攻克難題 “中國造”生物材料正在引領(lǐng)世界 訪國家生物醫(yī)學(xué)材料工程技術(shù)研究中心主任王云兵教授

生物材料是材料領(lǐng)域的一個應(yīng)用分支。材料可以分為金屬材料、無機材料、高分子材料、復(fù)合材料等。它們可以應(yīng)用到航天航空領(lǐng)域，也可用于化工、機械等領(lǐng)域，當(dāng)被用于健康產(chǎn)業(yè)時，它們就轉(zhuǎn)換了身份，變成了生物材料。生物材料也是高度學(xué)科交叉的科研領(lǐng)域，其背后有生物學(xué)、化學(xué)、工程學(xué)、機械制造、電子學(xué)、信息學(xué)等大量學(xué)科的助力。

在我們把目光投到集成電路、人工智能等前沿產(chǎn)業(yè)的時候，中國的生物材料產(chǎn)業(yè)正在悄然崛起。今天，中國生物材料部分領(lǐng)域已經(jīng)從“跟跑”或“并跑”轉(zhuǎn)向“領(lǐng)跑”，邁入了世界舞臺的中央。在組織誘導(dǎo)性生物材料、人源化膠原蛋白等領(lǐng)域，中國已經(jīng)處于國際領(lǐng)先地位。2016年，我國生物材料領(lǐng)域的領(lǐng)航人張興棟院士成功當(dāng)選了國際生物材料科學(xué)與工程學(xué)會聯(lián)合會的主席。

近年來，中國生物材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛。根據(jù)統(tǒng)計，2020年中國以生物材料及終端制品為代表的各種醫(yī)療器械產(chǎn)品產(chǎn)值已接近8000億元人民幣，2023年預(yù)計產(chǎn)值將超過萬億。

日前，由中國生物材料學(xué)會主辦，上海大學(xué)和華東理工大學(xué)承辦、上海張江（集團）有限公司協(xié)辦的2021年中國生物材料大會在上海舉行。記者專訪了國家生物醫(yī)學(xué)材料工程技術(shù)研究中心主任王云兵教授，他向記者介紹了中國生物材料領(lǐng)域的一些顛覆性突破。

可預(yù)防骨癌復(fù)發(fā)的納米羥基磷灰石

惡性骨腫瘤也有人稱為“骨癌”，一般而言，惡性骨腫瘤又可分為原發(fā)性骨腫瘤，繼發(fā)性骨腫瘤與轉(zhuǎn)移性骨腫瘤三種。原發(fā)性骨腫瘤指由局部組織長出的惡性瘤，原發(fā)惡性骨腫瘤以骨肉瘤、軟骨肉瘤、纖維肉瘤為多見。在過去的治療中，選擇截肢的比較多，但是一些惡性程度較高的腫瘤即使截肢，也難免發(fā)生轉(zhuǎn)移。

羥基磷灰石是脊椎動物骨骼和牙齒的主要組成成分，具有良好的生物活性和生物相容性。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，相對于傳統(tǒng)的金屬（不銹鋼、鈦合金）和陶瓷（氧化鋁、氮化硅）類骨替代材料，羥基磷灰石不僅抗腐蝕性強、骨誘導(dǎo)生成性強，而且它在體內(nèi)的降解也消除了前者的安全隱患。

在張興棟院士帶領(lǐng)下，國家中心突破生物材料不具備藥物治療功能的傳統(tǒng)觀念，又發(fā)現(xiàn)了納米羥基磷灰石的神奇功能，它們可選擇性增殖或凋亡細胞，可以用于惡性骨腫瘤切除后骨缺損腔填充，根據(jù)術(shù)后近三年臨床隨訪數(shù)據(jù)，80%術(shù)后填充納米羥基磷灰石的惡性骨腫瘤患者未復(fù)發(fā)。

