高分子读书报告

PAGE上海大学2011～2012学年秋季学期文献阅读研讨课课程名称：高分子材料与环保健康课程编号：1000L305姓名：钱锐锦学号：11122781学院：材料学院序号：92论文题目：人工心脏成绩：任课老师：颜世峰评阅日期：PAGE7人工心脏钱锐锦（上海大学，上海）摘要：通过高分子材料与环保健康这门课程的学习，我试着从各处查阅资料来了解高分子材料的具体应用的一个方面人工心脏。本文主要从人工心脏的历史、分类、原理、结构材料、研究现状、发展方向等方面来介绍人工心脏。随着近年工程科学与技术的快速发展,人工心脏无论作为人体心脏的替代还是作为心脏移植的过渡支持都己取得长足的进步,产品的机械性能和生物相容性能都得到明显改善，其中也面临一些挑战。我就我我所知浅略的来说一说人工心脏的发展方向和面对的问题。关键词：人工心脏；人工心脏瓣膜；研究现状；结构材料；技术难题随着近年来工程科学的迅速发展,人工心脏无论作为治疗措施还是作为心脏移植的过渡支持都己取得了长足的进步。目前,使用人工心脏是对任何急性、慢性晚期心衰,在保守治疗无效时主要的外科治疗手段，主要被用于:心脏功能恢复的过渡,如急性心肌炎、心脏移植后供体心衰竭等所致的心衰等；心脏移植的过渡,如患者由于供心的短缺；永久性治疗,即以人工心脏完全替代人的心脏。进入21世纪以来,出现了多种新的人工心脏产品,部分产品已开始商品化;一些心脏泵产品得到较大改进,在临床应用后使心力衰竭的病人症状得以明显改善。但是人工心脏也存在一些问题严重制约着人工心脏的发展。我就从我所知来简单谈一谈。1人工心脏的历史人工心脏是在解剖学、生理学上代替人体因重症丧失功能不可修复的自然心脏的一种人工脏器。人工心脏起搏器实际上是人工制成的一种精密仪器。它能按一定形式的人工脉冲电流刺激心脏，使心脏产生有节律地收缩，不断泵出血液以供应人体的需要。安装心脏起搏器时，医生在患者的上胸部切一条4-6厘米的切口，将心脏起搏器埋入皮下。起搏器连接一金属导线，医生会选定一条静脉血管通过静脉血管将金属导线插入患者的心脏。这样，当心脏停止跳动或跳动太慢时，起搏器就能发放电冲动使心脏跳动。人工心脏研究可以回溯到体外循环开始，即1953年Gibbons将体外循环应用于临床。心肺机利用滚筒泵挤压泵管将血泵出，犹如自然的搏血功能进行体外循环。而人工心脏这个血液泵恰是受此启发而开始研究的。1957年美国KOlff和Akutsn将聚乙烯基盐制成的人工心脏植于人体内生存一个半小时，以此为开端展开了世界性人工心脏研究。1958年日本及前联邦德国均设立了专门研究中心。1964年KOlff利用人工心脏使小牛生存24小时。1966年DcBakey将人工心脏用于瓣膜置换病例，辅助数小时。1968年开始临床研究，1969年动物实验生存记录为40天。同年Cooley进行了第一个临床病例植入一时性完全人工心脏后因合并症死亡。1970年Nose等的动物实验生存100天。1973年以后，动物实验成活率迅速上升：1976年Kolff试验牛成活89天、122天；1980年度美和彦试验山羊生存232天、242天、288天；1982年12月1日美国盐湖城犹他大学医学中心人工心脏研究小组为一患者植入完全人工心脏使其存活为112天。2001年7月世界首个完整人工心脏AbioCor移植手术成功。2人工心脏的分类人工心脏分为辅助人工心脏和完全人工心脏。辅助人工心脏有左心室辅助、右心室辅助和双心室辅助，以辅助时间的长短又分为一时性辅助（二周以内）及永久性辅助（二年）两种。完全人工心脏包括一时性完全人工心脏、以辅助等待心脏移植及永久性完全人工心脏。