生物医用材料前景范文
时间：2023-12-05 18:07:13
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篇1
生物医用高分子材料是一种聚合物材料，主要用于制造人体内脏、体外器官、药物剂型及医疗器械。按照来源的不同，生物医用高分子材料可以分为天然生物高分子材料和合成生物高分子材料2种。前者是自然界形成的高分子材料，如纤维素、甲壳素、透明质酸、胶原蛋白、明胶及海藻酸钠等；后者主要通过化学合成的方法加以制备，常见的有合聚氨酯、硅橡胶、聚酯纤维、聚乙烯基吡咯烷酮、聚醚醚酮、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚乳酸、聚乙烯等。按照材料的性质，生物医用高分子材料可以分为非降解材料和降解材料。前者主要包括聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃，芳香聚酯、聚硅氧烷等；后者包括聚乙烯亚胺—聚氨基酸共聚物、聚乙烯亚胺—聚乙二醇—聚（β-胺酯）共聚物、聚乙烯亚胺—聚碳酸酯共聚物等。
生物医用高分子材料作为植入人体内的材料，必须满足人体内复杂的环境，因此对材料的性能有着严格的要求。首先，材料不能有毒性，不能造成畸形；其次，生物相容性比较好，不能与人体产生排异反应；第三，化学稳定性强，不容易分解；第四，具备一定的物理机械性能；第五，比较容易加工；最后，性价比适宜。其中最关键的性能是生物相容性。
根据国际标准化组织（InternationalStandardsOrganization，ISO）的解释，生物相容性是指非活性材料进入后，生命体组织对其产生反应的情况。当生物材料被植入人体后，生物材料和特定的生物组织环境相互产生影响和作用，这种作用会一直持续，直到达到平衡或者植入物被去除。生物相容性包括组织相容性、细胞相容性和血液相容性。
二、生物医用高分子材料的发展历史
人类对生物医用高分子材料的应用经过了漫长的阶段。根据记载，公元前3500年，古埃及人就用棉花纤维和马鬃缝合伤口，此后到19世纪中期，人类还主要停留在使用天然高分子材料的阶段；随后到20世纪20年代，人类开始学会对天然高分子材料进行改性，使之符合生物医学的要求；再后来人类开始尝试人工合成高分子材料；20世纪60年代以来，生物医用高分子材料得到了飞速发展和广泛的普及。1949年，美国就率先发表了研究论文，在文中第1次阐述了将有机玻璃作为人的头盖骨、关节和股骨，将聚酰胺纤维作为手术缝合线的临床应用情况，对医用高分子的应用前景进行了展望。这被认为是生物医用高分子材料的开端。
在20世纪50年代，人类发现有机硅聚合物功能多样，具有良好的生物相容性（无致敏性和无刺激性），之后有机硅聚合物被大量用于器官替代和整容领域。随着科技的发展，20世纪60年代，美国杜邦公司生产出了热塑性聚氨酯，这种材料的耐屈挠疲劳性优于硅橡胶，因此在植入生物体的医用装置及人工器官中得到了广泛应用。随后人工尿道、人工食道、人工心脏瓣膜、人工心肺等器官先后问世。生物医用高分子材料也从此走上快速发展的道路。
三、生物医用高分子材料的发展现状、前景和趋势
据相关研究调查显示，我国生物医用高分子材料研制和生产发展迅速。随着我国开始慢慢进入老龄化社会和经济发展水平的逐步提高，植入性医疗器械的需求日益增长，对生物医用高分子材料的需求也将日益旺盛。2015年1月28日，中国医药物资协会的《2014中国单体药店发展状况蓝皮书》显示，2014全年全国医疗器械销售规模约2556亿元，比2013年度的2120亿元增长了436亿元，增长率为20.06%。但是相比于医药市场总规模（预计为13326亿元）来说，医药和医疗消费比为1∶0.19还略低，因此业内普遍认为，医疗器械仍然还有较广阔的成长空间，生物医用高分子材料也将迎来良好的发展前景。
根据evaluateMedTech公司基于全球300家顶尖医疗器械生产商的公开数据而得出的报告《2015-2020全球医疗器械市场》预测，2020年全球医疗器械市场将达到4775亿美元，2016-2020年间的复合年均增长率为4.1%。世界医疗器械格局的前6大领域包括：诊断、心血管、影像大型设备、骨科、眼科、内窥镜，其中生物医用高分子材料在其中都得到了广泛的应用。
以往的医学研究对组织和器官的修复，更多是选择一种替代品，实现原有组织和器官的部分功能。随着再生医学和干细胞技术的迅速发展，利用生物技术再生和重建器官、个性化治疗和精准医学已经成为趋势。因此传统的生物医药高分子材料已经不能满足现有的需求，需要模拟生物的结构，恢复和改进生物体组织与器官的功能，最终实现器官和组织的再生，这也是生物医用高分子材料未来的发展方向。
生物医用高分子材料在医疗器械领域中得到了非常广泛的应用，主要体现在人工器官、医用塑料和医用高分子材料3个领域。
1.人工器官
人工器官指的是能植入人体或能与生物组织或生物流体相接触的材料；或者说是具有天然器官组织或部件功能的材料，如人工心瓣膜、人工血管、人工肾、人工关节、人工骨、人工肌腱等，通常被认为是植入性医疗器械。人工器官主要分为机械性人工器官、半机械性半生物性人工器官、生物性人工器官3种。第1种是指用高分子材料仿造器官，通常不具有生物活性；第2种是指将电子技术和生物技术结合；第3种是指用干细胞等纯生物的方法，人为“制造”出器官。目前生物医用高分子材料主要应用在第1种人工器官中。
目前，植入性医疗器械中骨科占据约为38%的市场份额；随后是心血管领域的36%；伤口护理和整形外科分别为8%左右。人工重建骨骼在骨科产品市场中占据了超过31%的市场份额，主要产品是人工膝盖，人工髋关节以及骨骼生物活性材料等，主要应用的生物医用高分子材料有聚甲基丙烯酸甲酯、高密度聚乙烯、聚砜、聚左旋乳酸、乙醇酸共聚物、液晶自增强聚乳酸、自增强聚乙醇酸等。心血管产品市场中支架占据了一半以上的市场份额，此外还有周边血管导管移植、血管通路装置和心跳节律器等。
目前各国都认识到了人工器官的重要价值，加大了研发力度，取得了一些进展。2015年，美国康奈尔大学的研究人员开发出了一种轻量级的柔性材料，并准备将其用于创建一个人工心脏。在我国，3D打印人工髋关节产品获得国家食品药品监督管理总局（CFDA）注册批准，这也是我国首个3D打印人体植入物。
人工器官未来发展趋势是诱导被损坏的组织或器官再生的材料和植入器械。人工骨制备的发展趋势是将生物活性物质和基质物质组合到一起，促进生物活性物质的黏附、增殖和分化。血管生物支架的发展趋势是聚合物共混技术，如海藻酸钠/壳聚糖、胶原/壳聚糖、胶原/琼脂糖、壳聚糖/明胶、壳聚糖/聚己内酯、聚乳酸/聚乙二醇等体系。
2.医用塑料
医用塑料，主要用于输血输液用器具、注射器、心导管、中心静脉插管、腹膜透析管、膀胱造瘘管、医用粘合剂以及各种医用导管、医用膜、创伤包扎材料和各种手术、护理用品等。注塑产品是医用塑料制品当中产量最大的品种。与普通塑料相比，医用塑料要求比较高，严格限制了单体、低聚物、金属离子的残留，对于原材料的纯度要求很高，对加工设备的要求也非常严格，在加工和改性过程中避免使用有毒助剂，通常具有表面亲水、抗凝血等特殊功能。常用医用塑料包括聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚四氟乙烯（PTFE）、热塑性聚氨酯（TPU）、聚碳酸酯（PC）、聚酯（PET）等。
目前医用塑料市场约占全球医疗器械市场的10%，并保持着每年7%～12%的年均增长率。统计数据显示，美国每人每年在医用塑料领域消费额为300美元，而我国只有30元，由此可见医用塑料在我国的发展潜力非常大。
我国医用塑料制品产业经过多年的发展，取得了长足的进步。中国医药保健品进出口商会统计数据显示，2015年上半年，纱布、绷带、医用导管、药棉、化纤制一次性或医用无纺布物服装、注射器等一次性耗材和中低端诊断治疗器械等成为我国医疗器械的出口大户。但是也必须清醒地认识到，我国的医用塑料发展水平还比较落后。医用塑料的原料门类不全、生产质量标准不规范、新技术和新产品的创新能力薄弱，导致一些高端原料导致国内所需的高端产品原料还主要靠进口。
目前各国都认识到了医用塑料的重要价值，加大了研发力度，取得了一些进展。2015年，英国伦敦克莱蒙特诊所率先开展了塑胶晶状体移植手术，不仅可以治疗远视眼或近视眼，还可以恢复患有白内障和散光者的视力；住友德马格公司推出一种聚甲醛（POM）齿轮微注塑设备，在新型白内障手术器械中具有重要作用；美国美利肯公司开发了一项技术，可使非处方药和保健品塑料瓶的抗湿性和抗氧化性提高30%；MHT模具与热流道技术公司开发出了PET血液试管，质量不足4g，优于玻璃试管；Rollprint公司与TOPAS先进高分子材料公司合作，采用环烯烃共聚物作为聚丙烯腈树脂的替代品，以满足苛刻的医疗标准；美国化合物生产商特诺尔爱佩斯推出了一款硬质PVC，以取代透明医疗零部件中用到的PC材料，如连接器、止回阀、Y接头、套管、鲁尔接口配件、过滤器、滴注器和盖子，以及样本容器。
未来医用塑料的发展趋势是开发可耐多种消毒方式的医用塑料，改善现有医用塑料的血液相容性和组织相容性，开发新型的治疗、诊断、预防、保健用塑料制品等。
3.药用高分子材料，
药用高分子材料在现代药物制剂研发及生产中扮演了重要的角色，在改善药品质量和研发新型药物传输系统中发挥了重要作用。药用高分子材料的应用主要包括2个方面：用于药品剂型的改善以及缓释和靶向作用，此外还可以合成新的药物。
药物缓释技术是指将衣物表面包裹一层医用高分子材料，使得药物进入人体后短时间内不会被吸收，而是在流动到治疗区域后再溶解到血液中，这时药物就可以最大限度的发挥作用。药物缓释技术主要有贮库型（膜控制型）、骨架型（基质型）、新型缓控释制剂（口服渗透泵控释系统、脉冲释放型释药系统、pH敏感型定位释药系统、结肠定位给药系统等）。
贮库型制剂是指在药物外包裹一层高分子膜，分为微孔膜控释系统、致密膜控释系统、肠溶性膜控释系统等，常用的高分子材料有丙烯酸树脂、聚乙二醇、羟丙基纤维素、聚维酮、醋酸纤维素等。骨架型制剂是指向药物分散到高分子材料形成的骨架中，分为不溶性骨架缓控释系统、亲水凝胶骨架缓控释系统、溶蚀性骨架缓控释系统，常用的高分子材料有无毒聚氯乙烯、聚乙烯、聚氧硅烷、甲基纤维素、羟丙甲纤维素、海藻酸钠、甲壳素、蜂蜡、硬脂酸丁酯等。
我国的高分子基础研究处于世界一流，但是药用高分子的应用发展相对滞后，品种不够多、规格不完整、质量不稳定，导致制剂研发能力与国际产生差距。国内市场规模前10大种类分别为明胶胶囊、蔗糖、淀粉、薄膜包衣粉、1，2-丙二醇、PVP、羟丙基甲基纤维素（HPMC）、微晶纤维素、HPC、乳糖。高端药用高分子材料几乎全部依赖进口。专业药用高分子企业则存在规模小、品种少、技术水平低、研发投入少的问题。
目前，药物剂型逐步走向定时、定位、定量的精准给药系统，考虑到医用高分子材料所具备的优异性能，将会在这一发展过程中发挥关键性的作用。未来发展趋势是开发生物活性物质（疫苗、蛋白、基因等）靶向控释载体。
四、结语
虽然生物医用高分子材料的应用已经取得了一些进展，但是，随着临床应用的不断推广，也暴露出不少问题，主要表现出功能有局限、免疫性不好、有效时间不长等问题。如植入血管支架后，血管易出现再度狭窄的情况；人工关节有效期相对较短，之所以出现这些问题，主要原因是人体与生俱来的排异性。
生物医用高分子材料隶属于医疗器械产业，其发展备受政策支持。国务院于2015年5月印发的《中国制造2025》明确指出，大力发展生物医药及高性能医疗器械，重点发展全降解血管支架等高值医用耗材，以及可穿戴、远程诊疗等移动医疗产品。可以预见，在未来20～30年，生物医用高分子材料就会迎来新一轮的快速发展。
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篇2
关键词：胶原生物医用材料；优势；临床医学应用
生物医学材料是一类对人体细胞、组织、器官具有增强、替代、修复、再生作用的新型功能材料。它有独特的基本要求：①具有生物相容性，要求材料在使用期间，同机体之间不产生有害作用，不引起中毒、溶血、凝血、发热、过敏等现象；②具有生物功能性，在生理环境的约束下能够发挥一定的生理功能；③具有生物可靠性，无毒性，不致癌、不致畸、不致引起人体组织细胞突变和组织细胞反应（即“三致物质”），有一定的使用寿命，具有与生物组织相适应的物理机械性能；④化学性质稳定，抗体液、血液及酶的作用；⑤针对不同的使用目的具有特定功能。按生物医用材料性质的不同可分为四大类：①医用金属材料。主要用于硬组织的修复和置换，有钴合金（Co-Cr-Ni）、不锈钢、钛合金（Ti-6Al-4V）、贵金属系、形状记忆合金、金属磁性材料等7类，广泛用于齿科填充、人工关节、人工心脏等。②医用高分子材料。有天然与合成两类，通过分子设计与功能拓展，即合金化、共混、复合（ABC）等技术手段，可获得许多具有良好物理机械性能和生物相容的新型生物材料。③生物陶瓷材料。有惰性生物陶瓷（氧化铝陶瓷材料、医用碳素材料等）和生物活性陶瓷（羟基磷灰石、生物活性玻璃等）。④医用复合材料。由两种或者两种以上不同性质材料复合而成，取长补短，达到功能互补。主要用于修复或者替换人体组织、器官或增进其功能以及人工器官的制造。胶原属于细胞外基质的结构蛋白质，结构复杂，根据分子结构决定功能和性质的原则。其分子量大小、形状、化学反应以及独特的生物分子等对功能、性质起着决定性作用。胶原来源广泛，资源丰富，性质特殊。是21世纪生物医学材料研究和应用的热点和重点[1]。
