发布日期：2026-11-08 来源：中国生物材料学会

一枚小小的骨钉，被医生轻轻旋入断裂的骨头中。

手术很成功。X光片上，骨钉位置准确，断骨被牢牢固定。家属松了一口气：这么坚硬的金属钉子，应该万无一失了吧？

可是，真正的考验才刚刚开始。

当这枚骨钉进入人体后，它并不会安静地“躺”在那里。几秒钟内，血液里的蛋白质会像潮水一样涌上来，先在它表面铺上一层“外衣”；随后，免疫细胞赶到现场，像巡逻队一样围着它检查：这是自己人，还是外来者？要不要攻击？要不要包围？要不要把它隔离起来？

也就是说，植入物进入人体后的第一场考验，不是来自骨头、肌肉或血管，而是来自人体最敏感、最警觉的防御系统——免疫系统。

这就带来一个问题：植入人体的材料，为什么不能只是“结实”？

答案很简单，也很深刻：因为人体不是一台等待维修的机器，而是一个会识别、会反应、会修复、也会排斥的生命系统。材料能不能长期发挥作用，不只取决于它硬不硬、强不强，还取决于它能不能和身体“好好相处”。

01

植入物进入人体，首先面对的是“生命环境”

很多人想象中的植入物，是一个被放进身体里的“零件”。骨折了，用钢板固定；牙齿缺了，种一颗牙根；关节坏了，换一个人工关节。听起来像修车：哪里坏了，换个结实的部件就行。

但人体不是汽车。

汽车零件装进去，只要尺寸合适、强度足够，通常就能工作。外来的材料一进入体内，就会被血液、组织液、蛋白质、细胞和各种信号分子包围。这里不是干燥、安静、稳定的机械环境，而是一个湿润、温暖、不断变化的生命世界。在这个世界里，材料不再只是材料；它会被身体“看见”，也会被身体“判断”。

一块金属在实验室里很稳定，不代表它在体内一定安全；一种高分子材料在力学测试中表现很好，不代表它能顺利引导组织再生；一个支架在显微镜下结构漂亮，也不代表细胞愿意住进去。

因此，植入人体的材料，第一步不是证明自己有多结实，而是进入一个复杂的生命环境，接受身体的连续观察和长期考验。

02

材料先被“贴标签”：蛋白质决定第一印象

材料进入体内后，最先接触它的往往不是细胞，而是蛋白质。

这些蛋白质来自血液和组织液，会迅速吸附到材料表面，就像给材料披上一件新的外衣。免疫细胞并不是直接读取材料本身，而是通过这层蛋白质外衣来判断：这个东西危险吗？需要清除吗？可以接受吗？

这层外衣常被称为“蛋白冠”。通俗地说，就是材料表面被蛋白质包裹后形成的一层生物外套。它看似很薄，却可能决定后续一连串反应的方向。

如果这层外衣传递出“安全”的信号，身体可能逐渐接受这个材料；如果它传递出“危险”的信号，免疫系统就会拉响警报。一旦“警报”响起，会引起炎症细胞聚集、组织液增多，局部环境变得紧张；原本用来帮助修复的材料，可能会被身体当成“入侵者”。

这就像一个陌生人进入一座城市，城市管理者未必认识他本人，但会先看他的证件、衣着和行为；如果第一印象不对，安保系统马上启动。

材料也是如此。它的表面，就是身体认识它的第一张“证件”。

图1 植入材料进入人体后可能经历的异物反应。图中英文依次为：1. 蛋白质沉积（Protein deposition）；2. 急性免疫激活（Acute immune activation）；3. 慢性免疫激活（Chronic immune activation）；4. 胶原沉积/纤维化（Collagen deposition/fibrosis）；“continued inflammation”表示“持续炎症”。材料表面首先吸附血液和组织液中的蛋白质，随后吸引中性粒细胞和巨噬细胞。如果炎症不能及时结束，成纤维细胞会沉积胶原，在植入物周围形成纤维包膜。图源：Karkanitsa M, et al. Front. Bioeng. Biotechnol. 9:730938. doi: 10.3389/fbioe.2021.730938（CC BY 4.0）。

