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媒體中心

攻克難題 “中國造”生物材料正在引領世界 訪國家生物醫學材料工程技術研究中心主任王云兵教授

2021-10-26

生物材料是材料領域的一個應用分支。材料可以分為金屬材料、無機材料、高分子材料、復合材料等。它們可以應用到航天航空領域,也可用于化工、機械等領域,當被用于健康產業時,它們就轉換了身份,變成了生物材料。生物材料也是高度學科交叉的科研領域,其背后有生物學、化學、工程學、機械制造、電子學、信息學等大量學科的助力。

在我們把目光投到集成電路、人工智能等前沿產業的時候,中國的生物材料產業正在悄然崛起。今天,中國生物材料部分領域已經從“跟跑”或“并跑”轉向“領跑”,邁入了世界舞臺的中央。在組織誘導性生物材料、人源化膠原蛋白等領域,中國已經處于國際領先地位。2016年,我國生物材料領域的領航人張興棟院士成功當選了國際生物材料科學與工程學會聯合會的主席。

近年來,中國生物材料產業發展迅猛。根據統計,2020年中國以生物材料及終端制品為代表的各種醫療器械產品產值已接近8000億元人民幣,2023年預計產值將超過萬億。

日前,由中國生物材料學會主辦,上海大學和華東理工大學承辦、上海張江(集團)有限公司協辦的2021年中國生物材料大會在上海舉行。記者專訪了國家生物醫學材料工程技術研究中心主任王云兵教授,他向記者介紹了中國生物材料領域的一些顛覆性突破。


可預防骨癌復發的納米羥基磷灰石


惡性骨腫瘤也有人稱為“骨癌”,一般而言,惡性骨腫瘤又可分為原發性骨腫瘤,繼發性骨腫瘤與轉移性骨腫瘤三種。原發性骨腫瘤指由局部組織長出的惡性瘤,原發惡性骨腫瘤以骨肉瘤、軟骨肉瘤、纖維肉瘤為多見。在過去的治療中,選擇截肢的比較多,但是一些惡性程度較高的腫瘤即使截肢,也難免發生轉移。

羥基磷灰石是脊椎動物骨骼和牙齒的主要組成成分,具有良好的生物活性和生物相容性??茖W家們發現,相對于傳統的金屬(不銹鋼、鈦合金)和陶瓷(氧化鋁、氮化硅)類骨替代材料,羥基磷灰石不僅抗腐蝕性強、骨誘導生成性強,而且它在體內的降解也消除了前者的安全隱患。

在張興棟院士帶領下,國家中心突破生物材料不具備藥物治療功能的傳統觀念,又發現了納米羥基磷灰石的神奇功能,它們可選擇性增殖或凋亡細胞,可以用于惡性骨腫瘤切除后骨缺損腔填充,根據術后近三年臨床隨訪數據,80%術后填充納米羥基磷灰石的惡性骨腫瘤患者未復發。

此外,隨著人口老齡化,骨質疏松已成為老年人健康的主要疾患。我國60歲以上人口中患骨質疏松者已近1 億人,因骨質疏松導致骨折的患者年近900萬人。但迄今全球尚未發現有效的防治方法。國家中心于國際率先發現一定組成和尺度的納米生物材料可以促進成骨細胞增殖并上調成骨基因表達,用于局部骨質疏松治療的試驗療效良好,開啟了可防治重大疾病的生物材料研究新方向。


既能美容又可再生修復的人源化膠原蛋白


膠原蛋白也稱膠原,是人體最重要的結構蛋白,是人體組織器官的主要組成成分,也是哺乳動物體內含量最多、分布最廣的功能性蛋白。迄今為止,研究人員共發現近30種類型的膠原蛋白,按照發現的序號命名,常見的有I型、II型、III型等。

王云兵舉例說,比如III型膠原蛋白和肌膚的鮮嫩有關系,兒童肌膚特別嫩滑飽滿,其原因是III型膠原蛋白分泌量很多,而老年人皮膚衰老,是因為體內III型膠原蛋白隨時間推移的不斷流失和再生能力的不斷減弱。

過去,很多企業會生產一些動物膠原,其有很好的止血作用等,但動物膠原產品一般是各種類型膠原的混合提取物,難以滿足精準類別膠原蛋白的市場需求。此外,這些動物膠原提取物對于人體而言,有時候有可能會存在產生一些免疫排斥反應的不良影響。

王云兵告訴記者,通過十多年的努力,復旦大學、四川大學、中科院生物物理所和山西錦波生物醫藥股份有限公司攜手努力,在世界上首次開發出人源化膠原蛋白這種全新的生物材料,其氨基酸序列的重復單元與人類自身膠原蛋白氨基酸序列特定功能區100%相同。值得一提的是過去膠原被認為是一種止血材料,因為它極易引起血液凝固,在血管內部會引發血栓,中國科學家們成功地通過定制化設計人源化膠原蛋白,使其從普遍認為的促凝血材料變為極其優異的抗凝血材料,使得膠原蛋白的特性實現了神奇的逆轉,它們從“擁堵制造者”化身為“自我修復專家”。

