苏葆辉 生物材料及人工器官作业答案 生物医学工程

1、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。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。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。凝固性血栓形成的基本过程： 内

2、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） 血小板活化途径外源性凝血 F（接触因子）活化 蛋白粘附 红细胞粘附F,F,F,F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： 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

3、式；按形状分为容积式和叶片式。 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）。 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。 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：按搏动方式分：脉动式（搏动式）、非脉动式（平流式）。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：容积式血泵的优缺点:优点：脉动

4、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。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，

5、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：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

6、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?

7、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：优点：构造简单、启闭稳定、耐久性好。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

8、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：优点：阀体为碟形、瓣架较低，质量比较轻、耐久性比较好。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：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。缺点：铰链可能折断；血栓问题仍没有很好解决。（4）双叶瓣：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

9、活，有效瓣口面积较大，跨瓣压差小，血栓栓塞率低。广泛采用。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(Der

10、line)、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，

11、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：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

12、血；价格较高。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

13、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：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；富有弹性和伸展性，尽可能的近似机体的血管；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；良好的抗血栓性；缝合容易，断

14、端不松散；有利于血液流动的形态；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：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。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。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

15、。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：血管直径小（小于8mm），血流慢，易形成血栓栓塞；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：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。基因修饰。利用分子生物学技术

16、，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、a因子抑制剂、组织因子旁路抑制物、环氧合酶-1、前列腺环素合成酶等。改进、优选材料。探究生物相容性、力学性能等物理性能更优良的材料。近年来聚氨酯（PU）材料倍受关注，因为这种材料具备良好的顺应性和弹性，具有优良的抗血栓性。第 5 章 1、什么是血液代用品？一种好的血液代用品应具备哪些特点？(1) 血液代用品：血液代用品是指具有载氧能力的、能代替血液在组织中进行

17、氧气和二氧化碳交换的代用品。作为临床使用的人工血液应安全、有效。(2) 应具备的特点：具有正常的生理功能，即要有较好的载氧能力，能向组织提供足够的氧，并能排出组织代谢所产生的二氧化碳，此外，能够维持正常的胶体渗透压，具有扩容作用，在循环中较长的半衰期。安全，应无毒，无致病原，无污染，无免疫源性，具有生物相容性。使用方便，保存时间长，便于运输，而且应易于大量制备。2、血液代用品的种类及其载氧机理？ （1）血液代用品的种类：以增加溶解氧为主的氟碳化合物人工血液；另一类是通过化学结合而载氧的以血红蛋白为基础的人工血液。（2）载氧机理：氟碳化合物人工血液；氟碳化合物人工血液，氟碳是一种合成的有机化合物

18、，化学性质十分稳定，无毒，其半数致死量与麦芽糖和葡萄糖相似。氟碳化合物难溶于各种溶剂中，但是对氧有较好的溶解性。氟碳化合物载氧只是单纯的物理溶解，而不是与氧可逆结合。其载氧量与氧分压呈正比直线关系，而且根据环境氧分压的高低而溶解或释放氧；血红蛋白人工血液；血红蛋白(Hb)人工血液的载氧机理是血红蛋白与氧气发生化学反应，而与其结合成不稳定化合物。以血红蛋白为基础的人工血液，血红蛋白是体内载氧的主要成分，与氧有可逆性结合的特点，并且具有理想的氧饱和和解离特性。3、血红蛋白的修饰方法有哪些？各有什么优缺点？ (1)交联：降低Hb氧亲和力，增加向组织释氧的能力，半衰期短（<36h）。常用类2,3

19、-DPG物质做交联剂在和链间进行化学连接；(2)聚合：在交联的基础上进一步分子间连接，最大限度延长半衰期，分子量过大易形成血管内沉积和栓塞；(3)共轭：将游离的Hb四聚体接于其他可溶性大分子上，稳定其结构。可延长半衰期又不至于引起红细胞的聚积；(4)内囊化：类脂囊Hb和可降解高分子Hb纳米微囊，易被网状内皮系统吞噬，降低机体对严重感染的防御能力，对机体无毒副作用。基因工程Hb液。第 6 章 1、 选择合适的膜材料成为人工肺技术发展的关键，请总结目前常用的膜材料。 （1）均质膜：是指各向均质（即结构均匀）的致密膜，一般为硅橡胶适用于长时间的灌注，由于气体与血液完全隔离，可有效地防止气栓的形成；A

