生物醫用材料現狀和發展趨勢

　　一、生物醫用材料概述

　　生物醫用材料(BiomedicalMaterials)，又稱生物材料(Biomaterials)，是用于診斷、治療、修復或替換人體組織或器官或增進其功能的一類高技術新材料，可以是天然的，也可以是合成的，或是它們的復合。生物醫用材料不是藥物，其作用不必通過藥理學、免疫學或代謝手段實現，為藥物所不能替代，是保障人類健康的必需品，但可與之結合，促進其功能的實現。按國際慣例，其管理劃屬醫療器械范疇，所占醫療器械市場份額>40%。

　　生物醫用材料的研究與開發必須有明確的應用目標，即使化學組成相同的材料，其應用目的不同，不僅結構和性質要求不同，制造工藝也不同。因此，生物醫用材料科學與工程總是與其終端應用制品(一般指醫用植入體)密不可分，通常談及生物醫用材料，既指材料自身，也包括醫用植入器械。

　　按材料的組成和結構，生物醫用材料可分為醫用金屬、醫用高分子、生物陶瓷、醫用復合材料、生物衍生材料等。按臨床用途，可分為骨科材料，心腦血管系統修復材料，皮膚掩膜、醫用導管、組織粘合劑、血液凈化及吸附等醫用耗材，軟組織修復及整形外科材料，牙科修復材料，植入式微電子有源器械，生物傳感器、生物及細胞芯片以及分子影像劑等臨床診斷材料，藥物控釋載體及系統等。

　　盡管現代意義上的生物醫用材料僅起源于上世紀40年代中期，產業形成在上世紀80年代，但是由于臨床的巨大需求和科學技術進步的驅動，卻取得了巨大的成功。其應用不僅挽救了數以千萬計危重病人的生命，顯著降低了心血管病、癌癥、創傷等重大疾病的死亡率，而且極大地提高了人類的健康水平和生命質量。同時其發展對當代醫療技術的革新和醫療衛生系統的改革正在發揮引導作用，并顯著降低了醫療費用，是解決當前看病難、看病貴及建設和諧穩定的小康社會的重要物質基礎。

　　伴隨著臨床應用的巨大成功，一個高技術生物醫學材料產業已經形成，且是一個典型的低原材料消耗、低能耗、低環境污染(一個售價5000余元的藥物洗脫冠脈支架，其不銹鋼用量僅≈100mg，全球不銹鋼用量不超過1噸)、高技術附加值(知識成本可達總成本的50-70%)的新興產業，近十余年來以高達 20%以上的年增長率持續增長，即使近年國際金融危機導致世界經濟衰退，2009年美國醫療器械產業仍保持7%的年增長率，表明其發展受外部環境影響很小，對國家經濟及安全具有重大意義，是世界經濟中最具生氣的朝陽產業。

　　生物醫用材料是當代科學技術中涉及學科最為廣泛的多學科交叉領域，涉及材料、生物和醫學等相關學科，是現代醫學兩大支柱—生物技術和生物醫學工程的重要基礎。由于當代材料科學與技術、細胞生物學和分子生物學的進展，在分子水平上深化了材料與機體間相互作用的認識，加之現代醫學的進展和臨床巨大需求的驅動，當代生物材料科學與產業正在發生革命性的變革，并已處于實現意義重大的突破的邊緣─再生人體組織，進一步，整個人體器官，打開無生命的材料轉變為有生命的組織的大門。在我國常規高技術生物醫用材料市場基本上為外商壟斷的情況下，抓住生物材料科學與工程正在發生革命性變革的有利時機，前瞻未來 20-30年的世界生物材料科學與產業，刻意提高創新能力，不僅可為振興我國生物材料科學與產業，趕超世界先進水平贏得難得的機遇，且可為人類科學事業的發展做出中國科學家的巨大貢獻。

　　二、國外生物醫用材料產業和技術現狀及發展趨勢

　　1、產業現狀、規模、競爭優勢及發展趨勢

　　隨著人口老齡化、中、青年創傷的增加，高技術的注入，以及人類對自身健康的關注度隨經濟發展提高，生物醫用材料產業高速發展。2000-2010年全球市場復合增長率(CAGR)高達22%以上，2010年全球市場達US20億元，預計2009-2020年市場CAGR可保持15%左右，2015年世界市場可達US50余億元，2020年達US40余億元，與此同時帶動相關產業(不含醫療)新增產值約3倍，2015年和2020年直接和間接銷售總額分別可達4×US50億元≈US200余億元，和US560余億元。與2010年相比，2015和2020可新增工作崗位分別達200余萬個和600余萬個(按美國醫療器械產業每新增1個崗位，將另增1.5個配套產業崗位，2010年全球工作崗位≈250萬個計)(圖1)。同時，它亦是世界貿易中最活躍的領域，年貿易額復合增長率達25%，正在成長為世界經濟的一個支柱性產業。