這些人源化膠原蛋白的使用領域非常廣泛。在美容方面,如果中老年人補充一些人源化III型膠原蛋白,有望達到非常好的修復再生效果。近年來,科學家們又開拓了其它的使用領域。比如在婦科治療中,其可以高質量地修復子宮內膜損傷;又比如,目前臨床醫生們使用藥物涂層血管支架用于冠心病治療,雖然治療效果好,但藥物的存在有可能會引發內皮愈合不良,而今國家中心的科學家們用人源化膠原涂層支架取代藥物涂層支架,可以獲得非常好的內皮再生功能,促進血管的良好修復,有望成為國際領先的下一代血管支架產品。


有望消除兒童先天性心臟病的治療隱患

在中國,每年會誕生20萬左右的先天性心臟病患兒。很多先天性心臟病患者的患病原因是出生后心臟自動關閉的通道未能閉合。這是一種出生缺陷,嬰兒出生前在母體內,母親的臍帶血會將帶氧氣的血液源源不斷地傳遞到胎兒體內。此時,胎兒心臟內各大心室是連通的,可以為胎兒提供充足的營養物質。但當先天性心臟病患兒離開母體,臍帶被剪斷后,他們心臟內部的心室之間無法實現徹底關閉,會導致有氧氣的血液和沒有氧氣的血液混合在一起,流入心臟各個心室,這種缺損嚴重影響幼兒的正常生活。

先心病只能通過手術才能根治。傳統治療是通過開胸手術,醫生進行外科手術矯正或用補片進行修補。上世紀90年代,一項開創性的微創手術誕生了,醫生們將一個由鎳鈦合金絲材編制定型而成的封堵器經股動脈送入心臟進行封堵治療。30分鐘內就可以完成一臺心臟修補手術。由于先心病患者多為嬰幼兒,隨著年齡增長,心肌組織也會逐漸增厚,而植入人體的金屬封堵器的固定尺寸可能會帶來遠期風險,如心臟傳導阻滯等。今天,這一世界級難題基本上已經被中國科學家攻克。王云兵告訴記者,國家生物醫學材料工程技術研究中心和上海形狀記憶合金材料有限公司、國家心血管病中心通力合作,歷經近10年的不懈努力,共同研發出了一種醫用高分子材料制備的完全可降解心臟封堵器產品,可以在完成心臟缺損的修補功能后逐步降解并被人體組織安全吸收。這種創新型的完全可降解封堵器的降解周期是以人體組織修復周期設計而成,封堵器如同一座橋梁幫助自體組織攀爬修復,在前6個月成功完成封堵功能,然后開始逐步降解,一年后實現“介入無植入,植入無殘留”的健康理念,還給孩子一顆健康柔軟的心臟,讓先心病患兒和正常孩子一樣健康成長。

王云兵透露,目前由該技術開發的產品已經在國家藥監局進入注冊申報階段,上市后有望為先天性心臟病患者帶來更加優質的治療方案。


心衰治療取得了前所未有的突破

心力衰竭簡稱心衰,是多種心血管疾病發展的終末狀態,心衰患者心肌持續損傷,左心室不斷擴張,最終會導致心源性死亡。嚴重的心衰患者,在臨床上往往需要心臟移植手術才能治療,風險極高。中國已成為世界上心衰患者最多的國家,目前心衰患者數量已經超過1000萬,嚴重心衰患者已突破300萬,缺乏對心衰的有效治療已成為醫學界的主要困擾之一。

在該領域的研究中,中國科學家已經實現關鍵性的突破。王云兵介紹說,國家生物醫學材料工程技術研究中心和杭州德柯醫療科技有限公司、西安西京醫院通力合作研發了一系列新型生物材料,運用經導管微創介入的方法將其植入到患者心臟內部,獲得了非常好的治療效果。這類材料的生物相容性極佳,不僅具有良好的修復作用,還能潛在地改善心臟內部的微環境,促進心臟功能的長期有效恢復。他還舉例說,今年開始的臨床試驗中首位病例是一位農民患者,患病后基本上需長期臥床,該患者今年3月在西安的西京醫院進行僅40分鐘左右的微創手術,術后癥狀即刻大幅減輕,僅僅一周之內就出院,1個月后心臟功能顯著改善。據患者本人介紹,他現在每次去醫院復查后,都會像普通游客一樣在西安城內四處觀光旅游,基本回到了正常生活。

(轉自上??萍紙螅?/p>

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