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生物医学材料与人工器官

时间:2019-06-20    点击: 次    来源:网络    作者:佚名 - 小 + 大

生物医学材料与人工器官


生物医学材料是指能植入人体或能与生物组织或生物流体相接触的材

料;或者说是具有天然器官组织的功能或天然器官功能的材料。近年来,器

官移植虽然取得了巨大的进展,但排异和器官来源及法律等问题仍是一个难

题。因此,医学界对生物医学材料和人工器官的要求日益增加。古代人类只

能用天然材料(主要是药物)来治病,包括用天然材料来修复人体的创伤。

例如,公元前 3500 年,古埃及人用棉花纤维、马鬃等缝合伤口;墨西哥印第

安人用木片修补受伤的颅骨。公元前 2500 年中国的墓葬中发现有假牙、假

鼻、假耳。1588 年,人们用黄金板修颚骨;1755 年,用金属在体内固定骨折;

1809 年,有人用黄金修复缺损的牙齿;1851 年,发明了天然橡胶的硫化方法

后,采用硬胶木制作人工牙托和颚骨。

最近几十年来,生物医学材料和人工器官的研究才有了较大的进步,在

很大程序上应归功于高分子材料科学和工业的发展。1936 年发明了有机玻璃

很快就用于制作假牙和补牙;1943 年,赛璐珞薄膜开始用于血液透析;1950

年开始用有机玻璃做人工股骨头。50 年代,有机硅聚合物开始应用于医学,

对人工器官的研究起了促进作用。特别是 60 年代以后,具有各种特殊功能的

高分子材料不断研制出来,一部分从事高分子科学的人员也把研究方向转向

生物医学高分子材料方面。在经济发达国家,用高分子材料制造医疗用品已

十分普遍。1976 年美国医用塑料的消耗量占当年塑料消耗量的 4.4%,达 53.6

万吨。同年,日本用于医疗一次性使用的塑料制品达一万吨。现在,除了大

脑之外,几乎所有的人工器官都在进行研究,有些已经作为商品出售。仅美


国和欧洲,每年用于人体自然缺陷和损伤的修复植入材料就有四五百万件,

每年有上百万病人在用人工器官。全世界有六万人靠人工肾维持生命,美国

和德国每百万居民中有超过 500 人的心脏病患者要植入心脏起搏器。在美

国,每年有 3.5 万人安装人工心脏瓣膜;有 18 万人植入人工血管;有 12 万

人安装人工髋关节;有 10 万人注射有机硅隆胸美容。人工器官和以高分子材

料为主的生物医学材料已开始成为一个新兴的工业。

人工肺

人工肺又名氧合器或气体交换器,是一种代替人体肺脏排出二氧化碳,

摄取氧气,进行气体交换的人工器官。以往仅应用于心脏手术的体外循环,

需和血泵配合称为人工心肺机。70 年代初,已将人工肺作为一个单独的人工

器官进行研究。因它可以不用血泵而进行部分呼吸支持,并且有植入性人工

肺的实验报告。

目前,用于心脏手术的人工肺大部分采用一次使用的附有热交换装置的

鼓泡式人工肺。这种人工肺已趋成熟,在国内外得到广泛的应用。

早在 1882 年 Schroder 首次提出在体外静脉血内通入氧气使血液氧合的

设想以后,Bayliss、clark 分别采用转碟和鼓泡的方式使血液得到氧合,从

实践上证实该设想是切实可行的。1953 年 Gibbon 首次采用静立垂屏式人工

肺进行体外循环,成功地开展了心房间隔缺损的修补手术,建立了现代人工

心肺和体外循环的概念。此后各种类型的人工肺相继问世。随着高分子化学

的飞速发展,为研制膜式人工肺提供了大量可选用的膜材料和新技术。1960

年 Kolobow 用硅胶为原料试制出膜式人工肺,具有较高的气体转输功能,适

宜于长期体内循环。而后,又有不少学者从血液动力学角度进行研究,以期

获得符合生理性能、功效更佳的人工肺。

目前人工肺基本上可分为四种:静立转屏式、转碟式、鼓泡式和膜式。

人工心脏

人工心脏是在解剖学、生理学上代替人体因重症丧失功能不可修复的自

然心脏的一种人工脏器。

人工心脏分为辅助人工心脏和完全人工心脏。辅助人工心脏有左心室辅

