仿生材料是一个跨学科研究的领域，从力学的角度来说，是要充分了解生物材料的力学特性和其他物理特性是如何由生物体内的结构和组织控制的，以及自然材料(如骨骼、木材等)在各个领域的应用。仿生材料的研究期望通过结构仿生和功能仿生及其理论计算与模拟，获得高效、低能耗、环境和谐与快速智能应变的新材料及其新性质，制备类似于生物的结构或者形态，得到具有特殊性能的人造材料，如人工类珐琅质、高强韧陶瓷、仿生人工骨材料、仿蜘蛛人造纤维;仿造自然界动物和植物的特异功能和智能响应，发展具有与生物相似或者超越生物现有功能的人工材料，如仿荷叶自清洁材料、仿鲨鱼的自润滑材料、在基因改造的细胞中高效合成手性分子和大分子等。近年来在仿生材料学发展进程中，已经不断地向复合化、智能化、环境化和能动化的方向发展。但由于工程实施的复杂性，许多内容还处在摸索阶段。在生物力学和工程力学的衔接点上，还需要进一步的研究。从材料学的角度认识天然生物材料的结构和性能，进而抽象出更多的材料模型，这方面的工作还有待进一步的深入，而仿生材料的设计制备方法则是摆在面前的一个关键性的课题。自然界中生物的结构是通过分子的自组装形成的集合体，利用大自然的启示，通过分子自组装行为构建复合材料的仿生结构，将为复合材料的仿生设计和仿生制备提供广阔的前景。仿生学将给材料的设计和制备带来革命性的进步，具有里程碑式的重要意义，将极大地改变人类社会的面貌。

纳米生物材料可以分为两类:一种是适合于生物体内应用的纳米材料，它本身既可以是具有生物活性的，也可以不具有生物活性，而仅仅易于被生物体接受，而不引起不良反应;另一类是利用生物分子的特性而发展的新型纳米材料，它们可能不再被用于生物体，而被用于其他纳米技术或微制造。

模仿天然的细胞外基质———胶原的结构，制成的含纳米纤维的生物可降解材料已开始应用于组织工程的体外及动物实验，并将具有良好的应用前景。国内清华大学研究开发的纳米级羟基磷灰石/胶原复合物在组成上模仿了天然骨基质中无机和有机成分，其纳米级的微结构类似于天然骨基质。多孔的纳米羟基磷灰石/胶原复合物形成的三维支架为成骨细胞提供了与体内相似的微环境。细胞在该支架上能很好地生长并能分泌骨基质。体外及动物实验表明，此种羟基磷灰石/胶原复合物是良好的骨修复纳米生物材料。

通过以上所述，可以明显地看出纳米医学、纳米生物技术和纳米生物材料等内容之间并无明显的界线，可以说是相互交叉、相互依赖、共同发展的，这正是纳米生物工程的含义。纳米技术的发展将使今天的科学幻想成为明天世人普遍接受的实用技术。

水凝胶是一类具有网络结构、能大量吸收水分的沁水聚合物，具有原位胶的特性，易操作控制，可塑型、低创伤，避免手术等优点而备受组织工程与再生医学研究领域研究者和产品开发者的青睐。自然界中的聚合物水凝胶被应用于组织工程是由于他们与组织工程中的天然细胞基质很相似，具有生物相容性，能支持包埋细胞的生长，控制释放代谢物质、生长因子、药物等。研究发现应用壳聚糖/胶原制备的凝胶性能良好，可用于细胞包埋、药物递送和组织修复;用透明质酸制备的水凝胶具有生物相容性良好、可降解，分别包埋软骨细胞和胚胎干细胞，细胞在水凝胶中生长良好，胚胎干细胞结合生长因子能够向软骨细胞分化，从而进行软骨损伤的修复;壳聚糖-季铵盐壳聚糖/甘油磷酸水凝胶用于牙周组织再生，无明显的毒副作用且水凝胶在体外能促进人牙周膜间充质干细胞的骨向分化，且不会引起炎症反应，可以负载生长因子参与牙周组织的修复;藻酸盐多孔凝胶包埋细胞，促进细胞增殖，形成大量的细胞聚集体，白蛋白分泌量显著增加及胞外基质的积累。

