一、成果介绍
1.稀土纳米材料的可控合成、性能调变及在医学诊疗领域的
应用
【项目概述】创立了结构和性能可控的多功能稀土发光材料合成方法，有效提高了发光强度，实现了发光颜色的多色调变。率先提出利用多功能稀土材料实现单一粒子的高效上转换发光、核磁和CT多模式成像性质。并研发了一类近红外光诱发的、靶向、多模式稀土发光基光学治疗载体，利用不同模式疗效的联合与相互促进作用，大幅提高了肿瘤消除能力。
【项目成熟情况】前沿探索，基础研究阶段。
【应用范围】照明、显示及光学治疗。
2.新型高效吸附、促愈合的医用敷料
【项目概述】随着湿润闭合理论的提出和高分子材料的研究和开发，近年来对创面敷料提出了能保持伤口湿润环境、去除多余的渗液、允许气体交换、隔热、隔离细菌、能除去伤口感染的毒素和微粒、允许躯体移动而不对伤口造成损伤的“理想敷料”的概念。目前，众多体内外研究致力于研发和评估适用于临床应用的新型敷料，其中具有多孔结构的泡沫敷料具有高吸水性，透气可控性，表面柔软和很好的生物相容性，从医用角度，泡沫敷料具有保温，不粘连，使用周期长等特点，深受患者欢迎，但是并不具备对于细菌、毒素、微粒等炎症因素的吸附性，若未能及时更换，会延长伤口愈合时间。因此，研究具有高效溶质吸附性的多孔结构材料对于促进国内新型敷料产品的开发具有重要意义。
本成果来源于黑龙江省应用技术研究与开发计划重大项目“高效溶质吸附多孔结构材料研究及促愈合医用敷料产品开发”。通过加入具有高效吸附性和促进愈合作用的配方，使得该产品具有高效吸附性和促进愈合作用，在为患者提供湿润环境的同时，能够将渗液中的毒素和微粒等有害物质锁住，减少由于未能及时更换敷料，而造成伤口感染的机率，使伤口愈合更快。本成果主要技术特点和创新点：所用成分及加工过程无毒无害，采用天然物质作为生产中有效成分，采用新型工艺替代传统泡沫中的乳化剂、稳定剂等有害物质，产品对人体无刺激，具有优异的生物相容性；产品具有高效的溶质吸附性，提供湿润环境的同时，能有效锁住渗液中的有害成分，高效清创，减少伤口感染、促进伤口愈合。
【项目成熟情况】创伤敷料市场规模：2017年147亿美元，预计2022年将达到200亿美元。已具备批量生产能力，目前正申请二类医疗器械许可。
【应用范围】作为促愈合伤口产品使用。其应用包括部分皮层和全皮层伤口，浅表伤口，皮肤压力性溃疡，皮肤溃疡，腿部溃疡，皮肤擦伤，糖尿病溃疡，外科引流等。
3.非均质记忆合金个性化脊柱矫形器具
【项目概述】脊柱畸形是发生于任何年龄的一类常见及多发病，主要包括各种先天性病因引起的侧弯畸形、脊柱退行性变、骨折并发的畸形、强直性脊柱炎导致的强直畸形等。脊柱畸形是一个复杂的三维畸形，不仅包含冠状面的侧向弯曲，也包括横断面的轴向旋转，矢状面的前凸或后凸畸形。脊柱侧凸多发生于胸椎，位于凸侧的肋骨由于发生移位和旋转，导致凸侧胸廓隆起、肋骨成角，进而导致该侧胸腔的冠状径缩短，而凹侧肋骨塌陷，该侧胸腔矢状径缩短。这些骨性结构的畸形改变不仅影响患者的外观体态，危害心、肺等身体机能，严重者可伴脊髓或神经功能障碍致残，因此大多需外科干预来矫正畸形，解除神经压迫，恢复脊柱的稳定性，纠正脊柱失衡等。
本项目成果转化来源于政府间合作项目，本产品利用3D打印与梯度热处理等技术开发非均质的TiNi基形状记忆合金，设计并制备新型可分段恢复的脊柱矫形器械，满足脊柱畸形患者尤其是青少年患者脊柱矫形的需求。
与国内外同类产品相比，本项目的产品具有如下技术优势：
