揭示生物材料十大新興趨勢，CAS、西湖大學聯合發布洞察報告

　　近日，美國化學文摘社（CAS）與西湖大學 (Westlake University) 合作發布了“最值得關注的十大生物材料”洞察報告。這份報告重點介紹了水凝膠、抗菌藥物、脂質納米粒、外泌體，生物墨水，可編程生物材料，蛋白質基材料，自愈生物材料，生物電子材料，可持續生物材料的最新進展，它們正在重新定義生物材料的未來。本報告揭示了生物材料涉及的眾多行業和學科所面臨的新機遇、新趨勢和主要挑戰。

　　過往幾十年當中，由于生物材料所具備的出色適用性，科學界對生物材料的研究呈現出快速且多樣化的趨勢，開發出越來越多種類的生物材料。

　　生物材料包括天然材料和合成材料兩大類。膠原蛋白、絲蛋白和纖維素等屬于天然生物材料，而聚合物、金屬、陶瓷和復合材料等屬于合成生物材料。

　　本報告采用了CAS內容合集與大數據分析方法。CAS內容合集是目前最大的人工整理與標引的科學知識集合,是訪問和了解目前世界上最新與最完整的跨學科科學的文獻資源，覆蓋化學、生物醫學.工程、材料科學等學科。

　　我們在本報告中確定了十種最具前景的生物材料類型。我們將介紹這些材料在期刊和專利上的出版趨勢，展現其多樣化的應用，并揭示特定性質或材料快速發展的原因。我們的目標是全面概述這些領域的發展現狀，并為未來的科研方向提供有價值的洞見。我們相信，這份報告將為研究人員、機構、甚至企業家和投資者們提供有益的引導，幫助他們進行戰略規劃，并進一步激勵他們在這一領城的投入。

1.水凝膠

　　水凝膠是由三維聚合物網絡組成的軟材料，可以吸收和保留大量的水。他們是親水性和多孔的，表現出交聯結構和無限分子量，并且不溶于水。在過去的二十年里，水凝膠因其廣泛的應用而引起了研究人員的極大關注。

2.抗菌材料

　　抗菌藥物是用于殺死微生物的制劑，根據它們所針對的生物體類型，它們被歸類為抗生素、抗真菌藥物、抗病毒藥物和抗寄生蟲藥物。每類抗菌藥物都有自己的一套挑戰。在過去十年左右的時間里，抗菌素耐藥性迫在眉睫，并被世界衛生組織（WHO）認定為“全球健康和發展威脅”和“人類面臨的十大全球公共衛生威脅之一”。

3.脂質納米顆粒

　　脂質納米顆粒（LNP）是指被脂質雙層膜包圍的納米顆粒。LNPs的主要應用之一是高效輸送疏水性或親水性藥物的藥物輸送平臺，包括小分子和各種復雜的生物制品，如作為目標細胞的蛋白質和核酸。最近成功地將脂質納米顆粒作為COVID-19 mRNA疫苗的重要成分，它們在有效保護方面發揮了關鍵作用將mRNA輸送到細胞，增強其在藥物輸送中的適用性。

4.外泌體

　　外泌體是納米大小的（直徑~30-150納米）細胞外囊泡，被脂質雙層包圍。它們由大多數真核細胞分泌，能夠促進細胞間通信，通過將包括蛋白質、核酸和脂質在內的生物活性貨物轉移到靶細胞。除了在細胞間通信和信號轉導中的作用外，外泌體對于支持和重塑細胞外基質、產生免疫反應、組織穩態和再生也至關重要。它們還參與了癌癥、神經退行性和心血管疾病等疾病的發展。

　　外泌體的獨特特性——先天穩定性、低免疫原性、生物相容性和良好的生物膜滲透能力——使它們能夠作為卓越的天然納米載體發揮作用，以實現高效的藥物輸送。它們穿越血腦屏障的能力使它們成為大腦的理想輸送工具。此外，外泌體在臨床診斷中也很有利，因為它們含有來自宿主細胞的各種生物分子，這表明了病理生理條件。然而，外切體生物發生是一個復雜的過程，已經確定了各種途徑。

