大金牙或是人造關節，想要放進人體的材料是怎麼設計的？

題圖來源：Westworld

生物相容性材料是怎麼設計出來的？

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很多答案普遍都在討論宏觀意義上的生物材料，以討論宏觀的植入物為主。

而在現實中，生物材料遠不止是宏觀植入物這一狹隘的概念。從微觀的藥物靶向載體，到體外的透析管線，這些都屬於生物材料的範疇。

在工程應用中，絕大多數的應用只需要在已有材料中進行選擇，並不需要對材料進行大的改良。

在生物工程中，大概也是這樣，很多時候只是對已有材料進行生物相關的測試比較，通過從宏觀到微觀的結構改變，不同材料的組合使用來實現特定功能。

對材料在 materials science 的範疇內進行大的改良設計，往往是材料工程的工作。當然，生物工程範圍很廣，在已有材料無法滿足需求時，有時候也有必要對材料進行這類大的改進，例如開發新的合金支架、人造關節等。

生物材料的選擇主要考慮以下要素：

生物材料選擇 1.0： 基本功能

設計的第一步就是定位用戶需求，生物材料的設計也一樣。不同的應用對生物材料種類的需求也各不相同。

生物材料的種類非常廣泛，所以首選需要考慮的就是特定生物材料的基本功能。根據生物材料的基本功能，選擇合適的材料範圍，是生物材料設計的第一步。在此範圍內精確選擇，並進一步改進，直到滿足設計的需求。

生物材料選擇 2.0：材料種類

生物材料主要分為以下幾大類:

1. 金屬（大金牙等）

2. 陶瓷（氧化鋁，硫酸鈣等）

3. 人造聚合物（聚乙烯，特氟龍等）

4. 天然聚合物（膠原蛋白，透明質酸等）

當然，也不限於這些基本材料。

材料的種類決定了材料的基本物理性質，對於不同的應用，選擇合適的材料種類是非常重要的。

生物材料選擇 3.0：材料性質

1. 化學性質：

面對生物體內 / 外的複雜化學以及物理環境，材料的化學性質非常重要。

是否和自身發生化學反應，是否和生物系統發生化學反應，如何發生化學反應，都是生物材料設計中需要考慮的要素。

此外，和藥物一樣，對於新的生物材料，還有必要進行各種毒性的分析例如，系統毒性分析、慢性毒性分析、基因毒性分析、致癌性分析、生殖毒性分析。

2. 表面性質：

生物材料和生物接觸必然會有 interface，所以生物材料的表面性質至關重要。

最基本的表面性質就是親水性和疏水性。而面對特定應用，也需要考慮特定的表面性質，例如血液兼容性，骨骼兼容性等。表面性質是生物兼容性的基礎，後面會談到。

3. 物理性質：

從基本直觀的機械性能、密度、導熱係數、透光性導熱性等，到相對複雜的原子排列、參雜，有機物的交聯度的。

不同的應用需要不同的物理性質，例如大金牙需要相對高的機械強度和剛度，人造血管則需要高強度和柔度，人造骨骼的強度需要和人體骨骼匹配等等。

不同材料的性質還決定了材料的可加工性，例如有些聚合物和陶瓷材料可以在體內成型，更加貼合肌體，而絕大多數金屬必須在體外成型後才能植入體內。再例如陶瓷因為太脆不容易加工成細長或者管狀結構，而聚合物和金屬就沒有這些問題。

生物材料選擇 3.1：生物兼容性

生物材料與其他材料的區別在於，生物材料需要考慮材料在生物體內 / 外的兼容性。

根據 ASTM 醫療器械的標準，生物兼容性的定義為：在特定應用中引發合適宿主反應的能力。

這是生物材料和其他材料的基本區別，也決定了生物材料和生物材料之間的區別。

換句話說，根據應用的不同，生物材料生物兼容性也大相徑庭。

1. 炎症反應

炎症反應是絕大多數植入性生物材料都需要考慮生物兼容性之一。

炎症是宿主的免疫反應，植入物對於生物身體來說是外來的異物，使用不當很容易被生物宿主的免疫系統攻擊，導致炎症。

炎症分急性炎症和慢性炎症。嚴重的急性炎症會直接導致植入物失效，處理不當甚至會導致大範圍組織壞死，危及生命。程度較輕的炎症反應可能會轉變成慢性炎症，導致局部組織纖維化，影響植入物和生物本體組織的功能。

