谁来守护我们的健康
当受伤的病人躺在手术台上，是谁，止血缝合，令枯木逢春，化腐朽为神奇；当残缺的骨骼难以支撑全身，是谁，提供支持，让行走再次成为可能；当坏掉的牙齿刺痛着神经，是谁，填补漏洞，让美食再次成为一种享受；当爱美的女人叹息于松弛的皮肤，是谁，抚平皱纹，让皮肤回到年轻时那般紧致有弹性。是止血材料和手术缝合线，是人工骨，是牙科植入体，是胶原蛋白，他们有一个共同的名字，生物医用材料。我们的身体像是一个做工精良、运转周密的机器，每一个器官都代表这个机器里的一个零件。俗话说，牵一发而动全身。每个零件各司其职，当某一个零件出现问题坏掉了，那么整个机器的运转就会受到影响，大到核心的零件比如大脑、心脏，当他们出了问题，身体这个大机器可能立刻会停止工作；小到一颗颗牙齿，都关系着我们的饮食和营养摄入，当蛀牙侵蚀了他们，那么疼痛随之到来，甚至整个牙齿都会坏掉，既影响吃饭，也不美观。那么，零件出现问题的时候，应该怎么办呢？如果是现实中的机器零件坏了，我们会想，当然是换一个新的了。可是生物体，这个大自然精雕细刻下的杰作，并没有给我们替换装，幸运的是，它给了我们再生修复的能力。小小的伤口自己可以愈合，磕碰的淤青会慢慢消失，这都是人体再生修复能力的体现。但是这种再生修复的能力，随着人类的进化变得越来越局限，大自然给了我们聪明的大脑，却也收走了很多再生的能力。水螅能长生不老，壁虎的尾巴断了还可以再长出来，纵有各代帝王醉心于长生不老丹药，也未见有人突破这一桎梏。既然无法自身再生，聪明的人类想，如果用外在的物质充当原有零件的作用，或者加快缓慢的再生，是否就能使机器运转如常？横跨4000年的远古技术
50年前，生物材料的概念还未出现，更没有生产生物医学材料的厂商，然而实际上，生物医学材料很早就存在着，甚至可以追溯到人类文明以前，只是当时的人们没有给予它“生物医学材料”这个名字，而它也默默地守护着一代又一代的人类，为人类的健康保驾护航。早期的狩猎和随处可见的征伐杀戮都会导致无法避免的身体损伤，生物医用材料成为人类史上不可或缺的必需品。早在3200年前，古埃及人使用棉花纤维、马鬃、亚麻缝线作为手术缝线，对伤口进行处理。而在中世纪的欧洲，有人使用肠线进行伤口的缝合。后来，金属的缝线比如金丝、银丝等也都被用来缝合伤口。3000多年前，中国的华佗，就用丝绸线开展各类简单的外科手术。牙齿的更新换代是困扰人类几千年来的问题。在我们的一生中，有两副牙齿，婴幼儿时期的乳牙，共有二十颗，这部分牙齿长大后会脱落。从6岁开始，到12岁左右，乳牙脱落，长出恒牙，恒牙将陪伴我们一生。很多人不注意牙齿卫生，吃完糖果等甜食不及时刷牙，使牙齿受到损伤，产生蛀牙，就需要补牙甚至拔牙。几千年前，人们所吃的食物远没有现在这般精细的加工，对于牙齿的要求更高，因此牙齿损伤的几率也更高。人们在公元前500年的中国和埃及墓葬中发现了假牙。公元元年前后，罗马和中国等国家开始发展出黄金制作的假牙。公元600年，玛雅人用海里的贝壳制作出具有珠光的牙齿，用来植入人体。同样，肢体的缺损会使远古的人们行动不便，为了克服这个问题，早在公元前1500年，古印度就已经有木制的假肢。紧接着，古埃及也发展出取代原本坏死部位的木制手指假肢。早期，材料的应用还局限在身体表面，身体内部的修复由于麻醉技术的缺失而发展更加缓慢。古代中医使用麻沸散，使病人在手术前免除了原有的痛苦，14世纪，文艺复兴和启蒙运动带来了文化、艺术的爆发，也促进了科学的发展。英国化学家Joseph Priestley在1772年发现吸入一氧化二氮后能使人发笑，取名为笑气。后来，美国牙科医生Horace Wells尝试吸入笑气后，发现对于挫伤失去了痛觉。1845年，麻醉时代正式展开，医学迈入了外科领域，生物医用材料开始被用在人体内部。二战后的“英雄”——外科医生