人工心脏3人工心脏的发展第一代心脏泵主要是以气体驱动的容积式泵,属于脉动式人工心脏。容积式心脏泵的核心结构是一个由柔韧性材料围成的腔囊。囊腔用于容纳血液,腔两端连接进、出口导管,并在两接口处分别放置单向阀门(瓣膜)以保证血液单向流动。采用正负压力的空气、液体、电磁力或机械力方式使驱动膜或囊按要求产生周期性运动。囊腔壁受到外力时,腔内容积被迫变化,完成泵血功能。由于脉动式人工心脏按照固定的频率泵送血液,符合人体的自然生理特征,且泵对血液的破坏很小。但存在产品体积大、隔膜和阀等部件易产生机械疲劳、效率低、产品的使用寿命较短等问题。第二代心脏泵主要指有接触轴承和密封装置的连续流式心脏泵。连续流式心脏泵从结构上可分为叶片式泵、滚子式泵、滑片式泵等。其中叶片式泵按流体的设计原理还可分为离心式泵、轴流式泵、斜流式泵等。无论何种形式,连续流式心脏泵均采用高速旋转的叶轮驱动血液单向流动,不需要控制血流方向的单向阀门。连续流式泵克服了容积泵体积大、结构复杂、工作寿命短、能耗高等缺点,尤其适用于永久性植入体内时采用。第二代心脏泵的主要缺陷是有与血液接触的轴承和密封装置,使心脏泵的血液易遭受污染。第三代心脏泵是指没有接触轴承的连续流式心脏泵。第三代心脏泵采用磁悬浮轴承,与第二代心脏泵相比最大优势在于血液污染易于控制。但磁悬浮系统要求较复杂的结构和控制方法,且需耗费额外的能量。第四代心脏泵则采用动力叶轮悬浮系统,克服了第三代心脏泵复杂磁轴承装置的缺点,结构简洁、体积进一步缩小,性能得到进一步改善,为临床应用带来方便。尽管连续流式心脏泵在小型化方面有极大优势,但仍属于非仿生类的心脏泵,高速旋转的摩擦热及电机散发的热量对血液的影响不容忽视。目前世界上公认比较理想的人工心脏泵为磁悬浮人工心脏泵，包括离心泵、轴流泵和混流泵。磁悬浮人工心脏泵采用磁力轴承支承，使叶轮转子靠磁力悬浮在泵内，无接触、无需密封、无摩擦、无需润滑、清洁、噪声小、能耗低、发热少、长寿命、结构较简单，可有效减少血栓和溶血的发生。离心式磁悬浮人工心脏泵相比于轴流式磁悬浮人工心脏泵而言，其叶轮转子转速比较低，能有效减少溶血，控制难度也相对较小。4人工心脏的结构材料4.1泵的进展从血流效果上来看分为搏动性血流和非搏动性血流两种。理论上讲搏动性血流更适于人体生理特点，但是它必须有活瓣、弹性隔膜以及巨大的心室容量。而非搏动性人工心脏需要高效的能源与轴承密封或电磁轴承以减少血栓形成，维持正常器官功能，它需要更高的血管内压，并能造成器官血流和生化特点的变化，从全人工心脏的永久性应用来看进一步发展非搏动性泵更有利于人工心脏解决血栓和全置入人体的问题。从泵血的方式来看，传统的气动泵正由可携带性、可置入性、可压缩性好的电动泵代替。4.2能源的演变从应用的功能设置来看可分为外置型与内置型和固定型与可移动型，从实用性来看显然可移动内置电源最为理想。想实现这一目标只有在能源技术上进一步研究。主要有三个研究方向：高能电池、高效储电瓶、经皮充电。高能电池最有代表性的设想应属核能电池，但与实际应用还有较大的距离；高效储电瓶的代表产品为锂电的应用，已有多个实验室运用成功的经验；经皮充电是目前研究最热的技术，也是最有希望的技术之一。4.3选用材料高分子材料一直是人工循环的主要应用材料。针对人工心脏的特点聚脂类人工心脏有较好的应用前途，例如最近研究较多的聚乌拉坦就具有耐用、弹性好、抗老化、顺应性好、组织相溶性好的特点。除此之外还有人将其分子辅基改变、合成进硅和维生素E等进一步改善其特性以更有利于人工器官的应用，今后还有可能利用人工材料的特点体外塑行以微创手术将人工心脏置入人体，或者将人工材料做成人体可降解材料，使其在一定时期后功能完成后自然降解，以免除二次手术。