苏葆辉 生物材料及人工器官作业答案 生物医学工程.docx

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苏葆辉生物材料及人工器官作业答案生物医学工程

生物材料及人工器官作业

第2章

1、有大量的文献涉及控制血液与材料的相互作用。

通过查阅文献，详细了解人体血栓形成的机理,描述由材料引发的血栓形成的途径,这些途径之间有联系吗？

有怎样的联系？

（1）血栓形成的机理：

血液中某些成份析出、粘集，血液发生凝固，形成固体的过程，称为血栓形成。

所形成的固体，称为血栓。

血栓形成包括血小板血栓和凝固性血栓两种。

①血小板血栓：

血小板发生粘附、变形、聚集而形成的血栓，灰白色，又称白色血栓。

②凝固性血栓：

凝血因子被激活，最终导致纤维蛋白原变成纤维蛋白，网罗大量的红细胞及其它血细胞，血液凝固，形成块状固体（血栓），呈红色，故又称红色血栓。

③凝固性血栓形成的基本过程：

内源性凝固系统外源性凝固系统

血浆凝血因子+血小板因子血浆凝血因子+组织因子

Ca2+Ca2+

血浆凝血酶原激活物组织凝血酶原激活物

凝血酶原凝血酶

Ca2+

纤维蛋白原纤维蛋白

网络血细胞

血栓

（2）生物材料表面血栓形成的主要途径示意图:

生物材料

凝血因子活化途径（内源性凝血）血小板活化途径

FⅫ（接触因子）活化蛋白粘附红细胞粘附

FⅪ,FⅨ,FⅩ,FⅩⅢ活化血小板粘附红细胞溶血、释放

纤维蛋白沉积血小板变形、释放、聚集

血栓

2、人工心脏的组成？

泵的分类及特点？

（1）人工心脏的组成：

1血泵：

形状容积、血流动力、溶凝、力学、老化、噪声、协调。

按搏动方式分为脉动式和非脉动式；按形状分为容积式和叶片式。

2监测与控制系统：

监控内容包括血泵的功能（驱动压力、搏出量、回流量等）、驱动装置的运行指标、生理参数（心率、心搏出量、心室压力、心房压力、呼吸数、血液PO2、血液PCO2等）。

3驱动装置：

为血泵的搏动提供动能,有叶动式、气动式、电动式、磁力驱动式。

4能源供给装置：

有交流电源、电池、核能源和生物能源之分。

（2）泵的分类：

①按搏动方式分：

脉动式（搏动式）、非脉动式（平流式）。

②非脉动与人生理血流状态不同，因此按血泵形状分：

容积式如囊式、膜式（脉动式）

按血泵形状分离心血泵（脉动、非脉动）

叶片式

轴流血泵（脉动、非脉动）

（3）泵的特点：

①容积式血泵的优缺点:

优点：

脉动式，与人的正常生理结构相适应，有利于脏器的血液微循环灌注。

缺点：

体积大，结构复杂，不易植入体内；必须有管路连接体内外，故易感染；关键部件瓣和膜易损坏，且是血栓易形成的部位；能耗大。

②叶片式血泵的优缺点:

优点：

不需要单向阀门，结构比较简单，体积小，流量大，效率高，易植入体内；与血液接触面积小，抗血栓性能好；因可植入，感染问题可得到较好解决；耐久性好；功耗低；易于操作；价格较低。

缺点：

非仿生；叶片高速旋转，对血液成份可能造成破坏；长期密封困难。

3、心脏起搏器、主动脉内气囊反搏、动力性心肌成形术、骨骼肌心脏辅助，它们辅助心脏工作的原理？

（1）心脏起搏器：

是一种通过发放电脉冲，刺激心脏使之激动-收缩，以模拟心脏的冲动发生和传导等电生理功能，治疗由于某些心律失常所致的心脏机能障的医用电子仪器。

（2）主动脉内气囊反搏：

①原理：

用一根带有气囊的导管插入主动脉内，配合病人的心脏的收缩与舒张进行抽吸与加压，帮助心脏工作。

分为收缩抽吸和舒张加压两个阶段；

A收缩抽吸：

在心室收缩之前的瞬间，控制装置抽气，致使气囊收缩，主动脉压力下降，留出主动脉空间，心脏射血进入主动脉。

气囊产生抽吸作用，即使天然心脏收缩不大，也会有足够的血液射出，减小天然心脏的能耗，使之得到保护与休息。

B舒张加压：

在心室舒张之前的瞬间，气囊突然充气（体外经导管压入气体），排开一定的血液，使主动脉的压力增大，心脏出口处压力增高，冠状动脉和其它几个动脉分支灌注压增大，血液被压入这些动脉，使心肌缺血得到缓解，其它血管的血液供应也得到改善，心搏出量上升，并对脑及上肢的供血也得到改善，休克得以缓解。

