生物医学材料与人工器官

生物医学材料和人工器官、生物医学材料：生物医学材料(BiomedicalMaterials )是以医疗为目的，与生命系统接触相互作用，诊断治疗细胞、组织和器官，修复人体组织器官，增进功能的天然或人工合成的特殊功能材料，又称生物材料(Biomaterials )。 根据物质的属性，生物医学材料大致可分为以下几类。 1、生物医学金属材料2、生物医学高分子材料3、生物医学无机非金属材料或生物陶瓷4、生物医学复合材料5、生物医学派生材料(biomedicalderivedmaterials )生物派生材料是由经过特殊处理的天然生物组织形成的生物医学材料， 经过处理的生物衍生材料是无生物活力的材料，生物医学材料的特性生物医学材料的特性是生物医学材料直接作用于人体组织，因此在生理条件下必须具有长期稳定的力学、物理化学和生物学性能。 研究生物医学材料与其他材料差异的最基本特点是生物适应性。 生物相容性是指材料在生物体内与周围环境的相互适应性，也能理解水槽本体与材料的相互作用程度。 所有人体内的生物医学材料、人工器官、医疗辅助装置等医疗器械，对人体无毒性、无致敏性、无刺激性、无遗传毒性、无致癌性、对人体组织、血液、免疫等系统无不良影响。 因此，材料生物相容性的优劣是生物医学材料研究设计中首要考虑的重要问题。 生物医学材料的生物相容性根据材料接触的人体部位，一般分为血液相容性、组织相容性和免疫相容性。 人工器官：人工器官(artificialorgans )是生命器官或器官部分功能的人工替代物。 其实，中国古代和占卜埃及都有应用例，现代人工器官的临床应用始于本世纪四五十年代。 随着生物医学材料的发展和人工器官种植面(plantinterface )，即移植性人工器件表面与生物组织作用界面的深入研究，人工器官的研究和应用规模也在扩大。 古代人类只能使用天然的材料(如果是丰满的药物，包括用天然的材料修复人体的伤口来治病)。 例如，公元前3500年，古埃及人用棉花纤维、马毛等缝合伤口的墨西哥印第安人用木片修补受伤的颅骨。 公元前2500年在中国墓葬中发现假牙、假鼻和假耳。 1588年，人们在用金属板修理颚骨的1755年，用金属在体内固定骨折的J809年，有人用金修复缺损的牙齿的1851年，发明了天然橡胶的硫化方法后，用硬橡胶材料制作了人工齿托和颚骨。 近几十年来，生物医学材料和人工：器官研究取得了很大的进步，大的进程应靠高分子材料科学和工业的发展。 1936年发明有机玻璃是为了立刻制作假牙和补牙，1943年，芹菜素薄膜开始用于血液透析，1950年开始用有机玻璃制作人工大腿骨。 50年代，有机硅聚合物开始应用于医学，对人工器官的研究发挥了促进作用。 特别是60年代以后，开发出了各种具有特殊功能的高分子材料，一些从事高分子科学的人也将研究方向转变为生物医学高分子材料。 在经济发达国家，用高分子材料制造医疗用品非常普遍。 1976年美国医用塑料消费量占当时塑料消费量的4.4%，达到53.6万吨。 同年，日本医疗用一次性塑料产品达到1万吨。 现在，除了大脑，大部分人工器官都在研究，一部分已经作为商品出售。 仅在美国和欧洲，每年用于修复人体自然缺陷和损伤的植入材料就有4500件，每年有数百万患者使用人工器官。 全世界有6万人用人工肾维持生命，美国和德国的百万居民中有500多名心脏病患者种植起搏器。在美国，每年有3万5千人佩戴人工心脏瓣膜的18万人移植人工血管，12万人佩戴人工髋关节，10万人注射了硅酮隆胸美容。 以人工器官和高分子材料为主的生物医学材料开始成为新的工业。 人工器官包括什么样的东西？ 人体器官组织受损、病变无常规治疗效果时，用一种人工制造的替代装置，可以部分或全面替代原生体病变受损的自然器官。 这种置换生物自然特有器官的人工装置，广义上都属于人工器官。 所有新型医疗生物材料的研制必然引起人工器官研究和临床应用的重大进展，如能补偿循环系统功能的人工心脏瓣膜、人工血管、人工血液、能辅助人工心脏和人工心脏辅助装置呼吸功能的人工肺、人工喉、具有人工气管血液净化功能的人工肾、 有支撑人工肝消化功能的人工食管、人工胆管、人工肠等，还有可辅助内分泌功能的人工胰岛细胞和可辅助人工胰岛细胞生殖系统功能的人工子宫、人工输卵管、人工精巢、人工阴道和人工阴茎假体等。 