《生物材料与人体仿生》
结
课
论
文
时光如水，总是无言。眨眼间，生物材料与人体仿生选修课即将接近尾声。我对生物材料以及仿生学的认知也因着这次选修课，从陌生到熟悉，从未曾听闻到逐步的了解，这次选修课程的学习也让我对原来不曾了解过的生物材料及仿生学有了更多的认识。
一、仿生学的概念及基本概况
仿生学，即模仿生物建造技术装置的科学，上世纪中期才出现的一门新的边缘科学。它研究生物系统的结构、特质、功能、能量转换、信息控制等各种优异的特征，并把它们应用到技术系统，改善已有的技术工程设备，并创造出新的工艺过程、建筑构型、自动化装置等技术系统的综合性科学。从生物学的角度来说，仿生学属于“应用生物学”的一个分支；从工程技术方面来看，仿生学根据对生物系统的研究，为设计和建造新的技术设备提供了新原理、新方法和新途径。仿生学的光荣使命就是为人类提供最可靠、最灵活、最高效、最经济的接近于生物系统的技术系统，为人类造福。从仿生学的诞生、发展，到现在短短几十年的时间内，它的研究成果已经非常可观。
仿生学的问世开辟了独特的技术发展道路，也就是向生物界索取蓝图的道路，它大大开阔了人们的眼界，显示了极强的生命力。也正是因为这一学科的兴起，因为人类对自然界种种生物奇异本领的启发，人类仿生学由此产生。参照这些自然生物的本领，模仿它们的外形，我们由此产生灵感设计出来外形奇特又具有独特功能的各种产品。例如人们现在司空见惯的飞机便是早在四百多年前，意大利人利奥那多·达·芬奇和他的助手对鸟类进行仔细的解剖，研究鸟的身体结构并认真观察鸟类的飞行，设计和制造了世界上第一架人造飞行器——扑翼机。又如现在各种船的前身，便是我国古代劳动人民观察鱼在水中用尾巴的摇摆而游动、转弯，他们就在船尾上架置木桨。通过反复的观察、模仿和实践，逐渐改成橹和舵，增加了船的动力，掌握了使船转弯的手段。思及至此，我们不得不感叹自然的神奇力量和人类的超强模仿力创造了一次又一次的奇迹。自然界就是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。
二、仿生学的重大发展——人体仿生
由最开始的人类不自觉从自然界得到启发然后进行各种发明创造，到后来随着生产的需要和科学的发展。人们认识到生物系统是开辟新技术的主要途径之一，自觉地把生物
界作为各种技术思想、设计原理和创造发明的源泉。再到后来1960年9月仿生学的正式诞生，一直到现在的其最具意义的发展——人体仿生。它已经不仅仅是为我们带来了生活的便利，它更多的为我们带来了重生的希望，而我们也越来越多地开始依赖它的存在和发展。赋予其厚望。
近年来人体仿生所获得的重大成就与生物材料方面的重大突破有着密不可分的关系，现在人造器官的研究发展很快，美国生物学家、诺贝尔奖获得者吉尔伯特认为，在50年内，人类将能够培育出人体的所有器官。个性化人造器官将是21世纪具有巨大潜力的高技术产业，必将产生巨大社会效益和经济效益。
要使个性化人造器官成为一项巨大而成熟的产业，目前还需要解决以下问题：首先，由于科学家对再生过程中的基础生物学理解不够充分，因此还不能生产特别理想的人造器官;其次，如何获得可靠的组织细胞来源，并使它们能够在体外大量快速繁殖增长;第三，目前还缺乏理想的仿生材料用以制造人造器官支架，这些材料要求可被人体吸收，降解后对人体无害，且对组织和器官不留任何后遗症。由此生物材料开始在医学研究历史舞台上闪亮登场，也不复厚望地在其史册上划上了浓墨重彩的一笔。
由于在进行各种医学救治特别是进行人体器官或者某个部位的更换时，不仅需要考虑生物体本身的免疫排斥现象，还需要考虑到该部位的功能和替换材料将引发的各种问题。所以，从人造子宫到人造心脏，从人造骨头到再生肢体人体仿生都在其中发挥了不可替代的重大作用。而现在人体仿生机械也成为了人体仿生不可或缺的重要部分，并且有了很大的发展，开始广泛应用于各类医学疾病的治疗。人造心脏、人造气管、生物眼、电子舌头、机械臂等都是人体仿生的重要成就，给人类带来了重生的希望。
例如：汶川大地震后，曾有位科技大学的学生表示他们已设计制造出机械手，可以捐赠给在大地震中右手被砸断的四川北川中学高三学生赵春林。当时有报道称，这只机械手样品曾在当年湖北省和全国大学生机械创新设计大赛中分获得过一等奖和三等奖。经过不断地改进，目前这只机械手除能夹取物品外，还可实现写字、操作鼠标等功能。海外也有多起报道称仿生机械臂取得突破性进展。塞尔维亚一名因车祸伤及手臂的男子，今年5月时，甚至主动砍掉那只伤残的手臂，接受手术后,换上了一只仿生机械臂。这些例子都充分表明现在的人体仿生技术已经越来越有足够代替人体器官的条件。人体仿生开始越来越多地造福人类，给我们带来了越来越多的希望。
三、生物材料
