Biomaterials: The Intersection of Biology and Materials Science（生物材料：生物学与材料科学的交汇）

引用

Temenoff, J. S., & Mikos, A. G. (2022). Biomaterials: The Intersection of Biology and Materials Science (2nd ed.). Pearson.

章节概要

第二版（Pearson，2022年6月，约520页）沿用了2008年第一版的十四个章名，书末附有附录以及缩略语和符号表。前七章把生物材料作为材料来讨论，后七章讨论机体对它们的反应。出版社称新版增加了材料科学的新主题和当前的生物学技术，并新增了习题、例题和彩色图片。下文的小节标题来自第一版公开的目录；第二版的章名没有变化，但新版在小节层面的修订没有公开列出。在该目录中，每章以小结、习题、参考文献和延伸阅读结尾，大多数章还设有“Techniques”（技术）一节，介绍研究该主题所用的实验方法。

第1章：生物医学应用材料

全领域概览：什么是生物材料、机体对它们的反应、产品测试与美国食品药品监督管理局（FDA）的审批、生物材料的类型、加工、重要性能，以及对后文所需化学原理的复习。

第2章：生物材料的化学结构

金属、陶瓷和高分子的化学键及原子和分子结构，并介绍材料表征技术。

第3章：生物材料的物理性能

从原子集团到块体材料：结晶性及其线缺陷、面缺陷和体缺陷，高分子的结晶性，结晶与非结晶材料的热转变，以及热分析。

第4章：生物材料的力学性能

力学测试的方式及相关计算、断裂与失效、疲劳与疲劳测试，以及改善力学性能的方法。

第5章：生物材料的降解

生物环境中的降解：金属和陶瓷的腐蚀与降解、高分子的降解、有意设计为可生物降解的材料，以及测定降解程度的分析方法。

第6章：生物材料的加工

为改善整体性能而进行的加工、为获得所需形状而进行的加工，以及为提高生物相容性而进行的加工。

第7章：生物材料的表面性能

表面化学与表面生物学的概念、物理化学和生物学表面改性、表面性能与降解、表面图案化技术，以及表面表征。

第8章：蛋白质与生物材料的相互作用

通向生物学的桥梁：蛋白质吸附的热力学、蛋白质结构、转运与吸附动力学、吸附的可逆性，以及测定蛋白质种类和数量的分析方法。

第9章：细胞与生物材料的相互作用

细胞结构、细胞外环境、与环境的相互作用如何影响细胞功能、黏附、铺展与迁移的模型，以及研究细胞—材料相互作用的分析方法。

第10章：生物材料植入与急性炎症

固有免疫与获得性免疫概述、炎症的临床体征及其成因、粒细胞的作用、急性炎症的终止，以及体外分析方法。

第11章：伤口愈合与生物材料的存在

急性炎症之后的过程：肉芽组织、异物反应、纤维包裹、慢性炎症、四种转归、皮肤伤口愈合中的修复与再生，以及体内分析方法。

第12章：对生物材料的免疫反应

更深入地讨论获得性免疫：抗原提呈与淋巴细胞成熟、B 细胞与抗体、T 细胞、补体系统、针对生物材料的不良免疫反应，以及免疫学分析方法。

第13章：生物材料与血栓形成

止血、血小板的作用、凝血级联、限制血凝块形成的方法、内皮的作用，以及血液相容性测试。

第14章：生物材料的感染、致瘤与钙化

植入物可能引起的其他问题：器械相关感染、肿瘤形成和病理性钙化，并分别介绍研究它们的实验技术。

核心概念

第1–7章：材料

• 结构—性能关系：金属、陶瓷和高分子中的化学键与结构如何决定其物理和力学行为。
• 结晶性与缺陷：原子或分子链的排列及其不完美之处，它们控制着强度和热行为。
• 降解：金属在体内的腐蚀和高分子的分解，可能是不希望发生的，也可能是有意设计的。
• 表面改性：只用化学或生物学方法改变材料表面，以控制机体的反应。

