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傳統(tǒng)生物材料在人體組織缺損修復(fù)中發(fā)揮了重要作用，但其主要作為惰性替換或填充物用于缺損組織形態(tài)和簡(jiǎn)單力學(xué)功能的恢復(fù)。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，傳統(tǒng)生物材料已不能滿足臨床需求。通過賦予材料特定結(jié)構(gòu)和生物功能，激發(fā)機(jī)體特異性反應(yīng)，調(diào)動(dòng)人體自我完善和康復(fù)功能，實(shí)現(xiàn)人體組織或器官的再生和重建，成為生物材料科學(xué)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向和前沿。

組織誘導(dǎo)性生物材料是20世紀(jì)90年代發(fā)現(xiàn)、21世紀(jì)初提出的新概念和新產(chǎn)品。中國工程院院士張興棟發(fā)現(xiàn)，通過材料組成和自身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以誘導(dǎo)組織再生，提出組織誘導(dǎo)性生物材料理論。張興棟院士提議的組織誘導(dǎo)性生物材料“可通過不外加任何活性因子或細(xì)胞的生物材料誘導(dǎo)組織再生”，于2018年全球生物材料定義共識(shí)會(huì)上經(jīng)投票通過列入“21世紀(jì)生物材料定義”，打破了材料不能再生組織的教條?；?0多年的科學(xué)研究和產(chǎn)品開發(fā)，在此理論引領(lǐng)下，我國已成功開發(fā)出國際領(lǐng)先的骨誘導(dǎo)人工骨、膠原基軟骨修復(fù)基質(zhì)等產(chǎn)品，并已逐步應(yīng)用于臨床。今年3月，國家藥監(jiān)局發(fā)布公告，將“組織誘導(dǎo)性植入器械”作為新添加的子目錄列入《醫(yī)療器械分類目錄》。

打破材料不能再生組織教條

1986年，國際定義共識(shí)會(huì)將生物材料定義為：“醫(yī)療器械中使用的旨在與生物系統(tǒng)相互作用的無生命材料。”2018年，國際定義共識(shí)會(huì)重新定義生物材料為：“一種設(shè)計(jì)成特定形態(tài)，通過與生命系統(tǒng)相互作用，能夠直接影響治療或診斷進(jìn)程的材料。”根據(jù)新定義，生物材料是一類用于診斷、治療、修復(fù)和替代人體組織或器官，或增進(jìn)其功能的一類高技術(shù)新材料，是醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)和重要組成部分，是保障人類健康的必需品。

迄今為止，生物材料的發(fā)展大體歷經(jīng)了三個(gè)階段：生物惰性材料、生物活性材料和組織誘導(dǎo)性生物材料。

在最初定義中，生物材料僅作為一種惰性材料與生物系統(tǒng)相互作用，不發(fā)生或僅發(fā)生微弱化學(xué)反應(yīng)，對(duì)受損組織和器官起簡(jiǎn)單填充或物理支撐功能，如鈦、氧化鋁和聚乙烯等材料。但作為異物存在的生物惰性植入體，不僅會(huì)因磨損或腐蝕產(chǎn)生的顆粒和降解產(chǎn)物對(duì)宿主生理系統(tǒng)造成危害，其與宿主組織之間也難以形成緊密的結(jié)合，可影響植入體的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和臨床修復(fù)效果。

20世紀(jì)70年代初，美國科學(xué)家Hench等人發(fā)現(xiàn)，生理環(huán)境中的生物玻璃與骨組織之間能夠通過碳化羥基磷灰石的快速形成，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)固的化學(xué)鍵合，從而引出生物活性的概念，即能夠引發(fā)界面特定反應(yīng)，形成組織與材料間化學(xué)鍵合的特性。受此啟發(fā)，研究者們開始對(duì)生物材料進(jìn)行活化處理，以促進(jìn)其與組織間的相互作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)缺損組織的更好修復(fù)。一系列生物活性材料（如生物活性玻璃、磷酸鈣基陶瓷等）被開發(fā)并作為填充物或者植入體活性涂層應(yīng)用于臨床，取得了良好的修復(fù)效果，自此開始了生物材料從生物惰性到生物活性的發(fā)展。

