生物醫(yī)用材料已成為各國(guó)科學(xué)家進(jìn)行研究和開發(fā)的熱點(diǎn)

前言

生物醫(yī)用材料是研究人工器官和醫(yī)療器械的基礎(chǔ)，目前，已成為材料科學(xué)的重要分支。尤其是隨著生物技術(shù)的蓬勃發(fā)展和重大突破，生物醫(yī)用材料已成為各國(guó)科學(xué)家進(jìn)行研究和開發(fā)的熱點(diǎn)。現(xiàn)在，生物醫(yī)用材料科學(xué)已成為一門與人類現(xiàn)代醫(yī)療保健系統(tǒng)密切相關(guān)的邊緣學(xué)科。其重要性不僅因?yàn)樗c人類自身密切相關(guān)，還因?yàn)樗缭搅瞬牧稀⑨t(yī)學(xué)、物理、生物化學(xué)和現(xiàn)代高科技等諸多學(xué)科領(lǐng)域。現(xiàn)今對(duì)于生物醫(yī)用材料的研究已從被動(dòng)地適應(yīng)生物環(huán)境發(fā)展到有目的地設(shè)計(jì)材料，以達(dá)到與生物組織的有機(jī)連接。

一

生物醫(yī)用材料行業(yè)概述

1、生物醫(yī)用材料定義及用途

生物醫(yī)用材料（BiomedicalMaterials），又稱生物材料（Biomaterials），是一類用于診斷、治療或替換人體組織、器官或增進(jìn)其功能的新型高技術(shù)材料，是材料科學(xué)技術(shù)中的一個(gè)正在發(fā)展的新領(lǐng)域，不僅技術(shù)含量和經(jīng)濟(jì)價(jià)值高，而且與患者生命和健康密切相關(guān)。生物醫(yī)用材料是研究人工器官和醫(yī)療器械的基礎(chǔ)，屬于醫(yī)療器械范疇，是在材料科學(xué)、材料化學(xué)、材料物理學(xué)等領(lǐng)域和生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、藥學(xué)等學(xué)科之間形成的交叉性邊緣學(xué)科，具有知識(shí)、技術(shù)密集和多學(xué)科交叉的特點(diǎn)，已成為當(dāng)代材料學(xué)科的重要分支，尤其是隨著生物技術(shù)的蓬勃發(fā)展和重大突破，生物醫(yī)用材料已成為各國(guó)科學(xué)家競(jìng)相進(jìn)行研究和開發(fā)的熱點(diǎn)。

生物醫(yī)用材料的用途主要有三種：一是替代損害的器官和組織，如人造心臟瓣膜、假牙和人工血管等；二是改善和恢復(fù)器官的功能，如隱形眼鏡、心臟起搏器等；三是在輔助治療過(guò)程，如介入性治療血管支架、用于血液透析的薄膜、藥物載體與控釋材料等。

2、生物醫(yī)用材料分類

按照材料的性質(zhì)不同，生物醫(yī)用材料可以分為金屬材料、高分子材料、醫(yī)用陶瓷、復(fù)合材料、生物衍生材料等。

圖表 1 生物醫(yī)用材料按材料性質(zhì)分類

資料來(lái)源：賽瑞研究

按臨床用途，生物醫(yī)用材料可分為骨科材料，心腦血管系統(tǒng)修復(fù)材料，皮膚掩膜、醫(yī)用導(dǎo)管、組織粘合劑、血液凈化及吸附等醫(yī)用耗材，軟組織修復(fù)及整形外科材料，牙科修復(fù)材料，植入式微電子有源器械，生物傳感器、生物及細(xì)胞芯片以及分子影像劑等臨床診斷材料，藥物控釋載體及系統(tǒng)等。

3、生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)鏈

生物醫(yī)用材料行業(yè)是植入性醫(yī)療器械的核心上游環(huán)節(jié)。從產(chǎn)業(yè)鏈角度來(lái)看，生物醫(yī)用材料上游領(lǐng)域包括金屬、陶瓷、高分子聚合物、動(dòng)物活性組織等生產(chǎn)廠商，下游為植入性醫(yī)療器械，其應(yīng)用領(lǐng)域主要在臨床和美容院。生物醫(yī)學(xué)材料作為植入醫(yī)療器械的上游，也是植入醫(yī)療器械的主要構(gòu)成部分。在國(guó)內(nèi)診斷、治療和手術(shù)費(fèi)用占比提升的政策導(dǎo)向下，國(guó)內(nèi)植入性醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)良好。伴隨植入性醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，我國(guó)現(xiàn)代生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)已初具雛形，并進(jìn)入高速發(fā)展階段。

