chap14人工器官

1,第十四章 人工器官,14.1 概述14.2 心血管系统用人工器官14.3 呼吸系统用人工器官14.4 消化系统用人工器官14.5 运动系统用人工器官14.6 感觉系统用人工器官14.7 泌尿系统用人工器官,2,14.1 概述,据统计，1994年美国有大约3.6万人需要接受各种器官移植手术，而由于无法获得器官适宜供体实施手术而死亡的人数就超过3千人。尽管自从1963年美国首先用猴子肾脏移植人体获得9个月的存活期，1995年美国对一位艾滋病女患者移植了狒狒骨髓，使她奇迹般的存活，激起了异种器官移植的极大研究热情，但是在今后相当一段时间内，人工器官仍然是器官移植、修复的重要途径。除脑之外的器官几乎都有了人工代用品，种类很多。,3,当人体的器官因病患不能康复行使功能时，近代医学提供了3种可能恢复功能的技术途径：1. 进行同种异体的器官移植；2. 进行异种器官的移植；3. 用人工器官置换或替代病损组织，补偿其全部或部分功能。由于同种异体器官供体的缺乏，异种器官移植还有关键问题需要解决，人工器官的使用仍然是主要途径。,4,人工器官是生物医学工程专业中一门新的学科。人工器官主要研究模拟人体器官的结构和功能，用人工材料和电子技术制成部分或全部替代人体自然器官功能的机械装置和电子装置。当人体器官损伤而不能用常规方法进行医治时，可考虑给病人使用一个人工制造的器官来取代或部分取代病损的自然器官，补偿或修复或辅助其功能。人工器官是多种学科研究的结晶。该学科是生物材料、生物力学、组织工程学、电子学（包括计算机）特别是微电子学以及临床医学相结合的多学科的交叉。网页：人工器官；首都科技网；,5,人工器官的分类(1),(一) 按功能分为11类：,运动功能血液循环功能呼吸功能血液净化功能消化功能排尿功能内分泌功能生殖功能神经传导感觉功能其它类,6,人工器官的分类(2),(二) 按原理分为：机械式装置和电子式装置。机械式：人工心脏瓣膜、人工气管、人工晶体等。电子式：人工耳蜗、人工胰、人工肾、心脏起搏器等。,7,人工器官的分类(3),(三) 按使用方式可分为植入式和体外式。植入式：人工关节、人工心脏瓣膜、心脏起搏器等。体外式：人工肾、人工肺、人工胰。体外式人工器官实际上都是由电子控制的精密机械装置。,8,14.2 心血管系统用人工器官,人工心脏人工心脏瓣膜人工心脏起搏器人工血管和人造血液,9,人工心脏,人工心脏是对自然心脏的人工替代物，从原理上来说就是用血液泵代行自然心脏功能。人工心脏分为完全人工心脏和辅助人工心脏两大类。人工心脏的使用，一是为了在心脏移植前等待供体时短时间的循环维持；二是在外科手术中为不能脱离体外循环者，或某些心肌功能丧失患者的一时性使用。搏动血流泵绝大部分用聚氨酯制作，分囊型、隔膜型和推动板型3类。血泵驱动方式分空气驱动、电驱动和电液压驱动。网页：人工心脏；人工心脏、肺、肝、肾；美英医生；日研制出.,10,人工心脏瓣膜,心脏瓣膜是保持血液单向流动而不返流的重要控制阀门。当先天性异常或疾病性侵犯使其功能失灵，则更换瓣膜往往是必要而有效的。人工心脏瓣膜是可植入心脏内代替心脏瓣膜，能使血液单向流动，具有天然心脏瓣膜功能的人工器官。当心脏瓣膜病变严重而不能用瓣膜分离手术或修补手术恢复或改善瓣膜功能时，则须采用人工心脏瓣膜置换术。人工心脏瓣膜于1960年在美国首次置换成功。它是生物材料和血液动力学研究的结晶。对材料的要求是：组织相容性好，不发生血栓，极少或不损坏血液成分，耐磨，抗疲劳，抗老化。对结构的要求：结构简单，启闭灵活，跨瓣压差低，返流少，能耗低等。,11,人工心脏瓣膜从使用的材料区分主要有生物瓣和非生物机械瓣两大类。生物瓣膜是全部或部分使用生物组织，并经特殊处理而制成的。生物瓣膜一般分为两种：一是异种主动脉瓣瓣膜，多选用猪供体；另一种是由片状组织材料制作的瓣膜，牛心包和硬脑膜最为常用。基本过程是选用新鲜材料，经固定消毒和去除抗原，而后固定在支架上，使瓣膜作用在关闭位置。,12,机械瓣膜利用阀门原理，以非生物性材料设计制成。机械瓣膜种类繁多，主要有笼球瓣、碟瓣、倾斜瓣和双叶瓣四种。基本结构大体包括缝合环、金属瓣架和阻塞体三部分。金属瓣架用不锈钢、钛和超硬金属制作。缝合环多选用聚四氟乙烯纤维，其次是涤纶纤维。