再生医学杂志

生物材料与生物工程

通过植入传感器芯片来连续监测和调节血糖水平的技术正在不断进步。芯片实验室技术有望使诊断现代化，并使其变得更加容易和监管。可以改善未来医疗保健的其他领域是药物输送。微针有可能克服传统针的局限性，并且正在研究在人体不同部位输送药物。支架制造领域取得了巨大进步，提高了组织工程的潜力。大多数新兴的组织工程支架是水凝胶和冷冻凝胶。动态水凝胶在组织工程和药物输送方面有着巨大的应用。此外，超大孔冷冻凝胶允许大多数哺乳动物细胞类型的附着和增殖，并已在组织工程和生物分离中显示出应用。

从医疗保健的角度来看，生物材料可分为以下几类：（1）合成材料（金属、聚合物、陶瓷和复合材料）； （2）天然来源（动物和植物来源）； (3)半合成或混合材料。所有这些类型的生物材料长期以来都在医疗保健中使用，但随后的发展增强了它们在医疗保健中的效用。金属是广泛用于承载应用的一类材料。其中一些示例包括用于骨折固定板和人工关节的线材和螺钉。在髋关节置换术中，股骨部件通常由 Co-Cr-Mo 或 Co-Ni-Mo 合金或钛合金制成。聚合物作为植入物或生物医学装置，可用作面部假体、气管导管、肾脏和肝脏部件、心脏部件等。超高分子量聚乙烯（UHMWPE）已在膝关节、髋关节和肩关节中得到应用。

陶瓷已显示出作为牙科植入物或填充材料的应用。由于陶瓷的断裂韧性较差，因此作为承载材料的应用受到限制。复合材料由于低密度和高强度的结合而被广泛用于假肢。双酚A-缩水甘油基-石英/二氧化硅填料和聚甲基丙烯酸甲酯-玻璃填料等少数类型的复合材料广泛用于牙齿修复。胶原蛋白、明胶、藻酸盐、透明质酸等天然衍生聚合物广泛应用于医疗保健领域，用于制造三维 (3-D) 支架以支持细胞生长和增殖。这种 3D 细胞接种支架模仿天然宿主组织，因此在再生医学领域具有重要的适用性。由于天然生物材料的机械强度有限，因此限制了它们在承载区域的应用。因此，正在对此类材料进行化学改性以提高其机械性能。例子包括用赖氨酸和羟基赖氨酸修饰的胶原链、聚乙二醇化纤维蛋白原(PF)等。

第一代生物材料在 20 世纪 60 年代和 20 世纪 70 年代发展起来，用于医疗植入物。这些生物材料制造过程中的基本目标是保持物理和机械性能之间的平衡以及对宿主组织的最小毒性。外科医生寻求的第一代生物材料的理想性能是（1）适当的机械性能； (2)在水环境中耐腐蚀； (3) 不应在活体组织中引起毒性或致癌性。但第二代生物材料被开发为具有生物活性。生物材料技术的进一步发展现在正在转化为第三代生物材料的扩展，这些材料可以刺激特定的细胞反应。例子包括生物活性玻璃（第三代）和多孔泡沫，它们的设计方式是激活可以刺激活组织再生的基因。人们还在努力开发具有纳米级特征的支架材料，以模仿宿主的天然细胞外基质。

目前研究人员的主要关注点是开发具有与天然组织相同的结构特征的人造组织（作为生物材料）。预计未来几年生物材料的开发和使用将会增加。新的预后方法正在开发中，并可用于协助实现负担得起的医疗保健创新方法的进展。