“組織誘導(dǎo)性生物材料”概念源于生物材料的骨誘導(dǎo)性，是指材料不添加任何細(xì)胞或活性因子而誘導(dǎo)骨形成。早在1965年，美國科學(xué)家Urist就發(fā)現(xiàn)脫細(xì)胞的脫鈣骨基質(zhì)（DBM）植入鼠和豬的肌肉后會(huì)形成骨組織；進(jìn)一步的研究表明，DBM中的骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP）發(fā)揮了關(guān)鍵作用。Urist將這種骨形成過程闡述為自誘導(dǎo)或骨誘導(dǎo)，即因物理化學(xué)作用或與其他組織接觸而引發(fā)的細(xì)胞向骨組織分化機(jī)制。隨后，美國科學(xué)家Wilson和Hench于1987年將“骨誘導(dǎo)”定義為“誘導(dǎo)成骨的過程”。盡管BMP的骨誘導(dǎo)性已經(jīng)得到公認(rèn)，但其相關(guān)理論并不能解釋一些人工合成生物材料的異位誘導(dǎo)成骨現(xiàn)象。如1960年，德國科學(xué)家Sel ye等人將一款玻璃管植入大鼠皮下60天后發(fā)現(xiàn)，其中有類似骨、軟骨和造血組織出現(xiàn)。隨后，英國科學(xué)家Winter等人在1969年報(bào)道了聚丙烯酸甲酯（Poly-HEMA）海綿在豬皮下的異位成骨現(xiàn)象，并指出成骨前鈣化可能是誘導(dǎo)成骨的關(guān)鍵。但自此之后，針對(duì)生物材料誘導(dǎo)成骨的研究卻鮮有報(bào)道。

20世紀(jì)90年代初期，我國科學(xué)家張興棟、南非科學(xué)家Ripamont i和日本科學(xué)家Yamasaki等先后報(bào)道了未負(fù)載任何因子或細(xì)胞的磷酸鈣陶瓷在狗和狒狒等多種動(dòng)物體內(nèi)的異位成骨現(xiàn)象，表明在不添加任何細(xì)胞和生長(zhǎng)因子的情況下，生物材料也能夠誘導(dǎo)骨形成。此后，張興棟院士繼續(xù)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)深入研究，并提出骨誘導(dǎo)機(jī)理雛形，即材料通過自身組成、結(jié)構(gòu)和表面特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，植入體內(nèi)后可募集體內(nèi)間充質(zhì)干細(xì)胞，富集和刺激細(xì)胞分泌骨誘導(dǎo)信號(hào)分子，刺激細(xì)胞內(nèi)級(jí)聯(lián)基因表達(dá)，調(diào)控細(xì)胞沿成軟骨細(xì)胞系分化，在生物環(huán)境作用下逐步降解并轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)胞外骨基質(zhì)，最后成骨。張興棟院士于2000年5月在第六次世界生物材料大會(huì)上主持生物材料骨誘導(dǎo)性的專題討論，使材料誘導(dǎo)骨形成的科學(xué)理論在國際上逐漸得到公認(rèn)，引導(dǎo)該領(lǐng)域的研究方向。該團(tuán)隊(duì)研發(fā)的骨誘導(dǎo)人工骨產(chǎn)品（骨誘導(dǎo)磷酸鈣生物陶瓷），于2003年獲得第三類醫(yī)療器械產(chǎn)品注冊(cè)證，此后廣泛應(yīng)用于臨床。骨誘導(dǎo)生物材料相關(guān)研究作為我國自主研發(fā)的重大科學(xué)成果，獲得2007年度的國家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

