“給我一個支點，我可以撬動整個地球。”
事實上，除了支點外，阿基米德還需要一根足夠長、足夠結實的棍子。而這跟棍子的生產難度遠高于尋找支點的難度。其中，最大的難度在于材料。以棉麻編制為繩，數百米就會斷裂；以生鐵鍛造為棍，難以支撐數千米的長度；以合金為材，也不能確保數萬米不斷。
可以說，材料是人類文明前進的重要標志，也是科學技術發展的必備元素。在醫療領域，醫療行業發展的其中一個重要里程碑就是生物醫用材料的突破。從醫用棉絮、醫用金屬到醫用高分子材料，生物醫用材料的每一次突破都帶來了行業大變革，催生了新的醫療器械，也讓傳統醫療器械煥發新生。
據了解，生物醫用材料已成為醫療器械行業的基礎，其產品約占醫療器械市場的40%。全球市場研究機構MarketsAndMarkets發布的數據顯示，2019年全球生物材料市場規模為1051.8億美元，預計2024年將增長到2066.4億美元。
目前，我國在中低端生物醫用材料市場上已占據主動。例如，聚烯烴作為應用最多的一類醫用塑料，常被用于醫用導管、輸液容器、包裝材料、注射器等領域。在聚烯烴材料市場，國內企業占據主流。其中，蘭州石化開發生產的醫用聚烯烴在國內輸液瓶、可立袋等領域市場占有率達到70%。
但是，我國在高端市場十分依賴進口，極為被動。例如，聚醚醚酮（PEEK）是一種高端醫用植入材料，已廣泛應用于整形外科、骨科、心血管等領域。截止目前，PEEK材料進入中國已接近20年，但國內器械企業長期使用的植入級PEEK材料仍均為進口。
從全球看，生物醫用材料市場被發達國家高度壟斷。強生、美敦力、捷邁邦美、史賽克、貝朗、庫克等市占率前三十的企業占據了全球生物醫用材料70%以上市場。
針對此種情況，工業和信息化部、國家藥監局聯合開展生物醫用材料創新任務揭榜掛帥工作，從政策、融資、商業化等多維度支持生物醫用材料的研發及應用。
近期，《生物醫用材料創新任務揭榜掛帥（第一批）入圍揭榜單位》公示，上榜單位既有中石化、中石油、西北有色院、貴研鉑業、有研億金等國家隊選手；又有北京化工大學、北京科技大學、華南理工大學、北京大學口腔醫院、北京積水潭醫院、右江民族醫學院附屬醫院等高校和醫院；還有大博醫療、春立醫療、唯柯醫療、阿邁特、博雅邁特等創新企業，共計74家單位。
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據介紹，這些上榜單位具備較強創新能力，將聚焦我國目前尚處于落后地位的三大方向材料。
其中，醫用高分子材料是第一大方向，包含聚氨酯、醫用聚醚醚酮（PEEK）、醫用級高分子量聚L-丙交酯-己內酯（PLCL）、超高分子量聚乙烯等。這些高分子材料主要用于生產人工血管、覆膜支架、人工關節、椎間融合器、可吸收縫合線、球囊導管、血液透析器、體外膜肺氧合機等醫療器械。
PLCL就是一種具有良好生物降解性和生物相容性的高分子材料，在心血管支架、人工關節、椎間融合器、心臟瓣膜、醫美、創面修復、補片、神經修復等領域有著重要應用。但目前，我國醫用級高分子量PLCL主要依賴于進口。
醫用金屬材料是第二大攻關方向，包含鈦、鎳、鉑、鎂等金屬材料，如超薄鈦、超細鈦絲、鎳鈦合金管材等。在應用上，心臟起搏器、心臟瓣膜、神經刺激器、神經血管導絲、血管支架、人工關節、骨科植入器械等醫療器械產品均需使用醫用金屬材料。
例如，可降解鎂合金作為生物相容性好、可降解性強、重量輕、強度高、塑性好的新興金屬材料，目前是心血管支架、骨科植入物等醫療器械應用的熱點。
無機非金屬材料是第三大攻關方向，包含雙相磷酸鈣（BCP）陶瓷、義齒微晶玻璃、氧化鋯復合氧化鋁、再生修復用生物玻璃等材料。資料顯示，無機非金屬材料主要用于仿生復合骨支架、義齒、骨缺損填充及修復材料等醫療器械的生產。如BCP陶瓷廣泛應用于口腔種植、骨支架材料、藥物緩釋載體等領域。
生物醫用材料是生產醫療器械不可或缺的要素。基于醫療器械的特殊應用場景，生產醫療器械的材料較其他用途的材料具有更高、更嚴的要求。
例如，聚醚醚酮（PEEK）具有耐化學腐蝕、耐輻射、耐高溫、機械強度高等優異的物理和化學特性，起初應用于航空及國防領域，后迅速受到醫療行業青睞。