能够模拟神经传导作用的起搏器、横膈膜起搏器以及具有人工视觉、人工听觉、人工结晶、人工角膜等感觉辅助功能的人工器官。 如人工心脏起搏技术是心脏电生理与工程技术学相结合形成的一门新学科。 随着微电子技术、微流程和新能源的应用，目前人工心脏起搏器技术与1932年技术人员Hyman研制出的重量为7.2KG的第一个起搏器相比有了新的进步。 据资料统计，1990年全世界使用了28.4万个起搏器。 上述人工器官的研究应用几乎与人体各系统的组织器官有关，许多严重器官疾病可通过人工器官的辅助或替代作用来治疗。 人工器官的研究和应用是21世纪医学和整个科学界的重大课题和重大成果。 这一领域的进展日益受到重视和关注。 有学者预言，2l世纪将是“取代外科，发挥重要医疗作用的世纪”。 生物医学材料的现状、统计数据显示，以高分子材料为例，世界上医学应用的产品有90多种，1800多种。 西方国家在医学上消费的高分子材料以每年10%15%的速度增加。 现代生物材料产业是快速发展的高新技术产业。 不含牙科材料。 21304年世界和主要国家和地区市场状况见表102。 20022004年年增长率为7%10%，亚洲地区发展达到22%。 15年后，产业销售额将达到药物市场份额(1995年药品销售额为2260亿美元，2000年为3300亿美元，2021年为6000亿美元)，成为国民经济整体的支柱产业。 生物医学材料的研究越来越受到世界各国科学家的重视。 以四年一度的世界生物材料大会为例，1980年一次的大会出席人数为400人，论文为281篇，1984年第二届800人，论文358篇，1988年第三届1200人，论文571篇，1992年第四届1071人，论文714篇，1996年第五届，33个国家1500人，论文约1000篇， 其中中国代表29人，论文14篇2000年后发展更快，表2是对国内生物医学材料和产品的市场需求分析。 我国生物材料和仪器主要依赖进口，国内产品单一，技术落后，科研与产业无关。 基础研究水平不高直接制约了新技术和新材料的发展应用。 生物医学的研究方向和发展趋势，1 .生物医学材料的研究方向(1)开发新的生物医学材料。 新的生物相容性材料、血液相容性材料、生物降解材料和纳米材料在医学领域的应用已成为21世纪生物医学材料研发的热点。生物相容性是重点研究材料的一级结构和表面高级结构与生物组织相容性、喷嘴液相容性以及体内耐老化性之间关系的血液相容性研究，主要是肝素结构材料和表面生化处理材料的研究生物降解材料随着组织工程的发展迅速发展，天然材料的改性、天然材料与合成材料的复合、新的混合材料的制备以及新的生物降解材料的合成纳米生物医学材料被期待为制作各种软组织的支架、组织工程支架材料、基因药物和靶药物的载体以及内固定器件等。 (2)仿生智能生物医学材料的研究。 天然材料的基本组成部分非常普遍，而且常温常压下采用自组装、分级成型等方法，能够在负荷下实现适应环境和功能的复杂结构，显示出优异的强韧性、功能适应性和损伤愈合能力。 以严格、精确、科学的方式复合或组装，构成智能材料，最重要的技术手段是将软件功能引入材料。 这类似于生物信息处理单元神经元，可结合各种功能将多种软件功能置于几纳米到十几纳米厚度的不同分层结构中，从而将智能属性“注入”到材料系统的宏观和微观结构中。 (3)生物医学材料表面修饰学的研究。 生物医学材料与人体接触时，应充分满足与生物环境的相容性，其关键在于材料表面与生物环境的相互作用。 发展各种生物梯度材料，合理修饰材料表面，在其表面形成适应生物生物的过渡层，提高材料的生物相容性。 2、生物医学材料的发展趋势组织工程是近十年来发展的前沿科学，标志着医学走出组织器官移植的范畴，进入制造组织器官的新时代。 大力研究和开发下一代生物相容性良好、被人体逐渐分解吸收的生物医学材料，是今后生物医学材料发展的重要方向。 纳米技术的发展，纳米材料与医药领域的交叉是必然的发展趋势，例如以纳米磁性材料为药物载体的靶药被称为“生物导弹”。 也就是说，通