20、 优点：气体弥散性能好;由于气血完全隔离，可有效防止气栓形成；由于无孔，不会造成水蒸汽渗出形成“湿肺”影响功能，可较长时间用于呼吸衰竭的支持；B 缺点：机械强度不高，还需改进CO2和O2透过系数之比使其更接近生理状态。（2）多孔膜：可由聚四氟乙烯，聚丙烯，聚乙烯，聚苯烯等材料组成，最常用的是聚丙烯膜，它加工过程仅为物理过程，无化学过程，没有化学添加剂，毒性小，血液相容性好，机械强度高，透气性好，价格低廉；A 优点：因有微孔，透气性好，消除了气血交换的膜阻力，提高了气体传输功能；加工过程仅为物理过程，无化学过程，没有化学添加剂；毒性小；血液相容性好；机械强度较高；价格较低；B 缺点：长时间应用，

21、氧合性能不稳定；有产生气栓的危险；有血浆渗漏的可能，由此造成液体随气体大量蒸发。（3）毛细管型膜肺：有硅胶毛细管组装粘结而成。（4）中空纤维型：由聚丙烯，聚氯乙烯，聚苯烯，聚碳酸酯等中空纤维组成。2、 如果让你设计并制作一个中空纤维膜肺，该怎么做？叙述你的设计、制作过程。（1）设计：选材：首先根据医用高分子材料的基本性能要求，常用的有均质膜材料，如硅橡胶和多孔膜材料，如聚丙烯。二者各有优缺点，前者气血完全隔离，可有效防止气栓形成；由于无孔，无血浆渗漏。但是，其机械强度较低，且气血交换阻力大。后者透气性好，气血交换阻力低；毒性低；血液相容性好；机械强度较高；价格较低。但是有气栓的危险、血浆渗漏等

22、问题。但相比均质膜材料而言，总体的性能优于前者。故我将选用PP膜材，其尺寸根据有效面积计算。 血流及气体流道设计：目前主要有两种结构，管壳流式 (内走血)和交叉流式(外走血)。前者血液流动呈细线状,气体与血液之间的交换阻力较大,几乎占全部阻力的90%。而后者由于血液侧流动的混合特性，其流道弯曲，方向多变，众多的阻挡形成局部的二次流，从而降低了血液侧传质阻力，可使总传质系数相对于管壳流式提高2-3倍。为了克服层流，增大血气交换，应减少血膜厚度和纤维直径，并采用交叉流式结构设计。外壳及内芯设计：使用有机玻璃，根据纤维用量设计外壳、内芯的长度和内外径。注意纤维束与外壳内芯要紧密接触，避免血液短路。（

23、2）制作：制膜：其大致过程是原材料 纺丝 清洗 充填甘油 卷绕；其中，纺丝方法有两种，a.融熔纺丝法：将聚合物加热熔融后压入纺丝头的环形喷口，喷出成为液态细流，在气体或液体介质中冷却成为纤维的纺丝方法；b.溶液纺丝法:将聚合物溶液压入纺丝头的环形喷口，喷出成为液态细流，立即进入凝固浴使之固化成纤维的纺丝方法。根据凝固方式的不同可分为湿纺和干纺：A 湿纺：在液态介质中固化，喷出的液态细流中的溶剂向液体介质中扩散，聚合物（细流）析出固化。B 干纺：在气态介质中固化，喷出的液态细流中的溶剂快速挥发并被热气流带走，聚合物细流固化。 组装和离心封端； 安装零部件和气密试验 ；包装,灭菌,检验,出厂。第

