生物医学工程学的基础理论.ppt

生物医学工程概论,戴启军生物医学工程系,内容目录,生物医学工程学的内涵生物医学工程学的基础理论生物医学工程学的应用技术生物医学工程学的新理论和新技术,生物医学工程学的理论基础,生物电磁学,生物电磁学,生物电磁学的早期研究生物电磁学的定义及其研究范围生物电磁现象电磁波的生物学效应及其在医学上的应用生物电磁剂量学和电磁辐射的安全标准生物电磁场热点问题,生命的火花,生物电磁学的早期研究,GalvaniVoltEinthovenBergerMcFee,生物电磁学的定义,生物电磁学是研究生物体电现象和磁现象以及生物电磁的应用的一门学科。生物电磁学是建立在膜生物物理学基础之上的侧重于从宏观角度研究生物电现象和生物磁现象。现代生物电磁学在很多方面都已深入到细胞级甚至是分子级的研究水平。,生物电磁学的研究范围,外界电磁波（场）与生物体的相互作用主要包括生物组织的介电特性、各层次的生物学效应及其作用机理、生物电磁剂量容许暴露限值、生物医学中的应用及用于生物和医疗的辐射系统等。Bioelectromagnetics生物体自身产生的电磁现象主要包括电磁现象的产生机理，电磁信号的测量、处理和应用等。Bioelectromagnetism,生物电磁现象,生物电现象心电脑电肌电其它生物电生物磁场现象,心电,心脏的传导系统是指由一系列特殊心脏细胞联结组成的传导系统。心脏传导系统的细胞组织既有自动产生兴奋的功能，又有较一般心肌细胞更快的传导功能，使兴奋有节律地按一定顺序传播，使心脏保持正常的有节律的收缩和舒张，以维持血液循环。,心脏在搏动之前，心肌首先发生兴奋，在兴奋过程中产生微弱电流，该电流经人体组织向各部分传导。由于身体各部分的组织不同，各部分与心脏间的距离不同，因此在人体体表各部位，表现出不同的电位变化，这种人体心脏内电活动所产生的表面电位与时间的关系称为心电图，也称体表心电图。,心电活动的信息可以通过固定在皮肤上的电极取得。根据电极放置位置的不同可组成各种导联。在实用上为了统一标准以便进行对比分析，国际上均采用标准12导联。,心电基础理论的研究,心导管术希氏束电图心室晚电位体表等电位标测Holter动态心电图高频心电图,心电正问题,心电正问题是在已知心脏状态下，依据心肌的电生理特性参数，通过建立心脏模型和人体躯干模型用仿真的方法来研究心肌的兴奋是如何传播及如和形成体表电位的。,正常心脏状态下，窦房结周期性产生的兴奋按心房肌、房室结、His束、左右束支、浦肯野氏纤维网和心室肌这样一个顺序传播的。心电仿真首先按某一仿真算法模拟这个兴奋传播过程，然后由心动周期中某一时刻各兴奋的心肌所产生的动作电位求出该时刻的心电源大小，再用边界元法等数值算法求出心电源在体表产生的电位。,有了心电仿真模型，通过设置其模型参数可以仿真多种心脏病。例如，通过去除心脏模型中某一区域的心肌单元可以仿真心肌梗塞；通过减慢束支的兴奋传导速度可以仿真束支传导阻滞；通过设置预激点可以仿真预激综合征；通过增加心室的心肌单元可以仿真心室肥大等等。只要你有充分的想象力，你可以利用心电仿真模型来研究任意心脏生理病理状态下的电兴奋传播过程及其在体表面产生的电位分布。,应用心电仿真模型还可以研究许多心脏病的形成机理。例如引发心律失常的折返的形成机理是什么?在什么样的情况下才能建立起折返?心肌兴奋传播的速度对心律失常有何影响？心肌缺血达到何种程度才能在心电图上有所反映？这些对心脏病的诊断特别是定量诊断方面有重要意义。,心电逆问题,心电逆问题是指根据体表电位的分布、人体的几何形状以及躯干容积导体的电特性，通过数学物理方法来求得心脏电活动的定量解。,心电正问题：通过设置心电仿真模型的模型参数，可以研究不同心脏生理病理状态下的体表电位分布情况。心电逆问题：如果能从体表电位逆推出心电仿真模型的模型参数，那么由这些模型参数就可确定心脏所处的状态。利用心电逆问题的解反映出病变心肌的位置、大小及病变程度等定量信息。,脑电,人类大脑神经细胞数量达150亿个。神经元像人体中的其他细胞一样，具有生物电活动。大脑皮层中单个神经元的膜电位通常在头皮上检测不到，在头皮上检测到的电位变化脑电波是由大脑皮层中无数个神经元同步化的电活动所形成。,脑电图的医学应用脑功能的临床诊断和神经生理研究诸如诊断颅内占位性病变、癫痫、针麻观察及航空神经生理研究等。脑电图的记录方法电极在头皮上安放的方法通常采用国际标准10/20电极位置系统。和心电图相同，脑电图的电极连接可采用单极或双极导联方式。,自发脑电图（EEG）产生的基本原理脑神经细胞的生物电活动。同步化作用通常被认为受脑干（皮下层中枢）的控制。