾过去几年，一批新型国产生物材料与制品已成功进入产业化和临床应用阶段，形成了多个具有技术优势的产业群。展望未来，到 2030 年，我国将基本建成完整的生物材料研发与产业体系，高端生物材料及相关医疗器械的国产化率将超过 50% ，我国也将成为全球生物材料的重要供应地，为人类健康事业贡献更多 “ 中国力量 ” 。

-本文刊载于《世界科学》杂志2026年第5期“大家·科技前沿”栏目；文章根据笔者在上海市科学技术普及志愿者协会主办的“海上科普讲坛”上的报告撰写而成-

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