智能材料在医学上的应用.docx

智能材料在医学上的应用姓名：党博班级：070302学号：070302104智能材料在医学上的应用n 智能材料的简介：智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向之一，将支撑未来高技术的发展，使传统意义下的功能材料和结构材料之间的界线逐渐消失，实现结构功能化、功能多样化。科学家预言，智能材料的研制和大规模应用将导致材料科学发展的重大革命。一般说来，智能材料有七大功能，即传感功能、反馈功能、信息识别与积累功能、响应功能、自诊断能力、自修复能力和自适应能力。关于智能材料的定义目前还没有统一的说法，大体上来说智能材料是指同时具有感知功能即信号感受功能（传感器的功能）、自己判断并自己作出结论的功能（情报信息处理机的功能）和自己指令并自己进行行动的功能（执行机构的功能）的材料。因此，智能材料所必须具备的三个基本要素是感知、信息处理和执行功能。这为人们利用智能材料完成传感器和执行器的复杂功能（有时是同时完成几种功能）开辟了新的途径。智能材料是日本高本俊宜教授于1989年将信息科学融合于材料物性和功能的一种材料新构思。当时“智能材料”这一概念一提出，立刻得到了世界各国许多科学技术领域的高度重视，其中不仅有材料科学本身，还包括了信息科学、电子学、计算机科学、医学、生命科学等相关科学。目前，智能材料已成为新的学科分支，它是一门将若干学科中的相关内容结合在一起的交叉科学。n 智能材料的分类：智能材料可分为两大类：（1）嵌入式智能材料，又称智能材料结构或智能材料系统。在基体材料中，嵌入具有传感、动作和处理功能的三种原始材料。传感元件采集和检测外界环境给予的信息，控制处理器指挥和激励驱动元件，执行相应的动作。 （2）有些材料微观结构本身就具有智能功能，能够随着环境和时间的变化改变自己的性能，如自滤玻璃、受辐射时性能自衰减的Inp半导体等。n 智能材料的应用 研究智能材料的宗旨是在于将必要的仿生功能引入到材料之中使其和结构对于外界变化具有可感知性和可响应性。从生物学角度看，人类能够对外界作出主动性反应是因为人体具有收集、分析外界信息并给出适当反应的能力。因此，与人类相类似，具有仿生功能的智能材料和由它所构成的系统应具备以下四个要素：l 含有附着的、埋入的或内在的传感器，它是智能材料的“神经元”，用以感知外界变化并收集外界信息。l 含有中央处理器。它是智能材料和结构的“大脑”，用它对传感器所收集到的外界信息进行分析、处理并发出适当的、实时的动作指令。l 有附着的、埋入的或内在的执行器，它是智能材料的“肌肉”，其作用是根据中央处理器发出的指令进行相应的动作，因而也称为作动器。l 拥有通信网络。它是智能材料和结构的“神经网络”,担负着传感器、执行器与中央处理器相互间的信息传输任务。n 医学领域中的应用 （1）人造皮肤1944年意大利比萨大学的科研人员为了使机器人与真人更接近，让它的皮肤具有感觉功能，研制成功一种人造皮肤智能材料，这种材料可以感知温度、热流的变化以及各种应力的大小，并且有良好的空间分辨力。这种智能材料还可以分辨表面状况，例如，粗糙度、摩擦力等。2004年日本北里大学黑柳能光教授研制出一种新型人造皮肤，为重度烧伤及褥疮患者带来了福音。该人造皮肤是一层由胶原和透明质酸制成的特殊海绵，海绵上附有志愿者提供的皮肤细胞。随着科技的发展，学科的交叉渗透，相信这种人造皮肤智能材料会得到进一步的开发和利用。（2）人造肌肉因为生物弹性材料能模拟活体生物，而且其力量和反应速度均接近于人体的肌肉。所以这种材料可以应用于人体组织的修复，而且它们还具有与生物体的相容性，随着伤口的愈合，这种聚合物就会在体内逐渐降解，最后将会消失。（3）在药物自动投入系统中的应用智能型水凝胶作为医药控制释放材料是近年来研究的热点。