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編者按

 

生物醫(yī)用材料是醫(yī)學發(fā)展的物質基礎，生物醫(yī)用有色金屬材料的創(chuàng)新突破，為先進醫(yī)療技術應用提供了支撐。目前新型生物醫(yī)用有色金屬材料應用仍面臨諸多挑戰(zhàn)，需著眼國家戰(zhàn)略需求，針對生物醫(yī)用有色金屬材料領域亟待解決的科學問題、關鍵技術等，采取對應舉措，推動可降解有色金屬創(chuàng)新產品的應用突破。

中國工程院張興棟院士研究團隊在中國工程院院刊《中國工程科學》2023年第1期發(fā)表《生物醫(yī)用有色金屬材料研究現狀與未來發(fā)展》一文。文章介紹了生物醫(yī)用有色金屬材料發(fā)展迅速，形成了適應不同體內環(huán)境、不同組織的醫(yī)用有色金屬材料及器件體系；著眼未來開展領域研究規(guī)劃，提升新型醫(yī)用有色金屬材料及器件的臨床應用水平，兼具理論研究與實踐應用價值。文章論述了生物醫(yī)用有色金屬材料在耐蝕性、耐磨性、疲勞強度及韌性、生物適配性等方面的關鍵性能要求，系統(tǒng)梳理了永久性植入有色金屬材料、生物可降解有色金屬材料、多孔醫(yī)用有色金屬材料、醫(yī)用有色金屬表面改性等細分領域的研究進展、發(fā)展趨勢與科學問題。在凝練各類生物醫(yī)用有色金屬材料未來研究方向的基礎上，提出了加強基礎與關鍵核心技術研究、組建“產學研醫(yī)監(jiān)”協(xié)同創(chuàng)新體、建立相關標準及規(guī)范、培育高精尖人才體系等發(fā)展建議，以期為新型材料發(fā)展布局與前沿技術研發(fā)提供先導性參考。

 

一、 前言

生物醫(yī)用材料是醫(yī)學發(fā)展的物質基礎，而生物醫(yī)用有色金屬材料的創(chuàng)新突破，推動了植入物假體、組織修復與再生、藥物輸送、治療產品與可穿戴診斷的發(fā)展，為先進醫(yī)療技術應用提供了直接支撐。有色金屬是鐵、鉻、錳3種金屬以外的所有金屬的統(tǒng)稱，也包括以一種有色金屬為基體、加入其他元素而構成的合金。生物醫(yī)用有色金屬材料主要包括永久性植入有色金屬材料、生物可降解有色金屬材料、多孔醫(yī)用有色金屬材料，具有高強韌性、耐疲勞、易加工成形、臨床使用可靠等特點；臨床使用及研究較多的種類有鈦及鈦基合金、鈷基合金、形狀記憶合金、貴金屬、純金屬鈮、鋯基合金、鎂基與鋅基合金、鉭等。

生物醫(yī)用有色金屬材料較多用于外科輔助器材、牙和骨等硬組織修復與替換、心血管與軟組織修復、人工器官等，臨床應用面臨的主要問題有人體生理環(huán)境腐蝕造成金屬離子溶出及向周圍組織擴散、植入材料自身性質退變：前者可能導致毒副作用，后者常常導致植入物失效。因此，相關材料的研發(fā)重點在于優(yōu)化生物力學適配性、增強醫(yī)用植入材料的耐蝕性、提高生物相容性等，即要求材料具有良好的生物力學性能和抗生理環(huán)境腐蝕性、優(yōu)異的生物相容性，使得不同化學成分及結構類型的醫(yī)用有色金屬器械能在人體不同部位的疾病治療過程中得以適配應用。

生物醫(yī)用材料是材料學、生物醫(yī)學的交叉研究領域。相關制備技術與工藝的進步，提高了材料的強韌性、耐蝕性、耐磨性、生物安全性與相容性，賦予了材料的可生物降解、抗菌等特性，促進了新型生物醫(yī)用有色金屬材料的不斷涌現以及相關表面改性技術升級，如生物可降解有色金屬材料、低模量鈦合金、含銅抗菌金屬、生物活性涂層、藥物涂層等。目前，我國在新型醫(yī)用有色金屬材料研究方面進入了國際先進行列，繼續(xù)加強新型醫(yī)用有色金屬材料研究、積極推動相關材料產業(yè)化、科學拓寬臨床應用范圍等工作，必要性和潛在價值突出。