1胶原生物医学材料的优势
（1）低免疫源性。组织胶原具有一定的免疫性，20世纪90年代研究发现，其免疫源性来自于端肽及变性胶原和非胶原蛋白质，在提取胶原时，除去端肽及纯化分离掉变性胶原和非胶原蛋白，能得到极弱免疫原性的胶原材料。（2）与宿主细胞及组织之间的协调作用。其特点：①胶原有利于细胞的存活和促进不同类型细胞的生长；②胶原不但可增加细胞黏结，而且有利于控制细胞的形态、运动、骨架组装及细胞增殖与分化。（3）止血作用。胶原的四级特殊结构能使血小板活化、释放出颗粒成分，起到迅速凝血的作用。（4）可生物降解性。胶原是一种特殊的生物降解材料，其降解性作为器官移植的基础。（5）物理机械性能。胶原的三螺旋结构以及自身交联而成网状结构，使其具有很高的强度，可满足机体对机械强度的要求；另外通过进一步的交联增强其强度，而且采用不同的交联剂可获得不同的强度和韧性材料。通过复合和接枝共聚能获得更多性能优良的材料。（6）组织工程（Tissueengineering）。胶原的优良特性使其在组织工程中扮演更重要的角色，大量应用于临床，前景广阔。
2胶原在生物临床医学上的应用
[2]（1）手术缝合线。当前应用的天然与合成材料制备缝合线均存在这样那样的不足和缺陷，或者不能自然吸收，需要拆线；或者与组织反应大，引起发炎、造成伤口瘢痕明显；或者吸收时间过长等。而胶原制备的缝合线既有与天然丝一样的高强度，又有可吸收性；使用时有优良的血小板凝聚性能，止血效果好，有较好的平滑性和弹性，缝合结头不易松散，操作过程中不易损伤肌体组织。可采用复合与交联改性方法提高缝合线功能和性能，制备的可吸收缝合线有：①纯胶原可吸收缝合线；②胶原/聚乙烯醇共混复合；③胶原/壳聚糖复合可吸收缝合线；④胶原/壳聚糖/聚丙烯酰胺复合可吸收缝合线。（2）止血纤维。胶原纤维是一种天然的止血剂和凝血材料，且止血功能优异。胶原纤维是一种集止血、消炎、促愈为一体，可被组织吸收，无毒、无副作用的医用功能纤维，相比于以前使用的氧化纤维素、羧甲基纤维素及明胶海绵等止血材料，其效果要好的多。（3）止血海绵。胶原海绵有良好的止血作用，能使创口渗血区血液很快凝结，被人体组织吸收，一般用于内脏手术时的毛细血管渗出性出血。临床应用于普外科、心血管外科、整形外科、泌尿外科、骨科、皮肤科、烧伤科、妇产科以及口腔科、耳鼻喉科、眼科等几乎所有的手术。（4）代血浆。当人体由于外伤或其他原因发生意外急性失血时，最佳方法必须立刻输血，但众所周知，血液来源非常困难！而且不能长久保存，输血之前还需鉴定血型和配型。因此，寻找理想的代用品成为人们的梦想。20世纪50年明胶代血浆受到重视，且符合血浆的条件和性质，国外已大量使用，我国正在积极推进其产业化。国外明胶类代血浆有脲交联明胶、改性液体明胶和氧化聚明胶3种。国内有氧化聚明胶、血安定（Gelofu-sine）海星明胶和血代（Haemaccel）。（5）水凝胶。水凝胶是一些由亲水大分子吸收了大量水分形成的溶胀交联状态的半固体（三维网络），能保持大量水分而不溶解，具有良好的溶胀性、柔软性和弹性，以及较低的表面张力等特殊性质。交联方式有共价键、离子键和次级键（范德华力、氢键等）。水凝胶是高分子凝胶中的一类，可分为物理凝胶和化学凝胶。为改善性能需对天然高分子与合成高分子进行共混复合制备新型水凝胶（互穿网络水凝胶），现已取得很大进展。制成的复合材料有胶原/聚甲基丙烯酸羟乙酯水凝胶、胶原/聚乙烯醇水凝胶、胶原/聚异丙酰胺水凝胶、胶原/壳聚糖水凝胶等。（6）敷料。敷料是能够起到暂时保护伤口、防止感染、促进愈合作用的医用材料。有普通敷料（常用植物纤维纱布）、生物敷料（胶原蛋白及其改性产品以及左旋糖酐、壳聚糖、淀粉磷酸酯等）、合成敷料和复合敷料等四种。开发使用的品种有海绵型敷料、胶原膜敷料、凝胶敷料。（7）人工皮肤。人工皮肤是在创伤敷料基础上发展起来的一种皮肤创伤修复材料和损伤皮肤的替代品。其制备方法采用复合与交联法，一是提高胶原的机械强度；二是胶原与其他天然高分子进行杂化改善机械性能和生物活性。（8）人工血管。人工血管是近年来组织工程（一门多学科的交叉科学）研究的重点之一。当今临床应用的人工血管主要是人工合成材料制成的，最早是涤纶纤维编织的人工血管，但只能对大口径血管有较短的替代作用。后来开发聚四氟乙烯（PTFE）、聚氨酯（PU）、膨体聚四氟乙烯（ePTFE），并采取多种方法进行改性，以适应血管植入的要求。此外，还有生物降解材料如聚乙醇酸（PGA）、聚乳酸（PLA）、聚乳酸异构体（PLLA）等。（9）人工食管。分为两种，一种是用自身的其他组织或器官（如结肠、空肠、胃、胃管和游离的空肠等）加工而成，现已广泛应用于临床，优缺互见；另一种是人工合成材料加工而成，比如塑料管、金属管、PTFE管、硅胶管等，效果均不理想。最早制成使用的聚乙烯（PE）管，此后发展了PTFE、硅橡胶、硅胶涂覆的涤纶编织管（PET）、碳纤维管等。近年以来，使用聚乙烯醇（PVA）、PLA降解塑料。用降解塑料制作无细胞支架的人工食管、组织工程化食管等。（10）心脏瓣膜。分为机械瓣膜（金属瓣）和生物瓣膜。心脏瓣膜支架材料有可降解合成高分子和生物高分子。可降解合成高分子有PLA、PGA及二者共聚物（PGLA），此外还有聚β—羟基烷酸酯、聚羟基丁酸酯（PHB）；生物高分子材料有胶原、纤维蛋白凝胶、去细胞瓣膜支架等。（11）骨的修复和人工骨。目前仍以金属（不锈钢、钴铬合金、钴镍合金、钛合金）为主；高分子材料，诸如PTFE、聚硅氧烷、高密度聚乙烯（HDPE）、陶瓷（结晶氧化铝、羟基磷灰石）以及复合材料。胶原以其独特的性能成为不可或缺的生物材料，在骨修复中起举足轻重作用。①在组织引导再生术中（guidedtissueregeneration,GTR）能起到“诱导成骨”、“传导成骨”，实现再生修复和骨愈合的作用。②组织工程化骨组织的构建。包括三个方面：一是寻求能够作为细胞移植与引导新骨生长的支架结构作为细胞外基质（ECM）的替代物；二是种子细胞；三是组织工程骨的组织还原（骨缺损修复）。（12）角膜与神经修复。角膜胶原膜和组织工程化角膜；人工神经支架采用胶原、胶原/壳聚糖或胶原/糖胺聚糖等。（13）药物载体。药物载体由高分子材料充当，大多数为传递系统，其主要成分是胶原和明胶。有胶原膜、胶原海绵、药用胶囊和微胶囊和丸剂与片剂。（14）固定化酶载体。胶原可作为细胞或酶的载体，其特点：①胶原本身是蛋白质，对酶和细胞的亲和性是其他材料不可及的；②胶原蛋白成膜性好，可制成各种酶膜；③胶原蛋白肽链上具有许多官能团，诸如羧基、氨基、羟基等，易于吸附和固化。胶原蛋白有很好的生物相容性，在体内可被逐步吸收，交联接枝共聚后赋予了材料良好的物理机械性能，且可在体内长期保存。广泛应用于人体的各个部位。生物医学材料在人体的应用部位，详见图1[3]。
3结语
随着社会文明的不断进步，生命至上理念不断深入人心，天赋人权，生命是任何人都不能剥夺的最高权利，人类对身心健康和生活质量越来越重视。当前，新型材料更多的应用于医药和临床，尤其如胶原基生物材料，以其独特的优势和优异的性能在这一领域大显身手。科技改变未来、改变生活，天然高分子与合成高分子材料通过共混、复合、合金化、纳米化等技术手段，制备成多种新颖独特的新材料和新产品。尤其应用于临床和组织器官工程挽救了数以万计的人类生命并提高了生命质量和延长了寿命。随着3D打印技术在生物医疗领域的快速发展，如何制备出适合3D打印的不同类型胶原蛋白材料，并保证在打印过程中蛋白不变性、强度可控、易塑性等成为研究的新课题[4]。
当今，是生物高分子时代，随着科技发展日新月异，生命科学和生物材料研究的不断深入。生物医药是“十四五”的新兴产业链。胶原在生物医学、医药、组织器官工程和临床医学的应用将更加光明，潜力非常巨大。开发应用必将成为广大科研人员研究的重点和热点，我们将拭目以待有更多的新型材料和产品为人类的健康服务并造福人类。
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篇3
关键词：壳聚糖；水凝胶；组织工程；药物释放；医用敷料
甲壳素，又被称为几丁质，因其自身含有大量氨基多糖称为唯一的天然阳离子多糖，主要从甲壳生物的外壳或昆虫的外骨骼中提取得到。甲壳素为由N-乙酰-2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖通过β-1，4糖苷键形成多糖，即N-乙酰-D-葡萄糖胺的聚糖。壳聚糖是甲壳素上的氨基的脱乙酰化产物，反应活性和溶解性均比甲壳素强。壳聚糖在自然界中的含量位列第二位，仅低于纤维素，并且能够实现可循环利用，是理想的生物医用材料。壳聚糖具有许多优良特性：对环境无污染，生物相容性和可降解性高，来源广泛，以及具备黏膜黏附性、抗菌活性等。
水凝胶是由水溶性高分子经过交联后形成的，交联网络结构能在水中膨胀但会分散，能够保持含水量高但并不溶剂的状态，可以达到几十甚至几百倍的吸水率，是很强的吸水材料，其中的液体水被固定于高分子三维网络结果当中，整个水凝胶体系可以保持良好的稳定性。水凝胶质地柔软，与活体组织质感相近，具有良好的生物相容性使得它在生物医药领域具有广阔的应用前景，如，可作为药物缓释材料、蛋白质电泳、隐形眼镜、人造血浆和皮肤、组织填充材料、组织工程支架等。
壳聚糖水凝胶具有低毒性和高生物相容性，作为智能水凝胶是还具有pH或温度的敏感性，并且不影响药物本身的药效发挥，在用作药物缓释材料、组织工程支架、医用敷料等领域具有良好的应用前景。[1]
1 医用壳聚糖水凝胶药物释放体系
药物释放系统包括有药物固定和药物的控制释放过程，凝胶本身因其网络结果能够很好的实现药物的存储固定，同时溶胀度的变化过程能够控制药物的释放速率，还容易在体内降解代谢。因此，水凝胶在口服、口腔、鼻腔、阴道、直肠、眼部、注射等给药途径具有较大的应用潜力。
药物释放用水凝胶主要包括温度敏感水凝胶和pH敏感水凝胶，对于温度敏感性的凝胶，当处于人体温环境（37℃）时，凝胶发生亲水膨胀，网络结构由紧变松，从而释放出药物；对于pH敏感的水凝胶，当处于肠道内较高pH环境中时，凝胶膨胀释放药物，而在pH较低的胃环境时并不释放药物，从而避免强酸性胃液对于药物效果的影响。[2]
Dumitriu等研究了一种壳聚糖/黄原胶复合水凝胶，通过将黄原胶与碱性药物复合，并在酸性条件下逐步释放，通过调节壳聚糖的脱乙酰度，可以对凝胶的理化性质进行调整。天津大学姚康德等将壳聚糖、明胶和果胶复配并利用戊二醛作为交联剂共交联制备得到了壳聚糖基凝胶，该水凝胶具有pH灵敏性可用于药物释放体系，可作为口服抗酸、治疗胃肠疾患的滞留型控释制剂，可以减少药物突释造成的毒副作用，并且具有良好的生物相容性和生物降解性能。中国海洋大学刘成圣[3]等将壳聚糖脂肪酸酯复合物和α，β-甘油磷酸钠复配，制备得到温敏水凝胶负载抗肿瘤药物，用于原位注射局部治疗的药物载体。通过与酯化改性提高了壳聚糖的温度灵敏性和稳定性，对于肿瘤的治疗具有广阔的应用前景。
2 医用壳聚糖水凝胶敷料
水凝胶质地柔软，可以实现与伤口的充分接触，并且能为伤口提供一个良好的湿润环境，进而促进伤口的愈合。利用壳聚糖水凝胶制备得到的医用敷料具有柔软、舒适与创面的贴合性好的优点，并且能够缓解疼痛和抑制出血，同时部分水凝胶还具有抗菌消炎的功效。此外，在病患伤口的愈合、自身皮肤生长的过程中，壳聚糖水凝胶敷料能自行降解并被机体吸收，免除了揭除时病人的痛苦，还会促进皮肤再生，对治疗高热创伤特别有效。[4]
德州海利安生物股份有限公司研究一种医用胶体敷料及其应用，该敷料主要包括水溶性甲壳素和醋酸氯己定，具有镇痛、抑菌、抗炎、促进创面愈合、抑制瘢痕增生、提高创面修复质量的作用，对手术切口、烧伤创面、烫伤创面、溃疡创面的治疗和修复具有显著疗效。
3 医用壳聚糖水凝胶组织工程支架
水凝胶具有三维网络结果，网络中填充有大量水，便于营养物质和代谢产物的运输，并有助于保护细胞。此外，水凝胶还可以通过注射方式植入体内，手术创伤小，并在体内环境改变下可以原位胶凝，由于发生胶凝的条件温和对负载药物的影响较小，是实现生L因子或药物递送非常适宜的载体材料。因此，水凝胶制备组织工程支架具有天然的优势。
壳聚糖由于其具有氨基而带有大量正电荷，可以吸引带有负电的细胞壁，有利于细胞的附着；其降解后的产物具有良好的生物相容性；此外壳聚糖还具有杀菌、防黏连、维持体内生态平衡等许多功效协同组织的修复。因此，壳聚糖是制备组织工程支架的优良材料。[5]
Bio Syntech Canada公司研发了包含有壳聚糖和甘油磷酸二钠盐的温度响应水凝胶，该水凝胶在室温状态下位液态，在体温附近成胶，因此可在液体状态下直接注射入所需部位原位成胶。该水凝胶的制备无需使用有机溶剂和交联剂，可降低凝胶的生物毒性并提高其生物相容性，可用于药物递送、眼部组织植入、骨或软骨填充材料并用于组织工程领域。中国人民军事医学科学院基础医学研究所王常勇等研究了一种基于可注射温敏性壳聚糖水凝胶的组织工程产品，将壳聚糖、甘油磷酸钠和羟乙基纤维素混合制备得到可携带促血管生长因子的可注射水凝胶，将水凝胶注射到动物心肌梗死模型特定区域后观察其修复心肌梗死区域的情况，注射携带生长因子的壳聚糖水凝胶的实验组明显提高了血管密度，降低了纤维化程度，存活的心肌数量也有所增加。
4 结束语
壳聚糖水凝胶因其具有的生物相容性、抗菌性、温度响应性、pH相应性在生物医学领域应用广泛，在上述药物释放、医用敷料、组织工程支架领域的研究已经取得了实质性的进展。中国在该领域的研究处于世界领先水平，但在产业化中的推广仍有待加强。
参考文献
[1]舒静，李小静，赵大飙.壳聚糖智能水凝胶研究进展[J].中国塑料，2010，24（9）：6-10.
