《新材料助力医学进步:组合式解决方案为“国产化”赋能》

  • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心—领域情报网
  • 编译者: 冯瑞华
  • 发布时间:2021-12-24
  • 作为国内创新药品、医疗器械产品的基石,新材料究竟要如何助力医学进步、并进一步实现落地和应用?

    政策端,《“健康中国2030”规划纲要》中提到,2030年,中国大健康产业规模16万亿,对比2020年的7.23万亿,年复合增长率8.3%。而在患者端,人们对创新药与器械的需求越来越大,尤其是针对癌症肿瘤、心血管疾病、慢性病等的需求量不断攀升。

    在庞大的需求下,国内医疗器械、生物医药研发的速度、质量成为产业、资本关注的重点。一批企业正积极转型升级,推动产品自主创新的能力,进一步缩小与国际前沿水准的差距。

    在这一方面,从新材料角度切入,采用“材料组合式解决方案”,可以从稳定、安全、高效的技术源头出发,更迅速地为药械创新带来巨大价值。

    生物材料推动骨科临床治疗技术发展

    随着社会现代化发展、老龄化进程的加快以及运动普及后运动损伤的增多,脊柱疾病、关节损伤、骨科创伤的发病率逐年增加。

    当前,骨科创伤治疗的一个重要发展方向是使患者能够最快得到结构修复、功能恢复。

    作为一种主要的骨科治疗产品,骨科植入式医疗器械因此受到了较高的关注度。

    相关数据显示,2020年,我国骨科植入医疗器械市场规模已达353亿元,预计2021年市场规模将达404亿元,2024年将进一步达至607亿元。与之形成对比的是,我国骨科植入物市场渗透率不足5%,远低于美国的40%~70%。

    另一方面,随着创伤、脊柱和关节等领域国家集中带量采购的结果尘埃落定,产品单一、市场份额较小、产品创新能力不足的企业将面临较大的生存挑战。骨科植入物企业要想在市场竞争中占据主动地位,就要加速产品创新和新技术开发应用,进行差异化竞争。

    数据显示,我国现有骨科植入物中游产品生产企业约350家,主要分布在北京、江苏、上海、广东等经济发达地区。而业内人士也表示,更具创新价值的可降解生物植入物已成为一些国内医疗器械领军企业的研发重点,类型包括螺钉、固定板等。

    国内医疗器械企业何以聚焦可降解生物植入物?发展空间究竟还有多大?

    骨科植入物的材料分为金属材料(比如钛、钴、铬、钼等)、可吸收高分子材料(如聚乳酸等医用生物材料)、陶瓷材料等。其中,可吸收高分子材料在体内可经过一系列酶或化学反应分解为二氧化碳、水,患者不需要经历二次手术将其取出的生理痛苦,因此正被逐步用于生产骨固定物来替代早先使用较多的钢质或钛合金产品。

    可吸收高分子材料的材料特性,包括强度、韧性、导热导热性以及生物相容性,将影响植入物的产品性能。因此,业内正不断探索并优化此类材料,其中的代表便是来自全球特种化工巨头赢创的药用聚合物RESOMER®。

    “第一代聚乳酸强度略低,降解后无菌性炎症风险较高;而RESOMER®在经过与其他单体共聚或其他无机物共混及工艺改良后,具有与类骨模量,减少炎症反应风险,且有更好的骨结合和诱导骨细胞增长。此外,由于其降解速度可调,因而能更好地与骨组织的再生速率进行匹配,从而实现完全降解吸收。”赢创中国医药健康业务线高级业务经理邓怡萱表示。