本文按照永久性植入有色金屬材料、生物可降解有色金屬材料、多孔醫(yī)用有色金屬材料、生物醫(yī)用有色金屬表面改性的領域劃分，梳理研究進展、辨識發(fā)展趨勢、凝練科學問題，進而論述未來研究方向、提出產業(yè)發(fā)展建議，以期為生物醫(yī)用有色金屬材料領域的技術研發(fā)、產業(yè)培育提供基礎參考。

 

二、永久性植入有色金屬材料

(一） 國內外發(fā)展現狀

永久性植入有色金屬材料因其優(yōu)異的綜合力學性能、加工成形性能、穩(wěn)定安全性，相較其他類型、同類應用的材料具有明顯優(yōu)勢，目前以鈦及其合金、鈷基合金、形狀記憶合金、鉭金屬、貴金屬等為主要類型。永久性植入有色金屬材料在生物醫(yī)用領域中的應用呈快速發(fā)展態(tài)勢，新型醫(yī)用鈦合金、抗菌鈦合金、新型形狀記憶合金等成為研究熱點。

鈦及其合金在人工關節(jié)、骨科植入體、口腔修復、額面外科修復、血管支架等方面獲得了廣泛應用，較好實現了人體硬組織的結構支撐修復與替代。低彈性模量醫(yī)用鈦合金是未來的重要發(fā)展方向，有利于提升鈦合金與骨組織的生物力學匹配性、改善植入器械與周圍骨組織之間的應力傳導、緩解應力屏蔽或集中導致的骨吸收現象；目前已有3種（Ti-13Nb-13Zr、Ti-12Mo-6Zr-2Fe、Ti-15Mo-3Nb）列入美國材料與試驗協(xié)會的醫(yī)用植入材料庫，獲得了初步的臨床應用。

Ni-Ti形狀記憶合金因其獨特的形狀記憶特性與超彈性、良好的生物相容性，在齒科、骨科、心血管介入等方面得到廣泛應用。但臨床研究表明，Ni-Ti合金在人體中長期使用后，因腐蝕造成鎳離子溶出，可引發(fā)致敏、細胞毒性甚至致癌性等生物安全問題。因此，新型無鎳形狀記憶合金成為醫(yī)用形狀記憶合金的研究重點。以Ti-Nb、Ti-Zr、Ti-Ta為基礎的二元合金體系，可獲得具有形狀記憶效應、超彈性、優(yōu)良生物安全性的新型醫(yī)用無鎳形狀記憶合金。

抗菌醫(yī)用有色金屬材料具有優(yōu)良的廣譜殺菌功能，可抑制細菌生物膜的形成，應用前景廣闊。近期發(fā)展的含銅抗菌鈦合金（如Ti-Cu、Ti6Al4V-Cu、Ti-Zr-Cu），是在現有醫(yī)用鈦合金成分的基礎上適量添加具有強烈抗菌功能的銅元素發(fā)展形成的。這類鈦基合金不僅在生理環(huán)境中持續(xù)、微量地釋放銅離子，起到強烈、廣譜、持久的抗菌作用，而且因合金中析出Ti-Cu合金相而顯著提高了材料的拉伸強度、硬度、疲勞強度；可顯著降低鈦合金植入物引發(fā)感染的風險，是降低臨床上出現細菌感染的新思路、新途徑。

（二） 發(fā)展趨勢和科學問題

醫(yī)用鈦合金經歷了傳統(tǒng)鈦合金、低模量鈦合金、抗菌鈦合金等發(fā)展階段，基本突破了高強度、低模量、功能化等方面的難題。然而，此類永久性植入有色金屬材料及植入器械在人體中的長期安全性、服役長效性、生物學響應等問題有待深入研究，相關問題也是推動新型醫(yī)用鈦合金臨床應用的前置條件。對于永久性植入有色金屬材料，還需解決的關鍵技術問題有：① 新型鈦合金的可逆強化變形機制及影響因素，植入器械的疲勞損傷機理及影響因素，彈性模量調控途徑及其對生物學響應的作用機制，超細晶低模量、高強度鈦合金的組織性能調控、生物相容性及產業(yè)化；② 單晶生物醫(yī)用鈦合金，通過沿某一方向生長獲得單晶金屬材料，獲得接近人體骨骼的彈性模量，使相應植入體具有彈性模量匹配度；③ 含銅抗菌鈦合金的強韌化機制及影響因素、銅離子溶出機制及影響因素、生物安全性及對動物體內菌群分布的影響。