此外，隨著人口老齡化，骨質(zhì)疏松已成為老年人健康的主要疾患。我國60歲以上人口中患骨質(zhì)疏松者已近1 億人，因骨質(zhì)疏松導(dǎo)致骨折的患者年近900萬人。但迄今全球尚未發(fā)現(xiàn)有效的防治方法。國家中心于國際率先發(fā)現(xiàn)一定組成和尺度的納米生物材料可以促進成骨細胞增殖并上調(diào)成骨基因表達，用于局部骨質(zhì)疏松治療的試驗療效良好，開啟了可防治重大疾病的生物材料研究新方向。

既能美容又可再生修復(fù)的人源化膠原蛋白

膠原蛋白也稱膠原，是人體最重要的結(jié)構(gòu)蛋白，是人體組織器官的主要組成成分，也是哺乳動物體內(nèi)含量最多、分布最廣的功能性蛋白。迄今為止，研究人員共發(fā)現(xiàn)近30種類型的膠原蛋白，按照發(fā)現(xiàn)的序號命名，常見的有I型、II型、III型等。

王云兵舉例說，比如III型膠原蛋白和肌膚的鮮嫩有關(guān)系，兒童肌膚特別嫩滑飽滿，其原因是III型膠原蛋白分泌量很多，而老年人皮膚衰老，是因為體內(nèi)III型膠原蛋白隨時間推移的不斷流失和再生能力的不斷減弱。

過去，很多企業(yè)會生產(chǎn)一些動物膠原，其有很好的止血作用等，但動物膠原產(chǎn)品一般是各種類型膠原的混合提取物，難以滿足精準類別膠原蛋白的市場需求。此外，這些動物膠原提取物對于人體而言，有時候有可能會存在產(chǎn)生一些免疫排斥反應(yīng)的不良影響。

王云兵告訴記者，通過十多年的努力，復(fù)旦大學(xué)、四川大學(xué)、中科院生物物理所和山西錦波生物醫(yī)藥股份有限公司攜手努力，在世界上首次開發(fā)出人源化膠原蛋白這種全新的生物材料，其氨基酸序列的重復(fù)單元與人類自身膠原蛋白氨基酸序列特定功能區(qū)100%相同。值得一提的是過去膠原被認為是一種止血材料，因為它極易引起血液凝固，在血管內(nèi)部會引發(fā)血栓，中國科學(xué)家們成功地通過定制化設(shè)計人源化膠原蛋白，使其從普遍認為的促凝血材料變?yōu)闃O其優(yōu)異的抗凝血材料，使得膠原蛋白的特性實現(xiàn)了神奇的逆轉(zhuǎn)，它們從“擁堵制造者”化身為“自我修復(fù)專家”。

這些人源化膠原蛋白的使用領(lǐng)域非常廣泛。在美容方面，如果中老年人補充一些人源化III型膠原蛋白，有望達到非常好的修復(fù)再生效果。近年來，科學(xué)家們又開拓了其它的使用領(lǐng)域。比如在婦科治療中，其可以高質(zhì)量地修復(fù)子宮內(nèi)膜損傷；又比如，目前臨床醫(yī)生們使用藥物涂層血管支架用于冠心病治療，雖然治療效果好，但藥物的存在有可能會引發(fā)內(nèi)皮愈合不良，而今國家中心的科學(xué)家們用人源化膠原涂層支架取代藥物涂層支架，可以獲得非常好的內(nèi)皮再生功能，促進血管的良好修復(fù)，有望成為國際領(lǐng)先的下一代血管支架產(chǎn)品。

有望消除兒童先天性心臟病的治療隱患

在中國，每年會誕生20萬左右的先天性心臟病患兒。很多先天性心臟病患者的患病原因是出生后心臟自動關(guān)閉的通道未能閉合。這是一種出生缺陷，嬰兒出生前在母體內(nèi)，母親的臍帶血會將帶氧氣的血液源源不斷地傳遞到胎兒體內(nèi)。此時，胎兒心臟內(nèi)各大心室是連通的，可以為胎兒提供充足的營養(yǎng)物質(zhì)。但當(dāng)先天性心臟病患兒離開母體，臍帶被剪斷后，他們心臟內(nèi)部的心室之間無法實現(xiàn)徹底關(guān)閉，會導(dǎo)致有氧氣的血液和沒有氧氣的血液混合在一起，流入心臟各個心室，這種缺損嚴重影響幼兒的正常生活。