圖表 2 生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)鏈導(dǎo)圖

資料來(lái)源：賽瑞研究

二

生物醫(yī)用行業(yè)發(fā)展概述

1、行業(yè)發(fā)展歷程

（1）惰性生物材料——無(wú)害階段

惰性生物材料是指對(duì)人體組織有化學(xué)惰性，其物理機(jī)械和功能特性與組織匹配，使材料在應(yīng)用過(guò)程中不致產(chǎn)生不利于功能發(fā)揮和對(duì)其它組織影響的反應(yīng)，特別是與組織接觸或短（長(zhǎng)）時(shí)間不產(chǎn)生炎癥或凝血現(xiàn)象，無(wú)急性毒性或刺激反應(yīng)，一般無(wú)補(bǔ)體激活產(chǎn)生的免疫反應(yīng)的一類功能材料。這類材料的應(yīng)用基于對(duì)材料本身性能的全面了解，是人類最早、最廣泛應(yīng)用的生物材料。

目前，惰性生物材料主要品種有金屬材料、非金屬材料、有機(jī)高分子材料以及復(fù)合材料。隨著醫(yī)學(xué)水平的提高以及人們生活質(zhì)量的改善，惰性生物材料的應(yīng)用會(huì)向更高層次生物化或組織工程化生物材料過(guò)渡。但就目前商品化和普及應(yīng)用水平看，尤其是醫(yī)學(xué)的目的從治病救人轉(zhuǎn)軌到預(yù)防保健過(guò)程中，需要大量常用人工器官和生物材料為主體的醫(yī)療器械，使惰性生物材料在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)占統(tǒng)治地位。

（2）生物材料的生物化——有益階段

隨著材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)的發(fā)展，以及先進(jìn)儀器設(shè)備的發(fā)明，帶動(dòng)了生物材料的發(fā)展。集中表現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)新型生物材料，以及更多關(guān)注惰性生物材料所制成的人工器官和醫(yī)療器械在使用過(guò)程中與組織或血液產(chǎn)生的界面反應(yīng)。

新型生物材料有代表性的成果是20世紀(jì)70年代發(fā)現(xiàn)的鈣磷系玻璃陶瓷，如羥基磷灰石、β-磷酸三鈣、珊瑚等。這類材料具有與人體骨組織的無(wú)機(jī)成分有類似的化學(xué)組成，材料抗壓、抗折強(qiáng)度與人骨接近，植入后與組織親和性良好，同時(shí)有降解作用，并誘導(dǎo)成骨細(xì)胞（加誘導(dǎo)因子如BMP）的長(zhǎng)入，使植入組織骨化，一段時(shí)間后植入組織轉(zhuǎn)化為正常組織等特點(diǎn)，即材料在使用過(guò)程中逐漸生物化。

（3）組織工程支架材料——真正的生物材料階段

材料生物化畢竟不能改變材料的基本結(jié)構(gòu)，這為材料的長(zhǎng)期使用留下隱患；同時(shí)，器官（尤其是組織）是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，不可能用單一無(wú)活性的材料來(lái)模仿其全部或大部分功能。如何在體外培養(yǎng)出正常的組織供手術(shù)使用，是醫(yī)學(xué)界和生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)界追求的目標(biāo)之一。組織工程的出現(xiàn)和發(fā)展為這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了可能。

組織工程的關(guān)鍵是構(gòu)建細(xì)胞和生物材料的三維空間復(fù)合體，該結(jié)構(gòu)是細(xì)胞獲取營(yíng)養(yǎng)、氣體交換、廢物排泄和生長(zhǎng)代謝的場(chǎng)所，是新的具有形態(tài)和功能的組織、器官的基礎(chǔ)。生物材料在組織工程中占據(jù)非常重要的地位，同時(shí)組織工程也為生物材料提供了新的發(fā)展方向。

2、生物醫(yī)用材料市場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，生活水平的提高，以及人口老齡化、新技術(shù)的注入，生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)正以約20%的年增長(zhǎng)率持續(xù)增長(zhǎng)，正在成長(zhǎng)為世界經(jīng)濟(jì)的支柱性產(chǎn)業(yè)。發(fā)展生物醫(yī)用材料科學(xué)與產(chǎn)業(yè)不僅是社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的迫切需求，而且對(duì)國(guó)防事業(yè)以及國(guó)家安全也具有重要意義。

