第八章-人工器官等医学应用

1、第八章 人工器官等医学应用 一、人工器官,人工器官：暂时或永久性地代替身体某些器官主要功能的人工装置，它是生物医学工程专业中一门新的学科，主要研究模拟人体器官的结构和功能，用人工材料和电子技术制成部分或全部替代人体自然器官功能的机械装置和电子装置 研究应用比较成功的有人工血管、人工食道、人工尿道、人工心脏瓣膜、人工关节、人工骨等整形材料。,一） 分类,根据不同的分类方法人工器官可以分为如下几类： 1）按功能分： （1）支持运动功能的人工器官，如人工关节、人工脊椎、人工骨、人工肌腱、肌电控制人工假肢等。 （2）血液循环功能的人工器官，如人工心脏及其辅助循环装置、人工心脏瓣膜、人工血管、人工血液等。 （3）呼吸功能的人工器官，如人工肺（人工心肺机）、人工气管、人工喉等。 （4）血液净化功能的人工器官，如人工肾（血液透析机）、人工肺等。 （5）消化功能的人工器官，如人工食管、人工胆管、人工肠等。,（6）排尿功能的人工器官，如人工膀胱、人工输尿管、人工尿道等。 （7）内分泌功能的人工器官，如人工胰、人工胰岛细胞。 （8）生殖功能的人工器官，如人工子宫、人工输卵管、人工睾丸等。 （9）神经传导功

2、能的人工器官，如心脏起搏器、膈起搏器等。 （10）感觉功能的人工器官，如人工视觉、人工听觉（人工耳蜗）、人工晶体、人工角膜、人工听骨、人工鼻等。 （11）其他类，人工硬脊膜、人工皮肤等,2）按原理分： （1）机械式装置（如人工心脏瓣膜、人工气管、人工晶体等） （2）电子式装置（如人工耳蜗、人工胰、人工肾、心脏起搏器等） 3）按使用方式分： （1）植入式，如人工关节、人工心脏瓣膜、心脏起搏器。 （2）体外式，如人工肾、人工肺、人工胰。这些体外式人工器官实际上都是由电子控制的精密机械装置。,1.人工心脏和人工心脏瓣膜 人工心脏 人工心脏是利用外在机械动力作用把血液输送到全身各器官以代替原有心脏功能的装置。所用材料主要为高分子和金属。高分子如聚酯用作人工心脏主体的制作，金属材料如Ti合金主要作为心脏瓣膜、心室，其坚固性、轻质、表面光滑性非常适于人工心脏。血液相容性（血栓和溶血）及组织相容性（感染）等是人工心脏失效的常见问题，对瓣膜等材料进行改性以提高其生物相容性 。,二） 具体介绍,第一代人工心脏模型,此人工心脏命名为CHVAD，意思是新式辅助装置的中国心,中国源创的微小型完全磁悬浮离心式人

3、工心脏， 在羊身上植入存活61天,人工心脏瓣膜： 可植入心脏内代替原有天然心脏瓣膜（主动脉瓣、肺动脉瓣、三尖瓣、二尖瓣），能使血液单向流动，具有天然心脏瓣膜功能的人工器官。 主要分为机械瓣，人体组织瓣，动物组织瓣等。 人体组织瓣的应用有两种： 同种异体移植：将一个瓣膜从一个人移植到另一个人。 自身移植：从本人的一个部位移植到另一个部位。应用最多的自身移植是将肺动脉瓣移植到主动脉瓣，称为Ross手术。,图5-7 生物组织瓣膜实物图,几种常用的人工心脏瓣膜,机械瓣膜材料的选用 选用Ti合金、不锈钢、热解碳、陶瓷、聚氨酯等材料。为防止血栓，在金属瓣膜上采用表面改性技术涂覆热解碳。由于银离子能抗菌，也正在研究将银离子注入热解碳涂层中，提高材料的抗菌性能。,2. 人工肾（人工透析机） 定义：又称人工透析机，一种透析治疗设备，是用人工方法模仿人体肾小球的过滤作用，在体外循环的情况下，去除人体血液内过剩的含氮化合物、新陈代谢产物或逾量药物等，调节水和电解质平衡，以使血液净化的一种高技术医疗仪器。 原理：应用的膜分离技术原理，需从病人动脉将血液引流出来，在人工肾经过透析后再从静脉输入病人体内。 组成：

