未來(lái)材料，生物造
馮杰
2024年11月18日 06:41
本報(bào)記者 晉浩天 本報(bào)通訊員 夏曉丹
光明日?qǐng)?bào)（ 2024年07月18日 16版）想象一下，你身著一件由抗菌材料制成的超級(jí)英雄戰(zhàn)衣，它能在關(guān)鍵時(shí)刻自動(dòng)防御細(xì)菌和病毒侵襲，保護(hù)你免受感染；手上拿著擁有生命的墨水，只需輕輕一按，它就能夠通過(guò)3D打印出你需要的細(xì)胞和組織……這不是科幻電影里的情節(jié)，而是生物材料給人類帶來(lái)的福祉。
隨著細(xì)胞工程、合成生物、納米科技等技術(shù)的發(fā)展，生物材料已朝著滿足人民全生命周期健康需求的方向發(fā)展。西湖大學(xué)發(fā)布的《未來(lái)健康：新興生物材料》《未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)研究：未來(lái)生命健康材料》報(bào)告，展示了基于生物材料突破而帶來(lái)的生命健康領(lǐng)域新藍(lán)圖。
抗細(xì)菌材料
細(xì)菌對(duì)現(xiàn)有藥物的耐藥性是困擾世界的緊迫問(wèn)題，世界衛(wèi)生組織已宣布抗微生物藥物耐藥性為全球十大健康威脅之一。為了應(yīng)對(duì)不斷增加的耐藥性問(wèn)題，除了傳統(tǒng)的小分子抗生素研發(fā)，具有抗細(xì)菌功能的生物材料研發(fā)也是最重要的解決途徑之一。
抗細(xì)菌材料是指具備抑制細(xì)菌生長(zhǎng)和繁殖或殺滅細(xì)菌特性的生物材料，包括以各種形式載有抗生素的生物材料，也包括抗菌聚合物、抗菌肽、抗菌酶、納米材料、噬菌體等本身具有抗菌能力的材料及復(fù)合物。目前，抗細(xì)菌材料主要用于生產(chǎn)包括抗菌敷料、抗菌植入物、抗菌口罩等在內(nèi)的抗菌醫(yī)用耗材產(chǎn)品。
——關(guān)鍵材料：聚合物（包括聚乙二醇、聚乙烯醇等合成聚合物，聚苯胺、殼聚糖等天然聚合物）、有機(jī)分子（包括抗生素、類固醇等）、金屬和金屬氧化物（包括銀、金等貴金屬，氧化鋅等金屬氧化物，銅、鎳等過(guò)渡金屬等）、碳基材料、蛋白質(zhì)基材料等。
——主要應(yīng)用：靶向遞送抗生素；作用于醫(yī)療器械的表面以降低感染風(fēng)險(xiǎn)；制成水凝膠，用于傷口愈合、組織工程等；用于食品工業(yè)、表面防污等。
蛋白質(zhì)材料
由蛋白質(zhì)組成的材料被稱為蛋白質(zhì)材料。作為天然或生物聚合物，蛋白質(zhì)具有力學(xué)和物理特性，而且由于其天然來(lái)源，具有生物相容性、生物可降解性和生物可吸收性特性，這些特性使得蛋白質(zhì)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。當(dāng)前最受關(guān)注的主要包括絲素蛋白和膠原蛋白兩類。尤其是從天然絲綢中提取的絲素蛋白，近年來(lái)廣受關(guān)注，被認(rèn)為在組織支架、涂層材料、植入物、傷口敷料、藥物遞送等領(lǐng)域有著廣闊應(yīng)用前景。
——關(guān)鍵材料：結(jié)構(gòu)蛋白（膠原蛋白、明膠、絲蛋白等）、彈性蛋白（彈性蛋白和節(jié)肢彈性蛋白等）、黏附蛋白（貽貝足蛋白、疏水蛋白等）等。
——主要應(yīng)用：藥物遞送、組織工程、傷口愈合、電子皮膚、生物打印等。
脂質(zhì)材料