临床表明，瓣膜置换术确实能延长术者的生命和提高生活能力，但对术后长期存活率的影响因素很多。植入体后的感染及瓣膜的耐久性、凝血性是最需注意的问题。网页：俄开发出；香港城市大学,13,人工心脏起搏器,略,14,人工血管和人造血液,目前临床上使用的编织人工血管多用涤纶和Teflon高分子纤维针织而成。使用人工血管的最大缺陷是很难完全杜绝血栓的产生，尤其是在替代静脉时。人工血液多为解决血源的不足，目前使用较多的是氟化碳(FC)乳剂。它的携氧能力是血红蛋白的数倍，对氧的溶解度也比水高20倍左右，但不同于血红蛋白的是，仅是物理溶解。人造血对氧和二氧化碳的摄取释放反应都很迅速。临床实例表明氟化碳人造血液没有毒副作用及变态、过敏反应。,15,14.3 呼吸系统用人工器官,人工肺人工喉,16,人工肺,人工肺又名氧合器，是一种代替人体肺脏排除二氧化碳，摄取氧气，进行气体交换的人工器官。人工肺基本上分为4种：静立垂屏式、转碟式、鼓泡式和膜式。鼓泡式目前临床应用最广，膜式的血气不直接接触而隔一薄膜靠气体弥散进行血气交换。目前供心血管手术体外循环用的人工肺多用价廉、一次性的鼓泡式人工肺，对需较长时间体外循环者则以膜式为宜。不锈钢、聚氯乙烯树脂、尼龙、硅橡胶和硅油，聚丙烯微孔中空纤维等是制作人工肺的常用生物医学材料。,17,人工喉,正常人的肺和支气管汇于气管，经喉与食管连接。喉癌病人常需进行喉头切除手术，由于声带随同切除而不能发音。气管也因喉切除而将断端缝于颈部，成为气管瘘口。肺的呼吸虽仍使气体流动，但不能再产生声音，只有将肺部气流从外界改道应用模拟装置通过瘘管再进入食道咽腔而发音。人工喉的功能主要不是为了呼吸而是利用正常的气体呼吸进行发音重建。硅橡胶是制造人工喉的主要材料。,18,14.4 消化系统用人工器官,人工食管人工肝人工胰,19,人工食管,食管是一种柔软的肌性管，为顺应周围脏器解剖特点在形态上出现生理性狭窄和压迹。人工食管不能完全模拟食管形态，管腔是持续开放着的。这就要求人工食管材料有适中的弹性和硬度。硅橡胶是制作人工食管的主要材料，附属构件常用到金属网等材料。人工食管多用于食道癌患者，有利于解除梗阻，增加食量，改善体质。,20,人工肝,由于肝脏有强大的再生能力，而且对部分肝组织切除能够完全恢复原状和功能。因此人工肝主要用作肝脏部分功能的暂时性辅助替代装置，例如协助肝衰竭患者度过危险期或延长其生命、等待肝细胞再生或等待肝移植。人工肝辅助主要分为以动物肝为主要部件的生物性人工肝和采用生物医学材料用于吸附解毒、血液透析和血浆及氨基酸的调整补充的非生物性人工肝两大类。,21,人工胰,糖尿病是一种常见的代谢紊乱性疾病或内分泌病；世界人口大约有2患有糖尿病，而且有增长的趋势。由于病因和发病机制尚不完全清楚，糖尿病的病程又长，缺乏有效的治疗，使糖尿病严重地威胁着人类健康。目前对糖尿病的主要疗法有皮下注射胰岛素、口服降糖药、胰脏移植或胰岛细胞植入、使用人工胰等。人工胰是用人工方法取代正常胰腺内分泌功能的一种机械装置，由微机控制。目前的人工胰能随时测知患者的血糖值，适时地释放适量胰岛素，代替胰脏失去了机能的细胞功能，控制血糖维持在正常值上下。人工胰装置除可控制地给患者注入胰岛素之外，还可注入葡萄糖和胰高血糖素等。,22,按构造不同人工胰可分为机械人工胰和半生物人工胰两种。机械型主要由胰岛素注射泵、控制微机和能连续测定血糖值的传感器组成。半生物人工胰利用动物胰腺组织或细胞对人体的血糖变化迅速反应，适量释放胰岛素来调节血糖。人工胰适用于下列情况的患者：胰岛素依赖型糖尿病患者；糖尿病孕妇；糖尿病患者兼患肾脏病的；患者对胰岛素呈抗药状态等。,23,14.5 运动系统用人工器官,人工关节人工肌腱,24,人工关节,对于关节畸形或患有各种破坏性骨关节疾病的患者，各种膝、髋、肘、肩、指、趾的人工关节已应用于临床，被认为是对病变关节矫正畸形、恢复功能、解除痛苦的一种较好的治疗方法。由于人工关节都要植入体内，因而对制造材料要求较高，除满足医用材料的一般要求外，还有特别考虑人工关节的配伍。配伍的类型包括硬配硬型和软配硬型两类。塑料高分子属于软配硬型，摩擦系数低，又有一定的应力适应性，应用比较广泛。各向同性炭质轻、耐磨、耐腐蚀、生物相容性好，弹性膜量与骨相近，又具有生骨活性，因此是很有发展前途的人工关节材料，缺点主要是质脆、制作困难。