生物材料与组织工程，人工器官庄颖（14209211）（东南大学经济管理学院，南京 210000）摘要：本文就生物材料，组织工程，人体器官技术的实际应用和发展情况，分别阐述了它们的背景及意义，研究及应用现状。
关键字：生物材料；组织工程；人体器官1．生物材料生物材料是人工器官和人体替代材料的物质基础。
未来世界是人造世界，社会人口构成日趋老龄化，人体器官和组织的人工化是必由路。
1.1 生物材料的定义生物材料是一类具有特殊性能、特殊功能，用于人工器官、外科修复、理疗康复、诊断、检查、治疗疾患等医疗保健领域，而对人体无毒，无副作用，不凝血，不溶血，不引起人体细胞的突变，畸变和癌变，不引起免疫排异反应的材料。
而第六届国际生物材料年会给生物材料定义为：生物材料是一种植入躯体活系统内或与活系统相结合而设计的物质，它与躯体不起药理反应。
这一定义规定了生物材料是指置换或恢复活组织及其功能，对机体呈生理惰性的植入材料。
1.2 生物材料的研究内容（1）生物体生理环境、组织结构、器官生理功能及其替代方法的研究；（2）具有特种生理功能的生物医学材料的合成、改性、加工成型以及材料的特种生理功能与其结构的关系的研究；（3）材料与生物体的细胞、组织、血液、体液、免疫内分泌等生理系统的相互作用以及减少材料毒副作用的对策研究；（4）材料灭菌、消毒、医用安全评价方法与标准以及医用材料与制品生产管理与国家管理法规的研究。
1.3 生物医学材料的性能要求和分类生物材料实质上是一种特殊的功能材料。
是一类与人类生命和健康密切相关的新材料。
凡是应用于人体的生物材料都应具有良好的生物性能，这是保证其临床安全有效应用的重要技术指标。
生物功能性和生物相容性是评价生物医学材料最终能否应用于人体的两个最基本的标准。
生物功能性：生物医学材料应具有良好的物理、化学和机械性能，以行使所替代、器官的生理功能。
生物相容性：机体组织对材料的影响（如：老化，降解，腐蚀等）和材料对机体产生的生物危害性（如：过敏，毒性，致畸性，致癌性等）。
一般来说，它的分类有4种，分别为：按医用材料的来源，按医用材料的性质，按医用材料的在人体使用部位，按医用材料的使用要求。
2.组织工程组织器官的缺损或功能障碍是人类健康所面临的主要危害之一，也是引起人类疾病死亡的主要原因。
如：皮肤遭受严重烧伤以及糖尿病顽固性皮肤溃疡；由于创伤、感染、先天性疾病导致骨缺损、畸形等。
随着细胞生物学、分子生物学、材料科学及相关物理化学学科的发展，人们提出了组织工程的概念。
2.1组织工程的定义它是应用生命科学与工程学的原理与技术，在正确认识哺乳动物的正常及病理两种状态下的组织结构与功能关系的基础上，研究、开发用于修复、维护、促进人体各种组织或器官损伤后的功能和形态的生物替代物的一门新兴学科。
它的核心在于建立细胞与生物材料的三维空间复合体，即具有生命力的活体组织，用以对病损组织进行形态、结构和功能的重建并达到永久性替代。
2.2组织工程原理和方法（1）从机体获取少量的活体组织，用特殊的酶或其它方法将细胞（又称种子细胞）从组织中分离出来并在体外进行培养扩增；（2）将扩增的细胞与具有良好生物相容性、可降解和可吸收的生物材料按一定的比例混合，使细胞粘附在生物材料上形成细胞-生物材料复合物；（3）该生物材料所形成的三维结构不但为细胞获取营养、生长和代谢提供了一个有利的空间，也为植入的细胞分泌细胞外基质并最终形成相应的组织或器官提供了一个良好的环境。
（4）然后将此细胞-生物材料复合物植入机体的组织或器官病损部位。