（1）非均质的TiNi基形状记忆合金材料及矫形器械，具有良好的力学性能以及优异的生物相容性。
（2）通过对合金成分的设计，非均质矫形器械可以实现脊柱多维度，分阶段回复的治疗效果，避免了二次创伤，多次手术等对患者造成的伤害，并且回复效果要远远好于同类产品。
（3）采用3D打印智能制造，成分控制精度高，产品形状尺寸精度高，可针对患者个体需求，实现个性化设计要求。
【项目成熟情况】我国患者总量为200万至300万。国产内置矫形器材的价格在3000-5000元，进口的器材价格在1万元以上。已具备设计能力，中试生产能力。
【应用范围】脊柱矫形医疗器械。
4.基于纳米晶材料的口腔医疗器械
【项目概述】人工种植体的研究和应用中，钛、钛合金及其磷灰石涂层复合材料一直倍受关注。与传统的不锈钢和钴基合金相比，钛及其合金由于具有低密度、低模量、高强度、优异的生物相容性和耐腐蚀性等特点而在生物材料领域获得越来越广泛的应用。60年代末期，由瑞典Branemark教授首先证实并提出了骨组织与钛之间发生的牢固、持久而直接的结合的骨结合概念。最早及最常用医用钛合金是Ti6Al4V，其含有铝及毒性组元V，生物相容性较差，耐磨性也较差。80年代中期开始研制的医用钛合金，如德国Ti5Al2.5Fe合金、瑞士Ti6Al7Nb合金、日本Ti15Mo5Zr3Al合金及我国Ti75合金等力学性能有了进一步提高和改进，但均含有对人体有影响的元素铝，且上述合金弹性模量均高出人体硬组织5倍以上，易造成人体机械不适性，应力屏蔽效应造成骨质疏松。
本项目成果转化来源于科技部国际合作重点研发计划，采用纳米晶钛作为牙种植体材料，晶粒尺寸为亚微米级（0.1-1μm）或纳米级（1-100nm），具有无毒副作用，良好的机械强度、疲劳极限、耐磨性、耐腐蚀性能以及生物相容性。纳米晶钛的弹性模量远低于钛合金的弹性模量，可以有效的降低人体机械不适应性。研究结果表明种植体表面形貌对骨愈合的速度和质量有很大的影响，纳米晶形貌不仅可以增大骨结合面积、稳定血凝块及细胞外基质蛋白支架，为成骨细胞提供稳定的微环境，并且还能促进蛋白的吸附、成骨细胞附着和分化。动物实验结果也证明了纳米晶钛合金种植体的医疗效果要远优于粗晶种植体。
【项目成熟情况】国内口腔种植体市场总量约100亿元，全球口腔种植体市场约为70亿美元。目前该产品已完成花样设计，具备规模化生产条件。
【应用范围】口腔种植体医疗器械。
5.新型医用钛合金及增材制造技术
【项目概述】随着人们生活水平的不断上升和交通事故、体育运动等损伤的日益增多，钛合金器械已广泛应用于临床治疗，但是由于人体的差异性、缺损部位形态的随机性，使得标准化植入体常常不能满足临床使用要求。从更高的技术要求来看，最好的治疗手段应该是个性化治疗，最好的植入体应该是个性化植入体。而3D打印技术的出现为个性化植入物的制造和广泛应用提供了可靠的技术支撑。3D打印(3Dprinting)技术是一种融合近净成形和增材制造的新技术。
本项目成果转化来源于科技部国际合作重点研发计划。项目组克服了钛合金3D打印过程中存在的结构缺陷，过烧，分层等工艺难题，研发了新型医用TiNb合金体系及其增材制造工艺。与传统的医疗器械相比，优势如下：1、本技术具有加工成形能力强、3D打印生产的器械外形和内部构造不受传统设计限制，使得各种形状和结构的医疗器械的加工成为可能。2、实现个性化定制，在医疗行业，尤其是修复性医学领域，病人存在个人特征差异，个性定制化需求显著，个性化、小批量和高精度恰是3D打印技术的优势所在。