骨骼是人體的支撐結(jié)構(gòu)，但它也容易受到損傷和疾病的侵害，例如骨折、創(chuàng)傷、骨腫瘤和骨質(zhì)疏松等。傳統(tǒng)治療方法如固定性外固定器和骨移植存在一定的局限性，無法滿足復雜骨缺損和骨組織再生的需求。因此，對于更有效、可持續(xù)和個性化的骨組織修復方法的需求推動了骨科生物醫(yī)用材料的發(fā)展。骨科生物醫(yī)用材料是用于修復、替代或增強骨組織功能的材料，這些材料在骨科領域中廣泛應用，旨在促進骨骼的愈合和再生。
骨科生物醫(yī)用材料是指能夠植入人體，治療骨骼疾患、替換骨組織，恢復骨骼正常生理功能的一種生物材料，其良好的力學性能和生物學性能使之在骨科臨床得以廣泛應用。這種材料通常由人工合成的生物活性物質(zhì)、天然生物材料或純化物等制成，根據(jù)不同的治療需求可以采用不同的材料。
骨科生物醫(yī)用材料的特定要求包括：生物相容性、特定的力學強度、可靠性、抗磨損性等，與骨組織的結(jié)合包括形態(tài)結(jié)合、生物學結(jié)合、生物活性結(jié)合、骨性結(jié)合等。
（來源：新材料在線）
骨科生物醫(yī)用材料可以按照不同方式進行分類：
（一）按材料類型分類
金屬材料：例如鈦合金、不銹鋼等，用于制作骨螺釘、骨板和人工關節(jié)等。
聚合物材料：例如聚乳酸、聚酯等，常用于生物可降解的骨支架和植入物。
生物陶瓷：例如氧化鋯、氧化鋁等，常用于人工關節(jié)和骨填充材料。
復合材料：結(jié)合多種材料的特性，例如生物活性玻璃纖維增強聚合物復合材料。
（二）按應用領域分類
骨缺損修復材料：用于填補骨缺損或替代缺損骨組織，包括骨移植物、骨同種異體移植物、人工骨和生物陶瓷等。
關節(jié)修復與替換材料：用于關節(jié)疾病和損傷的修復和替代，包括人工關節(jié)、關節(jié)假體和軟骨修復材料等。
骨骼支架材料：用于提供結(jié)構(gòu)支持和骨愈合的支架材料，包括生物可降解骨支架和金屬骨支架等。
（三）按功能分類
結(jié)構(gòu)支持材料：提供骨組織受損區(qū)域所需的結(jié)構(gòu)支撐，例如鋼板、螺釘?shù)取?/span>
骨愈合材料：促進骨愈合和細胞增殖，例如生長因子、細胞因子等。
生物活性材料：包含生物活性因子以促進骨再生，例如生物陶瓷和生物陶瓷復合材料。
（四）特殊分類
生物可降解材料：能夠在體內(nèi)逐漸降解和被吸收的材料，如生物可降解骨支架和可吸收的縫線等。
人工骨骼材料：用于替代或修復受損的骨組織，如人工關節(jié)和人工植骨材料等。
以下是一些常見的骨科生物醫(yī)用材料：
（一）骨移植物（Autografts）：骨移植物是從患者身體其他部位獲取的骨組織，用于填充骨缺損或骨折修復。骨移植物具有良好的生物相容性和骨愈合能力，但也有局限性，如供體部位受限和二次手術損傷。
（二）骨同種異體移植物（Allografts）：骨同種異體移植物是從同種他體（通常是經(jīng)過嚴格篩選和處理的捐贈者）獲取的骨組織。這些移植物在臨床上用于骨缺損修復，提供結(jié)構(gòu)支持并促進骨愈合。雖然骨同種異體移植物具有廣泛的可用性，但可能存在排斥反應和傳染病傳播的風險。
（三）合成骨替代材料（Synthetic Bone Substitutes）：合成骨替代材料是由人工合成的材料制成，可以模擬骨組織的特性和功能。常見的合成骨替代材料包括鈣磷化合物（如羥基磷灰石和三磷酸鈣）和生物陶瓷（如氧化鋯和氧化鋁）。這些材料提供支撐和嵌橈骨塔部點用以催化骨愈合和組織再生。
（四）生物可降解骨支架（Biodegradable Bone Scaffolds）：生物可降解骨支架是一種臨時支架結(jié)構(gòu)，可用于骨缺損修復和骨再生。這些支架通常由可降解聚合物（如聚乳酸和聚酯）制成，它們在體內(nèi)逐漸降解和吸收，為新骨生長提供支撐。
2、骨科生物醫(yī)用材料的發(fā)展歷程
19世紀初期至20世紀中期：
第一個骨科生物醫(yī)用材料是使用動物骨骼和自身骨髓進行骨修復和植入，這種方法在19世紀初期就開始出現(xiàn)。20世紀中期，金屬材料如不銹鋼和鈦合金也被引入用于骨植入物，并取得了一定成功。
