纪雄发 邵宏伟 张余

    (广东省医学科学院广东省人民医院骨科，广州 510000)

    2020 年骨科植入材料的全球市值约为490.2 亿美元，并以5.1%的增长率快速升高[1]。长期以来，中国在临床实践过程中所使用的假体等植入物主要由强生、捷迈邦美、史赛克等欧美公司提供。伴随我国科技实力的增强和外资的进入，国内企业的技术、工艺、研发和管理水平都得到大幅提升，截至2019年国内企业所占市场份额达到40%，销售额增至60 亿美元[2]。目前，临床应用的骨科植入体以惰性金属材料为主，其加工方式主要为传统的模具成型和机床加工。在“健康中国2030”规划纲要和“中国制造2025蓝皮书(2018)”的战略背景下，国内在此领域取得了长足进步，但与欧美发达国家之间仍存在差距[3]。传统的骨科生物材料存在许多缺点，如生物活性不足、骨整合性能差及术后翻修率高等问题，对患者的康复和生活质量产生了严重困扰[4]。我国极为重视骨科生物材料的基础研究并投入大量研究资源，适合临床应用的新一代骨科生物材料成为研发热点，有望实现弯道超车。

    骨科生物材料需要在体内应用，因此研究存在诸多挑战：①材料成分和结构与机体之间复杂的相互作用；②针对筛选出的关键作用进行材料设计；③新材料的生物验证。经典的研究思路主要是通过研究者的经验对生物材料进行设计制造，再通过细胞和动物等模型进行功能验证[5]。这种研究方案效率低下，研发周期长，失败风险高且存在临床应用的伦理问题，极大限制了生物材料的临床转化进程[6]。材料的高通量设计研究是指通过材料计算科学大规模生成并制备出具有不同性质与结构的生物材料，使用实验室手段研究其对细胞行为的影响，从而筛选出关键的材料因素。高通量设计研究作为材料研究的热门研究方法，在骨科生物材料的设计和应用领域也有极高的应用潜力。本文就近年来骨科生物材料高通量设计研究的关键因素、制备技术及应用现状进行综述，并展望其发展前景。

    1 骨科生物材料高通量设计研究的关键因素

    生物材料与体内细胞的相互作用是个复杂的过程，涉及众多的信号通路[7]，目前进行深入研究的难度较大。通过近几十年来的材料生物学研究，总结出影响细胞行为的关键因素是生物材料的成分、结构(纳米尺度、微米尺度、大体尺度)、表面功能化方法等，通过对这些因素的高通量设计研究，有望获得最优的骨科生物材料。

    1.1 生物材料成分

    生物材料的成分和配比对干细胞的黏附、增殖和分化产生重要影响[8-10]。Khan 等[11]用市面上购买的廉价且特性良好的生物可降解聚合物 ......