[2]孔立红，王洋岗，刘本.壳聚糖温敏水凝胶的制备及体外药物释放的研究[J].湖北中草药大学学报，2012，44（6）：24-26.
[3]王玉杰，党奇峰，万辉琴，等.注射型壳聚糖温敏相变复合材料的制备及性能研究[J].功能材料，2014，45（S1）：117-121.
篇4
2 生物材料的类型与应用 生物材料种类繁多,到目前为止,被详细研究过的生物材料已经超过一千种,在医学临床上广泛应用的也有几十种,涉及材料学科各个领域。依据不同的分类标准,可以分为不同的类型。
2.1 以材料的生物性能为分类标准根据材料的生物性能,生物材料可分为生物惰性材料、生物活性材料、生物降解材料和生物复合材料四类。
2.1.1 生物惰性材料 生物惰性材料是指一类在生物环境中能保持稳定,不发生或仅发生微弱化学反应的生物医学材料,主要是生物陶瓷类和医用合金类材料。由于在实际中不存在完全惰性的材料,因此生物惰性材料在机体内也只是基本上不发生化学反应,它与组织间的结合主要是组织长入其粗糙不平的表面形成一种机械嵌联,即形态结合。生物惰性材料主要包括以下几类:(1)氧化物陶瓷 主要包括氧化铝陶瓷和氧化锆陶瓷.氧化铝陶瓷中以纯刚玉及其复合材料的人工关节和人工骨为主,具体包括纯刚玉双杯式人工髋关节;纯刚玉— 金属复合型人工股骨头;纯刚玉—聚甲基丙烯酸酯—钴铬钼合金铰链式膝关节,其他人工骨、人工牙根等。(2)玻璃陶瓷 该材料主要用来制作部分人工关节。(3)Si3N4 陶瓷 该类材料主要用来制作一些作为替代用的较小的人工骨,目前还不能用作承重材料。(4)医用碳素材料 它主要被作为制作人工心脏瓣膜等人工脏器以及人工关节等方面的材料。(5)医用金属材料 该类材料是目前人体承重材料中应用最广泛的材料,在其表面涂上活性生物材料后可增加它与人体环境的相容性.同时它还能制作各类其他人体骨的替代物。
2.1.2 生物活性材料生物活性材料是一类能诱出或调节生物活性的生物医学材料。但是,也有人认为生物活性是增进细胞活性或新组织再生的性质。现在,生物活性材料的概念已建立了牢固的基础,其应用范围也大大扩充. 一些生物医用高分子材料,特别是某些天然高分子材料及合成高分子材料都被视为生物活性材料.羟基磷灰石是一种典型的生物活性材料。由于人体骨的主要无机质成分为该材料,故当材料植入体内时不仅能传导成骨,而且能与新骨形成骨键合。在肌肉、韧带或皮下种植时,能与组织密合,无炎症或刺激反应.生物活性材料主要有以下几类:
(1)羟基磷灰石,它是目前研究最多的生物活性材料之一,作为最有代表性的生物活性陶瓷—羟基磷灰石(简称HAP)材料的研究, 在近代生物医学工程学科领域一直受到人们的密切关注.羟基磷灰石 [Ca10(PO4)6(OH)2]是脊椎动物骨和齿的主要无机成分,结构也非常相近,与动物体组织的相容性好、无毒副作用、界面活性优于各类医用钛合金、硅橡胶及植骨用碳素材料。因此可广泛应用于生物硬组织的修复和替换材料,如口腔种植、牙槽脊增高、耳小骨替换、脊椎骨替换等多个方面.另外,在HA 生物陶瓷中耳通气引流管、颌面骨、鼻梁、假眼球以及填充用HA颗粒和抑制癌细胞用HA微晶粉方面也有广泛的应用.又因为该材料受到本身脆性高、抗折强度低的限制,因此在承重材料应用方面受到了限制.现在该材料已引起世界各国学者的广泛关注。目前制备多孔陶瓷和复合材料是该材料的重要发展方向,涂层材料也是重要分支之一。该类材料以医用为目的,主要包括制粉、烧结、性能实验和临床应用几部分。
(2)磷酸钙生物活性材料 这种材料主要包括磷酸钙骨水泥和磷酸钙陶瓷纤维两类.前者是一种广泛用于骨修补和固定关节的新型材料,有望部分取代传统的PMMA 有机骨水泥. 国内研究抗压强度已达60MPa 以上。后者具有一定的机械强度和生物活性,可用于无机骨水泥的补强及制备有机与无机复合型植入材料。
(3)磁性材料 生物磁性陶瓷材料主要为治疗癌症用磁性材料,它属于功能性活性生物材料的一种。把它植入肿瘤病灶内,在外部交变磁场作用下,产生磁滞热效应,导致磁性材料区域内局部温度升高,借以杀死肿瘤细胞,抑制肿瘤的发展。动物实验效果良好。
(4)生物玻璃 生物玻璃主要指微晶玻璃,包括生物活性微晶玻璃和可加工生物活性微晶玻璃两类。目前关于该方向的研究已成为生物材料的主要研究方向之一。
2.1.3 生物降解材料所谓可降解生物材料是指那些在被植入人体以后,能够不断的发生分解,分解产物能够被生物体所吸收或排出体外的一类材料,主要包括β-TCP 生物降解陶瓷和生物陶瓷药物载体两类,前者主要用于修复良性骨肿瘤或瘤样病变手术刮除后所致缺损,而后者主要用作微药库型载体,可根据要求制成一定形状和大小的中空结构,用于各种骨科疾病。
2.1.4 生物复合材料生物复合材料又称为生物医用复合材料,它是由两种或两种以上不同材料复合而成的生物医学材料,并且与其所有单体的性能相比,复合材料的性能都有较大程度的提高的材料。制备该类材料的目的就是进一步提高或改善某一种生物材料的性能。该类材料主要用于修复或替换人体组织、器官或增进其功能以及人工器官的制造,它除应具有预期的物理化学性质之外,还必须满足生物相容性的要求,这里不仅要求组分材料自身必须满足生物相容性要求,而且复合之后不允许出现有损材料生物学性能的性质。按基材分生物复合材料可分为高分子基、金属基和陶瓷基三类,它们既可以作为生物复合材料的基材,又可作为增强体或填料,它们之间的相互搭配或组合形成了大量性质各异的生物医学复合材料,利用生物技术,一些活体组织、细胞和诱导组织再生的生长因子被引入了生物医学材料,大大改善了其生物学性能,并可使其具有药物治疗功能,已成为生物医学材料的一个十分重要的发展方向,根据材料植入体内后引起的组织反应类型和水平,它又可分为近于生物惰性的、生物活性的、可生物降解和吸收等几种类型。人和动物中绝大多数组织均可视为复合材料,生物医学复合材料的发展为获得真正仿生的生物材料开辟了广阔的途径。
2.2 以材料的属性为分类标准
2.2.1 生物医用金属材料生物医用金属材料是用作生物医学材料的金属或合金,又称外科用金属材料或医用金属材料,是一类惰性材料,这类材料具有高的机械强度和抗疲劳性能,是临床应用最广泛的承力植入材料。该类材料的应用非常广泛,及硬组织、软组织、人工器官和外科辅助器材等各个方面,除了要求它具有良好的力学性能及相关的物理性质外,优良的抗生理腐蚀性和生物相容性也是其必须具备的条件。医用金属材料应用中的主要问题是由于生理环境的腐蚀而造成的金属离子向周围组织扩散及植入材料自身性质的退变,前者可能导致毒副作用,后者常常导致植入的失败。已经用于临床的医用金属材料主要有不锈钢、钴基合金和钛基合金等三大类。此外,还有形状记忆合金、贵金属以及纯金属钽、铌、锆等。
2.2.2 生物医用高分子材料 医用高分子材料是生物医学材料中发展最早、应用最广泛、用量最大的材料,也是一个正在迅速发展的领域。它有天然产物和人工合成两个来源,该材料除应满足一般的物理、化学性能要求外,还必须具有足够好的生物相容性。按性质医用高分子材料可分为非降解型和可生物降解型两类。对于前者,要求其在生物环境中能长期保持稳定,不发生降解、交联或物理磨损等,并具有良好的物理机械性能。并不要求它绝对稳定,但是要求其本身和少量的降解产物不对机体产生明显的毒副作用,同时材料不致发生灾难性破坏。该类材料主要用于人体软、硬组织修复体、人工器官、人造血管、接触镜、膜材、粘接剂和管腔制品等方面。这类材料主要包括聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸酯、芳香聚酯、聚硅氧烷、聚甲醛等. 而可降解型高分子主要包括胶原、线性脂肪族聚酯、甲壳素、纤维素、聚氨基酸、聚乙烯醇、聚己丙酯等。它们可在生物环境作用下发生结构破坏和性能蜕变,其降解产物能通过正常的新陈代谢或被机体吸收利用或被排出体外,主要用于药物释放和送达载体及非永久性植入装置.按使用的目的或用途,医用高分子材料还可分为心血管系统、软组织及硬组 织等修复材料。用于心血管系统的医用高分子材料应当着重要求其抗凝血性好,不破坏红细胞、血小板,不改变血液中的蛋白并不干扰电解质等。
2.2.3 生物医用无机非金属材料或称为生物陶瓷。生物医用非金属材料,又称生物陶瓷。包括陶瓷、玻璃、碳素等无机非金属材料。此类材料化学性能稳定,具有良好的生物相容性。一般来说,生物陶瓷主要包括惰性生物陶瓷、活性生物陶瓷和功能活性生物陶瓷三类。其中惰性生物陶瓷和活性生物陶瓷在前面已经简要作了介绍,而功能活性生物陶瓷是近年来提出的一个新概念.随着生物陶瓷材料研究的深入和越来越多医学问题的出现,对生物陶瓷材料的要求也越来越高。原先的生物陶瓷材料无论是生物惰性的还是生物活性的,强调的是材料在生物体内的组织力学环境和生化环境的适应性,而现在组织电学适应性和能参与生物体物质、能量交换的功能已成为生物材料应具备的条件。因此,又提出了功能活性生物材料的概念。它主要包括以下两类:(1)模拟性生物陶瓷材料 该类材料是将天然有机物(如骨胶原、纤维蛋白以及骨形成因子等)和无机生物材料复合,来模拟人体硬组织成分和结构,以改善材料的力学性能和手术的可操作性,并能发挥天然有机物的促进人体硬组织生长的特性。(2)带有治疗功能的生物陶瓷复合材料 该类材料是利用骨的压电效应能刺激骨折愈合的特点,使压电陶瓷与生物活性陶瓷复合,在进行骨置换的同时,利用生物体自身运动对置换体产生的压电效应来刺激骨损伤部位的早期硬组织生长。具体来说是由于肿瘤中血管供氧不足,当局部被加热到43~45℃时,癌细胞很容易被杀死。现在最常用的是将铁氧体与生物活性陶瓷复合,填充在因骨肿瘤而产生的骨缺损部位,利用外加交变磁场,充填物因磁滞损耗而产生局部发热,杀死癌细胞,又不影响周围正常组织。现在,功能活性生物陶瓷的研究还处于探索阶段,临床应用鲜有报道,但其发展应用前景是很光明的。各种不同种类的生物陶瓷的物理、化学和生物性能差别很大,在医学领域用途也不同.尤其是功能活性陶瓷更有不可估量的发展前途.临床应用中,生物陶瓷存在的主要问题是强度和韧性较差.氧化铝、氧化锆陶瓷耐压、耐磨和化学稳定性比金属、有机材料都好,但其脆性的问题也没有得到解决。生物活性陶瓷的强度则很难满足人体承力较大部位的需要。
2.2.4 生物医用复合材料此类材料在2.1.4 中已有介绍,此处不再详述
2.2.5 生物衍生材料生物衍生材料是由经过特殊处理的天然生物组织形成的生物医用材
料,也称为生物再生材料.生物组织可取自同种或异种动物体的组织. 特殊处理包括维持组织原有构型而进行的固定、灭菌和消除抗原性的轻微处理,以及拆散原有构型、重建新的物理形态的强烈处理.由于经过处理的生物组织已失去生命力,生物衍生材料是无生命力的材料. 但是,由于生物衍生材料或是具有类似于自然组织的构型和功能,或是其组成类似于自然组织,在维持人体动态过程的修复和替换中具有重要作用.主要用于人工心瓣膜、血管修复体、皮肤掩膜、纤维蛋白制品、骨修复体、巩膜修复体、鼻种植体、血液唧筒、血浆增强剂和血液透析膜等.