4、血液净化系统（透析器）、透析液供给系统和自动控制系统三部分 透析器是人工肾的核心部分，现有用于透析器的膜材料主要有用化学方法从棉花中提取的再生纤维素和改良纤维素，以及一些高分子聚合物如聚丙烯睛、聚酰胺、乙烯乙烯醇共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯等。,3. 人工肝（人工肝支持系统） 又称人工肝支持系统，就是一种利用血液净化技术暂时替代肝脏功能，使肝细胞得以恢复再生。 人工肝分为三类：非生物类、生物类、混合类。,人工肝技术是一整套包含血浆置换、血液透析、血液滤过、血液/血浆灌流、分子吸附循环系统、连续性血液净化治疗等方法联合应用治疗重型肝炎的技术和治疗方法。临床医生根据患者病情选择单用或联合应用以上技术。 出现的问题： 凝血：表现为灌流器凝血和留置管凝血等 。可对血细胞造成机械性破坏，以致于人工肝治疗后血细胞明显下降，尤其以血小板为甚 。 出血：进行人工肝治疗的患者多有凝血功能障碍，再予药物抗凝，部分患者可出现出血的并发症,4. 人工胰腺 一种由微机控制的机械装置，其原理是用人工方法取代正常胰腺的内分泌，以补充胰岛素的分泌不足。 分类：体外型、半生物型、植入型人工胰。,胰岛素泵,糖尿病是体内缺乏胰

5、岛素分泌的结果。血液中血糖过高时，胰脏分泌胰岛素，胰岛素促进蒲萄糖进入肌肉细胞和其他组织中并降低血液中葡萄糖水平。 胰岛素欠缺分为产生不足（I型糖尿病：与免疫系统有关，可能源于遗传，可注射胰岛素治疗）和失效（II型糖尿病，胰岛素仍在产生但是数量不够或身体对其有抵抗力，常见肥胖病人，）,5. 人工耳蜗 又称电子耳蜗，或人工电子耳，是模拟人体耳蜗生理功能的电子装置。 由体内和体外两部分组成。它能将通过外耳传入的声能转换成电能，通过植人鼓阶、圆窗或耳囊内的电极，直接刺激耳蜗内残余的听神经纤维，使聋人产生听觉。,6. 人工皮肤 一种创面保护性覆盖材料，主要用于受创伤皮肤的治疗 传统人工皮肤由合成纤维制成的，而新型人工皮肤采用血清蛋白质对甲壳素微细纤维进行处理，以提高其吸附性，然后将甲壳素纤维切成长度为5- 15mm的短纤维，用水作分散剂，用聚乙烯醇作粘合剂制成非织造布，并切成适当大小，包装灭菌供临床使用。 甲壳素人工皮肤耐溶解性强，便于表皮细胞长入，愈后不发生粘连，具有止血镇痛的功效，并能抑制微生物菌类的繁殖，促进伤口愈合。,图5-10 用于创伤覆盖的 人工皮肤,7. 人工肺 定义：又称氧合器

6、，是指用来取代人体肺功能，用于血气交换，调节血内氧气和二氧化碳含量的装置。 分类：静立垂屏式人工肺、转碟式人工肺、鼓泡式人工肺、膜肺。 膜肺的设计原理不同于前三者，其主要依据仿生原理按照肺泡气体弥散生理功能设计的；前三种人工肺中血液与氧气直接接触，而膜肺中血液和氧气由薄膜隔开，一侧通静脉血，另一侧通纯氧。,发展：第一个膜肺出现于1955年，膜材料用的是聚氯乙烯。真正实用的膜肺出现于1960年，膜材料为硅橡胶。膜肺的大发展是在1980年以后，出现了各种高分子聚合物材料制成的各种形式的膜肺。20世纪80年代，我国的鼓泡式氧合器和聚丙烯中空纤维管型膜肺均研制成功。 聚合物材料：聚酯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、醋酸纤维素、乙基纤维素、硅橡胶等 膜肺的结构形式：平板型、中空纤维管型、液膜型（用氟碳化合物）和透析型,8. 心脏起搏器 定义：一类在心肌收缩发生障碍时，可以通过外部电脉冲刺激心脏使其正常工作的电子器械。 分类：体外式和体内埋植式两种 体外式：使用方法简单，在紧急情况下使用，对患者进行抢救非常方便。还可根据患者的状况变换心搏数。但是如果长期使用，在放置电极的部位容易发生感染。

7、 体内埋植式：将起博器植入病人腹部或腋窝皮下，对长期使用者非常方便，但起搏器心搏数固定也会带来各种问题。 近年来已经研制出可以变动心搏数的诱导型起搏器。电极和接收器植于体内，用发送器在体外控制，这样便可以根据情况变更心搏数。,图5-11 常见的心脏起搏器示意图,二、 医用粘合剂,作用： 在外科手术中，医用胶粘剂用于某些器官和组织的局部粘合和修补； 手术后缝合处微血管渗血的制止 骨科手术中骨骼、关节的结合与定位； 齿科手术中用于牙齿的修补等。 在计划生育领域中,医用胶粘剂更有其它方法无可比拟的优越性：用胶粘剂粘堵输精管或输卵管，既简便、无痛苦，无副作用，必要时还可以很方便地重新疏通。,1）理想的医用粘合剂应该具备以下条件： （1）在有水的组织液的条件下也能进行胶接； （2）常温常压下能与组织快速胶接； (3）在固化的同时，能与组织产生较大胶接强度； (4）不显示毒性，不致突变，不致畸，不致癌； (5）不妨碍生物体组织的自身愈合； (6）本身无菌且能抑菌； (7）固化后胶体具弹性或韧性； (8）呈单组分液态或糊状，不含非水溶剂 (9）在组织内可逐渐降解吸收、排泄； (10）常温下易于储存，

