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人工的,但更优异

发布时间: 2019-04-19 15:00:12   作者:本站编辑   来源: 本站原创   浏览次数:        字号:[ 常规 ]

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能够和正常人一样跳跃、欢笑,一样自由自在地运动……是多少残疾人梦寐以求的景象。科学家说,这样的梦想会有实现的一天,也许就在不久的明天。

一个靠人工心脏维系生活的人,在聚会时可能看起来是最健康的人;在体育场上挥汗如雨的健将,那有力的手臂也许是人工假肢……他们曾经深感缺憾的地方,却可能是比正常人更优异之处。 

“控制化人工器官”,这个词最早出现于20世纪60年代的科幻小说中,指的是一种植入体内的电子仪器。例如,人造心脏就是一种控制化人工器官,把它移植到人体内,可替代衰老的心脏,拯救人的生命。现在,控制化人工器官的基本功能已经初步实现,科学家开始把它用来发展人类的超能力。

目前,“控制化人工器官”还属于研究中的科技,还很少在日常生活中应用。我们日常所说的人工器官是指能代替器官功能的人造心脏、假肢、人造耳、人工眼等。

医用生物材料

制造人工器官最重要的就是要寻找到合适的材料。科学家把用于人工器官的修复、理疗康复、诊断、检查、治疗疾病等医疗保健领域的材料称为医用生物材料。医用生物材料的发展已有非常长的历史,早在公元前3500年时,古埃及人就利用纤维、马鬃作缝合线,用玉器材料作骨替换材料。墨西哥的印第安人使用木片修补受伤的颅骨。在公元前2500年前中国、埃及的墓葬中就发现有假牙、假鼻、假耳……

我国是生物材料和器械的需求大国,775万肢残患者和每年新增的300万骨损伤患者需要大量骨修复材料,2000万心血管病患者每年需要大量的人工心瓣膜,2亿~3亿肝炎患者每年需要30万个人工肝,肾衰患者每年需要12万个肾透析器。

人工器官的应用,拯救了成千上万患者的生命,减轻了疾病给患者及其家属带来的痛苦与折磨。有人预言生物医学工程在2l世纪将成为继信息产业之后最重要的科学研究和经济增长的热点,其中生命体的人工合成和人体器官的人工替代成为了全球瞩目的学科前沿。

人工骨

在美国,用于骨缺损修复的植骨术已成为仅次于输血的组织移植技术。由于自体植骨来源极为有限,又增加创伤,因而很多国家都采用保存的同种异体骨移植术,但也存在来源困难、有免疫排斥反应、传播疾病等问题。人体骨骼由于长期浸没在人体体液之中,而体液所含的无机离子有较强的腐蚀性能。因此,寻找合适的骨骼替代材料成为医学界的一项重要工作。

钛合金材料有很好的强度和韧性,很接近生物骨骼的要求,而且有优良的加工性能,是目前医学界公认较好的人造骨骼替代材料。但由于金属材料缺乏生物活性,植入生物体后,与组织的结合只是简单的机械固定。羟基磷灰石、硅酸钙等陶瓷材料具有良好的生物相容性,但强度和韧性却很低,始终不能成为骨骼的理想替代品。现在最常用的方法是采用各种手段,在金属表面涂上一层生物活性材料,这样既保持了金属材料的强度和韧性,又使植入材料能与机体有机结合,克服了金属植入体的生物排异性。这种无机/金属复合骨替换材料现在已经广泛应用于临床。比如,将一个涂有羟基磷灰石的钛合金人造髋关节植入人体后,人工髋关节能完全替换坏死的髋关节,起到支撑身体和控制下肢运动的作用,患者能够重新恢复站立和行走功能。

骨移植材料的另一种来源是采用与天然骨成分组织相同的人工骨组织工程材料,根据病人骨破损处的数据处理,制造骨组织框架,然后复合生长因子和患者自己的细胞制造活的人工骨。我国在这方面的研究已经取得一些成果。

人工手臂

如果不仔细观察,你根本不会怀疑那些装有假肢的人,他们的假肢与真腿真臂无异。硅酮制成的肌肉在外表和功能上都能以假乱真,稍有不同的是,向其提供营养的不是血液,而是其内置的气压充电器。指挥其动作的不仅有人脑,还有电脑。新一代假臂完全可以以假乱真,其电路直接与神经末梢相连,即与大脑神经中枢相连,其行动与正常手臂完全一样,同样能够条件反射。惟一的区别是,根据用户的需求,假手可以比真手更有力,甚至更灵活。

