生物医用材料已成为各国科学家进行研究和开发的热点

前言

生物医用材料是研究人工器官和医疗器械的基础，目前，已成为材料科学的重要分支。尤其是随着生物技术的蓬勃发展和重大突破，生物医用材料已成为各国科学家进行研究和开发的热点。现在，生物医用材料科学已成为一门与人类现代医疗保健系统密切相关的边缘学科。其重要性不仅因为它与人类自身密切相关，还因为它跨越了材料、医学、物理、生物化学和现代高科技等诸多学科领域。现今对于生物医用材料的研究已从被动地适应生物环境发展到有目的地设计材料，以达到与生物组织的有机连接。

一

生物医用材料行业概述

1、生物医用材料定义及用途

生物医用材料（BiomedicalMaterials），又称生物材料（Biomaterials），是一类用于诊断、治疗或替换人体组织、器官或增进其功能的新型高技术材料，是材料科学技术中的一个正在发展的新领域，不仅技术含量和经济价值高，而且与患者生命和健康密切相关。生物医用材料是研究人工器官和医疗器械的基础，属于医疗器械范畴，是在材料科学、材料化学、材料物理学等领域和生物学、医学、药学等学科之间形成的交叉性边缘学科，具有知识、技术密集和多学科交叉的特点，已成为当代材料学科的重要分支，尤其是随着生物技术的蓬勃发展和重大突破，生物医用材料已成为各国科学家竞相进行研究和开发的热点。

生物医用材料的用途主要有三种：一是替代损害的器官和组织，如人造心脏瓣膜、假牙和人工血管等；二是改善和恢复器官的功能，如隐形眼镜、心脏起搏器等；三是在辅助治疗过程，如介入性治疗血管支架、用于血液透析的薄膜、药物载体与控释材料等。

2、生物医用材料分类

按照材料的性质不同，生物医用材料可以分为金属材料、高分子材料、医用陶瓷、复合材料、生物衍生材料等。

图表 1 生物医用材料按材料性质分类

 

种类	主要代表材料	应用领域
金属材料	不锈钢、贵金属、钴基合金、钛基合金、形状记忆合金以及钽、铌、锆等单位金属。	主要用于骨和牙等硬组织的修复和替换，心血管和软组织的修复以及人工器官制造中的结构元件。
高分子材料	天然高分子材料	纤维素、藻酸钠、淀粉、胶原、黏多糖、肝素及透明质酸、脱氧核糖核酸。	主要应用于内置的人工骨和关节、心脏、心脏瓣膜、食道、胆管、血管、尿道等组织和器官的修复或置换，外置的人工心肺机、肾、肝、脾、假肢、假齿、假眼等。
人工合成高分子材料	硅橡胶（SR）、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚四氟乙烯（PTFE）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），聚氯乙烯（PVC）、乳酸和乙醇酸的共聚物（PLGA）和尼龙，聚甲基丙酸羟乙酯（PHEMA），聚乙二醇（PEG或PEO）等。	主要用于骨水泥、镜片、人工髋关节、假肢及假肢关节、缝合线、导管及其他导流管、人造血管、人工肺、组织修复、药物缓释与控释载体、牙科填充材料等。
医用陶瓷	陶瓷、玻璃和碳素等，主要成分是氧化铝、生物碳、生物玻璃、羟基磷灰石、磷酸钙陶瓷等。	主要用于骨和牙齿、承重关节等硬组织的修复和替换以及药物释放载体，生物碳还可以用作血液接触材料，如人工心脏瓣膜等。
复合材料	金属基、陶瓷基和高分子基复合材料，如碳纤维、聚合物纤维、陶瓷和玻璃等。	主要用于修复或替换人体软组、硬组织和器官或增进其功能以及人工器官的制造。
生物衍生材料	天然生物组织如胶原、氨基匍聚糖、纤维蛋白凝胶、透明质酸、几丁质及脱细胞处理后的天然细胞外基质等。	主要用于人工瓣膜、皮肤、血管修复体、骨修复体、软膜修复体、鼻软骨种植体、血液透析膜等。

资料来源：赛瑞研究

按临床用途，生物医用材料可分为骨科材料，心脑血管系统修复材料，皮肤掩膜、医用导管、组织粘合剂、血液净化及吸附等医用耗材，软组织修复及整形外科材料，牙科修复材料，植入式微电子有源器械，生物传感器、生物及细胞芯片以及分子影像剂等临床诊断材料，药物控释载体及系统等。