骨誘導(dǎo)現(xiàn)象及機(jī)理的相關(guān)研究也為材料誘導(dǎo)其他組織的形成提供了重要指導(dǎo)作用。如荷蘭科學(xué)家Marijnissen等就曾在2002年的研究中發(fā)現(xiàn)，PLA復(fù)合藻酸鹽植入裸鼠皮下后，有小范圍的軟骨生成。張興棟院士團(tuán)隊(duì)在2009年的研究中發(fā)現(xiàn)，將半透膜封裝的I型膠原水凝膠和間充質(zhì)細(xì)胞復(fù)合物植入動(dòng)物皮下4周至8周后，可觀察到軟骨組織形成，為材料誘導(dǎo)軟骨再生提供了有力證據(jù)。該團(tuán)隊(duì)研究進(jìn)一步證實(shí)，I型水凝膠可以體外誘導(dǎo)間充質(zhì)干細(xì)胞沿成軟骨方向分化，具有再生軟骨的潛力。基于以上多年自主研發(fā)的成果，由張興棟院士團(tuán)隊(duì)國際首創(chuàng)的膠原基軟骨修復(fù)基質(zhì)產(chǎn)品在2021年通過國家藥監(jiān)局創(chuàng)新醫(yī)療器械特別審查申請(qǐng)。

除了誘導(dǎo)骨及軟骨組織再生，北京航空航天大學(xué)李曉光教授團(tuán)隊(duì)在2015年的研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)素偶聯(lián)的殼聚糖能夠激活內(nèi)源性中樞神經(jīng)干細(xì)胞形成功能性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，恢復(fù)感覺和運(yùn)動(dòng)行為功能，并于2021年臨床修復(fù)了2厘米的脊髓段缺損，表明材料亦可誘導(dǎo)中樞神經(jīng)再生。上海交通大學(xué)趙金忠團(tuán)隊(duì)在同時(shí)期發(fā)現(xiàn)L-丙交酯/己內(nèi)酯與纖維蛋白原的復(fù)合材料可誘導(dǎo)韌帶組織再生。

積極探索相關(guān)產(chǎn)品安全有效性評(píng)價(jià)方法

生物材料及其醫(yī)療器械產(chǎn)品關(guān)系到人的生命安全，其安全性和有效性必須通過科學(xué)證據(jù)予以確認(rèn)。但目前，各類生物材料產(chǎn)品相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和檢驗(yàn)評(píng)價(jià)方法均是通過體外試驗(yàn)和短期體內(nèi)試驗(yàn)評(píng)價(jià)產(chǎn)品安全性和有效性，難以預(yù)測(cè)其長(zhǎng)期生物相容性和有效性，特別是難以滿足人口老齡化和中青年創(chuàng)傷增加的臨床要求。因此，通過體外試驗(yàn)和短期體內(nèi)試驗(yàn)評(píng)價(jià)產(chǎn)品長(zhǎng)期生物相容性和有效性，成為近年來生物材料科學(xué)研究的重點(diǎn)。

組織誘導(dǎo)性生物材料的突出特點(diǎn)是可誘導(dǎo)損壞的組織或器官再生，實(shí)現(xiàn)永久修復(fù)。如何評(píng)價(jià)組織誘導(dǎo)性生物材料產(chǎn)品長(zhǎng)期安全性和有效性是目前尚未有效解決的問題，特別是如何評(píng)價(jià)植入物是否具有組織誘導(dǎo)性及組織誘導(dǎo)作用是否生物安全，現(xiàn)在尚缺乏具有產(chǎn)品特性的科學(xué)表征參量及有效檢驗(yàn)方法，只是沿用常規(guī)材料較長(zhǎng)期的異位植入試驗(yàn)來評(píng)價(jià)其是否具有組織誘導(dǎo)性，組織誘導(dǎo)性生物材料產(chǎn)品的長(zhǎng)期生物安全性檢驗(yàn)及評(píng)價(jià)方法則尚在研究中。因此，評(píng)價(jià)組織誘導(dǎo)性生物材料產(chǎn)品的安全性和有效性的科學(xué)研究，是發(fā)展組織誘導(dǎo)性生物材料的重點(diǎn)。

