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生物医用材料快速发展，生物玻璃化解组织再生难题
信息来源：新材料在线
发布时间：2022-08-31 09:21:08
玻璃是一种非晶无机非金属材料，在现代社会中的用途十分广泛，诸如眼镜、门窗、容器等。那么，玻璃是否能够作为一种新型生物材料，在人体中发挥组织再生与功能重建的作用，从而解决人体衰老产生的骨质疏松、高脂代谢异常、糖尿病等疾病？
针对这一前沿科研热点问题，在由新材料在线®、寻材问料®、有材®、新材料企业家成长营共同举办的“百大名师系列在线课程”上，中科院深圳先进技术研究院医药所副所长潘浩波博士作了《生物活性玻璃调控软硬组织再生与功能重建》主题演讲。
潘浩波详细分析了我国生物医用材料、器械产业的发展现状与发展趋势，阐述了目前存在的问题及建议解决方案，并介绍了硼硅酸盐生物活性玻璃对多重生物信号的调控作用以及规模化生产工艺等。
01
我国生物医用材料产业正面临关键时刻
我国生物医用材料、植入器械产业整体“中不敌洋”，正面临关键时刻。
潘浩波表示，产业发展存在4大瓶颈。
第一，企业基础薄弱，产品竞争力差。
整体而言，我国生物医用材料、植入器械产业落后于发达国家。中小企业为产业发展主力军；70%的中高端产品严重依赖进口。
第二，企业研发能力不足。
经过调查发现，企业的平均研发投入占比仅约为总投入的3%，而美国等发达国家企业的研发投入占比达到了13%以上。
第三，高校、科研院所的研发成果转化率低。
近年来，我国加大了对高校、科研院所的经费、政策支持力度。但是高校、科研院所仍然面临科技成果转化问题。我国的科技成果转化率不足15%，产业化率不足5%。
第四，民间资本徘徊不前。
我国生物医用材料、植入器械产业出现外资化现象。2012年11月16日，美国美敦力公司宣布收购康辉公司；2013年1月17日，美国史塞克公司宣布收购创生公司。我国民间资本却徘徊不前，长期处于观望状态。
其中，科技成果转化困难问题尤为突出。潘浩波表示，科技成果转化问题的底层逻辑在于科学探索与产品开发不在同一频道。
“科研成果落地的产品开发失败的障碍在于没有始终贯穿临床，医生才是产品开发的灵魂。医生应当直接参与产品定型，才能准确把握临床适应症，以及安全性与有效性。”潘浩波说。
02
基于病理微环境调控的新型促进再生材料
我国每年新增的骨与创伤损伤患者超400万人。这一数字背后是人口老龄化的程度加深的表现。据统计局官方数据显示，截至2021年我国60岁及以上人口已超2.67亿人，占总人口的18.70%。
人口老龄化趋势对医疗水平提出了更高的要求。由创伤、炎症及代谢疾病导致的骨与创面修复日益增多。随着人体衰老，出现系统性的代谢疾病，病人将苦不堪言。
代谢疾病阻碍新生血管生长，而血管是组织再生的重要前提。微血管病变，内植入物与宿主就不能产生生物性愈合，造成组织再生难度增加。
一旦发生骨折、创伤等，患有代谢疾病的患者则需要花费更长的时间愈合，其组织也难以再生。
“遗憾的是，目前我国还没有已应用于临床的理想材料，仍需科研人员持续研发新型组织功能材料，以促进血管重建和组织原位生长。”
潘浩波表示，以往的生物材料研究往往建立于健康的生理环境，而忽视了代谢性基础疾病的存在。
骨疾病是一类慢性代谢性疾病，与多种代谢性疾病(如糖尿病、肥胖症、高脂血症)的发生有相互协同或叠加效应。骨组织的修复与再生，需要考虑系统代谢问题及微环境的调控。
我国医用材料市场中已经有天然骨、高分子聚合物、金属材料、无机钙磷盐等骨修复材料，以及皮瓣、人工合成皮肤、生物敷料、复合替代材料等创面修复材料。