3. 生物材料的性能评价 目前关于生物材料性能评价的研究主要集中在生物相容性方面.因为生物相容性是生物材料研究中始终贯穿的主题.它是指生命体组织对生物材料产生反应的一种性能,该材料既能是非活性的又能是活性的.一般是指材料与宿主之间的相容性,包括组织相容性和血液相容性.现在普遍认为,生物相容性包括两大原则,一是生物安全性原则,二是生物功能性原则.生物安全性是植入体内的生物材料要满足的首要性能,是材料与宿主之间能否结合完好的关键.关于生物材料生物学评价标准的研究始于20 世纪70 年代,目前形成了从细胞水平到整体动物的较完整的评价框架.国际标准化组织(ISO)以 10993编号了17个相关标准,同时对生物学评价方法也进行了标准化.迫于现代社会动物保护和减少动物试验的压力,国际上各国专家对体外评价方法进行了大量的研究,同时利用现代分子生物学手段来评价生物材料的安全性、使评价方法从整体动物和细胞水平深入到分子水平.主要在体外细胞毒性试验、遗传性和致癌性试验以及血液相容性评价方法等方面进行了一些研究.但具体评价方法和指标都未统一,更没有标准化.随着对生物材料生物相容性的深入研究,人们发现评价生物材料对生物功能的影响也很重要.关于这一方面的研究主要是体外法。具体来说侧重于对细胞功能的影响和分子生物学评价方面的一些研究。总之,关于生物功能性的原则是提出不久的一个新的生物材料的评价方面,它必将随着研究的不断深入而向前发展.而涉及材料的化学稳定性、疲劳性能、摩擦、磨损性能的生物材料在人体内长期埋植的稳定性是需要开展评价研究的一个重要方面。
4 生物材料的发展趋势展望 生物材料科学是20 世纪新兴学科中最耀眼的新星之一。现在,生物材料科学已成为一门与人类现代医疗保健系统密切相关的边缘学科。其重要性不仅因为它与人类自身密切相关,还因为它跨越了材料、医学、物理、生物化学和现代高科技等诸多学科领域。现在对于该材料的研究已从被动地适应生物环境发展到有目的地设计材料,以达到与生物组织的有机连接。并随着生命科学和材料科学的发展,生物材料必将走向功能性半生命方向。生物材料的临床应用已从短期的替换和填充发展成永久性牢固种植,并与其它高科技(如电子技术、信息处理技术)相结合,制备富有应用潜力的医疗器械。生物材料的研究在世界各国也日益受到重视.四年一次的世界生物材料大会代表着国际上生物材料研究的发展动态和目前的水平。分析认为,以下几个方面是生物材料今后研究发展的几个主要方向:
(1)发展具有主动诱导、激发人体组织和器官再生修复功能的,能参与人体能量和物质交换产生相互结合的功能性活性生物材料,将成为生物材料研究的主要方向之一。
(2)把生物陶瓷与高分子聚合物或生物玻璃进行二元或多元复合,来制备接近人体骨真实情况的骨修复或替代材料将成为研究的重要方向之一。
(3)制备接近天然人骨形态的、纳微米相结合的、用于承重的、多孔型生物复合材料将成为方向之一。
(4)用于延长药效时间、提高药物效率和稳定性、减少用量及对机体的毒副作用的药物传递材料将成为研究热点之一。
(5)血液相容性人工脏器材料的研究也是突破方向之一。
(6)如何能够制备出纳米尺寸的生物材料的工艺以及纳米生物材料本身将成为研究热点之一。
篇5
材料是工业的“粮食”。新材料与信息技术、生命科学并称为21世纪的三大关键技术,是高技术的先导和基础,未来发展潜力无限。在振兴老工业基地过程中,我们要抓住机遇,发挥优势,集中力量做大做强新材料产业,着力推动全省产业结构调整,引领龙江走新型工业化道路,实现经济社会科学发展。
发展新材料产业是面向新世纪竞争发展的重要支撑
新材料产业具有广阔的发展前景。新材料的发展起步于国防和战争需要、核能的利用和航空航天技术的发展需求。进入21世纪以后,卫生保健、环保、能源、经济持续增长以及信息处理和应用成为新材料发展的最根本动力,极大地促进了新材料的发展。据统计,到2006年全球新材料产值超过了5 000亿美元,是增长最快的产业之一。尤其是半导体专用新材料、磁性材料、激光晶体、锂离子电池、生物医用材料、纳米材料、环境工程材料等,都在以远高于传统产业的速度发展。近年来我国新材料市场快速膨胀。据有关机构预测,包括磁性材料、生物医用材料、信息功能陶瓷材料、超导材料、纳米材料、半导体材料、有机发光材料等,市场规模在2010年将达到823亿元,在2012年将达到1 300亿元。其中,光电新材料、电池新材料将“唱主角”,在新材料产业结构中的比例呈上升趋势。
新材料产业已经成为新一轮竞争发展的制高点。美国、日本、欧洲是世界新材料生产的主要国家。它们高度重视新材料产业的发展,制定了相关产业和科技发展计划,如美国的21世纪国家纳米纲要、光电子计划、光伏计划、下一代照明光源计划、先进汽车材料计划,日本的纳米材料计划、21世纪之光计划,德国的21世纪新材料计划,欧盟的纳米计划等。发展的重点是信息材料、生物医用材料、新能源材料、航空航天材料、生态环境材料、纳米材料、超导材料等。近年来,由于新材料在全球科技竞争中的地位日益重要,美国、日本等发达国家,以及印度、巴西等发展中国家纷纷加大了对新材料开发和研究的资金投入,使这一领域的竞争更加激烈。长期以来,我国也非常重视新材料产业的创新与发展,取得了令人瞩目的进展,在一些重点领域形成了自己的特色和优势。目前我国在长江三角洲、珠江三角洲、环渤海等区域,依托市场优势建立了一批新材料产业基地,如江阴新材料产业带、宁波新材料成果转化及产业化基地等。西部大开发和振兴东北老工业基地战略实施以后,东北和西部也涌现了一批依托资源优势和产业优势的特色材料产业基地,如营口的镁质材料、蒙西的稀土材料等。随着产业和市场的不断成熟,国内新材料基地内逐渐形成了相互协作的产业集群,不仅提高了新材料产业的创新能力,并辐射和带动了周边区域与相关产业的发展。
把新材料产业培育成支柱产业对我省产业结构调整优化具有重要作用。我省是一个资源大省,是能源、原材料基地,煤、木、油等资源型产业占了全省工业很大比重。由于长期的开发利用,林木、石油以及煤炭等资源都在衰减,化石资源的不可再生性,决定了我们必须抓住时机,抓紧进行产业结构的调整和优化升级。而新材料如铝镁合金材料、复合材料、硅基材料、新能源材料、高分子材料、新型建筑材料等呈现加快发展趋势,在我省工业结构中的位置将越来越重要。因此,我们必须认清形势,在较短的时间内,摆脱对自然资源的过度依赖,依托科技教育和人力资源,努力在市场前景好、附加值高、可持续性强的新材料等产业上做文章,不断降低采掘等传统产业的比重,促进全省更快地走上新型工业化道路,走上科学发展的道路。今年总书记和副总理来黑龙江,都把摆脱对资源的过度依赖、加快产业结构调整,实现可持续发展作为重大问题提出来。我们必须从全省发展大局出发,从落实科学发展观的高度出发,深刻认识形势,抓紧工作落实,大力发展高新技术产业特别是新材料产业,全力推进产业结构调整和优化升级,促进全省经济社会走上科学发展轨道。
我省在发展新材料产业上具有一定的比较优势
一是具有丰富的资源优势。我省矿产储量丰厚,可开发利用的物产众多。在已查明的131种矿产资源中,探明储量的75种,居全国首位的有石油、石墨、矽线石、颜料黄黏土、长石、铸石用玄武岩、岩棉用玄武岩、火山灰、玻璃用大理岩和水泥用大理岩10种,全省64种主要矿产资源保有储量的潜在总价值为1.4万亿元。
二是具有一定的产业基础优势。截止2008年,我省拥有规模以上新材料企业257户,完成主营业务收入约172亿元,占规模以上工业的2.2%,主要产品有铝镁合金材料、合金钢材料、石墨制品、硅基材料、新型能源材料、高分子材料、农药及中间体、油田化学品、新型建筑材料、复合材料等。有一批有实力、研发和市场拓展能力较强的企业,有些产品达到国内先进水平,部分技术及产品居国内领先地位。
三是具有较强的科技研发优势。我省拥有国内一流的大专院校和科研院所。哈尔滨工业大学与材料科研密切相关的学院有3个,现有4个国家级重点实验室。哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院建有4个研究创新平台。哈尔滨理工大学材料科学与工程学院设有高分子材料系、金属材料系、材料成型及控制工程系、无机非金属材料系、材料分析测试中心以及近20个研究所、研究室。还有哈尔滨玻璃钢研究院、哈尔滨焊接研究所、省石油化学研究院、大庆化工研究中心等一批研究机构。同时,我省新材料企业中,还有一批国家级企业技术中心和省级企业技术中心,为新材料企业的健康、快速发展提供了可靠的技术支持。
四是具有增长的市场需求优势。我省装备、石化、能源、食品等四大支柱产业进一步发展壮大,航空航天、电子信息、生物、新能源技术与装备、环保装备等新兴产业发展迅速,冶金、建材、森工、轻纺等传统产业改造提升步伐加快,这些产业的发展壮大,都需要新材料的支撑。同时,随着我国工业化的发展,产业规模扩大、结构升级将继续推进,也为新材料的发展创造了广阔的省外市场空间。
下大气力将我省新材料产业做大做强
一是明确新材料产业发展的战略。要用5～10年的时间,把我省建设成为产业结构高级化、产业发展聚集化、产业服务现代化、产业水平国际化的具有我省特色的国内一流新材料产业基地。在发展目标上,今后5年年均增长速度达到30%以上,到2015年新材料主营业务收入达到1 000亿元。在此基础上,下一个5年全省新材料产业整体实力要进一步提升,自主创新能力明显提高,产业结构进一步优化。目前,全省要重点建设新型镁合金材料、钛合金材料、新型合金钢、新型高强高效焊接材料、人工晶体、聚烯烃及改性材料等“六个优势特色产业链”,建设高档石墨制品、大直径硅单晶及新型半导体材料、新型陶瓷材料、有机高分子材料、复合材料、特种铜合金材料、新型建筑材料等“七个优势特色产业群”。
二是制定和全面落实好扶持政策。抓紧制定出台《黑龙江省加快新材料产业发展指导意见》,明确提出我省新材料产业发展的目标、方向和重点,指导我省新材料产业发展。同时,制定扶持新材料产业发展的政策和措施,包括财税政策,金融政策、土地政策、环保政策、政府采购政策、人才政策等各个方面。对进入新材料领域的投资、企业或者人才,给予显著的优惠,鼓励资源向新材料产业集聚。政府要切实转变职能,转变工作作风,改进服务经济发展的手段和方法。
三是要构建富有活力的创新发展体系。尽快建立既适应市场经济规律和科技发展规律,又具有我省特色的科技创新体系。从根本上解决科研成果转化率不高、科研成果外流、企业不肯承担中试风险、科研单位没有实力进行中试等一系列问题。尤其要探索“股份制”和“捆绑式项目开发”等利益联结机制,使科研单位和企业之间实现风险共担、利益共享、同心创业、加快发展的良好机制。
四是建立多元化投融资体系。加大财政的资金支持,安排研究开发的长期专项计划,为新材料科技和产业的发展提供长期保证。采取切实可行的措施引导和鼓励企业加大科技投入费用,利用政策降低企业投资风险,提升企业的创新能力。充分利用政府资金吸引更多的社会资金和民间资本介入,建立新材料产业投资的创新机制。要完善投融资政策,支持民间资本建立产业基金模式的风险投资机制。金融机构对市场发展前景好、技术含量高、企业信誉好、处于扩张期的新材料企业,要在提高授信额度、扩大流动资金放贷规模、简化放贷手续等方面给予支持。鼓励金融机构开展知识产权质押及股权质押融资,建立风险分担机制。黑龙江辰能担保公司等各级信用担保机构对新材料企业,要主动优先提供贷款担保服务。
五是促进军民科技与产业的资源整合。筛选一批科技含量高、市场潜力大、经济效益显著的民项目,在省科技创新专项和新型工业化专项资金中拿出一定额度,专门支持军民结合科技创新和产业化发展。强化沟通协调,积极与相关单位沟通协调,共同做好资金、项目、产品研发、发展外部环境等方面工作,协调解决军民结合产业基地发展中的一些重大问题。建立军民科技管理协调机制和军民两用重大科技项目联合攻关机制,形成军民两大研发体系协同配合与资源共享的创新平台。
篇6
【关键词】 晚期食管癌；食管狭窄；合金支架；内镜
我国是食管癌高发区［1］，其致死率仅次于胃癌，在全国恶性肿瘤中居第二位。发病晚期，肿瘤侵犯范围扩展，多数患者已失去手术机会，并发狭窄、梗阻、食管气管瘘等并发症，常伴有严重营养不良或机能衰竭，生存质量低下。本院自2009年12月至2011年12月应用带膜镍钛记忆合金网格支架治疗晚期食管癌患者43例，取得了比较满意的效果，现报告如下。
1 资料与方法
急诊医学杂志，2010，19（9）：974976.1.2 术前准备 ①术前行常规检查评估心肺功能和凝血功能，了解患者机体状况。②食管X线造影或内镜检查以了解病变长度、位置、狭窄程度，确定选用支架的型号和规格。③对患者进行术前心理护理，使其对治疗原理、操作过程和配合要点有明确的了解，积极配合。④口腔护理，包括口腔的清洁和消毒，摘除假牙等。⑤准备术中所用器材：电子胃镜（奥林巴斯，GIFV）；支架（直径1.8～2.2 cm，长度6～16 cm）、支架植入系统或支架释放系统，硅塑胶扩张器，交换导丝，Cobra导丝等均由山东省医疗器械研究所中试厂提供。⑥术前禁食禁水12 h，术前30 min以利多卡因胶浆局麻咽喉部，术前15 min肌内注射地西泮10 mg、哌替啶50 mg以及阿托品0.5 mg以镇痛和防止肌肉痉挛。
1.3 手术方法 ①患者呈左侧卧位，局部麻醉后将胃镜送至食管狭窄部位上端，置入Cobra导丝，导丝通过狭窄部延伸到胃部以后退出胃镜，沿导丝置入扩张器，从小到大将狭窄扩张至合适宽度，以使胃镜顺利通过为宜，再入胃镜精确探查确定狭窄部位及长度，选择合适的支架系统。②选择好的支架装入置入器，然后再将置入器沿导丝缓慢滑入狭窄部，在胃镜监视下，使支架中点及食管狭窄中点重叠，在已确定位置一手固定内套管及轴心，一手拉动外套管缓慢释放支架。③再次进胃镜观察支架的位置及张开情况，必要时可注入冰盐水，对支架位置做再调整，最后局部喷洒温水，促使支架复形固定，术后一刻钟左右辅助患者口服一杯温水，加强支架复形。
1.4 术后处理 ①术后24 h禁食禁水，并严密观察患者生命体征，X线造影检查有无食管内出血或支架滑脱。②针对患者情况静脉滴注抗生素及止疼药，防止局部感染。③术后24 h后可给予流质饮食，并且在恢复期禁用过冷食物。
1.5 疗效评价指标 吞咽功能 Neuhaus分级［2］：0级进食无困难；1级固体食物进食受阻；2级半流质食物进食受阻；3级流质食物进食受阻；4级饮水困难。
1.6 统计学方法 用SPSS 16.0软件进行统计学数据处理，吞咽困难症状为等级资料，采用秩和检验。
2 结果
2.1 临床疗效 所有患者均一次性放置支架成功，无损伤及异常出血；术后狭窄全部得到缓解，吞咽困难得到明显缓解（P
2.2 预后 主要是并发症的考察，本组未发生支架移位及穿孔等严重并发症。主要并发症包括胸骨后疼痛、术后再狭窄和胃食管反流三个方面。其中27例患者术后有胸痛，疼痛程度与狭窄程度平行，术后1周左右疼痛可自行缓解；4例在术后6个月内出现再狭窄，胃镜检查支架上食物残渣或新生物附着，经微波凝固治疗食管恢复通畅。③ 3例胃食管反流，给予黏膜保护剂和抑酸药后症状得以缓解。
3 讨论
3.1 镍钛记忆合金的性能 ①生物相容性：材料的生物相容性包括组织相容性和血液相容性，组织相容性指植人材料不使生物体组织发生炎症、致癌、过敏等反应，这是镍钛记忆合金可做食道内扩充支架的基础；血液相容性多指其抗凝血性，目前镍钛记忆合金在心血管系统中的研究也越来越受重视，是一种很有前景的新型生物医用材料。②形状记忆效应和回复力：形状记忆效应是镍钛合金的又一独特性能，是指在低温状态，镍钛合金很容易变形，而通过加热，又可完全恢复致原来的形态，借助这个原理，镍钛合金作为食管内支架具有良好的可塑性，只要支架设计合理，即可以保证顺利置入食管，又可以保证复形后内固定良好，无损伤且不易移位和脱落。③超弹性：镍钛记忆合金的超弹性使支架保持持续柔和的径向扩张力。从而既能顺从食道蠕动，既保持食道通畅，将患者的不适感减小到最低，研究也发现多数患者吞咽功能得以改善，呛咳、疼痛等症状得到显著缓解。④耐磨性：替代材料磨损是医学领域生物医用材料开发研究的限制条件之一，镍钛合金具备良好的耐磨性，作为食管内支架，不受日常饮食影响，很少发生损坏、移位、或是松动等，固定牢靠，并发症少，保证了治疗的安全性。
3.2 记忆合金植入的关键 ①首先，必需选择适宜的支架类型，这要求手术操纵前对病变位置、程度、范围等的周密观察和准确评估。如果所选择支架过短，两端的伞状结构不能完全张开、固定困难，容易脱落，而且一旦肿瘤生长超过支架，可致再狭窄，如果所选择支架过长则给患者增加明显的异物感和不适感，影响患者正常生活和饮食，由于食管狭窄实际长度比食管X造影所见平均长度长约2 cm，所以支架的长度以上、下极各超过肿瘤2 cm为宜。②其次，对食管狭窄段准确定位［3］：支架置入器的位置应考虑到支架压缩后和释放后的长度差，以狭窄中心与支架中心对齐为宜，因此，术者在术前及术中应认真核对狭窄段的位置，认真做好术中标记，支架释放器植入时小心缓慢的进行，防止支架突然弹出而造成位置偏移。③另外，还应特别注意导丝的操作，保证金属导丝顺利通过狭窄段，并且在整个操作过程中，要保持导丝先端在胃内，以防输送支架时误入假道或导丝滑脱造成失败。④最后，术中操作和术后护理必需得到患者的充分配合，术前对患者进行手术知识培训和心理护理，包括术前准备、术中注意事项和术后饮食原则等。
综上所述，镍钛记忆合金支架治疗晚期食道癌性食管狭窄微创无痛、疗效可靠，可有效解除食管狭窄，改善梗阻症状，有助于患者改善营养状态，恢复身体机能，是适用于临床推广的姑息性治疗策略。
参 考 文 献
［1］ 潘丽莹，覃益.胃镜直视下非覆膜与覆膜镍钛记忆合金支架治疗晚期食管癌比较.广东医学，2010，31（20）：2686.