因此，大脑皮层具有持续、广泛而有节律的电位变化，这种不受外界刺激的脑电变化称为自发脑电位。诱发脑电位（EP）脑的自发电活动（脑电）可以为直接的或外界的确定性刺激（电、光、声等刺激）所影响，产生另一种局部化的电位变化称为诱发脑电位。,脑电图的特点脑电图是一种随机性很强的生理信号，其规律性不如心电图明确，通常将脑电图的振幅和频率成分作为脑电诊断时的主要依据，而频率成分显得尤为重要，因为大脑活动的程度与脑电图的平均频率之间有密切的关系。在国际上，一般将正常脑电活动相关的脑电波频率范围划分成五种类型，频率由高到低依次为波、波、波、波、波。,波通常在觉醒、安静和闭眼时出现在枕叶。波具有较高的频率，常见于紧张的精神活动期间。波主要见于儿童和成人浅睡时，出现在顶部和颞部。波出现于成人深睡时，以及早产婴儿和幼儿。成人极度疲劳和麻醉时也出现波。波是由注意或感觉刺激引起的一种低幅高频波。,自发脑电活动通常以一种占优势的频率为其标志。自发脑电信号较弱，在正常情况下，从波峰到波谷（幅值）为10-100V，其频率范围为150Hz。波形因不同的脑部位置而异，并与觉醒和睡眠的水平有关，且存在很大的个体差异。也就是说脑电波在不同的正常人中也存在着不同的表现。,脑电图波可以因大脑皮层和脑干病理所改变。例如皮层中电活动的消失或阻尼可能是由于肿瘤压迫在神经元上并使其损伤，也可能是由于循环障碍引起缺氧，出血或栓塞。脑电图的波形也受影响意识水平的脑干中的病理过程所影响。脑电图是诊断某些精神疾患的重要依据。例如在临床上可检查疑似癫痫和脑肿瘤病人，还可以用于测定意识水平和确定大脑的死亡。,采用诱发电位研究感觉系统投射部位及大脑皮层功能有重要作用。诱发电位可在脑皮层和中枢神经系统的其他部位（如丘脑、中脑等）引出。可从一个角度阐明中枢神经系统各部分之间、大脑皮层各部分以及皮层下不同细胞成分相互作用的机制。人的精神状态对脑电活动有极大影响，因此，脑电图对高级神经活动特别是心理活动具有重要意义，这对于模拟大脑功能及认知研究、人工智能研究等都具有非常重要的意义。,肌电,人体骨骼肌数以百计。每块肌肉都有许多肌细胞（肌纤维）借结缔组织连接在一起，两端和肌腱相连，加上供应它们的神经、血管和淋巴管共同形成。每块肌肉附着在骨骼及其他结缔组织上，在神经系统的管理下，成为一个具有执行一定运动机能的机械效应系统。,兴奋和收缩是骨骼肌的最基本机能，也是肌电图形成的基础。肌电图是不同机能状态下骨骼肌电位变化的记录，这种电位变化与肌肉的结构、收缩时的化学变化有关。在肌细胞中存在4种不同的生物电位：静息电位（RP）、动作电位（AP）、终板电位（EPP）和损伤电位（IP）。肌电图能直接反映肌肉活动的机能状态，有助于了解各部分肌肉在完成某一动作中所表现的作用。,肌电图机的临床应用,在临床上，肌电图机可用来对多种肌肉/神经性疾患进行诊断。例如可用肌电图来鉴别神经性肌萎缩以及肌源性肌萎缩；判别神经损伤的程度和部位；可作神经再生和矫形手术前后肌肉功能的分析；可用来作针灸、针麻、咀嚼肌功能、膀胱括约肌功能、子宫功能等研究的手段。在运动医学方面，肌电图机也可用来分析各种运动时肌肉的作用、力量和疲劳的肌电图指标等。,其他生物电,生物体除心脏及脑的活动能产生电现象外，许多其他器官、组织都存在不同程度的电现象。视网膜电图、眼电图及眼震电图胃电图（EGG）,电磁波的生物学效应,热效应非热效应,电磁波在医学上的应用,除利用电磁波的生物效应用于疾病的治疗或辅助治疗外，利用外加电磁波进行生物医学检测的临床应用和研究也进一步深入。,电磁波生物医学检测就是利用外加电磁波作用于生物组织的电磁能，经组织传输、吸收和散射，被反射或透射的信号将携带生物体的物理或几何信息，通过检测和分析这些信号可获得有关生物学信息，利用不同的参数可进行生物成分、结构和功能的检测分析。如核磁共振技术和核磁共振成像技术、微波介电特性成像、微波热弹性成像、微波多普勒检测、生物介电谱技术等，都有不同程度的实际应用。,微波的生物效应及其在医学上的应用,微波的医学应用包括有微波诊断、微波治疗、微波消毒、杀菌等。目前，微波在透热疗法及肿瘤治疗等方面也发挥了重要作用。微波辐射对人体和动物的作用是热效应和非热效应共同作用的结果。当辐射功率超过一定阈值后，以热效应为主，其生物学效应与其他热引起的效应相似。,微波选择性局部加热，是一种有效的现代化热疗方法，适量的局部照射，可提高局部生物组织的新陈代谢，诱导产生一系列的物理化学变化，达到解痉镇痛、抗炎脱敏、促进生长等作用。根据照射能量的不同可分为温热治疗、高温消融、电灼、电凝、切割等热疗方法。根据使用频率的不同，而对皮肤的穿透深度不同，又可分为浅表热疗、深部透热治疗。,微波对人体和动物的作用具有两重性。