　　全球最大的醫療器械生產和消費國家是美國，2010年它占全球市場的40%左右，消費全球產品的37%，年增長率約8%;由于經濟發達，社會醫療保障體系健全，歐盟成為全球第二大醫療器械市場，占有全球市場份額的29%;亞太地區是全球第三大市場，占有18%的市場份額，其中日本是亞-太地區醫療技術最先進且發展最快速的國家，是世界第三大醫療器械消費國，我國和印度則最具備成長潛力與空間，因擁有最多的人口，且其醫療保健系統正在發展當中尚未成熟，東南亞國家的醫療保健系統也還有很大的改善空間，因此市場也將持續成長;拉丁美洲是另一個成長最迅速的區域，墨西哥、巴西、阿根廷和智利等國家都逐步向工業化國家發展，預估未來對醫療器械的需求也將會保持較大速度增長。(The value of medical technology companies in a competities environment connections,2011.07.03)。

　　生物醫用材料及植入器械產業是學科交叉最多、知識密集的高技術產業，其發展需要上、下游知識、技術和相關環境的支撐，多數聚集在經濟、技術、人才較集中或臨床資源較豐富的地區，產業高度集聚是發達國家醫用生物醫用材料產業的重要特點。如美國集聚于技術資源豐富的硅谷、128號公路科技園、北卡羅來納研究三角園，以及臨床資源豐富的明尼阿波利斯及克利夫蘭醫學中心等;德國聚集于巴州艾爾格蘭、圖林根州等地區;日本聚集于筑波、神奈川、九州科技園等。

　　產業高度集中(壟斷)，產品多樣或多角化是生物醫用材料產業發展的又一特點和趨勢。

　　2010年世界醫療器械產業由27000個醫療器械公司構成，其中90%以上為中小企業。發達國家的中小企業主要從事新產品、新技術研發，通過向大公司轉讓技術或被大公司兼并維持生存。大規模產品生產及市場運作基本上由大公司進行。不同于我國醫療器械企業“多、小、散”，發達國家醫療器械產業已形成 “寡頭”統治的局面，全球市場也呈現類似的格局。2009年，排名前50位的跨國大公司占有全球醫療器械市場的88%，其中排名前25位的公司占有 75%;2008年6家美、英公司：DePuy，Zimmer，Stryker，Biomet，Medtronic，SynthesMathys和 Smith&Nephew占有全球骨科材料和器械市場的≈75%，其中前4家美國公司和英國Smith&Nephew公司占有人工關節市場的90%;6家大公司：Johnson&Johnson，Abbott，BostonScientific，Medtronic，CRBard(美國)，Terumo(日本)公司占有心腦血管系統修復材料及植(介)入器械市場的80-90%;5家大公司：BaxterInternational(美國)，Fresenius(德國)，Gambro(瑞典)，Terumo和AsahiMedia(日本)占有血液凈化及體外循環系統材料和裝置市場的 80%;牙種植體和牙科材料市場基本上為Straumann(瑞士)，DentsplyInternational(美國)，NobelBiocare(德國)和Osstem(韓國)等大公司所壟斷。為提高市場競爭力，保持優勢，世界醫療器械行業的兼并和整合一直在進行，僅1998-2009期間，美國行業年均兼并收購達200起，行業集中度或壟斷度不斷提高是生物醫用材料產業發展的一個重要趨勢。

　　生物醫用材料產業不同于家電或通訊行業，單一產品的市場容量不大，絕大部分單一產品銷售額小于US0億元。為提升企業市場競爭力，回避風險，發展壯大企業，國外跨國公司已從最初的較單一產品生產，通過企業內部技術創新和并購其它企業，不斷進行產品生產線延伸和擴大，實現多品種生產。例如，2004-2009年美國GE公司相關并購次數達59次;再如成立于1949年的國際第四大醫療器械生產企業美敦力公司，已從最初的心臟起搏器生產發展成為多品類產品生產，產品覆蓋了心律失常、心衰、血管疾病、人工心瓣膜、體外心臟支持系統、微創心臟手術、惡性及非惡性疼痛、運動失調、糖尿病、胃腸疾病、脊柱病、神經系統疾病及五官科手術治療等多個領域疾病治療的產品，公司年銷售額從1968年的US00萬元增長到2010年的US9億元，收入復合增長率已達11%，利潤復合增長率達10%，近幾年來公司大部分收入均來自新產品銷售，大約2/3的銷售額來自過去三年研制和發展的新產品，研發經費投入達銷售額的10%，1999-2011年公司并購支出總金額達US3億元(表1)。

　　生產和銷售國際化是生物醫用材料發展的突出趨勢。幾乎所有生物醫用材料的大型企業均是跨國公司，其銷售額的相當部分來自國際市場，如2010年美國強生公司，銷售額的40%(US2億元)，BostonScientific銷售額的46%(US.9億元)，2011年美敦力銷售額的43% (US.37億元)，均來自境外市場。

