而未來，隨著自動(dòng)化、人工智能等技術(shù)發(fā)展，更具生物相容性、更適應(yīng)個(gè)體差異、更智能化的新材料，將持續(xù)推動(dòng)生物醫(yī)藥、醫(yī)療器械、腦機(jī)接口、再生醫(yī)學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)步。

這其中，哪些是最值得關(guān)注的生物材料?

7月26日，首屆西湖未來論壇在杭州城西科創(chuàng)大走廊開幕。西湖大學(xué)未來產(chǎn)業(yè)研究中心發(fā)布了《最值得關(guān)注的十大生物健康材料》，具體包括：水凝膠、抗微生物材料、脂質(zhì)納米粒、外泌體、生物墨水、可編程生物材料、蛋白質(zhì)材料、自愈合材料、生物電子材料，以及可持續(xù)生物材料。

據(jù)悉，西湖大學(xué)未來產(chǎn)業(yè)研究中心和美國化學(xué)文摘社合作，通過大數(shù)據(jù)和人工智能，分析近20年關(guān)于生物材料的數(shù)十萬篇文獻(xiàn)、專利，結(jié)合西湖大學(xué)前沿科學(xué)家的洞見，篩選出最有發(fā)展?jié)摿Φ氖笊锊牧?，形成研究?bào)告。在闡述現(xiàn)狀的同時(shí)，對(duì)未來發(fā)展趨勢(shì)給出極具前瞻性的專業(yè)見解。

西湖大學(xué)未來產(chǎn)業(yè)研究中心聯(lián)合學(xué)校近200位科學(xué)家，以顛覆性創(chuàng)新思維推進(jìn)原創(chuàng)性的基礎(chǔ)理論和前沿技術(shù)突破，希望能從源頭上為培育未來產(chǎn)業(yè)提供支撐。而前沿生物與材料技術(shù)，也是浙江省和杭州市當(dāng)前布局未來產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)方向。

開幕式當(dāng)天，西湖大學(xué)和美國化學(xué)會(huì)出版部簽署為期3年的《美國化學(xué)會(huì)出版部、西湖大學(xué)關(guān)于聯(lián)合推動(dòng)化學(xué)及相關(guān)物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域科學(xué)事業(yè)發(fā)展的諒解備忘錄》，以共同推動(dòng)科技事業(yè)發(fā)展，培養(yǎng)下一代科學(xué)家。

為在合成生物學(xué)與生物制造這一顛覆性技術(shù)領(lǐng)域,打造致力于基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的國際制高點(diǎn)，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所所長馬延和，中國科學(xué)院院士、西湖大學(xué)校長施一公，德國國家工程院院士曾安平共同為國家合成生物技術(shù)創(chuàng)新中心杭州研發(fā)基地揭牌。

生物高分子材料一馬當(dāng)先

根據(jù)生物材料種類來看，主要有金屬材料、陶瓷材料、高分子材料、生物活體組織等。隨著生物材料研究的不斷加深以及相關(guān)技術(shù)逐漸成熟，生物高分子材料目前是生物材料市場(chǎng)最主流的材料，占比高達(dá)49%，其次是金屬材料，市場(chǎng)份額為25%。

01水凝膠

能做隱形眼鏡也能加快傷口愈合

水凝膠是由三維聚合物網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的柔性親水材料，能吸收和保持大量水分。它具有親水性和多孔性，呈交聯(lián)結(jié)構(gòu)，具有無限的分子量，且不溶于水。

自前，水凝膠具備可定制的物理和化學(xué)特性,在隱形眼鏡、衛(wèi)生用品和組織工程等多種場(chǎng)景中都有著廣泛的應(yīng)用。

未來，什些特殊制的水凝膠，還可作為藥物或活性生物分子的刺激響應(yīng)型載體，發(fā)揮保護(hù)傷口，甚至加速傷口愈合的功能。

02抗微生物材料

克服耐藥性用作靶向載體

抗微生物材料，是可指用于消滅真菌、病毒、寄生蟲等微生物的材料。納米材料獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，使其成為這一領(lǐng)域最重要的材料。

目前，納米顆粒已被成功地用作針對(duì)細(xì)菌、真菌、病毒和寄生蟲的藥物靶向載體，是較為成熟的抗微生物材料。而科學(xué)文獻(xiàn)發(fā)表的趨勢(shì)顯示，納米纖維、納米棒、納米酶和納米線有望在未來大放異彩。

03脂質(zhì)納米粒

高效遞送藥物

脂質(zhì)納米粒(LNP) 是一種由脂質(zhì)雙層膜包圍的納米顆粒，主要用于藥物遞送，能夠?qū)⒏鞣N小分子化合物和復(fù)雜生物物質(zhì)遞送到人體細(xì)胞內(nèi)。

新冠期間，mRNA疫苗的成功,就有賴于脂質(zhì)納米粒的遞送功能。未來，脂質(zhì)納米粒還有望更為廣泛地用于創(chuàng)傷愈合、疾病診斷、人工細(xì)胞模型等領(lǐng)域。

04外泌體

促進(jìn)細(xì)胞間通訊

外泌體是由脂質(zhì)雙層包裹的納米級(jí)(直徑30-150納米）細(xì)胞外囊泡。外泌體固有的穩(wěn)定性、低免疫原性、生物相容性和良好的生物膜穿透性使其成為高效藥物遞送的優(yōu)質(zhì)天然納米載體。