03

免疫系统不是敌人，而是修复现场的“总指挥”

一提到免疫系统，很多人会想到“排斥”“炎症”或“攻击”。但在生物材料领域，免疫系统并不是麻烦制造者，反而是修复现场的总指挥。

身体受伤后，免疫系统会先派出细胞清理坏死组织和细菌，再通知其他细胞修复血管、生成新组织、重建结构。如果没有免疫反应，伤口不会顺利愈合，骨头也难以再生。

但问题在于，这位总指挥有时候会“过度紧张”。

短期炎症本来是修复的一部分。它像消防队赶到现场，先灭火、清障、维持秩序。但如果炎症迟迟不退，就会变成麻烦。消防队一直喷水、封路、拉警报，真正的重建工作反而无法展开。

这也是为什么有些植入物虽然强度很好，却仍然可能“纤维包裹”，导致植入后松动和修复失败。

“纤维包裹”是什么意思？可以把它想象成身体给外来物构筑了一堵墙。免疫系统无法清除这个材料，又不完全信任它，于是让成纤维细胞在周围生产大量胶原纤维，把它包起来、隔离开。这样做虽然是为了保护身体，但对植入物来说，则意味着它很难和周围组织真正融合。

一颗牙种植体，如果不能和骨组织紧密结合，就可能松动；一个葡萄糖传感器，如果被厚厚的纤维层包住，就可能测不准；一个人工血管，如果内壁不能和血液和平相处，就可能形成血栓。

免疫系统不是材料的敌人，真正的问题是：材料能不能让免疫系统从“战斗模式”切换到“修复模式”。

04

巨噬细胞：决定材料命运的“关键评委”

在这场材料与身体的对话中，有一种细胞特别重要——巨噬细胞。

巨噬细胞可以理解为人体里的“清道夫兼指挥员”。它们能吞噬细菌和碎片，也能释放信号，告诉其他细胞该攻击、该撤退，还是该修复。

当植入材料出现时，巨噬细胞往往最先围上来。它们的态度，很大程度上影响材料的命运。

如果巨噬细胞认为环境危险，就会释放促炎信号，召集更多免疫细胞前来“作战”。这时，材料周围可能出现红、肿、热、痛等炎症表现。适度炎症有助于清理伤口，但过度炎症会阻碍修复。

如果巨噬细胞感受到材料比较“友好”，它们可能转向修复状态，释放促进血管生成、组织重建和细胞迁移的信号。此时，材料就像从陌生入侵者变成了施工平台，帮助细胞有序进入、附着和生长。

过去，人们常把材料设计的重点放在“强度”和“稳定性”上。现在，科学家越来越重视材料能否调节巨噬细胞的行为。换句话说，生物材料不仅要能“扛得住”，还要能“劝得动”免疫细胞。

这是一种很大的观念变化。

以前我们问：“这个材料够不够硬？”

现在我们还要问：“它会让细胞产生什么反应？”

以前我们问：“它会不会被腐蚀？”

现在我们还要问：“它释放的离子、分子或降解产物，会不会影响免疫环境？”

以前我们问：“它能不能替代组织？”

现在我们更关心：“它能不能引导身体自己修复？”

图2 巨噬细胞是修复现场的“清道夫和指挥员”。

05

材料表面会“说话”：

粗糙、孔隙和化学信号都在传递信息

既然身体会识别材料，那么材料靠什么和身体交流？

答案首先藏在表面。

人与人初次见面，先看表情和举止。身体认识一个材料，也先看它的表面。材料的表面并不只是外壳，而是一张会说话的“脸”。它的粗糙程度、孔隙尺寸、亲水性、电荷、化学基团等特征，都会影响蛋白质如何吸附，也会影响细胞如何靠近、黏附和反应。

例如，骨修复材料常常需要有一定孔隙。孔隙就像一座城市里的道路和房间，细胞可以钻进去，血管可以长进去，营养物质可以运进去，代谢废物可以运出来。如果材料是一块没有缝隙的“死板石头”，细胞很难进入内部，组织也就很难真正长进去。

