■本报记者 周晓艳 2020年，习近平总书记在主持召开科学家座谈会时提出，科技事业发展要坚持“四个面向”——面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求、面向人民生命健康，不断向科学技术广度和深度进军。生物医用材料是研究人工器官和医疗器械的基础，是人类生命与健康的守护者，也是当代材料学科的重要分支。医用金属材料占所有生物医用材料比重超过40%，特别是在骨科和心脑血管领域应用更为广泛。

应运而生的医用金属材料山西省重点实验室（以下简称“实验室”）以太原理工大学为依托单位，于2021年11月获批筹建。针对金属基生物医用材料制备、加工和应用中存在的关键科学与技术问题，充分发挥太原理工大学在山西省生物材料研发领域的人才、科研条件、研发基础、国内外交流能力以及在行业的影响力优势，充分调动相关领域的科研力量，立足山西，面向全国，针对金属基生物医用材料领域，开展创新性研究，获取原创性成果，提升自主创新能力，促进我省经济转型升级，推动科技进步和经济社会发展。

科技赋能“智造” 打造亮眼“名片”

“我们实验室以临床需求为导向，聚焦医用金属材料关键科学和技术问题。”实验室主任、太原理工大学研究生院院长姚晓红告诉记者，实验室对钛基合金/锌基合金等硬组织植入材料进行研制，揭示宿主和材料相互作用机制，通过材料学、化学、生物学、医学、力学等多学科交叉融合，建立医工科技合作高水平研发机制，培养高层次人才，产出高水平研究成果，建成具有区域特色的省内一流，国内有影响力的高水平研发平台。

为了适应时代的发展和社会的需求，实验室开发了先进的钛合金表面改性技术，探索表面改性层的骨免疫调节能力、血管新生诱导能力和成骨诱导能力，明确材料表面特征对巨噬细胞炎症反应和极性的调节作用，揭示巨噬细胞分泌物和材料表面物理化学性质两因素对成骨和成血管相关细胞功能的影响规律，研制具有新型表面结构功能的骨科植入材料。

在生物可降解锌基合金方面，实验室通过粉末冶金方法，开发可降解锌-镁合金、锌-铁合金和锌-铌合金，明确不同合金元素对锌合金组织结构影响，建立合金成分、组织结构、降解速率和生物相容性对应关系。同时通过在植入体表面构建激光、超声波响应功能涂层，研究外源辅助下植入体表界面热、活性氧等响应能力，探讨不同机制在抗菌过程中影响权重，阐明协同耦合抗菌机理，开发具有优良抗感染能力表界面。

为了打造生物医用3D打印材料，实验室研究人员还通过对天然凝胶、合成凝胶、树脂、硅胶、聚氨酯等材料的修饰和加工，开发可用于光固化3D打印的高分子材料，并改性使该类材料既具备3D可打印性，同时又能保持良好的生物相容性、组织等效性、强韧性等性能，实现光固化3D打印柔性材料的多功能化，形成光固化3D打印柔性材料的产业链（上游产品是系列光敏生物医用“墨水”材料，下游产品是通过打印该材料而个性化定制的各类生物医学器件）。通过对这些领域的深入研究探索，进一步完善构筑了实验室研发核心，同时也为实验室的未来发展打下了坚实基础。

发力基础研究 领跑原始创新

伴随科学技术的发展及医疗水平的提高，人类平均寿命普遍延长，全球人口老龄化日益明显，骨科相关疾病的发病率和假体置换的医疗需求持续增长。然而，钛基植入材料骨整合能力不足及术后的细菌感染问题长期困扰医患双方。

针对钛植入体骨整合能力不足问题，实验室提出基于骨整合过程进行植入体表面设计，以同时提升骨整合炎症反应阶段巨噬细胞、血管新生阶段内皮细胞和新骨生成阶段骨髓间充质干细胞的功能，通过多细胞协同促进骨整合。与未经表现处理的钛植入体相比，采用各种表面处理技术在其表面开发的系列涂层，可同时提高上述细胞的功能，动物体内的骨整合能力提升了50%以上，并探明了钛植入体表面促进骨整合的机制。

