寻找与人体具有最佳兼容性的新材料与可持续的生物经济已经开始产生交会。天然来源的生物聚合物为新型生物医药设备的设计提供了新的方向，因为这种聚合物能够与人体细胞和组织有效结合，而且生物基材料的化学、物理以及机械性能很容易调整到与各种靶组织的自身性能相匹配。一类由天然衍生物以及可再生资源聚合物制得的植入性医用材料，即将改变传统临床医学。
生物基材料的类型
生物基材料也被称为生物聚合物或生物衍生材料，是由全部或部分生物衍生物制得的工程材料。根据其来源和产品，这些材料可分为3类：
生物质衍生物——直接从生物质中提取的生物基材料。如淀粉、纤维素、海藻酸盐、卡拉胶、果胶、葡聚糖、几丁质、壳聚糖，以及酪蛋白、谷蛋白、乳清、丝蛋白、大豆蛋白和玉米蛋白等。
生物单体衍生物——通过可再生的农业资源或者单体进行传统的化学合成而制得。如聚乳酸（PLA）就是一种由可再生的乳酸单体制备的聚酯，乳酸单体能够通过农业碳水化合物原料如玉米淀粉发酵而获得。
微生物衍生物——聚羟基脂肪酸酯（PHA）系列聚合物是由微生物制备的著名材料，其他还包括黄原胶和细菌纤维素等。
生物医学材料的性能要求
生物医学材料必须满足严格的性能要求——必须与自然生理环境的物理、生物以及机械性能相匹配。此外，生物医学材料本身以及其任何降解产物都必须是无毒和非炎性的。
新的生物医学材料必须对整个开发工艺过程进行评估，以确定他们是否适用于医学应用。特性描述必须包括机械性能、理化性能、生物性能、储存稳定性以及可用性。手术的目标将决定所需生物材料的精确的技术指标，而在设计过程中临床医生的参与是必须的，他们需要根据外科医生和病人的需求对材料设计进行指导。
随着心血管疾病、糖尿病、关节炎和神经退化疾病等流行慢性病全球发病率的逐年上升，能与人体有最佳互动的创新生物材料的需求将持续增长。生物基聚合物逐渐被认为是能够模仿人体的自然、功能、生物活性结构的生物相容性材料。
成功案例：多糖基组织粘合剂用于伤口愈合
尽管缝合技术在不断进步，但是内科医生仍然绕不开内部伤口的裂开问题。因此，对伤口修复来说，用组织粘合剂来替代缝线非常有意义。尽管人工合成的化学组织粘合剂，如丙烯酸树脂基粘合剂或戊二醛，已经开发并商业化。但是生物相容性和性能问题限制了这种粘合剂的临床应用。而基于天然多糖葡聚糖的水凝胶的一系列组织粘合剂克服了现有组织粘合剂的限制。
葡聚糖基组织粘合剂由葡聚糖醛与多支链聚乙烯醇胺反应制得。对临床相关的细胞系的体外测试结果显示，与具有高细胞毒性的商业化的氰基丙烯酸酯基组织粘合剂相比，葡聚糖基粘合剂对结缔组织纤维细胞无细胞毒性；多糖基组织粘合剂的生物相容性、生物降解性、胶粘性能以及便利性使得这种粘合剂能够有效处理各种伤口。此外，这种材料能对包括治愈率、降解率、溶胀在内的密封性能进行微调，从而满足特定临床目标的需求。
在临床前试验中，葡聚糖基组织粘合剂已经成功地应用于各种难以愈合的外科手术切口和创伤，包括在直肠手术中的肠道切口、血管移植手术中的血管切口，以及身体器官的外部创伤等。葡聚糖基粘合剂的可调节性使这种粘合剂可闭合各种切口和创伤，因此，这种密封剂在非紧急手术和急诊手术中都是有用的。此外，这种粘合剂还能够用于白内障手术透明胶膜切口的闭合并避免开裂。
成功案例：大豆基填料用于骨修复
生物基材料不仅在软组织的伤口愈合方面具有潜能，在骨缺损的修复方面也同样具有前景。
骨骼损害和缺损通常发生在创伤性事件或外科手术中，当这种创伤达到一定程度，骨骼就无法自然再生，这时就需要骨填料来支持新骨的形成。骨骼修复需要易于处理、生物可降解、无细胞毒性、无致免疫性的材料，并能诱导骨再生。目前还没有商业化的骨填充物能够同时满足所有这些技术要求。大豆是骨修复材料的一个非常有吸引力的替代源，因为其含有生物活性植物雌激素，能诱导成骨细胞的分化。
