一、再生医学材料的发展史
在《哈利波特与死亡圣器》的结尾，邓布利多留给哈利的金色飞贼打开，哈利发现了藏在里面的“复活石”。复活石作为故事中死神送给三兄弟的死亡圣器之一，许多人都希望得到它而能获得起死回生的能力。因为从古至今，上至帝王将相，下至平民百姓，躲不开的是死亡与疾病的困扰。古希腊神话中普罗米修斯的肝脏不断再生，《西游记》中“齐天大圣”孙悟空拜师学艺求长生不老术，这些都反应了人类希望能实现器官再生，对抗疾病、衰老和死亡的愿景。可以说在人类的发展史中，再生，是一个一直都存在的话题和难题。虽然复活石并不能真正使人复活，长生不老也目前也只存在于神话故事中。但在奇妙的自然界，再生现象却普遍存在着。比如当你看到断尾的壁虎，它的尾巴又长出来了；又比如当你看到把片蛭的头部切掉后，它自己又重新长出了头。还有蝾螈，它同样有着自我修复四肢和器官缺损的能力，甚至是它的大脑组织（图1）[1]。如果人类能有这种能力该多好啊！但是由于人体内器官组织各司其职、高度分化，所以在多数情况下自我更新和修复的能力都比较差。据统计，我国每年都有超过100万的患者等待着器官移植，由于没有足够的供体，仅有1万余人可以得到器官移植得以活命的机会。所以说，开发再生医学材料、实现人体组织和器官的修复和再生，是一项亟需解决而又利国利民的任务。再生医学是一门新兴学科。在1992年，Leland Kaiser在他的一篇文章中正式提出了“再生医学（regenerative medicine）”的概念 [2]。而让再生医学这个概念真正得到普及和推广的则是著名的基因组学权威专家威廉·哈兹尔廷（William A. Haseltine）教授，在研究人胚胎干细胞和生殖细胞的过程中，他意识到这些细胞具有多能性，即可以分化成其他类型的细胞，进一步成为受损组织和器官的有效替代品 [3]。由此为开端，大批的科研工作者和临床医生投入到这个充满着活力与希望的领域中来。再生医学还是一门交叉学科。因其内容之广泛，很难对其下一个简单的定义。它的宗旨是促进人体细胞、组织和器官的修复、替代与再生，为此它结合了包括但不限于细胞生物学、遗传和分子生物学、组织工程和材料学等学科的知识 [4]。在这其中，再生医学材料作为递送治疗性细胞、外源性生长因子和药物的载体，起到重要的作用（图2）。从只具有简单功能的支架材料，到可以构建为细胞的生长、增殖和分化提供良好的微环境，再到发展为与细胞和生长因子在体外共同形成新的器官或者组织，最终移植入需要的病人的体内。这些都少不了再生医学材料学家和医生通力合作与努力，目前由再生医学材料所开发的人工髋关节、心脏瓣膜和血管等产品已经成功地应用于临床中，造福了广大患者群体。
图1 断尾能再生蝾螈和壁虎（图片来源：http://science.bio1000.com/plants-animals/201810/18174.html）
图2再生医学的应用方法（图片来源：[5]）
二、再生医学材料的应用和研究进展
随着再生医学材料的发展和不断应用，临床外科也经历了从过去的三个“R”阶段，即切除（resection）、修补（repair）和替代（replace），到目前进入了再生（regeneration）的新阶段。近年来，再生医学材料已经广泛应用于临床实践当中。（一）角膜再生医学材料
角膜疾病是常见的眼部疾病，严重时可以致盲。虽然眼角膜移植技术获得了巨大的成功，但是由于移植后排异反应及长期需要免疫抑制治疗，而带来的感染、青光眼等并发症严重影响了患者的生活质量。并且受限于角膜供体的紧缺，大量的需要移植的患者得不到有效的治疗。1995年，Tseng和其团队最早发展了利用羊膜基质应用于角膜移植的工作 [6]。羊膜基质由于其为透明结构，缺乏免疫原性，具有抗血管生成和抗炎的功能，并且羊膜的来源胎盘相对易得，容易制备和移植使用，越来越多地应用在眼部病变的手术治疗中 [7]。2018年，来自英国纽卡斯尔大学遗传医学研究所的Isaacson等人在国际上首次利用3D打印技术制造出人工眼角膜 [8]。他们将角膜细胞和胶原再生材料混合在一起成为生物墨水，根据患者眼部的扫描结果，通过3D打印机获得具有其类似结构的人工眼角膜。研究发现这种人工眼角膜在印刷后的第一天和第七天都保持了较高的细胞活力。
图3 3D打印人工眼角膜技术（图片来源：[8]）
（二）骨再生医学材料