我國(guó)生物醫(yī)用材料研制和生產(chǎn)迅速發(fā)展，并初具規(guī)模，現(xiàn)已經(jīng)成為一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)，其總產(chǎn)值的增長(zhǎng)遠(yuǎn)高于同期國(guó)民經(jīng)濟(jì)平均增速。目前，我國(guó)生物醫(yī)用材料在臨床應(yīng)用中主要用作植入醫(yī)療器械，其產(chǎn)品約占醫(yī)療器械市場(chǎng)的4-5成。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2010年我國(guó)生物醫(yī)用材料市場(chǎng)規(guī)模約670億元，發(fā)展到2016年增長(zhǎng)至1,730億元左右，增長(zhǎng)了158.21%；近幾年增速呈加快趨勢(shì)，目前年增長(zhǎng)已達(dá)20%左右，保守估計(jì)至2020年，我國(guó)生物醫(yī)用材料市場(chǎng)規(guī)?？蛇_(dá)4,000億元左右。

圖表 3 2010-2016年我國(guó)生物醫(yī)用材料市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)趨勢(shì)

資料來(lái)源：賽瑞研究

3、生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)

技術(shù)創(chuàng)新化、產(chǎn)品高端化、產(chǎn)業(yè)融合化、區(qū)域集群化和布局國(guó)際化是生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展大趨勢(shì)。

圖表 4 生物醫(yī)用材料行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)

資料來(lái)源：新材料在線

當(dāng)前行業(yè)大趨勢(shì)發(fā)展中，生物醫(yī)用材料重點(diǎn)發(fā)展的產(chǎn)品或核心技術(shù)主要有：

（1）組織誘導(dǎo)性生物醫(yī)用材料以及賦予材料誘導(dǎo)組織再生的設(shè)計(jì)和工程化制備技術(shù)

組織誘導(dǎo)性生物材料是在中國(guó)科學(xué)家原創(chuàng)性理論基礎(chǔ)上發(fā)展出的新一代生物醫(yī)用材料。目前誘導(dǎo)骨形成的人工骨已在中國(guó)取證上市，美國(guó)等正在新建企業(yè)投入生產(chǎn)。進(jìn)一步的發(fā)展集中于軟骨、皮膚、肌腱、神經(jīng)等非骨組織誘導(dǎo)性材料的設(shè)計(jì)及其制備工藝，預(yù)計(jì)5-10 年內(nèi)將陸續(xù)上市。

（2）組織工程化產(chǎn)品

當(dāng)前最有希望突破的是骨、軟骨、肌腱、角膜、神經(jīng)等組織工程化制品及組織工程化人工肝和腎。優(yōu)選支架材料并優(yōu)化其制備工藝，干細(xì)胞和成體細(xì)胞的提取和體外傳代、增殖、模擬生物環(huán)境的體外細(xì)胞培養(yǎng)，以及生長(zhǎng)因子的提取及生物衍生材料免疫原性消除和防鈣化技術(shù)是其發(fā)展的關(guān)鍵核心技術(shù)。

（3）材料表面改性

材料表面改性以及表面改性植入器械的設(shè)計(jì)和制備的工程化技術(shù)，包括增進(jìn)骨、牙等植入器械表面生物活性的表面生物活化技術(shù)；增進(jìn)血液接觸材料和器械的表面抗凝血及防組織增生改性技術(shù)；賦予表面抗菌、抗磨損、選擇性固定生物分子等的表面功能化技術(shù)等，以及植入器械形態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)及軟件開發(fā)等。

（4）微創(chuàng)或無(wú)創(chuàng)治療的介/植入治療器械和輔助器械

血管支架、介/植入治療輔助器械等。關(guān)鍵技術(shù)是可降解材料研發(fā)，植入器械的精密和微加工，以及表面抗凝血和防組織增生的改性等技術(shù)。