细胞支架是一种新型的生物材料，它完整地保留了原有组织的立体支架结构，且具有诱导组织生成的作用，在医疗领域应用十分广泛。目前，细胞支架材料包括人工合成高分子可降解聚合物和天然支架材料。细胞支架制备方法的不同可直接影响其孔隙率和孔径，因此，制备方法是细胞支架的关键要素之一。细胞支架材料是组织工程领域的重要组成部分，其具备以下特点:①生物相容性好、无毒、无免疫原性;②可降解，具有一定的孔隙率和力学强度;③支架能维持细胞形态和表型，并促进细胞黏附与增殖，诱导组织再生;④相互连通的三维、多孔网状结构。因此，寻找理想的支架材料是组织工程研究的热点之一。目前可用于细胞支架材料的来源有天然和人工两大类。其中，天然的是以单一类型的材料为主，而单一类型的材料一般难以满足组织工程细胞外支架材料的要求，可通过一定的方法将几种材料复合，综合各种材料的优缺点，形成复合型支架材料。天然支架主要包括丝素蛋白、胶原蛋白、透明质酸及其衍生物、纤维蛋白凝胶壳聚糖、藻酸盐类、小肠黏膜下层等。人工合成的支架材料:人工合成聚合物的组织工程支架材料有聚乙二醇、聚乳酸( poly lactic acid，PLA)、聚乙醇酸( polyglycolic acid，PGA)和聚乳酸聚乙醇酸共聚物( polylactic acid polyglycolic acid copolymers，PLGA)。

组织工程用三维多孔细胞支架，不仅可影响细胞的生物学行为与培养的效率，而且决定着移植后能否与机体很好地适应、结合和修复，是限制组织工程能否应用于临床的一个关键因素。常用支架制备方法包括纤维黏结( fiber bonding)、溶液浇铸/粒子析出、气体发泡、相分离技术、乳化P冷冻干燥技术及快速成形技术。

近些年，细胞支架的需求日益增加，主要用于临床关节、耳鼻喉等部位软骨的替代品，为种子细胞的生长提供适宜的环境和限定的空间等，但要真正走向临床仍有大量的具体问题需要解决，尤其是在支架材料的选择方面。目前，细胞支架的材料种类繁多，各有自己的优缺点，例如，聚乳酸( poly lactic acid，PLA)及它们的共聚物PLGA等其主要优点是可塑性强，有一定的强度，作为软骨组织工程支架材料能较好诱导、促进软骨细胞的黏附、增殖和分化，形成软骨组织。但这些材料存在以下问题:亲水性差，降解产物偏酸性，有一定的免疫原性。所以，在新型材料方面还要进一步优化。现有的制备方法和技术在控制多孔支架的外形和结构上已经取得了很大的进展，但材料和制备技术方面尚无一种方法能完全满足组织工程支架的要求，限制了其在医学领域中的发展。因此，改善材料的化学修饰和制备方法，提高支架的理化性质和生物学上的作用，开发新一代细胞支架，使其在结构、力学和生物等方面具有良好的综合性能，是组织工程细胞支架的发展方向。

骨移植材料通常包含一个或多个功能成分，如骨传导基质，为新骨生长提供支架;骨诱导蛋白，诱导干细胞分化为成骨细胞;成骨细胞，在适当环境下生成新的骨组织。自体骨仍是骨移植的金标准，但其取骨量有限且可能引发相关并发症。这些限制催生并促进了骨移植替代材料的研究。

去矿物质骨基质( demineralized bone matrix，DBM)由异体骨经不同的脱矿物工序处理后获得，不仅能填充骨缺损，也有潜在的骨传导及骨诱导作用。可制备为粉剂、膏剂或者油剂等，以适应不同受植部位的需要，也可用作自体骨移植时的扩增剂。DBM能促进血管再生，并诱导宿主干细胞分化为成骨细胞，推测其生物活性与脱矿物处理后残存的基质蛋白及生长因子有关。DBM的骨诱导能力受到储存、加工和灭菌方法的影响，在不同供者之间也存在差异。骨胶原可以促进钙沉积、血管内向性生长及生长因子聚集，促进骨愈合，是良好的细胞支架，也常作为黏合剂与具备骨传导能力的载体如羟基磷灰石或磷酸三钙等合用，发挥各组分的优势。研究表明大鼠间充质干细胞种植在骨胶原-羟基磷灰石-硫酸软骨素复合材料上，并在体外培养增殖，再将该复合物植入大鼠肌肉内，结果显示该复合材料的三维微孔结构可促进细胞向内生长，其在大鼠肌肉内逐步降解的同时伴有新骨形成，提示该复合物在细胞附着与诱导分化上有着良好表现。

生物陶瓷具备骨传导能力，容易生产保存，没有传播疾病的风险，且可制备为各种形状，在临床上有着广泛的使用。羟基磷灰石的分子式为Ca ₁₀( PO ₄) ₆( OH) ₂，几乎不溶于水，需要数年时间才能被吸收，可通过3种途径，即化学合成、动物骨烧结及珊瑚热液转化途径获得。这种骨移植替代材料的抗压强度好，但抗剪切及扭曲能力较弱。由于与骨中矿物质成分相似，植入后与骨组织直接连接，无纤维组织界面，故有良好的组织相容性和骨传导性。

