張興棟，中國工程院院士，材料科學與工程學家，長期從事材料科學，特別是生物材料領域的科學研究。他開闢了骨誘導生物材料的研究領域，對促進中國生物活性人工骨和植入體跨入國際先進水準作出了重要貢獻。2016年，張興棟當選國際生物材料科學與工程學會聯合會主席，這是該聯合會成立以來，首次由我國科學家擔任主席。2018年，他提出的“組織誘導性生物材料”作為新定義被列入“21世紀生物材料定義”，這是該領域首次擁有“中國定義”。

　　當人體受到輕微的割傷或擦傷時，皮膚能夠自我修復；肝臟受損后，肝細胞仍然可以再生到原來的水準。從皮膚的再生到肝臟的再生，人體展現出了驚人的恢復力。但是人體骨骼受損較大時，是不能自我修復的。有什麼辦法能夠修復受損的骨骼呢？一種新的磷酸鈣生物陶瓷材料的出現，為我們打開了一扇通往骨骼修復的大門。這種磷酸鈣生物陶瓷材料植入人體后，可以誘導人體自身的骨骼再生，並且沒有排異反應。這種材料為何如此神奇？除了骨骼，它還可以誘導其他組織再生嗎？

    “修人”的生物材料

　　生物材料，也稱生物醫用材料，是用於診斷、治療、修復或替換人體組織和器官，或增強其功能的材料。它可以是天然的、人造的，或兩者的結合，可以將其形象地稱為“修人”的生物材料。人體組織器官都有一定的壽命，如天然牙的平均壽命約為50年，會因年齡增長、疾病或器官退化而受損，需要修復。此外，因偶然事故（如地震、交通事故）或運動傷害導致的創傷，以及醫美市場的快速增長，都促使生物材料的需求不斷增加。據統計，我國數以萬計甚至億計的心血管疾病患者、骨損傷和骨質疏鬆患者、牙缺失患者、腎衰竭患者，都需要組織修復或替換。針對這些問題，醫學界主要有兩種解決辦法：一是組織器官移植，這包括自體移植（如從自身其他部位取組織進行修補，但供量有限）和同種異體移植（來源有限且易產生免疫反應），因此都不是理想的途徑。於是，利用生物材料來解決組織、器官的修復和替代問題，成為一條非常有吸引力的現實道路。

　　生物材料研究的歷史並不長，但人類使用生物材料的歷史可以追溯到3000年前，如伊特拉斯坎人的黃金假牙和中國的羊腸線、柳枝接骨等。近代生物材料起源於20世紀40年代中期，當時因戰傷治療需要，首次使用合成高分子材料（飛機上的有機玻璃）為一個腦袋受傷的飛行員進行顱骨修復。隨著學科的發展，至20世紀80年代，生物材料學逐漸形成。儘管歷史不長，但生物材料已取得顯著成就：一是生物相容性已達到相當水準，即材料在體內不僅不會產生毒副作用，並能與人體組織長期相適應；二是生物材料產業已成長為技術附加值很高的高技術產業，占醫療器械市場相當大的份額，且在持續增長。

　　生物材料的使用雖然取得了巨大成功，但也存在不少問題。目前，常規生物材料的性能和壽命往往不能滿足臨床要求。例如，人工心臟瓣膜12年失效率高達58%，血管支架植入后再次出現狹窄的概率達到20%，而人工髖關節的壽命在老年人和中青年人中也差異顯著，分別為12—15年和3—5年。這些問題的根源在於生物材料作為植入體在體內的異物性質。比如，不鏽鋼等生物材料在體內會降解、腐蝕，析出雜質，引發不良反應。同時，由於材料的硬度與骨骼不匹配，可能導致脫落等問題。因此，生物材料存在的這些問題，已難以適應現代醫學對組織器官修復的要求，需要進一步變革。

