傅正義院士：發展生物活性梯度復合材料 助力創傷修復技術產學研協同創新

文章刊登于《中國科技產業》雜志

202508期“院士專論

皮膚作為人體最大的器官，不僅是抵御外界侵襲的天然屏障，更承載著感知、調節體溫等重要生理功能。在人口老齡化加劇、意外傷害頻發的當下，皮膚缺損修復已成為關乎國民健康的重大臨床命題。我國每年因創傷、疾病、自然災害等導致的皮膚缺損病例超百萬，而長期以來，該領域核心修復材料被國外產品壟斷，國內市場占比不足30%。這種“卡脖子”的局面，不僅推高了醫療成本，更制約了我國創傷救治水平的提升。在此背景下，生物活性梯度復合材料技術的突破，不僅實現了全層皮膚修復領域的原創性跨越，更構建起從基礎研究到產業應用的完整創新鏈，為我國生物醫用材料發展并躋身全球第一方陣奠定了堅實基礎。

一、臨床需求驅動：全層皮膚創傷修復材料的技術瓶頸與突圍方向

皮膚創傷修復的臨床需求具有顯著的復雜性與多樣性。從深度上看，可分為表皮缺損、真皮缺損及全層皮膚缺損，其中全層皮膚缺損因涉及表皮、真皮及附屬器（毛囊、汗腺等）的同步再生，被視為修復領域的“珠穆朗瑪峰”。傳統修復材料在應對這一挑戰時，始終難以突破三大技術瓶頸。

其一，生物相容性與降解行為的失衡。早期的不可降解合成高分子材料（如硅膠）雖能暫時覆蓋創面，但無法參與組織再生，且需二次手術取出，不僅增加患者痛苦，更可能引發感染等并發癥。動物源性膠原材料雖具備一定生物活性，但異源蛋白引發的免疫排斥反應發生率高，且降解速率與組織再生進程難以匹配。

其二，結構仿生與功能協同的缺失。人體皮膚具有精密的層級結構：表皮層致密防水，真皮層多孔富血供，二者通過基底膜緊密連接。傳統材料或僅能模擬單一層次的物理特性，或雖嘗試復合結構卻無法實現各層功能的協同-如部分仿真皮材料雖采用多孔設計，卻因孔徑分布不合理，難以引導血管長入；仿表皮材料則因透氣性與防水性的天然矛盾，常導致創面積液或干燥壞死。

其三，被動替代與主動再生的鴻溝。傳統材料多停留在“物理屏障”的被動功能層面，無法主動調控細胞行為、促進活性因子分泌或抑制瘢痕形成。對于糖尿病潰瘍等慢性創面，因其存在微循環障礙、感染風險高、再生能力弱等問題，傳統材料的修復成功率不足50%，成為臨床亟待解決的難點。

這些瓶頸的本質，是材料科學、細胞生物學、臨床醫學等多學科交叉融合的不足。突破這些瓶頸，需要從"結構 - 功能 - 再生"的協同調控入手，構建具有主動誘導再生能力的新一代生物材料體系。我國科研團隊正是基于這一認知，確立了 "梯度復合、活性仿生、精準調控"的技術路線，開啟了全層皮膚創傷修復材料的原創性研發。

二、原創技術突破：生物活性梯度復合材料的三大核心創新

生物活性梯度復合材料技術的突破，是一套涵蓋材料設計、制備工藝、功能調控的系統性創新體系。這一體系以“模擬人體皮膚天然結構與再生規律”為核心，實現了從材料性能到治療效果的全方位躍升。

(一)天然高分子梯度復合支架：結構仿生的精準實現

人體皮膚的層級結構是其功能實現的基礎，構建與之匹配的梯度復合支架，是突破傳統材料結構仿生不足的關鍵。我國科研團隊以絲素蛋白（SF）與海藻酸鈉（SA）為基材，通過分子設計與工藝創新，實現了仿生表皮層與真皮層的一體化制備。

材料選擇有天然優勢：絲素蛋白具有優異的生物相容性與可降解性，其分子鏈中的氨基酸序列與人體膠原蛋白高度相似，能為細胞黏附提供理想的生物信號；海藻酸鈉則具有良好的保濕性，且可通過離子交聯實現快速固化。二者的協同作用，既保留了天然高分子的生物活性，又克服了單一材料的性能局限。