5.生物墨水

　　Bioinks是指主要用于三維生物印刷（3DBP）的任何天然或合成材料，主要以含有細胞的水凝膠的形式。生物墨水材料的制造允許在所需的生物和生化環境中創建復雜的生物結構。3DBP使制造具有理想特征的仿生支架，并控制細胞和其他生物材料的空間組織，以模仿自然組織/器官。理想的生物油墨材料應具有關鍵特征，如高機械魯棒性、生物打印性、不溶于細胞培養基、以與組織再生相匹配的速度可生物降解、低免疫原性和低細胞毒性。此外，它應該促進細胞粘附。因此，已經制備了許多生物材料，用于再生醫學和組織工程。

6.可編程生物材料

　　可編程生物材料是動態生物材料，可以根據用戶信號輸入來響應刺激或通過感知其周圍環境的變化來改變其特性和形狀。對可編程生物材料的興趣，這些材料被認為是下一代生物材料，已經獲得了勢頭。

7.蛋白質基材料

　　基于蛋白質的生物材料，如作為絲綢、膠原蛋白、纖維蛋白、角蛋白、彈性蛋白和硅蛋白具有生物相容性、生物吸收性和可生物降解性。雖然與期刊出版物相比數量較少，但專利出版物多年來也穩步增長。這些上升趨勢加上高出版數量表明，研究人員對該領域的興趣越來越大。

8.自愈生物材料

　　具有治愈長期機械磨損（通常作為正常/常規使用的一部分）造成的輕微損害的材料被稱為自愈材料。這種獨特的自我修復能力很有吸引力，因為它延長了材料的壽命，消除了維護和更換的要求，并減少了浪費。在生物醫學領域，這轉化為持續的功能性能。醫療植入物、腳手架、設備和生物傳感器。在過去的二十年里，自愈生物材料領域穩步增長。

9.生物電子材料

　　生物電子學是指可以集成到生物系統中的設備和植入物，比如人體。對醫療保健的持續需求，特別是老年人和患者，需要開發此類系統。生物信息數字化和監測是比傳統方法更有效的方法，同時也促進了實時監測和數據分析。這些設備范圍從智能手表、傳感器、醫療保健環境中使用的監控設備等可穿戴設備到植入式監控設備。要使材料成為這些設備的一部分，特別是那些植入的材料，需要獨特的特性，如生物相容性和柔軟性。

10.可持續生物材料

　　全球約9-13%的固體廢物由高分子量化石塑料組成。包裝行業是全球塑料廢物的最大貢獻者。塑料是一種有毒且不可生物降解的污染物，對環境構成威脅，在水和土壤中長期存在，并造成通常被稱為“白色污染”。此外，用于增強塑料特性的化學品的釋放進一步加劇了其對生物體健康的不利影響。

　　COVID-19大流行更是導致口罩、手套和防護服等一次性個人防護裝備(PPE) 的消耗劇增。這場大流行帶來經驗教訓之一，就是為個人防護裝備、醫療用品、實驗室耗材開發可持續材料的需求變得非常緊迫。

　　鑒于人們對空氣污染和流行疾病的關注日益增加，個人防護裝備的使用變得越來越普遍。為了能在不進一步增加環境負擔的情況下滿足這些需求，人們正在認真審視各類可生物降解塑料的潛在應用價值。3因此，作為生產可降解的一次性口罩的潛在原材料，PLA、聚乳酸-羥基乙酸共聚物(PLGA)、藻酸鹽、殼聚糖、麩質和醋酸纖維素等生物降解材料，獲得了新的關注。此外，由聚羥基鏈烷酸醋(PHA) 和生物纖維素等生物基材料制成的口罩還可通過皮膚有效地釋放活性物質。

　　最后，塑料替代品的經濟可行性是不可回避的重要因素。新材料不僅要環保，而且在廣房設備建造，規模化生產和使用方面也應具備經濟可行性。通過在可持續性和可負擔性之間取得恰當的平衡，我們才能進行大規模地推廣，進而對減少全球塑料廢棄物產生重大影響。