人工器官中應用的高分子材料上

1、人工器官中應用的高分子材料(polymer materials’ application in artificial organs),當人體的器官因病患不能康復行使功能時，近代醫(yī)學提供了二種可能恢復功能的途徑：一種是進行同種異體的器官移植，另一種用人工器官置換或替代病損器官，補償其全部或部分功能。,,前者器官來源困難，再則移植器官的器官保存、免疫、排斥反應等諸多問題尚未解決，同時移植前和短時替代也需要人工器官。,,本章圍繞人工器官及

2、其使用的高分子材料為中心，作一概要介紹。,,第一節(jié) 人工心臟與人工心臟瓣膜(Artificial heart valves and Artificial heart),一、人工心臟,,人工心臟是推動血液循環(huán)完全替代或部分替代人體心臟功能的機械心臟。在人體心臟因疾患而嚴重衰竭時，植入人工心臟暫時輔助或永久替代人體心臟的功能，推動血液循環(huán)。,,從廣義和泵功能來考慮，人工心臟的研究應追溯到1953年Gibbons將體外循環(huán)應用臨床。心肺

3、機利用滾動泵擠壓泵管將血液泵出，猶如人的心臟搏血功能，行體外循環(huán)。,,受此泵的啟迪，1957年Kolff和Akutsu研制了人工心臟進行動物移植實驗，存活15小時，開創(chuàng)了人工心臟的研究歷史。,1958年日本渥美和彥、德國Bucherl以及美國Nose等相繼設立了專門的研究中心，開展了各種類型人工心臟的研究，進行了小牛、羊、狗等多種動物的人工心臟實驗。,,1973年后由于加強了人工心臟基礎(chǔ)理論研究和材料方面的研究。人工心臟實驗動物存活

4、期顯著延長，1980年渥美和彥試驗山羊存活期232天、288天，他創(chuàng)造了最長成活期超過了350天，與此同時，人工心臟的研究進入臨床。,,1969年美國Cooley首次將全人工心臟用于臨床，為一名心肌梗塞并發(fā)室壁痛患者移植了人工心臟，以等待供體進行心臟移植。雖因合并癥死亡，但這是利用全人工心臟維持循環(huán)的世界上第一個病例。,,1982年美國猶太大學醫(yī)學中心Devries首次為61歲患嚴重心臟衰竭的克拉克先生成功地進行了人工心臟移植。靠這顆

5、重300克的jarvik—7型人工心臟，他生活了112天，成為世界醫(yī)學史上的一個重要的里程碑。,,目前，世界上已進行了數(shù)例全人工心臟的臨床，但人工心臟處在以動物實驗為主的研究階段。,人工心臟為全人工心臟（ＴＡＨ）和輔助人工心臟兩種，前者替代心臟全部功能，后者主要替代心室部分功能。因此，輔助人工心臟又稱心室輔助裝置。輔助左心室功能的稱左心室輔助裝置（ＬＶＡＤ），輔助右心室功能的則稱為右心室輔助裝置（ＲＶＡＤ），輔助雙心室功能的稱謂雙心室輔

6、助裝置（ＢＶＡＤ）。,,全人工心臟還是輔助人工心臟，就它們的主要部件而言，都可分為四個部分，血泵則是整個系統(tǒng)的關(guān)系之一。,,血泵有多種形式，從結(jié)構(gòu)原理上可分為膜式血泵、囊式血泵、管型血泵、擺形血泵、螺形血泵五種。由于后三類血泵血流動力學效果不好，現(xiàn)已很少使用。,,膜式和囊式血泵的基本構(gòu)造系由血流入道、血液流出道、人工心臟瓣膜、血泵外殼和內(nèi)含彈性驅(qū)動膜或高分子彈性體制成的彈性內(nèi)囊組成。在氣動、液動、電磁或機械力的驅(qū)動下促使血泵的收

