3D打印和新材料

新材料是指新近发展的或正在研发的、性能超群的一些材料,具有比传统材料更为优异的性能。应用于医疗器械中正在研发、性能超群的材料,比传统材料拥有更优异的性能。

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巧夺天工——那些取代人体器官的生物医用新材料

来源:生物谷 2017-09-08 18:16

生物医用材料赋予了材料全新的功能——对生物体进行诊断、治疗、修复,其选材领域广泛、组织结构多变,能够有效地满足临床个性化与多样性需求。它的发展综合体现了材料学、生物学、医学等多领域交叉科学与工程技术水平,同时也是生物技术和生物医学工程的重要基础。生物医用材料的分类较多,可以从材料特性、使用范围等不同角度进行分类。生物医用材料按照用途进行分类可分为骨、牙、关节、肌腱等骨骼-肌肉系统修复材料,皮肤、乳房、食道、膀胱和呼吸道等软组织材料,人工心脏瓣膜、血管、血管内插管等心血管系统材料,血液净化膜和分离膜、气体选择性透过膜、角膜接触镜等医用膜材料、组织粘合剂和缝线材料,药物释放载体材料,临床及生物传感器材料等。从材料研究角度进行分类,主要包括高分子材料(含聚合物基复合材料)、金属、陶瓷(包括碳、陶瓷和玻璃)、天然材料(包括动植物材料)。



于当代材料科学与技术、细胞生物学和分子生物学的进展,加之现代医学的进展和临床巨大需求的驱动,当代生物材料科学正在飞速发展。目前前沿领域主要集中表现在 :具有诱导组织再生生物功能的新型医用材料及植入器械 ;新型植入人体内材料及器械 ;生物活性物质传递系统的载体材料及器械 ;医学分子诊断及生物分离系统的材料及器械 ;纳米生物医用材料与器械及软纳米技术等。

针对生物医用材料前沿领域中不同方向的需求,涌现出一批具有代表性的生物医用材料:


组织工程是指构建一个生物装置,来维护、增进人体细胞和组织的生长,以恢复受损组织或器官的功能。它的主要任务是实现受损组织或器官的修复和再建,延长寿命和提高健康水乎。生物医用材料为细胞的增长繁殖提供三维空间和营养代谢环境;随着材料的降解和细胞的繁殖,形成新的具有与自身功能和形态相应的组织或器官;这种具有生命力的活体组织或器官能对病损组织或器宫进行结构、形态和功能的重建,可以用于人体神经、心肌的修复,骨骼、牙齿的重塑,皮肤的再生。

生物医用纳米材料

纳米生物材料,在医学上主要用作药物控释材料及基因治疗载体材料。目前,高分子纳米材料和脂质体是基因治疗的理想载体,它具有承载容量大,安全性高的特点。基因治疗可以对缺损的或致病的基因进行修复;或导入具有治疗癌症功能的蛋白质基因,也可以导人能阻止体内致病基因合成蛋白质的基因片断来阻止致病基因发生作用。同时纳米生物材料可以实现药物控释,药物通过生物材料以恒定速度、靶向定位或智能释放的过程,提高药物的治疗效果和减少其用量和毒副作用。

生物医用纳米材料在分析与检测技术、纳米复合医用材料、输送抗原或疫苗等方面也有良好的应用前景。纳米生物活性仿生医用复合材料可以模拟人体组织成分、结构与力学性能等。纳米高分子材料粒子可以用于某些疑难病的介入诊断和治疗,通过纳米技术使介入性诊断和治疗向微型、微量、微创或无创、快速、功能性和智能性的方向发展。

活性生物医用材料

活性生物医用材料是一类能在材料界面上引发特殊生物反应的材料,生物活性材料具有的这些特殊的生物学性质,有利于人体组织的修复,是生物医用材料研究和发展的一个重要方向。

生物医用金属材料

金属生物材料发展相对比较缓慢,但由于金属材料具有其他材料不能比拟的高机械强度和优良的抗疲劳性能,目前仍是临床上应用最广泛的承力植入物。目前的研究热点在镍钛合金和新型生物医用钛合金两个方向。

介入治疗材料

介入治疗是指在医学影像技术引导下,用穿刺针、导丝、导管等精密器械进入病变部位进行治疗。介入治疗能以微小的创伤获得与外科手术相同或更好的治疗效果。介入治疗材料可以用于心血管、晚期恶性肿瘤引起的胆道狭窄、晚期气管、支气管或纵隔肿瘤引起的呼吸困难、支气管良性狭窄、血管闭塞等疾病的治疗。

