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1、1 3 1高分子在人工脏器的应用现状具有部分或全部代替人体某一器官功能的人工合成器官或物体称之为 人工脏器 高分子材料作为人工脏器的医用材料 正在越来越广泛地得到运用 人工脏器的应用正从大型向小型化发展 从体外使用向内植型发展 从单一功能向综合功能型发展 第六章生物医用高分子材料 2 第六章生物医用高分子材料 表1用于人工脏器的部分高分子材料 4 根据人工脏器的作用及目前研究进展 可将它们分成五大类 第一类 能永久性地植入人体 完全替代原来脏器或部位的功能 成为人体组织的一部分 属于这一类的有人工血管 人工心脏瓣膜 人工食道 人工气管等 3 2人工脏器的分类 5 第二类 在体外使用的较为大型的
2、人工脏器装置 主要作用是在手术过程中暂时替代原有器官的功能 例如人工肾脏 人工心脏 人工肺等 这类装置的发展方向是小型化和内植化 最终能植入体内完全替代原有脏器的功能 第三类 功能比较单一 只能部分替代人体脏器的功能 例如人工肝脏等 这类人工脏器的研究方向是多功能化 使其能完全替代人体原有的较为复杂的脏器功能 6 第四类 正在进行探索的人工脏器 这是指那些功能特别复杂的脏器 如人工胃 人工子宫等 这类人工脏器的研究成功 将使现代医学水平有一重大飞跃 第五类 整容性修复材料 如人工耳朵 人工鼻子 假肢等 这些部件一般不具备特殊的生理功能 但能修复人体的残缺部分 使患者重新获得端正的仪表 从社会学
3、和心理学的角度来看 也是具有重大意义的 要制成一个完整的人工脏器 必须有能源 传动装置 自动控制系统及辅助装置或多方面的配合 然而 不言而喻 其中高分子材料乃是目前制造人工脏器的关键材料 7 对于人工脏器而言 血液的相容性显得尤为重要 血液在以下两种情况下会发生异常 1 当血管受损伤时 血液离开血管进入组织时 会发生自动凝血 2 血液与异物表面接触时 可能发生溶血或凝血 从而形成血栓 显然 不解决上述问题 高分子材料就不能在人体中应用 3 3高分子材料的血液相容性 8 1 血栓的形成通常 当人体的表皮受到损伤时 流出的血液会自动凝固 称为血栓 实际上 血液在受到下列因素影响时 都可能发生血栓
4、血管壁特性与状态发生变化 血液的性质发生变化 血液的流动状态发生变化 3 3 1高分子材料的凝血作用 9 根据现代医学的观点 对血液的循环 人体内存在两个对立系统 即促使血小板生成和血液凝固的凝血系统和由肝素 抗凝血酶以及促使纤维蛋白凝胶降解的溶纤酶等组成的抗凝血系统 当材料植入体内与血液接触时 血液的流动状态和血管壁状态都将发生变化 凝血系统开始发挥作用 从而发生血栓 血栓的形成 10 血栓的形成机理是十分复杂的 一般认为 异物与血液接触时 首先将吸附血浆内蛋白质 然后粘附血小板 继而血小板崩坏 放出血小板因子 在异物表面凝血 产生血栓 此外 红血球粘附引起溶血 凝血致活酶的活化 也都是形成
5、血栓的原因 见图2 血栓的形成机理 11 图2血栓形成过程示意图 血栓的形成机理 12 1 血小板的粘附与材料表面能有关实验发现 血小板难粘附于表面能较低的有机硅聚合物 而易粘附于尼龙 玻璃等高能表面上 此外 在聚甲基丙烯酸 羟乙酯 接枝聚乙烯醇 主链和侧链中含有聚乙二醇结构的亲水性材料表面上 血小板的粘附量都比较少 这可能是由于容易被水介质润湿而具有较小的表面能 因此 有理由认为 低表面能材料具有较好的抗血栓性 2 影响血小板在材料表面粘附的因素 13 人体中正常血管的内壁是带负电荷的 而血小板 血球等的表面也是带负电荷的 由于同性相斥的原因 血液在血管中不会凝固 因此 对带适当负电荷的材料
