未来材料，生物造
冯杰
2024年11月18日 06:41
本报记者 晋浩天 本报通讯员 夏晓丹
光明日报（ 2024年07月18日 16版）想象一下，你身着一件由抗菌材料制成的超级英雄战衣，它能在关键时刻自动防御细菌和病毒侵袭，保护你免受感染；手上拿着拥有生命的墨水，只需轻轻一按，它就能够通过3D打印出你需要的细胞和组织……这不是科幻电影里的情节，而是生物材料给人类带来的福祉。
随着细胞工程、合成生物、纳米科技等技术的发展，生物材料已朝着满足人民全生命周期健康需求的方向发展。西湖大学发布的《未来健康：新兴生物材料》《未来产业发展趋势研究：未来生命健康材料》报告，展示了基于生物材料突破而带来的生命健康领域新蓝图。
抗细菌材料
细菌对现有药物的耐药性是困扰世界的紧迫问题，世界卫生组织已宣布抗微生物药物耐药性为全球十大健康威胁之一。为了应对不断增加的耐药性问题，除了传统的小分子抗生素研发，具有抗细菌功能的生物材料研发也是最重要的解决途径之一。
抗细菌材料是指具备抑制细菌生长和繁殖或杀灭细菌特性的生物材料，包括以各种形式载有抗生素的生物材料，也包括抗菌聚合物、抗菌肽、抗菌酶、纳米材料、噬菌体等本身具有抗菌能力的材料及复合物。目前，抗细菌材料主要用于生产包括抗菌敷料、抗菌植入物、抗菌口罩等在内的抗菌医用耗材产品。
——关键材料：聚合物（包括聚乙二醇、聚乙烯醇等合成聚合物，聚苯胺、壳聚糖等天然聚合物）、有机分子（包括抗生素、类固醇等）、金属和金属氧化物（包括银、金等贵金属，氧化锌等金属氧化物，铜、镍等过渡金属等）、碳基材料、蛋白质基材料等。
——主要应用：靶向递送抗生素；作用于医疗器械的表面以降低感染风险；制成水凝胶，用于伤口愈合、组织工程等；用于食品工业、表面防污等。
蛋白质材料
由蛋白质组成的材料被称为蛋白质材料。作为天然或生物聚合物，蛋白质具有力学和物理特性，而且由于其天然来源，具有生物相容性、生物可降解性和生物可吸收性特性，这些特性使得蛋白质在生物医学领域具有广泛的应用前景。当前最受关注的主要包括丝素蛋白和胶原蛋白两类。尤其是从天然丝绸中提取的丝素蛋白，近年来广受关注，被认为在组织支架、涂层材料、植入物、伤口敷料、药物递送等领域有着广阔应用前景。
——关键材料：结构蛋白（胶原蛋白、明胶、丝蛋白等）、弹性蛋白（弹性蛋白和节肢弹性蛋白等）、黏附蛋白（贻贝足蛋白、疏水蛋白等）等。
——主要应用：药物递送、组织工程、伤口愈合、电子皮肤、生物打印等。
脂质材料
药物递送始终是一个复杂难题，面临多种挑战，这促使研究人员寻求更有效的方法，将药物递送至体内的预定靶点。在药物递送技术的发展过程中，脂质凭借固有的生物相容性和多功能性，在制药医学与实践领域异军突起。
脂质材料是一类重要的药物递送材料，被巧妙地设计成一种可以封装、运输和释放多种治疗药物（包括小分子药物、基因和生物制剂）的载体，以提高低水溶性药物的溶解度、保护不稳定化合物不被降解，以及精准靶向定位体内的疾病部位。未来，脂质纳米粒还有望广泛应用于创伤愈合、疾病诊断、人工细胞模型等领域。
——关键材料：脂质（包括鞘脂、磷脂质、甘油酯等）、有效荷载（阿霉素、紫杉醇等）、乳化剂（包括软磷脂、聚山梨醇酯、泊洛沙姆等）。
——主要应用：药物递送、疫苗递送和基因治疗、医学诊断与成像、化妆品、免疫化学等。
自愈合材料
自愈合材料是指能够修复长期机械磨损的材料，可有效增加器材使用寿命，降低设备维护和更替频率，进而提升医疗植入物和生物传感器的耐用性。如，断裂的自愈合材料两个不连接的切面再次接触时，能够重新形成可逆键，结合物质会相互扩散，从而实现两个面的重新连接。动态聚合物是目前使用最为广泛的自愈合材料，在促进伤口愈合、药物递送、生物成像等领域占据主导位置。