因年龄、疾病和创伤而导致的骨损伤和骨关节疾病严重影响了患者的生活质量，而自体骨或异体骨移植一直以来作为治疗大面积骨不连、骨缺损的方法却存在着一定的缺陷，前者有二次手术、增加患者痛苦的缺陷，后者则有免疫排斥、生物安全的担忧。因而，科学家和医学工作者利用再生医学材料，在促进骨缺损愈合治疗上进行了大量的研究。从第一代的以惰性材料为主，如金属、生物陶瓷材料，到第二代的生物活性材料，如生物活性玻璃、羟基磷灰石等，再到以纳米仿生复合材料为主的第三代再生材料。骨再生医学材料取得了较大的进步和发展。骨是人体内最大的组织器官，也是最为复杂的生物矿化系统之一，其主要成分包括羟基磷灰石和胶原纤维。从仿生的角度出发，模拟人正常骨的分层结构构建骨再生医学材料是一种好的思路。清华大学材料学院的崔福斋教授对骨痂的分层有序结构进行了研究，在体外模拟了生物矿化的过程，利用胶原分子的自组装原理，发明了纳米晶磷酸钙胶原基骨修复材料。材料的表征实验显示其孔隙率、晶体尺寸及取向与天然人骨的成分和结构十分类似 [9]。经过一系列的动物实验和临床实验，纳米晶磷酸钙胶原基骨修复材料获得国家食品药品监督管理局的正式批准，成为可以在临床使用的医疗器械。
图4 人体骨的分层结构示意图（图片来源：[10]）
（三）神经再生医学材料
人体的神经系统可以分为中枢神经系统和外周神经系统。中枢神经系统包括了脑和脊髓，中枢神经系统损伤一直是临床上的难题。这是由于中枢神经系统自身的修复能力很差，损伤后炎性反应可导致疤痕组织的形成，在损伤处产生一个封闭的不利于再生的抑制微环境 [11]。脑和脊髓的严重受损可导致病人瘫痪，甚至是死亡。临床上对于中枢神经损伤尚没有特别好的治疗方法。目前科研工作者也在全力研发神经再生医学材料的产品。对于脑损伤的治疗，由于透明质酸是脑组织细胞外基质的重要成分，因此有大量研究对其改性、搭载活性生长因子及神经干细胞递送到脑损伤处。而对于脊髓的损伤，针对脊髓纤维的定向性，具有定向性的胶原、纤维蛋白等材料正在开发使用到脊髓修复的研究中。外周神经系统，相对于中枢神经系统来说，其有一定的自我再生能力。目前，临床上针对短距离的外周神经损伤，采用的是端与端直接缝合的方法。而对于长距离、大尺寸的外周神经损伤，自体神经移植一直是临床上的“金标准”。而自体神经移植同样面临着需要二次手术、供体不足的困境，寻找能够替代自体神经的再生医学支架移植物成为修复长距离外周神经缺损的一个方向。南通大学医学院的顾晓松教授提出了“生物可降解组织工程神经建构理论”，首先研制和开发了壳聚糖神经导管，并将其应用于临床。中山大学附属第一医院的刘小林教授研发了通过去细胞外基质的方法，制备了具有天然外周神经的支架架构的神经再生产品“神桥”。
（四）皮肤再生医学材料
皮肤是我们与外界隔离的天然屏障，大面积的烧伤和创伤会导致皮肤的损伤，甚至最终导致病人的死亡。针对皮肤的再生医学材料的研究起步很早，目前也有多种产品问世。美国的食品药品监督局批准的皮肤产品有Biobrane，Dermagraft和Apligraft等，其已经在治疗烧伤、静脉溃疡等皮肤疾病上取得了良好的治疗效果。我们国家的科研工作者也积极研发，主要使用的材料有聚乙醇酸、胶原、壳聚糖等。
三、再生医学材料的展望
在2005年，著名的科学杂志在创刊125周年之际，公布了125个目前尚未解决的重大科学问题，排在第7位的问题就是“什么控制着器官的再生”（What Controls Organ Regeneration）[12] 。目前为止，虽然再生医学材料取得了长远的发展和进步，但这还远远不够，不仅是再生医学材料与自体材料相比，还不能完全满足不了患者的临床需求，并且我们对于其中再生的机理也所知甚少，再生医学材料的研制还有很长的路要走。[1] Dall'Agnese, A., & Puri, P. L. (2016).Could we also be regenerative superheroes, like salamanders?. BioEssays, 38(9),917-926.[2] Kaiser, L. R. (1992). The future ofmultihospital systems. Topics in health care financing, 18(4), 32-45.[3] Mironov,V., Visconti, R. P., & Markwald, R. R. (2004). What is regenerativemedicine? Emergence of applied stem cell and developmental biology. Expert opinionon biological therapy, 4(6), 773-781.