新型無鎳鈦基形狀記憶合金相比Ni-Ti合金，記憶效應、超彈性仍然較低，有待進一步提高。形狀記憶合金的形狀記憶效應、超彈性效應、高阻尼性、彈熱效應等，均顯著依賴熱彈性馬氏體相變，而相變過程又會對材料造成損傷。對于新型形狀記憶合金，還需解決的關鍵技術問題有：① 新型合金中馬氏體相變的復雜性和多樣性，含應變馬氏體的穩(wěn)定化、馬氏體相變的可逆性、應力誘發(fā)馬氏體相變與超彈性的復雜性及多樣性；② 新型合金在熱處理或者熱循環(huán)過程中會出現ω相（尺寸在2~10 nm），彌散分布在基體中且不易觀察和確認，有關ω相對新型合金性能影響機制尚不清楚；③ 新型合金的功能特性與結構、熱機械處理的關系。

 

三、 生物可降解有色金屬材料

（一） 國內外發(fā)展現狀

生物可降解金屬指可在人體內逐漸被體液或血液腐蝕降解的金屬、合金、金屬基復合材料，降解形成的產物給機體帶來恰當的宿主反應，在協(xié)助機體完成組織修復使命之后將全部溶解而不殘留任何植入物。可降解金屬成為醫(yī)用有色金屬材料的研究熱點，獨特的可生物降解性帶來了與永久性植入金屬材料截然不同的科學問題，也拓展了全新的應用空間，目前具有代表性的是鎂基可降解金屬、鋅基可降解金屬、鐵基可降解金屬。通過20多年的基礎研究積累，可降解鎂合金已從實驗室研究階段轉換到了企業(yè)開展醫(yī)療器械創(chuàng)新產品研發(fā)階段，但仍有新的科學問題不斷涌現；鋅基可降解金屬的基礎研究已具雛形?？山到怄V合金和鋅合金有望廣泛用于臨床中的硬組織修復或替代、血管支架等。多孔鎂合金可為細胞提供三維生長空間，有利于養(yǎng)分、代謝物的交換運輸，但拓撲結構對細胞增殖、新細胞生長等的影響需要進行更多的體外和體內研究。

2008年，美國設立“革命性醫(yī)用金屬材料”工程研究中心，著力推動以可降解鎂合金為主的新型醫(yī)用金屬材料及植入器件研究。2007年起，歐盟通過第七框架計劃，為可降解鎂合金植入物研發(fā)提供連續(xù)支持。2013年，德國Syntellix AG公司開發(fā)的可降解鎂合金壓縮螺釘成為首個獲得歐洲統(tǒng)一（CE）認證的可降解鎂合金植入產品。在全降解血管支架方面，德國Biotronik公司在WE43鎂合金基礎上開發(fā)了一系列全降解血管支架，報道了血管支架的動物及臨床實驗結果；支架植入部位也從風險較小的下肢動脈發(fā)展到風險較高的冠狀血管，已在多個國家開展臨床試驗。

我國自“十二五”時期起積極支持醫(yī)用鎂合金的基礎科學研究與產品研發(fā)，已經在不同成分的醫(yī)用鎂合金及器械研制、從體外到體內應用研究等方面開展了系統(tǒng)性工作?；诳山到饨饘俚纳锝到庑?、生物相容性雙判據，對元素周期表中的所有金屬元素是否適合作為可降解金屬進行了篩選；鈣、鉀、鈉、鎂、鋅、銣、鍶、錫、鋇、錳、鋰、銫、鉬、釔、鈧、錸、鎢等是適合可降解金屬應用的元素，鎂、鋅適合作為基體元素，其他元素可作為合金化元素使用；還可采用人體中存在的非金屬元素作為合金化元素，如氧、碳、氫、氮、磷、硫、氟、硅、硒。在生物可降解有色金屬相關基礎理論研究、臨床轉化應用方面取得的原創(chuàng)性工作有：① 開發(fā)了“三性”（生物安全性、強韌性、降解可控性）合一的新型醫(yī)用鎂合金，血管支架專用生物鎂合金（Mg-Zn-Y-Nd、Mg-Nd-Zn-Zr）；② 發(fā)展了潔凈化、均質化、細晶化的鎂合金材料加工制備技術方法；③ 闡明了鎂促進新骨形成的協(xié)同作用機制，揭示了外周感覺神經在骨代謝中的關鍵作用；④ 完成鎂離子在骨愈合早期炎癥階段、后期重塑階段的雙相作用研究，加深對鎂離子在骨愈合過程中功能多樣性的理解；⑤ 提出了骨科植入物用鋅合金的合金化設計原則，設計了與醫(yī)用不銹鋼、純鈦力學性能相當的可降解鋅合金體系，開發(fā)了Zn-Mg系、Zn-Li系、Zn-Fe系、Zn-Mn系、Zn-Cu系可降解鋅合金。

