生物医学工程选修课复习

一、生物医学工程概述,1、生物医学工程的定义,2、生物医学工程的研究内容与基本任务,3、生物医学工程学科的特点,1.1生物医学工程的定义WhatisBiomedicalEngineering(BME)?边缘交叉科学(Interdisciplinary)综合：生物学医学工程学理论和方法近几十年内建立与发展,一般定义应用物理学和工程学的技术来解决生命系统中的问题，突出强调人类疾病的诊断、治疗和预防”,生物医学工程的目标几乎所有工程学和物理学都可与生物医学相互结合探索人类正常生理学表征组织与器官的病变机理给出研究和技术开发的最佳手段提供治疗与预防的有效方法,生物医学工程：研究内容和基本任务基本任务生物医学工程学的基本任务是运用工程技术手段，研究和解决生物学和医学中的有关问题研究方法生物医学工程学以应用基础性研究为主，研究的对象是人体(一个多层次的庞大系统)，所涉及的领域十分广泛，并在不断的扩展之中,医学、生物学、物理学、化学、力学、材料学、制造学、电子学、计算机科学等生物医学工程的特点新兴、综合、交叉与边缘科学,目前涉及较多的学科,主要研究领域,生物力学生物材料学系统生物建模与仿真物理因子在治疗中应用及生物学效应生物医学信号与传感器生物医学信息处理医学图像技术人工器官,各研究领域既相互独立，又相互交叉，相互支撑,生物力学：研究生物体和力学有关的问题的学科主要内容:利用力学的基本原理和方法，结合生理学、医学和生物学来研究生物体特别是人体功能、生长、消亡及运动的规律。应用生物力学的研究成果，指导人工关节、人工心脏瓣膜等人工器官的设计。,生物材料研究用以治疗或替换机体内的组织、器官或增强其功能的材料，以及这些材料与生物体之间的相互作用的学科。主要分为医用合成或天然高分子材料、医用金属材料、医学陶瓷，医用复合材料等类。,基本要求1.对生物体无害（生物性能）2.有一定机械强度（机械性能）3.有一定使用寿命（耐生物老化性能）,生物系统建模与仿真生物系统建模对生物的细胞、器官和整体各个层次的行为、参数及其关系建立数学模型的工作，最终希望用数学的形式表达出来。建模的目的是更好地了解生物系统的行为及规律，为生物控制奠定基础。,生物系统的仿真用电子计算机求解生物系统的数学模型以分析和预测各种条件下生物系统运行机制和状态的工作。,生物医学信号检测与传感器生物医学信号检测：对生物体中包含的生命现象、状态、性质及变量和成分等信息的信号进行检测和量化的技术。生物医学传感器：获取各种生物信息并将其转换成易于测量和处理的信号的器件，是生物医学信号检测的关键技术。,生物医学信号处理生物医学信号一般都是伴随着噪声和干扰的信号信号中无用成份亦应视为检测中的干扰。生物信息处理技术：研究从被检测的湮没在干扰和噪声中的生物医学信号中提取有用的生物医学信息的方法。,。,图像处理:对已获得的医学图像进行分析、识别、分割、解释、分类以及作三维重建与显示，其目的是把获得的医学图像的某些部分增强，或提取某些特征，为医生提供感兴趣的信息。成像与图像处理技术有时是结合成一体的.,人工器官当人体器官病伤而不能用常规方法医治时，有可能给病人使用一种人工制造的装置来部分或全部替代病损的自然器官，以补偿、替代或修复自然器官的功能，这样的器件或装置称为人工器官。,二.生物医用材料,生物医用材料,诊断,现代诊断系统,治疗,修复、置换、增进组织器官功能,先进控制释放系统,通用生物医用材料组织工程生物医用材料,生物医用材料一般定义,对生物体进行诊断、治疗和置换损坏组织、器官或增进其功能的材料。,生物医用材料开发研究,通用生物医用材料组织工程用生物材料先进控制释放载体材料,1.3生物医学材料的基本性能要求,A、生物功能性(Biofunctionability),B、生物相容性(Biocompatibility),C、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,1.3生物医学材料的基本性能要求A、生物医学材料的生物功能性,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,1.3生物医学材料的基本性能要求B、生物医学材料的生物相容性,1.3生物医学材料的基本性能要求B、生物医学材料的生物相容性,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,1.3生物医学材料的基本性能要求B、生物医学材料的生物相容