2024年全球生物醫(yī)用材料行業(yè)概況及分類調(diào)研報告全球生物醫(yī)用材料行業(yè)是醫(yī)療器械領域的關鍵組成部分，專注于研發(fā)、生產(chǎn)與應用于醫(yī)療領域的材料，旨在替代或修復人體組織、器官，促進醫(yī)療與康復過程，全球生物醫(yī)用材料行業(yè)具有廣闊的市場前景和巨大的發(fā)展?jié)摿?。一、生物醫(yī)用材料行業(yè)概況1、定義與范疇生物醫(yī)用材料（BiomedicalMaterials）又稱為生物材料，是一類通過外科修復、理療康復、替換人體組織或者器官，達到診斷、治療、修復生物系統(tǒng)疾病目的，并且不會對人體造成不良影響的材料。它屬于醫(yī)療器械的范疇，其作用機制是通過與人體組織結合和相互作用產(chǎn)生效果。這一領域涉及材料學、醫(yī)學、生物學等多個交叉學科，直接影響人體健康與生命，具有重要的臨床應用價值。生物醫(yī)用材料具備三大核心功能：其一，能夠替換損壞的組織或器官，例如人造假牙、人工關節(jié)等，為失去原有器官功能的患者恢復基本生活能力；其二，可改善或修復器官功能，像脊柱修復支架、心臟起搏器等，助力患者身體機能的恢復與提升；其三，用于治療過程，如藥物載體與控釋材料、用于血液透析的薄膜等，為精準醫(yī)療提供有力支持。其中，損壞組織或器官的替換、改善、修復功能的實現(xiàn)主要依賴通用生物醫(yī)用材料和組織工程生物醫(yī)用材料，而治療功能主要通過先進控制釋放系統(tǒng)達成。二、生物醫(yī)用材料材料分類1、金屬材料金屬材料是最早應用于生物醫(yī)用領域的材料之一，具有高強度、高韌性以及良好的加工性能等特點，常見的有不銹鋼、鈷基合金、鈦合金等。不銹鋼以其低成本和良好的加工性能、力學性能，在口腔醫(yī)學、骨折內(nèi)固定器械、人工關節(jié)等領域應用廣泛。1926年，18%Cr-8%Ni型不銹鋼（AISI304）首先被用作骨科植入材料，隨后在口腔科中也得到應用。到1952年，含有2%Mo的AISI316不銹鋼在臨床上獲得應用，并逐漸取代了304不銹鋼。為了解決不銹鋼的晶間腐蝕問題，20世紀60年代，具有良好生物相容性、力學性能和更優(yōu)耐腐蝕性能的超低碳不銹鋼AISI316L和AISI317L開始在醫(yī)學領域中得到應用。醫(yī)用不銹鋼特別是植入用不銹鋼，其中的Ni和Cr等合金元素含量均高于普通不銹鋼，S和P等雜質(zhì)元素含量要低于普通不銹鋼。然而，醫(yī)用不銹鋼也存在一些問題，如高密度、高強度以及高彈性模量等特性會因與骨組織的力學性能相差較大而導致力學相容性不夠匹配，從而引起應力遮擋效應，易導致骨質(zhì)疏松、骨吸收等現(xiàn)象發(fā)生；在生物環(huán)境中，不銹鋼還存在腐蝕或磨蝕問題，腐蝕可能會對不銹鋼力學性能和生物相容性產(chǎn)生強烈的影響，不僅會影響到材料或器件的使用壽命，還可能由于金屬溶出物引起種植體周圍組織的局部壞死和炎癥反應。鈷基合金通常指Co-Cr合金，有Co-Cr-Mo合金和Co-Ni-Cr-Mo合金2種基本牌號，其微觀組織為鈷基奧氏體結構，能夠鍛造或鑄造，機械性能和耐蝕性優(yōu)于不銹鋼，是現(xiàn)階段比較優(yōu)良的生物醫(yī)用金屬材料。鍛造鈷基合金用于制造關節(jié)替換假體連接件的主干，如膝關節(jié)和髖關節(jié)替換假體等。