（二） 發(fā)展趨勢和科學問題

隨著生物可降解有色金屬植入體內的力學適配、降解適配、組織適配等問題研究更為深入，更多的可降解醫(yī)用有色金屬新材料、新技術、新方法逐步涌現；可降解有色金屬材料新合金體系設計、降解模式及老化、個性定制化、植入電子元器件器械等，成為研究熱點。

可降解醫(yī)用有色金屬材料及降解調控朝著復合化、智能化、精準化、生命化、多功能化方向發(fā)展，旨在實現可降解金屬材料降解與機體組織修復在時間、幾何空間層面的精準適配。還需解決的關鍵技術問題如下。① 運用機器學習方法快速預測材料性能，加速新型可降解鎂基、鋅基合金的設計開發(fā)過程；人體內的復雜環(huán)境因素（如不同的細胞、體液成分、受力情況）會影響可降解金屬的降解行為，掌握鎂基和鋅基合金的體內降解機理以及體內吸收代謝途徑，預測可降解金屬植入物在人體內的降解和代謝情況，更好指導可降解金屬植入物的設計。② 研究可降解鎂基和鋅基合金的成分、變形工藝、熱處理等多因素耦合條件下材料組織演變及相關機制，控制變形過程中的再結晶行為，提高合金組織的均勻穩(wěn)定性，綜合調控可降解金屬的“三性”，同步提高生物可降解有色金屬器件制造全流程的智能化水平。③ 可降解鋅合金表現出低蠕變抗力、加工軟化行為和老化現象，降解過程中材料力學性能發(fā)生變化；可降解鎂基、鋅基合金植入體內后降解產物（如固體殘余物、金屬離子、氫氣）的藥理學和毒理學作用機理；探索并明確可降解金屬具有形狀記憶效應的可能性；可降解金屬、可降解無機非金屬、可降解高分子材料的復合結構以及多級降解調控機制研究；面向特定人群的可降解有色金屬材料的設計、制備及臨床研究。④ 完善生物可降解有色金屬材料的體外 / 體內測試標準、生物安全性評價規(guī)范，支持規(guī)?；呐R床應用研究。

生物可降解有色金屬材料的增材制造處于基礎研究階段。鎂基和鋅基合金在增材制造過程中存在金屬蒸發(fā)現象（鎂、鋅的蒸發(fā)傾向較高），使得成品件和原粉材的成分出現較大偏離。目前尚無通過驗證的商用可降解金屬粉體材料，粉體材料的標準化、商品化短板制約了相關增材制造研究與應用。需要解決的關鍵技術問題有：開發(fā)增材制造專用粉體材料制備技術，獲得增材制造用生物可降解有色金屬粉體；利用增材制造技術制備具有個性化宏 / 微觀結構的多孔可降解金屬支架，研究材料成分、結構設計、制造方案對可降解金屬多孔支架力學性能、降解行為、生物相容性的影響規(guī)律及作用機制；應用結構設計、表面處理等調控方式，改善多孔可降解金屬植入物的降解速率，揭示力學、化學、生物學的交互作用機理。

基于可降解金屬薄膜的新型光 / 電器件具備多元化診斷和治療功能，是生物可降解有色金屬材料的潛在應用方向。需要解決的關鍵技術問題有：研究可降解金屬薄膜的可控降解原理及其光 / 電性能隨金屬降解的變化規(guī)律；建立可降解金屬薄膜電路的多樣制備工藝，掌握可降解高分子、半導體形成復合構型工藝對相關材料界面與器件性能的影響規(guī)律；發(fā)展基于可降解金屬薄膜的生物傳感器、刺激治療器件、能源器件，探明材料微觀結構、降解機制對性能的影響，掌握相關材料復合構型的協(xié)同降解機制、與生物細胞及組織的作用機理。

