大金牙或是人造关节，想要放进人体的材料是怎么设计的？

题图来源：Westworld

生物相容性材料是怎么设计出来的？

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很多答案普遍都在讨论宏观意义上的生物材料，以讨论宏观的植入物为主。

而在现实中，生物材料远不止是宏观植入物这一狭隘的概念。从微观的药物靶向载体，到体外的透析管线，这些都属于生物材料的范畴。

在工程应用中，绝大多数的应用只需要在已有材料中进行选择，并不需要对材料进行大的改良。

在生物工程中，大概也是这样，很多时候只是对已有材料进行生物相关的测试比较，通过从宏观到微观的结构改变，不同材料的组合使用来实现特定功能。

对材料在 materials science 的范畴内进行大的改良设计，往往是材料工程的工作。当然，生物工程范围很广，在已有材料无法满足需求时，有时候也有必要对材料进行这类大的改进，例如开发新的合金支架、人造关节等。

生物材料的选择主要考虑以下要素：

生物材料选择 1.0： 基本功能

设计的第一步就是定位用户需求，生物材料的设计也一样。不同的应用对生物材料种类的需求也各不相同。

生物材料的种类非常广泛，所以首选需要考虑的就是特定生物材料的基本功能。根据生物材料的基本功能，选择合适的材料范围，是生物材料设计的第一步。在此范围内精确选择，并进一步改进，直到满足设计的需求。

生物材料选择 2.0：材料种类

生物材料主要分为以下几大类:

1. 金属（大金牙等）

2. 陶瓷（氧化铝，硫酸钙等）

3. 人造聚合物（聚乙烯，特氟龙等）

4. 天然聚合物（胶原蛋白，透明质酸等）

当然，也不限于这些基本材料。

材料的种类决定了材料的基本物理性质，对于不同的应用，选择合适的材料种类是非常重要的。

生物材料选择 3.0：材料性质

1. 化学性质：

面对生物体内 / 外的复杂化学以及物理环境，材料的化学性质非常重要。

是否和自身发生化学反应，是否和生物系统发生化学反应，如何发生化学反应，都是生物材料设计中需要考虑的要素。

此外，和药物一样，对于新的生物材料，还有必要进行各种毒性的分析例如，系统毒性分析、慢性毒性分析、基因毒性分析、致癌性分析、生殖毒性分析。

2. 表面性质：

生物材料和生物接触必然会有 interface，所以生物材料的表面性质至关重要。

最基本的表面性质就是亲水性和疏水性。而面对特定应用，也需要考虑特定的表面性质，例如血液兼容性，骨骼兼容性等。表面性质是生物兼容性的基础，后面会谈到。

3. 物理性质：

从基本直观的机械性能、密度、导热系数、透光性导热性等，到相对复杂的原子排列、参杂，有机物的交联度的。

不同的应用需要不同的物理性质，例如大金牙需要相对高的机械强度和刚度，人造血管则需要高强度和柔度，人造骨骼的强度需要和人体骨骼匹配等等。

不同材料的性质还决定了材料的可加工性，例如有些聚合物和陶瓷材料可以在体内成型，更加贴合肌体，而绝大多数金属必须在体外成型后才能植入体内。再例如陶瓷因为太脆不容易加工成细长或者管状结构，而聚合物和金属就没有这些问题。

生物材料选择 3.1：生物兼容性

生物材料与其他材料的区别在于，生物材料需要考虑材料在生物体内 / 外的兼容性。

根据 ASTM 医疗器械的标准，生物兼容性的定义为：在特定应用中引发合适宿主反应的能力。

这是生物材料和其他材料的基本区别，也决定了生物材料和生物材料之间的区别。

换句话说，根据应用的不同，生物材料生物兼容性也大相径庭。

1. 炎症反应

炎症反应是绝大多数植入性生物材料都需要考虑生物兼容性之一。

炎症是宿主的免疫反应，植入物对于生物身体来说是外来的异物，使用不当很容易被生物宿主的免疫系统攻击，导致炎症。

炎症分急性炎症和慢性炎症。严重的急性炎症会直接导致植入物失效，处理不当甚至会导致大范围组织坏死，危及生命。程度较轻的炎症反应可能会转变成慢性炎症，导致局部组织纤维化，影响植入物和生物本体组织的功能。