这一充气扩张过程也叫做“反搏”。

（3）动力性心肌成形术骨骼肌心脏辅助：

应用带神经血管蒂的背阔肌包裹心室，包裹、代替或修补无功能或功能低下的心肌。

同时植入心脏肌肉刺激系统，在该系统的脉冲刺激下，移植的背阔肌转化为耐疲劳肌肉，并在起搏器的带动下与心室同步收缩，增强心脏的收缩功能，限制心室的继续扩张，从而达到长期辅助心脏，治疗慢性心力衰竭的目的。

4、查阅文献,了解人工心脏及心脏辅助装置的研究。

这是一个活跃的研究领域吗?

你发现研究的重点是什么?

是一个活跃的研究领域，但是由于还存在一些问题，如抗血栓性能的提高；机械性能的改进，实现生理性调控；植入后感染；能源；长期性、永久性植入。

因此，目前的研究重点主要集中在小型化，微型化，同时具有高供血效能；无线自动控制，体内外无连线，根据身体需要自动调控生理参数；不凝血，不老化，不腐蚀，经久耐用；安全可靠的控制系统和能源供应；完全植入式心脏和心室辅助装置（VAD）和全人工心脏（TAH）等。

第3章

1、说明笼球瓣、笼碟瓣、斜碟瓣、双叶瓣的特点。

（1）笼球瓣：

①优点：

构造简单、启闭稳定、耐久性好。

②缺点：

中心血流受阻，为周围血流型，即血流必须绕过阻塞体，从其周边通过。

球瓣前后有涡流，跨瓣压差高，溶血，瓣架高，易造成左心室流出道梗塞，心肌接触笼架后易产生期前收缩，常出现心律失常，不宜植入小心室与主动脉较小的病人。

血栓栓塞率较高，目前基本已被弃用。

（2）笼碟瓣：

①优点：

阀体为碟形、瓣架较低，质量比较轻、耐久性比较好。

②缺点：

跨瓣压差大、属于周围血流型，血流动力学性能差，血栓栓塞率高，溶血多，伴有瓣柱折断、碟片磨损甚至脱落的危险。

（3）斜碟瓣：

①优点：

铰链代替笼架，重量较轻，体积较小,轻巧；半中心血流型,血流经过阻力较小,血流动力学性能较好，耐久性好。

②缺点：

铰链可能折断；血栓问题仍没有很好解决。

（4）双叶瓣：

①优点：

属中心血流型，血流动力学好，其血流动力学状况优于以往所有的机械瓣。

瓣叶运动灵活，有效瓣口面积较大，跨瓣压差小，血栓栓塞率低。

广泛采用。

②缺点：

两个瓣叶运动不同步；关闭性能不够理想；铰链处机械加工困难；抗凝问题仍没有彻底解决。

2、目前机械瓣使用的材料主要有哪些？

（1）制造人工机械心脏瓣膜的材料：

主要有金属、聚合物和碳素材料。

金属主要有钛合金、钴合金如CoCrMo合金（stellite合金）；聚合物包括有机硅橡胶、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚四氟乙烯（PTFE/Teflon）；碳素材料有低温各向同性碳（LTIC）、超低温各向同性碳（ULTI）、金属基体上沉积类金刚石梯度薄膜。

（2）瓣架、阻塞体（瓣叶）材料：

有硅橡胶（Silicone）、聚四氟乙烯、缩醛树脂（Derline）、钛合金、stellite钴合金、不锈钢、石墨、低温各向同性热解碳涂层、类金刚石涂层、聚氨酯等。

