8.1 生物医学工程晶须材料概述
生物医学材料按材料在生理环境中的生物化学反应水平分为惰性生物医用材料、活性生物医用材料、可降解和吸收的生物医用材料。生物医用材料按用途可分为骨、牙、关节、肌腱等骨骼-肌肉系统修复材料，皮肤、乳房、食道、呼吸道、膀胱等软组织材料，人工心瓣膜、血管、心血管内插管等心血管系统材料，血液净化膜和分离膜、气体选择性透过膜、角膜接触镜等医用膜材料，组织黏合剂和缝线材料，药物释放载体材料，临床诊断及生物传感器材料，齿科材料等。
由先天性、创伤、感染、骨病、骨肿瘤及手术切除等造成的骨缺损十分常见，工业、交通、体育事业等的高速发展以及全球人口老龄化程度加剧导致了人体骨组织缺损或功能障碍。由于骨缺损位点存在骨与血管的再生困难以及感染等问题，一直是整形外科临床工作的难点，因此临床对骨替代材料的需求与日俱增。在传统上外伤引起的感染，单纯通过无菌技术是不能完全避免术后感染的，在一定程度上细菌以骨植入材料为生存载体并在其表面形成菌膜，引发术后感染而减缓愈合过程。目前，全球医用植入体的患者已逾3 000万人。
人体自然骨是由磷灰石和高分子胶原纤维组成的无机-有机复合物，钙磷盐（CaP）也是脊椎动物骨骼和牙齿的主要无机成分。骨植入和修复材料大致可分为自体骨、同种异体骨、异种骨和人工合成的复合材料。自体骨移植受自身供体有限性的限制而几乎不用；自体骨或异体骨都存在着增加手术并发症、材料来源有限、传播疾病或免疫排斥反应等问题，其临床应用受到了一定的限制；同种异体骨，虽成骨效果较好，但是也存在排异反应和病毒感染的风险，而且由于来源有限，难以实现在临床上大量使用；异种骨由于排异反应较大，很少使用。在骨缺损修复和再生领域，由于骨缺损位点存在骨与血管的再生困难以及感染等问题，一直是整形外科临床工作的难点。因此，寻找一种理想的骨移植替代材料一直是人们努力的目标。
理想的骨组织工程材料的要求与生物体组织有相似的化学组成和结构，有良好的生物相容性、生物活性、生物降解性、可塑性、传导性甚至美观性。良好的材料-细胞界面，能与组织在界面上形成很强的化学键性结合，植入后对组织无刺激和排斥等毒副作用等。
人工合成的生物医学晶须材料可提供有助于成骨细胞的黏附、增殖及功能的发挥并且与天然骨相类似的微环境，它不仅可以直接作为骨缺损修复材料，也是很好的骨组织工程载体材料，为骨组织工程的发展开拓了广阔的前景。
生物医学晶须材料在骨组织工程领域已有很多成功的应用案例，骨组织工程的基本方法是将分离的自体高浓度成骨细胞、骨髓基质细胞或软骨细胞，经体外培养扩增后，种植于一种天然或人工合成的具有良好生物相容性并可被人体逐步降解吸收的细胞支架上，这种细胞支架材料为细胞提供了生存的三维空间，使细胞按预制形态的三维支架生长，有利于细胞获得足够的营养物质，进行气体交换，排除废料，然后将这种细胞支架材料复合体植入骨缺损部位，在材料逐步降解的同时，种植的骨细胞不断增殖，从而达到修复骨组织缺损的目的。
晶须口腔学和骨外科学等领域用途可以分为生物惰性、生物活性或生物降解材料。临床医学领域长期以来广泛使用的骨组织修复的材料主要有：金属或合金材料（如轻金属及其合金等）、生物活性陶瓷、无机晶须材料（羟基磷灰石等）、天然高分子材料（如胶原、丝蛋白、纤维素、壳聚糖等）、合成高分子材料（聚氨醋、聚酯、聚乳酸、聚乙醇酸、乳酸乙醇酸共聚物及其他医用合成塑料和橡胶等）和复合材料（碳纤维/聚合物、珊瑚、玻璃纤维/聚合物等）等。
将金属、陶瓷、高分子等基体材料通过复合或加入其他增强材料制备得到了骨修复复合材料，提高了骨修复复合材料的可设计性，可根据不同的应用需求调节基体材料与增强材料之间的比例，合成具有优异综合性能的骨修复材料，为获得与人体骨组织相近结构、性能的生物医学材料提供了一种新的途径。比如，金属-有机骨架（MOF）也被称为配位聚合物，是一种新型的有机-无机杂化晶态多孔材料，由金属离子或者金属离子簇作为节点，多配位点的有机配体作为连接点，通过配位作用自组装形成高度规则的网状骨架结构。纤维增强复合材料可以看作是在基体相中均匀分布着多晶纤维或晶须。这类材料应用很广，如塑料基复合材料（玻璃纤维增强尼龙、增强聚丙烯、增强苯乙烯等）。橡胶基复合材料（合成纤维或玻璃纤维增强橡胶等）和金属基复合材料（硼纤维或碳纤维增强铝等）。纤维（晶须）增强陶瓷复合材料则是同陶瓷作基体相的一种新型材料。如氮化物纤维增强氧化铝、碳化硅连续纤维增强氮化硅、碳纤维增强氮化硅等复合材料。