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    • 习近平总书记指出,“要把推动制造业高质量发展作为稳增长的重要依托,引导传统产业加快转型升级,做强做大新兴产业”,山西要“在转型发展上率先蹚出一条新路来”。山西省第十二次党代会提出,推动高质量发展,首要任务是经济高质量发展,重中之重是产业转型。 为此,山西持续聚焦“六新”突破,加快构建14个战略性新兴产业集群。目前,14个战略性新兴产业已初具规模,其中部分典型企业发展迅速,成绩突出。本网记者通过对这些典型企业的经验做法进行梳理报道,全方位展现产业发展现状及未来图景,为全省全方位推动高质量发展添翼助力。 生物基新材料产业 以高端化、规模化、全链条发展为方向,依托生物质资源和煤化工原料基础,以产业化技术突破和规模化应用带动生物基新材料产业量质齐升。开展合成生物学基础研究和生物基高分子新型材料、仿生材料等应用技术开发,加速合成生物产业生态园区、生物降解聚酯等重点项目建设,重点发展生物基聚酰胺、生物降解聚酯、生物碳纤维复合材料等产品,推动人源化胶原蛋白产业化,加快产品在环保、医疗、纺织、工程塑料等领域的推广应用。重点构建玉米加工—戊二胺—生物基聚酰胺—工业丝、民用丝,烷烃—长链二元酸—长链聚酰胺—特种尼龙,植物秸秆—木质素—生物树脂—生物碳纤维复合材料,农林废弃物—纤维素—乳酸—聚乳酸—生物降解塑料等特色产业链,形成生物基化学品、生物环保材料、生物医用材料3个产业集群,打造国内重要的生物基新材料产业基地。 秸秆、芒草还能做汽车、无人机配件,这不是天方夜谭。在山西生物质新材料产业研究院(以下简称“研究院”),通过对秸秆、芒草等农林废弃物进行生物炼制,可以生产出优质、安全并可降解的生物新材料,真正实现变废为宝。 研究院2018年成立,由国家重大人才工程专家领衔,致力于突破以农作物秸秆和生态修复植物为原料生产先进绿色环保新材料的新技术与新工艺,从而推动以可再生资源为基础、先进生物与新材料技术为核心竞争力的产业转型发展。 “以秸秆和芒草等可再生资源为原料,生产出高附加值、高技术含量的高端新材料,如碳纤维复合材料基体树脂、生物塑料,聚焦可降解塑料和高端树脂高成长性领域,打破技术与价格的瓶颈,为市场带来低成本、高性能、绿色环保的独家产品。”研究院院长桑涛介绍。 为解决国产环氧树脂韧性不足的“卡脖子”问题,研究院以秸秆中提炼的木质素为原料,自主研发生物树脂用作碳纤维复合材料的基体树脂,显著提升了碳纤维复合材料的机械性能,是实现国产化替代的创新型高端制造材料。产品可应用于航空航天、轨道交通、医疗器械、工业机械、体育休闲、新能源装备等高端制造业。 此外,研究院还以秸秆中提炼的乳酸为原料,首创研制的聚乳酸生物塑料,专门用于生产一次性塑料制品,可制成碗、杯子、地膜、一次性塑料制品等,废弃后可在自然条件下完全降解成二氧化碳和水,不仅在价格上与石化塑料相当,而且其大规模使用也不影响的粮食安全,是“白色污染”的有效解决方案。 据了解,2021年山西首个生物质新材料加工工厂开建。“生产的产品可广泛用于航空航天、交通运输、医疗器械、体育休闲和新能源装备等领域,取代部分石化基产品,推动实现碳达峰和碳中和。”桑涛说。 下一步,研究院将继续坚持原始创新,以市场需求为导向,积极推动科技成果转化,成立于山西、成长于山西、服务于山西,为转型发展蹚新路、为实现“双碳”目标提供山西方案。
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    • 编译者:husisi
    • 发布时间:2024-09-09
    • 集成电路技术作为信息通信行业的基础,过去几十年以来在信息获取、信息传输、信息存储以及信息处理等方面发挥着重要作用,极大地改善了人们的生活方式与工作模式。随着集成电路特征尺寸逐渐达到物理极限,摩尔定律发展速度逐步放缓,晶体管的发展速度无法匹配当今算力的增长速度,集成电路的瓶颈逐渐显现,因此,探索新型融合方式和封装工艺成为行业的关注热点。光电子集成技术应运而生,为该难题提供了有效的解决方案。 光电子集成技术的发展离不开各种功能材料的支撑。早期用于制备光电子集成器件的材料主要包括硅和氧化硅。近年来,还涌现出了多种光电材料,包括氮化硅、铌酸锂、氮化铝、碳化硅、氧化铝、硫系玻璃等,为光电子芯片的发展注入了新的活力。