篇7
【关键词】 纳米羟基磷灰石 二氧化锆 生物相容性
由于创伤、感染、肿瘤以及先天性缺损等原因所致骨缺损在临床十分常见，传统修复骨缺损的方法：如自体骨移植，同种异体骨移植。自体骨取骨量有限，同时取自体骨痛苦大、后遗症多、异体骨又有排异反应。而人工合成的骨移植材料在一定程度上可以达到自体骨和异体骨修复的效果，又可以避免疾病感染和骨源有限等弊端[1]。纳米羟基磷灰石与人体骨骼主要无机成分相似的化学组成和晶体结构，它具有良好的生物相容性，对人体无毒，又能够在植入人体后同骨表面形成很强的化学键结合，有利于骨的长入[2]。然而它的脆性大、韧性较差、容易发生断裂破坏，二氧化锆陶瓷是一种生物惰性陶瓷，具有良好的生物相容性、较高的弯曲强度、断裂韧性和较低的弹性模量。正是由于二氧化锆具有增韧补强的作用，有效的改善纳米羟基磷灰石的力学性能[3]。因此，纳米羟基磷灰石复合40%二氧化锆陶瓷材料，兼具材料生物活性、骨诱导性以及材料力学特性，成为用于承载部位骨缺损修复具有广泛前景的新兴材料。
一、实验方法
(一) 致敏试验
取豚鼠30只，雌雄各半，体重300—500g，随机分为三组，实验组、阴性对照组和阳性对照组各10只。实验样品的生理盐水浸提液，5%甲醛溶液作为阳性对照，生理盐水作为阴性对照[4]。
（二）刺激试验
选用新西兰白兔，每组3只，雌雄各半随机分3组，体重2.5kg-3.0kg。HA/40% ZrO2浸提液，阴性对照：生理盐水，阳性对照为3%甲醛溶液。在脊柱左侧取一去毛区，标记5个点，常规麻醉消毒用1ml注射器试验组于5个点每点注射0.1ml的浸提液，阴性对照组每点注射0.1ml的生理盐水，阳性对照组每点注射01.ml的甲醛溶液。
（三）溶血实验
穿刺抽取人静脉血10ml加入到含有抗凝肝素钠的试管中，混合抗凝。取抗凝人血8ml，加入10ml生理盐水，稀释备用。取24支干净玻璃试管每组8支。实验组每只试管加入材料浸提液10ml，阴性对照组每只试管加入10ml生理盐水，阳性对照组每只试管加入10ml蒸馏水，将全部试管在37℃恒温箱中恒温30分钟后，每只试管分别加入0.2ml稀释抗凝人血，轻轻混匀，继续保温60分钟后，离心5分钟，吸取上清液至比色皿中，用分光光度计在545nm波长处测定吸光度。
溶血率 =实验材料的吸光度—阴性对照的吸光度/阳性对照的吸光度—阴性对照的吸光度
结果评定：若材料的溶血率5%，则不符合生物医用材料溶血试验要求。
（四）肌肉内植入试验
选用Wister大鼠48只，雌雄各半，体重220±25g，随机分为术后第7、15、30、90天4组， 每组10只。对照组8只。常规麻醉消毒， 分离竖脊肌，于肌肉内植入消毒的HA/40% ZrO2材料块， 缝合肌膜和皮肤。术后每日予以青霉素20 万U 肌注， 连续3 d ， 于术后第7、15、30、90 天取材，对照组手术操作如上， 但不放材料板。大体观察并制作标本切片，HE染色，光镜下观察。
二、结 果
(一)致敏试验
各实验组和生理盐水对照组皮肤均无红斑、水肿或疹块发生，致敏率为0。
但甲醛对照组动物出现显著的红斑和水肿，致敏率为100%，致敏作用强
(二)刺激试验
生理盐水对照组均未见任何刺激反应，试验组3号兔的第2点24h时可见淡红色边界清晰的红斑和边缘明显高于周围皮面的轻度水肿，48h时可见淡红色边界清晰的红斑刚可查出的极轻微的水肿，72h时可见此点极轻微的红斑无水肿。所以24h的平均原发性刺激指数为0.267，48h的平均原发性刺激指数为0.2，而72h的平均原发性刺激指数为0.067，均小于0.4，则说明材料对皮肤无刺激作用，而甲醛对照组各时间点可见严重的红斑和水肿，为强刺激。
(三)溶血试验：
实验组和阴性对照组各管离心后，上层均为清亮无色液体，下层为红细胞沉淀物，该材料的溶血率为3.17%，小于国家标准5%，说明该材料符合组织工程支架溶血试验要求。
经SPSS 10.0统计软件单因素方差分析和SNK-q检验：实验组与阴性对照组之间光吸收度值无统计学差异（P＞0.05），实验组与阳性对照组光吸收度值有显著性差异（P＜0.05）。
(四)肌肉植入试验
将各组实验动物包绕纳米羟基磷灰石-二氧化锆材料的组织切开， 植入后7天，试样周围可见以嗜中性粒细胞浸润为主的炎性反应，可见吞噬细胞，无囊壁形成。
植入15天后试样周围有少量嗜中性粒细胞，淋巴细胞浸润和巨细胞反应；试样周围可见小血管与纤维母细胞增生，开始形成疏松囊壁。
植入30天后，试样周围可见少量淋巴细胞，试样周围可见纤维母细胞与胶原纤维，并已形成纤维囊腔结构。
植入90天后试样周围未见或仅见极少量淋巴细胞，纤维化囊壁致密，壁的厚度比形成初期要薄。
三、讨 论
目前，生物医学材料安全性评价主要是采用医疗器械生物学评价体系，即世界标准化组织（ISO）制定的10993系列标准，国内转化为国家标准（GB/T）16886系列标准。参照以上标准，选择了（致敏试验、刺激试验、溶血试验、、肌肉植入试验），由于该生物医学材料在体内是不降解的，作为异物一定会对生物体产生作用，同时生物体也会对植入材料产生排斥反应，如果该材料最终被生物体接受，就认为该生物材料与组织之间相容，被称为具有好的生物相容性；反之，被称为生物不相容。
致敏反应属Ⅳ型变态反应，试验用完全弗氏佐剂和十二烷基硫酸钠石蜡液起到加强致敏作用的效果，又采取了最大剂量法，保证了试验结果的可靠性。况且豚鼠为T淋巴细胞敏感型动物，而结果显示试验组各注射点均无红斑和水肿，证明此材料无致敏反应。
刺激是不涉及免疫学机制的一次、多次或持续与试验组织工程支架材料接触引起的局部炎症反应。本文使用的是皮肤刺激试验。采用5点注射法，各时间点平均原发性刺激指数均小于0.4，则说明材料对皮肤无刺激作用，而甲醛对照组各时间点可见严重的红斑和水肿，为强刺激。
溶血试验是检测生物医用材料对血液红细胞的溶血作用，测定红细胞溶解和血红蛋白游离的程度。本实验采用直接接触法，该材料的溶血率为3.17%，小于国家标准表明该材料不引起溶血反应。此试验对吸光度数值先用单因素方差分析，结果为p〈0.05，说明三组之间存在统计学差异，多组间均数的两两比较采用q检验，结果为试验组与阴性对照组之间p〉0.05，说明与阴性对照组之间无差别，而与阳性对照组之间p〈0.05，说明试验组与阳性对照组之间有显著差别。
体内植入实验是为了评价活体组织与试验样品材料的相互反应。所有医疗器械和材料植入体内均会不同程度地产生组织反应。目前，常采用肌肉局部组织生物学反应评价是根据炎性细胞反应和纤维囊形成进行组织反应分级，然后在根据组织反应分级情况进行结果评定。本试验植入各个时期炎症细胞浸润和纤维囊形成分级符合国家标准。
本实验体内和体外试验结果表明纳米羟基磷灰石复合40%二氧化锆陶瓷材料是一种无致敏、无刺激、无溶血，具有良好的血液和组织相容性的材料，又因其材料本身具有良好的生物活性及力学特性，有望成为修复骨缺损十分重要的生物材料。
参 考 文 献
[1] MuruganR，RamakrishnaS.Development of nanocomposites for bonegrafting.Compos.Sci.Technol.，2005，65(15-16):2385-2406.