 

四、 多孔醫(yī)用有色金屬材料

（一） 國內外發(fā)展現狀

多孔醫(yī)用有色金屬材料主要用于臨床修復人體顱骨、頜骨、膝關節(jié)、髖關節(jié)等遭受病變或損傷的骨組織部位。相比鈦，鉭具有更優(yōu)的生物相容性、化學穩(wěn)定性、延展性以及促進骨細胞增殖、分化和成骨細胞粘附等作用。國產多孔鉭骨填充支架材料已獲批準上市，較多用作椎間融合器、髖關節(jié)臼杯、盂底板、脛骨平臺、踝關節(jié)融合器等植入體。目前，以鈦、鉭材料制成的多孔金屬植入體，其制備方法主要是粉末冶金、化學氣相沉積，其他制備方法在生物學性能影響方面還需深入評價。

對于高純、高球形度的鈦粉和鉭粉，霧化制備技術備受關注，支撐了增材制造醫(yī)用金屬的研究和應用；相應的宏 / 微觀可控結構植入體可顯著提高促成骨作用。得益于快速凝固得到的細晶組織和均勻成分，增材制造醫(yī)用金屬的生物學、力學性能優(yōu)異，較多用于植入物、假體等生產并在骨科、頜面、牙科手術上獲得應用。目前獲批的增材制造金屬植入體，材料以鈦合金為主，用作踝關節(jié)截骨梁、髖臼假體、股骨脛、脛骨底板、骶骨、椎間融合器等。

提升多孔鈦合金的性能，重點在于低的彈性模量、高的骨結合強度，因而孔結構控制至關重要‍；具有定向有序、梯度結構、拓撲結構等復雜孔隙分布的結構，在力學、生物學性能方面與人體骨組織更加兼容。多孔鈦合金的疲勞行為與孔隙結構、表面粗糙度、內部缺陷密切相關；在相同的孔隙結構下，多孔鉭相比多孔鈦具有更好的塑性和抗疲勞能力。

（二） 發(fā)展趨勢和科學問題

多孔醫(yī)用有色金屬材料的未來發(fā)展重點是多孔鈦合金、鉭金屬。優(yōu)化宏 / 微觀結構設計、制備工藝更加智能可控、力學相容與生物學功能提升并重等是多孔醫(yī)用有色金屬材料的發(fā)展趨勢。還需解決的關鍵技術問題如下。① 成分設計復雜化。綜合考慮材料結構、工藝性、力學性能、生物學特性，通過合金化或復合化方式提升材料的力學相容性與生物相容性；快速凝固成分、結構與性能之間的關系規(guī)律，抗損傷醫(yī)用金屬植入材料的成分設計理論等是重點研究內容。② 孔結構設計自主化。設計并構建梯度孔結構、仿生孔結構、超點陣結構等新型孔結構，提升多孔鈦合金、鉭金屬的力學相容性和組織相容性；孔結構設計拓撲優(yōu)化與代數理論、孔結構對力學性能及促成骨功能的作用規(guī)律及機制等是重點研究內容。③ 制備工藝智能化。提升多孔鈦合金、鉭金屬支架組織的精確控制，結構單元的力學穩(wěn)定性，增材制造技術水平，研究多孔結構單元的力學穩(wěn)定性與智能響應、材料組織精確控制及性能多樣化新原理。④ 后處理工藝多元化。以消除缺陷、提高活性、增加功能、提高耐蝕性為目標，綜合采用包括熱（加工）處理在內的多種后處理手段，研究微結構、表面和界面特性對力學及生物學特性的精確調控原理。

 