8、用前不需要调配。,2) 医用粘合剂的分类 从医用胶粘剂的使用对象和性能要求：齿科用胶粘剂和外科用(或体内用)胶粘剂 按照用途：软组织用胶粘剂,牙科用胶粘剂,骨水泥和皮肤用胶粘剂等 (1) 软组织用胶粘剂 -氰基丙烯酸酯粘合剂 由于-碳原子上CN、COOR等极性基团的诱导效应，-位的碳原子有很强的吸电性，在微量阴离子存在下就能产生瞬间聚合反应，同时使聚合体形成多极性中心，为与粘接对象产生界面粘接力提供条件。 特点：在生物体组织上聚合速度最快，单组分、液态、无溶剂、室温固化、固化速度快、粘接强度高等特点。 目前，国外该胶粘剂品种有Adhere、Cyanobond、Eastman910、等。国内比较有名的有504止血胶(主胶为-氰基丙烯酸正丁酯)、508医用胶粘剂(主胶为-氰基丙烯酸正辛酯)等, 血纤维蛋白粘合剂 主要成分：浓缩的血纤维蛋白原、凝血酶、血液凝固第VIII因子、抑肽酶等。 特点：利用二次止血原理的生理功能性粘合剂，粘合不受血小板减少等血液凝固障碍的影响，不需加热加压，固化比较迅速。粘合不受水分的影响，同组织的亲和性好，并可适度吸收。主要用于软组织手术创伤部位的止血，神经、胰血管

9、的粘合等。 发展：早在1909年就有人研究尝试从血液中提取凝血物质用于止血。1972年奥地利开发成功粘合剂“FS”用于神经修复，英国Kumanote大学医院为了提高胰管和空肠的吻合效果，在手述中使用了该粘合剂。,(2) 硬组织用粘合剂 牙科粘合剂 牙科治疗和修复应用的粘接材料：粘固剂、合成粘合剂和复合树脂。 作用：固定修复，或正畸矫治器及附件等的粘固，窝洞的基衬和暂时充填。,发展： 传统的粘固剂属于无机类材料，俗称水门汀，例如磷酸锌等。 近代发展了含有机化物的改性材料，如丁香油、聚羧酸、玻璃离子体等。 20世纪30年代德国曾推出以甲基丙烯酸甲酯（MMA）为主体的粘接材料，用作正畸治疗和松动牙固定。 50年代美国开发-氰基丙烯酸酯类快速粘合剂，用于牙龈切除、拔牙等手术伤口的止血和粘接，以代替缝合，作牙周敷料治疗口腔溃疡以及正畸领间牵引松动牙固定等方面。 70年代以后，开发了能与牙齿形成某种化学性联结的粘合剂，其中4-META和phenyl-p，已被广泛用作配制粘合剂。, 骨组织用粘合剂 通常人工骨和人工关节与骨组织的接合，采用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）骨水泥，由于其单体易引起细胞毒性反应，骨水泥与骨组织界面有纤维组织生长，形成厚的结合组织膜，同时伴有血压下降、聚合物的热效应对骨水泥四周产生损伤，以及结合力不充分等问题。 近年来磷酸钙系骨水泥越来越引起重视。作用是使埋入骨内的材料表面活化，使在材料表面上形成的骨组织与骨直接结合。 羟基磷灰石或定向玻璃陶瓷等，反应层薄、界面结合力或机械强度好，有利于临床应用。,三、 药用高分子材料,1 概述 定义：一类人工合成的用于一定治疗目的的功能高分子。 根据药用高分子材料的结构特点及用途分为： 有药理活性的高分子药物、药物载体用高分子材料、高分子薄膜包衣及控释膜材料、常规医药包装用高分子材料等。其中前三种材料均参与构成药剂，即形成高分子药物制剂，由此在充分合理地发挥药效的同时，尽可能避免或减低副作用。,2 药用高分子材料,与低分子药物制剂相比，高分子药物制剂一般具有低毒、高效、缓释、长效、可定点释放等优点。 通常具备如下条件： 1)高分子药物制剂本身及其分解产物应当无毒，不会引起炎症和组织变异反应，无致癌性； 2) 在进入血液循环系统时不会引起血栓； 3)具有一定的水溶性，能够在体内水解出具有药

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