20世紀50年代-60年代：
這一時期，研究人員開始使用可吸收材料，如可吸收聚乳酸（PLA）和可吸收聚乳酸-羥基乙酸共聚物（PLGA）等，用于骨修復和植入。這些材料可以逐漸降解，并為新生骨提供支撐，避免二次手術取出植入物。
20世紀70年代-80年代：
在這個時期，研究者開始嘗試使用生物活性陶瓷材料，如羥基磷灰石（HA）和β-三鈣磷酸鈣（β-TCP），以促進骨細胞的吸附和新骨生成。這些陶瓷具有與骨組織相似的化學成分和結(jié)構(gòu)，因此能更好地融入和修復骨缺損。
20世紀90年代至今：
在這個時期，生物材料科學、細胞生物學和基因工程的進展推動了骨科生物醫(yī)用材料的發(fā)展。例如，利用生長因子、細胞因子和基因治療等生物技術手段，可以通過生物材料為骨細胞提供適當?shù)沫h(huán)境并引導組織再生。此外，納米技術和3D打印技術的應用也為骨科生物醫(yī)用材料的設計和制備提供了新的可能性。
3、骨科生物醫(yī)用材料市場概況
生物醫(yī)用材料在“十三五”和“十四五”國家重大科技計劃中均有重要布局。我國生物醫(yī)用材料產(chǎn)品市場份額占醫(yī)療器械萬億規(guī)模的46%。骨科生物材料臨床需求量較大，占全球生物材料市場的37.5%，市場占比位列生物材料首位。全球骨科生物材料市場在2022年的市場容量達到600.22億元人民幣。在2028年，全球骨科生物材料市場規(guī)模將以大約12.47%的年均復合增長率達到1214.96億元。
腫瘤、外傷、壞死、先天畸形等一系列病因往往會導致大體積的骨缺損產(chǎn)生，目前治療骨缺損的主要方法是骨移植，而自體和同種異體骨移植已在臨床應用多年，其中自體移植因其移植的骨組織中含有生物活性分子、活細胞，且含有血供，是理想的骨移植方法，也是骨缺損修復的“金標準”，但自體骨移植有一定的并發(fā)癥，且骨量有限，限制了其在臨床的推廣應用。而異體骨移植雖經(jīng)各種理化處理降低了抗原性，仍有可能引起免疫排斥反應。因此，業(yè)界一直在尋求各種人工骨替代材料，來避免自體骨和異體骨的缺點。
目前，我國骨科臨床對于骨缺損修復材料的需求旺盛，根據(jù)奧精醫(yī)療招股說明書預計，按照出廠價口徑計算，2018年全球骨修復材料行業(yè)的市場規(guī)模為25.8億美元，預計2026年將達到35.6億美元，2018-2026年的CAGR為4.1%。隨著人口老齡化加劇、居民人均可支配收入的提高和醫(yī)保覆蓋比例的提升，骨修復材料市場空間高速擴容。
2020年我國骨修復材料行業(yè)的市場規(guī)模為55.3億元，2016-2020年的CAGR為17.9%。其中骨科骨缺損修復材料行業(yè)的市場規(guī)模為28.6億元，口腔科骨植入材料行業(yè)的市場規(guī)模為15.2億元，神經(jīng)外科顱骨缺損修復材料行業(yè)的市場規(guī)模為11.5億元。
預計2023年我國骨修復材料行業(yè)的市場規(guī)模將達到96.9億元，其中骨科骨缺損修復材料行業(yè)的市場規(guī)模將達到53.4億元，口腔骨植入材料行業(yè)的市場規(guī)模將達到26.0億元，神經(jīng)外科顱骨缺損修復材料行業(yè)的市場規(guī)模將達到 17.5 億元。
（來源：奧精醫(yī)療招股說明書）
2022年，全球智能骨科植入物市場規(guī)模為248億美元，預計2023年至2030年將維持4.4%的復合年增長率增長，目標市場規(guī)模代表了智能骨科植入物具有實現(xiàn)高利潤的機會。
此外，關節(jié)炎的日漸普遍增加了市場對骨科支架和支撐制造的需求，生物可降解骨支架可用于緩解關節(jié)炎的癥狀。根據(jù)預測，關節(jié)炎的發(fā)生率將推動骨科支架和支撐鑄造市場繼續(xù)擴大。根據(jù)Technavio的市場研究報告，全球骨科支架和支撐鑄造市場預計在2019年至2023年期間的復合年增長率將超過5%。
（來源：Grand view research）
4、骨科醫(yī)用生物材料主要玩家
（一）DePuy Synthes
（來源：DePuy Synthes官網(wǎng)）
