12岁参军，45岁“跨行”，69岁被评为院士，他重新定义“生物材料”！

磷酸钙陶瓷是一种骨再生生物材料，基于这一体系材料，中国工程院院士张兴栋开发出了世界上第一个合成骨修复产品——骨诱导人工骨，并取证上市销售。作为国家生物材料中心的学术带头人和名誉主任，张兴栋聚焦于肌肉骨骼系统修复材料及植入器械的研究，是利用无生命生物材料修复组织和器官的先驱。他从1983年开始研究生物活性陶瓷，是世界上第一个系统地证明无生命多孔磷酸钙陶瓷，不外加骨生长因子或活体细胞，可以诱导骨形成的学者。国际生物材料科学界评价他所发现并提出“骨诱导性生物材料—非生命的生物陶瓷会慢慢转变成人的新骨头”：这是划时代的医学材料发现。

张兴栋，现任四川大学教授，国际生物材料科学与工程学会联合会主席，国家食品药品监督管理总局医疗器械分类技术委员会执委会主任委员，国家药品监督管理局医疗器械监管科学研究基地专家顾问委员会主任，中国生物材料学会名誉理事长。中国工程院院士，美国国家工程院外籍院士。

1950年，年仅12岁的张兴栋参加了中国人民解放军，在文工团工作了半年。后来，他顺利进入高中就读，但在高考时，因为数学发挥不佳而与北大擦肩而过，最终进入四川大学物理系。没错，张院士从大学开始，在通常意义上的“学术黄金期”的二十几年里，从事着物理学方向的研究。他在从固体物理专业毕业后就留校任教，历任四川大学物理系教研室副主任、四川大学分析测试中心主任。上世纪70年代他还组建并主持主持四川省超硬材料协作组，研发出立方氮化硼、高强度人造聚晶金刚石及其磨具、刀具，以及等离子喷涂超深井硬地层人造金刚石钻头，获1978年全国科学大会奖四项。进入80年代后，在一次与华西口腔医院的合作中，正式从高压物理研究转向研究生物材料。

凭借异常丰富的物理学和晶体学背景，张院士的生物材料研究之路走得非常顺利。在90年代初，张院士及其团队就在生物活性人工骨（牙）及涂层植入人体研究中偶然发现，一块多孔的磷酸钙陶瓷埋入动物体肌肉和皮下后，居然变成了真骨头（也就是说，磷酸钙生物陶瓷植入体内后可逐渐转变成骨头组织，并慢慢降解消失）。为了证实这一发现，他在28只狗、60多只兔子和100多只老鼠的非骨部位同时植入“多孔陶瓷”，通过统计分析进行了进一步研究论证。基于这一发现，他在世界上第一个系统地证明无生命多孔磷酸钙陶瓷可以在不使用活细胞或骨生长因子的情况下诱导骨形成，并提出了潜在的机制以揭示如何使材料具有骨诱导性。

骨诱导生物材料（来源：四川大学）

基于上述工作，张院士和他的团队还开发出了世界上第一种合成骨修复产品，其具有骨诱导作用，并获得了监管部门的商业化批准。由此他创立了三家公司，这些公司的产品经国家食品药品监督管理局批准，已用于治疗中国1000多家医院的数十万患者。不仅如此，在这些工作的基础上，团队还研发了涂层牙种植体和人工髋关节等，获得了1998年国家科技进步二等奖。到了本世纪初，张院士团队发现材料亦可诱导软骨等形成，提出“组织诱导性生物材料”（Tissue Inducing Biomaterials），即无生命的生物材料通过自身优化设计，可诱导有生命的组织或器官再生，开拓了生物材料发展的新方向，获国家自然科学二等奖。研发的产品已获药监局产品注册证6项，授权国家发明专利38项。基于对“骨骼-肌肉系统的治疗和生物材料产品研发的贡献”，2014年当选美国国家工程院外籍院士；获美国生物材料学会克莱姆森奖、何梁何利基金科技进步奖、四川省科技杰出贡献奖、全国首届创新争先奖等。

当选美国国家工程院外籍院士

2019年，四川大学在Nature刊文专门介绍了张院士的一系列工作和成就，进一步说明张兴栋院士所做工作的开拓性和杰出性。此外，早在在2000年的时候，在第六次世界生物材料大会上，张兴栋就被组委会安排第一个发言，这在一定程度上也说明了张兴栋在国际领域受到的认可。

Nature刊发专门文章

2018年，张兴栋作为主席和发起人还主持召开了国际生物材料定义共识会”，这距离上一次会议过去了32年。就在这次会议上，张兴栋提出的“组织诱导性生物材料”被作为新定义列入了“生物材料定义”，这也是由我国科学家首次提出的生物材料定义。可以说，张兴栋的成果改写了原有的“生物材料定义”，为将来生物材料领域的发展提供了科学依据，也是现代生物材料发展的一个方向，标志着中国在生物材料领域的崛起。

上世纪90年代初，与国际同期独立研究并发现特定组成和结构的磷酸钙陶瓷具有骨诱导性，在此基础上研发出国际首创的骨诱导人工骨并获国家药品监督管理局颁发的医疗器械注册证（III类），继而提出生物材料骨诱导的理论雏形，即生物材料可通过自身优化设计，而不是外加生长因子或活体细胞，可赋予其诱导新骨生成的生物功能。已上市销售的骨诱导人工骨在临床骨缺损修复应用已超过30万例，疗效显著。此后，又研究开发了可用于承力部位骨缺损修复的第二代骨诱导人工骨，可望突破解决临床节段骨缺损修复难题。