24、7 章 1、叙述血透、腹透、血滤、血液灌流、双重膜式血浆分离如何实现对血液的净化处理并维持人体正常的生理环境。（1）血透、腹透：利用透析膜两侧液体的溶质浓度梯度作为传质动力，血液中高浓度的溶质通过扩散（弥散）作用跨膜传递到透析液中去，从而排除患者体内过剩的含氮化合物、代谢产物或愈量药物等溶质；同时，透析液中的电解质又可以扩散到血液中，使患者体内的电解质保持稳定；同时，利用超滤（液体在压力作用下通过半透膜的一种转运过程），清除患者体内多余的水分，达到替代肾脏功能净化血液的目的。（2）血滤：利用对流转送机制，即由溶剂流动而致溶质清除。血液流经通透性高的半透膜，在半透膜两侧形成的压力差使部分液体和溶

25、于水的中小分子物质均被滤出（类似肾小球的滤过），而血液中有形成分、蛋白质和不能被滤膜通过的大分子物质留在体内。因此，可将血液中的水分、蓄积的代谢产物、电解质和其他物质滤过排除，达到血液净化目的。为保持体液平衡必须一边滤过，一边向血液中补充等渗电解质溶液。（3）血液灌流：是将血液引出体外直接和吸附剂接触，以吸附清除血液中的毒物，达到血液净化的目的。（4）双重膜式血浆分离：采用两种膜滤器，第一个滤器称为血浆分离器，把血细胞和血浆分离开来，截留分子量在300万道尔顿以上，相当于离心分离的常规血浆分离。第二个滤器称为血浆成分分离器，对分离出的血浆再次分离，分离为高分子量和低分子量两部分。10万道尔顿以

26、上的物质被截留在滤过器内，低于10万道尔顿的物质（主要是蛋白质）回输入病人体内，大大节省了白蛋白和置换液。2、血液透析膜材料主要有哪些？ （1）纤维素(cellulose)膜：是一种由双环纤维素二糖的重复结构单元组成的、聚合度为5002000的天然高聚物, 分子式 (C6H10O5)n。 铜氨纤维素（cuproammonium rayon）如铜玢膜、铜仿膜（Cuprophan®），其特点是具有较高的聚合度，湿态强度高，表面结构规整，能以恰当的比例透过血液中的代谢废物、离子和水分。但是，对中等分子量尿毒素的透过性能较差。 通过旁路系统激活补体C3、C5，进而造成许多临床症状，其血液相容

27、性有待提高。 硝酸纤维素(cellulose nitrate) 纤维素通过其分子中的羟基与硝酸进行酯化反应而生成的纤维素硝酸酯。醋酸纤维素（cellulose acetate, CA） 醋酸纤维透析膜的特点有：由于采用融纺工艺，膜面光滑；可以用加热的方法灭菌消毒；由于氢氧根被置换，因此具有一定的疏水性，在水中不膨胀，尺寸稳定；为形成微孔加入溶剂或非溶剂，易于改变其种类和组合，孔径可自由调节；清除小分子物质和磷的功能也比较强；价格低廉。但是，醋酸纤维透析器的临床使用也面临以下两个问题：A 对中等分子量尿毒素的透过性能较差。B 激活补体，生物相容性有待提高。血仿膜（Diethylaminoethy

28、l,DEAE） ENKA社专卖，商标为血仿纤维素膜(Hemophan®)。（2）合成高分子膜：聚丙烯腈膜（polyacrylonitrile, PAN）透水性和对中、高分子物质的通透性良好。由于在膜表面可导入各种构造基，在膜面上的血小板附着比较少，故生物相容性比较好。 聚甲基丙烯酸甲酯膜（polymethylmethacrylate, PMMA） 从普通透析膜到滤过膜都可以制得。对补体、白细胞的影响比较少，生物相容性较好。 聚砜膜（ polysulfone, PS） 超高滤膜，非常高的滤过速度，滤过性能很强，从小分子的肌酐到中分子的2-微球蛋白，都有较高的滤过率。聚酰胺膜（polya