其中,硫系材料可以在多种衬底上沉积成膜,并且与其他光子集成材料平台兼容性较高。因此,近年来硫系材料在相变薄膜激光直写、非线性集成光学、微波光子学等领域发挥了重要价值。 值得一提的是,目前没有一种材料能够同时满足光信号产生、传输、调制、探测等全链条的功能需求,因此研究人员普遍认为异质集成或者混合集成是解决当前光电子集成器件困境的可靠方案。 片上声光调制器 片上声光调制技术研究伴随着片上光子学技术的蓬勃发展而出现。铌酸锂智能切片以及键合技术的问世使片上声光调制器件的研究进入了快车道。2019年,人们首次实现了在500 nm厚的薄膜铌酸锂上集成叉指换能器、声子腔和低损耗光子波导等器件从而实现声光调制。 硫系材料-铌酸锂混合集成的声光调制器可以更好地利用铌酸锂优异的压电特性和硫系材料突出的弹光特性,实现片上声光调制效率的最优化。在该团队提出的Ge25Sb10S65-LN异质的微环谐振器中,在声波作用下微环的输出功率被成功调制,其声光调制效率是已报道的非悬浮结构实现的最高效率。 基于硫系材料-铌酸锂混合集成平台,再结合新型高效的光子波导和声子谐振腔结构,必将在声光调制领域展现出更大的优势,是未来最有潜力实现声光调制芯片商业化的技术路径之一。 图1 基于硫系-铌酸锂混合集成平台的微环声光调制器 片上非线性参量频率转换 二阶非线性效应是许多经典光学和量子光学应用的基石,芯片层面实现高效χ(2)过程不仅丰富了光子集成电路的功能,而且功耗低,引起了人们的极大兴趣。迄今为止,已经有各种材料平台被用于实现芯片层面的二阶非线性作用,包括本征χ(2)非线性效应材料,如铌酸锂、部分Ⅲ-Ⅴ材料以及需要外部诱导χ(2)非线性的硅和氮化硅等。 为提高转换效率,研究人员提出了通过色散设计实现模式相位匹配、腔增强型二次谐波(SHG)、超表面结构辅助方法以及自适应方法校正等方法。此外,连续体束缚态与模式相位匹配相结合的无刻蚀策略也被提出,但由于器件损耗较大,且基于连续体束缚态原理只能在某些离散波长上实现低损耗传输,该策略不适用于宽带参量频率转换应用。 基于硫系-铌酸锂异质集成材料波导平台,也可以实现高效的二阶非线性光学参量过程。通过进一步引入高品质因子微环谐振器,有望进一步提高转换效率,为开发基于χ(2)的各种芯片级功能器件带来巨大前景。 异质集成方案的提出填补了硫系薄膜中二阶非线性效应的缺失,有助于丰富硫系光子集成电路的功能。此外硫系材料独特的光折变特性还可用于制备可调二阶非线性器件,未来微腔克尔非线性频率梳和高效SHG自参考有望结合,以实现光学频率合成和光学原子钟的单片共集成。 图2 硫系-铌酸锂异质集成波导结构应用于高效参量频率转换。(a)波导截面示意图;(b)有效折射率在通信波段和可见光波段随波长的变化关系 片上光波导放大器 掺铒光纤放大器与波分复用技术的结合极大提高了通信容量与速率,是光通信历史上的里程碑事件。近年来随着大规模光子集成器件的提出与升级,已经有多种材料被用做稀土掺杂光波导放大器的主体材料,包括氧化铝、铌酸锂、氮化硅、氧化镓、磷酸盐等。 硫系材料近年来被广泛应用于片上超声成像、微腔克尔光频梳、拉曼激光等,但是上述报道的输出功率都比较微弱,因此探索硫系平台高效光放大势在必行。尽管如此,硫系材料本身的稀土离子溶解度仍然较低、稀土离子的配体环境和发光机制十分复杂,且部分组分材料体系的光诱导损耗不可忽略,导致其直接掺杂光波导实现的增益效果差强人意。 该团队在高有效掺杂浓度Er3+:Al2O3薄膜的辅助下实现了新型高效片上波导放大器,避免了共热或共溅射方法直接掺杂硫系薄膜带来的稀土离子掺杂浓度低、发光效率差、波导刻蚀难度大的问题,证明了异质集成方案实现高增益片上光波导放大器的可行性,彰显了硫系光子平台的制备灵活性与功能多样性,为硫系平台单片集成信号处理器的实现提供了借鉴。 图3 硫系-掺铒氧化铝异质集成光波导放大器结构。(a)1480 nm泵浦光作用下对应的铒离子能级结构示意图;(b)Er3+: Al2O3-GeSbS波导截面示意图以及1480 nm和1533 nm波长对应的TE模式分布;(c)螺旋线波导结构示意图 未来展望 硫系材料在光子集成电路中具有巨大潜力与应用价值,然而,硫系材料异质集成的进一步发展仍面临诸多挑战。未来,还需要在理论基础和制备工艺等方面进行完善,以解决硫系异质集成光电器件在封装、集成化等方面的问题,使其满足可编程器件、光计算、微波光子学和量子光学等关键领域的重大战略需求,从根本上推动其在更多场景的创新应用。