材料圆桌 | 探索生命的奥秘，生物材料的奇迹

什么是生物材料？

生物材料的优势

①什么是生物相容性：

生物相容性指的是材料与生物系统相互作用时，不会引起不良反应的性质。理想的生物材料应当能够与人体组织和谐共存，不引发免疫反应、炎症或感染。

②生物相容性的重要性：

生物相容性好的材料可以降低人体对植入物的排异反应，这对于器官移植和人造器官尤为重要。良好的生物相容性有助于减少炎症，促进伤口愈合，减少并发症。生物相容性高的材料更柔软、更自然，能提高患者的使用体验。生物相容性好的材料更耐用，可以减少更换频率，降低长期医疗成本。

③生物材料在生物相容性方面的优势：

生物材料在生物相容性方面展现出显著优势，它们能够与生物体组织及体液和谐共存，不仅避免了严重的免疫反应和排斥现象，还能在长时间内保持稳定的性能，为医疗植入物、组织工程及药物递送系统等应用提供了安全、有效的解决方案，确保了治疗过程的安全性和治疗效果的持久性。

生物材料的生物活性是指材料能够与生物体或其组成部分发生相互作用，从而在生物体内发挥特定的生物学功能。以下是生物材料在生物活性方面的优势及其应用实例：

• 主动靶向调节性：活性生物材料具有独特的生命活性，能够主动靶向调节，适应疾病微环境，展现出巨大的治疗潜力。例如，基于细胞、细菌和病毒的活性生物材料发展较多，它们可以通过特定的生物机制，如细胞信号传导，来实现对病变部位的精准治疗。

• 疾病微环境适应性：活性生物材料能够适应疾病微环境，如在肿瘤微环境的酸性条件下实现药物的精准释放。例如，BSA@ZIF-8材料能在肿瘤微环境的酸性条件下（pH 5.0）实现精准释放抗癌药物多柔比星（Doxorubicin,DOX），同时在中性条件下（pH 7.4）保持稳定，减少药物的非特异性泄漏。

• 治疗能力强：活性生物材料具有强大的治疗能力，可以作为药物载体，提高药物递送的效率和效果。如BSA@ZIF-8在体外和体内均表现出显著的抗肿瘤药物递送效果，且具有高稳定性和生物相容性。

• 自我生长和自我修复：活体材料兼具生命的特征和材料的功能，不仅可以自我生长、自我成形，还具有生命体系的诸多复杂功能，如酶活性，以及对环境响应、自我修复的能力。

• 组织工程和药物递送：蛋白质基生物材料如纳米人工骨，因其生物活性、柔韧性以及强度与人体组织接近，被用于颅骨、脊椎骨、颌骨等的修复领域，展现出在组织工程和药物递送方面的巨大潜力。

生物材料的生物降解性是指材料在生物体内或自然环境中能够被微生物分解成小分子化合物的能力。

这一特性带来了多方面的优势：

• 环境友好性：生物降解材料能够在自然环境中被微生物分解，大大减少了废弃塑料对环境造成的影响，有助于解决“白色污染”问题。这些材料的分解产物通常是二氧化碳和水，不会在环境中留下持久残留物，减少了长期废物的积累。

• 减少碳排放：通过减少对源自化石燃料的传统塑料的依赖，生物降解材料可以减少碳排放。它们的降解过程不会产生有毒气体或导致温室效应。

• 易于回收：生物降解材料容易回收，可以通过堆肥或生产新产品的方式进行再利用，这鼓励了更加循环和可持续的经济。

• 生物医用优势：在生物医学领域，生物降解材料可以用于制造手术缝合线、外科手术隔离材料、人造皮肤、人造血管、骨固定及修复、组织工程载体及药物控制释放等领域。这些材料在完成其功能后能够降解并被人体吸收或排出体外，避免了二次手术取出的需要。

• 促进组织再生：在组织工程中，选择适当力学性质和降解速率的生物降解材料，可以实现组织再生和聚合物支架在体内的同步降解，轻松实现病理组织的修复或改善。

• 应用前景广阔：生物降解材料包含PLA、PBS、PBAT等多个细分材料，每一种材料都拥有不同的特性，并且通过改性处理后，能够有效应用在多个领域，包括生物医疗、卫生健康、纺织纤维等。