另外，人工合金对人工心脏也做出了较大的贡献，如镍－钛合金曾经作为人工心脏瓣膜、心室，其坚固性、轻质、表面光滑性非常适于人工心脏。近来有人做成镍－钛－锆合金其优越性更为突出。5人工心脏研究中面临的技术问题5.1生理相容性生理相容性主要指人工心脏对血液的红细胞和凝血系统的损害程度,即人工心脏的抗溶血性和抗血栓问题。当血液流经心脏泵时,血液中的红细胞将不同程度地遭到破坏,释放出血红蛋白而发生溶血;而心脏泵流道内发生流动停滞的区域将可导致血液中的血小板凝聚而形成血栓。研究发现:离心式人工心脏泵中的二次流动与溶血和血栓形成具有相关性,不规则流线、湍流和流动方向的突然改变等内部流态将产生高剪切力,可增加红细胞的机械损伤而导致溶血;轴承或支撑部分附近的流动停滞区,容易产生血栓,限制血泵的使用时间。此外,血液在人工心脏泵的停留时间也与血液的生理活性密切相关,血液微团在泵内运动的流线或迹线也有一定要求。因此,人工心脏泵的生理相容性要求人工心脏泵的流道设计必须严格满足壁面剪切力、血液与壁面的相对速度等条件。在今后较长的时期内,流动优化设计将是人工心脏泵的主要研究难点之一。5.2流量的精确控制在临床应用中发现,人工心脏的流量精确控制方面也需要大量研究:1、生理实验过程中曾发现有过度抽吸的现象,有时会导致左心室塌陷,使得心内膜乃至部分心肌组织嵌入心脏泵的入口,影响泵的运行流量。这类现象甚至有可能影响人体的正常生理活动。2、长期运用轴流泵、离心泵等连续流式泵作为人工心脏是今后的发展方向。如何模仿心脏自身的Starling机制,在人进行体育锻炼,以及其它需要的时候,适时、适量地增加心脏泵的血液输出是提高病人生活质量的关键。3、目前,对于长期用平流灌注仍有争议。有实验表明,血管长期不发生搏动会导致主动脉管壁结构的改变以及血管收缩功能下降。这说明长期使用连续流式人工心脏将对患者的血管功能导致负面效应,影响患者的康复和长久的健康。因此,根据人体的各种基本生理需求,如何针对不同的使用情况对人工心脏的流量进行精确控制,在可能的条件下实现这一目标对心脏泵的研究将是一个重要的挑战。5.3稳定性及耐久性人工心脏泵的使用寿命主要受密封性能和电机寿命的影响。在这里前者似乎更重要。心脏泵的密封主要包括电机密封和轴承密封。20世纪80年代出现的离心式血泵中,电机与泵之间的密封多采用类似O型圈的弹性密封方式,如HIA-MedosAG生产的Delta-Stream离心式血液泵采用了紧密配合的橡胶圈密封,也很难保证较长时间的无泄漏连续工作。除了密封圈密封外,其它密封方式还有磁性联轴密封、磁流体的磁力密封、曲轴驱动等,但随之带来了复杂的结构、磁流体的污染及曲轴易折断等问题。在第三、四代心脏泵中,由于采用了磁悬浮轴承和动力悬浮轴承,可以解决轴承密封和机械磨损的问题。但同时对泵叶轮的运转控制、电机的设计和加工提出了更高要求。如果在人工心脏的设计中进一步考虑流量的精确控制,则需要涉及到与人体生理活动相关的生物信息等人们目前尚未完全掌握的技术领域,对未来人工心脏的动力系统和控制系统研究也是一个严重的挑战。此外,人工心脏的运行稳定性还与有效散热、能源供应等问题有直接联系。心脏泵产热主要来自血液运动的摩擦热和电机发热两方面。在人工心脏的设计中,必须使这些热量通过血液循环过程向体外排放,保持散热与产热的平衡。6人工心脏中材料的应用传统上将人工心脏瓣膜按制作材料的不同分成两类:机械瓣和生物瓣。不过,近年来随着组织工程技术的发展,组织工程心脏瓣膜也越来越得到了人们的关注。