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导读
引用
Chen, Q., & Thouas, G. (2015). Biomaterials: A Basic Introduction. CRC Press.
章节概要
全书约740页，21章，分为三个部分。据前言介绍，本书源于 Qizhi Chen 讲授生物材料课程的讲义，结构颇为独特：第一部分（第1–11章，约400页）讲材料，第二部分（第12–19章）讲医学知识（解剖、疾病、细胞生物学、组织学和免疫反应），第三部分（第20–21章）讲评价与监管。各章通常以学习目标开头，以本章要点、课堂简答题、习题与练习和参考书目结尾；许多章还附有建议活动和介绍前沿研究的“Advanced Topic”（拓展专题），另有七章包含实验练习。
第一部分：生物材料科学
第1章：生物材料科学与工程
阐明材料科学与材料工程的区别、材料结构的多个层次、材料的四大类别，生物材料、生物医用材料和生物来源材料的定义，以及生物相容性的概念。
第2–3章：毒性与腐蚀；生物材料的力学性能
第2章讲人体内的元素、微量元素的生物学作用与毒性、医用合金中金属元素的选择、金属在体内环境中的腐蚀，以及如何把植入物的毒性降到最低；其实验练习是在模拟体液中测量腐蚀电位。第3章介绍对植入物重要的力学性能，包括硬度、弹性、失效以及临床界使用的术语，最后讨论骨科植入材料必备的性能。
第4–5章：骨科植入物中的金属生物材料；金属生物材料：其他
第4章回顾金属生物材料的发展，比较不锈钢、钴基合金和钛合金。第5章转向牙科材料、镍钛形状记忆合金、其他临床用金属以及较新的镁合金。
第6–7章：生物惰性陶瓷；生物活性与生物可吸收陶瓷
第6章讲氧化铝和氧化锆、两类关节、牙科陶瓷，并以全关节置换为拓展专题，其中包括髋关节假体的简史。第7章讲磷酸钙与羟基磷灰石、生物活性玻璃与玻璃陶瓷、骨结合机制和可降解陶瓷，最后讨论用于骨组织工程的陶瓷支架。
第8–10章：高分子生物材料：基础；生物惰性高分子；生物可吸收高分子
第8章介绍高分子的基本概念和高分子生物材料概况，并以软组织工程支架为拓展专题。第9章概览器械中使用的稳定高分子：聚烯烃、PET、丙烯酸酯类、含氟高分子、硅橡胶和聚氨酯。第10章讲解高分子的生物降解，介绍可降解聚酯（PGA、PLA、PCL、PHA、聚多元醇癸二酸酯）、聚乙二醇、聚酰胺、表面溶蚀型高分子，以及节肢弹性蛋白（resilin）、蚕丝和面筋蛋白等生物高分子。
第11章：复合生物材料
以骨这种天然复合材料为例介绍复合材料，随后讨论牙科复合材料和人工骨；实验练习是动物骨的力学测试。
第二部分：医学科学
第12章：医学与医学科学
一个简短的过渡章，把医学科学与材料科学相对照，并说明第二部分的学习目标。
第13–15章：人体解剖与疾病 I：皮肤系统、骨骼系统、肌肉系统、神经系统和内分泌系统；II：心血管系统；III：呼吸、淋巴、消化、泌尿和生殖系统
按器官系统展开的概览，着眼于生物材料能够治疗的疾病。第13章以骨组织工程中的生物材料难题收尾；第14章专门讨论心血管系统，涉及心血管疾病、压力—容积环、现有疗法、基于生物材料的替代疗法以及人工血管。
第16章：细胞与生物分子
讲细胞生物化学、细胞结构、跨膜转运、增殖、分化与干细胞，随后以心脏病的细胞疗法和应对免疫排斥的策略为拓展专题。
第17–18章：组织学与组织性能 I：上皮组织、神经组织和肌肉组织；II：结缔组织
描述主要组织类型，并关注其力学行为：组织蛋白的性质、固有结缔组织（皮肤、肌腱、韧带）、结构蛋白、软骨和骨。
第19章：免疫系统与机体对生物材料的反应
把材料与生物学结合起来的一章：免疫系统、组织对损伤的反应以及机体对植入物的反应。
第三部分：评价与监管
第20–21章：生物材料的评价；医疗器械的监管
第20章讲标准、毒理学评价、细胞毒性测试和动物评价，附有一个在大鼠身上测试心脏补片的案例研究。第21章是全书最短的一章，区分法规与标准，并概述医疗器械、临床前测试、临床试验、器械开发和职业机会。
核心概念
第一部分：材料
- 生物相容性：材料在体内发挥作用而不造成不可接受危害的能力，是贯穿全书的核心观念。
- 腐蚀与毒性：金属植入物如何在体液中退化，以及为何选择合金元素时要考虑其生物学效应。
- 生物惰性、生物活性与生物可吸收：植入材料的三种行为，既适用于陶瓷，也适用于高分子。