第8–9章：蛋白质与细胞

• 蛋白质吸附：植入物在热力学驱动下迅速被蛋白质覆盖，并决定此后的一切。
• 细胞黏附与迁移：细胞如何附着、铺展并在材料上移动，以及这如何改变细胞功能。

第10–14章：宿主反应

• 炎症与异物反应：从急性炎症到慢性炎症、异物反应和纤维包裹的一系列过程。
• 固有免疫与获得性免疫：可能对植入材料产生反应的一般性和特异性防御，包括补体。
• 血液相容性：与血液接触的材料是否会引发血小板活化和凝血。
• 晚期并发症：作为植入物失效方式的感染、致瘤和钙化。

评析

优点

• 清晰的两段式逻辑。 本书先建立材料方面的词汇（结构、性能、降解、加工、表面），再一步步追踪机体反应，从蛋白质吸附到细胞相互作用、炎症、伤口愈合、免疫、血栓形成和晚期并发症。学生可以看清每个主题所处的位置。
• 方法融入其中。 在第一版的目录中，大多数章都有“Techniques”一节，讲如何测量相应的性能或反应，从表征和热分析到蛋白质分析以及体外和体内炎症分析。这为学生做实验和阅读研究论文做好准备。
• 没有生物学基础的工科学生也能读。 Google Books 引用的作者前言指出，本书假定读者具备基础化学和物理知识，但不需要偏微分方程，也不需要细胞生物学或生物化学知识；生物学从蛋白质层面开始逐步讲授。
• 成熟的教材。 两位作者凭第一版获得了2010年 Meriam/Wiley 杰出作者奖；第二版保留了原有结构，同时增加了新内容、习题和彩色图片。

局限

• 很少有讲具体材料类别或器械的章节。 本书按性能和反应组织，而不是按材料家族或临床应用组织，因此没有专门讨论骨科或心血管器械之类的章节；出版社只提到各章中“精选的深入应用实例”。
• 监管与设计只是顺带提及。 FDA 审批只是第1章中的一节，而不是独立成章；最后一章讨论的是并发症，而不是器械设计或监管。
• 以工科学生为对象。 前言面向二年级及以上的工科本科生；生物学专业的学生可能会觉得材料各章（第2–4章）较难，本书也默认读者具备物理和化学基础。
• 更新内容的公开信息有限。 出版社没有列出第二版改动了哪些小节，因此从第一版转用新版的教师需要自行核对新增的习题和主题。

在课程中的定位

Temenoff 和 Mikos 的书是本课程中把材料与生物学放在一起讲授的两本入门教材之一。Chen 和 Thouas 的 Biomaterials: A Basic Introduction 按材料类别（金属、陶瓷、高分子、复合材料）组织内容，并用独立的长篇部分讲解剖、疾病和组织学；Temenoff 和 Mikos 则按性能和宿主反应的各个阶段来组织。想知道哪种材料用在何处的学生，应把它与 Chen 和 Thouas 搭配；想了解生物反应机制的学生会发现 Temenoff 和 Mikos 更有系统。Agrawal 等人的 Introduction to Biomaterials 是一本较短的课程教材，延伸到灭菌、药物递送、组织工程和医疗器械。

Biomaterials Science: An Introduction to Materials in Medicine 的两个版本（Ratner 等，2004年；Wagner 等，2020年）是多作者的大型参考书，可用来更深入地查阅任何主题，尤其是应用和监管。Jonathan Black 的 Biological Performance of Materials 是一本研究生程度的生物相容性专著，接续第5章和第10–14章的内容。

如何使用本书

本书适合生物医学工程专业二年级及以上的本科生，以及修读第一门生物材料课程的材料工程或化学工程学生。需要基础化学和物理知识；细胞生物学不是必需的，因为第8–12章会补充。

一学期课程的实用安排：

• 材料基础： 按顺序学习第1–4章。有材料科学背景的学生可以较快地读完第2–3章，但不应跳过介绍全领域和 FDA 流程的第1章。
• 过渡章节： 第5–7章（降解、加工、表面）把材料与体内环境联系起来；第7章对后续内容至关重要。
• 生物反应： 第8–12章构成一个连续的叙事，应从蛋白质吸附到获得性免疫按顺序阅读。
• 专门的反应： 第13章和第14章可根据课程重点选读，例如涉及血液接触器械时选读第13章。

完成章末习题，并利用“Techniques”一节把每个主题与实验室中的测量方法联系起来。关于应用和监管，可同时阅读 Biomaterials Science 之类的参考书或相关监管机构的指南。