[2] 胡江.组织工程研究进展.2000.生物医学工程学杂志，17(1):75-79
篇8
1细菌纤维素的结构与特性
1.1细菌纤维素的结构特点：BC是由葡萄糖分子以β-1,4糖苷键聚合而成的一种具有多孔性结构及一定纳米级孔径分布的高分子材料[2]。早在1940 年，人们就用电镜观察到BC由独特的束状纤维组成，这种束状纤维的宽度大约为100 nm，厚度为3～8 nm，每一束由许多微纤维组成，而微纤维又与其晶状结构相关。术醋杆菌（A.xylinum）是合成BC最强的细菌之一[3]，BC的生物合成可分为聚合、分泌、组装、结晶四大过程，这四大过程是高度耦合的，并和细胞膜上的特定位点密切相关。
1.2 细菌纤维素有许多独特的性质：①强的持水性和透气性：BC是一种水不溶性的惰性支持物，有很多“孔道”,有良好的透气、透水性能。依据合成条件的不同，它能吸收60～700倍于其干重的水份[2]，未经干燥的BC的强持水性能(waterretentionvalues，wRv)值高达1000%以上，冷冻干燥后的持水能力仍超过600%。经100℃干燥后的BC在水中的再溶胀能力与棉短绒相当，即有非凡的持水性,并具有高湿强度[4]；②高化学纯度和高结晶度：BC是一种“纯纤维素”，以100%纤维素的形式存在,不含半纤维素、木质素、果胶和其他细胞壁成分,结构单一，提纯过程简单；③较高的生物适应性和生物可降解性：Helenius等[5]开展了BC植入小鼠皮下组织的生物适应性研究及Klenm等[6]用BC微管材料取代老鼠颈动脉的研究都表明BC与老鼠身体没有任何排斥反应。在自然环境中,在酸性、微生物以及纤维素酶催化等条件下可最终降解成单糖等小分子物质，不污染环境，是环境的友好产品[7]；④高抗张强度和弹性模量：纤维直径在0.01～0.1μm之间,纤维模数为一般纤维的数倍至十倍以上，BC经洗涤、干燥后,杨氏模量可达10MPa,经热压处理后,杨氏模量可达30MPa,比有机合成纤维的强度高4 倍；⑤BC生物合成时具有可调控性：通过采用不同的培养方法、培养条件，可以得到各种不同性质BC[8]，在BC合成过程中及合成后都能对其结构进行修饰，如木醋杆菌能利用葡萄糖与乙酰葡萄胺合成N-乙酰氨基葡萄糖,并以4%的比例将N-乙酰氨基葡萄糖连接在BC上[9]；⑥极好的形状维持能力和抗撕力：BC膜的抗撕能力比聚乙烯膜和聚氧乙烯膜要强5倍；⑦抗菌性和防腐性：研究表明质量分数为3%e-PL溶液处理后的BC膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有足够的抑菌效果；⑧可利用广泛的基质进行生产。
2细菌纤维素的研究与应用
2.1 细菌纤维素的形成机制等基础研究：1886年，Brown[10]最先发现并报道BC。他观察到在醋酸发酵过程中培养基表面形成一层凝胶状膜,经进一步分析确定这是由醋酸杆菌发酵产生的一种纤维素物质,将其命名为纤维素薄膜。其后,很多课题组对 BC的形成机制做了研究，相关学者发表了一系列有关 BC的基础研究论文。Hestrin等[11]在1947年第一次详细阐明A. xylinum 合成纤维素的机制。Schramm等[12]在1954年报道了纤维素形成过程中的影响因素,研究了培养基以及相关抑制剂对其形成的影响,并于1957年研究了合成该纤维素的酶系统[13],同一个课题组的ElhananOGromet等[14]于1962年研究了纤维素合成过程中的中间产物。后期研究主要集中在A.xylinum 合成纤维素的生物模型机制。1977 年,Colvin等曾尝试以一种单糖为原料利用纤维素合成酶全生物合成纤维素产品。1992～1993 年, Okiyama 等[15-16]报道了实验室大规模培养及通过改进发酵罐的设计生产BC的文章。Fontana等将咖啡因和黄嘌呤添加到醋酸菌的培养基中，发现它们对纤维素的产量有促进作用。
2.2 细菌纤维素在非医学领域的应用
2.2.1造纸工业：BC具有结晶度高、分子取向好、机械强度高的特点，添加到制浆中，纤维素大分子上的羟基产生氢键结合，纸张可以达到很好的湿强度、干强度、耐用性、吸水性等性能，可广泛应用于各种特种纸。因此，Ajinomoto公司与日本三菱公司合作开发用于流通货币制造的特殊纸，生产出了质量好，抗水性能好，强度高、抗膨胀性能的特殊纸品。加有菌纤维的高级书写纸吸墨均匀性、附着性好。菌胶纤维机械匀浆后与各种相互不亲和的有机、无机纤维材料混合后制造不同形状用途的膜片和无纺织物布和纸张产品十分牢固。将其作为造纸原料，能免去一般植物纤维脱木质素的制浆过程，提高纸张强度和耐用性。从而解决了废纸回收再利用后纸纤维强度下降的问题，并可以利用其生物可降解性而有利于三废处理和环保。
2.2.2食品行业：由于BC具有非常好的持水性、粘稠性和稳定性，因此，在食品工业中可作为增稠剂、胶体填充剂等；同时也可以食品原料，用于饮料、功能食品的制造。利用Az纤维素的凝胶和高持水特性及其产物醋酸、醇酯和乳酸等混合物的特殊风味作为人造肉、人造鱼、香肠、火腿肠中食品成型剂、增稠剂、分散剂、抗溶化剂、改善口感作为肠衣和某些食品的骨架，成为一种新型重要食品基料，有的发展成为保健食品。
2.2.3 声学器材及建材方面：利用细菌性纤维素的高杨氏模量和很强的形状维持性，味之素公司和日本纺织研究所组成的科研人员致力于利用BC的特殊物理性能制造高强度材料，携手开发了用醋菌纤维素制造的超级音响、麦克风和耳机的振动膜，几乎没一种材料达到像醋酸纤维素膜那样既高传递速度又高内耗的双优性能。这大大改善了音质利用高弹性高强度性质产生的建材及塑料，其安全性更高。
2.2.4 重金属吸附材料：功能性BC作为一种重金属吸附材料虽已有报道，但其吸附性能相对不高。所以，为了提高BC膜材料的吸附性和选择渗透性，利用生物、化学方法对BC进行改性以获得更高吸附性能的BC复合材料也在研究中。Tokura等[17]在利用Acetobacter xylinum制备BC的培养基中加入羧甲基纤维素(Carboxymethyl Cellulose，CMC)或羧甲基甲壳素，制得了具有一定取代度的羧甲基BC(CM．BC)，它具有较好的离子交换能力，与BC相比，CM-BC对铅和铀离子有特殊的吸附能力。
2.2.5 纺织行业：由于纤维素的高度吸水性、持水性，故在纺织工业上有广泛应用，如毛巾等日常用品。服装方面，在面料中加入这种物质后，其方便性增强，舒适感增加，还可以作为精密仪器的防潮材料。
3细菌纤维素在医学领域的应用
3.1 在组织工程中的应用：2005年，Schumann[18]将BC长期植入老鼠体内（1年），然后借助组织免疫和电子显微镜等手段研究老鼠的内皮细胞、肌肉细胞、弹性结构和结缔组织等不同结构的变化。同年，Svensson等[19]发现以BC作为软骨组织工程支架效果良好，利用牛软骨细胞来评价自然的BC材料,结果表明，未经修饰的自然BC材料在保持良好的机械性能的前提下，Ⅱ型胶原基质可达到正常软骨表达的50%左右，并且支持软骨细胞的增殖。接下来,未修饰的BC被进一步用于人软骨细胞研究,发现其支持人软骨的增殖,同时透射电镜（TEM）也进一步证实软骨细胞向BC支架内生长的事实。Bodin等[20]用硅树脂作为模具，制备出半月板形状的BC材料，综合BC材料的优异力学性能。良好的塑形性能，并且维持软骨分化、支持软骨细胞的迁移增殖。Hong[21]、Wang[22]和Hutchens等[23]的研究发现BC可做为一种合适的基质用于生物陶瓷沉积和晶核的形成。2009年，郑敬彤等[24]研究大鼠脂肪干细胞与BC膜的复合培养结果表明生长于BC膜上的脂肪干细胞不仅能够增殖，随着培养时间的延长，细胞数量不断增加。免疫荧光染色结果显示，脂肪干细胞在BC材料上仍能很好表达脂肪干细胞标记蛋白，保持脂肪干细胞原有的生物活性。预期将来BC在组织工程领域会有较大的应用空间。在软骨或骨组织工程研究中，BC以其独特的性能、在湿态时优异的力学性能、原位可塑性开始受到关注。
3.2 细菌纤维素在人工血管和显微外科的应用：1991年， Yamanaka等首次研究BC用于人工血管。2001年和2003年Klem 等[25] 就报道了一种利用Acet0bacter xylinum原位成形制备的BC应用于显微外科手术的人工血管。2004 年，Klemm等[26]进一步证实BASYC具有生物活性和相容性，BC完全符合显微外科中人工血管的物理和生物要求。2006年，Henrik等研究了BC作为潜在的组织工程血管支架的机械性能，结果表明细菌纤维的应变能力与动脉血管相似,这很可能是由于纳米纤维结构的相似性造成的。PaulA Charpentier等[27]把医用聚酯纤维经过等离子体亲水改性后，在表面涂层BC制成基于BC的血管修复装置，克服了用聚酯和其他涂层剂制作血管修复装置存在的问题。Bodin等[28]研究了Acetobacter xylinum 原位静态培养时不同浓度的氧含量对BC管机械性能的影响说明了BC材料可以提供内皮细胞良好的黏附增殖。Ananda等[29]用特殊发酵方法制备了管状BC，这种管状BC机械性能好，可应用于人工血管的制备。
3.3 在人工皮肤和创伤敷料的应用：巴西自1987年以来有近10个皮肤伤病医疗单位已报道400多例应用醋菌纤维素膜治疗烧伤、烫伤、皮肤移植、创伤等治疗取得成功[30-31]，已发展成人工皮肤、纱布、绷带和“创可贴”等伤科敷料商品。马霞[32-34]报道了以BC作为创伤辅料的研究，也发现BC膜表面孔径具备作为人工皮肤支架的物理条件，适于成纤维细胞和毛细血管的长入。Phisalaphong等在发酵培养基中添加低分子质量的壳聚糖以培养微生物，并制备出了壳聚糖/BC复合材料，该材料在处理烧伤、褥疮、难以愈合的伤口以及需要频繁更换敷料的伤口等具有很好的应用价值。Maneerung等制得的掺杂有纳米银粒子的BC复合材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有抗菌效果，用其制成的创伤敷料能大大减少伤口感染风险。为了应用于皮肤创伤，在1990年，Fontona等[35]首次报道了厚度可变的BC膜在作为手术缝合线、去疤痕等方面的应用。Slezak等[36]将BC膜产Bioprocess作为伤口敷料，结果表明BC膜具有低选择性、对水和其它溶液易透过性（葡萄糖水溶液、蔗糖、乙醇、Nacl、Kcl等）的特点。他们认为这些材料可用于烫伤和溃疡的治疗。Czja等[37]研究了BC在治疗二级和三级烧伤方面的应用前景,他们对20 例患者做了一项医学研究: 将BC创伤敷料直接覆盖在新鲜烧伤达9%～18%创面上,接下来观察创伤以及伤口周围环境的变化、观测表皮生长、检测微生物和研究组织病理学,结果显示, BC是一种很好的促进烧伤愈合的材料。
4设想与展望
细菌纤维素作为一种极具应用潜力的生物学材料，虽然人们发现的较早，但对其功能特性的研究仅10年左右，因此，我们应从分子生物学的角度对其加以深入研究，进一步明确其生成和作用机理，拓展其新的应用领域。BC最重要特性之一是纯度极高，这也是BC与植物纤维素的主要区别。通常除去植物纤维素的半纤维素和木质素很困难。由于BC这种独特的性质，使其具有超微纤维网结构。目前，BC应用的主要技术障碍：①发酵水平较低,产量低、成本高、价格不抵普通植物纤维素；②进一步研究和利用BC的成模和成型的工艺技术还没有解决；③做为生物医用材料,其与生物体长期作用效果、体内的降解性，与宿主组织和细胞相容性,以及在体内时BC的机械、物理和化学性能的变化等一系列问题还需要进一步研究。
要解决上述问题,今后的研究方向主要有两个:①要研究设计可行的发酵设备及发酵工艺以提高纤维素产量,降低其成本；②要研制开发具有自主知识产权的BC生物医用材料。因此，我们应采用基因工程和高密度培养等手段来提高BC的合成效率，同时应加强BC合成的动力学研究，设计合理的生物反应器，早日实现BC在我国的商品化。
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篇9
关键词：生物基合成纤维；化学纤维；生物基单体
中图分类号：TS102 文献标志码：A
Development and Outlook of Bio-based Synthetic Fiber Monomers
Abstract： In recent years， developing environmental-friendly and high-performance bio-based synthetic fibers has become an important development direction of chemical fiber industry However， the preparation and large-scale production technology of monomer is the main bottleneck in the development of bio-based synthetic fibers in China. In this paper， the development status-quo of bio-based synthetic fiber monomers， such as PTT monomer 1，3-propanediol， PLA monomer lactic acid， PBS monomer 1，4-succinic acid， PA56 monomer1，5-pentamethylenediamine， etc.， at home and abroad was reviewed， and relevant suggestions on the development and application of bio-based fiber monomers were put forward.
Key words： bio-based synthetic fibers； chemical fibers； bio-based monomer
化石资源是一种不可再生资源，19世纪以来，随着石油经济的快速发展，人们对化石能源及下游化工产品需求的不断提升，导致全球石油资源日渐匮乏，并造成了严重的环境污染。因此，以可再生生物质资源为原料，开发环境友好的生物基化学品及材料，已经成为世界各国实现科技创新和可持续发展的重要举措。美国能源部（DOE）预计到2020年，来自植物等可再生资源的化学材料要增加到10%，产业规模可达到千亿元/年，将产生巨大的经济效益和环保效应。
生物基合成纤维是生物基化学纤维的一种，其制备过程为以生物质为原料，经化学转化或生物转化得到聚合单体，再通过加聚反应或缩聚反应合成线型高分子化合物后经纺丝工艺而得到的纤维材料。同传统石油基化纤相比，生物基合成纤维具有环境友好、原料可再生、产品可生物降解以及使用性能优良等特性，比如具有良好染色性的聚对苯二甲酸丙二醇酯纤维（PTT）、吸湿排汗的生物基尼龙56纤维等，发展前景广阔。