但孔隙也不是越大越好。孔太小，细胞进不去；孔太大，材料可能不够稳。一个好材料，就像一座设计合理的房子，既要坚固，又要通风，还要方便人进出。

材料表面的化学性质也很重要。有些表面更容易吸引细胞停靠，有些表面则容易让细菌黏附；有些表面能让蛋白质排布得更“友好”，有些表面则可能激起免疫系统的警惕。

因此，材料设计不是简单地把表面做光滑或做粗糙，而是要让表面释放出正确的“生物信号”：告诉细胞这里可以停靠，告诉免疫系统这里并非敌人，告诉组织修复可以开始。

图3 材料表面的微小结构可以改变免疫细胞行为。Zhu 等在钛表面构建不同尺度的蜂窝状 TiO2 纳米结构后发现，结构尺度会改变巨噬细胞的铺展形态和极化状态；其中约 90 nm 的结构更明显促进巨噬细胞向抗炎、修复相关状态转变，并提高 IL-4、IL-10 等信号。也就是说，孔径和微纳结构并不只是“外观差异”，它会通过改变细胞黏附和形态，进一步影响免疫反应和后续骨整合。转载自Zhu Y, et, al. Sci Adv. 2021 Apr 2;7(14):eabf6654. doi: 10.1126/sciadv.abf6654.

06

材料还要“合身”：不同组织需要不同软硬度

材料除了要有合适的表面，还要有合适的力学性能。

这里的力学性能，不只是“够不够硬”，而是“是否和周围组织匹配”。

更重要的是，材料的软硬程度还会影响免疫细胞。巨噬细胞同样能感知周围环境的力学特征，不同刚度和机械应力会改变它们的黏附、形态以及释放的信号。如果材料与组织长期“力学不合身”，局部免疫反应就可能持续处于高警戒状态。换句话说，力学匹配不仅关系到材料能不能支撑组织，也关系到免疫系统能不能顺利从“警戒”转向“修复”。

细胞不是没有感觉的“小水滴”。它们能通过黏附点感知周围环境的软硬。太硬、太软，都可能影响它们的行为。骨细胞喜欢相对坚硬的环境，神经细胞则更适合柔软的“住所”。如果把神经细胞放在像骨头一样硬的材料上，就像让人睡在石板上，很难舒服地生活和工作。

这也是为什么不同组织需要不同材料。修骨头的材料不能简单拿去修神经，做血管的材料也不能直接拿去修皮肤。人体每一种组织都有自己的“脾气”，材料必须学会匹配。

有时，材料太硬也会带来问题。比如，在骨修复中，如果植入物远远比骨头更硬，力量可能主要被植入物承担，周围骨组织反而得不到正常刺激，时间久了可能变弱。这有点像正常人长期拄着拐杖，自己的肌肉就会慢慢偷懒而变弱。

所以，好的材料不是一味追求“越强越好”，而是要做到“刚刚好”：该硬的时候硬，该软的时候软，该支撑的时候支撑，该顺应的时候顺应。

07

感染来袭时——

免疫系统如何守住植入物周围的修复秩序

植入物还有一个重要挑战：感染。细菌一旦黏附在材料表面，就可能形成“生物膜”。它像细菌搭起的一座堡垒，让细菌躲在黏稠的保护层里，既更耐受抗生素，也更难被免疫细胞清除。

感染发生后，人体并不是被动挨打。中性粒细胞和巨噬细胞等免疫细胞会迅速赶到现场：一边吞噬和杀伤细菌，一边释放信号，招募更多防御力量。适度而及时的免疫反应，是阻止感染扩大的第一道防线。

真正棘手的是，当细菌在材料表面形成成熟生物膜后，免疫细胞往往难以把它们彻底清除。此时，免疫系统可能不断“增援”，局部炎症迟迟不退；原本应该用于组织重建的环境，就会被持续的战斗占据。