29、mide, PA） 分子中具有很多酰胺基（-CONH-）的聚合物。内表面有致密层，具有不同孔层的非对称性三层构造。由于亲水性的原因，不易形成蛋白阻塞，而且也可以清除2-微球蛋白。聚丙烯腈-丙烯磺酸盐共聚物 对中等分子量的溶质透过性高，不激活补体，血液相容性好。聚乙烯乙烯醇共聚物（ethylene vinylalcohol, EVAL）优良的血液相容性，可不用或少用肝素。其它共聚物 如聚醚聚碳酸酯共聚物、聚乙烯醇丙烯腈等三元接枝共聚物以及聚离子复合膜等。（3）其它新型高分子膜材料：胶原、甲壳素。第 8 章 1、 查阅人工肝方面的文献，了解目前人工肝支持系统通常都使用什么技术?（1）非生物性的人工

30、肝辅助：指不包括生物部分构成的人工肝支持系统，其功能以解毒为主，使用血液透析、血液灌流、血液滤过、血浆置换技术，是目前治疗肝衰竭的主要手段。（2）生物性人工辅助：指将同种或异种动物的器官、组织或细胞等与特殊材料或装置结合构成的人工肝支持系统。采用离体肝灌流、人-哺乳类动物交叉灌流技术等。（3）混合式人工肝：由生物及非生物部分共同构成的人工肝支持系统，又称为组织工程人工肝。由肝细胞、支架和生长因子组成，所用的技术有细胞分离技术、细胞培养技术、组织工程技术等。2、各种人工肝支持系统的工作原理？（1）非生物型人工肝：生物型人工肝是利用人或动物的肝组织匀浆、分离的肝细胞、肝脏切片或全肝等与生物合成材料

31、相结合的体外装置，主要由肝细胞来源、细胞培养方式和生物反应器三要素构成。生物人工肝系统是将体外培养增殖的肝细胞（人肝细胞、动物肝细胞、 人肝细胞系、基因转化细胞）置于特殊的生物反应器中,利用体外循环装置将肝功能衰竭患者的血液/血浆引入生物反应器内，通过对患者血液/血浆中毒性物质的摄取、转化和代谢,同时合成患者机体所缺乏的必需物质,从而稳定肝功能衰竭患者的内环境，达到病情改善的效果。（2）生物型人工肝：是将同种或异种的全肝、肝组织片、培养肝细胞、肝细胞微粒、肝细胞酶等与生物合成材料相结合组装而成的体外装置, 包括离体肝灌流、人一哺乳动物交叉循环、体外生物反应器（内含肝酶肝细胞成分肝片和培养的肝细

32、胞等）。20世纪90年代以后生物型人工肝脏一般是专指用人工培养的肝细胞为基础所构建的体外生物反应装置。分为肝细胞型人工肝及整体肝脏灌注系统，运用的技术包括细胞工程技术和生物基因工程技术，建立动物肝细胞的分离和长期培养技术以构建既有增殖能力、又具高分化功能的肝细胞系并试图应用于生物人工肝治疗；大规模的细胞冻存和复苏技术，使肝细胞应用于生物人工肝中更为方便；生物材料技术发展，提供了肝细胞在体外生存和培养的良好环境, 各种生物反应器如中空纤维型生物反应器、内含微囊肝细胞的圆柱型生物反应器、多层平板式生物反应器等为肝细胞应用于生物型人工肝创造了良好的条件。（3）混合型人工肝：混合型人工肝是将非生物型与

33、生物型人工肝相结合的一套以血液净化为基础的治疗设备，集成血浆置换、分子吸附和生物反应的混合型治疗手段，在缓解重型肝炎、肝衰竭患者的病情上起到重要的支持功能，并为延长患者生命、争取肝移植时间等方面发挥重要的作用。目前已进入动物实验和/期临床试验，并取得了良好效果，但它尚不能完全替代肝脏的功能。（4）具体人工肝介绍：过滤吸附式人工肝：采用体外血液灌流的方式，即将含有毒素的病人的血液在体外流入人工肝过滤吸附装置，经解毒净化后送回体内。分子吸附再循环系统人工肝：血浆吸附式人工肝：直接吸附 血浆分离吸附血浆交换式人工肝：用含有肝合成物质的新鲜冷冻血浆置换病人血浆，以替代肝的解毒、调节、合成作用。交叉式人