- 力学匹配：选择硬度、弹性和抗失效能力与被替代组织相适应的植入材料。
第二部分：医学科学
- 以疾病为设计任务：各器官系统通过需要植入物和器械的疾病来呈现。
- 细胞增殖与分化：干细胞疗法和细胞疗法背后的细胞过程。
- 组织力学：材料力图匹配的结缔组织结构蛋白及其性能。
- 宿主反应：植入之后出现的免疫反应和组织反应。
第三部分：评价与监管
- 标准与测试：用于确认安全性的毒理学测试、细胞毒性测试和动物试验。
- 法规与标准之别：区别于技术标准的器械法律要求，进而引出临床前测试和临床试验。
评析
优点
- 一本书兼顾两类读者。 前言和出版社都指出，本书为材料专业学生补上他们欠缺的生物学和医学知识，也为医学和生物学专业学生补上他们欠缺的材料科学知识。讲解剖、疾病、细胞生物学和组织学的第二部分约有240页，生物学背景是被讲授的，而不是被假定的。
- 按材料类别详细讲解。 第一部分分别用专章讨论骨科金属、其他金属、惰性陶瓷和生物活性陶瓷，另有三章讲高分子，并点出具体材料（316L 不锈钢、Ti-6Al-4V、镍钛合金、镁合金、羟基磷灰石、生物活性玻璃、PLA 和 PGA、聚氨酯）。
- 教学配套丰富。 学习目标、要点、课堂提问、习题、活动、七个实验练习和拓展专题，使教师既能用本书授课，也能用它安排实验。出版社页面上的教师评语称其内容全面、易读、结构合乎逻辑。
局限
- 篇幅与顺序。 约740页对于一本“基础入门”来说偏长，而且先讲材料的顺序意味着第二部分的生物学要在400页材料内容之后才出现。没有生物学基础的学生可能需要提前阅读第16–19章。
- 监管内容单薄。 监管一章只有约8页，只作宽泛概述，没有深入任何一个国家或地区的制度。
- 内容较旧。 本书于2014年底出版，此后没有新版，因此关于组织工程、细胞疗法和镁合金的拓展专题反映的是当时的研究。
- 作者设定的程度。 前言把读者定为自然科学或工程专业的二年级学生，出版社则说面向北美的高年级本科生；它不是一年级教材。
在课程中的定位
在本课程的入门书中，Chen 和 Thouas 的这本书与 Temenoff 和 Mikos 的 Biomaterials: The Intersection of Biology and Materials Science 都力求把材料与生物学放在一起讲；Temenoff 和 Mikos 将两者交织在一起，而 Chen 和 Thouas 把它们分成两大部分，并为解剖和疾病留出多得多的篇幅。学生可以任选其一作为主教材，另一本作为补充讲解。Agrawal 等人的 Introduction to Biomaterials 是一本较短的课程教材，另外涵盖表征、表面改性、灭菌、药物递送和医疗器械。
本书目中 Biomaterials Science: An Introduction to Materials in Medicine 的两个版本，即 Ratner、Hoffman、Schoen 和 Lemons 主编的2004年版与 Wagner 等人主编的2020年版，都是多作者的大型参考书；Chen 和 Thouas 的前言本身也把 Ratner 等人的书称为该领域的多作者教材。读完 Chen 和 Thouas 之后，可借助它们深入任何专题。Jonathan Black 的 Biological Performance of Materials 是一本研究生程度的生物相容性专著，延伸了第2、19和20章的内容。
如何使用本书
本书适合生物医学工程、材料科学或生物学专业的二年级学生，以及希望获得材料背景知识的医学生。前言把它定位为任何自然科学或工程专业二年级学生的读物；不需要事先学过材料科学或解剖学，因为两者都会在相应部分中介绍，但默认读者已具备一年级的理科知识。
实用的学习安排：
- 材料专业学生： 先读第1章，然后提前或与第一部分并行阅读第二部分（第12–19章），因为生物学对他们是新内容；再按课程进度学习第2–11章。
- 生物学和医学专业学生： 第1–3章必读，接着读讲主要材料类别的第4、7、8、10章；第二部分除第19章外可作为复习快速浏览。
- 所有学生： 第19–21章从机体对植入物的反应讲到测试与监管，把全书串联起来。
用各章要点复习，用课堂提问检查理解。如果有实验条件，从腐蚀测量到骨力学测试的七个实验练习能把理论与实验联系起来。拓展专题可作为选读，并鉴于本书的出版时间，用近期综述加以更新。第21章应以相关监管机构的最新指南作补充。