7、縮與舒張，由驅(qū)動裝置及監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)心律、驅(qū)動壓、吸引壓收縮張期比。,,血泵的好壞與使用時間長短除與血泵的血流動力學與結(jié)構(gòu)設計有關(guān)久，主要和血泵材料的種類和性能有關(guān)。,,雖然文獻報道的血泵材料有加成型硅橡膠、甲基硅橡酸、嵌段硅橡膠、聚氨酯、聚醚氨酯、聚四氟乙烯織物、聚酯織物復合物、聚烯羥橡膠、生物高分子材料以及高分子復合材料，但上述各種材料相比聚氨酯具有更卓越的性能。,,臨床應用的Jaivik-7型以及國外主要的研究小組(表7-１)，

8、仍以聚氨酯材料Biomer,Pellethane和Avcothane為主。有必要強調(diào)一點聚氨酯長期植入后血液中鈣沉積易引起泵體損傷的問題尚未得到徹底的解決，有待于進一步研究。,,二、人工心臟瓣膜,,人工心臟瓣膜指能使心臟血液單向流動而不返流，具有人體心臟瓣膜功能的人工器官。主要用于心臟瓣膜病變，不能通過簡單的手術(shù)或治療恢復和改善瓣膜功能的患者，用人工心臟瓣膜替代病損瓣膜。人工心臟瓣膜目前主要有二類：生物瓣和機械瓣。,,１.機械瓣

9、 從機械瓣發(fā)展歷史看，最早使用的是籠架—球瓣，其基本結(jié)構(gòu)在一金屬籠架內(nèi)有一球型阻塞體（閥體）。當心肌舒張時閥體下降，瓣口開放血液可從心房流入心室，心臟收縮閥體上升阻塞瓣口，血液不能返流回心房，而通過主動脈瓣流入主動脈至體循環(huán)。,,籠架——球瓣有好幾種球型式，但由于置換手術(shù)后常出現(xiàn)心律失常，特別是心室失常，其原因主要是由于籠架在心室內(nèi)占一定的體積，心臟收縮時，心肌接觸籠架后就易產(chǎn)生期前收縮。之后發(fā)展了碟瓣。,,碟瓣工作原理同籠架——球

10、瓣相同，只是閥體為碟型，瓣架變低，支柱有三根，亦有四根的，架有開放式的，亦有封閉式的。,,由于碟瓣和籠架——球瓣屬周圍血流型，即血液必須繞過阻塞體，從其周邊通過，因此血流阻力和跨瓣壓差大，易產(chǎn)生渦流，造成血栓形成，溶血多。碟片強度不好還會造成變形磨損等情況。,,此外，使用中還發(fā)現(xiàn)阻塞體卡在籠架的對角位造成患者因急性閉鎖不全而突然死亡。因此，此類機械瓣未被廣泛采用。,,后來在此基礎(chǔ)上又發(fā)展了傾斜蝶瓣。閥體仍為蝶型，但它由圓形瓣環(huán)內(nèi)交鏈結(jié)

11、構(gòu)將其懸夾于瓣環(huán)內(nèi)流入面呈凸形，流出面呈凹形。,,植入后，當心室舒張時碟片開放金屬絲鉤住碟片凹面邊緣，使碟片傾斜６０度—８０度，血液從碟片兩側(cè)流過，形成一個大孔和一個小孔，盡管阻塞體仍在中央，由于碟片傾斜６０～８０度，故血流大部分從瓣中心流過，又稱為半中心血流型。,,較多的最新的瓣是雙葉瓣，其基本結(jié)構(gòu)是圓形瓣環(huán)內(nèi)，兩個半圓形瓣環(huán)內(nèi)，兩個半圓形的蝶片以軸的形式固定在底環(huán)上，尤如兩扇門一樣可以自由開關(guān)，開放角度可達８７°。屬中