34、工肝：第 9 章 1、用于全关节置换的生物材料主要有哪些？（1）金属材料： 不锈钢(铁合金)：按正火状态的组织构成分类：A 铁素体 C溶于-Fe和-Fe形成的间隙固溶体，具有体心立方结构；B 马氏体 C与合金元素在-Fe中的过饱和固溶体；C 奥氏体 C溶于-Fe形成的间隙固溶体，具有面心立方结构。钴基合金：植入体使用的钴基合金：A 铸造 Co-Cr-Mo 合金(ASTM F75,1982)；B 锻造 Co-W-Cr-Ni 合金(ASTM F90,1982)；C MP35N合金（锻造Co-Ni-Cr-Mo）。钛基合金：Ti-6Al-4V。（2）高分子材料：用于人工关节制备的典型高分子材料主要有硅

35、橡胶、聚乙烯及超高分子量聚乙烯等。A 硅橡胶主要用于指关节、肘关节等。B聚乙烯( PE) 是最早被用于人工关节的高分子材料，以后又采用性能更好的超高分子聚乙烯 ( UHMWPE) 。它已成功用于人工腕关节、膝关节与髋臼等，改善了人工关节的摩擦磨损问题，延长了使用寿命。但长期临床观察显示，由于PE 或UHMWPE 硬度偏低，抗蠕变性能差，长期使用会使人工关节的晚期磨损相当严重。（3）陶瓷材料：陶瓷材料具有强度高、耐磨性好、化学稳定性和耐蚀性强的特点，因而在人工关节上得到广泛应用。其材料主要有氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、碳素材料、羟基磷灰石( HA) 、生物活性玻璃陶瓷等。A 氧化铝陶瓷：氧化锆陶瓷具

36、有优良的抗腐蚀性能、良好的生物相容性、优异的耐磨性能，是最早用作生物医用材料的陶瓷材料之一。但其脆性较大，容易发生假体的破裂，一般用于制造人工股骨头材料，而较少用于制造髋臼假体。B 羟基磷灰石( HA) 是骨骼无机物质的主要成份，生物相容性优良，在体内HA 的钙磷离子可以与周围骨骼组织中的钙磷离子形成化学键，并且骨骼细胞可以生长入HA 的微孔中。但是其力学性能差，不能单独用于人工关节的制造，作为涂层材料可以发挥其优势，但是HA 与基体的结合强度不足，适合体内移植的涂层厚度还不明确，制备涂层的温度过高会导致生物活性的下降等问题，还需进行进一步研究。（4）复合材料：HA 为基HA/ 金属生物复合材

37、料、HA/ 高分子聚合物生物复合材料和HA/ 生物惰性陶瓷生物复合材料：这些复合材料大部分具有较高的强度、硬度和断裂韧性，还具有抗氧化、抗腐蚀及抗菌效果等诸多优点。碳纤维增强复合材料：主要分为碳纤维增强高分子基生物复合材料和碳 碳生物复合材料。其中碳纤维增强超高分子聚乙烯( UHMWPE) 材料作为人工关节臼已广泛应用于临床试验中。2、全关节置换植入体的固定方式有哪些？它们分别是如何实现固定的？ （1）骨水泥固定:骨水泥固定的原理：通过内锁固定和容积填充作用，在界面形成嵌合，再生的血管可以深入到骨水泥内部，形成骨连接。内锁固定：经过加压填塞后，骨水泥渗入到松质骨的微间隙内，在骨水泥与骨界面形成