（5）随着生物材料在体内被逐渐降解和吸收，植入的细胞在体内不断增殖并分泌细胞外基质，最终形成新的具有与自身功能和形态相应的组织和器官。
（6）这种具有生命力的活体组织能对病损组织进行形态、结构和功能的重建并达到永久性替代。
2.3组织工程的主要研究内容（1）种子细胞其主要特征为：①高增殖能力，低分化程度；②能建立稳定的标准细胞系；③尽可能低的抗原性。
（2）支架材料它的目的是为构建组织的细胞提供一个三维支架，有利于细胞的粘附、增殖乃至分化，为细胞生长提供合适的外环境。
其特点在于良好的生物相容性，适度的生物降解速率，良好的结构相容性和良好的表面相容性。
（3）细胞生长因子生长因子是通过细胞间信号传递影响细胞活动的一类多肽因子，它对细胞具有促进或抑制其分裂增殖、迁移和基因表达的作用。
生长因子的作用具有专一性，对于不同的细胞和组织、器官需选用不同的生长因子目前，细胞生长因子正面临着两大难题，即使生长因子维持活性和保持生长因子有效作用浓度。
因此，外源性生长因子的控制释放研究就成为关键。
（4）组织构建（5）生物材料与细胞的相互作用2.4我国组织工程的研究现状及进展（1）1995年起资助和启动了组织工程及相关领域的研究。
（2）1996年世界上第一个在裸鼠背上复制“人耳”形成了人耳廓形态软骨的试验由曹谊林教授完成。
（3）1999年，以上海第二医科大学曹谊林教授为首席科学家的《组织工程基本科学问题》列入“国家重点基础研究规划”项目(即“973”)。
2.5 组织工程研究与开发的需求分析组织和器官的损伤或功能衰竭是人类健康面临的一大难题，并由此用去美国年度医疗经费总额的一半。
对组织和器官的损伤或功能衰竭的治疗包括：器官移植（同种或异种移植）、外科修复、人工假体、机械装置，在少数情况下，也可选用药物治疗。
伴随医学科学的发展，器官移植技术已经较为广泛地应用于临床，但至今器官移植仍存在一些问题，其中最严重的是器官和组织短缺，供体不足，同时，上述治疗方案最终仍难以修复受到损伤的组织或器官或使之功能得到长期恢复。
对组织和器官的损伤、功能衰竭来说，组织工程学是一种重要的潜在替代治疗措施，有望最终解决这个问题。
当组织和器官损伤或功能衰竭时，组织工程技术采用植入天然的或合成性／半合成性组织或器官代用品的方式进行治疗，这种方式可以在植入初期已经具有组织或器官的全部功能，或在体内生长的过程中逐步具有需要的组织或器官的功能。
组织工程的应用范围相当广泛，包括结构组织的修补，器官移植与人工器官替换，还有药物传递、细胞治疗等。
采用组织工程的治疗，具备复原快、减少手术、改善病人生活品质、降低住院及医疗费用等优点，因此，组织工程将是二十一世纪具有巨大潜力的高技术产业，成为二十一世纪医学发展的重要方向之一。
3.人工器官3.1 人工器官的定义指暂时或永久性地代替身体某些器官主要功能的人工装置。
使用较广泛的有：①人工肺（氧合器）②人工心脏（血泵）③人工肾（血液透析器）。
人工器官是指当人体因疾病或创伤而导致器出严重不可修复的病变时，用模拟器官功能的人工装暂时或永久替代已基本失功能的病变器官。
人工器官可以分为内藏型和外置型。
前者如人工关节、人工心脏起搏器、人工心脏、人工肝、人工肺等。
后者如人工肾血液透析机，人工肺等。
3.2 人工器官的特点，实例及研究现状人工器官临床应用的终极意义，就在于拯救生命，减轻痛苦和折磨。
目前，人工器官只能模拟被替代器官1～2种维持生命所必需的最重要功能，尚不具备原生物器官的一切天赋功用和生命现象，但它拓宽了疾病治疗的途径，增加了病人获救的机会，已经并仍在继续使越来越多的患者受益。