人造牙齿

牙齿是人体中最坚硬的器官,也是人类受到伤害最多的器官,我国牙齿缺损患者人数达总人数的l/5~1/3。牙缺损不仅影响人们的正常的生活,还影响到人们的美观,植入人造牙齿能够很好地解决牙缺损带来的问题。

人造牙齿包括人工齿冠和人工齿根两部分。人工齿冠起到正常牙齿的咀嚼和美观作用,其坚硬而且颜色与天然牙齿一致。目前应用的主要有三类齿冠材料:铸造金属全冠、金属拷瓷冠和全陶瓷牙冠。氧化铝和氧化锆陶瓷经常被用作齿冠材料。齿根主要起到固定牙齿的作用,需要植入牙床与人体组织环境直接接触。钛及其合金材料具有良好的生物相容性和耐腐蚀性,并且有相对较高的韧性和便于加工的特性,是人工齿根最常用的材料。为了加强齿根与牙床的生物性结合,一些具有生物活性的陶瓷,如羟基磷灰石和生物活性玻璃,也经常被加涂于钛及其合金的表面。

如今,组织工程技术也被应用于制造人造牙齿。美国科研人员成功地让老鼠身上长出了“新猪牙”,并认为此成果有可能带来牙科领域的一场革命。科学家相信,有朝一日,失去牙齿者完全能利用自身的“牙齿干细胞”生长出和原来一模一样的新牙来。有关专家希望,能在10年内将这一新技术用于人类牙科医疗,从而让人彻底摆脱假牙的困扰。那时,人造牙齿就“完全退休”了。

人工心脏

心血管疾病是最严重的疾病之一,其发病率和死亡率已超过肿瘤性疾病,跃居世界第一。1994年全世界死亡人数为5220万,其中l530万死于心血管疾病,占死亡人数的29%,预计这个比例还会继续增加。对于那些病情严重到心脏无法继续工作的人,就需要用人工心脏或心脏移植来治疗和恢复其功能。

人工心脏是近10年发展起来的一项技术,它是利用机械的方法把血液输送到全身各器官以代替心脏的功能的一种装置。可分为暂时性和长期性两种方式,暂时性即部分取代心脏的辅助性人工心脏,长期性即取代整个心脏的完全人工心脏。

1982年12月2日,第一例永久性植入人体的人工心脏被美国杜布利兹医生植入病人体内后,使病人存活了112天。

AbioCor人工心脏是由美国麻州丹佛士镇的无机医药公司研制出来的,是第一个完全植入病人体内、可以取代心脏的装置,它与自然心脏从形貌到结构都比较相似,也包括主体和类似动脉的管子。美国的克瑞斯特森是第二位植入AbioCor的病人,他利用人工心脏存活了17个月,死因是心脏内膜磨损。

由于人工心脏与人体的血液直接接触,为了满足临床应用需要,用于制备人工心脏的材料必须具备高抗凝血性、耐生理腐蚀性和一定的耐磨性。人工瓣膜的合成材料,曾采用过聚四氟乙烯、聚氨脂、硅橡胶等,其中硅橡胶和含氟橡胶性能较好,但材料的老化、血栓形成、肉芽组织增生、摩擦损耗等仍是需要解决的问题。近年来较多采用同性碳人工心瓣材料。钛合金也被用于人工心脏材料,但长期的植入后,钛合金材料的抗凝血性仍显不足。

其他人工器官

目前,还有几种人工组织和器官被广泛研究,如人工肾、人工肺、人工肝脏、人工胰脏和人工血管等人造器官也逐渐取得临床应用。

人工肾可用于治疗肾衰,目前各国多采用空心纤维透析型人工肾,空心纤维经熔融纺丝制成,将上万根纤维装在直径7厘米,长20~25厘米的有机玻璃外壳中,两端用聚氨酯树脂固定,当血液流经空心纤维中心时,与纤维外侧相反流向的透析液进行相互渗透,从而净化血液。

人工肝脏可以辅助肝功能作用以维持生命,而真正的“全人工肝脏”还没有。目前日本采用的是一种吸附型血液净化装置,用于安眠药及农药中毒患者或肝硬变等肝昏迷患者。这种装置中,活性碳表面用2甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)、丙烯酸水凝胶或火棉胶涂覆,使活性炭不致流入血液中。

采用高分子合成纤维制成的血管代替截除的天然血管,已经成功地用于10余万患者,取得了良好的效果。可以制作血管的高分子材料有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙稀、聚氨基酸等。