38、交锁嵌合。容积填充固定：骨水泥填塞于骨和假体之间，与骨形成一个“统一体”，使假体获得固定，应力得到均匀传递。（2）无骨水泥固定：无骨水泥固定的形式有以下三种：表面活性材料：通过组织与生物活性植入体表面间的化学反应达到固定；表面织构材料：骨长入有沟槽或纹理的植入体的表面；多孔涂层材料：骨长入多孔材料的孔隙中。思考：某患者进行全人工髋关节置换，假如你观看了整个手术过程。请叙述在这个外科手术过程中，为了完全置换病态的髋关节，医生分别使用了什么人工材料制作的关节头、关节柄和髋臼杯？手术中关节柄和髋臼杯分别是如何实现固定的？为了提高植入体与骨组织的相容性以及植入体的稳定性，植入体的表面有特殊的设计和处理

39、吗？如果有，是怎么做的？ （1）全人工髋关节材料选择：由关节头、关节柄、髋臼杯三部分组成。为了完全置换病态的髋关节，医生分别使用材料包括金属、陶瓷、聚合物以及三者间的复合材料。综合考虑材料的物理化学性质以及上述各部分的受力情况、化学作用差异，从机械性能、耐磨耐腐蚀性能以及生物相容性等各方面综合考虑后进行的材料选择如下：关节头：考虑到耐磨、生物相容性、生物毒性等。选用金属（不锈钢、钴及钛合金）、陶瓷（YPSZ、Al2O3）关节柄：考虑到力学强度（弯曲，拉伸，疲劳性能、弹性模量）、生物相容性、应力屏蔽及力学传导性能等。选用金属（不锈钢、钴及钛合金），并进行HA涂层或PMMA预涂层，表面纹理、沟槽等

40、设计。髋臼杯：主要是聚合物类UHMWPE，其具有高耐磨性，自润滑性，耐化学腐蚀等特点。通常将金属外杯和PE内杯压配使用。此外，也有陶瓷杯-金属杯，如YPSZ股骨头-Al2O3臼杯；全金属髋关节置换。因此不同组合方式将获得不同的效果。目前临床使用较多的是YPSZ股骨头-PE臼杯、钴合金股骨头- PE臼杯。（2）手术中关节柄和髋臼杯的固定方式：分为骨水泥固定和非骨水泥固定。前者通过PMMA系列骨水泥的内锁固定和容积填充作用，在界面形成嵌合，再生的血管可以深入到骨水泥内部，形成骨连接。后者则通过组织与生物活性植入体表面间的化学反应达到固定、骨长入有沟槽或纹理的植入体的表面或者骨长入多孔材料的孔隙中来

41、实现固定。（3）提高植入体与骨组织的相容性以及植入体的稳定性，植入体的表面有特殊的设计和处理：表面设计：A 股骨板整体构型为上宽下窄，外厚内薄；板下端锥形圆柱体加工，可以降低应力遮挡。B 股骨柄表面设计齿槽，齿槽由上向下逐渐增加，可以增加稳固性；金属杯环形齿槽可增加表面积，增加负荷能力。C 提高股骨头圆度及表面光洁度，以减少磨屑。表面修饰：金属股骨头表面预涂PMMA或HA，股骨柄沟槽区涂层HA或进行表面粗糙钝化处理，以提高材料的生物相容性和耐磨性能，利于骨组织的重建。第 10 章 1、目前在组织工程皮肤研究中，哪些细胞作为种子细胞研究得较多？ 种子细胞是组织工程研究与应用中最为关键的要素之一，

42、是组织能够再生的物质基础。同种异体细胞和异种细胞虽然来源较广泛，但存在免疫排斥和细胞功能差异等问题。目前研究较多的种子细胞主要还是自体细胞和干细胞。（1）自体细胞从理论上讲，最理想的皮肤组织工程种子细胞需携带全部基因组型，满足此条件的目前只有自体组织细胞，如：成纤维细胞、血管内皮细胞与表皮细胞。成纤维细胞： 成纤维细胞是皮肤组织损伤后的主要修复细胞，在修复过程中，成纤维细胞主要是通过分泌胶原纤维和基质成分，重新建立真皮与表皮之间的再次连接，为表皮细胞的覆盖创造条件。将成纤维细胞与胶原混合构成的类真皮层可促进上皮细胞生长及真皮与表皮的重组，提高愈后皮肤的结构性能并改善移植后创面的外观。此外，成纤