12、心血流型。,,機械瓣雖然類繁多，但基本結(jié)構(gòu)相同，由縫合環(huán)、金屬瓣架和阻塞體三部分組成。,,（１）縫合環(huán) 此為人工瓣膜固定于患者心臟瓣環(huán)的部分，因需用縫線固定，均采用針織材料。常用的材料有聚四氟乙烯、聚酯、聚丙烯，近期有采用碳纖維的?？椢镆笥幸欢ǖ乃删o性和厚度，便于縫合后和瓣環(huán)貼緊。,,（２）金屬瓣架 它由金屬低環(huán)及支柱組成，底環(huán)系血液流入口，外側(cè)有環(huán)形凹槽以固定縫合環(huán)。金屬架大多采用鈦合金和超硬金屬，用得最多的是超

13、硬金屬Stellite。,,（３）阻塞體  阻塞體又稱閥體，它是控制瓣膜關(guān)閉的關(guān)鍵部件，不同類型的人工瓣膜，阻塞體的形式不盡相同。,,阻塞體的尺寸目前有二種設計方式，一種是阻塞體外徑大于金屬環(huán)內(nèi)徑，另一種是小于金屬環(huán)內(nèi)徑，這二種設計各有利弊。由于傾斜瓣的大量使用，后一種設計更臻完善。,,阻塞體的材料曾采用過硅橡膠（主要用于籠架球型瓣），Deline(用于BjorkＳhiley型瓣），聚四氟乙烯（Ｂeall瓣）和各

14、向同性碳等。目前廣泛應用的是各向同性碳。,,２.生物瓣 全部或部分使用生物組織，經(jīng)特殊處理而制成的人工心臟瓣膜稱為生物瓣。,,由于６０年代的機械瓣存在諸如血流不暢，易形成血栓等缺點，探索生物瓣的工作得到發(fā)展。目前根據(jù)取材來源不同，生物瓣可分為自體、同種異體、異體三類。,,二十多年的努力，生物瓣雖臨床得到應用，但在流體力學、瓣功能持久性及生物相容性方面仍達不到人的心瓣膜的標準。,,①具有近似人體心瓣的流體力學性能，即瓣

15、口開放阻力最小，瓣口兩側(cè)無壓力差。 ②使用壽命長，瓣材料和它的化學和物理性能長期穩(wěn)定不變。,,③與人體有良好的相容性，無致血栓作用，無異物反應，不破壞血液成份，不引起免疫學的排異反應，瓣活動無噪音，不影響病人正常生活。 ④便于外科原位置換，易于制造，價格適宜，便于推廣應用。,,（１）生物瓣的材料 生物瓣的支架通常采用金屬合金或塑料支架，外層包繞滌綸編織物。生物材料主要用作瓣葉。材料來源可分為六類，各種生物瓣的體型和機械

16、瓣一樣有一個縫合環(huán)以固定在患者的瓣環(huán)上。,,（２）生物瓣材料的處理  由于長期植入體內(nèi)并在血液中承受一定的壓力，生物瓣材料會發(fā)生組織退化、變性與磨損。生物瓣材料中的蛋白成分也會在體內(nèi)引起免疫排異反應，從而降低材料的強度。,,為解決這些問題雖采用過深冷、抗菌素漂洗、環(huán)氧乙烷、甲醛、γ射線、β－丙內(nèi)酯處理等，但效果甚差，直到采用甘油浸泡和戍二醛處理，才大大地提高了生物膜的強度。,,材料必須新鮮，要求在屠殺后一小時內(nèi)取出。保

17、持清潔并置于生理鹽水中，解剖處理清除脂肪及其他雜物。再將生物組織用Hank’ｓ液浸泡、漂洗，從而清除組織內(nèi)絕大部分可溶性蛋白，以減少生物瓣在人體內(nèi)的抗原性。,,然后用０.４～０．６５％戊二醛溶液浸泡，使賴氨酸和羥賴氨酸殘余的氨基之間以化學鍵的方式交聯(lián)。,,目前，生物瓣的手術(shù)死亡率及近期效果與其他型機械瓣并無顯著差異。,,第二節(jié) 人工肺(Artificial lung),一、人工肺的類型１.靜立垂屏式人工肺２.轉(zhuǎn)碟式人工