目前，中国作为世界最大的化纤生产国，2015年化纤产量达到4 843万t，占世界化纤生产总量70%以上，但我国化纤工业90%产品依赖石油，用量最大的聚酯纤维原料总量60%以上依赖进口，对外依存度高，不利于我国化纤产业的良性发展。因此，大力发展生物基化学纤维及其单体制备技术，不仅能够丰富化纤原料供给途径，解决我国化纤原料长期“受制于人”的问题，更是实现我国化纤工业可持续发展的需要，对培育和发展战略性新兴产业、促进我国石油化工材料转型升级、实施纺织化纤强国战略、建设资源节约型和环境友好型社会具有十分重要的意义。
在此背景下，2013年国家发改委、科技部等多部委合推动“生物基材料重大工程实施方案”―― 生物基化学纤维及原料专项实施方案，加快了我国生物基纤维的产业化及应用步伐。2015年中国化纤工业协会在介绍化纤行业“十三五”发展的重点工作时强调，当前化纤行业的重点任务就是生物基纤维的开发及利用，集中发展高新技术纤维、功能性纤维、差别化纤维，推动化纤工业跨界融合，以发展生物基纤维为突破口，重点攻克生物基纤维原料多元化及规模化生产技术，实现生物基原料替代率提高至2%的目标。
综合分析我国合成纤维的技术水平和产业化状况，可以得知生物基合成纤维与对应的石油基合成纤维的主要区别在于聚合单体来源不同，进而单体制备、提纯工艺差异较大，而纺制工艺及装置差别不大，完全可利用现有纺丝装置或经局部改造的装置进行成纤加工。因此，制约我国生物基合成纤维发展的主要瓶颈是上游生物基单体原料的制备及规模化生产技术。本文就我国生物基合成纤维单体的技术发展现状做简要论述并提出一些建议。
1 生物基合成纤维单体发展现状
1.1 生物催化生物基合成纤维单体
1.1.1 1，3-丙二醇（1，3-PDO）
1，3-PDO是PTT的重要单体原料。PTT是一种性能优异的热塑性聚合物，具有良好的抗腐蚀性，又具有尼龙66的弹性，且更容易印染，被认为是极具发展前景的高分子纺织纤维材料，美国DuPont（杜邦）、日本东丽和帝人、韩国新韩工业、我国盛虹集团等国内外企业均进行了工业化生产。
目前，国内外1，3-PDO主要有 3 种生产工艺，分别为德国Degussa（德固赛）的丙烯醛水合氢化法、美国Shell（壳牌）的环氧乙烷羰基化法和杜邦的生物工程法，总产能达到20余万吨。由于化学法存在生产原料不可再生、设备投资大、反应条件高温高压、生产过程环境污染严重等问题，而生物工程法以可再生资源为原料，且具有生产成本低、绿色环保等优点，因此生物工程法正逐步取代化学法，成为1，3-PDO的主要生产方法，产能不断扩大。除杜邦外，法国Metabolic Explorer公司以及我国华美生物工程有限公司、黑龙江辰能生物工程有限公司和盛虹集团等近年来也都进行了产业化装置建设（表 1），但产品质量仍未达到杜邦聚合级1，3-PDO产品水平，在产品分离精制工艺上仍需进一步改进。
目前，M管我国石油制乙二醇工艺较成熟，而煤制乙二醇工艺路线经济性最高，但从环境效益以及可持续发展的角度来看，仍应重视研究开发生物基乙二醇技术，降低生产成本，进而推动我国生物基聚酯纤维产业发展。
1.2.3 2，5-呋喃二甲酸
从我国目前的PTA产业链结构来看，PTA的生物替代可通过两种途径实现：（1）生物质原料通过化学催化转化法制得PX，再氧化得到PTA（简称生物基PX路线）；（2）生物质资源直接转化为FDCA，直接替代PTA用作聚酯合成的单体原料（简称FDCA路线）。
2，5-呋喃二甲酸（FDCA）被认为是PTA理想的生物基替代。由于FDCA具有呋喃环结构，其比含苯环结构的PTA更容易降解（表 7）。
目前，1，3-PDO、乳酸、丁二酸等生物基合成纤维单体已经实现大规模工业化生产，但FDCA由于生产成本高、技术难度大，仍处于研究阶段，开发效果好、价格低廉的催化剂是该技术产业化的关键。FDCA的制备方法根据反应原料的不同，主要分为以下几种：以5-羟甲基糠醛（HMF）为起始原料、以糠酸糠醛为起始原料、以己糖二酸为起始原料和以二甘醇酸为起始原料。其中，上述起始原料都可以由生物质资源制备得到，HMF可以由己糖（葡萄糖、果糖等）脱水环化生成，糠酸糠醛可以由戊糖（木糖等）脱水制备，己糖二酸可以由己糖（葡萄糖、半乳糖等）氧化制备，二甘醇酸可以由生物基乙醇脱水转化成乙烯后氧化得到环氧乙烷，再水合转化成二甘醇后氧化制备而成。
我国中科院大连化物所、华南理工大学、荷兰Avantium公司等单位在FDCA及PEF材料的制备方面做了深入研究，其中，荷兰Avantium公司的技术较为成熟。2015年，Avantium与三井物产株式会社签署了一份协议，将在亚洲进行100%生物基化学品FDCA和PEF的商业化开发。与PET相比，生产PEF能减少约40% ～ 50%的不可再生资源使用，同时减少约45% ～ 55%的温室气体排放。2016年3月，荷兰Avantium和巴斯夫宣布两家公司签署了一份合作意向协议并进行了独家谈判，旨在生产与销售FDCA和下游产品PEF，产品可用于包装和纤维领域，但尚未见产业化装置建设报道。
2 生物基合成纤维单体发展建议
近年来，我国生物基合成纤维及其单体原料得到大力发展，尤其是纤维加工及应用市场趋向成熟，PLA纤维、PTT纤维、PDT纤维、PBT纤维、PHBV和PLA共混纤维等品种已达世界水平，实现了对石油基化学纤维的部分替代，已应用于纺织、医用材料、卫生防护等领域。但从产业整体来看，我国生物基单体原料仍呈现一头在外、长期依赖进口的局面，这主要是由于生物基单体制备技术仍不够成熟、关键技术和装备存在差距、产品提纯过程复杂，使得原料成本过高无法与石油基产品竞争，且产品不稳定，仍需进一步实现技术升级，加快生物基合成纤维的产业化进程。
2.1 开发以低成本生物质资源为原料生产生物基纤维单体工艺
目前大多数生物基聚合单体的生产还是基于可食用淀粉类生物质资源，这种路线存在原料成本高、占用大量耕地面积等缺点。因此，为提高生物基合成纤维成套工艺技术的经济性，可开展利用低成本非粮生物质资源制备生物基纤维单体技术，并实现全组分利用。解决的关键问题包括开发高效廉价的秸秆原料预处理技术、选育优良的纤维素酶生产菌株、构筑能利用五碳糖的菌株以及混合发酵工艺调控实现相对高浓度发酵，从而可降低生产成本。
2.2 开发生物发酵产物的高效分离技术
生物质资源通过生物过程所得产品的典型特点是浓度低、杂质多、分离成本高、废水量大，这对于最终生物产品的生产成本有重要影响。因此，针对特定的发酵产品开发低能耗清洁分离工艺，对于提高生物基产品的竞争力具有举足轻重的作用。目前，具有良好应用前景的分离技术包括膜分离技术、离子交换技术等。
2.3 开发生物质原料化学转化专有催化剂
目前，以生物质为原料，通过化学催化转化制备生物基合成纤维单体也是当前该领域的研究热点，如木质纤维素催化热解制备PX、5-羟甲基糠醛催化氧化制备FDCA等，而构建绿色高效稳定的催化体系是制约该领域发展的关键问题之一。所以，今后应重点研究高性能的催化材料和与之匹配的溶剂体系；研究催化剂的尺寸形貌、活性中心与载体之间的电荷传递规律，达到催化反应选择断裂链接木质纤维素等生物基原料的C―O键或/和C―C键的目的；借助反应动力学和现代原位谱学表征方法，开展反应机理和催化剂构效关系方面的研究。
2.4 完善上下游产业链，加快推进较成熟技术的产业化示范工作
生物基化学纤维及其原料从研发、技术、工程化到产业化，科技和工程交叉复杂，所涉及到的基因技术、工业微生物技术、生化技术处于产业化前期基础研究阶段，难度大，流程长，关键环节较多。因此，我国企业应承担起生物基纤维产业产、学、研的责任，为实现生物基纤维“三个替代”（原料替代、过程替代、产品替代）的目标提供技术支撑，这对推动我国绿色经济增长、建设资源节约型和环境友好型社会意义重大。
篇10
信息、生物、新材料三大前沿领域
信息、生物、新材料是21世纪前30年发展最快、最热门的三大领域，它们集结了当今世界最强势的研究力量。但在这些关系未来发展的关键领域中，我国许多核心技术仍依赖追踪、模仿和引进国外技术，原始创新能力明显不足。
从更宽的视野来看，不仅仅是这三个领域的发展需要高扬“自主创新”的信心与勇气。实际上，整个中国科技正面临着前所未有的发展压力：对外要适应国际科技竞争的紧迫形势，对内要满足经济社会发展进程中的重大战略性需求。而原始创新能力和技术创新能力的薄弱，已成为当前和未来相当长时期内影响我国整体竞争力的极大障碍。
面向未来15年的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》即将，科技部等有关部门正在着手制定科技“十一五规划”——关于中国科技“未来”的探讨与关注，在最近一年多来达到了前所未有的程度。就是在这样带着几分焦灼、几分期待、几分信心的探讨氛围中，“自主创新”成为人们关于中国科技发展的共识。
带着这个共识，再来看中国科技发展面临的“压力”，在很大程度上已经变成了未来发展的重大机遇。未来10年，中国在这三大领域中最有可能实现自主创新的关键技术群究竟有哪些？有限的科技经费究竟应当投入到哪些突破口？
下一代移动通信技术
移动通信是人类社会发展中的一大奇迹。2004年12月，全球（蜂窝）移动通信用户总数已达17亿以上，超过已有百年发展历史的固定通信用户数。过去10年，移动通信技术完成了由第一代模拟通信技术向第二代数字通信技术的过渡，当前正处于由其巅峰状态向第三代（3G）移动通信技术过渡的进程中。
目前，世界发达国家纷纷投入力量进行第三代及下一代移动通信标准、技术和产品的开发。
——3G移动通信：国际电信联盟（ITU－T）批准为3G的三大标准分别是欧洲的WCDMA，美国高通公司的CDMA2000和中国大唐电信的TD－SCDMA。3G已在全球30多个国家开始商用。
——增强型3G（Enhanced3G）：为了克服3G技术不能很好支持流媒体等业务的不足，国际电信联盟已在制定增强型3G技术标准。专家预测，增强型3G技术将进入商用。
——4G（或Beyond3G）：下一代移动通信即所谓超3G（以下统称Beyond3G）技术的研究是国际上的热点。Beyond3G具有更高的速率与更好的频谱利用率。欧盟、日本、韩国等国家已开始4G框架的研究，预期Beyond3G技术可望在2010年后开始商用。
中国移动用户总数已达3.34亿，居世界第一，总体技术水平与国际同步，处于由第二代向第三代的过渡时期。我国3G移动通信技术已经具备了实现产业化的能力，我国大唐电信2000年5月提出的TD－SCDMA标准已成为国际电信联盟正式采纳的三大标准之一。此外，在国家“863”计划的支持下，开展了Beyond3G技术的研究，预期该技术可望在2010年后开始商用。
Beyond3G技术对我国经济社会发展和国防建设具有十分重要的意义。德尔菲专家调查统计结果显示，我国研发水平比领先国家落后5年左右，通过自主开发或联合开发，在未来5年可能形成自主知识产权。以华为、中兴为代表的一批高技术通信设备制造业公司，在第三代移动通信设备（3G）等研发方面紧跟国际前沿，打破了国外公司对高技术通信设备的垄断，开始参与国际通信标准的制定，开发具有自主知识产权的核心技术，具备了参与国际竞争的能力，具备实现技术和产业跨越式发展的契机。
中国下一代网络体系
下一代网络（NGN）泛指以IP为核心，同时可以支持语音、数据和多媒体业务的因特网、移动通信网络和固定电话通信网络的融合网络。
世界各国和国际通信标准化组织都在积极开展下一代网络的研究开发工作。国际电信联盟电信标准化部门（ITU－T）、欧洲电信标准化协会（ETSI）、互联网工程任务组（IETF）、第三代伙伴组织计划（3GPP）等，都在致力于下一代网络体系的研究。目前，美国、日本、韩国、新加坡以及欧盟都已启动了下一代互联网研究计划，全面开展各项核心技术的研究和开发。
我国在下一代网络的研究方面已取得了较大进展。“九五”期间，863计划建成了“中国高速信息示范网”（CAINONET）、国家自然科学基金委支持的“中国高速互连研究试验网NSFCNET”等重大项目，目前已开始基于NGN的软交换技术在移动和多媒体通信中的应用研究。中兴、华为等企业还推出了基于软交换的NGN解决方案；在下一代互联网研究上，中兴、港湾网络等推出的高端路由交换机，可应用于国家骨干IP网络建设，以及大中型宽带IP城域网核心骨干和汇聚。国内公司还开始自行设计高端分组交换定制ASIC芯片。我国已成为少数几个能够提供全系列数据通信设备的国家之一。
下一代网络技术对促进我国高新技术的发展，以及对改造和提升我国传统产业具有举足轻重的作用，对国家安全至关重要。从总体上看，我国互联网技术跟随国外发展，在技术选择上缺乏系统研究，走过一些弯路，至今与国外仍存在较大差距。无论网络用户规模、网络应用、网络技术或网络产品都尚有很大的发展空间。从全局着眼，应不失时机地开展中国下一代网络体系的研究、应用试验、关键技术研究和产品开发。不能像第一代互联网那样，技术、标准都是外国的，给国家安全造成隐患。
纳米级芯片技术
当前，集成电路的发展仍遵循“摩尔定律”，即其集成度和产品性能每18个月增加一倍，按照器件特征尺寸缩小、硅片尺寸增加、芯片集成度提高和设计技术优化的途径继续发展。
自上世纪90年代以来，全球集成电路制造技术升级换代速度加快。当前国际上CMOS集成电路大规模生产的主流技术是130nm，英特尔等部分技术先进的芯片制造公司已在用90nm进行高性能芯片生产。2005年，美国AMD公司已开始量产90nm的高性能芯片，国际上对65nm技术的开发也已成功。伴随130nm到90nm技术的升级，考虑到扩大生产规模和降低成本，大多数公司将使用12英寸替代8英寸硅基片，这也必将带来半导体设备的大量更新。
近年来我国一些先进集成电路制造公司的崛起，使国内集成电路制造工艺技术与国际先进水平的差距有了显著的缩小，但整体水平仍与先进国家相差2～3代。目前，我国集成电路设计公司年设计能力已超过500种，主流设计水平达到180nm，130nm技术正在开发中，90nm技术的研发也开始着手进行。从产业发展看，我国集成电路已初步形成由十多家芯片生产骨干企业、十多家重点封装厂、二十多家初具规模的设计公司、若干家关键材料及专用设备仪器制造厂组成的产业群体，设计、芯片制造、封装三业并举的蓬勃发展态势。以中科院计算所为代表的研究机构和企业在CPU研发方面所取得的新进展，标志着我国集成电路设计具有较强能力，与国际先进水平的差距进一步缩小。目前我国芯片业大多集中在低端的交通、通信、银行、信息管理、石油、劳动保障、身份识别、防伪等领域，IC卡芯片所占比重一直占据芯片总体市场的20％左右。
世界第一颗0.13微米工艺TD－SCDMA3G手机核心芯片10月9日在重庆问世
今后的IC是纳米制造技术的时代，而纳米级芯片技术是我国赶超国际的关键，它的成功将会是我国IC工业发展史上的重要里程碑和持续发展的动力，专家认为应优先发展。
中文信息处理技术
包括汉字和少数民族文字在内的中文信息处理技术，是汉语言学和计算机科学技术的融合，是一门与语言学、计算机科学、心理学、数学、控制论、信息论、声学、自动化技术等多种学科相联系的边缘交叉性学科。
随着互联网的发展，中文信息处理技术已渗透到社会生活的各个方面。1994年，微软开始进入中文软件市场，微软的WORD把国产WPS挤出了市场，继而Windows中文版又把国产中文之星挤垮。微软凭借其强大的优势地位，使国产的中文信息处理软件举步维艰。中文版的Windows、Office等占据了大部分的中文软件市场，使中文信息处理逐渐丧失了其特殊地位。