未来，自愈合材料还有望被用于开发成电子皮肤，模仿天然皮肤特性，并进一步用于下一代可穿戴设备和假肢的开发。
——关键材料：合成聚合物（聚乙二醇、聚乙烯醇等）、天然聚合物（壳聚糖、透明质酸等）、有机和无机分子（甘油、丙烯酸、二氧化硅等）、纯元素（银、铝等金属，石墨烯等非金属）、矿物（如羟基磷灰石）、合金（如不锈钢）、配位化合物等。
——主要应用：医疗设备、药物输送系统、组织工程等。
生物电子材料
生物电子材料是指可植入到生物体中的设备或植入物材料，在市场上有着迫切需求。生物电子学的核心是将电子设备以移植或附着在皮肤上的形式整合至生物系统中，使电子系统能够在分子、细胞和器官水平上与生物组件相互作用，因此，很大程度上依赖于一系列能够与生物组织有效整合的专用材料。
未来，纳米半导体和导电聚合物有望取代传统半导体材料，成为生物电子材料的主流，开发出可注射生物电子设备等一系列全新应用。
——关键材料：氮化物和碳化物（钛氮化物）、功能聚合物（聚乙烯二氧噻吩等导电聚合物，聚乳酸、聚乙二醇等形成水凝聚的聚合物，聚己内酯等可生物降解的合成聚合物等）、天然聚合物（核酸、纤维素等）、惰性聚合物（聚二甲基硅氧烷等）、碳及其同素异形体（碳纳米材料）等。
——主要应用：有源传感器组件、电子组件和生物组织之间的接口材料（包括电传感/映射/刺激应用）、光电材料、信号处理元件和机械传感器等生物电子设备等。
生物墨水
生物墨水是含有特定类型细胞、天然或合成聚合物以及其他辅助材料，可用于生物打印制造三维支架、组织和器官等生物结构的材料。虽然“生物打印”一词相对较新，但其概念最早可追溯到20世纪90年代末，是3D打印在生物医学领域的自然延拓。其中，活细胞及细胞衍生材料为代表的细胞材料是生物墨水最受关注的领域之一。
使用生物墨水进行3D生物打印，有望制造出免疫排异反应最小的人造生物器官。此外，由生物墨水制成的三维支架，可以为细胞提供三维培养环境，长久保持人类细胞的多种生理和功能表型。
——关键材料：天然聚合物（海藻酸盐、透明质酸等多糖，多肽、丝蛋白等）、合成聚合物（甲基丙烯酸酰化明胶等）、细胞材料（干细胞、内皮细胞、基质细胞等）。
——主要应用：组织工程、药物递送、伤口愈合、个性化医疗、药物测试、疾病建模等。
可编程材料
可编程生物材料是一种可以响应外部刺激或环境变化，改变其性质和形状的动态生物材料。目前，使用最为广泛的可编程生物材料是形状记忆聚合物，可单向或双向地在酸碱度、磁场、光照和温度发生改变时，改变自身形状。
这种材料的可编程性在某些应用中非常有利（如药物递送）。未来，可编程生物材料一个可能发展方向是4D打印材料，能够不断发生外形或结构的变化以应对外界环境的变化与需求。
——关键材料：木质素、金属有机框架、聚多巴胺、羧甲基纤维素钠、DNA等。
——主要应用：药物递送、植入体、传感器、执行器、组织工程、遗传工程、3D打印等。
生物医用可持续材料
生物医用可持续材料是指在生物医学应用环境中，具有以下一种或多种特征的材料：一是可生物降解或堆肥，即在没有人为干预的自然条件下降解；二是由生物基、自然界中丰富的或可再生的原料制成；三是与被取代的材料相比更环保。它有望成为一次性口罩、手套、防护服和各类实验室耗材的原材料替代品，进而减少“白色污染”。
未来，生物医用可持续材料将取得可持续性和可负担性之间的平衡，进而获得快速、大规模推广，帮助全球应对塑料废弃物带来的挑战。
——关键材料：纤维素、淀粉和壳聚糖等天然聚合物，聚乳酸、聚己内酯等合成聚合物，可生物降解的聚己二酸-1等。
——主要应用：制造医疗设备、改善医疗包装的阻隔性能、作为可生物降解复合材料中的增强材料。