生物陶瓷在軟組織組織工程和再生醫(yī)學領域有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
生物陶瓷可以是硬邦邦的陶瓷牙冠，也可以成為融入機體的“活”的材料。
不久前，中科院上海硅酸鹽研究所研究員常江在國際學術期刊Materials Today發(fā)表綜述文章，總結(jié)了近年來生物陶瓷的研發(fā)進展。他表示生物陶瓷不僅能用于硬組織修復，在軟組織組織工程和再生醫(yī)學領域也有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
越來越多的證據(jù)表明，生物陶瓷具有調(diào)節(jié)干細胞分化和干細胞與組織特異性細胞（包括軟組織細胞）相互作用的生物活性。“調(diào)控血管的生長、促進脂肪的再生、修復受損的皮膚或其他軟組織創(chuàng)傷等，都將是生物陶瓷很有前景的應用方向。”常江對《中國科學報》記者說。
從“無生命”到“有生命”
在人體內(nèi)植入無生命的人工材料，就能誘導生命組織器官再生，調(diào)動人體自身修復功能。這種看似遙不可及的場景，因為生物陶瓷活性的增強，進一步變?yōu)楝F(xiàn)實。
中國工程院院士、四川大學教授張興棟就曾向記者展示了一種骨誘導性人工骨生物材料，將它植入人體后，能調(diào)動人體自身的康復功能，形成新的組織，既無異物反應，又可實現(xiàn)人體的永久性康復。
這種人工骨生物材料就是多孔磷酸鈣生物陶瓷，是組織誘導性生物材料的一種。經(jīng)過多年研究，張興棟發(fā)現(xiàn)，多孔磷酸鈣生物陶瓷不僅具有良好的生物相容性，在一定條件下還表現(xiàn)出骨誘導性，即不用外加生長因子或活體細胞就可以誘導骨組織生成。
“骨修復采用自體骨是最好的，但是自體骨來源有限，所以如果能夠做出與自體骨很接近的材料，那就太理想了。”清華大學再生醫(yī)學與仿生材料研究所所長崔福齋也一直致力于生物陶瓷的研究。他告訴《中國科學報》記者，他們實驗室就以膠原蛋白和羥基磷灰石為原料做出生物陶瓷人工骨，植入人體后能夠像自體骨一樣在體內(nèi)轉(zhuǎn)化，促進骨細胞生長，形成新的組織，而陶瓷本身則會逐漸降解消失。
“骨修復材料如果在體內(nèi)不能夠降解，那它就永遠是個異物。”崔福齋說，如何提高生物陶瓷的生物活性是當下的研究熱點，比如在陶瓷中加入生長因子或干細胞等。常江也表示，生物陶瓷釋放的不同的生物活性離子，對干細胞微環(huán)境和組織再生具有組合或協(xié)同作用，這將有助于設計具有多種組織修復功能的生物陶瓷。
“生物陶瓷不只用做簡單地物理替換，從再生醫(yī)學的角度，大家更關注生物陶瓷產(chǎn)生的生物學效應，即這個材料本身可能會直接影響細胞，影響人體組織的再生，這將發(fā)生本質(zhì)的變化。”常江表示，生物陶瓷研究的國際趨勢就是，不單要增強它的生物活性，還需要發(fā)掘它的新的生物功能，拓展新的應用。
從“硬組織”到“軟組織”
常江認為，近幾年，生物陶瓷最大的科研進展之一就是從硬組織的替代應用拓展到了軟組織的再生修復，軟組織修復也將是生物陶瓷一個非常有前景的重大方向。
“絕大多數(shù)生物陶瓷都是用于骨和牙齒等硬組織修復，但現(xiàn)在通過生物學效應發(fā)現(xiàn)，生物陶瓷還能夠調(diào)控細胞，很好地促進創(chuàng)傷愈合，也可以促進其它一些軟組織，包括心肌、皮膚、脂肪的再生，還能夠促進干細胞分化，用于各種不同的軟組織修復。”常江說，“因為很多軟組織創(chuàng)傷的修復都需要血管的生長，如果生物陶瓷材料能夠促進血管的再生，就可以修復更多的軟組織創(chuàng)傷。”