一方面，如果辐射剂量控制适当，对人体和动物可以产生良好的刺激作用：加速血液循环，血管扩张；刺激器官功能，促进新陈代谢，改善局部营养，从而促进机体的修复与再生；甚至选择性杀灭肿瘤细胞，增强机体抗电离辐射的能力。因此微波辐射疗法已广泛应用于临床。另一方面，高强度微波辐射或低强度的长期照射都有可能对人体健康产生不良影响，形成所谓的“无线电波作用综合征”。,毫米波生物学效应及其在医学上的应用,毫米波是指自由空间波长在110mm的电磁波，相应的频率范围是30300GHz，处于微波波段的高频段。,毫米波在生物效应方面的特点，使其在医学临床应用中有某些特色和优点。具有非侵入性，对机体无损伤，易于配合药物或其他疗法进行治疗。治疗剂量小，基本无变态反应，无副作用和远期后遗症。毫米波能提高机体的总紧张度，从而使患者有舒服的感觉；有抗应激因子的作用，能提高机体的免疫力；还可镇定止痛。能改善人体的耐毒状态，提高血液的质量，而且有明显的升白作用。,生物磁场的来源,生物电流是引起生物磁场的源泉。由生物磁性材料产生的感应场。生物体本身含有的磁性物质产生的磁场。,生物磁场检测的特点,测定生物磁场时，无需使用电极就能测得生物组织的内源电流。可以同时测量恒定的生物磁场和交变的生物磁场。可以获得生物磁场的三维空间分布。通过测量体外磁场强度和分布，可以了解体内强磁性物质的含量和分布，有助于诊断和检查某些职业病。,生物磁测量,人体磁性活动具有普遍性，但限于检测水平和应用，目前探测到的只有心磁场、脑磁场、肺磁场、肌磁场、眼磁场、肝磁场等。,磁场的生物学效应,1磁场的生物物理作用2引起生物效应的磁场的物理因素3磁场对人体的作用,磁场疗法（简称磁疗）是在人体的一定部位（经穴或患处）施加恒定或变化的磁场治疗疾病的方法。磁场具有镇痛、镇静、上泻、消炎等功能。临床上已能治疗急性扭挫伤、腰肌劳损、风湿性关节炎、高血压、神经性头痛、支气管哮喘、功能性腹泻、痛经等数十种常见病和多发病。,生物电磁剂量学,确定什么样的电磁场产生何种效应，这就需要测定生物体在特定照射条件下所接受的剂量。一般采用单位质量吸收的功率，描述生物体受到电磁场作用的实际强度，方法学上又分为理论剂量学和实验计量学。,电磁辐射的安全标准,为了防止电磁场有害效应对人类健康产生危害，需要研究人体接受照射的安全电平和各种电磁设备的容许泄露电平，从而制定出电磁辐射卫生标准，为环境控制和预防医学服务。,生物磁场的热点问题,一、低强度低频磁场的生物学效应二、通信系统电磁场的生物学效应三、毫米波非热生物学效应四、电磁波热疗和电化学治疗五、磁刺激的医学应用,生物医学工程学的基础理论,生物力学,生物力学,生物力学是应用力学原理和方法对生物体中的力学问题进行定量研究的生物物理学分支，是研究力与生物体运动、生理、病理之间关系的学科。生物力学是力学与生物学和医学交叉的学科，为解决生命科学的许多问题提供了力学的基本理论和分析方法，又为力学开辟了一个广阔的新领域。,生物力学,生物力学的发展简史生物力学的研究内容生物力学的研究方法生物力学的研究特点,生物力学的发展简史,哈维（Harvey）马尔皮基（Malpighi）博雷利（Borelli）欧拉（Euler）兰姆（Lamb）托马斯杨（Young）,黑尔斯泊肃叶（Poiseuille）赫姆霍兹（Helmholtz）弗兰克（Frank）斯塔林（Starling）克劳（Krogh）希尔（Hill）冯元祯（Y.C.Fung）,生物力学的研究内容,生物力学的基础是能量守恒、动量定律、质量守恒三定律并加上描写物性的本构方程。生物力学研究的重点是与生理学、医学有关的力学问题。依研究对象的不同可分为生物流体力学、生物固体力学和运动生物力学等。,生物力学的研究方法,生物力学的研究方法和其他各种物理问题和工程问题的研究方法有较多的相似之处。主要通过三条途径来解决问题：用解析或数值方法来求解数学模型用试验的方法来测定物理模型或实际实验样品对现场进行分析研究,分析生物的形态，器官的解剖及组织的结构和微结构，以了解所研究对象的几何特点。测定组织和材料的力学性质，确定本构关系。根据物理学中的基本原则和组织的本构方程，导出其主要的微分和积分方程。分析器官工作的环境和状况，得到边界条件。用解析方法或数值方法求解边界值问题。做生理实验以验证上述问题的理论和数值解。探讨理论和实验在实际中的应用，并做进一步的改进。,生物力学的研究特点,生物力学研究的对象是生物体。作为实验对象的生物材料，有在体和离体。在体生物材料一般处于受力状态（如血管、肌肉），一旦游离出来则处于自由状态，即非生理状态（如血管、肌肉一旦游离，即明显收缩变短）。在体实验分为麻醉状态和非麻醉状态两种情况。