[4] Mason,C., & Dunnill, P. (2008). A brief definition of regenerative medicine.[5] Langer, R. (2009). Perspectives and challengesin tissue engineering and regenerative medicine. Advanced materials, 21(32‐33),3235-3236.[6] Kim, J.C., & Tseng, S. C. (1995). The effects on inhibition of cornealneovascularization after human amniotic membrane transplantation in severelydamaged rabbit corneas. Korean Journal of Ophthalmology, 9(1), 32-46.[7] Jirsova,K., & Jones, G. L. (2017). Amniotic membrane in ophthalmology: properties,preparation, storage and indications for grafting—a review. Cell and tissuebanking, 18(2), 193-204.[8] Isaacson, A., Swioklo, S., & Connon, C. J.(2018). 3D bioprinting of a corneal stroma equivalent. Experimental eyeresearch, 173, 188-193.[9] Du, C.,Cui, F. Z., Zhang, W., Feng, Q. L., Zhu, X. D., & De Groot, K. (2000).Formation of calcium phosphate/collagen composites through mineralization ofcollagen matrix. Journal of biomedical materials research, 50(4), 518-527.[10] Li, X., Wang, L., Fan, Y., Feng, Q., Cui, F.Z., & Watari, F. (2013). Nanostructured scaffolds for bone tissueengineering. Journal of Biomedical Materials Research Part A, 101(8),2424-2435.[11] Fitch,M. T., & Silver, J. (2008). CNS injury, glial scars, and inflammation:Inhibitory extracellular matrices and regeneration failure. Experimentalneurology, 209(2), 294-301.[12] Davenport,R. J. (2005). What controls organ regeneration?. Science, 309(5731), 84-84.
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内容简介
我国高新技术产业发展面临的“卡脖子”问题，很多就卡在材料方面。新材料产业是制造强国的基础，是高新技术产业发展的基石和先导。为了普及材料知识，吸引青少年投身于材料研究，促使我国关键材料“卡脖子”问题尽快解决，中国材料研究学会特意组织了一批院士和材料专家，甄选部分对我国发展至关重要的前沿新材料进行介绍。《走近前沿新材料（1）/前沿科学普及丛书·新材料科普丛书》涵盖了20种新的前沿新材料领域新名词，主要包括信息仿生材料、纳米材料、医用材料、能源材料。所选内容既有我国已经取得的一批性技术成果，也努力将前沿材料、先进材料优势的智力资源不断引入国内，助力推动我国材料研究和产业快速发展。每一种材料的科普内容独立成文，深入浅出地阐释了新材料的源起、范畴、定义和应用领域，并配有引人入胜的小故事和原创图片，让广大读者特别是中小学生更好地学习和了解前沿新材料。
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