醫(yī)療器械監(jiān)管科學(xué)是研究和開發(fā)用于評(píng)價(jià)醫(yī)療器械全生命周期安全、有效、質(zhì)量和性能的新工具、新標(biāo)準(zhǔn)、新方法、新知識(shí)、新技術(shù)和新途徑的科學(xué)。作為創(chuàng)新醫(yī)療產(chǎn)品，組織誘導(dǎo)性生物材料及器械的監(jiān)管科學(xué)研究是重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。

我國在組織誘導(dǎo)性生物材料產(chǎn)品的監(jiān)管科學(xué)研究及其監(jiān)管科學(xué)體系創(chuàng)建中取得了不少成果。例如，與組織再生性生物材料產(chǎn)品相關(guān)的研究項(xiàng)目分別被列入第一批和第二批中國藥品監(jiān)管科學(xué)行動(dòng)計(jì)劃；四川大學(xué)醫(yī)療器械監(jiān)管科學(xué)研究院再生生物材料質(zhì)量研究與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室于2021年2月獲國家藥監(jiān)局批準(zhǔn)成立；2021年4月，在國家藥監(jiān)局、國家衛(wèi)生健康委、工信部、科技部的共同支持下，國家藥監(jiān)局醫(yī)療器械技術(shù)審評(píng)中心、中國信息通信研究院、中國生物技術(shù)發(fā)展中心、國家納米科學(xué)中心、中國生物材料學(xué)會(huì)等21家技術(shù)單位、科研院所、醫(yī)療機(jī)構(gòu)、學(xué)術(shù)團(tuán)體聯(lián)合成立了生物材料創(chuàng)新合作平臺(tái)。該平臺(tái)致力于建立生物材料與相關(guān)醫(yī)療器械深度融合的創(chuàng)新體系，推動(dòng)生物材料領(lǐng)域科技成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用。依托此平臺(tái)，將有效促進(jìn)相關(guān)監(jiān)管科學(xué)研究和產(chǎn)品轉(zhuǎn)化。

此外，我國還開創(chuàng)了“組織誘導(dǎo)性植入器械”的分類二級(jí)子目錄，并正在創(chuàng)建系列組織誘導(dǎo)性生物材料產(chǎn)品相關(guān)國際、國家、行業(yè)及團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)。其中包括已經(jīng)立項(xiàng)并正在起草的再生膝關(guān)節(jié)軟骨的體內(nèi)磁共振評(píng)價(jià)方法的ISO國際標(biāo)準(zhǔn)，已形成報(bào)批稿并在報(bào)批過程中的國家推薦標(biāo)準(zhǔn)“骨誘導(dǎo)磷酸鈣生物陶瓷”和已立項(xiàng)并正在起草的行業(yè)推薦標(biāo)準(zhǔn)“用于軟組織再生醫(yī)療器械的生物學(xué)評(píng)價(jià)與試驗(yàn)”，以及多項(xiàng)正在準(zhǔn)備中的組織誘導(dǎo)性生物材料及產(chǎn)品的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)悉，國家藥監(jiān)局醫(yī)療器械技術(shù)審評(píng)中心正在計(jì)劃起草骨再生材料植入物注冊(cè)技術(shù)審查指導(dǎo)原則、I型膠原軟骨修復(fù)產(chǎn)品注冊(cè)技術(shù)審查指導(dǎo)原則和口腔引導(dǎo)組織再生膜產(chǎn)品等相關(guān)指導(dǎo)原則。

“十四五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“診療裝備與生物醫(yī)用材料”專項(xiàng)中特設(shè)“監(jiān)管科學(xué)研究”項(xiàng)目，以可實(shí)現(xiàn)組織再生修復(fù)為代表的“新型生物醫(yī)用材料及產(chǎn)品安全性和有效性評(píng)價(jià)研究”和“組織工程類醫(yī)療器械產(chǎn)品安全性有效性評(píng)價(jià)技術(shù)研究”分別被列入2021年和2022年發(fā)布的項(xiàng)目指南中。一系列監(jiān)管科學(xué)項(xiàng)目的推進(jìn)，將開發(fā)出系列新工具、標(biāo)準(zhǔn)、方法、技術(shù)和途徑，用于評(píng)價(jià)和確保以組織誘導(dǎo)性生物材料產(chǎn)品為代表的我國原創(chuàng)的新一代創(chuàng)新醫(yī)療產(chǎn)品的安全性。