五、 生物醫(yī)用有色金屬表面改性

（一） 國內外發(fā)展現狀

生物醫(yī)用有色金屬材料具有高強韌性，在骨骼 ? 肌肉系統(tǒng)、牙體 ? 牙齦系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)等承力組織器官的損傷修復與功能重建方面應用前景良好‍；修復的組織包括骨、牙、關節(jié)等硬組織，內皮、上皮、肌腱、肌肉等軟組織，但面臨細菌感染、病灶殘留、腫瘤細胞侵襲等問題。盡管醫(yī)用有色金屬材料能夠提供力學支撐，但存在一些生物相容性問題，相應的生物功能較為缺乏。表面改性是進一步增強現有醫(yī)用有色金屬材料表面耐蝕性、生物相容性及功能性的重要方式，在各類醫(yī)用金屬植入器件方面獲得廣泛應用；不同種類的生物醫(yī)用有色金屬材料的應用環(huán)境不同，所采用的涂層與制備方法也有區(qū)別。可降解醫(yī)用鎂合金表面制備涂層的方法多樣，可實現醫(yī)用鎂合金器械的可控降解及功能化；在涂層中適量加入具有強烈抗菌功能的銅、銀等元素，使器械在生理環(huán)境中持續(xù)、微量地釋放銅離子、銀離子，可起到顯著的抗菌作用。表面改性可提升醫(yī)用有色金屬材料的組織再生、組織整合、抗菌、抗腫瘤、抗血管再狹窄等生物功能，與組織器官損傷修復、功能重建、服役效能直接關聯(lián)。

醫(yī)用有色金屬材料植入人體后，其表面會即刻吸附血液蛋白，觸發(fā)免疫細胞啟動炎癥反應，進而對組織特異性細胞（如骨組織的基質干細胞、皮膚 / 牙齦的上皮細胞、血管的內皮細胞、肌肉的衛(wèi)星細胞）、成纖維祖細胞以及細菌行為產生作用。外源性“聲 / 光 / 電 / 磁”等物理場以及材料表面性質（如拓撲結構、親水性 / 表面能、彈性模量、電荷、化學組成）能夠調控免疫細胞炎癥反應、組織特異性細胞及細菌行為，進而對組織再生與整合、抗菌、抗血管再狹窄等產生不同程度的有利影響，也有可能產生纖維包裹、平滑肌增生等不利影響。

不同于生物陶瓷、高分子材料，有色金屬表面生物功能化改性層的構建，不僅側重改性層的生物功能，而且關注改性層與金屬基體結合，表面改性器件的長期力學、結構完整性和耐磨性。而在現有的醫(yī)用金屬材料改性研究中，相關力學行為少有揭示，認知層次明顯不足。在組織再生及整合研究方面，雖然揭示了改性層表面性質對單一組織特異性細胞的作用效應及細胞生物學機制，但在免疫細胞炎癥反應及其對組織特異性細胞的作用、多種組織特異性細胞之間的相互作用及其分子生物學機制等方面缺乏深刻認識。在抗菌、抗腫瘤功能研究方面，復合在改性層中的抗生素、抗菌肽、抗菌離子 / 粒子雖然呈現強殺菌效應，但是會導致細胞活力降低，不利于促進組織再生與整合。

近年來發(fā)現的“擾亂細菌電子傳遞鏈”殺菌、光控殺菌、超聲 / 微波 / 電磁激發(fā)改性層組元殺菌等策略，展示了高效抗菌、一定程度上的促組織愈合潛力，但分子生物學機制尚待進一步揭示?？鼓[瘤功能化改性處于起步探索階段，如提出了改性層中復合抗腫瘤藥物及離子 / 粒子。此外，在心臟 / 血管系統(tǒng)植入器械，特別是抑制血管支架處血栓形成與再狹窄研究方面，歷經了藥物洗脫心血管支架、全降解藥物洗脫支架兩個發(fā)展階段，距離理想的治愈效果仍有距離。近期提出的基于炎癥調控、平滑肌細胞與內皮細胞選擇性調控的金屬基心腦血管支架改性層構建策略，顯示了良好潛力，但組成設計及分子生物學機制尚待揭示。

（二） 發(fā)展趨勢和科學問題

生物醫(yī)用有色金屬表面改性的發(fā)展趨勢表現為：永久性植入金屬（含多孔金屬）表面制備結合牢固、不損傷基體長期力學與結構完整性的改性層；在可降解金屬表面制備結合牢固、降解速率與基體匹配的改性層，可賦予改性層炎癥反應時序性精準的調控能力，良好的組織再生、組織整合、抗菌 / 抗腫瘤功能，還可選擇性地促進內皮化、抑制平滑肌增生及晚期血栓形成；需要闡明改性金屬表面對細胞、細菌、機體精準作用的細胞生物學和分子生物學機制，建立長壽命或降解匹配的金屬表面改性層結構設計與制備原理。