但是，用于航空或國防的傳統PEEK材料無法直接用于生產醫療器械，因為合成后的PEEK原料含有許多有毒助劑及各類副產物，這些物質對人體有著較大的毒性。因此，企業需要對PEEK原料進行純化，將殘留雜質去除，才可將其制成醫用級PEEK材料，用于醫療器械的生產。
PEEK材料的性能優異，還可用于生產心臟瓣膜、人工關節等植入類醫療器械。不過，這需要將醫用級PEEK材料升級為植入級PEEK材料。植入級PEEK材料除了要滿足醫用級的全部標準外，還需更嚴格的生物相容性要求，如全身毒性、遺傳毒性、致癌性、血液相容性、植入反應等。
與醫用級PEEK材料類似，其他生物醫用材料也有著極高的技術門檻，并需要較大的資金投入。然而，在生物醫用材料的下游，由于醫療器械種類豐富，每種產品的用量均不大，使得生物醫用材料細分市場規模較小。
更重要的是，一種材料在生產不同醫療器械時需要針對不同的性能要求對材料進行特別定制，這使得相關企業需具備較高的技術要求，且不同材料間的技術壁壘也十分巨大。
可以看到，生物醫用材料行業存在較高門檻及諸多痛點。但是，國內的創新企業和科研單位仍希望研制出國產的高端生物醫用材料。
例如，國內創新企業阿邁特已聯合復旦大學、中山醫院、安貞醫院、中國食品藥品檢定研究院、科澤新材料公司等單位合作研發醫用級高分子量聚L-丙交酯-己內酯（PLCL），并成功申報“生物醫用材料揭榜掛帥項目”。
同時，心腦血管領域創新企業唯柯醫療也在研發鎳鈦合金薄壁管材，這種高端創新材料具有優異的生物相容性和力學性能，并具有超彈性和形狀記憶特性，可用于生產血管支架、介入導管、內窺鏡、骨鉸刀等醫療器械。還有博雅邁特，作為國內掌握核心技術的領先口腔材料研發企業，其正在研發應用于制備小直徑牙種植體的超細鈦絲（該材料本質上是一種納米晶純鈦）。
不僅是上述創新企業，中石化、中石油、有色金屬企業等也在布局高端生物醫用材料。其中，中石化旗下公司揭榜了超高分子量聚乙烯、聚乙醇酸、環烯烴聚合物等醫用高分子材料；西北有色金屬研究院揭榜了超細鈦絲、鈷鉻合金管材/棒材/絲材、鎳鈦合金管材等醫用金屬材料；華南理工大學、上海市肺科醫院分別揭榜了再生修復用生物玻璃、四氧化三鐵納米顆粒等無機非金屬材料。
目前，這些企業都在加速生物醫用材料的研發。不過，這并不容易。
生物醫用材料的研發有多難？有的企業因為缺乏專用實驗設備而無從下手，有的企業因為缺少資金而停滯不前，有的企業則因為缺乏核心技術及頂級人才而無法研發出符合標準的材料……
專用設備、資金、技術、人才、資質等多重因素均是生物醫用材料領域的難題，需要相關企業一一攻克。
第一，專用設備是研發高端生物醫用材料首先要解決的難題。唯柯醫療研發經理孫明表示：“生物醫用材料的研發需要專門的實驗環境和設備，如GMP潔凈車間、細胞培養室、無菌檢測室、生物安全柜、分子生物學儀器、真空熔煉爐、電化學表面處理設備等。這些設備與廠房設施的購置和維護都需要大量的資金和人員投入，且很多設備還是非標設備，需要根據產品的特性量身定制，增大了企業的獲得難度。”
例如，聚甲基戊烯（PMP）具有良好的氧氣通量和氮氧選擇性，低溶出及生物安全性，是“救命神器”ECMO的關鍵材料之一。在生產中，聚甲基戊烯（PMP）的合成與傳統聚烯烴類似，可以通過齊格勒-納塔催化劑催化的配位聚合得到。但是，國內關于PMP的研究還比較少，主要原因就是國內缺乏PMP相關工業裝置，限制了該種材料的研發創新。
第二，資金問題也是相關企業必須解決的難題之一。有業內人士表示：“從實驗室研究到工業化生產，生物醫用材料研發生產中的每一環節都需多次試驗和改進，這必然耗費大量資金。同時，一部分實驗原材料的價格極為昂貴，相關材料的采購、儲備及加工均需投入大量資金。”
而生物醫用材料行業由于存在“大產業、小行業”特性，以往對社會資本的吸引力較低。幸運的是，目前，在政策支持、技術突破、應用場景擴展等多種利好因素下，越來越多的投資人開始關注到上游，關注到生物醫用材料行業，并從中找尋優質項目，提供真金白銀，支持國內生物醫用材料行業發展。如美柏生物、青昀新材、眼得樂、柏垠生物等創新材料企業均在2023年取得新一輪融資。
第三，核心技術是生物醫用材料行業的最大難題。例如，唯柯醫療創新研發的鎳鈦合金是一種具有形狀記憶效應的金屬材料，制備工藝和加工技術難度較大，需要進行精確的成分控制和熱處理及拉拔工藝以確保其優良的性能。而國內大多數企業在鎳鈦合金制備和加工方面的技術積累不足，使國產鎳鈦合金在質量和性能上難以達到國外同類產品水平。