藥物遞送始終是一個(gè)復(fù)雜難題，面臨多種挑戰(zhàn)，這促使研究人員尋求更有效的方法，將藥物遞送至體內(nèi)的預(yù)定靶點(diǎn)。在藥物遞送技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，脂質(zhì)憑借固有的生物相容性和多功能性，在制藥醫(yī)學(xué)與實(shí)踐領(lǐng)域異軍突起。
脂質(zhì)材料是一類重要的藥物遞送材料，被巧妙地設(shè)計(jì)成一種可以封裝、運(yùn)輸和釋放多種治療藥物（包括小分子藥物、基因和生物制劑）的載體，以提高低水溶性藥物的溶解度、保護(hù)不穩(wěn)定化合物不被降解，以及精準(zhǔn)靶向定位體內(nèi)的疾病部位。未來(lái)，脂質(zhì)納米粒還有望廣泛應(yīng)用于創(chuàng)傷愈合、疾病診斷、人工細(xì)胞模型等領(lǐng)域。
——關(guān)鍵材料：脂質(zhì)（包括鞘脂、磷脂質(zhì)、甘油酯等）、有效荷載（阿霉素、紫杉醇等）、乳化劑（包括軟磷脂、聚山梨醇酯、泊洛沙姆等）。
——主要應(yīng)用：藥物遞送、疫苗遞送和基因治療、醫(yī)學(xué)診斷與成像、化妝品、免疫化學(xué)等。
自愈合材料
自愈合材料是指能夠修復(fù)長(zhǎng)期機(jī)械磨損的材料，可有效增加器材使用壽命，降低設(shè)備維護(hù)和更替頻率，進(jìn)而提升醫(yī)療植入物和生物傳感器的耐用性。如，斷裂的自愈合材料兩個(gè)不連接的切面再次接觸時(shí)，能夠重新形成可逆鍵，結(jié)合物質(zhì)會(huì)相互擴(kuò)散，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)面的重新連接。動(dòng)態(tài)聚合物是目前使用最為廣泛的自愈合材料，在促進(jìn)傷口愈合、藥物遞送、生物成像等領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)位置。
未來(lái)，自愈合材料還有望被用于開發(fā)成電子皮膚，模仿天然皮膚特性，并進(jìn)一步用于下一代可穿戴設(shè)備和假肢的開發(fā)。
——關(guān)鍵材料：合成聚合物（聚乙二醇、聚乙烯醇等）、天然聚合物（殼聚糖、透明質(zhì)酸等）、有機(jī)和無(wú)機(jī)分子（甘油、丙烯酸、二氧化硅等）、純?cè)兀ㄣy、鋁等金屬，石墨烯等非金屬）、礦物（如羥基磷灰石）、合金（如不銹鋼）、配位化合物等。
——主要應(yīng)用：醫(yī)療設(shè)備、藥物輸送系統(tǒng)、組織工程等。
生物電子材料
生物電子材料是指可植入到生物體中的設(shè)備或植入物材料，在市場(chǎng)上有著迫切需求。生物電子學(xué)的核心是將電子設(shè)備以移植或附著在皮膚上的形式整合至生物系統(tǒng)中，使電子系統(tǒng)能夠在分子、細(xì)胞和器官水平上與生物組件相互作用，因此，很大程度上依賴于一系列能夠與生物組織有效整合的專用材料。
未來(lái)，納米半導(dǎo)體和導(dǎo)電聚合物有望取代傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料，成為生物電子材料的主流，開發(fā)出可注射生物電子設(shè)備等一系列全新應(yīng)用。
——關(guān)鍵材料：氮化物和碳化物（鈦氮化物）、功能聚合物（聚乙烯二氧噻吩等導(dǎo)電聚合物，聚乳酸、聚乙二醇等形成水凝聚的聚合物，聚己內(nèi)酯等可生物降解的合成聚合物等）、天然聚合物（核酸、纖維素等）、惰性聚合物（聚二甲基硅氧烷等）、碳及其同素異形體（碳納米材料）等。