6、表面 血小板难于粘附 有利于材料的抗血栓性 但也有实验事实表明 血小板中的凝血因子在负电荷表面容易活化 因此 若电荷密度太大 容易损伤血小板 反而造成血栓 2 血小板的粘附与材料表面的电荷性质有关 14 有些高分子材料与水接触后能形成高含水状态 20 90 以上 的水凝胶 在水凝胶中 由于含水量增加而使高分子的实质部分减少 因此 植入人体后 与血液的接触机会也减少 相应的血小板粘附数减少 实验表明 丙烯酰胺 甲基丙烯酸 羟乙酯和带有聚乙二醇侧基的甲基丙烯酸酯与其他单体共聚或接枝共聚的水凝胶 都具有较好的抗血栓性 3 血小板的粘附与材料的含水率有关 15 综合上述讨沦不难看出 无论是疏水性聚合物
7、还是亲水性聚合物 都可在一定程度上具有抗血栓性 进一步的研究表明 材料的抗血栓性 并不简单决定于其是疏水性的还是亲水性的 而是决定于它们的平衡值 一个亲水 疏水性调节得较合适的聚合物 往往有足够的吸附力吸附蛋白质 形成一层隋性层 从而减少血小板在其上层的粘附 4 血小板的粘附与材料表面疏水 亲水平衡有关 16 由于凝血效应与血液的流动状态有关 血液流经的表面上有任何障碍都会改变其流动状态 因此材料表面的平整度将严重影响材料的抗血栓性 据研究知 材料表面若有3 m以上凹凸不变的区域 就会在该区域形成血栓 由此可见 将材料表面尽可能处理得光滑 以减少血小板 细胞成分在表面上的粘附和聚集 是减少血栓
8、形成可能性的有效措施之一 5 血小板的粘附与材料表面的光滑程度有关 17 3 4高分子在人工脏器的应用现状高分子材料作为人工心脏 人工心脏瓣膜 人工血管 人工肾等的医用材料 正在越来越广泛地得到运用 人工脏器的应用正从大型向小型化发展 从体外使用向内植型发展 从单一功能向综合功能型发展 第六章生物医用高分子材料 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
9、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 3 4 1人工心脏和人工心脏瓣膜 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 3 4 2人工心脏瓣膜 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
10、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 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 4 3人工肾 人工透析机 21 治疗大面积皮肤创伤的病人 需要将病人的正常皮肤移植在创伤部位上 但在移植之前 创伤面需要清洗 被移植皮肤需要养护 因此需要
11、一定时间 在这段时间内 许多病人由于体液的大量损耗以及蛋白质与盐分的丢失而丧失生命 因此 人们用高亲水性的高分子材料作为人造皮肤 暂时覆盖在深度创伤的创面上 以减少体液的损耗和盐分的丢失 从而达到保护创面的目的 人工皮肤 3 4 4人造皮肤材料 22 聚乙烯醇微孔薄膜和硅橡胶多孔海绵是制作人造皮肤的两种重要材料 这两种人造皮肤使用时手术简便 抗排异性好 移植成活率高 已应用于临床 高吸水性树脂用于制作人造皮肤方面的研究 亦已取得很多成果 此外 聚氨基酸 骨胶原 角蛋白衍生物等天然改性聚合物也都是人造皮肤的良好材料 23 据报道 日本市场上近年出现一种高效人造皮肤 对严重烧伤的患者十分有效 这种