DePuy Synthes是強生集團旗下子公司，由強生于 1998 年收購的羅氏 DePuy和 2011收購的 Synthes 合并而成。DePuy Synthes 的產(chǎn)品涉及關節(jié)重建、創(chuàng)傷、脊柱、運動醫(yī)學、顱頜面、電動工具和生物材料等領域。
（CONDUIT脊椎融合器產(chǎn)品）（來源：DePuy Synthes官網(wǎng)）
2019年，DePuy Synthes公布了通過EIT Cellular Titanium 3D打印技術制造的椎間融合器產(chǎn)品組合CONDUIT，該產(chǎn)品進一步拓展了強生在退行性脊柱疾病治療領域的解決方案。體外研究表明，與常規(guī)鈦材料相比，3D打印鈦多孔材料具有納米級特征，顯示出增加的成骨細胞附著力，CONDUIT孔隙率與人類松質(zhì)骨孔隙率相近，彈性模量類似于松質(zhì)骨。
（二）Zimmer Biomet
（來源：Zimmer Biomet官網(wǎng)）
捷邁邦美（Zimmer Biomet）成立于1927年，總部位于美國印第安納州華沙。2015年，Zimmer捷邁以140億美元完成對Biomet邦美的收購，正式成立ZimmerBiomet（捷邁邦美）公司。捷邁邦美主要業(yè)務包括對骨科產(chǎn)品的設計、開發(fā)、制造和銷售，同時涉及膝關節(jié)、髖關節(jié)、肩關節(jié)、肘關節(jié)、足踝關節(jié)和假牙等領域。
（Persona IQ®智能膝蓋植入物）（來源：Zimmer Biomet官網(wǎng)）
Persona IQ®智能膝關節(jié)置換假體是捷邁邦美公司與Canary Medical公司一起開發(fā)的新產(chǎn)品，F(xiàn)DA在2021年授予該產(chǎn)品用于全膝關節(jié)置換術的上市許可。Persona IQ®可以從人體內(nèi)部測量病人的運動范圍、步數(shù)、步長和行走距離，也可以檢測出植入物的問題，幫助病人調(diào)整步態(tài)。
（三）Stryker
（來源：Stryker官網(wǎng)）
史賽克（Stryker）成立于1941年，總部位于美國密歇根州的卡拉馬祖市，產(chǎn)品涉及創(chuàng)傷骨科、微型植入、整形外科、生物材料、內(nèi)窺鏡及醫(yī)用床等方面。Stryker提供部分和全膝關節(jié)置換術的膝關節(jié)假體，用于全膝關節(jié)置換術和翻修膝關節(jié)置換術。
（Triathlon全膝關節(jié)置換系統(tǒng)）（來源：Stryker官網(wǎng)）
史賽克的Triathlon Tritanium全膝關節(jié)系統(tǒng)采用3D打印全鈦骨小梁結(jié)構(gòu)和PA生物型涂層技術，具有良好的骨親和性和骨細胞結(jié)合強度。脛骨平臺結(jié)合SOMA設計，提供了出色的假體初始穩(wěn)定性和長期固定效果。Triathlon的單半徑設計是為了與身體配合，促進類似自然的圓周運動，以幫助恢復功能和緩解疼痛。
此外，史賽克在2019年曾收購了以色列的OrthoSpace公司，后者的InSpace產(chǎn)品是一種可生物降解的肩峰下間隔物，是一種典型的生物材料。
（四）Smith+Nephew
（來源：Smith+Nephew官網(wǎng)）
Smith+Nephew（施樂輝）成立于1856年，總部位于倫敦，產(chǎn)品市場分布于全球100多個國家。公司主營業(yè)務包括骨科、運動醫(yī)學與耳鼻喉科、高級傷口管理。2022年，施樂輝以1.35億美元（9.6億人民幣）收購了位于佛羅里達州奧蘭多市的Engage Surgical，該公司的非骨水泥單髁（部分）膝關節(jié)系統(tǒng)已獲得FDA許可用于商業(yè)銷售。
（JOURNEY II全膝關節(jié)置換術系統(tǒng)）（來源：Smith+Nephew官網(wǎng)）