“这些材料都有一个亟待解决的关键问题：如何引导血管重建，促进干细胞定向分化，调控病理微环境，实现原位组织再生。生物材料已发展至新的阶段，是开启第二次生命的催化剂。”
潘浩波介绍道，团队正在研究的硼硅酸盐生物活性玻璃能够满足多重生物信号调控，其中包括肿瘤免疫抑制、肿瘤细胞杀伤、皮肤再生成血管效应、破骨功能抑制、成骨功能表达。
通过调节硼和硅的比例，硼硅酸盐生物活性玻璃能够逆转各种不同的病理微环境，以实现组织再生目标。
硼硅酸盐生物活性玻璃在接触人体组织后，通过释放离子，能够有效降低炎症、调节巨噬细胞极化。在对病理微环境有效调控的基础之上，该材料还能够有序促进血管形成，并促成成骨。
潘浩波表示，团队在实验中发现，硼硅酸盐生物活性玻璃在降解过程中会产生碱性“开关效应”，促进干细胞成骨分化、成骨细胞矿化，并明显抑制了破骨细胞。
进一步研究表明，碱性调控干细胞能够有序促进一型胶原形成，而一型胶原是促进骨形成的关键基础。
据介绍，潘浩波团队已实现硼硅酸盐生物活性玻璃双网络结构生产工艺，既可以通过熔融法制备微米级原料规模化生产，又可以用溶胶凝胶法制备纳米级原料规模化生产。
潘浩波介绍道，团队围绕硼硅酸盐生物活性玻璃，实现临床需求导向的新型功能材料开发。目前团队已建立四大研发板块体系，分别为：
1. 生物用活性骨水泥，主要用于椎体压缩性骨折。
2. 3D打印骨修复体，主要用于大块骨缺损重建。
3. 急性止血材料，主要用于急性大出血。
4. 慢性创面敷料，主要用于糖尿病足治疗。
“总而言之，硼硅酸盐生物活性玻璃是一种新型的促组织再生的功能材料，可通过促血管形成及抑菌等多重机制促进再生。材料与细胞的故事将是我们真正理解人类衰老与再生的重要途径。”潘浩波说。
潘浩波：我们的目标是更快、更好、更高效地疗愈患者。因此，产品不仅要达到最好的修复效果，同时还要保证最惠民的价格。这要求我们必须要掌握定价权和话语权。通过产品建设与市场推广，降低产品医疗成本，真正惠及老百姓。
针对这一前沿科研热点问题，在由新材料在线®、寻材问料®、有材®、新材料企业家成长营共同举办的“百大名师系列在线课程”上，中科院深圳先进技术研究院医药所副所长潘浩波博士作了《生物活性玻璃调控软硬组织再生与功能重建》主题演讲。
潘浩波详细分析了我国生物医用材料、器械产业的发展现状与发展趋势，阐述了目前存在的问题及建议解决方案，并介绍了硼硅酸盐生物活性玻璃对多重生物信号的调控作用以及规模化生产工艺等。
01
我国生物医用材料产业正面临关键时刻
我国生物医用材料、植入器械产业整体“中不敌洋”，正面临关键时刻。
潘浩波表示，产业发展存在4大瓶颈。
第一，企业基础薄弱，产品竞争力差。
整体而言，我国生物医用材料、植入器械产业落后于发达国家。中小企业为产业发展主力军；70%的中高端产品严重依赖进口。
第二，企业研发能力不足。
经过调查发现，企业的平均研发投入占比仅约为总投入的3%，而美国等发达国家企业的研发投入占比达到了13%以上。
第三，高校、科研院所的研发成果转化率低。
近年来，我国加大了对高校、科研院所的经费、政策支持力度。但是高校、科研院所仍然面临科技成果转化问题。我国的科技成果转化率不足15%，产业化率不足5%。
第四，民间资本徘徊不前。
我国生物医用材料、植入器械产业出现外资化现象。2012年11月16日，美国美敦力公司宣布收购康辉公司；2013年1月17日，美国史塞克公司宣布收购创生公司。我国民间资本却徘徊不前，长期处于观望状态。