助、右心室辅助和双心室辅助,以辅助时间的长短又分为一时性辅助(二周

以内)及永久性辅助(二年)两种。完全人工心脏包括一时性完全人工心脏、

以辅助等待心脏移植及永久性完全人工心脏。

要想制成像自然心脏那样精确的组织结构、完全模拟其功能的人工正脏

是极不容易的,需要医学、生物物理学、工程学、电子学等多学科的综合应

用及相当长时期的研究。

从广义及泵功能这一角度考虑、人工心脏研究可以回溯到体外循环的动

脉泵开始,即 1953 年 Gibbons 将体外循环应用于临床。心肺机利用滚筒泵挤

压泵管将血泵出,尤如自然的搏血功能进行体外循环。而人工心脏这个血液

泵恰是受此启发而开始研究的。1957 年美国 KOlff 和 Akutsn 将聚乙烯基盐

制成的人工心脏植于人体内生存一个半小时,以此为开端展开了世界性人工

心脏研究。1958 年日本及前联邦德国均设立了专门研究中心。1964 年 KOlff

利用人工心脏使小牛生存 24 小时。1966 年 DcBakey 将人工心脏用于瓣膜置

换病例,辅助数小时。1968 年开始临床研究,1969 年动物实验生存记录为

40 天。同年 Cooley 进行了第一个临床病例植入一时性完全人工心脏后因合

并症死亡。1970 年 Nose 等的动物实验生存 100 天。1973 年以后,动物实验

成活率迅速上升:1976 年 Kolff 试验牛成活 89 天、122 天;1980 年度美和

彦试验山羊生存 232 天、242 天、288 天;1982 年 12 月 1 日美国盐湖城犹他


大学医学中心人工心脏研究小组为一患者植入完全人工心脏使其存活卫 112

天。

世界上虽已进行了几例完全人工心脏临床应用,但目前人工心脏仍处于

动物试验为主的研究阶段。但已有的临床应用表明,完全人工心脏能代替自

然心脏功能,用其较长维持循环是可行的,其前景是乐观的。

人工血管

1950 年以来,由于高分子化学的发达,促进了合成高分子材料的研制,

因此,在 50 年代末,60 年代初,采用高分子合成纤维编织人工血管,经实

验研究而用于临床,到目前为止,世界各国已普遍采用。

目前用机器编织的人工血管有两种,一种是平织,又称机织;另一种是

针织,又称线圈编织。最初的材料为尼龙,后因其稳定性差,在机体内易被

破坏,缺点很多而被废弃。目前普遍采用的人工血管材料为涤纶及聚四氟乙

烯,大多数使用的是针织人工血管。1960 年以后,国际市场上出售无缝带有

皱 纹 加 工 的 人 工 血 管 。 最 受 欢 迎 的 是 DeBakey 的 涤 纶 针 织 人 工 血 管 及

Edwards 的聚四氟乙烯人工血管。

人工血液

近年来由于外科手术日益进步,因而输血用血液也愈感不足,迫切需要

研制代用品。

血液由有形成分及无形成分组成,其主要生理功能是携氧、运输氧和营

养物质,清除二氧化碳和代谢产物以及免疫防御等。多年来曾研究了血浆、

血浆成分的制品及各种血细胞悬液,以期合理而节约地使用血液。其后又研

制了许多种血浆代用品,目前广泛使用的有右旋糖酐、明胶代血浆和羟乙基

淀粉。它们都是胶体溶液,其扩充血浆容量的效果显著,但均不具备血液气

体交换的主要功能。

输血时配血费时又易发生错型,此外由于输血而传播肝炎及爱滋病的危

险也无法妥善解决,故而有待研制出既可携带又无毒害的人工血液,这对平

时和战时的医疗来说都是极为重要的课题。

近几十年来,世界各国在人工血液方面做了不少研究工作。这里仅以氟

化碳乳剂人工血液加以介绍。

1966 年 Clark 等发现,美国 3M 公司所制全氟碳化合物、对氧的溶解度

约为水的 20 倍,携氧能力为血红蛋白的数倍,在氟碳化物 F×80 中给以一个

大气压的氧,小鼠得以生存。

1967 年 Sloviter 等以白蛋白为稳定剂的全氟碳化合物乳剂对大鼠实行

脑灌流成功。

1968 年 Geger 等以全氟三十胺乳剂给大鼠进行血液交换接近 100%,大