国内率先开展羟基磷灰石生物材料研究，研发出医用级羟基磷灰石粉料，研发出十余个系列的羟基磷灰石生物活性陶瓷产品，分别用于骨填充修复、颅颌面整形修复、义眼替代修复等。近年来，在“十三五”国家重点研发计划项目等立项支持下，基于先进的材料基因工程技术，高通量筛选出可选择性抑制肿瘤细胞增殖的纳米羟基磷灰石粒子，并研发出相应的抗肿瘤/组织再生性材料，可望突破解决骨与软组织肿瘤术后的组织再生修复和抑制局部肿瘤复发的世界性难题。

于国内率先开展等离子喷涂羟基磷灰石生物活性涂层研究，系统揭示了涂层形成、结构、相变及材料和工艺因素对其体内稳定性和界面结合强度的影响和规律，成果鉴定“属国内羟基磷灰石涂层最为完整和系统的研究”，涂层稳定性和与基底金属界面结合强度达到国际先进水平。

产品根据人体解剖结构和髋关节功能特点设计制作，具有良好的生物相容性和安全性。关节柄部件植入股骨髓腔，关节球头连结在关节柄上，与髋臼部件在髋臼窝中配合旋转，可以在一定程度上实现股骨的曲伸和运动，缓解病患关节的疼痛，稳定关节，矫正关节畸形，改善关节功能，从而替换丧失功能的髋关节。

2023年，已经85岁的张兴栋依然工作的一线。近两年，他所率领的团队在Nature/Science子刊发表了多篇重磅研究。

关节软骨修复一直是临床难题，张兴栋院士团队于国际率先发现I型胶原基凝胶可以诱导干细胞向成软骨细胞系分化，再生关节软骨，提出损坏的关节软骨可以再生修复。软骨诱导性基质，利用其包裹间充质干细胞(mesenchymal stem cells, MSCs)，成功完成了70余例关节软骨缺损临床试验研究，疗效良好。研究成果已通过进入国家药监局创新通道申报产品注册证，然而I型胶原基水凝胶诱导干细胞软骨分化的机理尚不十分清楚，对成果的应用造成一定的影响。

近期，张兴栋院士团队肖芸副研究员成功通过控制胶原纤维自组装过程调节胶原水凝胶黏弹性，进而发现水凝胶黏弹性是细胞-基质相互作用建立和稳定的关键，其通过ROCK通路调节MSCs细胞存活和成软骨分化，对MSCs前期启动成软骨分化和后期软骨组织形成具有时序性调节作用，为胶原蛋白水凝胶作为细胞或组织培养基质的设计提供了新思路，为设计用于组织工程和再生医学的生物材料提供了新策略。

文献链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade9497

材料诱导组织再生的理念源于生物材料骨诱导性的发现和确证，其典型代表是已获批上市的骨诱导磷酸钙生物陶瓷，广泛应用于临床骨缺损的再生修复，表现出媲美自体骨和生长因子的修复效果。尽管如此，陶瓷本身的脆性使其在承重部位骨缺损修复应用中有较高的风险。相较于生物陶瓷，医用金属和高分子材料具有广阔的力学调控空间，在承重骨修复方面具有独特的优势。在生物材料骨诱导理论指导下，前期已有骨诱导性多孔金属的相关报道，但开发兼具骨诱导性和适宜力学强度的医用高分子材料一直是骨科生物材料领域面临的难题和挑战，至今鲜有成功报道。

张兴栋院士团队朱向东研究员和张凯教授坚持以“组织诱导性生物材料”为研究核心，结合课题组前期生物活性聚芳醚酮材料相关研究，通过模拟自然骨多尺度结构特征，设计和制备了具有类骨多尺度结构和力学性能的仿生聚芳醚酮支架材料。研究结果证实，该支架可通过激活cAMP/PKA信号通路介导干细胞的成骨分化，进而实现体内异位诱导新骨形成，并促进骨缺损的再生修复。这也是自1969年Winter等人在Nature上短暂报道聚甲基丙烯酸羟乙酯海绵后，50多年来首次发现了惰性高分子材料的异位诱导成骨现象。

文献链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq7116

有限的干细胞、较差的可拉伸性和不匹配的界面融合一直困扰着无细胞支架重建颅骨缺损。为此，张兴栋院士团队樊渝江教授和孙勇研究员通过多巴胺修饰的透明质酸螯合微羟基磷灰石表面的Ca2+并结合I型胶原，设计了一种即时固定和自适应的支架，以高度模拟天然骨基质。通过适当的钙螯合作用，该支架表现出了良好的机械匹配和界面整合，并可通过柔性变形对外部应力作出反应。同时，支架中适当的基质微环境可调节巨噬细胞M2极化并募集内源性干细胞。因此，该支架可在体外促进BMSCs的增殖和成骨分化，以及显著的异位矿化和血管生成。转录组分析证实，相关基因和信号通路的上调与M2巨噬细胞活化、内源性干细胞募集、血管生成和成骨有关。在兔（Φ = 9 mm）和比格犬（Φ = 15 毫米）颅骨缺损模型中，支架在植入12周后分别实现了97%和72%的骨覆盖面积。

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1. 四川大学官网

2.中国粉体网：张兴栋院士：培植“真骨头”的科学家

3.澎湃：张兴栋：拼搏不息，只为“世界领先”

来源：BioMed科技

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