12、人造皮肤的原料是甲壳质材料 从螃蟹壳 虾壳等物质中萃取出来 经过抽制成丝 再进行编织 这种人造皮肤具有生理活性 可代替正常皮肤进行移植 因此可减少患者再次取皮的痛苦 临床试验表明 这种皮肤的移植成活率达90 以上 2020 5 21 24 可编辑 25 将人体的表皮细胞在高分子材料上粘附 增殖 从而制备有生理活性的人工皮肤 是近年来的又一研究动向 并已取得相当的成就 例如将由骨胶原和葡糖胺聚糖组成的多孔层与有机硅材料复合形成双层膜 将少量取自患者皮肤的表面细胞置于多孔层中 覆在创伤面上 不久表皮细胞即在多孔层中增殖而形成皮肤 然后将有机硅膜剥下 多孔层则分解 被人体所吸收 第六章医用高分子材料
13、 4 1整形与修复材料 高分子材料在医学领域中首先得以应用的就是整形与修复材料 如义眼 假牙 整容材料 人工骨 人工关节等 主要内容 眼科材料齿科材料人工骨和关节人工肌腱与皮肤 第六章医用高分子材料 4 1整形与修复材料 眼科材料眼科材料包括接触眼镜 人工角膜 人工玻璃体和人工晶状体等 一 接触眼镜接触眼镜是为了矫正视力而在角膜外贴附的一层透明镜片 熟称 隐形眼镜 通常作为软接触的聚合物是聚甲基丙烯酸羟乙酯 聚N 乙烯基吡咯烷酮或两者的交联聚合体 第六章医用高分子材料 4 1整形与修复材料 二 人工玻璃体接触眼镜是为了矫正视力而在角膜外贴附的一层透明镜片 熟称 隐形眼镜 通常作为软接触的聚合物
14、是聚甲基丙烯酸羟乙酯 聚N 乙烯基吡咯烷酮或两者的交联聚合体 在角膜外 可附上一层透明的镜片 代替通常的眼镜以矫正视力 当角膜因病变或外伤而造成损坏时 则可以用人工角膜来代用 使盲人重见光明 29 三 人工角膜 由于疾病或意外伤害引起的角膜浑浊 如将瞳孔遮住 就要造成失明 除进行人体角膜移植外 用透明的高分子材料制成人工角膜 现已取得良好的效果 如用硅橡胶或聚甲基丙烯酸酯类 聚酯等材料的薄片 并带有能与人体角膜粘合的固定结构件 植入己除去混浊角膜的眼球上 便能达到顶期的目的 30 四 人工晶状体 人眼中的晶状体 犹如照相机中高折射率的镜头 如在眼疾手术 白内障手术 后 晶状体也被摘除 则需佩戴
15、高倍折射率的眼镜 十分不便 而如能将一种透明而具有高折射率的人工晶状体植于眼内 便可使病人恢复视力 这种人工晶状体一般用聚甲基丙烯酸酯类的透明高分子材料制成 为了使人工晶状体插入 还必须附带必要的固定件 固定件一般采用改性材料制成 如用甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸丁酯共聚以增加其韧性 也可采用甲基丙烯酸环己酯和甲基丙烯酸丁酯共聚 以提高其折光性和韧性 31 4 2齿科材料 齿科所用的材料包括高分子材料 合金 陶瓷等 其中高分子材料的研究 发展和应用最为活跃 将从龋齿填补 假牙镶补及在颚骨内埋植等三个方面阐述高分子材料的研究和应用情况 龋齿填补用树脂龋齿填补用树脂是充填于龋齿空洞部分所采用的高分子
16、材料的通称 这种材料必须在填补以后 常温下几分钟之内硬化 补好空洞 抑制龋蛀 保护牙组织的正常生理功能 因此这种树脂必须具备以下条件 具有与人体组织的适应性 对齿组织及口腔粘膜等没有危害作用 32 具有化学稳定性 在口腔内长期留置 不受唾液 食物 细菌 酶等的分解 不易老化 不会溶解渗出其他物质 色泽稳定 从美容的观点出发 应具与人齿及牙根相似的色泽 不易变色 不被污染 受紫外线照射也不变色和退色 形状 尺寸稳定 聚合固化时收缩小 咬合受压时变形小 热膨胀系数小 有适当的机械性能 如具有一定的硬度 抗拉强度 压缩强度 弹性率 耐磨擦性 耐疲劳性等 33 树脂充填材料 其主要成分为丙烯酸类树脂 无机填料 引发剂等 树脂基质可选用聚甲基丙烯酸甲酯 甲基丙烯酸甲酯 丙烯酸甲酯共聚物 丙烯酸环氧树脂 羟甲基环氧树脂 芳香族双甲基丙烯酸酯类聚合物等材料 树脂填充材料的组成 34 人工种植牙 人工种植牙是利用人工生物材料制造的仿生牙 医生将其植入患者的颌骨内以修复失牙 重建咀嚼功能 人工种植牙这种仿生器官被植入牙床后 不仅形态逼真 美观患者感觉像真牙一样 而且没有传统假牙的塑料基托 金属卡环等的外