公司旗下的JOURNEY II全膝關節(jié)置換術系統(tǒng)是一種用于全膝關節(jié)置換術的反向混合動力構(gòu)件。Journey II Rox在一個構(gòu)件中采用了多項高性能技術，包括Journey II TKA的運動學功能、Conceloc Advanced Porous Titanium高級多孔鈦的臨床應用性和Oxinium Oxidized Zirconium氧化鋯的耐磨性。該全膝關節(jié)系統(tǒng)與施樂輝的Cori手術機器人系統(tǒng)兼容。
（五）Medacta
（來源：Medacta官網(wǎng)）
Medacta于1999年在瑞士成立，是一家專注于創(chuàng)新骨科產(chǎn)品設計、生產(chǎn)和配套外科技術的國際化骨科公司。Medacta是在微創(chuàng)手術基礎上開發(fā)新產(chǎn)品的先驅(qū)，特別是其髖關節(jié)置換的前部微創(chuàng)手術（"AMIS"）技術。公司還開發(fā)了 “MySolutions”技術，通過創(chuàng)建先進的個性化運動學模型和3D規(guī)劃工具，為外科醫(yī)生提供個性化的術前規(guī)劃和植入物放置方法，用于髖關節(jié)、膝關節(jié)、肩關節(jié)和脊柱手術。
（GMK全膝關節(jié)置換系統(tǒng)）（來源：Medacta官網(wǎng)）
GMK全膝關節(jié)置換系統(tǒng)是該公司全膝關節(jié)系列的產(chǎn)品之一，旨在保持關節(jié)功能，在韌帶不穩(wěn)定或大量骨缺損的情況下也不會顯著改變其解剖結(jié)構(gòu)和運動學。GMK Hinge植入物的無應力模塊化機制，以及其骨保護設計，有助于外科醫(yī)生實施關節(jié)搶救手術。
（六）Medtronic
（來源：Medtronic官網(wǎng)）
Medtronic（美敦力）成立于1949年，總部位于美國明尼蘇達州明尼阿波利斯市。公司的脊柱和骨科產(chǎn)品系列中，骨移植產(chǎn)品種類較為豐富，包括Infuse骨移植物、Grafton脫礦骨基質(zhì)DBM、Magnifuse骨移植物、Mastergraft系列產(chǎn)品等。
（Mastergraft產(chǎn)品）（來源：Medtronic官網(wǎng)）
Mastergraft系列產(chǎn)品是具有骨傳導性的可吸收支架，可用作骨移植替代物并擴展自體移植，有助于遞送并保持患者自身細胞的活力。這些合成的骨移植物可以單獨或與牛I型膠原蛋白結(jié)合在多孔顆粒中，提供專有的雙相磷酸鈣，即85％的β-磷酸三鈣（B-TCP）和15％的羥基磷灰石（HA）。該結(jié)構(gòu)可以在重塑患者自身骨骼的同時平衡新骨骼的形成。
（七）ConforMIS
（來源：ConforMIS官網(wǎng)）
ConforMIS于2004年建立，總部位于美國馬薩諸塞州。該公司致力于利用3D打印技術，開發(fā)、制造和銷售定制化膝關節(jié)置換植入物，旨在解決骨關節(jié)炎各個階段的問題，產(chǎn)品包括iTotal、iUni、iDuo、iPoly、iPoly XE等。
（iTotal® CR全膝關節(jié)置換植入物）（來源：Medacta官網(wǎng)）
iTotal® CR全膝關節(jié)置換植入物專為優(yōu)化骨保留設計，旨在模擬膝關節(jié)的自然形狀，使膝關節(jié)實現(xiàn)自然感知與移動。經(jīng)醫(yī)學博士William Kurtz研究表明，使用iTotal CR關節(jié)置換植入物時，骨切除術的平均總量比使用現(xiàn)成植入物進行骨切除術的平均總量少27%，最大限度保留患者的原有骨骼組織，減少術后疼痛時間，也縮短患者恢復時間。
5、總結(jié)
骨科生物醫(yī)用材料的發(fā)展背景是基于骨組織修復的需求、材料科學和生物技術的進步，以及對傳統(tǒng)治療方法局限性的認識。這些因素共同推動了骨科生物醫(yī)用材料的研究和應用，為骨骼疾病的治療和康復提供了更好的選擇。隨著技術的不斷創(chuàng)新和研究的深入，骨科生物醫(yī)用材料將繼續(xù)進步和完善，為骨組織修復和再生提供更好的治療方案。
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