前沿丨生物醫用高分子

生物醫用高分子

生物

醫用

高分子

泛指一切應用於診斷、治療和器官修復與再生等生物醫學領域的高分子材料，其應用有助於延長患者壽命、改善人體健康、提高人類生活質量。它是高分子科學的重要組成部分，是與材料、電子、機械、生物和醫學等多學科高度交叉的研究領域。經過近百年的發展，生物醫用高分子及其器件已成為現代醫學各種診斷和治療技術的基本輔助工具和材料，在現代醫學中有著不可替代的作用，並不斷推動各種創新性醫療技術的出現和發展。進入21世紀，隨著社會文明的進步、生活環境的改善以及醫療技術的提高，人類的壽命在不斷地延長，這使得人們更加關注疾病診斷和治療技術的發展和臨床應用。因此，生物醫用高分子基礎科學和產業化技術的發展必將發揮日益重要的作用。

生物醫用高分子歷史和研究概述

簡要介紹了生物醫用高分子的發展歷史，並著重介紹了生物醫用高分子的結構、分類、改性及應用等，並對生物醫用高分子的研究和應用進行了展望。

可吸收植入器械

植入器械是目前獲得廣泛臨床應用的生物醫用高分子產品，也是目前發展最快的臨床醫療產品之一。據統計，2015年世界市場已達3000餘億美元，2020年可達6000餘億美元，複合年均增長率高達22%以上。然而，遺憾的是，我國植入性醫療器械企業雖數量眾多，但都普遍規模偏小，高端產品主要依賴進口。本章主要介紹了可吸收植入器械產品在骨科領域、心血管領域、口腔科領域、皮膚科領域和術中常用醫用耗材領域中應用和發展現狀。可以看出，隨著我國植入性醫療器械企業不斷整合創新，不斷取得新的技術突破，植入性醫療器械的國產化能力將持續加強，並日趨成為高端醫療器械領域內重要的突破口。未來，我國植入性醫療器械行業將有望引領高端醫療器械領域國產化浪潮。

組織工程支架材料

組織工程是材料學、工程學和生命科學共同發展並相互融合的產物，是在正確認識哺乳動物的正常及病理兩種狀態下結構與功能關係的基礎上，研究開發用於修復、維護、促進體內各種組織或器官損傷後的功能和形態的生物替代物的科學。本章首先系統介紹了骨、軟骨、神經、血管、臟器、角膜和皮膚等組織、器官的基本特徵，並提出修復和再生這些組織、器官各自所需的支架特性和要求；進一步闡明了如何通過調控材料結構和組成以及選擇搭載藥物或細胞，實現理想的組織修復或再生。

生物可降解水凝膠

高分子水凝膠是一種由親水性的聚合物通過物理或者化學相互作用形成的交聯網狀結構，因其含水量很大、具有一定的力學強度和多孔的性質以及與天然的細胞外基質（ECM）相類似的結構，已被廣泛應用於藥物緩控釋和組織工程。本章系統介紹了溫敏性水凝膠、化學交聯水凝膠和酶交聯水凝膠的材料結構特點及其在藥物緩控釋和組織工程等領域的研究和應用發展現狀。

抗腫瘤納米藥物載體

化療是癌症治療的三大基本手段之一。然而，化療藥物通常存在水溶性差、靶向性差、以及毒副作用大等諸多問題。因此，如何設計納米藥物載體實現化療藥物的高效擔載和靶向傳輸是獲得安全高效的抗腫瘤藥物給葯體系的關鍵所在。本章首先概述了腫瘤組織的基本特徵和納米藥物載體的優勢，隨後詳細介紹了幾種常見的高分子納米藥物載體類型，進一步重點介紹了被動靶向和主動靶向納米藥物載體的研究現狀和設計理念。

新型緩控釋給葯系統

這裡介紹了兩種新型緩控釋給葯系統——胰島素的口服給葯系統和吸入型肺部給葯系統。

糖尿病是一組以高血糖為特徵的代謝性疾病，是目前嚴重威脅我國居民健康的四大類慢性病之一。據媒體報道，2016年底我國糖尿病患者總人數已達1億，而且還在不斷快速增長；預防和治療的形勢十分嚴峻。外源性胰島素的補充是目前治療糖尿病最有效和最主要的途徑，但現行的給藥方式仍以注射胰島素為主。然而，注射胰島素給藥方式與正常的胰島素葯代動力學過程不同，經皮下或靜脈注射後藥物先經毛細血管、靜脈系統回心臟，再經動脈系統到肝臟代謝及全身各效應細胞發揮作用，這使得胰島素在外周血管滯留時間較長，造成諸多副作用。為了提高胰島素製劑安全性、有效性和可接受性，長久以來，科學工作者一直致力於胰島素非注射給葯途徑的研究。口服是最常見也是最容易被人接受的給藥方式。胰島素通過口服的形式給葯後在肝門靜脈中濃度最高，能夠更好地模擬生理狀態下胰島素的分泌和代謝模式。然而，低的生物利用嚴重製約了口服胰島素給葯開發和應用。本節將為你詳細介紹口服胰島素麵臨的主要障礙和解決方案，並著重介紹了利用高分子材料作為口服胰島素給葯載體的設計策略和研究進展。