生物材料（Biological materials ）又称生物工艺学或生物技术。应用生物学和工程学的原理，对生物材料、生物所特有的功能，定向地组建成具有特定性状的生物新品种的综合性的科学技术。生物工程学是70年代初，在分子生物学、细胞生物学等的基础上发展起来的，包括基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程等，他们互相联系，其中以基因工程为基础。只有通过基因工程对生物进行改造，才有可能按人类的愿望生产出更多更好的生物产品。而基因工程的成果也只有通过发酵等工程才有可能转化为产品。
生物材料用于人体组织和器官的诊断、修复或增进其功能的一类高技术材料，即用于取代、修复活组织的天然或人造材料，其作用药物不可替代。生物材料能执行、增进或替换因疾病、损伤等失去的某种功能，而不能恢复缺陷部位。其中又属生物医用材料更为医学研究者们关注
生物医用材料
常用的医学生物材料
一、医用硅橡胶
医用硅橡胶(silicone rubber)是美容外科中应用较广的生物材料(组织代用品).它是高分子有机化合物聚硅酮的一种橡胶样固体形态,又称二甲基硅氧烷。
二、人工骨
随着生物医学和材料的发展,各种人工制备的生物材料植入骨内替代骨移植,临床应用效果好.这些人工合成或提取的植入材料生物相容性好,对骨形成具有明显的诱导作用,被泛称为人工骨(artificial bone)。
一般而言，临床医学对生物医学材料有以下基本的要求：无毒性，不致癌，不致畸，不引起人体细胞的突变和组织细胞的反应；与人体组织相容性好，不引起中毒、溶血凝血、发热和过敏等现象；化学性质稳定，抗体液、血液及酶的作用；具有与天然组织相适应的物理机械特性；针对不同的使用目的具有特定的功能。
物质属性分类
根据物质属性，生物医学材料大致可以分为以下几种：
1、生物医学金属材料（biomedical metallic materials）医用金属材料是作为生物医学材料的金属或合金，具有很高的机械强度和抗疲劳特性，是临床应用最广泛的承力植入材料，主要有钻合金（co-cr-ni）、钛合金（ti-6a1-4v）和不锈钢的人工关节和人工骨。镍钛形状记忆合金具有形状记忆的智能特性，能够用于矫形外科、心血管外科。
2、生物医学高分子材料（biomedical polymer）生物医学高分子材料有天然的和合成的两种，发展得最快的是合成高分子医用材料。通过分子设计，可以获得很多具有良好物理机械性和生物相容性的生物材料。其中软性材料常用来作为人体软组织如血管、食道和指关节等的代用品；合成的硬材料可以用来作人工硬脑膜、笼架球形的人工心脏瓣膜的球形阀等；液态的合成材料如室温硫化硅橡胶可以用来作注入式组织修补材料。
3、生物医学无机非金属材料或生物陶瓷（biomedical ceramics）生物陶瓷这类医用材料化学性质稳定，具有良好的生物相容性。生物陶瓷主要包括两类。（1）惰性生物陶瓷（如氧化铝、医用碳素材料等）。这类材料具有较高的强度，耐磨性能良好，分子中的键力较强。（2）生物活性陶瓷（如羟基磷灰石和生物活性玻璃等），这类材料具有能在生理环境中逐步降解和吸收，或与生物机体形成稳定的化学键结合的特性，因而具有极为广阔的发展前景。
4、生物医学复合材料（biomedical composites）生物医学复合材料是由两种或两种以上不同材料复合而成的生物医学材料，主要用于修复或替换人体组织、器官或增进其功能以及人工器官的制造。其中钻合金和聚乙烯组织的假体常用作关节材料；碳-钛合成材料是临床应用良好的人工股骨头；高分子材料与生物高分子（如酶、抗源、抗体和激素等）结合可以作为生物传感器。
5、生物医学衍生材料（biomedical derived materials）生物衍生材料是经过特殊处理的天然生物组织形成的生物医学材料，经过处理的生物衍生材料是无生物活力的材料，但是由于具有类似天然组织的构型和功能，在人体组织的修复和替换中具有重要作用，主要用作皮肤掩膜、血液透析膜、人工心脏瓣膜等。
应用和意义
生物医学材料得以迅猛发展的主要动力来自人口老龄化、中青年创伤的增多、疑难疾病患者的增加和高新技术的发展。人口老龄化进程的加速和人类对健康与长寿的追求，激发了对生物材料的需求。作为世界人口最多的国家，中国已进入老龄化国家行列，生物材料的市场潜力将更加巨大。
生物医用材料为挽救生命和提高人民健康水平做出了重大贡献，当前正面临重大突破。我国加入 WTO后，生物医用材料产业将面临更大的挑战和更多的机遇，生物材料科学工作者任重而道远。我们相信，在国家的大力支持下，跨部门、跨学科通力合作，通过走自力更生与技术引进相结合的发展之路，在生物材料组织工程化、分子设计、仿生模拟、智能化药物控释等方面重点投人，生物医用材料必将为全面提高人们的生活水平，造福人类做出更大的贡献。
随着课堂上课程内容的不断学习与跟进，我们对生物材料与人体仿生也有了更多的了解。而越对生物材料与人体仿生了解，便越觉得人类化腐朽为神奇力量的强大，对人类未来的生活，医学方面的发展也越来越充满希望。随着科学的迅猛发展，科技进步日新月异，人类对生的需求及渴望也越来越浓烈。相信生物材料与人体仿生天衣无缝的配合，相互促进相互依存的共同发展也会给我们带来更多的福音，更多的希望。