美國材料實驗協(xié)會推薦了4種可在外科植入中使用的鈷基合金：鍛造Co-Cr-Mo合金（F76）、鍛造Co-Cr-W-Ni合金（F90）、鍛造Co-Ni-Cr-Mo合金（F562）、鍛造Co-Ni-Cr-Mo-W-Fe合金（F563），其中F76和F562已廣泛用于植入體制造。不過，合金中Co、Ni等離子的溶出，也會引起過敏和毒性反應，造成組織壞死和植入物的松動。鈦合金具有良好的耐蝕性、力學性能和生物相容性，成為最具發(fā)展前景的醫(yī)用金屬材料。純鈦無毒、質(zhì)輕、強度高、生物相容性好，20世紀50年代美國和英國開始把純鈦用于生物體，20世紀60年代后，鈦合金開始作為人體植入材料而廣泛應用于臨床。從最初的Ti-6Al-4V到隨后的Ti-5Al-2.5Fe和Ti-6Al-7Nb合金以及近些年發(fā)展起來的新型β鈦合金，鈦合金在人體植入材料方面的研究獲得了較快的發(fā)展。但醫(yī)用鈦合金的生物相容性長期以來沒有形成綜合的、標準的評價體系，研究目標針對性不強，影響了醫(yī)用鈦合金材料的研發(fā)和應用。例如，Ti-6Al-4V雖然力學性能優(yōu)于純鈦，其中Al和V卻具有潛在毒性，因此將來的應用將受到限制，目前對于Ti-6Al-4V的研究主要集中在Al和V的替代以及耐蝕性的影響因素上。2、高分子材料高分子材料在生物醫(yī)用領域的應用極為廣泛，可分為非降解型和可降解型。非降解型醫(yī)用高分子材料主要包括聚氨酯、硅橡膠、聚乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯等，它們大多化學穩(wěn)定性好，具有良好的耐化學藥品及耐有機溶劑的性能。這類材料廣泛用于韌帶、肌腱、皮膚、血管、人工臟器、骨和牙齒等人體軟、硬組織及器官的修復和制造、粘合劑、材料涂層、人工晶體等，但其大多數(shù)不具有生物活性，與組織不易牢固結合，易導致毒性、過敏性等反應。以聚氯乙烯為例，其聚合度約在590-1500（BP數(shù)均分子量約為3.6-9.3萬），可溶于二甲基甲酰胺、環(huán)己酮、四氫呋喃等溶劑，機械性能和電性能良好，但耐光和熱的穩(wěn)定性較差，軟化點為80℃，于130℃開始分解變色，析出氯化氫。聚氯乙烯制品分為軟制品和硬制品兩類，常用鄰苯二甲酸二丁酯、鄰苯二甲酸二辛酯等增塑劑改善其性質(zhì)，但增塑劑能使聚氯乙烯的抗張強度降低。21世紀以來發(fā)現(xiàn)單體氯乙烯有致癌毒性，許多國家規(guī)定醫(yī)用及食品包裝用聚氯乙烯制品的氯乙烯殘留量必須小于1ppm，溶出量小于0.05ppm。聚四氟乙烯有“塑料王”之稱，是最好的耐高溫塑料，結晶熔點高達327℃，幾乎完全是化學惰性的，具有自潤滑性或非粘性，不易被組織液浸潤，具有優(yōu)良的耐化學藥品性能、電性能、表面性能與物理機械性能，不易凝血、植入后組織反應小，廣泛用于人工器官與組織修復材料、醫(yī)用縫合線、醫(yī)療器械材料等方面?？山到庑透叻肿硬牧先缒z原、脂肪族聚酯、甲殼素、纖維素、聚氨基酸、聚乙烯醇、聚乳酸、聚己內(nèi)酯、聚磷腈等，能在生理環(huán)境中發(fā)生結構性破壞，且降解產(chǎn)物能通過正常的新陳代謝被機體吸收或排出體外，主要用于藥物釋放載體及非永久性植入器械。