缝合环材料：

有聚对苯二甲酸乙二醇酯（涤纶），针织物形式；聚四氟乙烯，针织物形式；超低温各向同性碳，涂层形式。

3、戊二醛处理生物瓣的作用？

（1）戊二醛可使胶原分子交联，能增加生物材料的强度及耐久性，在电子显微镜下观察，能保持胶原的形态和结构。

（2）戊二醛还能封闭抗原基，是抗原性较新鲜组织降低100倍，组织埋藏实验证明经戊二醛处理的生物材料，仅有少量炎细胞浸润，无明显排异反应。

（3）消毒功能。

4、什么是生物瓣的钙化？

钙化是一个复杂的物理、化学和生物化学过程，有大量的研究报告。

查阅文献，了解钙化的因素有哪些？

（1）生物瓣的钙化：

主要是钙、磷以结晶形式沉积在生物瓣组织中，导致生物瓣材料弹性、韧性和机械强度发生很大变化，造成生物瓣失灵。

钙化沉积物是一种复杂晶格结构的羟基磷灰石样物质。

（2）影响因素：

宿主、血流动力学、瓣膜表面电荷、瓣膜材料、材料应力分布、戊二醛处理、生物瓣表面缺乏完整的内皮细胞、制造工艺与设计等。

5、如果你的某位朋友需要置换人工心脏瓣膜（机械瓣或生物瓣），从人工器官的专业角度，你会给他一些什么建议？

（1）机械瓣与生物瓣的优缺点：

①机械瓣：

耐久性优异。

但是血流动力学效果较生物瓣差；刚性非生物材料，关闭不柔和；易产生血栓栓塞，须终身抗凝；可能造成出血合并症，创伤后大出血；价格较高。

②生物瓣：

材料来源易得，造价较低；仿生性强，瓣叶具有柔性，中心血流型，血流阻力小，对血液成份破坏少，血流动力学效果较好；生物材料，血栓率低，一般不必终身抗凝；但是钙化常造成生物瓣失灵；另外，原发性胶原组织退变而引起的瓣叶撕裂、穿孔、或钙化变硬等，致使瓣膜失效。

生物瓣的使用寿命多数介于7至10年，其耐久性不如机械瓣。

不能用于儿童，不宜用于年轻人。

（2）人工心瓣的选择原则：

患者

机械瓣

生物瓣

年轻患者（45岁以下）服抗凝药无禁忌者

√

对抗凝治疗有绝对禁忌者

√

希望妊娠的年轻妇女

√

60岁以上及心脏病严重，估计寿命不会超过15年者

√

儿童

√

边远地区无法进行抗凝治疗与监护者

√

第4章

1、你所在的公司准备发展一种聚合物材料作为血管植入物，你是负责进行产品开发的生物医学工程师，你会考虑哪些材料？

解释你的选择。

（1）血管植入物需满足的条件：

①具备医用高分子材料的条件：

a.在体内不变性，无毒性；b.对人体组织无异物反应；c.不发生癌；d.无抗原性；e.有耐久性，经长期使用，不失去原有的物理性;f.容易加工成型；g.耐受消毒，不变性，不变型；h.价廉；

②富有弹性和伸展性，尽可能的近似机体的血管；

③适当的孔性：

a.便于宿主组织长入管壁，使组织覆盖或形成“新内膜”，使人工血管机质化；b.小血管长入，使管壁中间部位生长内皮细胞并得到血液营养供应，防止营养变性；

④良好的抗血栓性；

⑤缝合容易，断端不松散；

⑥有利于血液流动的形态；

⑦消毒简单，有抵抗感染性能。

（2）综合考虑以上因素，可以选用的材料有涤纶（聚对苯二甲酸乙二醇酯）、聚四氟乙烯和聚氨酯：

①涤纶：

极牢固，抗撕裂，耐用；易于缝合和操作；长期通畅率高（主动脉、髂动脉>95%）。

但没有弹性，修复小直径血管效果不理想。

②聚四氟乙烯：

柔韧，易于缝合和操作，耐用。

但没有弹性；有的部位使用长期通畅率不及PET；缝合后材料不能立即在针眼处收缩，造成渗血时间延长；修复小血管效果不理想。

③聚氨酯：

较好的血液相容性。

好的弹性，能与宿主动脉很好地适应。

但在体内会发生不易控制的降解（聚醚型PU不太容易降解）、钙化（可涂碳改善）。

修复小直径血管试验效果最好。

2、小直径人工血管为什么没有满意的使用效果？

查阅文献，你发现解决的途径有哪些？

（1）没有满意效果的原因：

①血管直径小（小于8mm），血流慢，易形成血栓栓塞；

②血管直径小，血液中的一些蛋白、脂肪等易停留在血管壁，导致内皮增生。

（2）解决途径：

①人工血管内皮化。

在材料表面种植内皮细胞，提高通畅率。

种植内皮细胞的方法有单期种植法和二期种植法：

A单期种植法：

将新鲜获取的内皮细胞在手术前较短时间内种植于人工血管管壁，直接用于手术。

但是通畅率无明显提高。

B二期种植法：

将新鲜获取的内皮细胞先离体培养，再高密度种植于人工血管，然后植入人体，且通畅率明显高于未种植内皮细胞的人工血管。

②基因修饰。

利用分子生物学技术，在植入的内皮细胞中导入使血管扩张、抗血栓形成的基因片段，有望从根本上提高人工血管的通畅率。

其中抗凝基因的选择有：

A纤溶酶原激活物基因：

如组织型纤溶酶原激活物（t-PA），尿激酶型纤溶酶原激活物、尿激酶；

B水蛭素；

C一氧化氮合成酶、Ⅹa因子抑制剂、组织因子旁路抑制物、环氧合