　　如何變革呢？基於人體具有自我修復和完善的功能，生物材料的設計應優化自身結構，以刺激機體反應，調動人體自我修復、完善的生物功能，誘導缺損組織或器官再生，從而實現它的永久修復。那麼，什麼叫誘導呢？其中，骨的生長包括傳導和誘導兩個過程。傳導是骨與材料接觸後，骨組織沿著材料表面攀附生長，在表面長成骨頭；而誘導則是材料各部分都能誘導新骨形成，使材料最終轉化為骨組織。人體組織，尤其是動物，具有顯著的再生特性。比如身體上劃了一個小傷口，可以自己康復。

　　傳統觀念認為，無生命的生物材料無法誘導有生命組織再生，只有活性生物物質才能如此。然而，這一觀點在20世紀90年代初被突破。我們團隊在頜面骨缺損修復實驗中，偶然發現埋進動物肌肉中的多孔磷酸鈣陶瓷能轉化為骨頭。通常，治療骨缺損常使用金屬、高分子等材料。這一結果公佈后，引發了科學界的廣泛質疑。於是，我們又通過大量實驗（包括1萬多張動物組織切片）日本分子生物學，驗證了這一發現並提出機理解釋。在國家基金及重大項目支援下，開發了各類骨誘導性生物材料。近年來，骨誘導研究已拓展至關節軟骨、神經、韌帶、心臟組織等。這是我們中國科學家率先發現並進行系統研究的重要成果。

　　生物材料如何誘導組織再生

　　為什麼材料能誘導骨形成？我們提出了機理解釋，當人體自己的骨出現缺損時，為了長起來，缺損部位首先需要有幹細胞。而我們發現多孔磷酸鈣陶瓷在植入肌肉內后，能夠集聚體內的幹細胞，刺激這些細胞分泌生長因數，最終成骨。

　　那麼，何種條件才能使這種材料誘導骨形成呢？經過深入研究，我們發現，材料的三維多孔結構（包括大孔、孔壁上豐富的微孔）是一個關鍵因素。這種結構的大孔可容納細胞和細胞產物，微孔利於細胞增殖和分化所需要的氧和營養物質輸送。另一個關鍵因素是在孔隙表面可形成與骨頭相似的磷灰石層。人體骨的主要無機物是磷灰石，因此，只有表面可形成與骨相似的磷酸鈣層，才能誘導骨形成。如果材料表面沒有這種磷酸鈣層，或者只有大孔而缺乏骨頭那種微孔結構，就無法成功誘導骨形成。簡而言之，誘發因素在於材料與骨骼的相似性，特別是其孔隙結構和表面形成的羥基磷灰石層。因為細胞無法區分是真骨頭還是假骨頭，因此會將假骨頭當作真骨頭進行增殖和分化，最終將其轉化為真正的骨頭。

　　後來，發現不只是磷酸鈣陶瓷，多孔金屬鈦在經過表面活化形成磷酸鈣塗層后，同樣具有誘導成骨的能力。後進行了脊柱融合的動物實驗，驗證了其效果。此外，還發現聚芳醚酮這種惰性高分子材料，在製成多孔結構並表面活化后，也能在狗的脊部植入12周後觀察到骨形成。最後提出，使一個材料具有誘導性，要滿足兩個條件：一是具有與骨相似的多孔結構，包括大孔以容納細胞，以及微孔以促進組織氧氣及營養物質供應及交流；二是材料表面必須形成一層磷酸鈣塗層，類似於骨頭自身的磷酸鈣層。

　　因此，我們提出了骨誘導理論，並證明了不僅磷酸鈣陶瓷，生物玻璃、高分子和金屬等多種材料都可以誘導成骨。這一發現揭示了一個普遍的規律：任何材料，只要將其製成類骨多孔結構，並在表面形成類骨磷灰石層，都可以誘導成骨。掌握這種誘導技術后，我國已成功開發出國際領先的骨誘導人工骨，並已推廣應用於臨床。

    誘導關節軟骨再生

　　在材料誘導骨再生的啟示下，通過研究發現材料不僅可以誘導骨形成，還能誘導軟骨以及其他非骨組織的形成和生長。關節軟骨的修復一直是一個全球性難題。關節軟骨是一種透明軟骨，需要承受摩擦和運動產生的力量，但其中缺乏血管和細胞，因此再生修復非常困難。傳統的修復方法，如注射材料或在軟骨下骨打孔以促進軟骨再生，大多不成功，因為生成的往往是耐磨性較差的纖維軟骨，無法承受大的強度。儘管嘗試了注射透明質酸、加深軟骨孔以促進細胞遷移、添加生長因數或進行軟骨細胞移植等方法，但至今仍未找到完全成功修復的案例。