性,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,1.3生物医学材料的基本性能要求B、生物医学材料的生物相容性,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,1.3生物医学材料的基本性能要求B、生物医学材料的生物相容性,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,1.3生物医学材料的基本性能要求B、生物医学材料的生物相容性,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,1.3生物医学材料的基本性能要求C、生物医学材料的生物安全性,1992年，ISO制定颁布了医用装置的生物学评价标准ISO1099319921997年，中国医疗器械生物学评价标准GB/T16886采用了国际标准,1.3生物医学材料的基本性能要求C、生物医学材料的生物安全性,A、按材料化学组份划分B、按材料来源划分C、按使用要求划分D、按应用部位及功能划分,1.4生物医学材料的分类,(1)、无机生物医学材料(2)、金属及合金生物医学材料(3)、高分子生物医学材料(4)、复合生物医学材料(5)、生物功能材料,1.4生物医学材料的分类A、按材料化学组份划分,无机生物医学材料(InorganicBiomedicalMaterials)又称为生物陶瓷(Bioceramics)如生物玻璃、生物玻璃陶瓷、氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、碳素材料、羟基磷灰石、磷酸钙陶瓷等,1.4生物医学材料的分类A、按材料化学组份划分,金属及合金生物医学材料(MetallicBiomedicalMaterials)主要为不锈钢、钴基合金、钛及钛合金等,1.4生物医学材料的分类A、按材料化学组份划分,高分子生物医学材料(PolymericBiomedicalMaterials)亦称为医用高分子材料(PolymersforMedicalUses)如聚硅氧烷、聚氨酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚醚、聚砜、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、聚碳酸酯、聚乳酸,1.4生物医学材料的分类A、按材料化学组份划分,复合生物医学材料(BiomedicalComposite)多种不同类型材料复合而成的生物相容性材料,根据应用目的和性能要求的不同，复合组份及构成方式多种多样,复合体系：有机/有机复合有机/无机复合无机/无机复合金属/无机复合,1按基体材料分类树脂基(又称聚合物基，如塑料基、橡胶基等)金属基(如铝基、铜基、钛基等)陶瓷基水泥基碳/碳基,复合方式：表面复合整体复合多层复合复合目的：增强改性功能化,典型复合生物医学材料举例1、聚砜、聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯用碳纤维、陶瓷粉末等增强后用于制备人工关节、人工齿根、骨水泥等,2、碳纤维增强无定形碳制作人工心脏瓣膜,3、钛合金基涂层类金刚石碳制作人工心脏瓣膜,典型复合生物医学材料举例5、钛合金表面喷涂羟基磷灰石制作人工骨、人工关节,6、BMP/TCP复合可生物降解人骨修复材料,7、TCP/PLLA/骨髓基质干细胞复合可生物降解人骨修复材料,生物功能材料(BiologicallyFunctionalMaterials)采用物理或化学的方法将生物活性分子如酶、抗体、抗原、多糖类、酯类、药物及细胞等固定在材料表面或内部，构成具有生理功能的生物医学材料,1.4生物医学材料的分类A、按材料化学组份划分,该类材料是活体材料与非活体材料杂化组成的新型复合生物医学材料，也称为杂化生物医学材料,肝素化处理的各类高分子材料抗凝血导管、插管、分流管，在临床上已广泛采用,.,骨髓基质干细胞种植TCP/PLLA可生物降解、可骨诱导生长骨修复材料,骨形态发生蛋白BMP复合TCP/PLLA可生物降解、可诱导成骨的骨修复材料,(1)、天然生物医学材料(2)、合成生物医学材料,1.4生物医学材料的分类B、按材料来源划分,(1)、天然生物医学材料天然生物医学材料包括天然生物材料及以此为基础的生物衍生材料,构成机体的基本物质如蛋白质、多糖和核