還需解決的關鍵技術問題有：① 醫(yī)用有色金屬表面改性層的性質（如拓撲結構、親水性 / 表面能、彈性模量、電荷、化學組成）、“聲 / 光 / 電 / 磁”等物理場對免疫細胞炎癥反應，組織特異性細胞行為及組織再生與整合，抗血管支架內再狹窄的精準調控效應及分子生物學機制；② “擾亂細菌電子傳遞鏈”殺菌、“聲 / 光 / 電 / 磁”等物理場耦合改性層組元殺菌的分子生物學機制及其對組織再生與整合的精準影響機制；③ 醫(yī)用有色金屬表面抗腫瘤功能化改性的新方法，殺滅腫瘤細胞的材料因素精準作用原理；④ 長壽命或降解匹配的生物功能化改性層與金屬基體之間的界面強化機理，具有長期力學、結構完整性及耐磨性的表面改性金屬器件制備原理。

 

六、 生物醫(yī)用有色金屬材料的未來研究方向

（一） 永久性植入有色金屬材料

永久性植入有色金屬材料研制尚存諸多問題，需從合金成分設計、制備與加工、力學性能調控等角度開展深入研究：① 基于生物力學匹配的高強度低模量醫(yī)用鈦合金設計、表征及生物學性能，醫(yī)用鈦合金低彈性模量與抗疲勞損傷之間的矛盾關系及解決途徑；② 新型醫(yī)用鈦合金中馬氏體相變的復雜性、多樣性內在機制，新型醫(yī)用鈦合金的相變與微觀結構對功能特性影響規(guī)律、熱機械處理對功能特性的影響、體內外生物學性能評價；③ 含銅抗菌鈦合金高強韌設計、制備與性能研究，含銅抗菌鈦合金的生物安全性及對體內菌群分布的影響，含銅抗菌鈦合金在動物體內的抗感染作用及機制。

（二） 生物可降解有色金屬材料

針對可降解有色醫(yī)用金屬材料，在骨修復、口腔修復、神經修復、血管組織修復、腔道修復、外科、生物電子器件等方向開展了臨床應用前的評價研究及臨床應用研究，未來可在多元成分、微觀組織結構、介觀孔隙結構及制備工藝、組織與性能多樣化等方面開展深入研究：① 運用機器學習方法開展新型可降解有色醫(yī)用金屬材料的成分優(yōu)化設計與高通量計算，提高“需求 ? 優(yōu)化 ? 制備 ? 檢測 ? 應用”流程研發(fā)效率，快速篩選材料并進行性能預測；② 高性能生物可降解有色金屬型材加工方法及其性能調控技術，面向增材制造的生物可降解有色金屬粉體制備技術；③ 生物可降解有色金屬材料與機體之間的表面 / 界面理論分析，全降解周期內生物可降解有色金屬材料的力學、降解、生物適配機制；④ 采用人工智能技術探索材料成分、工藝、組織、性能、體內服役環(huán)境的構效關系，解釋生物可降解有色金屬材料降解產物的藥理學、毒理學作用機理；⑤ 形狀記憶且生物可降解有色金屬材料的制備與應用可行性；⑥ 基于生物可降解有色金屬薄膜的新型光 / 電器件用材料。

（三） 多孔醫(yī)用有色金屬材料

多孔醫(yī)用有色金屬材料的特殊結構產生有利于細胞生長的微環(huán)境、促進骨組織向孔內生長，在硬組織修復方向應用前景良好。進入臨床之前，還需針對材料孔隙結構、力學性能、生物相容特性、不同金屬粉體及適用增材制造工藝等開展深入研究：① 在多孔醫(yī)用有色金屬結構設計方法與科學基礎方面，基于拓撲優(yōu)化及不同臨床需求的宏 / 微觀復雜孔結構設計，仿生（擬態(tài)）天然骨組織結構的功能梯度孔結構設計，面向植入物長期體內服役穩(wěn)定性的超點陣孔結構設計；② 在增材制造醫(yī)用有色金屬材料成分設計與新技術方面，基于生物學、力學、快速凝固工藝需要的醫(yī)用有色金屬成分設計，增材制造醫(yī)用有色金屬材料的微觀組織調控及性能優(yōu)化、后處理技術，基于智能響應的增材制造新技術開發(fā)；③ 在多孔醫(yī)用有色金屬材料力學及服役行為方面，復雜多孔結構醫(yī)用有色金屬材料的力學響應、誘導成骨、骨組織修復行為，多孔醫(yī)用有色金屬長期植入過程中的結構與性能演化。