炎症反应最简单的检测方法，就是把材料塞到实验动物体内，进行控制变量的比较。对于炎症反应，可以通过药物控制，也可以通过包裹其他材料控制。

2. 降解性

其中，对于生物材料至关重要重要的化学性质之一就是材料降解性质。

作为药物载体，生物材料有时需要快速降解，例如化疗药物的靶向载体。

有时需要中短期的降解，例如可植入的缓释药物载体。

有时需要长期的降解，例如手术缝合线。

有时需要长期不降解，例如大金牙。

降解的途径也有许多种，从基本的水降解酶降解，到高级的磁引导降解，超声波降解等。

通过特定手段，生物材料的降解性质可以得到精确控制，例如改变几何结构，改变聚合物的交联程度，以及使用 hybrid 材料等。这些都是生物材料设计需要考虑的范畴。（偏向高分子和化工）

3. 血液兼容性

血液是很敏感的组织。

在和血液接触的应用中（人造血管，血管支架等），使用不恰当的材料，会导致血栓。而血栓的后果非常严重，处理起来非常困难，说翘辫子就翘辫子。

对于血液兼容性，体外测试可以进行很好的评估，当然，动物测试也是必须的。

改良血液兼容性，往往是对材料的表面性质进行改良。对于兼容性不理想的材料，可以增加多层结构，或者模拟血管表面结构，或者通过缓释涂层增加材料的抗凝性。（偏向生化）

4. 骨骼兼容性

和骨骼相关的植入物往往提供机械结构支持，例如人造关节、骨水泥等等。

骨骼兼容性包括了促进骨骼的生长能力，以及和骨骼的连接性。这些性质直接决定了植入物能否承受肌体的重量，以及患者最终的恢复时间和程度。

提高材料的骨骼兼容性，除了可以使用骨骼兼容性好的材料（例如 bioglass, hydroxyapatite, collagen）作为涂层外，还可以通过改变表面的拓扑结构来实现。

此外，还要考虑材料机械性能和骨骼的匹配度。骨骼会根据环境的不同逐渐改变性质，和骨骼连接材料强度过高，会导致骨骼本身强度的降低。

匹配机械性能，除了选择合适的材料之外，还可以通过组合材料，增加材料中的空隙，减少材料相对密度来实现。（偏向材料工程和机械工程）

5. ……

还有很多，这里就不说了。

生物材料选择 4.0：特殊性质

对于特殊应用，还要考虑到材料的特殊性质。例如神经 interface 要考虑材料的导电性，MRI 造影剂就要考虑材料的磁性，靶向载体要考虑特定条件下的降解性。

通过在不同尺度下组合使用不同的材料，可以达到这些特殊性质。这是当前生物材料设计的重要手段之一。

生物材料选择5.0：成本

说来说去，最终还是要伤感情。

生物材料的研发需要花钱，但是后期验证、加工、生产、投入市场等等都需要更高的成本。

以临床使用为目的的生物材料的设计，不考虑材料的成本是不行的。材料的性能是有限的，在有限的性能内压缩成本，在生物材料设计中，特别是后期，是非常重要的。

已有生物材料的范围已经非常广了，对于一般应用，工程师可以通过材料数据库进行选择和比较。

使用已有生物材料对消减成本来说非常重要。新材料除了开发起来价格昂贵之外，再投入使用之前还要通过一系列的临床（烧）验（钱）证。

没有美好的前景，牛逼的后盾，充足的资金，一般人是玩不起的。

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