更重要的是，3D打印可制造多孔钛及钛合金医疗器械，从而实现器械更好的生物力学适配和结构减重，并通过表面多孔结构使其具有更好的成骨诱导和骨整合性能。3、加工周期短，传统加工医疗器械零部件时间从几小时到几天，而3D打印技术加工一个部件只需要几个小时甚至更短，这对于骨肿瘤等疾病患者具有重要的意义与价值。4、降低成本3D打印设备可成型多种钛合金医疗器械，只需要不同数字设计图纸和各种原材料，减少了医疗器械生产设备投入。并且3D打印技术生产环节少，且无需使用其它工具，能够最大限度地利用原材料、节约能源、降低库存。
【项目成熟情况】2016年全球骨科植入物市场达到472.61亿美元，2017-2023年预测期间，年复合增长率为6.8％；国内市场300亿元。已完成技术开发，具备小试生产条件。
【应用范围】进行骨科植入物、口腔植入物等器械个性化成形设计与制造。
6.无毒完全可降解医用镁合金
【项目概述】镁及镁合金具有密度小、重量轻、强度高、良好的生物相容性及可降解特性等优点，使其在骨科器械、介入医疗、吻合器械等医料器械领域展现出巨大的优势和潜力。各类临床应用证实了镁合金作为生物医用的可行性，但其过快的降解速度和析氢现象使其发展受到了极大的限制。
本项目成果转化来源于863项目，针对医用镁合金的力学性能、生物相容性及降解速度等方面做了大量的研究工作，开发出新型镁合金合金体系，该体系合金具有无毒、完全可降解和高强韧等优点，适用于血管内支架及骨板、骨钉等骨外科内固定及植入材料等方面。
目前临床上所普遍采用的各种不可降解金属来制备支架，针对这些支架作为异物长期植入血管中容易引起毒性反应等问题，项目组结合近年来国内外学者在血管支架领域的科研积累，提出了设计生物可降解药物洗脱性镁合金支架，使得在植入的最初阶段，通过聚合物携带有药物预防再狭窄，镁合金支架主体在一个理想的时间窗内起足够的机械支撑作用，之后药物释放结束，镁合金主体开始被体液逐渐降解，并且在降解过程中不产生炎症反应和有毒物质。支架材料被降解吸收后，血管壁恢复正常的功能，因此这类支架具有更好的组织相容性和血液相容性，市场前景也将非常广阔。
项目组围绕着这一核心产品做了大量的研究，目前该产品即将完成动物实验阶段所有试验均证实该产品在无毒、完全可降解方面可以满足使用要求，在血管支架制造技术方面处于国际领先水平。
【项目成熟情况】全球介入性心血管治疗市场总额251亿美元，其中药物洗脱支架市场128亿美元；国内冠脉支架销售额100亿元。完成产品设计工作，具备批量化生产能力。
【应用范围】血管内支架、骨板、骨钉等骨外科内固定及植入材料等方面。
7.光纤光镊微操作系统
【项目概述】光镊是一种基于光辐射压效应的微观微粒操作工具，能够实现对百纳米到几十微米直径的透明粒子的捕获与操纵。光镊能够非接触捕获生物细胞，并且其使用红外光时对生物细胞具有很好的透射性，这大大减少了微粒或细胞在被操纵时受到的伤害，因此光镊技术广泛应用于生物及医学领域。除此之外，光镊还可以应用于微小力测量、传感等领域。随着光镊技术的发展，其应用将会更加广阔。
光纤光镊系统的光路设计是光纤光镊系统设计与开发的基础。首先，为光纤光镊系统提供光源的激光器的光功率要可调，能够产生不同大小的光功率，以实现光纤光镊实验不同的要求；其次，为了实现对激光器功率的实时监测，需要光学器件将激光器产生的光传输出来，并且还不能过大影响光镊捕获粒子所需的光功率；再次，光纤光镊系统还需要观测系统，这个观测系统要求是多视场观测，因此采用多个CCD来实现对实验现象的观察以及记录；最后，光纤光镊的实验大多是在液体中进行，而对微粒的捕获或者对光阱刚度的测量需要相对稳定的环境，要尽量避免液体的流动，因而照明光源应在保证照明的前提下，尽量减少热量的产生。
