未来健康：新兴生物材料

组织策划 宣传推广 美国化学文摘社：马清扬，张金颖，Peter Carlton,Peter Jap, Tina Tomeo, Erica Brown, ChrisCotton 西湖大学：施一公 黄嘉兴 美国化学文摘社：Manuel Guzman, GillesGeorges, Michael Dennis, Craig Stephens,Dennis McCullough, Dawn Riedel, Dawn George,马清扬 项目管理 西湖大学：詹御涛 汪馨宁 美国化学文摘社：余敏，郑立，Jennifer Sexton,Christopher Barbosky, Dharmini Patel, SabrinaLewis 项目研究西湖大学：詹御涛 汪馨宁 肖文 美国化学文摘社：周琼琼, Kevin Hughes, 许家玮，Rumiana Tenchov, Julian Ivanov, 邓毅, Eva Nesbit,Robert Bird, Janet Sasso, Leilani Lotti Diaz 咨询专家组西湖大学：程建军 朱博文 郭成辰 王怀民 王蕾张越 ACS International India Pvt. Ltd: Kavita Iyer,Krittika Ralhan, Magesh Ganesan, SaswataBanerjee, Ankush Maind 致谢 本报告撰写过程中得到了西湖大学高梦华、姚远、靳然和杨子杰等人的帮助，在此表示衷心的感谢! 概要 健康是人类生存的基石，也是高质量生活的关键。因此，这一领域的研究代表了全球对更健康未来的美好愿景。更加美好的未来应当是一个更加健康的未来。然而，不断变化的社会和地球环境带来了各种各样的健康挑战。新冠肺炎等传染病的快速传播和环境污染等问题严重威胁着人类福祉。现代生活方式加剧了慢性疾病和心理健康问题的风险。应对这些共同的健康挑战已成为全球当务之急。 材料对我们的生活品质有着重要影响，从日常消费品到复杂的医疗设备及手术材料，创新的材料不断改善着人类的健康状况。材料科学通过提供先进的医疗设备、改善药物传递系统、创新诊断工具，以及开发智能监测和可持续材料等，为公共卫生和个人健康提供了强大支持。材料科学的进步已成为推动健康发展的关键因素，未来人类健康的改善将更加依赖于材料科学的创新与发展。新材料的研发和应用推动着健康产业的发展，并将孕育新的未来产业，加速形成新质生产力。 本报告是西湖大学未来产业研究中心与美国化学文摘社CAS（隶属美国化学学会）的联合研究成果，报告对生命健康相关的材料发展态势进行了研判。西湖大学未来产业研究中心是首家由国家批准设立、前瞻谋划未来产业的科研机构，重点聚焦生命原理及未来医药、分子智造与功能、未来材料设计及创造等领域，致力于以基础科学研究和前沿技术突破催生未来产业，将促进人类健康福祉作为其核心使命之一。CAS凭借其丰富的科学家团队、庞大的索引内容合集以及先进的数据分析能力，能够对科学趋势全景提供深刻见解。西湖大学未来产业研究中心和CAS组织合作探讨了材料在应对人类健康挑战中的作用，旨在揭示材料未来的发展趋势，为相关科研和产业发展提供前瞻性见解，并在科学、产业和投资界引发深入讨论，促进广泛交流，共同为人类应对健康挑战、构建美好生活贡献力量。 目 录 概要 一、导言··············································································1二、抗细菌材料······································································4三、脂质材料 ·······································································27四、生物墨水·······································································50五、可编程材料·····································································73六、蛋白质材料·····································································98七、自愈合材料····································································118八、生物电子材料··································································141九、用于生物医学应用的可持续材料 ··············································167十、结论···········································································192十一、研究方法····································································195 一、导言 1．比较期刊和专利发表数量的增长情况，作为衡量领域研究、开发和商业化兴趣趋势的指标。2．期刊发表领先的研究机构。3．领先的专利权人及其地理分布。4．按地域划分，专利发表的时间趋势。5．提交专利族的首次专利申请，以及专利族后续国家申请的流向。 回望二十年，生物材料的研究与开发飞速增长。这些材料旨在与人体相互作用，发挥其诊断和治疗功能，有望彻底改变医疗卫生领域的局面。