肺部給葯系統指能將藥物傳遞到肺部，產生局部或全身治療作用的給葯系統。它在治療肺炎、肺癌、哮喘、急性肺損傷、肺氣腫、肺囊性纖維化、慢性阻塞性肺病等肺部疾病方面有著獨特的優勢，比如，能有效地將藥物運送至肺部，從而減少藥物用量，降低毒副作用；可避免肝臟的首過效應，提高藥物的生物利用度等。據統計，全球肺部給葯系統市場規模在2018年將達4390億美元，因此肺部給葯具有廣闊的市場前景。本節首先介紹了肺部的生理結構、給藥方式和劑型分類，並圍繞如何改善製劑類型以提高肺部沉積率，實現藥物在肺部緩慢釋放，闡述了肺部給葯體系的設計策略和最新研究進展。

高分子基因載體

基因治療是從20世紀70年代發展起來用於預防和治療疾病的具革命性的生物醫學醫療技術，其原理是將人或動物的正常基因或有治療作用的基因物質通過一定方式導入患者靶細胞中以糾正或補償因基因的缺陷和異常引起的疾病，從而達到治療或改善某種疾病的目的。基因治療是伴隨DNA重組技術發展起來的一種新型治療手段，它被認為是醫學和藥學領域的一次革命，有望徹底地治癒由基因缺陷或異常而引起的各種疾病，是當今生物醫學發展重要的里程碑之一，同時也必將對傳統製藥業產生深遠的影響和巨大的衝擊。目前，制約基因治療的主要瓶頸問題在於如何將目的基因運輸到靶細胞，並實現高效的基因轉染。高分子基因載體近年來備受研究者的追捧。相比於其他類載體，陽離子聚合物更加安全有效，易於設計，並且種類繁多，極有潛力成為理想的安全、高效、可控的傳遞載體。本章首先詳細介紹了高分子基因載體的種類及其功能化改性策略，進一步系統總結了高分子基因載體在疾病預防、早期診斷與疾病治療等領域的應用，並對其未來研究和應用的發展方向進行了展望。

醫用高分子材料的表面與界面

生物醫用材料在應用過程中首先面臨的是材料表面與人體組織及體液的相互作用問題，這種相互作用不但決定了材料的生物相容性，還關乎材料能否誘導相關生物學活性，從而實現特定應用中的生物醫用功能。因此，全面了解生物物質與材料之間的相互作用並實現對這些作用的調控對於生物醫用材料的發展至關重要。生物體與材料表面的相互作用主要涉及蛋白質吸附、細胞界面行為以及多糖和核酸等生物大分子的界面反應等，其中前兩者的影響為廣泛。本章首先介紹了蛋白質在高分子材料表面的吸附過程、吸附的影響因素和相關的研究方法，隨後介紹了細胞在材料表面的界面行為及其影響因素，最後重點介紹了如何通過化學或物理的方法對高分子材料表面進行改性修飾，從而實現表面與生物物質之間相互作用的特定調控。

儘管生物醫用高分子材料已在臨床上獲得廣泛的應用，但目前獲得臨床應用的生物醫用高分子仍以不可降解的惰性高分子以及少部分生物可降解高分子為主。而近年來，醫療技術的發展和日益增長的醫療需求，都對生物醫用高分子研究提出了新的要求和挑戰。本書緊密圍繞這些全新的挑戰和要求，全面總結了生物醫用高分子在相關前沿研究領域的發展現狀，並展現了其巨大的發展潛力和市場前景。然而，需要指出的是，這些研究方向還存在一些基礎的科學和產業化技術問題尚待解決，離實際的臨床應用還有一段距離。這需要更多的科研人員精誠合作，共同努力；這也是撰寫本書的初衷所在——意在拋磚引玉，跟同行共勉、互相學習、共同努力。

《生物醫用高分子》出版之際，恰逢中國科學院長春應用化學研究所建所70周年，謹以此書獻給中國科學院長春應用化學研究所建所70周年所慶！

作者簡介

中國科學院張希院士作序

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生物醫用高分子

陳學思  陳紅  著

責任編輯：翁靖一  

北京：科學出版社 2018.09

ISBN：978-7-03-058793-0

生物醫用高分子材料是臨床醫療中廣泛應用的材料之一，是醫療器械和其他醫療用品不可或缺的組成部分。近年來，醫療技術的發展和日益增長的醫療需求，都對生物醫用高分子的研究提出了新的挑戰。本書從簡要介紹生物醫用高分子的發展歷程和應用領域入手，緊密圍繞目前臨床急需的醫療產品方向，總結了近年來生物醫用高分子材料在可吸收植入器械、組織工程支架材料、生物可降解水凝膠、抗腫瘤納米藥物載體、新型緩控釋給葯系統、高分子基因載體、醫用高分子材料的表面與界面等相關領域的研究進展，並對其發展前景進行了展望。全書密切結合本領域前沿研究方向，期望在給讀者介紹本領域研究進展的同時，為本領域研究帶來啟發和思考。

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（本期編輯：安 靜）

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