梯度結構實現精準調控：通過優化材料成分配比與交聯工藝，我國科研團隊實現了表皮層與真皮層的無縫銜接。表皮層厚度精準控制在 0.2~0.3mm，其相對致密結構可有效阻擋水分蒸發與細菌侵入，接近正常皮膚水平；真皮層則采用冷凍干燥工藝，構建出孔徑100~200μm的三維多孔結構，這種孔徑范圍恰好匹配血管內皮細胞的遷移需求，為活性因子富集與細胞定植提供了理想微環境。

降解行為層級匹配：表皮層因交聯度較高，降解周期控制在3-4周，與創面愈合上皮化進程同步；真皮層交聯度較低，降解周期控制在1-2周，與真皮組織再生的時間窗口精準匹配。這種“表皮慢降解、真皮快降解”的梯度降解特性，徹底解決了傳統材料“降解過快失去支撐”或“降解過慢需二次手術”的難題。

梯度復合支架技術的突破，標志著我國在天然高分子材料的結構設計與功能調控領域達到國際領先水平，其跳出“單一材料性能優化”的傳統思路，轉向“層級結構-功能需求-再生規律”的協同設計，為復雜組織修復材料的研發提供了范式參考。

（二）鈣磷納米粉體工程化：無機 - 有機復合的性能躍升

生物材料的力學性能與降解行為，是影響其臨床應用的另一關鍵因素。傳統有機高分子支架雖生物相容性優異，但力學強度不足，難以滿足皮膚修復中的力學支撐需求；而無機非金屬材料雖強度高，卻存在脆性大、生物活性不足的問題。構建有機-無機復合材料支架，關鍵在于解決無機材料納米粉體的工程化制備與均勻分散難題。

羥基磷灰石（HA）與β-磷酸三鈣（β-TCP）是人體的主要無機成分，具有優異的生物活性與生物相容性。但二者的納米粉體制備長期面臨"規模化與均一性不可兼得"的困境：傳統水熱法雖能制備納米粉體，但產量僅為克級，且粒徑分布寬（20~200nm）；固相法雖可量產，卻無法突破微米級粒徑限制。我國科研人員創新采用微波-超聲-水熱多場耦合技術，實現了這一領域的突破性進展。

該技術通過多能量場發揮協同作用：微波場提供快速均勻的加熱，避免局部過熱導致顆粒異常長大；超聲場通過空化效應產生高頻振動，打破顆粒間的范德華力，促進分散；水熱場則提供晶體生長環境并確保納米顆粒的結晶度。通過調控反應濃度、溫度，提高傳質傳熱效率，最終實現了HA與β-TCP納米粉體的公斤級量產，推動我國無機納米生物材料從實驗室研究邁向工程化應用。

技術轉化層面，該成果已形成中國生物材料學會團體標準兩項（《生物醫用羥基磷灰石納米粉體》和《生物醫用β-磷酸三鈣納米粉體》），并獲得國家藥監局原輔料備案登記，填補了國內空白，為行業規范化發展提供了技術支撐。這一突破形成了“納米粉體-復合支架-性能調控”的完整技術鏈條，以此為基礎構建的有機(SF/SA)-無機(HA/β-TCP)復合材料支架，呈現出顯著的臨床性能躍升。

（三）生命體-人工材料多體復合：主動調控再生的治療新范式

皮膚創傷修復的終極目標不僅是創面閉合，還要實現皮膚附屬器（毛囊、汗腺、皮脂腺等）的再生與功能重建，同時抑制瘢痕形成。傳統人工材料生物活性不足，無法主動調控細胞行為，導致修復后皮膚常出現“無附屬器、高瘢痕”的問題。生命體-人工材料多體復合技術的創新提高了復合材料的生物活性。

人源臍帶血間充質干細胞（hUCB-MSCs）具有多向分化潛能，可分化為成纖維細胞、內皮細胞等皮膚組織細胞，且免疫原性低，不易引發排斥反應。我國科研團隊創新研發了干細胞-材料支架共培養技術，通過在支架真皮層預先構建“細胞定植位點”（孔徑100-150μm的靶向孔道），使hUCB-MSCs的定植效率提升。動物實驗顯示，該多體復合技術技術可顯著促進毛囊再生，并抑制瘢痕的形成，解決了“只長皮、不長器”的行業難題。