3、生物医用材料产业链

生物医用材料行业是植入性医疗器械的核心上游环节。从产业链角度来看，生物医用材料上游领域包括金属、陶瓷、高分子聚合物、动物活性组织等生产厂商，下游为植入性医疗器械，其应用领域主要在临床和美容院。生物医学材料作为植入医疗器械的上游，也是植入医疗器械的主要构成部分。在国内诊断、治疗和手术费用占比提升的政策导向下，国内植入性医疗器械产业发展态势良好。伴随植入性医疗器械产业的发展，我国现代生物医用材料产业已初具雏形，并进入高速发展阶段。

图表 2 生物医用材料产业链导图

资料来源：赛瑞研究

二

生物医用行业发展概述

1、行业发展历程

（1）惰性生物材料——无害阶段

惰性生物材料是指对人体组织有化学惰性，其物理机械和功能特性与组织匹配，使材料在应用过程中不致产生不利于功能发挥和对其它组织影响的反应，特别是与组织接触或短（长）时间不产生炎症或凝血现象，无急性毒性或刺激反应，一般无补体激活产生的免疫反应的一类功能材料。这类材料的应用基于对材料本身性能的全面了解，是人类最早、最广泛应用的生物材料。

目前，惰性生物材料主要品种有金属材料、非金属材料、有机高分子材料以及复合材料。随着医学水平的提高以及人们生活质量的改善，惰性生物材料的应用会向更高层次生物化或组织工程化生物材料过渡。但就目前商品化和普及应用水平看，尤其是医学的目的从治病救人转轨到预防保健过程中，需要大量常用人工器官和生物材料为主体的医疗器械，使惰性生物材料在相当长时间内占统治地位。

（2）生物材料的生物化——有益阶段

随着材料科学、医学的发展，以及先进仪器设备的发明，带动了生物材料的发展。集中表现在发现新型生物材料，以及更多关注惰性生物材料所制成的人工器官和医疗器械在使用过程中与组织或血液产生的界面反应。

新型生物材料有代表性的成果是20世纪70年代发现的钙磷系玻璃陶瓷，如羟基磷灰石、β-磷酸三钙、珊瑚等。这类材料具有与人体骨组织的无机成分有类似的化学组成，材料抗压、抗折强度与人骨接近，植入后与组织亲和性良好，同时有降解作用，并诱导成骨细胞（加诱导因子如BMP）的长入，使植入组织骨化，一段时间后植入组织转化为正常组织等特点，即材料在使用过程中逐渐生物化。

（3）组织工程支架材料——真正的生物材料阶段

材料生物化毕竟不能改变材料的基本结构，这为材料的长期使用留下隐患；同时，器官（尤其是组织）是一个复杂的系统，不可能用单一无活性的材料来模仿其全部或大部分功能。如何在体外培养出正常的组织供手术使用，是医学界和生物医学工程学界追求的目标之一。组织工程的出现和发展为这一目标的实现提供了可能。

组织工程的关键是构建细胞和生物材料的三维空间复合体，该结构是细胞获取营养、气体交换、废物排泄和生长代谢的场所，是新的具有形态和功能的组织、器官的基础。生物材料在组织工程中占据非常重要的地位，同时组织工程也为生物材料提供了新的发展方向。

2、生物医用材料市场发展现状

随着社会经济的发展，生活水平的提高，以及人口老龄化、新技术的注入，生物医用材料产业正以约20%的年增长率持续增长，正在成长为世界经济的支柱性产业。发展生物医用材料科学与产业不仅是社会、经济发展的迫切需求，而且对国防事业以及国家安全也具有重要意义。

我国生物医用材料研制和生产迅速发展，并初具规模，现已经成为一个新兴产业，其总产值的增长远高于同期国民经济平均增速。目前，我国生物医用材料在临床应用中主要用作植入医疗器械，其产品约占医疗器械市场的4-5成。据统计数据显示，2010年我国生物医用材料市场规模约670亿元，发展到2016年增长至1,730亿元左右，增长了158.21%；近几年增速呈加快趋势，目前年增长已达20%左右，保守估计至2020年，我国生物医用材料市场规模可达4,000亿元左右。

图表 3 2010-2016年我国生物医用材料市场规模增长趋势

资料来源：赛瑞研究

3、生物医用材料产业发展趋势

技术创新化、产品高端化、产业融合化、区域集群化和布局国际化是生物医用材料产业的发展大趋势。

图表 4 生物医用材料行业发展趋势

资料来源：新材料在线

当前行业大趋势发展中，生物医用材料重点发展的产品或核心技术主要有：

（1）组织诱导性生物医用材料以及赋予材料诱导组织再生的设计和工程化制备技术

组织诱导性生物材料是在中国科学家原创性理论基础上发展出的新一代生物医用材料。目前诱导骨形成的人工骨已在中国取证上市，美国等正在新建企业投入生产。进一步的发展集中于软骨、皮肤、肌腱、神经等非骨组织诱导性材料的设计及其制备工艺，预计5-10 年内将陆续上市。