例如，聚乳酸（PLA）具有良好的生物相容性和可降解性，其降解產(chǎn)物為乳酸，可參與人體的新陳代謝，被廣泛應用于縫合線、骨固定材料、藥物緩釋載體等領域。在人工器官方面，醫(yī)用高分子材料發(fā)揮著重要作用。例如，硅橡膠具有無毒、無腐蝕、不引起凝血、不致癌、不致敏，注入或在人體內(nèi)使用后不會引起周圍組織炎癥和變態(tài)反應等特性，與人的機體相容性好，并可耐受苛刻的消毒條件，是一種理想的醫(yī)用高分子材料，常用于制造人造瓣膜、人造心臟、人造血管等。在藥物載體領域，高分子材料可實現(xiàn)藥物的控釋與靶向輸送，提高藥物療效，降低毒副作用。如聚乳酸-羥基乙酸共聚物（PLGA）制成的納米粒可包裹抗癌藥物，實現(xiàn)對腫瘤組織的靶向遞送，增強治療效果。3、復合材料復合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料通過物理或化學的方法組合而成，兼具多種材料的優(yōu)勢，能夠克服單一材料的局限性，在生物醫(yī)用領域展現(xiàn)出獨特的性能。常見的生物醫(yī)用復合材料包括纖維增強復合材料、陶瓷基復合材料、金屬基復合材料等。纖維增強復合材料以其高強度、高模量以及良好的生物相容性備受關注。例如，連續(xù)碳纖維增強聚醚醚酮（PEEK）復合材料，國內(nèi)已有企業(yè)將其用于制作骨外固定器中的連接桿，該復合材料強度極高，表現(xiàn)出重量輕、X光射線通透性好等優(yōu)異性能，生物相容性較好，與人體長期接觸安全無害，其彈性模量接近人體皮質(zhì)骨，而拉伸強度優(yōu)于傳統(tǒng)金屬材料如317L不銹鋼和鈦合金，承載能力強，固定牢靠，應用后骨折愈合快，患者使用輕便，負擔小，有望替代金屬材料，成為新型的骨修復材料。連續(xù)碳纖維增強聚烯烴復合材料作為體內(nèi)植入材料，對骨折內(nèi)固定及促進愈合的效果較好，且在放射性診斷和治療過程中優(yōu)勢突出，由于碳原子序數(shù)較低，射線對其作用效果與人體相當，在放射性定位診斷過程中，碳纖維植入物對圖像質(zhì)量影響很小，在放射性治療中，等劑量的射線穿過碳纖維植入物后衰減遠小于不銹鋼和鈦合金植入物，不會造成射線的衰減，進而導致骨腫瘤的放射劑量不足。陶瓷基復合材料將陶瓷的高硬度、耐磨性與其他材料的韌性相結合，提升了材料的綜合性能。比如，在生物陶瓷中加入碳纖維或聚合物纖維制成的復合材料，既保留了生物陶瓷良好的生物相容性和與人體骨骼成分相似的特性，又增強了其力學強度，可用于骨缺損修復、人工關節(jié)表面涂層等領域，為骨科治療提供了更優(yōu)質(zhì)的解決方案。金屬基復合材料以金屬為基體，加入陶瓷、纖維等增強相，使材料兼具金屬的優(yōu)良加工性能和增強相的特殊性能。例如，鈦基復合材料，在鈦合金中加入硼纖維、碳化硅纖維等增強相，提高了材料的強度、硬度和耐磨性，同時保持了鈦合金良好的生物相容性，適用于制造高性能的骨科植入物和牙科修復材料。這些復合材料在骨科、牙科、心血管等多個領域都有廣泛應用。在骨科領域，可用于制造人工關節(jié)、骨折固定器械、骨缺損修復材料等，通過優(yōu)化材料的力學性能和生物相容性，更好地滿足臨床需求，促進骨骼的修復與再生；在牙科領域，用于牙種植體、烤瓷牙等修復材料，提高修復效果和使用壽命；在心血管領域，可制備血管支架等介入器械，具備良好的生物相容性和力學性能，減少再狹窄等并發(fā)癥的發(fā)生。