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1、生物材料与人体仿生结业论文何栋生物材料与人体仿生结业论文论文题目： 人工关节置换概述及我 国人工关节技术的现状 学 院： 理学院 班 级： 物理10-1班 学 号： 1010 4558 姓 名： 何栋 指导老师： 王庆良 人工关节置换概述及我国人工关节技术的现状仿生学是指模仿生物制造技术装置的科学，它是在本世纪中期才出现的一门新的边缘科学。仿生学研究生物体的结构、功能和工作原理，并将这些原理移植于工程技术之中，发明性能优越的仪器、装置和机器，创造新技术。从仿生学的诞生、发展，到现在短短几十年的时间内，它的研究成果已经非常可观。仿生学的问世开辟了独特的技术发展道路，这就是向生物界索取蓝图的道路，
2、它大大开阔了人们的眼界，显示了极强的生命力。多年来人们就采用各种关节成形术治疗关节强直、关节畸形和各种破坏性骨关节疾病，力图将这些有病的关节矫正和恢复功能，使之成为稳定的、不疼的并有一定功能的关节，为此许多学者做出了巨大的努力。迄今已研制出膝、髋、肘、肩、指、趾关节假体用于临床。1980年Gluck首先应用象牙制造下颌关节；1938年，Wiles用不锈钢做髋臼与股骨头；而后Moor开展了人工股关节置换术；1940年Woler兄弟用合成树脂制造人工关节；1951年开始全髋人工关节置换术。1952年Habowsh用固定牙的丙烯酸酯固定人工髓关节，由此合成树脂开始用于人工关节与骨的结合。1958年C
3、harnhey根据重体环境润滑理论，用聚四氟乙烯髋臼和金属股骨头制成低摩擦的人工关节，接着在1962年，Charnley把高密度聚乙烯髋臼和直径为22毫米的金属股骨头组成全髋人工关节，并用骨水泥固定，获得较满意的效果。自此，人工关节置换术进入实际应用的新阶段。应用人工关节置换手术来重建关节功能已经有100多年的历史。随着材料科学和医学的迅速发展以及人们生活水平、医疗保健、康复水平的提高，人们对人体器官及骨折缺损的修复和置换等方面的要求日益提高。据统计资料表明，今年来关节炎等疾病患者逐年增加，美国每年大约有50万人动手术将髋部、肩膀、手肘和膝盖等部位置换成人工关节。人工关节种类繁多，外观形状复杂
4、，每个病人的关节尺寸都不同，目前人工关节主要是成系列的生产。多数情况下，人工关节柄与骨髓腔不能形成紧密的解剖匹配，从而使负荷传递、应力分布高于或低于正常水平，容易导致手术后的并发症，并降低人工关节的使用寿命。这些缺点限制了人工关节在临床上的广泛应用，为了改变这种现象，提出了按照骨腔解剖特点来设计人工关节的CAD/CAM系统研究。进入70年代以来，随着计算机断层扫描，核磁共振成像等医学成像技术的产生和发展，人们可以得到人体及其内部器官的断层二维数字图像序列，这些断层二维图像包含了组织某一截面的解剖信息。根据断层二维图像序列重构出具有立体效果的三维图像成为医学图像三维几何重建。利用这种技术不仅可以
5、展现人体器官的三维结构与形态，而且可以根据此三维模型进行计算机辅助设计和制造，生产出与病人组织解剖结构最大匹配的关节，从而实现个性化人工关节的设计与制造。目前，国内外对生物仿生材料进行的广泛的研究，利用生物技术原理，设计新型生物材料含有活体细胞、细胞组成和细胞产物，并在生物材料中设计和构建生物结构和功能，使生物材料具有人体组织的多相结构、功能与几日相互结合又相互作用的活性物质结构，实现从无生命的材料发展进入有生命活力的材料。在仿生结构设计方面进行了深入探讨，提出了通过材料的宏观尺度和围观结构设计，制造一种类似生物材料结构特征，实现材料设计从“复杂成分，简单结构”向“淡淡成分，复杂结构”转变的新
6、思想。80年代后期发展起来的快速成型制造技术是现金制造技术中最具活力的分支。仿生学和快速成型制造技术结合便产生了另一种仿生制造方法，它模仿了生物由小到大，材料累加等特性。引入组织工程的概念，便产生了基于RP的生物活性仿生制造技术，又称诱导成形制造技术。采用复合材料如纳米晶体羟基磷灰石胶原、复合骨生长因子BMP作为成形原料，以多个喷头快速喷射成形，边喷射、边固化，制造出非均质、多孔结构的细胞载体框架结构，置入体内后，在体液和BMP的共同作用下，依靠细胞框架结构，诱导成形长成新骨，并参与新陈代谢，原有框架在新骨成长的同时，逐步降解。国内外在生物材料仿生设计以及微观仿生建模方面做出了许多深入的研究，