光纤光镊系统的机械结构设计是对光纤光镊系统稳定性与可靠性的保证。机械结构设计主要包括三维微操作系统的设计和四象限探测器固定装置的设计。要实现对实验现象多视场的观测，仅凭光学设计并不能够实现，还需要结合机械结构。设计机械结构的同时，还需要考虑到光纤光镊很可能在某一视场以外的环境下工作，这就要求机械结构能够按照要求移动，实现多视场观测的目的。另外，对光阱刚度的测量，需要借助于四象限探测器。四象限探测器本身灵敏度很高，这就需要对四象限探测器头稳定的固定装置，以尽量减少外界环境的扰动。
电学系统的设计是光纤光镊系统精度的重要保证。光纤光镊捕获微粒的过程中，如何保证光纤探针稳定和均匀的进行微小位移是要解决的一个重要问题。光纤光镊捕获到微粒时，需要把微粒移动到一个合适的位置，如果光纤探针移动的不稳定，很可能将微粒抖掉，使得之前光镊捕获微粒前功尽弃；另外，为了保证测量的准确性，还要要求光纤探针的移动具有可重复性，因此选用电动微操作位移台；为了实现光功率的实时监测，需要设计光功率计模块，这个模块不仅能够检测光功率，还应能够将检测的光功率发送给上位机，以便于实时观察，利于系统的仪器化；最后，要实现对光阱刚度的测量，需要使用四象限探测器，它是一种常用的位置检测敏感器件，然而其输出信号在毫瓦量级，需要设计合适的放大电路来配合数据采集卡使用。
系统软件设计是光纤光镊系统设计的“灵魂”。设计的系统软件应实现控制、观测等功能。控制程序应主要实现对三维微操作平台的控制以及光功率输出大小的控制。观测程序主要应包括多CCD的视频采集程序以及录像程序，将其与光学元件，机械结构相结合，以实现多视场观测及记录的目的。测量程序除了应满足对光功率计模块输出的信号进行采集的要求，还要能够处理四象限探测器的采集数据，进而测出光阱刚度。
【项目成熟情况】系统集成完备。
【应用范围】目前，光纤光镊技术的应用主要分为以下几个方面：
（1）生物大分子静态力学特性研究：使用光镊技术将单分子拉伸、弯曲、打结等，从而评估其静态力学特性。例如：对附着在聚苯乙烯小球上的微管蛋白进行弯曲，对微管蛋白的刚性进行了评估；固定在肌动蛋白上的手柄小球对肌动蛋白的刚性特性进行测量；对红细胞膜的弹性系数进行测量等。
（2）生物大分子动态力学特性研究：驱动蛋白是利用三磷酸腺苷水解释放出能量驱动自身和携带分子的一种生命原动力，科学家们将其称之为―马达蛋白。利用光镊技术对驱动蛋白进行研究是生命科学领域中生物分子动力学这一分支的一项重要成果。科学家们使用光镊技术观察到了马达蛋白步进运动的形态，测量出分子马达的运动步长、单个驱动蛋白分子产生的力和速度，以及它们与ATP浓度的关系。测量出了驱动蛋白产生的力的大小。
（3）光镊光刀技术：将光镊技术与激光脉冲技术相结合对单个细胞器进行了微加工，用于细胞融合、染色体分离重组、人工授精等研究领域。
（4）纳米生物器件组装：将光镊技术与光束扫描技术相结合，可以使微粒按照使用者的意志进行排列，用光镊实现了对微粒的稳定俘获和移动，最终排列出需要的图样，将光镊技术引入到了微纳生物器件组装的领域中。
二、联系方式
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