6.1人工心脏机械瓣的制作材料机械瓣膜是指应用金属如钛合金、不锈钢、低温热解碳、高分子材料等,按机械原理设计、加工制成,具有单向阀血流功能,缝置于心脏瓣膜区,可代替已病损、丧失功能的原有人体自然心脏瓣膜功能的器件。机械瓣一般由三部分组成:阀体(瓣球或瓣片等),瓣架和缝合环。人工心脏机械瓣中材料研究的重点是阀体材料的改进与开发。早期笼球式机械瓣中的球阀主要是用硅橡胶或不锈钢制成球,置于金属笼架中。这与硅橡胶一些优良的医用特性是分不开的,如不会对细胞生长产生不良影响,对人体无毒,不会引起组织炎症反应等。但随着机械瓣结构上的改进与创新,阀体由瓣球逐渐发展成瓣叶,其材料也发生了很大的变化。目前用于制作机械瓣瓣叶最流行的材料是低温各向同性碳(LTIC),简称热解碳。这主要是因为一方面与其它金属材料相比,医用碳素材料是一种化学惰性材料,故热解碳具有良好的生物相容性,在体内不会产生对机体有害的离子;另一方面,医用碳素材料具有良好的“生物力学性能”,热解碳还具有罕见的抗血凝性能,可直接应用于心血管系统,这也正是热解碳十分流行的最主要原因。但是,热解碳因抗凝血性能不足、价格昂贵等因素仍让科技工作者将目光投向综合性能更加优异的新材料开发和利用。20世纪80年代以来,国际上开始采用物理气相沉积、等离子体化学气相沉积等方法制备出TiN薄膜、SiC薄膜、类金刚石(TiO2)薄膜等,对人工心脏瓣膜进行表面改性。但这些材料的血液相容性均低于热解碳,并且所采用的表面改性方法存在合成的表面薄膜与瓣膜材料结合力差,易脱落等缺点。除了致力于热解碳、陶瓷、多孔材料及粉末冶金材料以外,随着高分子材料的发展,有报道称开发研制出一种软质材料机械瓣,也称为人工柔性瓣叶心脏瓣膜。这种瓣膜采用柔性的高分子材料聚氨酯,而聚氨酯具有良好的血液相容性,植入后只需少量或不需抗凝。机械瓣的瓣架多以钛合金制成,因为钛具有密度小、耐磨损和耐腐蚀等优良特性。因为耐腐蚀性、高稳定性,使它在和人体组织长期接触以后也不影响其本质,所以也不会造成人体的过敏反应。另外,钛是唯一对人类植物神经和嗅觉没有任何影响的金属。钛的这种优良的生物相容性,使人们在制作心脏瓣膜时首先就想到了它。另外,其他一些合金如钨-铬-钴合金、钴-铬-钨-镍超级耐热合金Haynes25等也在各种类型的机械瓣中时有应用,而前面提及的热解碳更是大有扩大应用的趋势。机械瓣的缝环大多采用高分子织物,目前最常用的是聚四氟乙烯,因为聚四氟乙烯组织相容性高,排斥反应低,化学稳定性高,耐腐蚀性理想,机械强度适中,十分适合人工心脏瓣膜在人体中的工作环境。人工心脏瓣膜6.2生物瓣的瓣膜材料生物瓣是指整个瓣膜或瓣膜的一部分由生物组织材料制成的人工心脏瓣膜。按其制作材料的来源可分为同种移植、异种移植(如猪主动脉瓣或牛心包瓣)和自体移植(如病人自身的肺瓣、大腿筋瓣或心前区组织)。它一般是按照人类半月瓣的结构原理,采用生物薄膜制成三个瓣叶或直接将人或动物的主动脉瓣剥出并镶在特制的瓣架上。其中生物瓣的瓣架大多采用钛合金为材料。很显然,由于制作瓣膜的材料(牛心包、猪主动脉瓣等)具有很好的血液相容性,不会产生凝血、溶血及形成血栓等良好特性,患者植入生物瓣后不需要进行抗凝治疗,临床上很受欢迎。但这种瓣膜的制作材料又存在另一缺点,即容易发生钙化,使瓣膜较早发生衰坏,严重影响生物瓣的使用寿命。目前,生物瓣在使用过程中瓣膜材料均用戊二醛进行处理,戊二醛作为膜材的防腐剂和胶联剂还能起到提高膜材的强度和韧性的作用。此外,戊二醛处理也能在很大程度上掩盖和减少生物材料的免疫原性,从而保证生物膜材在植入体内长时间而不会引起明显的免疫反应。目前对生物瓣的防钙化研究仍在进行中。