,生物医学工程学的基础理论,医学超声,医学超声,频率在20kHz以上的机械波称为超声波。超声波是一种波动形式，可以用于探测人体的生理和病理信息，这便是诊断超声，其声强大小在0.150mW/cm2，频率在210MHz之间。超声波又是一种能量形式。当达到一定剂量的超声波在生物体系内传播时，通过它们之间一定的相互作用，可能引起生物体系的功能或结构发生变化，这便是功率超声，其声强大小从每平方厘米零点几瓦到每平方厘米几百瓦，频率在2050kHz之间。,研究超声波与生物组织（主要指人体组织）的相互作用机理、规律及其应用的学科分支称为医学超声。医学超声：超声诊断和超声治疗。超声诊断研究如何利用各种组织的差异来区分不同组织，特别是区分正常和病变组织。超声波在生物组织中的传播规律及诊断信息提取方法是超声诊断的物理基础。超声治疗则研究如何利用超声波的生物效应来治疗某些疾病，其物理基础是超声生物效应的机理和超声计量学。,超声的生物效应及其在医学上的应用,生物医学工程学的基础理论,生物医学光子学BiomedicalPhotonics,生物医学光子学,1光与生物的关系2生物医学光子学的定义3生物医学光子学的发展（理论基础、技术基础和发展动力）4生物医学光子学的发展特点5生物医学光子学研究的基本步骤6生物医学光子学的研究内容,1光与生物的关系,人类利用光的方法可分为三类将光作为能量的载体将光作为信息的载体将光作为科学研究的工具,2生物医学光子学的定义,生物医学光子学是关于光子在生物、医学中应用的科学和技术。生物光子学是利用光子来研究生命的科学，具体地说是研究生物系统产生的光子以及光子学在生物学研究、生物系统改造、农业及环境检测方面的应用。医学光子学是光子学和现代医学相结合的产物，主要包括医学光子学基础、医学光学诊断技术和医学光学治疗技术。,3生物医学光子学的发展,生物医学光子学发展的理论基础应该归功于量子理论的建立。生物医学光子学发展的技术基础得益于20世纪一系列技术革命成果，其中最为重要的应该是激光技术、微电子技术和纳米技术的发展及应用。人们对认识世界的不断追求和对于自身健康及生活质量的日益关切，构成了并且会继续成为生物医学光子学发展的强大动力。,4生物医学光子学的发展特点,生物医学光子学除了对生物或医学学科本身的发展具有促进作用外，其本身也不断地对工学、物理学、化学等学科提出新的课题，更重要的是它的发展需要并促进了这些学科的交叉和技术的融合。,5生物医学光子学研究的基本步骤,6生物医学光子学的研究内容,光与物质的相互作用的原理、方法和特点。光在人体中的传播的规律。用于人体的光发射系统和接收系统。物理模型和定量方法。,光与物质的相互作用（特别是光与生物组织体的相互作用）中的原理、方法和特点包括生物组织中的主要吸收物质、分子的振动及分子吸收光谱的基本测量原理、组织体的发光、组织体对光的散射效应、光与生物组织的其他作用（光热、光声、光化学和光机械效应）。,光在人体中的传播的规律光在组织体中传播的数学模型组织体光学特性的参数获得光在组织体内传播特性的方法,用于人体的光发射系统和接收系统通常来源于人体的信号构成极其复杂且非常微弱，所以必须研究常用的微弱信号检测方法及系统。在选择光的发射和接收系统时所要考虑的问题。,物理模型和定量方法从多成分或多分子的信号叠加而成的人体组织的复杂光谱信号中定量地提取感兴趣的参数的方法和技术。在光不走直线的前提下实现人体组织的结构参数或功能参数的三维成像的数学方法和技术。,生物医学工程学的基础理论,生物医学材料,生物医学材料,生物医学材料的概念和分类发展方向纳米技术与生物材料药物控释技术与生物材料生物可降解和生物活性材料组织工程材料生物材料表面生物化技术,生物医学材料的概念,生物医学材料是生物医学工程的物质基础。生物医学材料或叫生物材料，是和生物系统相作用，用以诊断、治疗修复或替换机体中的组织、器官或增进其功能的材料。,发展历程举例,公元前3500年，古埃及人和中国人等就利用棉花纤维、马鬃做缝合线，用柳树枝和象牙修复失牙。16世纪开始人们用黄金板修复颗骨，陶材或金属做齿根，用金属作固定骨折的内骨板等。,随着材料科学、生命科学和生物技术的发展，使得人类在分子水平上去认识材料和机体间的相互作用，构建生物结构和功能，使传统的无生命的材料通过参与生命组织的活动，成为有生命组织的一部分。生物医用材料科学将成为人类进入“生物技术世纪”的重要基础。,20世纪，高分子、新型金属与陶瓷材料的发展为生物医学材料研究与应用提供了新的机会。医疗水平的提高和生活质量的改善反过来也促进了生物医学材料的发展。目前可以说，从天灵盖到脚趾骨，从人体的内脏到皮肤，从血液到五官，除了脑以及大多数内分泌器官外，大都有了代用的人工器官。