先心病只能通過手術(shù)才能根治。傳統(tǒng)治療是通過開胸手術(shù)，醫(yī)生進行外科手術(shù)矯正或用補片進行修補。上世紀90年代，一項開創(chuàng)性的微創(chuàng)手術(shù)誕生了，醫(yī)生們將一個由鎳鈦合金絲材編制定型而成的封堵器經(jīng)股動脈送入心臟進行封堵治療。30分鐘內(nèi)就可以完成一臺心臟修補手術(shù)。由于先心病患者多為嬰幼兒，隨著年齡增長，心肌組織也會逐漸增厚，而植入人體的金屬封堵器的固定尺寸可能會帶來遠期風(fēng)險，如心臟傳導(dǎo)阻滯等。今天，這一世界級難題基本上已經(jīng)被中國科學(xué)家攻克。王云兵告訴記者，國家生物醫(yī)學(xué)材料工程技術(shù)研究中心和上海形狀記憶合金材料有限公司、國家心血管病中心通力合作，歷經(jīng)近10年的不懈努力，共同研發(fā)出了一種醫(yī)用高分子材料制備的完全可降解心臟封堵器產(chǎn)品，可以在完成心臟缺損的修補功能后逐步降解并被人體組織安全吸收。這種創(chuàng)新型的完全可降解封堵器的降解周期是以人體組織修復(fù)周期設(shè)計而成，封堵器如同一座橋梁幫助自體組織攀爬修復(fù)，在前6個月成功完成封堵功能，然后開始逐步降解，一年后實現(xiàn)“介入無植入，植入無殘留”的健康理念，還給孩子一顆健康柔軟的心臟，讓先心病患兒和正常孩子一樣健康成長。

王云兵透露，目前由該技術(shù)開發(fā)的產(chǎn)品已經(jīng)在國家藥監(jiān)局進入注冊申報階段，上市后有望為先天性心臟病患者帶來更加優(yōu)質(zhì)的治療方案。

心衰治療取得了前所未有的突破

心力衰竭簡稱心衰，是多種心血管疾病發(fā)展的終末狀態(tài)，心衰患者心肌持續(xù)損傷，左心室不斷擴張，最終會導(dǎo)致心源性死亡。嚴重的心衰患者，在臨床上往往需要心臟移植手術(shù)才能治療，風(fēng)險極高。中國已成為世界上心衰患者最多的國家，目前心衰患者數(shù)量已經(jīng)超過1000萬，嚴重心衰患者已突破300萬，缺乏對心衰的有效治療已成為醫(yī)學(xué)界的主要困擾之一。

在該領(lǐng)域的研究中，中國科學(xué)家已經(jīng)實現(xiàn)關(guān)鍵性的突破。王云兵介紹說，國家生物醫(yī)學(xué)材料工程技術(shù)研究中心和杭州德柯醫(yī)療科技有限公司、西安西京醫(yī)院通力合作研發(fā)了一系列新型生物材料，運用經(jīng)導(dǎo)管微創(chuàng)介入的方法將其植入到患者心臟內(nèi)部，獲得了非常好的治療效果。這類材料的生物相容性極佳，不僅具有良好的修復(fù)作用，還能潛在地改善心臟內(nèi)部的微環(huán)境，促進心臟功能的長期有效恢復(fù)。他還舉例說，今年開始的臨床試驗中首位病例是一位農(nóng)民患者，患病后基本上需長期臥床，該患者今年3月在西安的西京醫(yī)院進行僅40分鐘左右的微創(chuàng)手術(shù)，術(shù)后癥狀即刻大幅減輕，僅僅一周之內(nèi)就出院，1個月后心臟功能顯著改善。據(jù)患者本人介紹，他現(xiàn)在每次去醫(yī)院復(fù)查后，都會像普通游客一樣在西安城內(nèi)四處觀光旅游，基本回到了正常生活。

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