本报告涵盖材料众多，包括能够支持抗肿瘤药物靶向肿瘤细胞并释放药物有效载荷的材料；被切割或剪断后自行愈合的材料；随时间推移被人体安全吸收的植入式器械材料以及导电、柔软、可拉伸的材料，用于制造动态人体组织和精密电子设备之间双向电子接口的复合材料等等。 随后，本报告介绍和讨论了每个主题领域中使用的材料及其关键应用。在整个讨论中，列举代表性文献以进一步阐释该主题领域中的显著性趋势。文中大多数章节提供额外的数据，便于探讨与相应章节特别相关的主题（例如，自愈合材料章节包含用于提供自愈合特性的化学机制分类）。 本报告之所以能呈现前所未有的深度与广度，得益于西湖大学与化学文 摘社在跨学科领域专业知识的有效动态整合，以及“CAS内容合集”的强大支撑。该数据库作为全球最大的人工整理科学数据库，包含化学、生物医学、材料学等领域的5,900多万份期刊和专利记录，并由相关领域专家分析，揭示了其中讨论的物质、化学反应和科学概念。 为了突出近期创新生物材料的研究示例，各章节均包括2018—2023年8月知名期刊文章和专利发表的列表。这些示例的选择基于数据分析，并综合考虑期刊影响因子、引用次数和专利权人等相关指标。最后，本报告识别分析了每个主题领域面临的挑战和难题。 本报告涉足八个新兴研究领域，并代表着生物材料领域中最活跃、快速增长的研究领域。我们选择这些领域是基于数据科学家和生物材料科学家的紧密合作与协同研究。这一过程涉及利用先进的自然语言处理方法对新兴研究领域进行识别，并根据生物材料科学家对识别结果的迭代式反馈，实现了识别结果的调整和改进。这份报告还多次经同行评审，确保其中各项发现均具有科学严谨性。 本报告提供了一系列前瞻性的见解，探索了生物材料领域的持续创新和发展。一些主题领域（如 本报告中每个研究领域都对应一个章节，每个章节均始于最新发表趋势的布局、探索和研究，并进一步就以下几方面进行深入分析： 蛋白质材料）在学术界已耳熟能详20余年，但近年来科学家仍对其显示出持续的研究兴趣。其他领域（ 如生物墨水）是相 对新兴的研究领域 且 发 展 迅速，多数研究成果都在过去5年内发表。至少有两个领域（即脂质材料和可持续生物材料）由于其在应对新冠疫情中的应用而使得科学家的研究兴趣显著增加。1,2 药物递送、伤口愈合、组织工程、植入式器械和传感器等。如今，组合、修改现有材料或发现新材料以提高上述应用的性能，以便其最终能被有效应用于临床实践是生物材料研究的重要内容。 在应用中使用的这些材料具有多种协同特性。例如，药物递送材料既具有自愈合能力，在置入体内后仍保持其物理形态，又具有刺激-响应特性，刺激在特定位置（如肿瘤或感染部位）释放药物有效载荷。3多功能生物材料也可能跨越多个应用领域，例如开发应用于伤口愈合的自愈合抗菌材料。4,5 生物材料研究的多样化既包括应用的多样化，也包括研究中使用物质的多样化。本报告中出现的一系列代 表 性物质包括天 然 衍生 聚合 物（如丝蛋白、壳聚糖和DNA）、化学改性的天然衍生聚合物、干细胞、合成聚合物（如聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸（PEDOT：PSS））、金属、合金和纳米级材料（如碳纳米管）。此外，许多主题领域呈现一个显著趋势，即通过结合多个单一物质以制造高度工程化的复合材料或混合材料，这些材料可以在保持生物相容性的同时发挥复杂的功能。 总体而言，本报告旨在全面概述快速发展的新兴生物材料研究领域，并提出预期研究领域趋势的深刻洞见。此外，我们希望本报告所包含的信息能够成为参与新兴生物材料技术开发和商业化专业人士的工具书。我们的目标是通过提供基于数据的深入见解，覆盖新兴材料及其应用的潜在增长领域、所面临的挑战以及机遇，藉此有助于各界人士在不断发展的生物材料行业中做出明智的决策。 本报告中的八个新兴生物材料的重要应用包括 参考文献 (1)Patrício Silva, A. L.; Prata, J. C.; Walker, T. R.; Duarte, A. C.; Ouyang, W.; Barcelò, D.; Rocha-Santos, T.Increased plastic pollution due to COVID-19 pandemic: Challenges and recommendations.ChemicalEngineering Journal2021,405, 126683. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.126683.(2)Tenchov, R.; Bird, R.; Curtze, A. E.; Zhou, Q. Lipid Nanoparticles-From Liposomes to mRNA VaccineDelivery, a Landscape of Research Diversity and Advancement.ACS Nano2021,15 (11), 16982-17015.DOI: 10.1021/acsnano.1c04996.(3)Wu, M.; Chen, J.; Huang, W.; Yan, B.; Peng, Q.; Liu, J.; Chen, L.; Zeng, H. Injectable and Self-HealingNanocomposite Hydrogels with Ultrasensitive pH-Responsiveness and Tunable Mechanical Properties:Implications for Controlled Drug Delivery.Biomacromolecules2020,21 (6), 2409-2420. DOI: 10.1021/acs.biomac.0c00347.(4)Zhao, X.; Liang, Y.; Huang, Y.; He, J.; Han, Y.; Guo, B. Physical Double-Network Hydrogel Adhesi