,生物医学材料的特点,材料无毒，不致癌、不致畸，不引起人体细胞的突变和不良组织反应与人体生物相容性好，不引起中毒、溶血、凝血、发热和过敏等现象具有与天然组织相适应的力学性能针对不同的使用目的而具有特定的功能必须具有良好的生物或组织相容性,生物医学材料的基本性能要求,A、生物功能性BiofunctionabilityB、生物相容性BiocompatibilityC、生物安全性BiologicalSafety,A、生物医学材料的生物功能性,生物医学材料的生物功能性是指生物医学材料在植入后行使功能的能力，或为执行功能，其自身和植入位置应当满足的适当的物理化学要求。生物医学材料能否有效行使功能，除与其自身物理化学性质相关外，还和其所处的生物环境相关。,物理、化学性能要求人工心脏瓣膜耐磨、耐蚀颅骨修复材料强度、导热性齿科修复材料硬度、耐磨、导热性血管修复材料柔性、化学稳定性骨修复材料硬度、强度、弹性模量,B、生物医学材料的生物相容性,生物相容性是指生命体组织与非生命材料产生合乎要求的反应（生物学行为）的一种性能，决定于材料与活体间的相互作用。生物医学材料植入人体后，其宿主反应和材料反应必须保持在可接受的水平。,宿主反应包括局部和全身反应，其结果导致对机体的毒副作用和机体对材料的排斥。炎症、细胞毒性、溶血、刺激性、致敏、致癌、致诱变、致畸、免疫反应等材料反应主要来自生物环境对材料的腐蚀和降解，可能使材料性质腐蚀变化，甚至破坏。,材料的生物相容性与其使用的环境和条件密切相关。与血液直接接触的材料主要考察其与血液的相互作用，称为血液相容性。与肌肉、骨骼、皮肤等长期接触材料的生物相容性，称为组织相容性。,C、生物医学材料的生物安全性,采用生物学方法检测材料对受体的毒副作用，从而预测该材料在医学实际应用中的安全性。包括材料对受体局部组织、血液和整体的反应，对受体的遗传效应等。1992年，ISO制定颁布了医用装置的生物学评价标准：ISO10993-1992。1997年，中国医疗器械生物学评价标准GB/T16886采用了国际标准。,生物医学材料的分类,按与活体组织作用的方式分类按材料的属性分类,按与活体组织作用的方式分类,根据与活体组织之间是否形成化学键合的方式，生物医学材料可以分成两类：生物惰性材料一些氧化物陶瓷、医用碳素材料、及大多数医用金属和高分子材料都是生物惰性材料。生物活性材料,生物惰性材料,生物惰性材料是指在生物体内能保持稳定，几乎不发生化学反应的材料。生物惰性材料植入体内后，基本上不发生化学反应和降解反应，它所引起的组织反应，是围绕植入体的表面形成一层包被性纤维膜，与组织间的结合主要是靠组织长入其粗糙不平的表面或孔中，从而形成一种物理嵌合。,生物活性材料,生物活性材料是指能在材料组织界面上诱出特殊生物或化学反应的材料，这种反应导致材料和组织之间形成化学键合。生物活性的概念是由美国人L亨奇在1969年首先提出，按他的定义，生物医学材料科学中所指的“生物活性”，其原义是一种特殊的能导致材料和组织在界面上形成化学键接的性质。但也有学者认为生物活性是增进细胞活性或促进新组织再生的性质。,按材料的属性分类,生物医用金属材料生物医用高分子材料生物医用陶瓷或称生物陶瓷生物医用复合材料生物衍生材料组织工程材料,生物医用金属材料,生物医用金属材料又称医用金属材料，属生物惰性材料。1963年Venable等人成功应用合金作内固定器具，确立了金属植入物在医学上的地位。这类材料具有高的机械强度和抗疲劳性能，是临床应用最广泛的承力植入体。除力学性能外，医用金属材料还必须具有优良的抗生理腐蚀性和生物相容性。,生物医用高分子材料,第一阶段始于1937年，特点是所用高分子材料都是已有的现成材料，如用丙烯酸甲酯制造义齿的牙床。第二阶段始于1953年，以医用有机硅橡胶的出现为标志。随后，又发展了聚羟基乙酸酯缝合线以及聚酯类心血管材料替代生物组织的高分子合成材料。,目前研究热点具有主动诱导、激发人体组织再生修复的一类新材料。这种材料一般由活体组织或细胞与人工材料有机结合而成，在体内以促进周围组织和细胞生长为目的。,生物医用高分子材料分类,按性质，生物医用高分子材料可分为非降解和可生物降解两大类。按使用目的或用途，医用高分子材料可分为心血管系统、软组织和硬组织修复材料。,生物陶瓷,按体内性质可分为生物惰性陶瓷材料的结构都比较稳定，分子中的键力较强，而且都具有较高的强度、耐磨性和化学稳定性。生物活性陶瓷在生理环境中可通过其表面发生的生化反应与生物体组织形成化学键性结合。在体内可发生降解和吸收的生物陶瓷，在生理环境中可被逐步降解和吸收，并为新生组织所替代。