生物陶瓷在軟組織組織工程和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)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(jī)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(xué)術(shù)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(jìn)展。他表示生物陶瓷不僅能用于硬組織修復(fù)，在軟組織組織工程和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)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(xì)胞分化和干細(xì)胞與組織特異性細(xì)胞（包括軟組織細(xì)胞）相互作用的生物活性。“調(diào)控血管的生長、促進(jìn)脂肪的再生、修復(fù)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(yīng)用方向。”常江對《中國科學(xué)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(dǎo)生命組織器官再生，調(diào)動人體自身修復(fù)功能。這種看似遙不可及的場景，因為生物陶瓷活性的增強(qiáng)，進(jìn)一步變?yōu)楝F(xiàn)實。
中國工程院院士、四川大學(xué)教授張興棟就曾向記者展示了一種骨誘導(dǎo)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(fù)功能，形成新的組織，既無異物反應(yīng)，又可實現(xiàn)人體的永久性康復(fù)。
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(dǎo)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(dǎo)性，即不用外加生長因子或活體細(xì)胞就可以誘導(dǎo)骨組織生成。
“骨修復(fù)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(xué)再生醫(yī)學(xué)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(xué)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(jìn)骨細(xì)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(fù)材料如果在體內(nèi)不能夠降解，那它就永遠(yuǎn)是個異物。”崔福齋說，如何提高生物陶瓷的生物活性是當(dāng)下的研究熱點(diǎn)，比如在陶瓷中加入生長因子或干細(xì)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(xì)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(shè)計具有多種組織修復(fù)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(xué)的角度，大家更關(guān)注生物陶瓷產(chǎn)生的生物學(xué)效應(yīng)，即這個材料本身可能會直接影響細(xì)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(qiáng)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(yīng)用。
從“硬組織”到“軟組織”
常江認(rèn)為，近幾年，生物陶瓷最大的科研進(jìn)展之一就是從硬組織的替代應(yīng)用拓展到了軟組織的再生修復(fù)，軟組織修復(fù)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(fù)，但現(xiàn)在通過生物學(xué)效應(yīng)發(fā)現(xiàn)，生物陶瓷還能夠調(diào)控細(xì)胞，很好地促進(jìn)創(chuàng)傷愈合，也可以促進(jìn)其它一些軟組織，包括心肌、皮膚、脂肪的再生，還能夠促進(jìn)干細(xì)胞分化，用于各種不同的軟組織修復(fù)。”常江說，“因為很多軟組織創(chuàng)傷的修復(fù)都需要血管的生長，如果生物陶瓷材料能夠促進(jìn)血管的再生，就可以修復(fù)更多的軟組織創(chuàng)傷。”
另外，“從臨床適應(yīng)癥的角度，有成千上萬不同的應(yīng)用模式，不同的組織所需要的材料千差萬別，不同的細(xì)胞對材料的活性要求也不一樣，修復(fù)骨頭和修復(fù)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(yīng)用，篩選最合適某種細(xì)胞的活性材料，然后把它做成臨床應(yīng)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(fù)硬組織拓展到軟組織，很多時候需要采用有軟有硬的復(fù)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(fù)神經(jīng)或者修復(fù)血管等，如果是局部的修復(fù)，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(fù)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(zhǔn)化，比如材料的結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成、力學(xué)特性等，這是決定材料生物學(xué)效應(yīng)的關(guān)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(yīng)某些材料的特種制備技術(shù)，比如3D打印就是重點(diǎn)方向之一。”
從“單學(xué)科”到“多學(xué)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(xué)強(qiáng)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(jī)理，找出它對干細(xì)胞調(diào)控以及對組織再生調(diào)控的原理，據(jù)此進(jìn)一步設(shè)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(xué)科，如果純靠做材料，實現(xiàn)上述目標(biāo)就會很難，要想取得更大的突破，深層次的交叉合作才是關(guān)鍵。
“以前，做干細(xì)胞的人只是從生物學(xué)或醫(yī)學(xué)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(xì)胞技術(shù)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(xì)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(xì)胞吃掉了，或者環(huán)境改變之后，干細(xì)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(xì)胞包裹在里面，再遞送到體內(nèi)，而這就是我們材料科學(xué)的優(yōu)勢。”
“比如，我們可以把材料做成膜，在上面種上細(xì)胞之后貼在身體需要的地方；或者可以做成水凝膠，把細(xì)胞包裹進(jìn)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(xì)胞就會活得更好，具有更強(qiáng)的再生功能。”常江說。
近日，在由國際生物材料科學(xué)與工程學(xué)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(dǎo)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(xué)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(yīng)，調(diào)動人體的自我完善修復(fù)功能，再生人體組織或器官。
“有機(jī)結(jié)合各個學(xué)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(xué)科交叉的領(lǐng)域。隨著科技的快速發(fā)展，全球生物材料領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)生了翻天覆地的變化，新材料、新技術(shù)和新領(lǐng)域大量涌現(xiàn)，萌生的新領(lǐng)域需要規(guī)范化和制定新的定義，才能使生物材料科學(xué)與產(chǎn)業(yè)正常發(fā)展。