另外，“從臨床適應癥的角度，有成千上萬不同的應用模式，不同的組織所需要的材料千差萬別，不同的細胞對材料的活性要求也不一樣，修復骨頭和修復心肌、皮膚或者肝臟，都有不同的要求。”常江告訴記者，他們?yōu)榇私⒘艘粋�材料庫，以生物活性為核心做出各種不同組成的材料，針對不同的臨床應用，篩選最合適某種細胞的活性材料，然后把它做成臨床應用最需要的形式。
從原材料的角度，用于組織再生的生物陶瓷除了磷酸鹽陶瓷，如羥基磷灰石、磷酸三鈣及多聚磷酸鈣，還有多種硅酸鹽陶瓷以及碳酸鈣、硫酸鈣等。常江表示，從修復硬組織拓展到軟組織，很多時候需要采用有軟有硬的復合材料。“有的需要做成創(chuàng)可貼一樣的膜，有的需要做成一個管子，比如修復神經(jīng)或者修復血管等，如果是局部的修復，可能還需要做成像水凝膠、果凍一樣的材料，直接用針注射到需要修復的地方。”
常江還表示，未來，生物陶瓷研究需要實現(xiàn)控制材料各種參數(shù)的精準化，比如材料的結(jié)構(gòu)、化學組成、力學特性等，這是決定材料生物學效應的關鍵。“要想實現(xiàn)這些，光靠一種方法可能不夠，還需要多種方法的組合，或者研發(fā)更適應某些材料的特種制備技術，比如3D打印就是重點方向之一。”
從“單學科”到“多學科”
目前，生物陶瓷在性能上還不能滿足很多臨床需求，比如材料的牢度、穩(wěn)定性、力學強度和組織的匹配性等，這就要求科研人員更深入研究材料的生物活性的機理，找出它對干細胞調(diào)控以及對組織再生調(diào)控的原理，據(jù)此進一步設計合適的材料。
常江表示，生物材料本身就是一個最典型的交叉學科，如果純靠做材料，實現(xiàn)上述目標就會很難，要想取得更大的突破，深層次的交叉合作才是關鍵。
“以前，做干細胞的人只是從生物學或醫(yī)學角度考慮，對材料興趣不大，而現(xiàn)在越來越多的人發(fā)現(xiàn)，材料對干細胞技術發(fā)展作用很大，這也使得他們有興趣找材料界合作。”常江告訴記者，“干細胞放到體內(nèi)去治療的時候會遇到很多障礙，比如在體內(nèi)有可能被免疫細胞吃掉了，或者環(huán)境改變之后，干細胞會死掉，或者無法停留在需要治療的位置。那么，其中一個解決的方法就是找到一個好的材料，把細胞包裹在里面，再遞送到體內(nèi)，而這就是我們材料科學的優(yōu)勢。”
“比如，我們可以把材料做成膜，在上面種上細胞之后貼在身體需要的地方；或者可以做成水凝膠，把細胞包裹進去之后注射到需要治療的地方并停留在那里。如果你的材料選得好，里面的細胞就會活得更好，具有更強的再生功能。”常江說。
近日，在由國際生物材料科學與工程學會聯(lián)合會主辦的“2018生物材料定義會”上，張興棟建議的“組織誘導性生物材料”經(jīng)大會投票通過后作為新定義列入了“生物材料定義”，這也是由我國科學家首次提出的生物材料定義。張興棟對此解釋說，材料植入人體后，可以刺激人體發(fā)生特定反應，調(diào)動人體的自我完善修復功能，再生人體組織或器官。
“有機結(jié)合各個學科的知識，才能碰撞出新的思想。”張興棟表示，生物材料是一個多學科交叉的領域。隨著科技的快速發(fā)展，全球生物材料領域已經(jīng)發(fā)生了翻天覆地的變化，新材料、新技術和新領域大量涌現(xiàn)，萌生的新領域需要規(guī)范化和制定新的定義，才能使生物材料科學與產(chǎn)業(yè)正常發(fā)展。