大豆基生物材料通过脱脂黄豆粉简单的热固合成，所得的材料能够加工成薄片、薄膜、多孔性支架以及颗粒，用于各种外科用途。另外，也可以通过萃取大豆组成浓缩液制得一种软水凝胶。
大豆基填料具有很好的柔性，因此很容易与植入位置的形状相适应；吸收水分后，和膨胀材料形成很好的一致性，这种特性有利于生物相容性，并最大限度地减少刺激周围的细胞和组织。大豆基颗粒具有体外生物活性，降低了炎症细胞和骨移除细胞的活性，同时提高了骨形成细胞的活性，因此对骨植入而言，大豆基骨填充物能降低慢性炎症，同时通过刺激骨细胞促进骨骼再生。此外，大豆基填料的降解也是可控的，因此其在体内的使用期也是可预见的。
在成本方面，大豆基骨填充物的生产与已经商业化的骨填充物相比具有竞争力。而且，与现有的骨填充物需要搭载昂贵的生长因子不同，大豆基骨填充物由于自身具有生物活性，不需要额外加入外源性生长因子。
大豆基生物材料通过与明胶和羟基磷灰石复合制成的注射发泡骨结合剂，注射进骨缺损部位后，形成互相交联的气孔，使骨形成细胞渗透到大豆支架上。这种新型发泡结合剂的临床应用包括脊椎骨折和植入物的固定。
成功案例：
丝基生物材料用于组织架构
丝基生物材料可用于组织工程。
由桑蚕和蜘蛛产生的丝蛋白纤维具有独特的高强度和高扩展性的特点。丝纤维的韧性优于任何市售的高性能合成纤维。通过天然丝的水基静电纺丝和丝绸与聚环氧乙烷混纺能够制得丝绸纳米纤维。静电纺丝丝蛋白经评估，能够支持人类大动脉内皮细胞和冠状动脉平滑肌细胞的生长。而且，静电纺丝支架还能刺激形成毛细管的交联网络；静电纺丝纳米纤维能形成具有足够机械强度以承受人体血压的管状材料，能作为人造血管。
丝支架也具有在骨和韧带组织工程中应用的潜力。在骨组织工程中，丝支架被共价精氨酰-甘氨酰-天冬氨酸（RGD）肽序列改性，这种RGD序列能支持细胞粘附在丝支架上，从而促进人体骨髓干细胞的附着，分化成骨、软骨或肌肉。当被用于骨组织工程，丝支架与骨髓干细胞结合，以支持有组织的骨结构的形成，这表明丝支架可以用于骨修复。
在另一项临床应用中，丝纤维基质能与人的膝盖韧带所要求的包括疲劳性能在内的机械性能相匹配，这表明了它能作为人工韧带。此外，以天然丝为基础的生物材料还具有促进神经元生长的性能，因此，丝基导管可以使外伤性脊髓损伤后的神经再生。
丝纤维出色的机械性能以及含水可加工性，丝支架对包括干细胞在内的许多细胞群的支持，表明以天然丝为基础的生物材料最终将可以用于人体每一个器官系统的组织工程中。
未来发展方向及挑战
以上的案例都表明了生物基材料作为生物植入材料的多功能性和能力。未来在临床医学上将会有出现更多类型的天然衍生材料。
利用从农作物获得的单体合成新的聚合物是一个发展方向。例如，由玉米生产的1,3-丙二醇合成的薄膜和塑料对一些临床的细胞系无细胞毒性和非炎性。这些材料在生物医学植入中很容易被接受。而包括大豆、洋麻、亚麻以及纤维素等在内的农作物也同样可以为植入式医疗设备提供有用的原料。此外，由微生物产品衍生的聚合物也正在开发当中，如由许多细菌合成的聚羟基脂肪酸酯材料正被研究用于组织工程以及靶向药物。
要实现生物基材料在临床医学的广泛应用，还面临以下的挑战：①生物衍生聚合物生产工艺的开发既要求生产可靠、具有成本优势、可实现规模化，同时，产品还需要到达所需要的物理、机械、化学以及生物学性能；②需要建立详细的生理学模型，以促进生病和健康状态下对细胞增殖和组织修复的理解；③要进行机理的研究，从而深入了解天然生物聚合物与细胞、组织以及器官之间的相互作用。（吴军 编译）