经过二三十年的努力，我国的中文信息处理，包括中文的编码、字型、输入、显示、输出等的基本处理技术已经实用化，目前正在逐渐摆脱“字处理”阶段，处于向更高级阶段快速发展的时期。包括中文的文字识别机和手写文字识别、语音合成、语音识别、语言理解和智能接口等技术的研究已获得进展。中文的全文检索、内容管理、智能搜索、中文和其他文字之间的机器翻译等技术也正在开发、研制，并取得了较大进展，涌现了联想、方正、四通、汉王、华建等公司。
随着中国加入WTO与世界各国交流的逐渐扩大以及网络信息时代的来临，中文信息处理技术越发显得重要，其自动化水平的提高，将大大促进我国科技、国民经济和社会发展，同时使中华民族的文化在信息时代得到新的发展。未来无疑应当加强中文信息处理技术的研发投入与政策倾斜。
人类功能基因组学研究
20世纪末启动的人类基因组计划被公认为生命科学发展史上的里程碑，其规模和意义超过了曼哈顿原子弹计划和阿波罗登月计划。随着人类基因组、水稻基因组以及其他重要微生物等50多种生物基因组全序列测定工作的完成，国际基因组研究进入到功能基因组学新阶段。
功能基因组学已成为21世纪国际研究的前沿，代表基因分析的新阶段。它是利用结构基因组所提供的信息和产物，发展和应用新的实验手段，通过在基因组或系统水平上全面分析基因的功能，使生物学研究从对单一基因或蛋白质的研究转向多个基因或蛋白质同时进行系统的研究，是在基因组静态的碱基序列弄清楚之后转入对基因组动态的生物学功能学研究。从1997年迄今已发表的有关功能基因组学的论文数以千计，其中不少发表在《细胞》《自然》《科学》等国际著名刊物上。
目前功能基因组研究的重点集中在四个方面：一是基因测序技术研究。预计今后几年内，测序技术将继续发展，特别是有一些重要的改进将直接用于功能基因组的研究；二是单核苷多态性（SNP）以及在此基础上建立的SNP单体型研究；三是基因组有序表达的规律研究。主要包括基因的深入鉴定、基因表达与转录组研究、蛋白和蛋白质组研究、代谢网络和代谢分子研究、基因表达调控研究等；四是计算生物学和系统生物学研究。
近几年来，在国家“863”计划、国家重大科技专项等的资助下，我国功能基因组学研究取得了一系列进展。中华民族占世界人口的1／5，有丰富的遗传疾病家系资源，这是我国发展功能基因组研究的有利因素。“十五”期间，我国参与国际蛋白质组计划、国际人类基因组单体型图计划，高质量按时完成了项目中所承担的21号染色体区域的任务，建立并完善了中华民族基因组和重要疾病相关基因SNPs及其单倍型的数据库的建设，在国际一流杂志上发表了一批高水平学术论文，申报了一批国家专利，收集、保存了一批宝贵的遗传资源，并初步建立了遗传资源收集网络和资源信息库的采集管理系统，组建了一批国家级基地，培养了一支队伍，建立了一批技术平台。但总体而言，我国在功能基因组研究及应用方面的原始创新成果数量较少，还不能为医药生物技术产业的发展提供足够的知识和产品。
未来研究重点包括：
——功能基因组研究。重点开展植物功能基因组研究、人类功能基因组研究和重要病原微生物及特殊微生物功能基因组研究；
——蛋白质组学研究。蛋白质组学是一个新生领域，目前还处于初期发展阶段，仍有许多困难有待克服。我国应选择具有特色的领域开展研究；
——生物信息技术。我国的研究重点应集中在生物信息数据库的构建、生物信息的开发、加工、利用及生物信息并行处理方面；
——生物芯片技术及产品。通过微加工技术和微电子技术在固体芯片表面构建的微型生物化学分析系统，以实现对细胞、蛋白质、DNA以及其他生物组分的准确、快速、大信息量的检测。常用的生物芯片包括基因芯片、蛋白质芯片、生化反应芯片和样品制备芯片等。生物芯片的主要特点是高通量、微型化和自动化。我国生物芯片研究紧跟国际前沿，它将对我国生命科学研究、医学诊断、新药筛选具有革命性的推动作用，也将对我国人口素质、农业发展、环境保护等作出巨大的贡献。
专家认为，我国人类功能基因组学研究的研发水平比领先国家落后5年左右，若能高度重视，充分利用我国已有的技术和资源优势，未来10年我国可能实现人类功能基因组学研究的跨越发展。
蛋白质组学研究
随着被誉为解读人类生命“天书”的人类基因组计划的成功实施，生命科学的战略重点转移到以阐明人类基因组整体功能为目标的功能基因组学上。蛋白质作为生命活动的“执行者”，自然成为新的研究焦点。以研究一种细胞、组织或完整生物体所拥有的全套蛋白质为特征的蛋白质组学自然就成为功能基因组学中的“中流砥柱”，构成了功能基因组学研究的战略制高点。
目前蛋白质组学的主要内容是建立和发展蛋白质组研究技术方法，进行蛋白质组分析。为了保证分析过程的精确性和重复性，大规模样品处理机器人也被应用到该领域。整个研究过程包括样品处理、蛋白质的分离、蛋白质丰度分析、蛋白质鉴定等步骤。
附图
自1995年蛋白质组一词问世到现在，蛋白质组学研究得到了突飞猛进的发展。我国的蛋白质组研究也在迅速开展，并取得了许多有意义的成果，中国科学家已经在重大疾病如肝癌，比较蛋白质组学的研究等方面取得了重要成就，在“973”计划的资助下，我国已经开始了二维电泳蛋白组分离研究、图像分析技术和蛋白质组鉴定质谱技术研究等。
如何抓住国际上蛋白质组学研究刚刚启动的时机，迅速地进入到蛋白质组学研究的国际前沿，是摆在我国生命科学研究发展方向上的一个重要课题。
目前我国在该领域的研发基础较好，只比先进国家落后5年左右。蛋白质组学属科学前沿，专家建议结合我国现行的基因组研究及其他有我国特色或优势的领域开展研究，不要重复或追随国际已有的工作，而应走自己的路，未来10年内有可能取得重大科学突破。
生物制药技术
生物制药被称为生物技术的“第一次浪潮”，其诱人前景引起了全世界各国政府、科技界、企业界的高度关注。
在过去的30年间，全球生物技术取得了令人瞩目的成就。据美国著名咨询机构安永公司2004年和2005年发表的第十八和第十九次全球生物技术年度报告分析，2003年全球生物技术产业营收达410亿美元。目前已有190余种生物技术产品获准上市，激发起投资者对生物技术股与融资的兴趣。
近20年来，我国医药生物技术产业取得了长足的进步，据《中国生物技术发展报告2004》统计，我国已有25种基因工程药物和基因工程疫苗，具有自主知识产权的上市药物达9种，重组人ω－干扰素喷鼻剂2003年4月获得国家临床研究批文，可用于较大规模高危人群的预防。但总体上与世界先进水平相比还存在很大的差距，医药生物技术产品的销售收入仅占医药工业总销售额的7.5％左右。
为加快我国生物制药技术的发展，今后的研究开发重点是：
——生物技术药物（包括疫苗）及制备技术。围绕危害人民健康的神经系统、免疫系统、内分泌系统和肿瘤等重大疾病和疑难病症的防治与诊断，应用基因工程、细胞工程、发酵工程和酶工程等技术，开发单克隆抗体、基因工程药物、反义药物、基因治疗药物、可溶性蛋白质药物和基因工程疫苗，拓宽医药新产品领域；
——高通量筛选技术。目前，国外许多制药公司已把高通量筛选作为发现先导化合物的主要手段。典型的高通量筛选模式为每次筛选1000个化合物，而超高通量筛选可每天筛选10万多个化合物。随着分析容量的增大，分析检测技术、液体处理及自动化、连续流动以及信息处理将成为未来高通量筛选技术研究的重点；
——天然药物原料制备。目前，已经发现人类患有3万多种疾病，其中1／3靠对症治疗，极少数人能够治愈，而大多数人缺乏有效的治疗药物。以往多用合成药物，随着科技的进步，人们自我保健意识增强，对天然药物的追求与日俱增。当前世界各国都在加强天然药物的研发。
生物信息学研究
在生命科学的研究中，以计算机为工具对生物信息进行储存、检索和分析，对基因组研究相关生物信息获取、加工、储存、分配、分析和解释——上世纪80年代一经产生，生物信息学就得到了迅猛发展。其研究一方面是对海量数据的收集、整理与服务；另一方面是利用这些数据，从中发现新的规律。
具体地讲，生物信息学是把基因组DNA序列信息分析作为源头，找到基因组序列中代表蛋白质和RNA基因的编码区；同时，阐明基因组中大量存在的非编码区的信息实质，破译隐藏在DNA序列中的遗传语言规律；在此基础上，归纳、整理与基因组遗传信息释放及其调控相关的转录谱和蛋白质谱的数据，从而认识代谢、发育、分化、进化的规律。另外生物信息学还利用基因组中编码区的信息进行蛋白质空间结构的模拟和蛋白质功能的预测，并将此类信息与生物体和生命过程的生理生化信息相结合，阐明其分子机理，最终进行蛋白质、核酸的分子设计、药物设计和个体化的医疗保健设计。
生物信息学的发展已经将基因组信息学、蛋白质的结构计算与模拟以及药物设计有机地连接在一起，它将导致生物学、物理学、数学、计算机科学等多种科学文化的融合，造就一批新的交叉学科。
科学家们普遍相信，本世纪最初的若干年是人类基因组研究取得辉煌成果的时代，也是生物信息学蓬勃发展的时代。据预测，到2005年生物信息的全球市场价值将达到400亿美元。
我国生物信息学研究起步较早。20世纪80年代末，国内学者就在《自然》上报道了免疫球蛋白基因超家族计算机分析的工作。目前，多家大学和研究机构也相继成立了生物信息中心或研究所，各种原始数据库、镜像数据库和二级数据库也已经逐步建立，同时我国还建立了相关的工作站和网络服务器，实现了与国际主要基因组数据库及研究中心的网络连接，开发了用于核酸、蛋白结构、功能分析的计算工具以及蛋白质三维结构预测、并行化的高通量基因拼接和基于群论方法开发的基因预测等多种软件。中国学者还运用自主开发的电脑克隆程序，开展了大规模EST数据分析，建立了一系列基因组序列分析新算法和新技术，并在国内外著名科学杂志上发表了一系列论文，取得了引人注目的进展，尤其在人类基因组基因数目的预测上获得了与目前的实验事实相当吻合的结果，在国际上获得普遍认可。
农作物新品种培育技术
最近几年，农业生物技术的发展对农业产业结构调整产生的巨大影响，已引起各国政府和科学家的高度重视。农业生物技术领域研究中最活跃的是育种技术——应用现代分子生物学和细胞生物学技术进行品种改良，创造更加适合人类需要的新物种，获得高产、优质、抗病虫害新品种。这使得新品种层出不穷，品种在农业增产中的贡献率将由现在的30％提高到50％。国际水稻研究所已经培育出每公顷7500公斤的超级水稻，非洲培育出增产10倍的超级木薯。
我国该领域的基础研究和高技术研究取得了一批创新成果：如植物转基因技术、细胞培育技术、籼稻的全基因组测序、花粉管通道转基因方法等，使研制具有自主知识产权的转基因农作物新品种成为现实和可能。目前，已培育出亩产达到807.4公斤的超级杂交稻；2004年转基因抗虫棉的种植面积已占全国棉花种植面积的50％左右；利用细胞工程技术培育的抗白粉病、赤霉病和黄矮病等小麦新品种已累计推广1100多万亩；植物组织培养和快繁脱毒技术在马铃薯、甘蔗、花卉生产中发挥了重要的作用。
专家认为，我国农作物新品种培育的研发基础较好，整体科研技术与国外处于同等水平，只要充分利用资源，发挥优势，很可能在该领域取得突破。
纳米材料与纳米技术
纳米科技是上世纪末才逐步发展起来的新兴科学领域，它的迅猛发展将在21世纪促使几乎所有工业领域产生一场革命性的变化。纳米材料是未来社会发展极为重要的物质基础，许多科技新领域的突破迫切需要纳米材料和纳米科技支撑，传统产业的技术提升也急需纳米材料和技术的支持。
近年来，科技强国在该领域均取得了相当重要的进展。
在纳米材料的制备与合成方面，美国科学家利用超高密度晶格和电路制作的新方法，获得直径8nm、线宽16nm的铂纳米线；法国科学家利用粉末冶金制成了具有完美弹塑性的纯纳米晶体铜，实现了对纳米结构生长过程中的形状、尺寸、生长模式和排序的原位、实时监测；德国科学家巧妙地利用交流电介电泳技术，将金属与半导体单壁碳纳米管成功分离；日本用单层碳纳米管与有机熔盐制成高度导电的聚合物纳米管复合材料。
在纳米生物医学器件方面，科学家用特定的蛋白质或化合物取代用硅纳米线制成场效应晶体管的栅极用以诊断前列腺癌、直肠癌等疾病，成百倍地提高了诊断的灵敏度。另外，纳米技术在医学应用、纳米电子学、纳米加工、纳米器件等方面也有新进展。与此同时，国外大企业纷纷介入，推动了纳米技术产业化的进程。
当前纳米材料研究的趋势是，由随机合成过渡到可控合成；由纳米单元的制备，通过集成和组装制备具有纳米结构的宏观试样；由性能的随机探索发展到按照应用的需要制备具有特殊性能的纳米材料。
纳米材料和技术很可能在以下四个领域的应用上有所突破：一是IT产业（芯片、网络通讯和纳米器件）；二是在生物医药领域应用纳米生物传感的早期诊断和治疗，到2010年将给人类带来新的福音；三是在显示和照明领域的应用已有新的进展，纳米光纤、纳米微电极等已产生极大影响；四是纳米材料技术与生物技术相结合，在基因修复和标记各种蛋白酶等方面蕴育新的突破，预计2010年纳米技术对国际GDP的贡献将超过2万亿美元。
我国纳米材料研究起步较早，基础较好，整体科研水平与先进国家相比处于同等水平，部分技术落后5年左右。目前有300多个从事纳米材料基础研究和应用的研究单位，并在纳米材料研究上取得了一批重要成果，引起了国际上的广泛关注。据英国有关权威机构提供的调查显示，我国纳米专利申请件数排名世界第三位。
国内目前已建成100多条纳米材料生产线，产品质量大都达到或接近国际水平。与发达国家相比，我国的差距一是在纳米材料制备与合成方面尚处于粗放阶段，缺乏应用目标的牵引，集成不够；二是纳米材料计量、测量和表征技术明显落后于国外，对标准试样和标准方法的建立重视不够，对表征手段的建立投资不足；三是纳米材料的基础研究、应用研究和开发研究出现脱节，纳米材料研究缺乏针对性；四是学科交叉、技术集成不够。
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信息技术正在发生结构性变革
目前，信息技术正在发生结构性的变革，在信息器件向高速化、微型化、一体化和网络化发展的同时，软件和信息服务成为发展重点。大规模集成电路正快速向系统芯片发展；移动通信技术正在向第三代、第四展，将提供更优质、更快速、更安全的服务，并带来巨大的经济利益；电信网、计算机网和有线电视网三网融合趋势进一步加快，无线网络成为世界关注的重点；全球化的信息网络将像电力、电话一样为社会公众提供各种信息服务，越来越深刻地改变着人们的学习、工作和生活方式，也将对产业结构调整产生重大影响。
微电子技术、计算机技术、软件技术、通信技术、网络技术等领域的发展方兴未艾，极有可能引发新一轮产业革命。
大显神通的新材料
高性能结构材料是具有高比强度、高比刚度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损的材料，对支撑交通运输、能源动力、电子信息、航空航天以及国家重大工程起着关键性作用。
新型功能材料是一大类具有特殊电、磁、光、声、热、力、化学以及生物功能的材料，是信息技术、生物技术、能源技术和国防建设的重要基础材料。当前国际上功能材料及其应用技术正面临新的突破，诸如信息功能材料、超导材料、生物医用材料、能源材料、生态环境材料及其材料的分子、原子设计正处于日新月异的发展之中。