鉭粉在醫療3D打印中前景廣闊，但鉭作為難加工的金屬材料，熔點很高，加工難度大。鉭的去雜提純、錠坯制備、熱加工成型、合金化等環節均有極高的技術要求，沒有長期的技術積淀很難開發出高水平的產品。同時，不同客戶對鉭的物理性能、化學雜質、組織結構的需求不同，需要相關企業對冶金、制造技術進行創新性研發。
納米晶純鈦的制備也存在較大難度，其他相通領域企業還無法實現高強度純鈦棒材的制備。博雅邁特聯合創始人程寶忠表示：“與其他金屬相比，純鈦的晶體結構為密排六方，滑移系不足，在大塑性變形加工過程中變形抗力極大且極易開裂，在納米化過程中需要多道次的大塑性變形。另外，還有棒材尺寸長，變形死區、晶粒異常長大等問題需要逐一攻克。”
與金屬材料一樣，高分子材料同樣存在巨大技術難點。以聚L-丙交酯-己內酯(PLCL)為例，阿邁特表示：“要做到高分子量的PLCL具有較大技術難度，需要從單體、反應釜等多方面進行控制。除了研發外，創新材料的規模化生產也有著較高的技術難度。”
除上述難題外，生物醫用材料還存在人才稀缺、資質要求高、供應鏈等難題。人才方面，生物醫用材料作為技術驅動型行業，其快速發展需要大量技術工人做支撐。尤其是在沖刺高端的緊要關頭，需要大量高級研發人員及高級技工。但目前，高級人才在我國仍屬稀缺。
資質方面，國家對有色金屬、化工原料等管控嚴格，需要相關企業取得特定資質，才能夠加工、生產。供應鏈方面，部分創新材料所需的初級原料大部分來自海外，如鉭鈮產業所需的初級原料鉭鈮礦石90%以上來自海外。若沒有穩定可靠的原料供應渠道，相關企業的生產經營將受到較大影響。
總的來看，生物醫用材料存在技術難度大、進入門檻高、資金投入多、專用設備研發或采購困難等問題。而相關企業需解決上述所有問題，才能夠研發出符合市場需求的創新材料。
雖然生物醫用材料行業技術難度大，進入門檻高，但國內創新企業并未放棄，而是迎難而上，加大研發。
截至目前，一部分領先的創新企業已針對各個難點找到對應解決方案，并根據創新材料設計出可落地應用的創新醫療器械。
其中，阿邁特從七年前開始和復旦大學材料系合作國產化PLCL材料，如今已經突破了多個關鍵技術，如其采用新的單體預處理新技術將每種單體純度提升至99.5%，滿足了醫用級高分子量PLCL共聚合成的工藝要求；其突破PLCL規模化合成新技術，正在進行5個系列不同配比組成的PLCL共聚物開發，以滿足不同的臨床需求。
目前，阿邁特與復旦大學材料學院合作開發的PLCL95/5聚合物已完成小試，并對其進行了表征。由于分子量更高、韌性更好，PLCL95/5聚合物可以用于制備一些對力學性質和降解周期要求更高的產品，如新型可降解冠脈支架。
值得一提的是，阿邁特已和北京安貞醫院周玉杰教授和積水潭醫院劉巍主任合作開展了新一代可吸收PLCL冠脈支架的研究。
另一家實現技術突破的是唯柯醫療，其創新研發的鎳鈦合金薄壁管材滿足并超越醫用鎳鈦合金材料的國際標準，生物相容性也將完全滿足GB16886《醫療器械生物學評價》系列標準要求。
目前，唯柯醫療計劃通過表面處理技術，使材料改性處理后優于現有市售材料。唯柯醫療還計劃改進現有鎳鈦合金薄壁管材的加工工藝，確保使用該管材制作的支架通過4億次循環的疲勞試驗后無結構性破壞。
此外，博雅邁特針對納米晶純鈦加工過程中的問題，綜合采用模具設計、工藝參數優化、模具材料及潤滑劑優選等多種手段一一解決。目前，博雅邁特研發團隊已實現納米晶純鈦的小規模制備，與國際先進的小直徑牙種植體采用的Ti-15Zr合金強度接近。
博雅邁特表示：“與國內外種植體產品相比，公司擬開發的小直徑牙種植體直徑由常規種植體的4.4mm減小到3.3mm以下，可使患者避免骨增量手術、減小植入創傷。同時，由于高性能納米晶純鈦的應用，種植體的結構強度和疲勞壽命將顯著提高，可避免種植體折裂等嚴重臨床事故。另外，納米晶高活性表面和獨特的噴砂酸蝕工藝結合，將大幅度提高骨結合能力，保證種植體的初期穩定性和長期穩定性。”
總的來看，在國家政策大力支持、國內企業加強研發、核心技術持續突破的情況下，我國生物醫用材料行業正從低端向高端轉型，并逐步實現高端生物醫用材料的國產化。
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