鼠生存八小时。其后 Clark 动物试验心脏灌流成功。

1970 年光野、火柳等以狗试验,用氟碳化合物作 90%血液交换,生存一

年以上,这是在动物中以人工血液进行全血交换的第一次成功。其后火柳等

与日本绿十字中央研究所共同研究达 11 年。初期研究全氟碳化合物乳剂的携

氧及二氧化碳能力,并可保持离体器官组织较长期存活;后期研究活体输入

全氟碳化合物乳剂,力求减少副作用。经反复改进,在猴体内进行 99%的换

血,无一例失败,全部长期存活。

人工肾

人工肾是一种替代肾脏功能的装置,主要用于治疗肾功能衰竭和尿毒

症。它将血液引出体外利用透析、过滤、吸附、膜分离等原理排除体内过剩

的含氮化合物,新陈代谢产物或逾量药物等,调节电解质平衡,然后再将净


化的血液引回体内。亦有利用人体的生物膜(如腹膜)进行血液净化。它是

目前临床广泛应用、疗效显著的一种人工器官。就慢性肾炎和晚期尿毒症的

治疗效果而言,其五年生存率已达 70~80%,其中约有一半患者还能部分恢

复劳动力。由于上述成就,人工肾的治疗范围逐步扩大,并进入免疫性疾病

的治疗领域,受到各方面的重视,成为人工器官研究最活跃的领域之一。

早在 19 世纪中叶,就有人设法用透析法除去血液中的尿素,因未找到合

适的半透膜未获成功。1913 年 Abel 等用火棉胶膜制成管状透析装置进行动

物透析实验;1943 年 Kolf 等首次将转鼓型人工肾应用于临床并获得成功,

开创了人工肾治疗肾衰竭患者的历史;1960 年 Kill 研制平板型人工肾;1966

年 Steward 研制空心纤维人工肾临床应用成功。进入 70 年代以来,透析器向

小型化方面发展。

近年来开发的新的人工肾技术主要包括血液滤过、血液灌流和腹膜透

析。

人工肝

人体中的肝脏是一个极为复杂的器官,根据现代科学技术水平,要研制

一个装置,可以长期或基本上代替肝脏主要功能的名副其实的人工肝,还是

不可能的。近代对人工肝的研究,只是用一种装置或系统来暂时代替肝脏的

某些功能。如清除肝衰竭时的毒性物质;治疗肝昏迷及调整其氨基酸平衡等

来协助患者渡过危险期;等待肝细胞再生,或等待肝移植,因而许多学者称

之为“人工肝辅助”。

因为肝脏有强大的再生能力,临床患者或动物实验中将肝切除一半,2~

3 月以内,其剩余的肝组织又可生长到原来体积,而且其功能也完全恢复,

这样,如能研制成一种装置,协助肝衰竭患者渡过危险期,等待肝细胞再生,

则患者可能获救。

目前国际上对人工肝辅助的研究,多处于基础及动物实验阶段。有些已

进行临床应用,但尚无根本性突破。

人工关节

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、

不疼的并有一定的功能的,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。

1890 年,Gluck 首先应用象牙制造下颌关节;1938 年,Wiles 用不锈钢

作髋臼与股骨头;而后 Moor 开展了人工股骨节置换术; 1940 年 Wder 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

用固定牙的丙烯酸脂固定人工髋关节,由此合成树脂开始用于人工关节的结

合。1958 年 Charnhey 根据重体环境滑润理论,用聚四氟乙烯髋臼和金属股

骨头制成低磨擦的人工关节,接着在 1962 年,Charnley 把高密度聚乙烯髋

臼和直径为 22 毫米的股骨头组成全髋人工关节,并用骨水泥(甲基丙烯酸

脂)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。

目前,英美各国每年可施行全髋人工关节置换术数万例,并获得了较好

的治疗效果。

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