揭示生物材料十大新兴趋势，CAS、西湖大学联合发布洞察报告
近日，美国化学文摘社（CAS）与西湖大学 (Westlake University) 合作发布了“最值得关注的十大生物材料”洞察报告。这份报告重点介绍了水凝胶、抗菌药物、脂质纳米粒、外泌体，生物墨水，可编程生物材料，蛋白质基材料，自愈生物材料，生物电子材料，可持续生物材料的最新进展，它们正在重新定义生物材料的未来。本报告揭示了生物材料涉及的众多行业和学科所面临的新机遇、新趋势和主要挑战。
过往几十年当中，由于生物材料所具备的出色适用性，科学界对生物材料的研究呈现出快速且多样化的趋势，开发出越来越多种类的生物材料。
生物材料包括天然材料和合成材料两大类。胶原蛋白、丝蛋白和纤维素等属于天然生物材料，而聚合物、金属、陶瓷和复合材料等属于合成生物材料。
本报告采用了CAS内容合集与大数据分析方法。CAS内容合集是目前最大的人工整理与标引的科学知识集合,是访问和了解目前世界上最新与最完整的跨学科科学的文献资源，覆盖化学、生物医学.工程、材料科学等学科。
我们在本报告中确定了十种最具前景的生物材料类型。我们将介绍这些材料在期刊和专利上的出版趋势，展现其多样化的应用，并揭示特定性质或材料快速发展的原因。我们的目标是全面概述这些领域的发展现状，并为未来的科研方向提供有价值的洞见。我们相信，这份报告将为研究人员、机构、甚至企业家和投资者们提供有益的引导，帮助他们进行战略规划，并进一步激励他们在这一领城的投入。
1.水凝胶
水凝胶是由三维聚合物网络组成的软材料，可以吸收和保留大量的水。他们是亲水性和多孔的，表现出交联结构和无限分子量，并且不溶于水。在过去的二十年里，水凝胶因其广泛的应用而引起了研究人员的极大关注。
2.抗菌材料
抗菌药物是用于杀死微生物的制剂，根据它们所针对的生物体类型，它们被归类为抗生素、抗真菌药物、抗病毒药物和抗寄生虫药物。每类抗菌药物都有自己的一套挑战。在过去十年左右的时间里，抗菌素耐药性迫在眉睫，并被世界卫生组织（WHO）认定为“全球健康和发展威胁”和“人类面临的十大全球公共卫生威胁之一”。
3.脂质纳米颗粒
脂质纳米颗粒（LNP）是指被脂质双层膜包围的纳米颗粒。LNPs的主要应用之一是高效输送疏水性或亲水性药物的药物输送平台，包括小分子和各种复杂的生物制品，如作为目标细胞的蛋白质和核酸。最近成功地将脂质纳米颗粒作为COVID-19 mRNA疫苗的重要成分，它们在有效保护方面发挥了关键作用将mRNA输送到细胞，增强其在药物输送中的适用性。
4.外泌体
外泌体是纳米大小的（直径~30-150纳米）细胞外囊泡，被脂质双层包围。它们由大多数真核细胞分泌，能够促进细胞间通信，通过将包括蛋白质、核酸和脂质在内的生物活性货物转移到靶细胞。除了在细胞间通信和信号转导中的作用外，外泌体对于支持和重塑细胞外基质、产生免疫反应、组织稳态和再生也至关重要。它们还参与了癌症、神经退行性和心血管疾病等疾病的发展。
外泌体的独特特性——先天稳定性、低免疫原性、生物相容性和良好的生物膜渗透能力——使它们能够作为卓越的天然纳米载体发挥作用，以实现高效的药物输送。它们穿越血脑屏障的能力使它们成为大脑的理想输送工具。此外，外泌体在临床诊断中也很有利，因为它们含有来自宿主细胞的各种生物分子，这表明了病理生理条件。然而，外切体生物发生是一个复杂的过程，已经确定了各种途径。
5.生物墨水
Bioinks是指主要用于三维生物印刷（3DBP）的任何天然或合成材料，主要以含有细胞的水凝胶的形式。生物墨水材料的制造允许在所需的生物和生化环境中创建复杂的生物结构。3DBP使制造具有理想特征的仿生支架，并控制细胞和其他生物材料的空间组织，以模仿自然组织/器官。理想的生物油墨材料应具有关键特征，如高机械鲁棒性、生物打印性、不溶于细胞培养基、以与组织再生相匹配的速度可生物降解、低免疫原性和低细胞毒性。此外，它应该促进细胞粘附。因此，已经制备了许多生物材料，用于再生医学和组织工程。
6.可编程生物材料
可编程生物材料是动态生物材料，可以根据用户信号输入来响应刺激或通过感知其周围环境的变化来改变其特性和形状。对可编程生物材料的兴趣，这些材料被认为是下一代生物材料，已经获得了势头。
7.蛋白质基材料
基于蛋白质的生物材料，如作为丝绸、胶原蛋白、纤维蛋白、角蛋白、弹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。虽然与期刊出版物相比数量较少，但专利出版物多年来也稳步增长。这些上升趋势加上高出版数量表明，研究人员对该领域的兴趣越来越大。
8.自愈生物材料
具有治愈长期机械磨损（通常作为正常/常规使用的一部分）造成的轻微损害的材料被称为自愈材料。这种独特的自我修复能力很有吸引力，因为它延长了材料的寿命，消除了维护和更换的要求，并减少了浪费。在生物医学领域，这转化为持续的功能性能。医疗植入物、脚手架、设备和生物传感器。在过去的二十年里，自愈生物材料领域稳步增长。
9.生物电子材料
生物电子学是指可以集成到生物系统中的设备和植入物，比如人体。对医疗保健的持续需求，特别是老年人和患者，需要开发此类系统。生物信息数字化和监测是比传统方法更有效的方法，同时也促进了实时监测和数据分析。这些设备范围从智能手表、传感器、医疗保健环境中使用的监控设备等可穿戴设备到植入式监控设备。要使材料成为这些设备的一部分，特别是那些植入的材料，需要独特的特性，如生物相容性和柔软性。
10.可持续生物材料
全球约9-13%的固体废物由高分子量化石塑料组成。包装行业是全球塑料废物的最大贡献者。塑料是一种有毒且不可生物降解的污染物，对环境构成威胁，在水和土壤中长期存在，并造成通常被称为“白色污染”。此外，用于增强塑料特性的化学品的释放进一步加剧了其对生物体健康的不利影响。
COVID-19大流行更是导致口罩、手套和防护服等一次性个人防护装备(PPE) 的消耗剧增。这场大流行带来经验教训之一，就是为个人防护装备、医疗用品、实验室耗材开发可持续材料的需求变得非常紧迫。
鉴于人们对空气污染和流行疾病的关注日益增加，个人防护装备的使用变得越来越普遍。为了能在不进一步增加环境负担的情况下满足这些需求，人们正在认真审视各类可生物降解塑料的潜在应用价值。3因此，作为生产可降解的一次性口罩的潜在原材料，PLA、聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)、藻酸盐、壳聚糖、麸质和醋酸纤维素等生物降解材料，获得了新的关注。此外，由聚羟基链烷酸醋(PHA) 和生物纤维素等生物基材料制成的口罩还可通过皮肤有效地释放活性物质。
最后，塑料替代品的经济可行性是不可回避的重要因素。新材料不仅要环保，而且在广房设备建造，规模化生产和使用方面也应具备经济可行性。通过在可持续性和可负担性之间取得恰当的平衡，我们才能进行大规模地推广，进而对减少全球塑料废弃物产生重大影响。
