首页 · 新闻 · 媒体川大 · 正文

媒体川大

中字号

【上海科技报】攻克难题 “中国造”生物材料正在引领世界——访四川大学国家生物医学材料工程技术研究中心主任王云兵教授

发布时间 :2021年10月29日 来源 :上海科技报 编辑 :马一玲

生物材料是材料领域的一个应用分支。材料可以分为金属材料、无机材料、高分子材料、复合材料等。它们可以应用到航天航空领域,也可用于化工、机械等领域,当被用于健康产业时,它们就转换了身份,变成了生物材料。生物材料也是高度学科交叉的科研领域,其背后有生物学、化学、工程学、机械制造、电子学、信息学等大量学科的助力。

在我们把目光投到集成电路、人工智能等前沿产业的时候,中国的生物材料产业正在悄然崛起。今天,中国生物材料部分领域已经从“跟跑”或“并跑”转向“领跑”,迈入了世界舞台的中央。在组织诱导性生物材料、人源化胶原蛋白等领域,中国已经处于国际领先地位。2016年,我国生物材料领域的领航人张兴栋院士成功当选了国际生物材料科学与工程学会联合会的主席。

近年来,中国生物材料产业发展迅猛。根据统计,2020年中国以生物材料及终端制品为代表的各种医疗器械产品产值已接近8000亿元人民币,2023年预计产值将超过万亿。

日前,由中国生物材料学会主办,上海大学和华东理工大学承办、上海张江(集团)有限公司协办的2021年中国生物材料大会在上海举行。记者专访了国家生物医学材料工程技术研究中心主任王云兵教授,他向记者介绍了中国生物材料领域的一些颠覆性突破。

可预防骨癌复发的纳米羟基磷灰石

恶性骨肿瘤也有人称为“骨癌”,一般而言,恶性骨肿瘤又可分为原发性骨肿瘤,继发性骨肿瘤与转移性骨肿瘤三种。原发性骨肿瘤指由局部组织长出的恶性瘤,原发恶性骨肿瘤以骨肉瘤、软骨肉瘤、纤维肉瘤为多见。在过去的治疗中,选择截肢的比较多,但是一些恶性程度较高的肿瘤即使截肢,也难免发生转移。

羟基磷灰石是脊椎动物骨骼和牙齿的主要组成成分,具有良好的生物活性和生物相容性。科学家们发现,相对于传统的金属(不锈钢、钛合金)和陶瓷(氧化铝、氮化硅)类骨替代材料,羟基磷灰石不仅抗腐蚀性强、骨诱导生成性强,而且它在体内的降解也消除了前者的安全隐患。

在张兴栋院士带领下,国家中心突破生物材料不具备药物治疗功能的传统观念,又发现了纳米羟基磷灰石的神奇功能,它们可选择性增殖或凋亡细胞,可以用于恶性骨肿瘤切除后骨缺损腔填充,根据术后近三年临床随访数据,80%术后填充纳米羟基磷灰石的恶性骨肿瘤患者未复发。

此外,随着人口老龄化,骨质疏松已成为老年人健康的主要疾患。我国60岁以上人口中患骨质疏松者已近1 亿人,因骨质疏松导致骨折的患者年近900万人。但迄今全球尚未发现有效的防治方法。国家中心于国际率先发现一定组成和尺度的纳米生物材料可以促进成骨细胞增殖并上调成骨基因表达,用于局部骨质疏松治疗的试验疗效良好,开启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复的人源化胶原蛋白

胶原蛋白也称胶原,是人体最重要的结构蛋白,是人体组织器官的主要组成成分,也是哺乳动物体内含量最多、分布最广的功能性蛋白。迄今为止,研究人员共发现近30种类型的胶原蛋白,按照发现的序号命名,常见的有I型、II型、III型等。

王云兵举例说,比如III型胶原蛋白和肌肤的鲜嫩有关系,儿童肌肤特别嫩滑饱满,其原因是III型胶原蛋白分泌量很多,而老年人皮肤衰老,是因为体内III型胶原蛋白随时间推移的不断流失和再生能力的不断减弱。

过去,很多企业会生产一些动物胶原,其有很好的止血作用等,但动物胶原产品一般是各种类型胶原的混合提取物,难以满足精准类别胶原蛋白的市场需求。此外,这些动物胶原提取物对于人体而言,有时候有可能会存在产生一些免疫排斥反应的不良影响。