由我國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)并提出的組織誘導(dǎo)性生物材料及產(chǎn)品，通過賦予材料特定的結(jié)構(gòu)和功能，充分調(diào)動(dòng)人體自我修復(fù)能力，進(jìn)而誘導(dǎo)缺損組織或器官的再生與修復(fù)，已成為當(dāng)前生物材料科學(xué)與工程發(fā)展的方向和前沿。截至目前，已有骨、軟骨、神經(jīng)、韌帶等系列組織誘導(dǎo)生物材料及產(chǎn)品被發(fā)現(xiàn)、研究和開發(fā)。同時(shí)，我國正在大力推動(dòng)的醫(yī)療器械監(jiān)管科學(xué)研究，將進(jìn)一步促進(jìn)組織誘導(dǎo)性生物材料及產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化與臨床應(yīng)用。

相關(guān)鏈接

認(rèn)識(shí)骨誘導(dǎo)磷酸鈣生物陶瓷

骨誘導(dǎo)磷酸鈣生物陶瓷是四川大學(xué)張興棟院士團(tuán)隊(duì)基于其原創(chuàng)“生物材料骨誘導(dǎo)”理論研發(fā)的國際首創(chuàng)可誘導(dǎo)骨再生修復(fù)的新一代植入器械。該產(chǎn)品自2003年獲得醫(yī)療器械注冊(cè)證以來，已經(jīng)在臨床用于超過30萬例患者。

傳統(tǒng)生物活性人工骨產(chǎn)品具有良好的骨傳導(dǎo)性，可促進(jìn)宿主骨沿著植入物表面爬行生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)骨缺損的修復(fù)；骨誘導(dǎo)性植入器械不僅具有前者的骨傳導(dǎo)功能，還可誘導(dǎo)新生骨組織在內(nèi)部孔隙中大量形成，具有更快速的骨修復(fù)能力。不僅如此，隨著時(shí)間的推移，基體材料還會(huì)逐漸被新生骨所替代，實(shí)現(xiàn)骨再生修復(fù)?；谒拇ù髮W(xué)華西醫(yī)院的臨床隨訪數(shù)據(jù)，骨誘導(dǎo)磷酸鈣生物陶瓷產(chǎn)品相較傳統(tǒng)生物活性人工骨，骨愈合速率更快。除普適性的骨缺損修復(fù)外，該類植入器械還在小兒及青少年骨科疾病治療方面，如骨腫瘤刮除后的大面積空腔填充修復(fù)、脊柱側(cè)彎矯正的后路融合術(shù)、顱骨缺損修復(fù)等方面具有臨床應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

在骨誘導(dǎo)類植入器械的帶動(dòng)和引領(lǐng)下，其他組織誘導(dǎo)性植入器械的研發(fā)近年來也取得快速發(fā)展。張興棟院士團(tuán)隊(duì)研發(fā)的國際首創(chuàng)“膠原基軟骨修復(fù)基質(zhì)”于2021年10月通過國家藥監(jiān)局創(chuàng)新醫(yī)療器械特別審查申請(qǐng)，為突破解決臨床關(guān)節(jié)軟骨缺損的再生修復(fù)提供了產(chǎn)品基礎(chǔ)。

此外，國內(nèi)其他研究團(tuán)隊(duì)在神經(jīng)、韌帶及軟組織再生修復(fù)等方面的系列產(chǎn)品研發(fā)也取得了突破性進(jìn)展?？梢灶A(yù)見，這些應(yīng)用于不同組織或器官修復(fù)的組織誘導(dǎo)性植入器械將大力推動(dòng)我國再生醫(yī)學(xué)進(jìn)步和醫(yī)療技術(shù)發(fā)展，更好滿足臨床需求。