针对植入体术后感染问题，实验室通过优化和改进现有表面处理技术，在钛基植入材料表面设计并构建了一系列近红外光/超声波智能响应纳米涂层，揭示了外源辅助下热/催化与其它抗菌模式如纳米结构穿刺、中药抗菌剂及NO气体抗菌剂对细菌协同作用机制，发现其抗菌机理不再是单一抗菌模式简单叠加，可从多方面耦合协同与细菌作用，快速杀菌，同时减轻或避免了单一抗菌模式引起的危害，实现植入体术后原位、安全、高效抗感染功能，并有效促新骨生成。

实验室的上述研究成果，在Biomaterials、Bioactive Materials及Small等生物材料领域权威学术期刊上发表文章100余篇，多篇入选ESI高被引论文，并获山西省自然科学奖二等奖5项。

面向临床应用 推动成果转化

“介入心脏病医生在以导管为基础的干预过程中，不能直接直观或触诊心脏的解剖结构，主要依赖成像来理解复杂的解剖结构。”提起医用材料，必然跟临床脱不了干系，姚晓红为记者举了例子，“例如经导管主动脉瓣置换术，是一种微创瓣膜置换手术，它通过介入导管技术，将支架与人工心脏生物瓣膜在体外压缩后输送至主动脉瓣位置，从而完成人工瓣膜植入，恢复瓣膜功能。”3D打印技术的出现，可以根据影像数据，通过计算机建模，打印出实体主动脉根部结构模型，展现给手术医生，不仅能立体多层面地展示主动脉、冠脉开口、主动脉瓣环、瓣叶、窦部、左室流出道的形态和病变情况，还可以供医生进行动态体外模拟和操作，很好地解决了传统评估报告不够立体形象的问题。然而，目前该应用场景的痛点是缺乏合适的3D打印材料。

基于此，实验室设计和构建一类可打印出术前模型的光敏凝胶新材料，该材料具有可个性化定制、高强韧性、组织等效性和良好生物相容性的特性。

“目前，我们已经与西京医院、北京阜外医院、山西省心血管医院等单位开展心血管术前模型个性化定制的合作。”姚晓红说，实验室所开发的材料，在放疗辅助器件和术前模型两个应用领域的转化，将对保障人民生命健康、培育新的经济增长点和实现我省“十四五”高质量转型发展都具有重要意义。

开展合作交流 培育优秀人才

实验室致力于对国内外开放，与澳大利亚、德国、加拿大、英国、日本等国家及我国香港地区的大学和科研机构建立了长期稳定的学术交流和学术互访关系，与北京大学、中科院深圳先进技术研究院、西安交通大学、天津大学、华东理工大学等院校生物材料相关的实验室积极交流、合作，密切关注领域前沿动态。实验室注重产学研合作，与山西医科大学、山西省心血管医院、山西医科大学第一、二附属医院及太原市恒伦口腔医院有限公司就具体临床问题开展合作研究。

实验室凝聚了一支老中青相结合、知识结构和年龄结构合理、学术水平高的医用金属材料研发团队。团队现有成员28人，其中教授7人，副教授13人。实验室每年培养博士研究生5~7名，硕士研究生40~50名，多人获得省级优秀学术论文及国家奖学金。毕业的研究生多人进入上海大学、中科院深圳先进技术研究院、山西大学、山西医科大学、山西白求恩医院及中北大学等高校及科研单位从事教学科研工作。

近几年，在姚晓红的带领下，实验室承担了包括国家自然科学基金在内的省部级以上科研项目50余项，授权国家发明专利近40余项。

百年新征程,奋进新时代。姚晓红表示：“在未来建设期内，实验室将针对临床实际问题，通过深化与山西医科大学附属医院及相关医疗器械企业等的合作，构建新的经费投入、项目承担、资源聚合、成果共享新机制，进一步完善科学研究工作的基础条件，建成生物医用材料设计与开发设施齐备、功能完善、共享共用的研发体系，形成1-2个产、学、研创新基地，培养高层次创新人才，培育新兴学科体系，产出一批具有重大带动和影响的创新成果，服务我省产业转型发展。”