43、维细胞还可以分泌成纤维细胞生长因子，调节与表皮细胞间相互作用，从而促进表皮细胞的增殖、迁移及分化，在调节表皮细胞形态及细胞外基质的合成方面也起到重要的作用。血管内皮细胞与表皮细胞： 在自体皮肤移植的实验中，血供不足是造成移植物成活率低的重要原因。将内皮细胞引入支架材料中，可以促进人工皮肤的血管化速度。将血管内皮细胞与成纤维细胞共培养，还可形成毛细血管样结构。表皮细胞的培养受自身增殖能力的限制，需要三四周的培养时间，对于急需覆盖创面的大面积创伤患者，还不能满足治疗需要。提取自体细胞都要从自体取材，不仅会造成新的损伤，而且体外扩增能力极为有限，多次传代后即丧失形成能力。对大面积度烧伤、广泛瘢痕切除

44、、外伤性皮肤缺损以及皮肤溃疡等导致的严重皮肤缺损，仅靠自体取材难以实现皮肤的再生，因此要构建出满足临床需要的皮肤替代物，就必须找到一种新的理想的种子细胞。（2）干细胞皮肤干细胞是目前引起广泛关注的一类成体干细胞，当皮肤因外伤、疾病等原因导致损伤时，皮肤干细胞会及时增殖分化生成相关细胞，从而修复机体受损结构，因此干细胞的培养与分离对于皮肤损伤修复具有重要意义。利用皮肤干细胞的增殖分化特性制备人工皮肤是目前重要的研究方向，较受关注的研究有表皮干细胞、骨髓间充质干细胞、毛囊干细胞和脂肪干细胞等。表皮干细胞： 表皮干细胞来源于外胚层，具有双向分化的能力，位于与真皮乳头层顶部相连的基底层或表皮基部的基底

45、层。正常情况下，大部分的表皮干细胞处于静息状态，只有部分细胞脱离干细胞群落进入分化周期，向下迁移可分化为表皮基底层细胞，进而生成毛囊；向上迁移则最终分化为各种表皮细胞。移植到创面的表皮干细胞可以向表皮分化，具有分化为毛囊和汗腺等结构的潜能骨髓间充质干细胞： 骨髓间充质干细胞是一种近年来被广泛关注的种子干细胞，它具有向多种中胚层和神经外胚层来源的组织细胞分化的能力。当把骨髓间充质干细胞植入体内，其可在多种组织如肺、骨、软骨、皮肤等处增殖和分化，并表现出相应组织细胞的表型。自体骨髓间充质干细胞接种于表皮细胞诱导体系3 d 后细胞即发生形态改变，诱导分化的细胞大部分为表皮干细胞；将骨髓间充质干细胞和

46、支架材料复合后移植可明显促进皮肤缺损创面愈合。因此，骨髓间充质干细胞作为种子细胞构建具有生物学功能的组织工程化全层皮肤具有很好的可行性。毛囊干细胞： 目前研制得较好的组织工程皮肤在体外及移植于创面后具有正常表皮的自我更新能力，即保留了干细胞自我更新与分化潜能的特性，但如何在复合皮中实现毛囊、汗腺、皮脂腺等附属器的重建是组织工程皮肤研究的又一大挑战。位于表皮之下的毛囊隆突处的毛囊干细胞，不仅能向下转移到毛囊，生成毛囊组织中的多种细胞，而且还能从毛囊外根鞘向上迁移形成表皮。因此其也是一种具有潜力的可以进一步完善组织工程皮肤性能的功能细胞。脂肪干细胞：由于其可直接从抽吸出的皮下脂肪颗粒中分离获取，即使是大面积皮肤缺损的患者，也可以通过脂肪抽吸术获取足够量的脂肪颗粒悬液或脂肪组织。脂肪干细胞在体外可大规模培养和扩增并且具有多向分化的潜能，相对于从骨髓中获取骨髓间充