（四） 生物醫(yī)用有色金屬表面改性

以表面改性方式提高醫(yī)用有色金屬植入器件的表面耐蝕性、生物相容性、生物功能性，才能滿足植入器械的安全性與有效性，未來的細分研究方向有：① 在醫(yī)用有色金屬表面免疫調控及組織再生與整合功能化改性方面，側重改性層的物理刺激、化學刺激、生化刺激對免疫細胞、組織特異性細胞、成纖維祖細胞等的分子調控機制；② 在醫(yī)用有色金屬表面抗菌功能化改性方面，側重“擾亂細菌電子傳遞鏈”殺菌、改性組元耦合“聲 / 光 / 電 / 磁”物理場殺菌的作用機制及其對組織再生 / 整合的影響關系；③ 醫(yī)用有色金屬基心血管系統(tǒng)植入器械的表面多功能化設計與功能調控以及抑制血栓形成、促進內皮再生修復機制；④ 醫(yī)用有色金屬表面抗腫瘤功能化改性以及改性層構建新方法及原理；⑤ 醫(yī)用有色金屬表面兼具多種生物功能的改性新技術及原理，表面與細胞、不同細胞之間、細胞與細菌作用研究的新方法，有色金屬醫(yī)療器件表面改性和器件加工的實用化技術。

 

七、 我國生物醫(yī)用有色金屬材料發(fā)展建議

(一)   加強基礎與關鍵核心技術研究

新型生物醫(yī)用有色金屬材料應用面臨諸多挑戰(zhàn)，建議針對生物醫(yī)用有色金屬材料領域亟待解決的科學問題、關鍵技術等，持續(xù)性、有重點地給予資源支持，盡快形成我國原創(chuàng)技術體系和突破“卡脖子”環(huán)節(jié)的特色技術體系，推動可降解有色金屬創(chuàng)新產品的應用突破；重視并積極運用大數據技術，構建集設計、制備、性能檢測、體內外評價一體化的可降解有色金屬材料研發(fā)能力，整體性提升醫(yī)用有色金屬材料領域開發(fā)技術與臨床應用水平。

（二） 組建“產學研醫(yī)監(jiān)”協(xié)同創(chuàng)新體

著眼國家戰(zhàn)略需求，辨識生物醫(yī)用有色金屬材料發(fā)展鏈條的要素環(huán)節(jié)，提升科研成果與企業(yè)生產、臨床應用的緊密聯(lián)系。兼顧實驗室級、臨床應用兩方面的高性能醫(yī)用有色金屬材料及器械開發(fā)，加強研制單位、醫(yī)療器械制造企業(yè)與重點醫(yī)院、檢驗監(jiān)管單位的協(xié)作與配合，形成“科學家+企業(yè)家+臨床醫(yī)生+監(jiān)管單位”的有機聯(lián)盟模式和制度。構建研發(fā)、生產、臨床應用、科學監(jiān)管有機結合的發(fā)展格局，推動新型醫(yī)用有色金屬材料研究成果的應用轉化，支持縮短臨床應用周期。

（三） 建立相關標準及規(guī)范

深化醫(yī)用有色金屬材料及器械產品的標準化研究，適時開展國家級、行業(yè)性標準的制定與修訂。建立并完善新型醫(yī)用有色金屬材料與器械的體外評價和體內試驗標準、降解產物成分分析及生物安全性評價規(guī)范，覆蓋可降解醫(yī)用金屬材料綜合類別并滿足個性化產品的發(fā)展需求，使得基于體外試驗預測體內試驗結果更為精準，提高臨床試驗研究的有效性以加快臨床應用進度。

（四） 培育高精尖人才體系

建議與國際前沿的高端醫(yī)用有色金屬材料研究方向接軌，以“走出去、引進來、服務需求、提高質量”為導向，落實人才引進及持續(xù)發(fā)展的保障措施，著力構建和培育醫(yī)用有色金屬材料及器械產業(yè)的高精尖人才體系。加大醫(yī)工結合型青年創(chuàng)新團隊的培養(yǎng)及扶持力度，培育適應企業(yè)生產需求、保留自主研究靈活性的人才團隊。營造科研機構、企業(yè)、臨床、器械監(jiān)管等領域專家學者的交流氛圍與溝通渠道，助力相關企業(yè)的卓越工程師人才梯隊建設。