——主要應(yīng)用：有源傳感器組件、電子組件和生物組織之間的接口材料（包括電傳感/映射/刺激應(yīng)用）、光電材料、信號(hào)處理元件和機(jī)械傳感器等生物電子設(shè)備等。
生物墨水
生物墨水是含有特定類型細(xì)胞、天然或合成聚合物以及其他輔助材料，可用于生物打印制造三維支架、組織和器官等生物結(jié)構(gòu)的材料。雖然“生物打印”一詞相對(duì)較新，但其概念最早可追溯到20世紀(jì)90年代末，是3D打印在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的自然延拓。其中，活細(xì)胞及細(xì)胞衍生材料為代表的細(xì)胞材料是生物墨水最受關(guān)注的領(lǐng)域之一。
使用生物墨水進(jìn)行3D生物打印，有望制造出免疫排異反應(yīng)最小的人造生物器官。此外，由生物墨水制成的三維支架，可以為細(xì)胞提供三維培養(yǎng)環(huán)境，長(zhǎng)久保持人類細(xì)胞的多種生理和功能表型。
——關(guān)鍵材料：天然聚合物（海藻酸鹽、透明質(zhì)酸等多糖，多肽、絲蛋白等）、合成聚合物（甲基丙烯酸酰化明膠等）、細(xì)胞材料（干細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、基質(zhì)細(xì)胞等）。
——主要應(yīng)用：組織工程、藥物遞送、傷口愈合、個(gè)性化醫(yī)療、藥物測(cè)試、疾病建模等。
可編程材料
可編程生物材料是一種可以響應(yīng)外部刺激或環(huán)境變化，改變其性質(zhì)和形狀的動(dòng)態(tài)生物材料。目前，使用最為廣泛的可編程生物材料是形狀記憶聚合物，可單向或雙向地在酸堿度、磁場(chǎng)、光照和溫度發(fā)生改變時(shí)，改變自身形狀。
這種材料的可編程性在某些應(yīng)用中非常有利（如藥物遞送）。未來(lái)，可編程生物材料一個(gè)可能發(fā)展方向是4D打印材料，能夠不斷發(fā)生外形或結(jié)構(gòu)的變化以應(yīng)對(duì)外界環(huán)境的變化與需求。
——關(guān)鍵材料：木質(zhì)素、金屬有機(jī)框架、聚多巴胺、羧甲基纖維素鈉、DNA等。
——主要應(yīng)用：藥物遞送、植入體、傳感器、執(zhí)行器、組織工程、遺傳工程、3D打印等。
生物醫(yī)用可持續(xù)材料
生物醫(yī)用可持續(xù)材料是指在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用環(huán)境中，具有以下一種或多種特征的材料：一是可生物降解或堆肥，即在沒(méi)有人為干預(yù)的自然條件下降解；二是由生物基、自然界中豐富的或可再生的原料制成；三是與被取代的材料相比更環(huán)保。它有望成為一次性口罩、手套、防護(hù)服和各類實(shí)驗(yàn)室耗材的原材料替代品，進(jìn)而減少“白色污染”。
未來(lái)，生物醫(yī)用可持續(xù)材料將取得可持續(xù)性和可負(fù)擔(dān)性之間的平衡，進(jìn)而獲得快速、大規(guī)模推廣，幫助全球應(yīng)對(duì)塑料廢棄物帶來(lái)的挑戰(zhàn)。
——關(guān)鍵材料：纖維素、淀粉和殼聚糖等天然聚合物，聚乳酸、聚己內(nèi)酯等合成聚合物，可生物降解的聚己二酸-1等。
——主要應(yīng)用：制造醫(yī)療設(shè)備、改善醫(yī)療包裝的阻隔性能、作為可生物降解復(fù)合材料中的增強(qiáng)材料。