,生物陶瓷特点,无机生物医学材料，没有毒、副作用，与生物体组织有良好的生物相容性。生物陶瓷已在整形外科、齿科和骨科获得了广泛应用。由于生物陶瓷材料与人体硬组织无机质的组成或结晶结构差异很大，疲劳强度低，韧性差，制造复杂形态较为困难，因而在一定程度上限制了它的临床应用。,生物医用复合材料,生物医用复合材料是由两种或两种以上材料复合而成的生物医学材料。生物医用复合材料不仅要求各组分材料满足生物相容性的要求，而且复合后不会损害复合材料的生物学性能。医用高分子材料、医用金属和合金以及生物陶瓷均既可作为复合材料基材，又可作为其增强体或填料，它们相互搭配或组合形成了大量性质各异的生物医用复合材料。,利用生物技术，将活体组织、细胞、生长因子或药物引入有关生物医用材料，可大大改善其生物学性能，拓展其功能性，已成为一类新型的生物医用复合材料。实际上，人体中大多数组织均可视为复合材料，如存在于骨和牙中的纳米磷灰石胶原复合材料。模拟人体组织成分、结构和力学性能的纳米复合生物材料是一个十分重要的发展方向。,生物医用复合材料分类,沿用复合材料的一般分类方法，分为高分子基、陶瓷基、金属基等复合材料。按复合方式又可分为整体复合和表面复合材料。按增强体或填料性质又可分为纤维增强、颗粒增强、相变增韧和生物活性物质充填等。,生物医用衍生材料,生物医用衍生材料是由天然生物组织经过特殊处理而形成的生物医学材料。生物组织可取自同种或异种生物体。,特殊处理包括维持组织原有构型而进行的固定、灭菌和消除抗原性的较轻微的处理，以及拆散原有构型、重建新的物理形态的强烈处理。前者如经戊二醛固定的猪心瓣膜、牛心包、牛颈动脉、人脐动脉以及冻干的骨片、猪皮、牛皮、羊膜、胚胎皮等。后者如用再生的胶原、弹性蛋白、透明质酸、硫酸软骨素和壳聚糖等构成的粉体、纤维、膜、海绵体等。,生物医用衍生材料特点,由于经过处理的生物组织已失去生命力，生物医用衍生材料是无生命活力的活体组织材料。由于生物医用衍生材料有类似于自然组织的构型和功能，或其组成类似于自然组织，或仍含有各类生长因子。因此它在维持人体动态过程的修复和替换中具有重要的作用。,生物医用衍生材料主要用途人工心瓣膜、血管修复体、皮肤掩膜、纤维蛋白制品、骨修复体、巩膜修复体、鼻种植体、血浆增强剂和血液透析膜等。,组织工程材料,人体组织和器官是一个复杂的系统，不可能用单一无活性的材料来修复或模仿其全部功能。在组织和器官供体来源非常有限的情况下，如何在体外将材料与组织、细胞和蛋白结合培养出正常的组织供临床使用，是医学和生物医学材料研究追求的目标。,组织工程材料分类,可降解性天然高分子材料合成高分子材料无机陶瓷玻璃珊瑚,生物医学材料的发展方向,主要趋势是致力于提高材料的生物相容性、生物功能性、仿生性以及赋予材料生命活性，适应临床对各种组织和器官修复的高级要求，为临床医学的发展提供新的物质基础。,由于人们对人体组织结构与性质，特别是发生在细胞、分子和基因水平上的反应机制还缺乏透彻、详细的了解，生物医学材料和人工器官的设计与制造大多仍处于实现重大进展的中间阶段，但发展势头迅猛。,纳米技术与生物材料,纳米生物医学材料未来的发展趋势如下纳米生物医用材料或器件进行身体健康检查和疾病治疗。实现药物的器官靶向化和药物的细胞靶向化。使介人诊断和治疗向微型、微量、微创、快速、功能性和智能化方向发展。开发纳米药物控释系统和纳米基因载体。开发仿生纳米复合生物医学材料。,药物控释技术与生物材料,实现对药物制剂释放的定量和定位控制，是当前给药技术的重要发展方向。目前，蛋白质和多肤药物的释放体系已进人临床试验，亦将出现一些基因口服控制释放产品。而器官和细胞靶向药物释放体系以及性价比高的蛋白质和多肤的有效控释体系仍是目前研究开发的重点。,聚合物药物释放体系,利用聚合物作为药物的载体，制成一定的剂型，控制药物在人体内的释放速率，使药物按照设计的剂量，在要求的时间范围内按一定的速率在体内缓慢释放，以达到有效治疗的目的。,聚合物药物控制释放体系特点,与传统的给药方法（口服或注射）相比，具有如下优点：提高药物的利用率，安全性和有效性。减少给药频率。药物被定向释放到病灶部位，可提高治疗效果和减少剂量。可以释放复合大分子药物，避免其他方法的不足。,纳米控释体系研究的目标,纳米粒载体材料的筛选与组合，以获得适宜的释药速度。改善纳米粒组织和细胞豁附性，以便提高局部定位的效率。改善纳米粒子表面血液相容性，延长在血液循环中的寿命。,提高纳米粒子与靶细胞的识别和结合能力。提高基因的转染和表达能力。将人造类病毒体系用于基因载体。,生物可降解和生物活性材料,目前广泛研究和使用的医用生物降解材料包括如下几个方面：天然高分子材料，主要是纤维素、壳聚糖、蛋白、胶原、明胶和脂质体等；一般降解周期短。