这也解释了为什么植入物感染常常会同时影响修复：长期炎症会干扰细胞生长、血管形成和组织整合，严重时甚至需要取出植入物。对材料来说，抗感染并不只是“杀菌”，还要帮助免疫系统尽早结束这场战斗。

因此，理想的抗感染材料应当减少细菌黏附和生物膜形成，同时不伤害正常细胞，也不过度刺激免疫系统。材料可以通过表面结构、局部信号或其他策略降低细菌负担，让免疫细胞更容易完成清除任务，并在感染受控后及时回到修复状态。

从这个角度看，抗感染设计和免疫调控并不是两件分开的事：前者减少需要被清除的细菌，后者让防御反应及时、适度，并在危险解除后退出“战斗模式”。真正成功的植入材料，是尽早阻止感染升级，让修复工程能够继续进行。

图4 材料与巨噬细胞之间的相互作用示意图（自绘）。材料的表面、力学与化学特征可改变巨噬细胞的黏附、形态和信号分泌，巨噬细胞又会反过来塑造局部炎症与修复环境。

08

未来的好材料，应该会“沟通”

从上面的过程可以看出，一个植入材料进入人体后，至少要经历几道关：先被蛋白质贴上“身份标签”，再接受免疫系统审查；在这个过程中，巨噬细胞将决定局部环境是走向炎症还是修复。

所以，未来的好材料，绝不只是更硬、更强、更耐用。

它应该会与免疫系统“沟通”。

早期的植入材料强调“惰性”。所谓惰性，就是尽量不和身体发生反应。那时的目标很朴素：不要有毒，不要腐蚀，不要引起明显排斥。

这当然重要。但今天，仅仅“不惹事”已经不够了。

如果把人体看作一座城市，免疫系统就是城市的安保、清洁和维修团队。植入材料则像一位外来的建设者。它带着工具进入城市，想修桥、补路、建房子。

如果这个建设者横冲直撞，城市会立刻警觉，把它围起来，甚至驱逐出去。

如果它沉默僵硬，虽然不惹事，却也未必能真正帮上忙。

最理想的情况是，它懂得城市规则，能和安保人员解释来意，能给维修队提供支架，能给工人递上材料，还能在工程完成后悄悄离开。

这就是未来生物材料的发展方向：不是单纯追求更硬、更强、更久，而是追求更聪明、更友好、更懂生命。

它要能告诉免疫系统：“我不是敌人，我是来帮忙的。”

从这个角度看，一枚骨钉、一片敷料、一段人工血管、一颗牙种植体，都不只是冰冷的材料。它们是人体修复故事中的参与者，是医生手术之后继续工作的“无声助手”。

09

真正的医学材料，连接的是工程与生命

“结实”曾经是人类制造工具时最朴素的追求。石器要结实，桥梁要结实，机器零件也要结实。但当材料进入人体，事情就变得不同了。

人体不是等待修补的机器，而是一个会感知、会防御、会自我更新的生命世界。植入材料的价值，也不再只是替代一个缺失的部件，而是帮助身体重新找回修复的秩序。

因此，未来的生物材料必须同时回答三个问题：它能不能撑得住？它能不能被身体接受？它能不能帮助身体变得更好？

第一个问题属于工程。

第二个问题属于免疫。

第三个问题属于医学的未来。

当一块材料能够在强度之外，学会与免疫系统对话、与细胞协作、与组织共同成长，它就不再只是一个“零件”，而成为生命修复的一部分。

这正是生物材料科学的魅力所在：它让冰冷的材料，开始理解温热的生命。

参考文献：

[1] Engler AJ, et al. Cell. 2006;126:677–689.

[2] Place ES, et al. Nature Materials. 2009;8:457–470.

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[9] Karkanitsa M, et al. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 9:730938.

[10] Zhu Y, et al. Science Advances. 2021 Apr 2;7(14):eabf6654.

供稿：

中国科协青年科技人才培育工程博士生计划入选者  杭瑞月 （太原理工大学）

审核专家：

中国生物材料学会骨修复材料与器械分会委员、科普工作委员会秘书 郇志广 （中国科学院上海硅酸盐研究所）