第二次世界大战后，生物医用材料迎来了快速发展的重要时期。战争时军用的高性能金属、陶瓷和高分子等材料开始纷纷转向民用，原先用于制造飞机和汽车的材料，被外科医生用于医学研究。生物材料的种类和数量有了井喷式发展。特别是二战后各种伤病患者激增，在医疗技术水平和监督管理等方面都极其匮乏的情况下，外科医生成为生物医学材料研发的中坚力量。在很短的时间内，外科医生们尝试了各种新型材料来置换或修复患者的各种组织和器官。虽然这些治疗手段有很大的风险，但由于当时并没有其他治疗方案可供选择，外科医生在当时被称为二战后的“英雄”，为生物材料学科的建立奠定了坚实的基础。在此之前，虽然生物医用材料发展了这么多年，由于当时的人们对于人体的了解还不够详细透彻，当各种各样的材料用在人体上，不可避免地会引起人体对外来物质的排斥和抵抗，即免疫反应。人体的免疫系统有三道防线，就像是保护人体的小卫兵，能有效地及时监测所有外来的微生物与物质，一旦有异物闯入监测范围内，就会引发体内的防御机制。生物医用材料作为一种外来物质，在进入人体后，免疫系统的小卫兵们马上就会聚集而来，将材料包围，随之引发红、肿、热、痛等炎症反应。如此严密防卫的免疫系统，几乎让当时金属类的生物医用材料难以突破。科学家将各种金属、人工材料植入老鼠体内，几乎所有材料均出现明显的免疫排斥，直到用了钛。钛的出现改变了整个植入材料的历史，但是，是否有可能出现人工合成的材料，并且具有人体的功能，甚至在某些程度上可以修复原有的人体组织，替代原先的组织的功能呢？随着人工合成材料的不断的进步，最新的生物医用材料给了我们答案。折射美丽的世界——人工晶体
二战之后，Harold Ridley医生发现，经历了第二次世界大战的飞行员的眼睛里面，竟然有塑料碎片！这些塑料碎片不是有意植入的，而是来自Spitfire和Hurricane战斗机机舱盖上的碎片！原来，飞行员在英勇战斗过程中，爆裂的飞机舱盖碎片进入到眼睛中，并且在战斗结束后并没有取出，大多数飞行员眼中的塑料碎片已经存在有数年之久。当时的普遍观点是，人体不能忍受植入的异物，尤其是脆弱的眼睛。但是，Ridley注意到飞行员眼中的碎片已经与周围融为一体，飞行员没有任何不适，因此他认为眼睛是可以容忍这一类碎片的存在。这种能够在体内稳定愈合的、没有严重的炎症或刺激作用发生的现象叫做“生物相容”。
Ridley进一步调查，发现塑料片的来源是ICI公司Perspex牌的聚甲基丙烯酸甲酯。它在现在俗称有机玻璃，顾名思义，像玻璃一样透明，但不会像碎玻璃一样容易使人受伤。在我们的生活中，有机玻璃随处可见，例如家里的灯具和电视机荧屏等。Ridley马上订购了这种材料，并且做成能够植入人体的透镜（人工晶体）。我们通过眼睛看清这个多彩的世界，眼睛中很重要的部位就是晶状体，它像一个凸透镜一样，晶莹剔透，将远处和近处的景象清晰地折射到我们的眼睛里。晶状体也会生病，因为各种原因使晶状体发生浑浊时，光线无法透过浑浊的晶状体到达视网膜，就会导致看东西很模糊，这就是白内障。Ridley用有机玻璃做成的人工晶体替换那些患有白内障的天然晶体，使白内障病人重新见到清晰而美丽的世界。
20世纪80年代早期，人工晶体成为生物医疗装置市场的主导产品。因为Ridley独特的见解、创新性和坚忍不拔的精神以及他在外科方面的天赋，才有今天工业规模的生产，每年有超过700万个人工晶体植入人体。在人类的历史发展过程中，白内障就意味着失明，即使是通过外科手术治疗，也会使患者戴上厚厚的玻璃眼睛，而生物相容的有机玻璃，守护了成千上万白内障患者的光明。
吃货福利——牙科植入体