化学合成高分子材料，主要是聚氨基酸、聚乳酸、聚经基乙酸、聚乳酸和聚经基乙酸共聚物、聚经基丁酸醋、聚经基戊酸等。化学合成和生物合成的生物降解材料其组成、结构和降解行为易于控制。,组织工程材料,组织工程是应用生命科学和工程学的原理与方法，研究、开发用于组织和器官修复与替换，或增进其功能的“体外活组织”。组织工程的关键是构建细胞和生物材料的三维空间复合体，该结构是细胞获取营养、气体交换、废物排泄和生长代谢的场所，是新的具有形态和功能的组织、器官的基础。,组织工程材料特点,组织工程材料首先是无毒，具有良好的生物相容性和组织相容性；其次是在组织形成过程中材料降解并被吸收。另外还要具有可加工性，能形成具有较大孔隙率的三维结构，以及良好的材料细胞界面，有利于细胞黏附、增殖、激活细胞特异基因表达等,生物材料表面生物化技术,生物材料植入体内后，直接也是最先与组织、细胞相接触、作用的是材料表面。因此，材料表面性质相当重要，而且表面性质的不同还将影响细胞吸附、增殖、分化等一系列反应。在生物环境中，细胞和材料的相互作用实际上是细胞膜表面受体与细胞外生物材料所能提供的相应配体之间的相互分子识别，产生特异性相互作用。,小结,随着材料科学与生命科学的发展，生物医学材料的研究已从被动适应生物环境，向功能性、生命化方向发展；已从应用仿生原理、组织工程、基质控制矿化的思路出发，用来研制成为组成、结构和性能与人体自然组织相近的生物医学材料。,生物医学工程学的基础理论,生物技术/生物工程,生物工程/生物技术,生物技术是通过工程技术手段，利用生物有机体或生物过程，生产有经济价值产品的技术科学。细胞工程基因工程微生物工程酶与酶工程,细胞工程,细胞工程是应用细胞生物学和分子生物学技术，按照预定的设计改变或创造细胞遗传物质，使之获得新的遗传性状，通过体外培养，提供细胞产品，或培育出新的品种，甚至新的物种，可以说是在细胞水平上的生物工程。细胞工程发展经历了三个阶段。,第一阶段到20世纪70年代中期为止这一阶段确立了细胞培养技术、核型分析技术、细胞融合技术及其应用，为体细胞遗传学和单克隆抗体的产生奠定了基础。70年代后期到80年代后期为止是第二阶段在这一阶段，基因工程与细胞工程结合，应用DNA导入技术分析了人体基因的微细结构。,从80年代后期起的第三阶段以胚胎发生工程与基因工程结合作为新的研究发展趋势，即在培养细胞水平上同源基因重组的“基因打靶”。所谓“基因打靶”是指利用基因转移方法，将外源DNA序列导入靶细胞后通过外源DNA序列与靶细胞内染色体上同源DNA序列间的重组，将外源基因定点整合入靶细胞基因组上某一确定的位点，或对某一预先确定的靶位点进行定点突变的技术。,细胞工程按其对象不同，可分为微生物细胞工程，植物细胞工程和动物细胞工程。根据不同的研究层次，可将细胞工程分为基因工程（GenomeEngineering）染色体工程（ChromosomeEngineering）染色体组工程（GenomeEngineering）细胞质工程（CytoplasmEngineering）细胞合并工程,基因工程,DNA重组或基因重组在物种变异、进化和基因表达调控方面具有重要意义。从广义上来讲，基因重组可分为三个水平：整体水平，通过生物有性杂交发生；细胞水平，如细胞融合等单克隆抗体技术；分子水平，指基因交换发生在同一染色体内，或在两个染色体之间，甚至一个生物体的基因插人另一生物体的染色体中。狭义,随着分子生物学的发展，在20世纪70年代诞生了重组DNA技术。由于该技术包括用分离纯化或人工合成的DNA（目的基因）在体外与载体DNA连接成重组体，并以重组体转化宿主细胞（细菌或其他细胞），进而筛选出能表达重组DNA的活宿主细胞，再使之繁殖和扩增，直至表达出目的基因所编码的多肽等一系列过程，类似一个连续的和复杂的工程，故将DNA重组技术亦称为基因工程，或者称为基因克隆，分子克隆。,基因工程技术的主要步骤：构建DNA重组体；DNA重组体的扩增和表达。基因在细胞内扩增和表达后，其产物还需分离纯化，即所谓生物工程后处理，主要涉及产物（多肽或蛋白质）的分离和纯化。基因工程的主要目的是按意图生产基因产物；此外，还有制取某些DNA片段和DNA探针，用于基因诊断和治疗；以及通过插入、替代等方法改造基因，探讨基因的结构和功能。,微生物工程,微生物的发现始于1676年，由荷兰人列文虎克用自磨镜片制造了一架原始显微镜，正确描述了微生物的形态有球形、杆状和螺旋形等，为微生物的存在提供了科学依据。19世纪60年代，法国科学家巴斯德首先用实验证明有机物质的发酵和腐败是由微生物引起，而酒类变质是因污染了杂菌，开始了微生物研究的生理学时代。