6.3组织工程心脏瓣膜的支架材料组织工程心脏瓣膜是应用组织工程的技术和原理,构建出一种具有细胞活性的新型生物瓣,其基本原理是利用可吸收、降解的聚合物为支架,先种植成纤维细胞,再种植单层内皮细胞以包裹瓣叶。支架材料的主要作用是提供细胞生长的三维空间,并易于细胞附着和生长,为最终所要构建的瓣膜提供一个最初的形态。理想的支架材料应具有以下优点:①多孔性;②良好的生物相容性和可控制的生物可降解性;③材料表面适合细胞粘附、增殖和分化;④良好的机械特性。目前,用于组织工程心脏瓣膜支架材料的主要有两类:人工合成的可降解聚合物和天然的可降解聚合物。可降解高分子材料是较理想的组织工程心脏瓣膜支架材料,这种材料的特点是在体内经一定时间可以降解为小分子化合物,这个降解过程与细胞间质的生长过程同步,降解产物随着体内的代谢排出体外,不留任何异物。可用作组织工程心脏瓣膜支架的人工合成可降解材料有:聚乳酸(PLA)、聚乙醇酸(PGA)、二者共聚体(PGLA)、聚羟基烷脂(PHA)及聚242羟基丁酸脂等。但由于高分子材料表面缺乏细胞识别位点等原因,影响种植细胞在其表面粘附生长,种植细胞易于脱落,动物实验效果并不十分理想。此外,机械强度不足及会引起无菌性炎症反应等问题仍需进一步解决。而天然支架材料的特点是具有良好的生物相容性,可以促进细胞的粘附和生长。目前应用于组织工程心脏瓣膜的天然支架材料主要有纤维蛋白、胶原、脱细胞瓣膜支架等。这种脱细胞处理后的瓣膜支架不仅消除了抗原性和免疫性,而且保持了正常瓣膜的三维空间,它的纤维网络结构极利于细胞的种植和生长,且还有很好的抗张强度。研究结果显示,在脱细胞处理的瓣膜支架上种植细胞所构建的组织工程心脏瓣膜,要比在生物材料上种植简单、易行,三维空间结构和组织学结构更佳。尽管如此,天然支架材料由于不同材料间存在种群差异,且产量增加困难、价格昂贵,这也是暂时难以克服的一个难点。尽管组织工程心脏瓣膜由于其支架材料的特殊性和组织工程技术的优良特征使其具有高度的生物相容性和生长修复能力,无需抗凝,不易感染,但存在的一些问题如瓣细胞种植技术的提高、增强瓣膜抵抗血流剪切力等仍需科技工作者进一步研究解决。7人工心脏的最新设计在近半个世纪的研制过程中,血泵从材质、结构、功能和使用寿命等方面均取得了显著的进展。血泵的驱动装置也出现了气动、电动和电液压等不同驱动方式。血泵的动力学设计则更加接近生理心脏。以下是几种最新的人工心脏设计。7.1连续血流泵小型连续血流泵是未来第二代植入式人工心脏,其优点为体积小,结果简单,可靠且廉价。新设计采用了反向电机、润滑轴颈轴承和残余轴力磁反应装置。其中润滑轴颈轴承是关键部件,它帮助解决了轴密封的问题。7.2VFP振动血流泵VFP的主要特点为可通过调节驱动频率，从而控制血液向各主要器官的分布,并控制外周血管阻力和阻抗,以达到对心、肺血管均产生有益作用的目的。7.3电液压TAH涡轮驱动的电液压TAH解决了气动TAH的诸多技术难题,其结构设计也相对简单。隔膜内置有电机和涡轮机，不与血液接触,从而避免了对血液的损害。人工瓣膜的周围血流通道中存在一个瓦氏窦回流区,它可防止血栓形成。为使TAH的机械液体与生物成份完全隔离,隔室内灌注了生理盐水，以防止液体渗漏。TAH的重量与天然心脏(400～500g)十分接近,使用寿命约为2年。其泵血的压力、速度和流量均可调节，从而保持了心脏生理压力的平衡。7.4植入式微轴血泵微轴血泵由单叶轮组成,由整合微型电机驱动。为了长期使用之需,血泵与电机之间采用物理隔离,驱动力则通过磁耦合传导。微轴血泵被植在主动脉中,整个血泵系统完全浸入血液中,经外部的驱动控制器进行控制。