牙科植入体的更新换代离不开金属材料的发展。牙齿是人体内最坚硬的器官，我们平时看到的乳白色的牙齿，其实是牙釉质，它是人体内最坚硬的组织，可以经受成百上千年的岁月洗礼和风霜折磨。为了与牙齿的特点相匹配，需要一种坚硬的材料来制作牙科植入体。金属材料具有很高的机械强度，在早期被用于牙科植入体的研究。19世纪，科学家们用金和铂材质的柱状固定件将牙齿固定到牙槽中。1937年，Venable采用手术用的钴铬合金和Co-Cr-Mo合金制作了植入体。哈佛大学的Stock制作了钴铬合金的螺旋型植入体。1952年，瑞典Lund大学矫形外科医生Per Ingvar Branemark将金属钛的圆柱体拧进兔子的骨头内部来观察愈合反应。经过数月的实验完成后，他试图取出钛装置，此时他发现钛植入体已经和骨密切结合在一起了，无法将其分开。这一现象说明，金属钛具有良好的“骨整合性”，即植入体与生物体的骨组织没有阻碍地直接接触，是让免疫系统的小卫兵们放心的材料。随后，金属钛和钛的合金开始广泛应用于外科和牙科，直到现在，大多数的牙科植入体和矫形植入是由钛及其合金制造的，直到现在因为其美观等原因，逐渐被现在的纳米树脂充填材料所取代。行走的力量——人工髋关节
髋关节位于腰部左右位置的髋关节，是连接骨盆与大腿股之间重要的转轴，这也是最容易受到损伤的地方，跟膝盖一样承受着相当程度的活动负担。美国外科医生Smith Petersen 率先挑战人工髋关节这个难题，他在1925年利用玻璃，作为大腿股前缘与盆股髋臼之间衔接的材料；但玻璃易脆的特性，马上就让Petersen遭受到挫折。锲而不舍的Petersen又接连尝试塑胶与不锈钢，但这些硬质材料所导致的磨擦问题，却让患者感受到相当大的痛楚。虽然Petersen接连的挫败，但却也给了后进者一个重要的参考，那就是材料与骨头之间的磨擦问题。两个硬度都在一定程度以上的材料，势必会在运动的过程中互相磨擦，但如果再加上如软骨一样有弹性的软质材料，是否情况就能改善了呢！？
这个结合各材料优点的想法，接着就被英国医生John Charnley所想到。他采用将有机玻璃置入在髋臼的方法，避免让大腿骨前缘的钴铬钼合金材料与盆骨做直接的接触与磨耗；在实际应用下，这方法可以有效避免疼痛。目前人工关节具有有效的替换原有破损关节的作用，基本都可以使用数十年。
人体的支柱——脊柱填充物
脊柱是人体的主要的支持物，维持的人体的直立行走，是身体的支柱，有负重、减震、保护和运动等功能，但也是容易被破坏的地方，青少年的背包，中年的重担，老年的行李，无不例外的压在小小的脊柱之上，一旦椎体破坏，人体全身的结构稳定，都受到了严重的问题，腰酸背痛，手麻脚麻，随之而来，1984年，Gallibert和Deramond等人在人体内注射人工材料，使得原先被压扁破裂的脊柱，恢复了原来的面貌，保护了脊柱的功能，又有微创，第二天就可以下床走路的作用，该人工材料，在体外如同胶水一样，注射进入椎体以后，就变的和骨头一样坚固，操作简单，患者痛苦少。那么当椎间盘也出现问题了呢，椎间盘是椎体骨之前的垫片，是一种软的，具有弹性的物质，是人体运动中的主要的缓冲物，生物材料出现之前，人们就简单的把二个椎体融合在一起，但是椎体的融合就容易出现行动不便等问题，现在人工椎间盘的出现，解决了这个问题，当椎间盘出现问题时，将原来的椎间盘取出，人工椎间盘的植入，可能很大程度上替代原有椎间盘的作用，又保留了原来椎体的功能。当代人类的健康卫士
生物医用材料是医疗健康产业的物质基础，引导着当代医疗技术和健康事业的革新和发展，是当代人类的健康卫士。传统的外科手术，只能小范围内修补破损组织，当有大范围的破损的时候，只能取患者自己身上组织替换，比如大面积皮肤缺损，往往取患者腿部、股部皮肤替换，大面积骨头缺损，往往取骨盆上的骨头替换，这个就导致了，患者痛苦不堪，并且来源有限，取的部位也有限，生物医用材料的出现改变了这个问题，植入材料的简单、方便的获取，使得患者的减少了痛苦，得到了更好的治疗。同时大量高端生物医用材料和医疗器械的开发显著降低了心脑血管、肿瘤、创伤等疾病的致死率和致残率，大大提高了患者的生活质量。