01 / 導讀
導讀
引用
Agrawal, C. M., Ong, J. L., Appleford, M. R., & Mani, G. (2025). Introduction to Biomaterials: Basic Theory with Engineering Applications (2nd ed.). Cambridge University Press.
章節概要
第二版共十七章，約500頁，後附索引。前八章講材料及其製備與測量；接下來五章講蛋白質、細胞和機體反應的生物學；最後四章講連接二者的應用與工藝。
第1–2章：導論；材料的基本性質
第1章簡要回顧生物材料的歷史，以及長期以來對保證植入物在預期時間內保持可用的重視。它解釋了化學鍵的型別（離子鍵、金屬鍵、共價鍵），以及這些化學鍵如何決定金屬、聚合物、陶瓷和複合材料的性質，並以生物材料的影響與未來作結。第2章的主題在目錄中列為力學性質、電化學性質和表面性質。
第3章：金屬：結構與性質
講醫療器材所用的金屬：工業純鈦、鈦合金、不鏽鋼、鈷鉻合金、鎂合金、鎳鈦諾和鉭。書中附有相圖，幫助學生理解溫度如何決定相和結構。
第4章：聚合物
從聚合物化學講起（加聚與縮聚、分子量的各種平均值、線型、支化與交聯結構、非晶態與結晶態），然後概覽醫學中使用的聚合物，包括聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、有機矽、水凝膠、聚氨酯和奈米聚合物，既有可降解的也有不可降解的。
第5–6章：陶瓷；天然生物材料
第5章給出陶瓷的定義和分類，講述氧化鋁、矽酸鹽玻璃與生物活性玻璃、氧化鋯、磷酸鈣、碳和奈米陶瓷，涉及可生物降解和表面反應型陶瓷。第6章講天然聚合物，分為蛋白質類（膠原蛋白、彈性蛋白、絲）和多糖類（殼聚糖、纖維素、藻酸鹽、透明質酸、硫痠軟骨素），另外還有珊瑚。
第7–8章：表面改性；生物材料的表徵
第7章介紹改變器材表面的技術（噴砂、等離子體輝光放電處理、熱噴塗、物理與化學氣相沉積、接枝、自組裝單分子層、層層組裝），並說明每種技術的原理、優點與侷限。第8章介紹表徵表面與本體性質的方法，包括接觸角、紅外光譜、XPS、俄歇電子能譜、SIMS、輪廓測量、原子力顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡、X光衍射和色譜方法，說明其工作原理與侷限。
第9–11章：生物系統；蛋白質化學與相互作用；細胞—生物材料相互作用
第9章介紹細胞環境：質膜、細胞骨架、細胞連接與訊號通路，以及常用的生物學測試技術。第10章是出版社所說的新增章節之一，講蛋白質的結構與性質、蛋白質單分子層、蛋白質相互作用涉及的作用力、在生物材料表面的吸附，以及分析吸附蛋白質的方法。第11章轉向細胞外空間、細胞與非細胞基質相互作用所用的蛋白質和通路、黏附機制，以及材料環境的作用。
第12–13章：機體對生物材料的反應；生物相容性測試
第12章講材料表面的血栓形成（血小板、接觸啟用、凝血通路）、補體系統及其啟用通路、急性與慢性炎症、異物反應和纖維包裹。第13章列出生物相容性試驗：細胞毒性、致敏、刺激、從急性到慢性的全身毒性、致熱原性、遺傳毒性、植入、血液相容性、致癌性，以及生殖與發育毒性。
第14–15章：組織工程；藥物遞送系統
第14章講組織工程的基本原理和相關細胞型別、支架的性質、聚合物支架、天然聚合物支架和陶瓷支架的製備，以及評估支架結構、細胞和新生組織的方法。第15章講擴散控制、水滲透控制、化學控制、響應型和顆粒型藥物遞送系統。
第16–17章：生物醫學植入物的滅菌；臨床應用
第16章說明滅菌為何重要，回顧從蒸汽、環氧乙烷、γ射線和乾熱，到紫外線、電子束、氣體等離子體和二氧化氯等方法，以及在其中做出選擇的原則。第17章介紹生物材料在心血管輔助裝置與支架、牙齒修復體與種植體、宮內節育器、神經假體、眼科、骨科植入物、腎透析膜、皮膚產品和聲帶注射中的應用，並給出市售產品的例項和各自選材的理由。