炎症反應最簡單的檢測方法，就是把材料塞到實驗動物體內，進行控制變數的比較。對於炎症反應，可以通過藥物控制，也可以通過包裹其他材料控制。

2. 降解性

其中，對於生物材料至關重要重要的化學性質之一就是材料降解性質。

作為藥物載體，生物材料有時需要快速降解，例如化療藥物的靶向載體。

有時需要中短期的降解，例如可植入的緩釋藥物載體。

有時需要長期的降解，例如手術縫合線。

有時需要長期不降解，例如大金牙。

降解的途徑也有許多種，從基本的水降解酶降解，到高級的磁引導降解，超聲波降解等。

通過特定手段，生物材料的降解性質可以得到精確控制，例如改變幾何結構，改變聚合物的交聯程度，以及使用 hybrid 材料等。這些都是生物材料設計需要考慮的範疇。（偏向高分子和化工）

3. 血液兼容性

血液是很敏感的組織。

在和血液接觸的應用中（人造血管，血管支架等），使用不恰當的材料，會導致血栓。而血栓的後果非常嚴重，處理起來非常困難，說翹辮子就翹辮子。

對於血液兼容性，體外測試可以進行很好的評估，當然，動物測試也是必須的。

改良血液兼容性，往往是對材料的表面性質進行改良。對於兼容性不理想的材料，可以增加多層結構，或者模擬血管表面結構，或者通過緩釋塗層增加材料的抗凝性。（偏向生化）

4. 骨骼兼容性

和骨骼相關的植入物往往提供機械結構支持，例如人造關節、骨水泥等等。

骨骼兼容性包括了促進骨骼的生長能力，以及和骨骼的連接性。這些性質直接決定了植入物能否承受肌體的重量，以及患者最終的恢復時間和程度。

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）作為塗層外，還可以通過改變表面的拓撲結構來實現。

此外，還要考慮材料機械性能和骨骼的匹配度。骨骼會根據環境的不同逐漸改變性質，和骨骼連接材料強度過高，會導致骨骼本身強度的降低。

匹配機械性能，除了選擇合適的材料之外，還可以通過組合材料，增加材料中的空隙，減少材料相對密度來實現。（偏向材料工程和機械工程）

5. ……

還有很多，這裡就不說了。

生物材料選擇 4.0：特殊性質

對於特殊應用，還要考慮到材料的特殊性質。例如神經 interface 要考慮材料的導電性，MRI 造影劑就要考慮材料的磁性，靶向載體要考慮特定條件下的降解性。

通過在不同尺度下組合使用不同的材料，可以達到這些特殊性質。這是當前生物材料設計的重要手段之一。

生物材料選擇5.0：成本

說來說去，最終還是要傷感情。

生物材料的研發需要花錢，但是後期驗證、加工、生產、投入市場等等都需要更高的成本。

以臨床使用為目的的生物材料的設計，不考慮材料的成本是不行的。材料的性能是有限的，在有限的性能內壓縮成本，在生物材料設計中，特別是後期，是非常重要的。

已有生物材料的範圍已經非常廣了，對於一般應用，工程師可以通過材料資料庫進行選擇和比較。

使用已有生物材料對消減成本來說非常重要。新材料除了開發起來價格昂貴之外，再投入使用之前還要通過一系列的臨床（燒）驗（錢）證。

沒有美好的前景，牛逼的後盾，充足的資金，一般人是玩不起的。

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