05生物墨水

3D打印器官的神奇助手

生物墨水是指用于3D生物打印的天然或合成材料，主要以負(fù)載細(xì)胞的水凝膠形式存在。由生物墨水制成的三維支架，可以為細(xì)胞提供三維培養(yǎng)環(huán)境，持久保持人類細(xì)胞的多種生理和功能表型。

使用生物墨水進(jìn)行3D生物打印，有望制造出免疫排異反應(yīng)最小的人造生物器官。

06可編程生物材料

4D打印的智能材料

可編程生物材料是一種可以響應(yīng)外部刺激或環(huán)境變化，而改變其性質(zhì)和形狀的動(dòng)態(tài)生物材料。自前，使用最為廣泛的可編程生物材料是形狀記憶聚合物，可單向或雙向地在酸堿度、磁場(chǎng)、光照和溫度發(fā)生改變時(shí).改變自身形狀。

未來，可編程生物材料一個(gè)可能發(fā)展方向是4D打印材料，能夠不斷發(fā)生外形或結(jié)構(gòu)的變化來應(yīng)對(duì)外界環(huán)境的變化與需求。

07蛋白質(zhì)材料

修復(fù)傷口、遞送藥物、生物傳感器

蛋白質(zhì)材料是指由氨基酸組成的天然聚合物，大多具有優(yōu)秀的生物相容性、生物可吸收性和可生物降解性，包括明膠、多肽、膠原蛋白、細(xì)胞外基質(zhì)蛋白等類型。

值得一提的是，從天然絲綢中提取的絲蛋白近年來廣受關(guān)注，被認(rèn)為在組織支架、涂層材料、植入物、傷口敷料、藥物遞送、生物傳感器等領(lǐng)域有著光明的應(yīng)用前景。

08自愈合材料

開發(fā)電子皮膚的理想候選材料

自愈合材料是指能夠修復(fù)由長期機(jī)械磨損的材料，可有效地增加器材使用壽命，降低設(shè)備的維護(hù)和更替頻率，進(jìn)而提升醫(yī)療植入物和生物傳感器的耐用性。動(dòng)態(tài)聚合物是目前使用最為廣泛的自愈合材料，在促進(jìn)傷口愈合、藥物遞送、生物成像等領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)。

未來，自愈合材料還有望被用于開發(fā)成為電子皮膚，模仿天然皮膚特性，并進(jìn)一步用于下一代可穿戴設(shè)備和假肢的開發(fā)。

09生物電子材料

數(shù)字化生物信號(hào)

生物電子材料是指可植入到生物體中的設(shè)備或植入物材料，在市場(chǎng)上有著迫切的需求。水凝膠、碳基材料、納米材料、半導(dǎo)體和聚合物薄膜是學(xué)術(shù)界目前最為關(guān)注的生物電子材料方向。

未來，納米半導(dǎo)體和導(dǎo)電聚合物有望取代傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料，成為生物電子材料的主流，開發(fā)出可注射生物電子設(shè)備等一系列全新的應(yīng)用。

10可持續(xù)生物材料

更環(huán)保、資源更可持續(xù)的新型材料

可持續(xù)生物材料或是通過生物過程產(chǎn)生，或是從可再生資源中提取，又或是同時(shí)通過這兩種方法獲取。它有望成為一次性口罩、手套、防護(hù)服和各類實(shí)驗(yàn)室耗材的原材料替伐品，進(jìn)而減少"白色污染”。

藻酸鹽、殼聚糖、生物纖維素等物質(zhì)，都在近期廣受關(guān)注。假以時(shí)日，可持續(xù)生物材料將取得可持續(xù)性和可負(fù)擔(dān)性之間的平衡，進(jìn)而獲得快速、大規(guī)模的推廣，幫助全球應(yīng)對(duì)塑料廢棄物帶來的挑戰(zhàn)。

2026年全球生物醫(yī)用材料及其制品行業(yè)銷售規(guī)模將在5571億美元左右

生物醫(yī)用材料涉及億萬人的健康，是保障人類健康的必需品。生物醫(yī)用材料的應(yīng)用不僅挽救了數(shù)以千萬計(jì)人的生命，使疾病得以早期發(fā)現(xiàn)和有效治療，并顯著降低了重大疾病的死亡率，同時(shí)，它對(duì)于改善人們的健康狀況和提高生活質(zhì)量，具有重要的民用價(jià)值和社會(huì)意義。與此同時(shí)，生物醫(yī)用材料的應(yīng)用將引起外科領(lǐng)域中組織、器官缺損和功能障礙傳統(tǒng)治療方法和模式的變革，大幅度降低醫(yī)療費(fèi)用，增強(qiáng)對(duì)其它相關(guān)行業(yè)的影響和滲透，將成為材料學(xué)、生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)等學(xué)科的強(qiáng)大發(fā)展動(dòng)力，具有重要的行業(yè)意義并將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。前瞻根據(jù)近年來全球生物醫(yī)用材料及其制品行業(yè)的發(fā)展變化預(yù)測(cè)出2026年全球生物醫(yī)用材料及其制品行業(yè)銷售規(guī)模將在5571億美元左右。

未來生物材料的發(fā)展趨勢(shì)包括生物可降解材料的研發(fā)、多功能生物材料的研發(fā)和納米技術(shù)的應(yīng)用等。生物材料的不斷發(fā)展將會(huì)為醫(yī)學(xué)帶來更多的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，也將會(huì)為人類健康的未來提供更多的希望和可能。

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