但是，金属、包括金属纤维、金属间化合物增强的HAP陶瓷植入人体后，在生化环境中存在腐蚀和生物惰性，含钼骨修复不锈钢耐生化腐蚀性比普通不锈钢强，但又高出骨组织太多而造成应力屏蔽，有毒金属离子是金属基生物材料的又一大难题。在陶瓷材料方面，无机陶瓷材料生物活性陶瓷是一种理想的骨组织工程材料，为再生修复骨缺损提供了有效治疗方法。主要包括硫酸钙填料、惰性生物陶瓷、生物活性陶瓷和可吸收陶瓷等几大类，如Al2O3、ZrO2、SiC和Si3N4增强HAP陶瓷。但陶瓷材料在湿环境中会产生热膨胀失配，而且材料的强度和生物活性似乎不能兼得，此外陶瓷材料的脆性影响了在临床上的应用。为了提高陶瓷材料的综合性能，并综合考虑材料的生物相容性、生物活性和材料的机械性能，HAP纤维/晶须与HAP的合成材料与陶瓷复合材料是将来硬组织置换种植体最合适的材料之一。
学者们将羟基磷灰石晶须与不同种类的生物活性陶瓷材料复合，发现晶须不仅增强了复合后生物陶瓷的机械性能，甚至提高了生物活性；在高分子材料方面，应用在骨科修复的高分子材料大体上可以分为两种，即天然高分子材料和合成高分子材料。骨科高分子材料一般没有毒性，但是生物活性较低，材料强度相比骨组织也相差较远。所以，人们利用这些材料各自的优劣而发展了许多新的工艺和方法合成出了各种各样的复合材料，将各性质不同的材料以巧妙的方法搭配复合，以期望材料之间互相取长补短，满足不同的应用情况。新的工艺如纳米复合、梯度复合、3D打印等已经逐渐成为骨科修复材料的主流，例如左旋聚乳酸/羟基磷灰石晶须/胶原液晶支架，左旋聚乳酸/羟基磷灰石晶须/胶原液晶支架的制备与表征生物降解性、生物相容性、以及良好的力学和加工性能，组织工程的目标是复制和再造人体组织与器官，其通过将活细胞接种于生物支架材料后再植人体内以实现修复和替代缺损组织。这些材料通过长期植入、短期植入、表面修复分别用于硬组织和软组织修复与替换。对长期植入的材料，其生物稳定性要好；对于暂时植入的材料，要求在确定时间内降解为可被人体吸收或代谢的无毒单体或片段。还要求物理和力学性质稳定、易于加工成型、价格适当。便于消毒灭菌、无毒无热源、不致癌不致畸也是必须考虑的。对于不同用途的材料，其要求各有侧重。近年来，随着组织工程的发展，往往利用多孔、可降解生物支架承载细胞，使之构建含基因信息的活性载体，通过植入人体达到修复骨组织的目的。
硫酸钙被用于骨缺损处的填充和修复已有100多年的历史。1892年，Dreesman首次将硫酸钙骨支架材料应用于临床医学填充骨组织缺损。1995年，美国Wright医疗器械公司通过控制α-半水硫酸钙化合物晶粒的大小和形状，成功研制了医用外科级硫酸钙骨支架材料Osteoset，该产品为晶体大小和形状一致性的医用外科级α-半水硫酸钙，具有可控制的降解率，降解周期与骨组织的生长相一致的特点。该产品Osteoset已于1996年6月得到美国食品药品监督管理局（FDA）的批准，同年获得了欧洲CE标志。此后，这种材料已被上万的临床病例所验证，结果表明硫酸钙骨支架材料是安全和有效的骨组织工程支架材料。随后，美国Wright医疗器械公司又成功研制出了用于微创的可注射性的硫酸钙骨支架材料，注射入骨缺损区域，大约5 min后开始固化，更便于临床的操作。1961年，Peltier报道用硫酸钙骨支架材料填充骨缺损并成功地治疗了20例骨囊肿和骨髓炎患者，表明硫酸钙骨支架材料不仅具有优良的组织细胞相容性，而且不会对有感染的骨组织缺损产生不利影响。目前我国骨缺损修复领域所用硫酸钙基材料，约90%以上采用美国Wright医疗器械公司的相关产品，因此将其国产化将具有极其广阔的市场前景（图8.1）。
图8.1 硫酸钙基骨修复材料
此外还有：基于纳米纤维织物和纤维素晶须的仿生矿化构建骨修复材料。MOF及复合材料的特殊性能促进其在生物医学领域的应用，包括种植体表面涂层改性、药物载体、储存气体、辅助生物体内显影成像等。Yu Jian等于2014对新型羟基磷灰石晶须/纳米氧化锌生物材料的合成、表征、抗菌活性及机理研究，还有其他学者利用扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）和X射线衍射仪（XRD）对该材料进行了表征和分析。