酸核糖以及由此而构成的人类和动物机体的皮肤、肌肉和器官都是高分子化合物，因此天然生物材料主要为天然高分子材料,天然生物材料(NaturalBiologicalMaterials)是来自人体自身组织、同种(如人尸体)或异种(如动物)同类器官与组织的材料,天然高分子材料由于其多功能性，生物相容性和可生物降解性，是人类最早使用的医用材料之一,直接使用天然生物材料可能引起免疫反应，采用物理和化学方法进行处理(改性)所形成的生物医用材料称为生物衍生材料(BiologicalDerivedMaterials)或生物再生材料(Bio-regenerationMaterials),生物衍生材料是无生命的材料，但其具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，在维持人体动态过程的修复和替换中具有重要作用,(2)、合成生物医学材料人工制取的生物医学材料，如硅橡胶、聚氨酯、中空纤维、生物陶瓷、医用合金等,1.4生物医学材料的分类B、按材料来源划分,按照使用要求，可将生物医学材料分为：植入与非植入材料血液接触材料一次性使用材料与重复使用材料生物活性与生物惰性材料生物降解材料与非生物降解材料等,硬组织材料软组织材料心血管材料血液代用材料齿科材料分离、过滤材料膜透析材料,1.4生物医学材料的分类D、按材料应用部位及功能划分,生物医用材料按材料组成和性质分为医用金属材料、医用高分子材料、生物陶瓷材料和生物医学复合材料等。金属、陶瓷、高分子及其复合材料是应用最广的生物医用材料。按应用生物医用材料又可分为可降解与吸收材料、组织工程材料与人工器官、控制释放材料、仿生智然材料等。,人工器官是生物医学工程各分支的综合，各分支是人工器官发展的基础人工器官是生物力学、生物材料、生物信号、外科医学、临床医学、医学仪器发展结果,人工器官当人体器官病伤而不能用常规方法医治时，有可能给病人使用一种人工制造的装置来部分或全部替代病损的自然器官，以补偿、替代或修复自然器官的功能，这样的器件或装置称为人工器官,生物医用材料的研究和发展方向主要为：(1)改进和发展生物医用材料的生物相容性评价（2）研究新的降解材料（3）研究具有全面生理功能的人工器官和组织材料（4）研究新的药物载体材料（5）材料表面改性的研究,医疗性纺织品分类,技术产品发展现状1)机能性医疗用纺织品,跨足生物科技领域，产品因应医疗上要求，机能性上力求高层次表现产品涵盖范围有:中空纤维、人工血管、外科手术缝线、人工脏器、创伤敷材等人工组织或器官移植,大多利用织物组织结构建置，如人工血管、人工心脏瓣膜等新高分子物质的发展，配合高分子薄膜系统，使新一代智慧型产品能以生物混合组织及器官方式进行,医疗用机能性纤维与技术,2)缝合线,手术缝线比较,2)缝合线(续),手术缝线特性,3)创伤敷材,理想敷材必备功能在伤口位置需保持微湿的环境，以利伤口愈合能有效吸收液骨渗出物能保持伤口避免细菌感染当绷帶材料移除时，伤口不会因此受伤,4)人工皮肤,伤口愈合与敷料功能,4)人工皮膚(续),人工皮肤主要种类,5)人工血管,人工血管必备特性血管內侧具抗血栓性、外侧具有组织相容性无毒性异物反应(生物相容性)耐久性(植入后強度恒定可靠)富有彈性与顺应性(与宿主血管相近)有孔性(高畅通率)易缝合，不易纠折，切口不易绽开低植入感染率可减菌性质易于取得(紧急时不须经细胞种植),7)生物可分解性医用纺织材料,体內生物可分解材料作用,7)生物可分解性医用纺织材料(续),组织修复材料,纺织品在生物医学上的应用,纺织品应用于生物医学可分为三类:,1.非植入性纺织品:手术服手术罩手术帽纱布绷带2.体外用纺织品:人工肾脏人工肺伤口敷材等3.植入性纺织品:缝线人工血管人工纫帶人工心脏瓣膜等,人工肾脏(DialysisMembrane),材料:纤维素铜铵纤维素、醋酸纤维素、中空纤维素聚砜、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、乙烯和乙烯醋酸共聚物形式:基层型、中空纤维型,永久抗菌纤维,Expofil纱抗菌属于纤维本身非后处理加工洗100次以上，抗菌效果佳68000吨潜力美国(44%)欧洲(41%)日本(15%)Trevira(),天津工业大学,一、新型抗褥疮间隔织物垫二、弹性网管绷带三、医用网孔内裤四、医疗用袜五、人造血管六、人工透析过滤装置七、心脏外科手术用织物八、医用夹板九、医用手术纺织品十、医用纺织品的舒适性十一、医院用纺织品十