4、無機材料無機材料在生物醫(yī)用領域具有獨特的地位，主要包括生物陶瓷、生物玻璃等，它們以良好的生物相容性、化學穩(wěn)定性和與人體組織的相似性為特點。生物陶瓷是一類用作修復和重建人體患病或受損部位的陶瓷材料，由于其具有良好的生物相容性和與人體骨骼成分相似等獨特優(yōu)勢，逐步從骨填充替代材料發(fā)展到骨組織工程材料，是組織工程材料的研發(fā)重點。羥基磷灰石（HA）是最常見的生物陶瓷之一，其化學成分與人體骨骼中的無機成分相似，因此具有極高的生物相容性和生物活性，被廣泛用于骨缺損修復、骨折固定等領域，可作為骨移植材料，提供穩(wěn)定的物理和化學環(huán)境，促進骨組織的再生。生物活性玻璃（BG）是一種硅酸鹽玻璃，能夠在植入體內(nèi)后與骨組織形成牢固的化學結合，促進骨組織的生長，可用于骨缺損填充、人工關節(jié)涂層等。三鈣磷酸鹽（TCP）是一種可降解的生物陶瓷，能夠在骨組織修復過程中逐漸被吸收，為新骨的形成提供空間，適用于兒童骨缺損修復等對骨生長速度要求較高的場景。硅酸鈣（CS）是一種具有良好生物相容性的生物陶瓷，能夠促進骨細胞的增殖和分化，加速骨缺損的修復。生物玻璃具有獨特的生物活性和可降解性，在與人體體液接觸時，能夠在表面形成一層具有生物活性的羥基磷灰石層，進而與周圍組織形成化學鍵合，促進細胞黏附、增殖和分化。例如，45S5生物玻璃，其組成為45%SiO?、24.5%Na?O、24.5%CaO和6%P?O?，在植入體內(nèi)后，能迅速與體液發(fā)生反應，釋放出鈣、磷等離子，這些離子可促進周圍組織的礦化，引導骨組織生長，常用于牙周骨缺損修復、中耳骨修復等小型骨缺損修復場景。然而，生物陶瓷和生物玻璃也面臨一些挑戰(zhàn)，如生物陶瓷的機械性能通常低于金屬和聚合物材料，這限制了它們在承受高負荷的骨缺損修復中的應用；其降解速率需要與骨組織的生長速率相匹配，過快或過慢的降解速率都可能影響骨缺損的修復效果；生物玻璃的制備工藝相對復雜，成本較高，限制了其大規(guī)模應用。為了克服這些挑戰(zhàn)，科研人員正在通過材料設計、表面改性技術、開發(fā)新的制造技術等手段，不斷優(yōu)化無機材料的性能，拓展其應用范圍。5、再生材料再生材料源于天然生物體組織，經(jīng)過特殊處理后保留了生物活性成分，具有獨特的生物相容性和誘導組織再生的能力，能夠更好地與人體自身組織融合，減少免疫排斥反應。與其他材料相比，再生材料的最大優(yōu)勢在于其生物活性和組織特異性。例如，脫細胞基質(zhì)材料，是通過去除組織中的細胞成分，保留細胞外基質(zhì)（ECM）的結構和生物活性分子，如膠原蛋白、纖連蛋白、生長因子等。這些ECM成分能夠為細胞提供天然的生長環(huán)境，引導細胞黏附、遷移、增殖和分化，促進受損組織的修復與再生。在皮膚修復領域，脫細胞真皮基質(zhì)可作為創(chuàng)面覆蓋材料，為皮膚細胞的再生提供支架，加速創(chuàng)面愈合，減少瘢痕形成；在神經(jīng)修復方面，脫細胞神經(jīng)基質(zhì)能夠為神經(jīng)細胞的生長提供導向，促進神經(jīng)再生，有望改善神經(jīng)損傷患者的預后。來源于同種異體或異種異體的組織工程材料也是再生材料的重要組成部分。經(jīng)過嚴格的處理工藝，去除免疫原性成分后，這些材料保留了組織的天然結構和部分功能，可直接用于組織修復。例如