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
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