,25,人工肌腱,人工肌腱用于严重损伤的手指鞘内屈肌腱断裂及肌腱松懈时周围疤痕严重的患者用的修复材料。由于自体移植和肌腱易发生粘连，因此在自体肌腱植入前植入人工肌腱，可预防手指屈肌腱修复后或游离肌腱移植后产生粘连。材料多用硅橡胶。由于硅橡胶弹性好、可弯曲、表面光滑，置入人体内不仅没有明显的理化变化，还会在1216周内形成新的柔软而完整的结缔组织鞘管，并有滑膜细胞增生。由于硅橡胶在人体内不能自行吸收，一般都要在34个月，施行两次手术取出人工肌腱，在鞘管内再植入自体肌腱，可免除粘连保证手术成功。还可用生物降解材料，如碳纤维聚乳酸，植入后，随着乳酸的降解，生成胶原可沿碳纤维分布的方向沉积，形成类似生物腱的组织。,26,14.6 感觉系统用人工器官,人工鼓膜和人工听骨鞍鼻整形,27,人工鼓膜和人工听骨,听觉是人类的主要感觉之一，耳朵则是听觉系统的传感器。目前临床上大量采用的鼓膜是自体或异体组织移植，使用的材料主要是筋膜组织，也有用巩膜行鼓膜再造术的。在人工材料方面，曾用过硅橡胶、聚羟基乙酸、聚四氟乙烯等。,28,鞍鼻整形,常见的美容手术。使用鼻中隔矫正术取出的软骨、骨等材料效果最好；自体软骨或同种异体骨及软骨也可；生物医学材料特别是硅橡胶为支架的鞍鼻整形更为常用。硅橡胶硬度接近软骨，易于切割以适应鼻体需要，又不易老化，不与组织发生粘连，临床应用效果较好。网页：鞍鼻的整形；中国整形网,29,14.7 泌尿系统用人工器官,人工肾人工膀胱,30,人工肾,人工肾又称血液透析机，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，是临床应用和科学研究最多的人工器官之一。肾脏是人体重要的器官之一，通过排泄(主要是泌尿)排出体内多种、大量的代谢产物，调节体内水、盐代谢和酸碱平衡，保持内环境的相对稳定状态；并通过内分泌功能参与血液、循环等功能的体液调节。人工肾主要是将血液引出体外利用透析、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，调节水和电解质平衡，然后再将净化的血液引回体内。人工肾主要代行肾脏中肾小球的滤过、肾小管和集合管的选择性重吸收作用，并不涉及肾脏的内分泌功能。,31,目前人工肾不是置入体内代替肾脏的人工脏器，而是放置在体外的一台由计算机控制的仪器。它的核心部分是一种用高分子材料(膜材料)制成的透析器。这种膜材料具有半透性，可代替肾小球以实现其毛细血管壁的滤过功能，达到血液净化的目的。现有的膜材料有：再生纤维素、改良纤维素，一些高分子聚合物，如聚丙烯腈、聚砜、聚酰胺、乙烯乙烯醇共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯等。,32,目前人工肾,33,人工肾大致分为透析型、滤过型、吸附型3大类。透析型人工肾是由三部分组成：血液净化系统(透析器)、透析液供给系统和自动控制系统。常用的透析器有中空纤维型透析器，它由上万根内径为200m左右的由醋酸纤维膜和铜珞玢膜制成的空心纤维管组成，装在一个透明容器中，两端配有动脉和静脉血路，使血液与透析液分别在空心纤维管内外做反向流动，通过纤维管透析。,34,吸附型人工肾不使用透析液，而是用高分子膜包被活性炭颗粒来吸附血液中的肌酐、肌酸、尿酸、毒性药物等。由于它不能清除尿素和水分，也不能调节电解质及酸碱平衡紊乱，因而不能单独完成肾衰患者的血液净化，多和透析型配合使用。由于对中分子量毒素吸附有优良效果，故多用于急性药物中毒患者的抢救。这种人工肾俗称“碳肾”。滤过型人工肾是模仿正常人体肾小球清除溶质的机理而工作的：使患者体外循环血液通过装有用聚丙烯腈制成的滤过膜或用聚砜膜制成的中空纤维的特制滤器，通过提高跨膜压来增大过滤率，借以有效清除溶质。这种人工肾不需要透析液、设备简单、能有效清除中分子量毒素，还不会发生失衡综合症和低血压，是目前使用较好的一种。但是它只能模仿肾小球的滤过功能，另靠置换液来代替肾小管和集合管的重吸收功能，是它的不足之处。全球第一个可植入人工肾脏在美国问世（网页）,35,人工膀胱,膀胱是储存和排除尿液的肌性囊状器官。当膀胱因泌尿系统的先天性畸形、创伤、炎症