其中，科技成果转化困难问题尤为突出。潘浩波表示，科技成果转化问题的底层逻辑在于科学探索与产品开发不在同一频道。
“科研成果落地的产品开发失败的障碍在于没有始终贯穿临床，医生才是产品开发的灵魂。医生应当直接参与产品定型，才能准确把握临床适应症，以及安全性与有效性。”潘浩波说。
02
基于病理微环境调控的新型促进再生材料
我国每年新增的骨与创伤损伤患者超400万人。这一数字背后是人口老龄化的程度加深的表现。据统计局官方数据显示，截至2021年我国60岁及以上人口已超2.67亿人，占总人口的18.70%。
人口老龄化趋势对医疗水平提出了更高的要求。由创伤、炎症及代谢疾病导致的骨与创面修复日益增多。随着人体衰老，出现系统性的代谢疾病，病人将苦不堪言。
代谢疾病阻碍新生血管生长，而血管是组织再生的重要前提。微血管病变，内植入物与宿主就不能产生生物性愈合，造成组织再生难度增加。
一旦发生骨折、创伤等，患有代谢疾病的患者则需要花费更长的时间愈合，其组织也难以再生。
“遗憾的是，目前我国还没有已应用于临床的理想材料，仍需科研人员持续研发新型组织功能材料，以促进血管重建和组织原位生长。”
潘浩波表示，以往的生物材料研究往往建立于健康的生理环境，而忽视了代谢性基础疾病的存在。
骨疾病是一类慢性代谢性疾病，与多种代谢性疾病(如糖尿病、肥胖症、高脂血症)的发生有相互协同或叠加效应。骨组织的修复与再生，需要考虑系统代谢问题及微环境的调控。
我国医用材料市场中已经有天然骨、高分子聚合物、金属材料、无机钙磷盐等骨修复材料，以及皮瓣、人工合成皮肤、生物敷料、复合替代材料等创面修复材料。
“这些材料都有一个亟待解决的关键问题：如何引导血管重建，促进干细胞定向分化，调控病理微环境，实现原位组织再生。生物材料已发展至新的阶段，是开启第二次生命的催化剂。”
潘浩波介绍道，团队正在研究的硼硅酸盐生物活性玻璃能够满足多重生物信号调控，其中包括肿瘤免疫抑制、肿瘤细胞杀伤、皮肤再生成血管效应、破骨功能抑制、成骨功能表达。
通过调节硼和硅的比例，硼硅酸盐生物活性玻璃能够逆转各种不同的病理微环境，以实现组织再生目标。
硼硅酸盐生物活性玻璃在接触人体组织后，通过释放离子，能够有效降低炎症、调节巨噬细胞极化。在对病理微环境有效调控的基础之上，该材料还能够有序促进血管形成，并促成成骨。
潘浩波表示，团队在实验中发现，硼硅酸盐生物活性玻璃在降解过程中会产生碱性“开关效应”，促进干细胞成骨分化、成骨细胞矿化，并明显抑制了破骨细胞。
进一步研究表明，碱性调控干细胞能够有序促进一型胶原形成，而一型胶原是促进骨形成的关键基础。
据介绍，潘浩波团队已实现硼硅酸盐生物活性玻璃双网络结构生产工艺，既可以通过熔融法制备微米级原料规模化生产，又可以用溶胶凝胶法制备纳米级原料规模化生产。
潘浩波介绍道，团队围绕硼硅酸盐生物活性玻璃，实现临床需求导向的新型功能材料开发。目前团队已建立四大研发板块体系，分别为：
1. 生物用活性骨水泥，主要用于椎体压缩性骨折。
2. 3D打印骨修复体，主要用于大块骨缺损重建。
3. 急性止血材料，主要用于急性大出血。
4. 慢性创面敷料，主要用于糖尿病足治疗。
“总而言之，硼硅酸盐生物活性玻璃是一种新型的促组织再生的功能材料，可通过促血管形成及抑菌等多重机制促进再生。材料与细胞的故事将是我们真正理解人类衰老与再生的重要途径。”潘浩波说。
潘浩波：我们的目标是更快、更好、更高效地疗愈患者。因此，产品不仅要达到最好的修复效果，同时还要保证最惠民的价格。这要求我们必须要掌握定价权和话语权。通过产品建设与市场推广，降低产品医疗成本，真正惠及老百姓。