（5）納米生物醫(yī)用材料、植入器械和軟納米技術(shù)（包括納米涂層）

納米生物醫(yī)用材料制備技術(shù)及其生物學(xué)效應(yīng)，包括生物學(xué)風(fēng)險(xiǎn)試驗(yàn)和評(píng)價(jià)，是研究和發(fā)展的重點(diǎn)。人體自身形成的具有納米結(jié)構(gòu)的組織并未表現(xiàn)出生物學(xué)風(fēng)險(xiǎn)，因此模擬生理?xiàng)l件下人體組織形成的納米生物材料裝配和合成技術(shù)，即軟納米技術(shù)，是發(fā)展納米生物醫(yī)用材料的關(guān)鍵技術(shù)。納米羥基磷灰石—聚合物復(fù)合人工骨已在我國(guó)取證上市。

（6）計(jì)算機(jī)輔助仿生設(shè)計(jì)及3D 打印的生物制造及設(shè)備

包括精密加工及自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)、個(gè)性化植入器械的制備技術(shù)、組織工程化仿生活體器械的快速成型和制備技術(shù)等。

此外，生物醫(yī)用材料和植入器械的封裝、滅菌、消毒和儲(chǔ)存技術(shù)，可生物降解和吸收的醫(yī)用材料技術(shù)等亦是當(dāng)前發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

4、生物醫(yī)用材料行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局

市場(chǎng)方面，全球的生物醫(yī)療器械及材料相關(guān)產(chǎn)業(yè)的消費(fèi)市場(chǎng)以北美為最大，歐盟次之，亞洲第三。產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)方面，生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)主要由發(fā)達(dá)國(guó)家高度壟斷，全球70%以上的市場(chǎng)份額由排名前30的公司占領(lǐng)，國(guó)外生物醫(yī)用材料企業(yè)龍頭以跨國(guó)企業(yè)為主，具有適應(yīng)國(guó)際化的生產(chǎn)和銷售形式，歐盟主要跨國(guó)公司以德國(guó)貝朗醫(yī)療（B.Braun）、德國(guó)拜耳公司（Bayer）等為代表；美國(guó)以強(qiáng)生公司（Johnson&Johnson）、美敦力公司（Medtronic）、雅培公司（Abbott）、英斯特朗、Ceramtec、泰科納（Ticona）、冶聯(lián)科技集團(tuán)、CRS、安捷倫科技等為代表。研發(fā)方面，由于生物醫(yī)用材料具有產(chǎn)品附加值高、技術(shù)更新周期短、技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)激烈等特點(diǎn)，發(fā)達(dá)國(guó)家企業(yè)在相關(guān)的科研投入量一直占比很大，且持續(xù)增長(zhǎng)。此外，國(guó)外眾多名校亦參與到生物材料的研發(fā)，如著名的斯坦福大學(xué)、哈佛大學(xué)、麻省理工學(xué)院、加州大學(xué)伯克利分校、加州理工學(xué)院、約翰霍普金斯大學(xué)、普林斯頓大學(xué)、加州大學(xué)舊金山分校、耶魯大學(xué)、康乃爾大學(xué)、圣路易斯華盛頓大學(xué)、杜克大學(xué)、芝加哥大學(xué)等美國(guó)頂尖院校，英國(guó)劍橋大學(xué)、牛津大學(xué)等在生物工程研究方面全球排名靠前。

中國(guó)生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展相對(duì)落后，科技成果轉(zhuǎn)化能力比較低，產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力不強(qiáng)，技術(shù)高端產(chǎn)品多數(shù)依賴進(jìn)口。但是，隨著國(guó)家重視程度不斷提升以及居民健康意識(shí)的逐漸提高，中國(guó)生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，近些年已涌現(xiàn)一大批具備競(jìng)爭(zhēng)力的優(yōu)秀企業(yè)。目前來(lái)看，中國(guó)已經(jīng)形成了長(zhǎng)三角、珠三角和京津環(huán)渤海灣三大醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)。其中珠三角以研發(fā)生產(chǎn)綜合性高技術(shù)醫(yī)療器械為主，包括有源植入性微電子器械、動(dòng)物源生物材料和人工器官等；長(zhǎng)三角主要生產(chǎn)開發(fā)以出口為導(dǎo)向的中小型醫(yī)療器械，特別是骨科器械和牙科器械等；環(huán)渤海灣地區(qū)主要從事高技術(shù)數(shù)字化醫(yī)療器械的研發(fā)生產(chǎn)，在醫(yī)用高分子耗材、醫(yī)用金屬及植入器械等方面具有優(yōu)勢(shì)。此外成都—重慶地區(qū)是新興的產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)，在組織誘導(dǎo)性材料、表面改性植入器械以及采血、儲(chǔ)血（液）和輸血器械方面具有優(yōu)勢(shì)。