羟基磷灰石已被确定为骨诱导性生长因子和成骨细胞的极好载体。磷酸三钙的分子式为Ca ₃( PO ₄) ₂，可溶性及降解吸收速度均较羟基磷灰石高，其小颗粒和海绵样多孔结构有助于快速血管化作用以及成骨细胞和营养物质的运输，被认为能提高骨传导能力并加快吸收和重建过程。磷酸三钙有低温相( a-Low temperature phase，a-TCP)和高温相(β-Low temperature phase，β-TCP)两种结构，其中a-TCP抗压强度较β-TCP高，降解速率快，但生物活性不如β-TCP。β-TCP作为骨填充物单独或与自体骨混合植入到血供丰富的受植区，可获得良好的成骨效果。生物活性玻璃最早由Hench等制作，主要成分为二氧化硅、氧化钠、氧化钙和磷酸盐等，有良好的组织相容性、骨传导性。

生物活性玻璃表面含有水化剂，与体液及组织作用后生成碳酸羟基磷灰石，与骨中矿物质成分相近;可制备为多孔或无孔形态，在体内被缓慢吸收;与磷酸钙一样，也不能提供力学支撑作用，难以应用在承重部位。磷酸钙骨水泥由粉体和固化液两部分组成，调和后为膏状，常温下数分钟固化成碳磷灰石，固化后抗压强度与松质骨相似。随着制作工艺及配方的改进，磷酸钙骨水泥在液体环境下的性能及抗剪切力有了很大提高，扩大了其适用范围。

磷酸钙骨水泥被吸收并为新骨取代的速度很慢，且孔隙太小，故可认为不具备骨传导能力。不透光、可塑形、可注射的特性，使得磷酸钙骨水泥可在X线透视监视下修复骨缺损，一些新手术方式如经皮椎体成形术即利用了它的这些特性。将磷酸钙骨水泥-藻朊酸盐复合材料用作人间充质干细胞载体，实验中该复合材料在细胞保护、增殖、碱性磷酸酶与骨胶原生成等方面的效果良好，显示出作为细胞载体用于骨再生的潜力。

高分子聚合物可赋予骨基质各种理化和力学特性，可塑性强，为骨传导材料。目前使用的高分子聚合物，可分为天然聚合物和合成聚合物。天然高分子聚合物包括纤维蛋白、甲壳素及其衍生物等;人工高分子聚合物则包括聚乳酸、聚乙醇酸、聚乳酸-聚乙醇酸共聚物等。人工合成的聚合物可以准确地控制其分子量、降解时间及其他性能。但人工合成材料没有天然材料所包含的许多生物学信息，使其不能与细胞发挥理想的相互作用。PLA、PGA具有良好的生物相容性、可降解性和可吸收性，在体内以水解方式降解并产生天然代谢产物排出体外，FDA已批准用于临床。

干细胞是具有多向分化能力的细胞，主要来源于成体或胚胎。成体干细胞(包括造血干细胞、间充质干细胞、神经干细胞、皮肤干细胞等)也是组织工程与组织再生及细胞治疗的理想种子细胞。骨移植物最好的选择，一是造血干细胞，二是能分化为骨和软骨等组织的间充质干细胞。细胞膜片作为新型的生物材料，与单纯的细胞移植相比，膜片及细胞聚集物在移植过程中保留了胞外基质，保持了细胞之间的通讯等，能够很好地与材料支架结合加速成骨。生长因子是由特定细胞产生，在不同生理过程中发挥效用的一些多肽，它们在骨组织修复过程中起着重要调控作用。胰岛素样生长因子( insulin-like growth factor-1，IGF-1)和转化生长因子( transforming growth factor-β，TGF-β)主要调节软骨基质合成;碱性成纤维细胞生长因子( basic fibroblast growth factor，b-FGF)则为强力有丝分裂因子，能促进软骨细胞分化。血小板衍生生长因子( platelet derived growth factor，PDGF)在兔单侧胫骨截骨实验中表现出促进骨折愈合的作用。血管生长因子( vascular endothelial growth factor，VEGF)在骨再生与修复中促进血管化，促进骨再生。骨形态发生蛋白-2( bone morphogenetic protein-2，BMP-2)在启动成骨前体细胞向成骨细胞分化和促进骨再生过程中骨发生中有着重要作用。因此集细胞/细胞膜片-生长因子-支架材料为一体的新型骨材料在缺损修复与再生中将更加有效、稳定。

理想的骨移植材料应该具备良好的生物相容性、骨整合能力，可吸收降解并被宿主骨完全取代，尚有价格低廉、容易制造等要求。然而目前尚无一种材料能满足以上所有要求，因此在大多数情况下自体骨仍为首选。但随着材料工程学、组织工程学、分子生物学和基因工程技术的发展与融合，复合型骨移植材料有着更为广阔的应用前景。未来人们对骨移植材料的研究重点，将集中于以下几个方面:①改善基质材料的生物力学性能和生物相容性，使骨移植材料具备与成骨速度相匹配的降解速率;②增强基质材料与生物活性物质的亲和力，并使其释放过程可控;③生物活性物质的选择与获取及各物质间的最佳搭配等。面对众多新材料和新技术，缺乏一个统一的标准对它们的安全性及效果进行评价，也是亟需解决的问题。