7、但大多是从材料组成成分研究材料的仿生。在仿生制造和生物制造工程方面也进行了一些开创性的工作。清华大学在人工骨快速成型以及多孔框架快速制造方面做了深入的研究，应用精密挤出成型工艺，制备出的多孔框架结构具有合适的分子量、孔隙结构、孔隙率、机械强度和生物降解性能，可以用作骨组织工程的组织再生框架结构。西安交通大学提出了基于快速成型的生物制造工程的概念，实现了制造具有微孔结构和生物活性的人工骨，这有利于组织液和骨细胞成长以及生物可降解性。在生物医学工程领域，可降解生物材料在体内究竟图和逐步降解，以及新组织是如何生成并参与生物体内的新陈代谢等问题仍处在探索研究阶段运用计算机仿真技术模拟生物陶瓷在体内的降
8、解过程，不仅会大大缩短材料从开发研究到临床推广应用的周期，还将极大地降低新型功能材料的研究开发成本和费用，为医学临床骨修复和替换提供了便利。通过计算机模拟，可以预测出材料在体内的降解情况及骨组织的生长状况，提高治愈率。在生物工程迅速发展的二十一世纪，这一研究也有着重要二深远的意义，它为综合性能更优越人工骨的仿生设计提供了弓腰一局，必然会加速生物医学工程与计算机技术的有机结合形成交叉学科以解决实际问题的进程。自20世纪50、60年代我国骨科前辈们已对人工关节置换术做了有益的尝试，但稍具规模的起步始于70年代初，特别是90年代以来取得了巨大的发展与进步。1得到医、患双方广泛的公认。近30年经验证明
9、，对严重病变的关节，人工关节置换具有解除关节疼痛、保持关节活动度、保持关节稳定性和不影响或修复肢体长度的综合优点。在治疗严重的髋、膝关节病损中已成为骨科界公认的临床常用标准手术之一。因其效果优良，用于髋、膝骨关节炎的治疗被称为是治疗中的革命性进展。2人工关节品种、品牌更加丰富。 众所周知，10年前临床所用的关节假体基本上是国内生产，品种较单一，制作不够精良，器械不配套，致使人工关节置换技术落后于国外。10年来在海内外华人共同努力下，以适于华人解剖特点为目标，以精湛技术为手段，使假体制作水平有了很大的提高。目前，国内所完成的人工关节置换术，在数量上仍以国产假体为主。与此同时，许多世界名牌人工关节
10、产品进入国内市场，其全新的制作理念、精良的制作水平、精确的配套器械使人耳目一新。国外产品的进入，不仅提高了人工关节置换术质量，而且使我国患者有可能自由地选择和享受人类共同的文明。3手术技术日趋成熟随着人工关节置换术的普及、国际交往增多、临床经验和例数积累，对手术适应证的掌握、假体和固定方法选择、手术操作技巧、预防性抗生素的使用以及术后功能康复等更加规范化。如：由于手术技术的改进，使术中输血量大为减少，通过自体预存血、术中引流血回输等措施，初次单侧全髋或全膝关节置换可不必另外输血；很多医院对髋、膝关节病变可双髋、双膝同期置换，不仅手术安全，而且减轻了患者的痛苦和经济负担，缩短了住院和康复时间。人
11、工膝关节置换术近年来有了很大的普及，并在治疗严重屈曲畸形取得了显著的效果。采用计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)技术，使个体化人工髋关节已开始应用于临床。此外，肩、肘、腕、踝、鞍形假体以及特制肿瘤假体等也谨慎地应用于临床。4人工关节置换术合并症的研究与治疗取得了长足的进步。无菌性松动、术后感染和脱位是人工关节置换术的主要合并症。近年来国内学者对髋、膝关节置换术后无菌性松动和感染的机理和治疗做了非常有益的研究工作。如：骨溶解与人工关节后期松动、无菌性松动组织学观察、共聚集显微镜研究金属颗粒对细胞间通讯的影响、钴基微孔表面材料细菌源性生物腐蚀研究、感染假体周围生物膜对细菌感染影响等
12、研究。表明我国学者对这些问题不仅非常重视，而且研究工作达到了一定的深度。人工关节无菌性松动和术后感染是治疗中的难题，对无菌性松动的分型、假体选择、翻修技术、国产髋臼翻修假体设计与应用和骨缺损的修复，以及感染的处理等发表了一批有见解的文章。说明在该领域中的一些困难的课题取得了较好的成绩。综上所述，我国人工关节置换术健康而蓬勃的发展形势是同道们所公认的。为更好的发展我国人工关节事业，提出以下个人的思考与同道们商榷。1加强我国人工关节的基础研究。我国人工关节基础研究相当薄弱，在一些领域中甚至是空白。我国幅原辽阔、人口众多，由于民族、地域、生活习惯和经济状况不同，其解剖特点不同，然而，至今我们缺乏设计
13、人工关节所需相关的确切数据。人工关节设计新理念、新材料开发、生物力学测试等与国外有着较大的距离，甚至缺少一些必要的装备。应大力开展这些基础研究工作，使我们将来在国际论坛上拥有自己的发言权，最终能研制出高标准、高质量的国产人工关节假体，以满足一般城乡居民，特别是边远、贫困地区人民的需要。2临床工作中对人工关节置换术的适应证、假体类型和固定方法选择、手术操作以及术者资格认证等，就全国范围来说尚需进一步规范。我国自己的多病种、大宗病例和长时间随访资料显得匮乏，说明我们的临床研究工作还存在缺欠。完成这些工作既要付出努力，做艰苦细致的工作，又要有长时间的积累。有理由相信，随着时间的推移，这些资料会逐渐增多。- 6 -