慢性難愈合創面（如糖尿病潰瘍創面）的治療，面臨感染與再生的雙重挑戰。傳統治療需聯合使用抗生素與修復材料，存在藥物遞送不均、易產生耐藥性等問題。我國科研團隊創新研發載益生菌功能化復合材料支架，利用益生菌可分泌乳酸、細菌素等物質，對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌等致病菌的抑制率達90%以上；同時，其代謝產物可促進巨噬細胞向抗炎表型極化，降低炎癥因子水平，創造有利于再生的微環境，為臨床抗生素濫用問題提供了替代方案。

生命體-人工材料多體復合技術創新構建了“材料為基、細胞/微生物為用”的動態調控體系：支架不僅是承載載體，更是信號傳遞的樞紐，通過復合材料的梯度孔隙結構、降解行為調控生命體的活性與功能，實現“抑菌-抗炎-再生”的一體化治療。這種多體復合的思路，打破了材料科學與生命科學的學科壁壘，為復雜創面治療提供了全新策略。

三、臨床轉化與產業創新：從實驗室到市場的跨越

科技創新的價值，最終要體現在臨床應用與產業帶動上。生物活性梯度復合材料技術通過構建"基礎研究-中試放大-標準制定-臨床驗證"的全鏈條創新模式，實現了從技術突破到產業創新的跨越式發展。

該技術已在全國20余家三甲醫院、高校和企業推廣應用，并開展臨床試驗，形成了覆蓋糖尿病慢性潰瘍、深度燒傷、壓瘡等復雜創面的系列解決方案。我國產學研合作團隊協同相關醫院制定了創傷修復醫療器械植入產品的評價方法與技術標準，從創面愈合速度、皮膚彈性、附屬器再生數量、瘢痕指數等12項指標進行綜合評估，確保了技術應用的規范性與可靠性，也形成了“臨床需求牽引技術研發，技術進步反哺臨床治療”的良性循環。

生物活性梯度復合材料技術的突破推動了產業鏈的形成與升級。在國際市場上，相關國產材料通過美國FDA傷口敷料注冊，并出口歐美市場，打破了美國Integra、日本Pelnac等國際巨頭的長期壟斷。這一突破的意義不僅在于經濟效益，更在于確立了我國在皮膚創傷修復材料領域的國際話語權，改變了“國外產品即高端”的行業認知。

四、學科拓展與未來展望：從創傷修復到再生醫學的廣闊前景

我國生物活性梯度復合材料技術的突破，不僅解決了皮膚創傷修復的臨床難題，更構建起一套可推廣的創新體系，為其它組織修復領域提供了借鑒。在骨修復領域，基于梯度復合結構的設計思路，我國科研人員研發了“軟骨-骨”梯度修復材料；在神經再生領域，采用靜電紡絲技術構建了“軸突引導-營養支持”的梯度復合材料支架。未來，隨著生物3D打印、智能響應材料等技術的融合，生物活性梯度復合材料將邁向"精準定制"的新階段。

從學科發展視角看，生物活性梯度復合材料技術體系推動生物材料從“被動替代”向“主動調控”的范式轉變：材料不再是簡單的組織替代物，而是具有"感知-響應-調控"功能的活性單元，能夠參與并引導組織再生的全過程。這種范式轉變，將重塑再生醫學的發展路徑，為創傷救治、器官移植等重大醫學問題提供全新解決方案。

生物活性梯度復合材料技術的突破，是我國生物醫用材料在國際領域從“跟跑”到“領跑”的生動縮影。這一突破的背后，是“需求導向、學科交叉、產學研用”創新體系的成功實踐：以臨床需求為出發點，打通材料科學、生物學、臨床醫學的學科壁壘，通過基礎研究突破核心技術，依托企業實現工程化量產，最終通過醫院臨床驗證反哺患者。

在“健康中國”戰略深入實施的今天，生物醫用材料作為醫療器械產業的核心組成部分，其自主可控關乎國家醫療安全與產業競爭力。我國生物活性梯度復合材料技術的創新實踐證明，只有堅持原創性、引領性科技攻關，才能打破國外壟斷，構建自主可控的產業創新鏈；只有強化知識產權引領，才能提升我國在全球產業分工中的話語權；只有推動學科交叉融合，才能不斷開辟新的科技前沿。

展望未來，隨著技術的持續迭代與拓展，生物活性梯度復合材料必將在更多組織創傷修復領域綻放光彩，為提升國民健康水平、推動生物醫用材料產業高質量發展貢獻更大力量，最終實現從“材料大國”到“材料強國”的歷史性跨越。