血液净化材料

血液净化材料重在应用采用滤过沉淀或吸附的原理,将体内内源性或外源性毒物(致病物质)专一性或高选择性地去除,从而达到治病的目的,是治疗各种疑难病症的有效疗法。尿毒症、各种药物中毒、免疫性疾病(系统性红斑狼疮、类风湿性关节炎)、高脂血症等,都可采用血液净化疗法治疗。

复合生物医用材料

作为硬组织修复材料的主体,复合生物医用材料受到广泛重视。它具有强度高、韧性好的特点,通过具有不同性能材料的复合,可以达到"取长补短"的效果,有效解决材料的强度、韧性及生物相容性问题,是生物医用材料新品种开发的有效手段。根据使用方式的不同研究较多的是:合金、碳纤维/高分子材料、无机材料(生物陶瓷、生物活性玻璃)/高分子材料的复合研究。

口腔材料

口腔材料学是口腔医学与材料学之间的界面学科,其品种及分类方法很多,可以分为口腔有机高分子材料、口腔无机非金属材料、口腔金属材料、口腔辅助材料,也可分为烤瓷材料、种植材料、充填材料、粘结材料、印模材料、耐火包埋材料等。

生物医用材料主要是用于膜引导组织再生技术、牙周外科治疗和即刻植入修复。口腔材料中的生物化仿生材料仍在研究和探讨。牙科陶瓷技术正在沿着克服材料的脆性,精确测定牙的颜色并提供组成、性能稳定的陶瓷材料的方向发展。

长期以来,人们一直希望致力于研究能够使损伤、病变组织或器官完美重现和再生的材料和装置。随着生物技术、医药技术、信息技术、制造技术、纳米技术和材料科学技术的迅猛发展与交互融合,新型和新概念生物医用材料层出不穷,譬如 3D 打印技术的出现。

3D打印令人让人着迷的地方在于,3D 打印技术能够根据患者需求,实现患者对生物高分子材料的快速而又精确的个性化定制。特别是对于全器官和大型组织的构建,其所采用的细胞逐层累积方法使得支架的构建以及细胞和生物材料的置入具有了高度的可控性、精确性和高效性。未来,3D打印技术将可用于个性化治疗,降低治疗成本,例如3D打印技术可以打印出具有生物活性的人体器官、制作组织器官代替品、定制移植物和假体,包括骨骼、牙齿、关节、人造肝脏、人造血管等。3D打印技术也可以用于脸部修饰与美容,利用 3D 打印技术制作脸部损伤组织,如耳、鼻、皮肤等,可以得到与患者精确匹配的相应组织,为患者重新塑造头部完整形象,达到美观效果。此外,还可以通过3D打印技术快速建造医学模型,制作医学道具、器官模型、医学用品。在药物研发、释放和剂型方面,3D打印使个体化药物治疗成为可能,打印更多新颖的剂型,例如抗生素打印微图、介孔生物玻璃支架、纳米混悬剂、多层药物释放装置,设计出具有多重药物释放曲线的新型药物。


3D打印技术在医学领域中已经有了较为良好开端,并具有广泛的应用前景。随着3D打印技术的不断研发完善,随着材料技术、信息技术、控制技术的不断优化与提升, 3D 打印技术会日益完善与成熟,在医学领域给更多的患者带来希望。

欲知更多关于生物医用新材料的更精彩更前沿的动态?

2017年10月12-13日,由生物谷主办的“生物医用新材料暨组织修复与再生产业论坛”将在上海举行,本次论坛大咖云集,我们邀请到了北京大学,中国药品生物制品检定所医疗器械质量监督检验中心奚廷斐主任、南开大学生物化学和分子生物学系孔德领教授、中国科学技术大学化学与材料科学学院俞书宏教授、中国科学院金属研究所杨柯研究员等多位从事生物材料研究、开发、生产、应用和管理的专家学者,届时将会有更多位专家发表精彩的演讲。




参考文献:

[1]董亮,何星. 生物医用材料的研究进展及发展前景[J]. 世界复合医学,2015,1(04):340-342.

[2]李军男.生物医用材料前沿领域研究现状及发展[J].新材料产业,2016,(2):6-11.

[3]王红,韩芳芳,胡海龙等.生物医用高分子材料在3D打印技术方面的研究进展[J].中国医疗器械信息,2017,23(3):22-24,43.

[4]周启荣,陈晓,苏佳灿等.3D打印技术及其在生物材料领域应用研究进展[J].世界复合医学,2016,2(1):1-7.
(生物谷Bioon.com) 
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