　　為開拓國際市場，跨國公司通過向境外技術和資金輸出，在國外建立子公司和研發中心，就地生產和研發。同時，為適應國際貿易的發展，國際標準化組織(ISO)不斷制定和發布生物醫用材料和制品的國際標準。

　　2、重點產品、核心技術及其發展趨勢

　　生物醫用材料產業的發展強烈依靠相關領域先進技術的支持及經濟實力。美國醫療器械的高速發展及其在國際上的領先地位得力于其航天技術，生物技術，微電子技術，精密加工技術，軟件開發等領域為醫療器械產業發展提供的支撐，以及良好的政策環境。目前發達國家依靠其頂尖的科技創新和經濟實力，主要生產技術含量高的生物材料和植入器械，勞動密集型、資源消耗型企業已逐漸向海外轉移，因此其技術裝備非常先進。各種高檔的加工中心、專用機床、激光微加工及涂層等設備已裝備于生物材料企業;自動化、信息化技術已在生產中廣泛應用;最先進的檢驗設備在大公司中隨處可見。先進的技術裝備確保了其產品的先進性及市場的壟斷地位。

　　生物醫用材料產業是一個新興的產業，其產品和技術更新換代周期短，通常僅10年左右，為保持技術的先進性和產品的市場競爭力，技術創新和升級是其生存和進一步發展的基礎。為此，發達國家企業在研究與開發方面的投入不斷增大，僅次于新藥研發，高達其銷售額的11%-13%，且持續增長(圖2)。

　　生物醫學材料的應用雖已取得極大成功，但是，長期臨床應用亦暴露出不少的問題，突出表現在功能性、免疫性、服役壽命等不能很好地滿足臨床應用的要求。如人心瓣膜植入12年后死亡率達58%，血管支架植入后血管再狹窄率達≈10%，人工關節有效期老年組為12-15年，中青年組僅≈5年等，根本原因是材料或植入體基本上以異物存在體內。當代醫學對于組織及器官的修復，已向再生和重建人體組織或器官、或恢復和增進其生物功能，個性化和微創傷治療等方向發展，傳統的生物醫學材料已難于滿足臨床要求。賦予材料生物結構和生物功能，充分調動人體自我康復的能力，再生和重建被損壞的人體組織或器官，或恢復和增進其生物功能，實現被損壞的組織或器官的永久康復，已成為當代生物醫學材料的發展方向。主要前沿領域集中于：可誘導被損壞的組織或器官再生的材料和植入器械(包括組織工程化產品);以及用于治療難治愈疾病、恢復和增進組織或器官生物功能的藥物和生物活性物質(疫苗、蛋白、基因等)靶向控釋載體和系統等。生物醫學材料及植入器械的前沿研究正在不斷取得重大進展，美國FDA已批準7個組織工程化產品上市，中國SFDA已批準可誘導骨再生的骨誘導人工骨及組織工程化皮膚上市，并頒布了七個組織工程化產品標準，一大批可再生組織的植入器械正在國內外臨床試驗中。前沿研究已面臨實現重大突破的邊緣—設計和制造有生命的人體組織，進一步整個人體器官。其發展和應用已催生一個新的學科—再生醫學，預計再生醫學的發展將萌生一個再生醫學產品的新產業，未來20年內其市場銷售額將突破US00億元。再生醫學產品主要由干細胞、以生物材料為支架的組織工程化組織和器官、以及可供移植的生物組織和器官所構成，生物醫用材料是其發展的基礎。

　　雖然前沿研究正在取得重大進展，但是由于技術及其他原因，傳統材料至少仍將是未來20-30年內生物醫學工程產業的基礎和臨床應用的重要材料。傳統生物醫學材料生物學性能的改進和提高，亦是當代生物醫用材料發展的另一個重點。生物醫用材料植入體內與機體的反應首先發生于植入材料的表面/界面，即材料表面/界面對體內蛋白/細胞的吸附/黏附。傳統材料的主要問題是對蛋白/細胞的隨機吸附/黏附，包括蛻變蛋白的吸附，從而導致炎癥、異體反應、植入失效。控制材料表面/界面對蛋白的吸附、進而細胞行為，是控制和引導其生物學反應、避免異體反應的關鍵。因此，深入研究生物材料的表面/界面，發展表面改性技術及表面改性植入器械，是現階段改進和提高傳統材料的主要途徑，也是發展新一代生物醫用材料的基礎。

　　可以預料，在未來20~30年內，生物醫用材料和植入器械科學和產業將發生革命性變化：一個為再生醫學提供可誘導組織或器官再生或重建的生物醫用材料和植入器械新產業將成為生物醫用材料產業的主體;表面改性的常規材料和植入器械作為其重要的補充。保守估計，2030年左右兩者可能導致世界高技術生物材料市場增長至≈US.5萬余億元，與此相應，帶動相關產業新增間接經濟效益可達US.5萬余億元。