,发酵工程是以微生物作为基础，通过对微生物生长与代谢过程中的各种调控，达到所需产物的目的。因此，发酵工程亦称为微生物工程。随着发酵过程有关理论研究的不断深入，生物反应器及传感器的改进以及自动控制技术的发展，发酵工程这一技术日臻完善，成为现代生物技术的一个重要组成部分。,酶与酶工程,酶（Enzyme）是生物体内活细胞产生的一种起催化剂作用的蛋白质。由于它是生物体内催化各种化学反应的催化剂，故又称为生物催化剂（BiologicalCatalyst）。酶与普通催化剂一样，在一定条件下仅能影响化学反应速度，而不改变化学反应的平衡点，并在反应前后本身不发生变化。,与普通催化剂相比，酶的特殊的不同之处反应条件温和，即可以在中性介质、常温常压等温和条件下起催化作用。选择性特别高（即专一性特别强）。酶对底物有严格的选择性，某一种酶往往只能对某一类物质或某一种物质起催化作用，促进一定的反应，生成一定的产物。催化效率特别高，为普通无机催化剂的1061013倍。酶的活性可受调节控制。,生物体内各种复杂的代谢过程都是在酶的催化下进行的，生命细胞的复杂代谢是由成千上万种不同的酶控制的。因此可以说没有酶就没有生命。尽管酶仅在活的细胞中形成，但是许多酶能从细胞中被分离出来，并在体外继续发挥作用。酶在游离状态下能够催化特定的化学转化反应。酶的这种独特的功能使它在工业过程中的应用逐步扩大。这种应用被统称为酶工程或酶技术。,酶工程包括酶的生产、分离、纯化、修饰、固定化以及酶以溶解状态或固定化状态的使用和在各类反应器系统中的使用等。,生物医学工程学的基础理论,生物系统的建模仿真与控制,生物系统的建模仿真及控制,从系统的观点来考察涉及生物某种功能的全体有关部分。它涉及生物的各个领域，包括人体生理系统，还包括生化、酶、蛋白质及分子生物学所研究的各个系统，如植物系统（如植物的生长模型）、动物系统、生态系统。以上述系统为对象，以生物的某种功能划分系统的原则，建立符合生物系统实际的数学模型为其核心内容。,生物系统的建模仿真及控制,所谓系统，是由相互制约的各个成分排列和连结成具有一定功能的整体。这些成分可能是物理的、化学的、生物的、或者是这三种成分的组合。在一定的条件下，系统的功能以其行为表现出来。系统的行为取决于：成分或分系统的特性；成分间的联络的结构（通常包含反馈途径）；以及系统的输入信号。,系统模型的基本概念,一切客观存在的事物及其运动形态统称为实体。描述实体特征的信息称为属性，属性是对实体进行模拟的基本单位。模型是对实体（系统）的特征和变化规律的一种定量的抽象。,生物体、器官、组织,生物体、器官、组织的形态、代谢状况,系统模型分类,系统模型,描述模型（DM）,物理模型（PM）,数学模型（MM）,物理模型PhysicalModel,物理模型是是简化的、类似于实际系统的某些突出特征而设想的一种物理系统，它较之于真实系统更易于进行分析研究。物理模型按其性质的不同又可以分为两类。静态物理模型动态物理模型,静态物理模型,最常见的静态模型是比例模型，比例模型是真实系统尺寸的放大或缩小，模型与原型的差别仅在于物理量及比例大小的不同，而现象的物理本质不变。这类模型的突出特征是模型的属性值与时间无关，模型反映的是系统处于相对静止状态时的情况，因而又叫静态物理模型。,地球仪是地球（原型实体）缩小若干倍的比例模型。更大范围的有哥白尼的太阳系模型、多普勒的天体运行模型，它们成为后来牛顿创立经典力学的基础。,比例模型的例子,1865年化学家Kekule提出的苯分子的环状结构模型。该模型为此后有机化学的重大突破作出了贡献。1953年Jaines.D.Watson和FrancisCrick基于X射线衍射图片提出的DNA的双螺旋结构模型。该模型的建立成为分子生物发展史上一个伟大的里程碑。,比例模型,苯分子式C6H6,苯分子的环状结构模型,原子结构模型,蛋白质分子图像,DNA,动态物理模型,动态物理模型又叫类比模型。研究一些物理本质不同，而变量关系类似的物理系统时，往往要用到类比模型，比如电路系统与机械系统、电路系统与流体系统，以及这些系统与我们所关注的生理系统。这些系统的物理性质各不相同，但支配系统行为的因素有着本质类似的特征。,将生理系统以电路系统、机械系统或流体系统等模拟。,动态物理模型,类比模型可帮助我们把比较了解和熟悉的系统，推广到还不甚了解和生疏的系统中去。若两个系统可以用同样的微分（差分）方程描述时，则系统可以相类比。类比模型是基于两个系统间动态性质相似，而不是外形上的类似。因此，类比模型实际上就是真实系统的动态物理模型。,人体肌肉的类比模型,当人体肌肉不受力时，其作用类似于无源机械元