（2）组织工程化产品

当前最有希望突破的是骨、软骨、肌腱、角膜、神经等组织工程化制品及组织工程化人工肝和肾。优选支架材料并优化其制备工艺，干细胞和成体细胞的提取和体外传代、增殖、模拟生物环境的体外细胞培养，以及生长因子的提取及生物衍生材料免疫原性消除和防钙化技术是其发展的关键核心技术。

（3）材料表面改性

材料表面改性以及表面改性植入器械的设计和制备的工程化技术，包括增进骨、牙等植入器械表面生物活性的表面生物活化技术；增进血液接触材料和器械的表面抗凝血及防组织增生改性技术；赋予表面抗菌、抗磨损、选择性固定生物分子等的表面功能化技术等，以及植入器械形态结构设计系统及软件开发等。

（4）微创或无创治疗的介/植入治疗器械和辅助器械

血管支架、介/植入治疗辅助器械等。关键技术是可降解材料研发，植入器械的精密和微加工，以及表面抗凝血和防组织增生的改性等技术。

（5）纳米生物医用材料、植入器械和软纳米技术（包括纳米涂层）

纳米生物医用材料制备技术及其生物学效应，包括生物学风险试验和评价，是研究和发展的重点。人体自身形成的具有纳米结构的组织并未表现出生物学风险，因此模拟生理条件下人体组织形成的纳米生物材料装配和合成技术，即软纳米技术，是发展纳米生物医用材料的关键技术。纳米羟基磷灰石—聚合物复合人工骨已在我国取证上市。

（6）计算机辅助仿生设计及3D 打印的生物制造及设备

包括精密加工及自动化生产技术、个性化植入器械的制备技术、组织工程化仿生活体器械的快速成型和制备技术等。

此外，生物医用材料和植入器械的封装、灭菌、消毒和储存技术，可生物降解和吸收的医用材料技术等亦是当前发展的关键技术。

4、生物医用材料行业竞争格局

市场方面，全球的生物医疗器械及材料相关产业的消费市场以北美为最大，欧盟次之，亚洲第三。产业竞争方面，生物医用材料产业主要由发达国家高度垄断，全球70%以上的市场份额由排名前30的公司占领，国外生物医用材料企业龙头以跨国企业为主，具有适应国际化的生产和销售形式，欧盟主要跨国公司以德国贝朗医疗（B.Braun）、德国拜耳公司（Bayer）等为代表；美国以强生公司（Johnson&Johnson）、美敦力公司（Medtronic）、雅培公司（Abbott）、英斯特朗、Ceramtec、泰科纳（Ticona）、冶联科技集团、CRS、安捷伦科技等为代表。研发方面，由于生物医用材料具有产品附加值高、技术更新周期短、技术竞争激烈等特点，发达国家企业在相关的科研投入量一直占比很大，且持续增长。此外，国外众多名校亦参与到生物材料的研发，如著名的斯坦福大学、哈佛大学、麻省理工学院、加州大学伯克利分校、加州理工学院、约翰霍普金斯大学、普林斯顿大学、加州大学旧金山分校、耶鲁大学、康乃尔大学、圣路易斯华盛顿大学、杜克大学、芝加哥大学等美国顶尖院校，英国剑桥大学、牛津大学等在生物工程研究方面全球排名靠前。

中国生物医用材料产业的发展相对落后，科技成果转化能力比较低，产业技术创新能力不强，技术高端产品多数依赖进口。但是，随着国家重视程度不断提升以及居民健康意识的逐渐提高，中国生物医用材料产业的发展突飞猛进，近些年已涌现一大批具备竞争力的优秀企业。目前来看，中国已经形成了长三角、珠三角和京津环渤海湾三大医疗器械产业聚集区。其中珠三角以研发生产综合性高技术医疗器械为主，包括有源植入性微电子器械、动物源生物材料和人工器官等；长三角主要生产开发以出口为导向的中小型医疗器械，特别是骨科器械和牙科器械等；环渤海湾地区主要从事高技术数字化医疗器械的研发生产，在医用高分子耗材、医用金属及植入器械等方面具有优势。此外成都—重庆地区是新兴的产业集聚区，在组织诱导性材料、表面改性植入器械以及采血、储血（液）和输血器械方面具有优势。