王云兵告诉记者,通过十多年的努力,复旦大学、四川大学、中科院生物物理所和山西锦波生物医药股份有限公司携手努力,在世界上首次开发出人源化胶原蛋白这种全新的生物材料,其氨基酸序列的重复单元与人类自身胶原蛋白氨基酸序列特定功能区100%相同。值得一提的是过去胶原被认为是一种止血材料,因为它极易引起血液凝固,在血管内部会引发血栓,中国科学家们成功地通过定制化设计人源化胶原蛋白,使其从普遍认为的促凝血材料变为极其优异的抗凝血材料,使得胶原蛋白的特性实现了神奇的逆转,它们从“拥堵制造者”化身为“自我修复专家”。

这些人源化胶原蛋白的使用领域非常广泛。在美容方面,如果中老年人补充一些人源化III型胶原蛋白,有望达到非常好的修复再生效果。近年来,科学家们又开拓了其它的使用领域。比如在妇科治疗中,其可以高质量地修复子宫内膜损伤;又比如,目前临床医生们使用药物涂层血管支架用于冠心病治疗,虽然治疗效果好,但药物的存在有可能会引发内皮愈合不良,而今国家中心的科学家们用人源化胶原涂层支架取代药物涂层支架,可以获得非常好的内皮再生功能,促进血管的良好修复,有望成为国际领先的下一代血管支架产品。

有望消除儿童先天性心脏病的治疗隐患

在中国,每年会诞生20万左右的先天性心脏病患儿。很多先天性心脏病患者的患病原因是出生后心脏自动关闭的通道未能闭合。这是一种出生缺陷,婴儿出生前在母体内,母亲的脐带血会将带氧气的血液源源不断地传递到胎儿体内。此时,胎儿心脏内各大心室是连通的,可以为胎儿提供充足的营养物质。但当先天性心脏病患儿离开母体,脐带被剪断后,他们心脏内部的心室之间无法实现彻底关闭,会导致有氧气的血液和没有氧气的血液混合在一起,流入心脏各个心室,这种缺损严重影响幼儿的正常生活。

先心病只能通过手术才能根治。传统治疗是通过开胸手术,医生进行外科手术矫正或用补片进行修补。上世纪90年代,一项开创性的微创手术诞生了,医生们将一个由镍钛合金丝材编制定型而成的封堵器经股动脉送入心脏进行封堵治疗。30分钟内就可以完成一台心脏修补手术。由于先心病患者多为婴幼儿,随着年龄增长,心肌组织也会逐渐增厚,而植入人体的金属封堵器的固定尺寸可能会带来远期风险,如心脏传导阻滞等。今天,这一世界级难题基本上已经被中国科学家攻克。王云兵告诉记者,国家生物医学材料工程技术研究中心和上海形状记忆合金材料有限公司、国家心血管病中心通力合作,历经近10年的不懈努力,共同研发出了一种医用高分子材料制备的完全可降解心脏封堵器产品,可以在完成心脏缺损的修补功能后逐步降解并被人体组织安全吸收。这种创新型的完全可降解封堵器的降解周期是以人体组织修复周期设计而成,封堵器如同一座桥梁帮助自体组织攀爬修复,在前6个月成功完成封堵功能,然后开始逐步降解,一年后实现“介入无植入,植入无残留”的健康理念,还给孩子一颗健康柔软的心脏,让先心病患儿和正常孩子一样健康成长。

王云兵透露,目前由该技术开发的产品已经在国家药监局进入注册申报阶段,上市后有望为先天性心脏病患者带来更加优质的治疗方案。

心衰治疗取得了前所未有的突破

心力衰竭简称心衰,是多种心血管疾病发展的终末状态,心衰患者心肌持续损伤,左心室不断扩张,最终会导致心源性死亡。严重的心衰患者,在临床上往往需要心脏移植手术才能治疗,风险极高。中国已成为世界上心衰患者最多的国家,目前心衰患者数量已经超过1000万,严重心衰患者已突破300万,缺乏对心衰的有效治疗已成为医学界的主要困扰之一。

在该领域的研究中,中国科学家已经实现关键性的突破。王云兵介绍说,国家生物医学材料工程技术研究中心和杭州德柯医疗科技有限公司、西安西京医院通力合作研发了一系列新型生物材料,运用经导管微创介入的方法将其植入到患者心脏内部,获得了非常好的治疗效果。这类材料的生物相容性极佳,不仅具有良好的修复作用,还能潜在地改善心脏内部的微环境,促进心脏功能的长期有效恢复。他还举例说,今年开始的临床试验中首位病例是一位农民患者,患病后基本上需长期卧床,该患者今年3月在西安的西京医院进行仅40分钟左右的微创手术,术后症状即刻大幅减轻,仅仅一周之内就出院,1个月后心脏功能显著改善。据患者本人介绍,他现在每次去医院复查后,都会像普通游客一样在西安城内四处观光旅游,基本回到了正常生活。