科学家正在研制一种能根据血液中的葡萄糖浓度而扩张收缩的聚合物，这种聚合物可制成人造胰细胞，将它注入糖尿病患者的血液中，小球就可模拟胰细胞工作，使病人的血糖浓度始终保持在平常的水平上。（4）智能材料的抗癌作用有两种方法：、用高分子聚合物抗癌药物胶囊，即药物“导弹”。疏水性药物载体形成了“导弹”的疏水内核，而亲水性部分则在内核周围形成了一个水化物外壳。所形成的这种高分子聚合物胶囊是一种智能型药物载体，它能自动避免被机体内单核吞噬细胞捕获而有效的到达癌细胞所在地。、20世纪90年代后期，研制出用对电磁场敏感的铁氧体包覆Ti-Ni形状记忆合金丝制成了癌症温热疗法用针。首先，通过导管将这种针植入病人癌变部位，由于形状记忆作用，这种针会发生弯曲变形现象；其次，在通过涡流效应产生高频电磁场作用下，形状记忆合金针将能够产生一定的热量而使癌变区得到萎缩。n 智能材料在医疗方法中的应用（1） 打靶疗法 药物打靶疗法就是将药物按照事先设计的、有选择性的输送到人体的某一病变位置，在那里药物能最大地发挥某药理作用并同时能够有效地抑制药物的毒副作用。智能型药物释放系统的载体材料设计应能够使得药物载体具有三种功能：a):药物释放量的控制功能；b)：病灶部位特异的识别与传感功能；c):身体异常感知的传感功能。（2）替代疗法这种治疗方法的构思是利用具有生物适应性的智能材料所制成的人造器官取代已丧失应有功能的病变器官。此外，在发展具有生物相容性和内部自控性的新型功能材料以替代外部控制的假体材料，在人工组织和血管等方面，智能材料也可以提供广泛的应用前景。（3）全生物体疗法免疫系统对生物体有着十分重要的作用。目前为了区分淋巴细胞中的B细胞和T细胞，已研制出了一种特制的智能性生物识别材料。它是一种多分子聚合物，可以通过它毫无损坏的从淋巴细胞中分离出B细胞和T细胞。n 智能材料在医学器械方面的应用 在医疗器械方面，智能材料也取得了一定的进展。 最常见的医用形状记忆装置是牙箍。Nitionol合金牙箍于1975年第一次进行临床应用，并于1977年获得了专利注册。传统的牙箍有一根不锈钢线，该钢线的弹性不足，因此时常需要进行调整。而Nitinol合金线不但弹性更大，同时还能使牙齿承受的负荷恒定，因此不需要或很少需要进行调整。首先将Nitinol合金线模压成所需形状，然后由正牙医师将其固定到病人的牙齿上，根据需要，对其进行弯曲。病人的体温会将Nitinol合金线激活，使其恢复到最初模压的形状。形状记忆矫形钉和矫形板的原理与此类似，这些工具用来促进骨折的愈合。然而，形状记忆材料对医学领域最为重要、最为突出的贡献或许是它在心血管手术上的应用。其中的一个例子是西蒙Nitinol过滤装置，该装置是一个Nitinol合金细筛，置入血管后能够捕获血流中的血栓。被捕获到的血栓会慢慢溶解，从而避免血栓或血管堵塞的出现。西蒙Nitinol过滤器在冷却、发生形变的马氏体状态下通过导管置入血管，然后体温使其温度增高后膨胀回原来的尺寸。n 智能材料的应用前景智能材料作为一种新出现的事物，它的应用前景还是非常广泛的。它在航空航天、建筑、纺织、医学、电子通讯、汽车等行业有着广阔的前景。在航空工业中，智能材料将用来制造飞机的弹性应变机翼，这种机翼能根据不同的飞行状态自动调整到最佳状态，减少振颤，并能识别材料损伤。智能材料还可以改进空气动力特性，延长部件寿命，增加飞机利用率，降低维护成本。在建筑行业中，智能材料用于桥梁、高层建筑设施以及地下管道等，提供这些材料的状态，并自行调节到最佳状态。智能材料还可以用于住宅上，降低家电产生的噪音。在纺织方面，智能材料用于服装业，改善了服装的性能，满足了人们的要求。比如防水透气、冬暖夏凉的衣服正在处于研究阶段。n 结束语 智能材料作为21世纪的尖端技术之一，必将受到世界各国的关注。随着智能材料的发展，它的应用可以节省资源，将少污染，具有较大的经济效益和社会效益。可以预测，智能材料将得到更广泛的应用，为人类做出更大