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成型工艺与装备

生物医用复合材料的成型工艺与装备取决于复合材料的主要组成材料，其成型工艺主要包括原料复合模压、静压、高温烧结、等离子烧结及冷冻干燥、静电纺丝、表面处理、增材制造等，涉及的装备有各种等静压、高温煅烧炉、低温冰箱及冷冻干燥仪、等离子喷涂和磁控溅射仪、热喷涂、静电纺丝、电化学沉积和生物3D打印等设备。

结构设计与验证方法

生物医用复合材料的结构设计已经从传统的单纯强调提高理化性能向高仿生结构、高生物活性和生物可降解吸收发展，从传统的功能置换向诱导组织和器官再生和重建发展，因此材料表面界面活化修饰设计及支架材料的组织诱导性设计仍将是生物医用复合材料未来发展的方向，随着研究的不断深入，构建类组织器官的微观结构模拟体内环境、功能模块化构建、复合支架材料分级仿生构建、个性化复杂结构的3D打印的支架材料逐渐成为生物医用复合材料结构设计的重要方向。其验证方法从复合材料的理化性能、生物相容性表征和临床试验前的动物实验延伸到诱导组织和器官再生及重建的细胞和分子机制研究。

应用案例

以软骨组织工程材料为例。因创伤或病变导致的各种软骨损伤是临床骨科最常见的病症，严重影响患者的日常生活。目前，临床治疗软骨损伤的主要方法包括骨髓刺激、自体软骨移植和组织工程软骨植入等。然而，这些治疗方案均存在一定的局限性，难以获得理想的修复效果。

图1 软骨组织工程示意图

图2 生物医用复合材料组织工程软骨—人造耳

软骨组织工程被公认为临床软骨损伤治疗的理想技术（如图1、图2所示）。由于关节软骨组织无血管、神经和淋巴组织，因此，软骨组织工程的核心问题和关键技术在于仿生设计和制备具有类似天然软骨组织ECM结构和特性的组织工程支架，调控和促进MSCs在支架上的粘附、增殖和软骨分化。软骨组织工程支架不仅要具有良好的生物相容性、可吸收降解性和多孔的三维结构，从而为种子细胞提供类似天然软骨组织ECM的微环境；还必须具有足够的力学强度，以满足组织工程软骨从体外到体内的移植操作及植入体内后维持再生组织完整性等要求。

软骨组织工程支架材料绝大多数由生物医用复合材料构建而成，其结构形式主要有水凝胶、海绵状多孔支架、纤维网络支架和脱细胞组织支架等，涉及冷冻干燥法、化学交联、静电纺丝和3D打印等技术工艺。

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文章节选自《复合材料学科方向预测及技术路线图》-第四章 功能复合材料

注：按姓氏拼音排序

章节负责人

彭华新  教授       浙江大学

秦发祥  研究员    浙江大学

编写组主要成员

党智敏  教授       清华大学

郭万涛  研究员    中国船舶重工集团公司第七二五研究所

冷劲松  教授       哈尔滨工业大学

刘彦菊  教授       哈尔滨工业大学

王欣宇  教授       武汉理工大学

杨继萍  教授       北京航空航天大学

查俊伟  副教授    北京科技大学

审核专家

李毕忠  研究员    北京协同创新研究院