生物材料的可塑性是指它们能够被塑造和加工成不同的形态和结构，以适应不同的应用需求。如3D打印出的细胞和组织。以下是生物材料在可塑性方面的优势：

• 形态多样性：生物材料可以被加工成各种形状和尺寸，以满足特定的应用要求。例如，导电水凝胶因其出色的生物相容性和可塑性，可以被制备成不同形状和尺寸，以适应复杂的监测要求和应用环境。

• 适应复杂环境：由于可塑性，生物材料能够适应不同的生物环境和应用场景。例如，活性生物材料具有独特的生命活性，相比于传统的惰性生物材料具有主动靶向调节性、疾病微环境适应性等优点，在疾病诊断和治疗领域正凸显出巨大的潜力。

• 改善力学性能：通过调整生物材料的可塑性，可以改善其力学性能，如储能模量和韧性。例如，胶原蛋白-聚乙二醇（PEG）互穿网络（IPN）水凝胶通过改变胶原蛋白浓度和凝胶温度，可以获得具有一系列刚度、塑性和孔径的IPN，这对于控制细胞扩散和循环性具有重要意义。

• 促进细胞生长和组织修复：可塑性的生物材料能够更好地模拟自然组织的力学特性，从而促进细胞生长和组织修复。例如，软物质体系的自组织结构丰富多样，由生物分子构成的基本组件通常呈现出弹性体或凝胶态特征，进而能够组装成为纳米颗粒结构或水凝胶等材料，这些材料由于具有良好的生物相容性，在生物材料领域被广泛关注。

• 提高治疗效果：可塑性使得生物材料能够更好地适应病变部位的形状和力学特性，从而提高治疗效果。例如，活性生物材料在多种重大疾病治疗应用中取得了良好的效果。

生物材料的应用

生物医用材料：健康守护者

生物医用材料作为生物材料领域中的核心应用之一，在医疗领域展现出了广泛且深远的影响。它们不仅被用于制造人工器官与进行组织工程，如人工关节、心脏瓣膜及皮肤替代品等，以恢复或优化人体器官的功能，而且在组织工程中作为细胞生长的支架，促进了受损组织的重建。此外，生物材料在药物递送系统中发挥着关键作用，通过设计成为能控制药物释放的载体，确保药物在体内的精准释放，从而提升了治疗效果并降低了副作用。在临床诊断领域，生物材料同样贡献显著，被用于开发高灵敏度的生物传感器，如血糖监测仪，以及便捷高效的诊断工具，极大地提高了诊断的精确度和便利性。

环境修复：绿色先锋

生物材料在环境保护与修复领域同样扮演着至关重要的角色。具体而言，生物炭和特定类型的生物塑料等创新生物材料，凭借其高效的吸附和分解能力，能够有效清除土壤及水体中的污染物，从而为环境修复工作提供了新颖且有效的解决方案。此外，鉴于全球范围内对塑料污染问题的日益关注，可降解的生物塑料作为一种环保替代品，正逐步取代传统塑料在包装材料中的应用，对于缓解“白色污染”现象、保护生态环境具有积极意义。

纳米技术：微观世界的奇迹

纳米技术的飞速发展为生物材料的应用领域开辟了全新的天地。通过利用纳米粒子的独特性质，科学家们能够设计出更为精确、高效的药物递送系统，这在癌症等难治性疾病的治疗上为患者带来了新的希望。同时，纳米生物传感器在分子层面上展现出的卓越性能，使其能够检测到极低浓度的生物标志物，为疾病的早期诊断提供了前所未有的可能性。

合成生物学：生命科学的新篇章

合成生物学的进步极大地推动了生物材料应用的多元化发展，不仅使得通过合成生物学技术设计和制造出具有特定功能的生物材料成为可能，如超强韧的生物塑料和自我修复材料等，还促进了利用生物过程来制造材料的方法，例如借助微生物发酵生产既环保又可再生的生物塑料。