中国研制的电子喉公重20克，发音清晰，音量可控，且男女声可辨。
人造假肢可上举约22公斤的重物。
使用人工肾业已成为肾功能衰竭末期病人的常规治疗手段，急性肾功能衰竭者采用人工肾治疗后死亡率已由75%降低到7%以下。
目前人工肾研制的发展方向是要求其透析性能高，体积小，能佩带甚至能体内植入。
埋藏式人工心脏正逐步走向临床试用阶段，1982年底，美国犹他大学医疗中心的德弗利斯博士为一位61岁的退休牙医克拉克安置了世界上第一个永久性人工心脏，使病人活了112天。
人们目前已经制成的人工器官有心脏、皮肤、骨骼、肾、肝、肺、喉、眼。
除大脑以外的各种人体器官都在进行人工器官模拟和替代的研究；许多人工器官已不同程度地用于临床并形成了相当规模地人工器官产业，如：人工心脏瓣膜、人工心脏起搏器、人工关节、人工肾、人工晶体、人工肺等。
3.3国内外发展状况及趋势人工器官在国外从50年代开始推广应用，60-70年代蓬勃发展，并形成规模产业。
美国生物材料及制品1976年销售额已达6.75亿美元，1986年猛增到30亿美元，1997年已达560亿美圆。
相当于其半导体工业产值，全球则已达1200亿美圆。
1997年美国预测，未来十年生物医学工程产业39项新产品中生物材料、人工器官与组织工程产品几乎占50% 。
目前，人工器官在国外存在的问题有：各国对生物材料的开发研究仍处在经验和半经验阶段，基本上是应医学的急需，以现有材料为对象，加以纯化和改性。
所以目前生物材料及制品只是处于“勉强可用”或“仅可使用”的状态。
而在国内，70年代中期只有零星的应用研究，70年代末80年代初开始真正发展，80年代中期，一批材料工作者和化学工作者转移到生物材料极其制品的开发研究方面。
研究内容遍及有机，无机及天然生物材料。
同样，在我国，人工器官也存在这不可避免的问题，比如说，我国的生物材料的开发研究大多数处于仿制阶段，人工器官的推广应用率低，生命材料未参与生理过程，生物材料基本未介入难治愈疾病的治疗。
导致这些问题出现的原因大致可归结为以下几点：（1）缺少必要的宏观指导和调控，致使研究力量分散，研究内容重复；（2）缺乏中试手段；（3）研究部门与产业部门严重脱节；（4）生物安全性评价手段落后，使许多研究成果在应用化的的大门外望而却步；（5）生物稳定材料不够稳定；（6）生物活性材料活性不足。
在未来，人工器官的发展趋势非常看好，它的方向大体为：（1）提高材料的生物相容性，开发生物相容性更好且更能适应人体生理需要的新材料。
（2）材料科学与生物学的融合，赋予材料生物结构和生物功能有“生命”的“生物材料” 。
（3）生物分子材料和组织工程到人体器件到人体器官。
（4）常规材料产业相当长时期内仍将处于主导地位。
（不过这个时代即将过去）参考文献：1.熊党生.《普通高等教育“十一五”国家级规划教材生物材料与组织工程》【M】科学出版社.2010年2月2.赵长生.《普通高等教育“十一五”国家级规划教材生物医学高分子材料》【M】化学工业出版社.2009年2月3.蒋电明.生物活性骨修复材料【J】《科学中国人》,2004年,第11期4.顾汉卿.对我国人工器官、组织工程与生物材料的展望【J】《医疗保健器具》，2006年，12期5.王勃生，孟庆恩，高振英等. 生物材料的战略意义及近期发展方向【J】《材料导报》1995年，第3期6.卢绍杰.生物材料及其在组织工程中的应用【D】天津.天津大学理学院，2002年。