例如，白内障在过去就意味着失明，而借助有机玻璃制成的人工晶状体便可迅速恢复人眼的功能；人工关节及关节置换使得数以千万计的患者恢复了运动功能；血管支架、封堵器等介入性治疗材料和器械的使用将心血管疾病的死亡率降低了60%以上；心脏瓣膜的出现，使得之前无法救治的心病，变为可能。透过材料与细胞的结合应用，除了让生物医学材料能有效修补损伤的组织外，更也能从中达到功能重建的目的，甚至有可能完全替代原有的组织（图1），如；人工心脏，人工肝脏。在组织工程的协助之下，生物医学材料几乎能更有希望实现所有可能的应用。未来，我们期待着这位健康卫士，能够实现我们梦想中的所有可能。
图1 几种典型的生物医用材料及植入医疗器械
[1] Ratner B D, Hoffman A S, Schoen F J, et al. BiomaterialsScience: An Introduction to Materials in Medicine, Second Edition[M]. ElsevierAcademic Press, 2004.[2] 崔福斋, 冯庆玲. 生物材料学.第2版[M]. 清华大学出版社, 2004.[3] J. Zhu, G. Jiang, Z. Qiu, J. Lu, F. Shen, andF.-Z. Cui, Journal of Biomaterials andTissue Engineering, 2018.[4] J. Zhu, K. Zhang, K. Luo, Z. Qiu, S. Yang, F.Z.Cui, X. Weng, and G. Jiang, Spine,2018.
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内容简介
我国高新技术产业发展面临的“卡脖子”问题，很多就卡在材料方面。新材料产业是制造强国的基础，是高新技术产业发展的基石和先导。为了普及材料知识，吸引青少年投身于材料研究，促使我国关键材料“卡脖子”问题尽快解决，中国材料研究学会特意组织了一批院士和材料专家，甄选部分对我国发展至关重要的前沿新材料进行介绍。《走近前沿新材料（1）/前沿科学普及丛书·新材料科普丛书》涵盖了20种新的前沿新材料领域新名词，主要包括信息仿生材料、纳米材料、医用材料、能源材料。所选内容既有我国已经取得的一批性技术成果，也努力将前沿材料、先进材料优势的智力资源不断引入国内，助力推动我国材料研究和产业快速发展。每一种材料的科普内容独立成文，深入浅出地阐释了新材料的源起、范畴、定义和应用领域，并配有引人入胜的小故事和原创图片，让广大读者特别是中小学生更好地学习和了解前沿新材料。
目 录
200岁的“热电少年”——探秘热电材料的前世今生（点击链接）
超材料——真的能让你来无影去无踪吗？（点击链接）
当代“鲁班”的故事——揭秘道法自然的仿生材料（点击链接）
常温液态金属——自然界精灵般的材料（点击链接）
芯片材料——信息时代强有力的“心”（点击链接）
微纳机器人——于细微处见神奇（点击链接）
操纵光子的神奇材料——光子晶体（点击链接）
透明胶带中诞生的诺贝尔奖——奇妙的二维材料（点击链接）
纳米世界的碳材料——碳纳米管（点击链接）
石墨烯的“前世今生”（点击链接）从活字印刷到纳米印刷(点击链接)从哈利·波特的“复活石”到机体修复的再生医学材料(点击链接)
救死扶伤的神奇玻璃一生物活性玻璃(点击链接)
人类的健康卫士——生物医用材料
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合金材料界“新秀”——高熵合金（点击链接）
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