　　基於材料骨誘導的理論，發現一定結構的Ι型膠原基水凝膠能誘導幹細胞向成軟骨細胞分化，最終形成軟骨。為驗證其再生軟骨的能力，我們在50頭貴陽小香豬上進行了關節軟骨修復實驗。結果顯示，一個月後軟骨開始生長，六個月後表面已變得光滑，且關節軟骨品質良好。這一成功促使我們進行了臨床試驗，一名18歲男孩的關節軟骨修復后，從無法行走到能打籃球，展現了顯著的療效。此外，北京航空航太大學李曉光教授受骨誘導研究的啟發，發現材料還能誘導中樞神經的修復。目前，已實現2釐米缺損的中樞神經修復，並在恆河猴的動物實驗中觀察到正常的走路步態，該修復技術已進入臨床試驗階段。由於中樞神經受損常導致下肢癱瘓，因此這一發現具有重要意義。同時，還發現材料能誘導韌帶再生，特別是運動員常發生的十字交叉韌帶損傷。通過植入靜電紡絲材料，不僅實現了韌帶的再生，還確保了韌帶與骨的緊密黏合。這一發現也在臨床試驗中得到了驗證，並取得了初步成效。基於這些研究，我們提出了“組織誘導性生物材料”的新概念。這種材料無須添加細胞或生長因數，僅憑其優化設計即可實現缺損組織或器官的再生。

　　心臟組織再生材料的突破

　　血管組織、心臟組織出了問題，能不能通過材料再生？傳統醫學觀念認為這是不可能的。例如，心臟缺損（如心室或心房間隔中間有個洞）以往常用金屬封堵器進行封堵，但金屬封堵器作為異物存在於體內，可能引發多種不良反應。如何確保封堵器長久有效？這是一個關鍵問題。我們設計了一種可降解高分子材料封堵器，通過微創方式送入體內，不僅能封堵缺損，還能促進心臟組織再生。這是金屬封堵器和其他多種材料所不具備的特性。這一發現標誌著心血管系統替換修復技術從普通替換進入了再生修復的新階段。與傳統開胸手術相比，這種微創介入治療更加便捷，通過動脈血管送入封堵器至心室中間進行封堵，無須開胸。這一成果被MedTF評為2022年世界十大創新醫療技術之一。此外，很多人認為偏頭疼和腦卒中是腦袋的問題，但實際上25%的患者病因在於心房間隔的卵圓孔，封閉它即可解決，而卵圓孔封堵器就可封閉這一缺損，被《健康報》評為2023年中國十大醫學科技新聞之一，彰顯了中國在生物材料研究領域的領先地位。

　　總之，組織誘導性生物材料通過優化設計，能夠誘導有生命的組織或器官再生，為生物材料的發展開闢了新方向，成為生物材料科學與產業發展的前沿。此外，廣泛應用於診斷、治療、修復或替換人體組織、器官的其他生物醫學材料也在不斷發展，取得了顯著成果。據統計，中國每年有數百萬人通過生物材料如人工腎進行腎透析治療，以及使用血管支架修復冠心病導致的血管堵塞。生物材料不僅不可或缺，其功能更是藥品無法替代，如人工關節、脊柱修復、牙種植體及人工義眼台等，均顯著改善了患者的生活品質。同時，生物材料還推動了微創傷治療及藥物靶向控制技術的發展，降低了醫療成本，促進了醫療保健技術的革新。2023年，我國醫療器械流通市場規模達1.36萬億元，佔據全球市場的重要份額，凸顯了中國醫療器械行業在全球範圍內的顯著地位和重要貢獻。隨著生物材料科學與工程的創新能力不斷增強，中國生物材料科學、工程和產業已成為國際不可或缺的角色，未來有望在全球市場中佔據更加突出的地位，助力中國新質生產力的發展。