核心概念
第1–8章：材料及其製備
- 化學鍵與材料類別：離子鍵、金屬鍵和共價鍵是金屬、聚合物、陶瓷和複合材料性質的基礎。
- 醫用金屬的相圖：用來把溫度與相和結構聯絡起來。
- 天然與合成聚合物：蛋白質類和多糖類材料與合成聚合物並列介紹。
- 表面改性與表徵：改變表面的方法，以及測量表面的儀器。
第9–13章：生物學與機體反應
- 蛋白質吸附：蛋白質如何結合到材料表面，以及如何對其進行分析。
- 細胞黏附：細胞外環境，以及細胞附著在材料上的機制。
- 凝血、補體與炎症：植入之後出現的機體反應。
- 生物相容性試驗：第13章列出的各類試驗。
第14–17章：應用與工藝
- 組織工程支架：製備途徑與評估方法。
- 藥物釋放機制：擴散控制、水滲透控制和化學控制系統，以及響應型和顆粒型系統。
- 滅菌方法：為植入物選擇滅菌方法。
評析
優點
- 設計緊湊。 十七章、約500頁，使本書比該領域的大型多人合著參考書短得多；出版社稱其為「簡明」教材，各章由同一個四人作者團隊撰寫，而不是由幾十位撰稿人分頭完成。
- 從材料到生物學再到實踐的清晰路徑。 章節順序從化學鍵和材料類別開始，經過表面與表徵，進入蛋白質、細胞和機體反應，然後是組織工程、藥物遞送、滅菌和臨床器材。
- 第二版新增的生物學章節。 出版社強調新增了蛋白質化學與相互作用、免疫學與組織反應、生物相容性等章節，補上了許多生物材料課程容易顯得單薄的交界部分。
- 學習輔助。 出版社列出了學習目標、章節小結、例項、延伸閱讀和習題，還有穿插的歷史小欄目，並提到有免費資源和僅限教師的線上資源。
侷限
- 應用部分被壓縮。 所有臨床應用共用第17章，約25頁要涵蓋列出的十一個領域，因此每種器材只得到簡短的處理。
- 沒有關於監管或器材設計的章節。 目錄中沒有講監管審批、品質體系或器材設計流程的章節；在本書靠後的部分，滅菌是唯一的工藝類章節。
- 版本很新。 本書於2025年底出版，尚無長期使用的記錄，也沒有找到針對它的獨立書評。第一版出版於2013年。
在課程中的定位
在生物材料書單中，這是簡明、貼近課程形態的一部教材。Wagner 等人的 Biomaterials Science 是約1,600頁的多人合著參考書，涵蓋更多器材、更多主題以及監管生命週期，適合查閱和研究生層次的深入學習。Chen 和 Thouas 的 Biomaterials: A Basic Introduction 面向既缺乏材料科學又缺乏生物學基礎的學生，Temenoff 和 Mikos 的 Biomaterials: The Intersection of Biology and Materials Science 則是把材料與生物兩條線索並行展開的本科教材。
Agrawal 等人的這本介於二者之間：比平緩的入門書更偏工程，但比大型參考書短得多。Black 的 Biological Performance of Materials 是專題專著，當主要關注生物相容性和機體反應時，適合在讀完本書之後閱讀。
如何使用本書
對已經學過基礎化學、生物學和材料科學，或學過涉及基本材料性質的第一門工程課程的學生來說，本書最為合適。作為一學期的課程，第1至8章提供材料背景，可以依次閱讀；第9至13章構成生物學核心，最好按順序讀，因為後面的章節建立在前面的基礎上；第14至17章可根據課程的側重點選讀。
有生物學背景的學生可以略讀第1章中關於化學鍵的討論以及金屬和陶瓷兩章，把精力放在第7、8章和第12至17章。有工程背景的學生則應在第9至13章上多花些時間。可以利用每章開頭的學習目標、結尾的小結和習題來檢查理解程度，併到出版社的資源頁面查詢更多材料。