高分子人造血管

(1)器官移植与人工器官

人工器官是20世纪医学科学的重大成就，是现代材料科学与工程技术推动医学发展的鲜明标志之一。它是根据人体的结构和功能，用生物医学材料模拟天然器官制造出来的机械装置，用来取代失去功能的人体器官。它可以帮助急性患者度过危险期，赢得宝贵的抢救时间，还可以取代无法治疗的病变或受损器官，长期补偿其生理功能。人工器官的发展给医学带来了巨大进步。到目前为止，已经研究成功和正在研究的人工器官有：人工心脏，人工肾，人工肝，人工肺，人工胰，人工眼，人工耳，人工舌，人工乳房，人工关节，人工骨，人工牙，人工血管，人工血液，人工喉，人工气管，人工食管，人工皮肤，人工膀胱等。可以说，现在除了大脑之外，几乎所有的人工器官都取得了相当好的研究进展和应用效果，可以预见，在不久的将来，人类将实现除了大脑之外，所有患病器官都能用人工器官代替的愿望。

人类治疗病损器官的一种方法是器官移植。使用人的或动物的相同器官，通过手术进行移植。到目前为止，临床治疗还是以这种器官移植为主，而且主要是移植人的器官，因为人工器官的研究还没有完善到具有天然器官的复杂和高级功能。尤其是像心脏、肺、胰、肝等主要器官。但是器官移植一直受到许多条件的限制，成功的器官移植是非常有限的。首先天然器官的来源极其困难，使用动物器官，由于不是同类，排斥性太大，人体无法接受。器官捐献者太少，而且，主要从尸体上移取，对移取和保存的技术要求非常高，否则器官将失活。其次器官移植后，由于不是自身的器官，必然产生排斥反应，引发器官坏死和败血症等导致患者死亡。患者只能依靠长期服用免疫抑制剂，抑制排斥反应。由于以上原因，器官移植很难普及。以心脏移植为例，全世界总共完成300多例，这个数目相对于心脏病患者的总数来说，太微乎其微了。据报道台湾曾有一例心脏移植，患者存活了4年，由于疏忽，停止服用抗排斥药，致使心脏坏死，引发败血症而死。正因为如此，人类对人工器官寄予了希望，下大力量进行研究。人工器官不存在来源和保存问题，选用优良的生物医学材料，可以减小排斥反应。随着人工器官研究的不断发展，人工器官的生理功能将不断完善和多功能化，接近天然器官并向小型化、植入化方向发展。

(2)人工心脏

心脏病是发病率和死亡率最高的一种疾病。从“心脏”这个概念上也可以看出，心脏是人体最重要的器官。判断死亡的标准就是心脏是否停止跳动。由此可见，研究人工心脏的意义之大。

人工心脏分为完全人工心脏和人工心脏辅助装置，后者包括：心室辅助泵，人工心脏瓣膜和人工心脏起搏器。如果心脏只是部分功能失去，就没有必要进行全心脏替换，而是用辅助装置代替。

①人工心脏起搏器。它是人工心脏辅助装置中研究得最成功、应用最多的一种。人的心脏就是一台泵，不停地工作，输出血液，维持全身血液循环。泵血是靠心房和心室的收缩实现的，如果心房和心室的协调性不好，或者心房不能向心室传导收缩信息，就会表现出心律不正常、心衰、骤停等症状。心脏起搏器的原理就是通过电流，以脉冲形式刺激心肌，使心脏按一定频率收缩。起搏器的主要组成是电池和电极，把这种起搏器埋藏在胸部肌肉、心肌或大静脉部位，由电极不断地发出脉冲电流，促使心脏有节律地收缩。起搏器有临时应急性的和永久使用的两种。起搏器最主要最关键的部分是电池，要求电池有最小的体积和最大的电量，有利于埋藏，并持续工作10年以上。现在最先进的电池是锂碘电池，临床使用已达数百万例。未来的心脏起搏器将是智能化的，且有计算机功能，根据遥测运算，调节心脏的运动，符合和满足人在不同情况下的需要。 

②人工心脏瓣膜。心脏瓣膜是心脏的闸门，心脏收缩时，关闭房室瓣膜，动脉瓣膜打开，血液被挤入动脉。心脏扩张时，动脉瓣膜关闭，不使血液倒流，房室瓣膜打开，血液从心房流入心室。这种闸门的作用，保证了血流始终按同一方向循环，不发生倒流，所以心脏瓣膜的作用非常重要。如果心脏瓣膜先天异常或者因疾病损坏，无论它们是“打不开”或“关不上”，都威胁生命，必须进行更换。人工心脏瓣膜分机械瓣膜和生物瓣膜两种，前者由金属材料和纤维、涤纶等做成，后者是利用人或动物的瓣膜，经处理后，用金属架固定。人工心脏瓣膜是人工器官中能完全代替自然瓣膜，而且临床应用比较普及的一种人造器件，患者能正常生活多年，瓣膜异常后，可再次更换。尽管如此，人工心脏瓣膜仍然存在难以解决的致命弱点。机械瓣膜的抗凝血性能不好，容易发生栓塞，患者需要终身服用抗凝药物。现在国内外的研究热点就是如何降低机械瓣的栓塞率问题。而生物瓣膜，虽然相容性好，不易栓塞，但是耐久性差和容易钙化是生物瓣膜的最大缺陷，这也是今后研究的重点课题。

人工心脏瓣膜

③完全人工心脏。完全人工心脏是机械心脏，应用时切除天然心脏，人工心脏代替天然心脏的全部功能。用聚氨酯材料做成囊状心室，驱动系统包括压缩装置、电源和空气。心室和驱动系统通过聚氨酯管连接，通过有规律的气体驱动，心室产生交替正压力和真空，从而有节律地收缩和舒张，驱动血液循环。完全人工心脏的研究还不太完善，到目前为止，只进行了为数不多的临床应用。短时间使用，等待天然心脏移植是可以的，还不能满足长期使用。尤其是制造人工心脏的高分子材料，要求具有高度的抗挠曲性，长期挠曲不产生疲劳裂痕。但是目前还没有如此优良的材料。最好的硅胶能维持一亿六千万次挠曲，聚醚型聚氨酯材料能维持一亿五千次挠曲，可是这也只相当于正常人4年的心跳总次数，所以仍是不太理想的材料。将来的发展方向是，包括能源和驱动控制系统在内的完全人工心脏实现小型化、植入化和长期化。

(3)人工肾

人的肾脏实际就是一个血液过滤器，人体的代谢废物全部由血液运输到肾脏，肾脏负责选择性吸收和过滤，维持血液中各组分的浓度不变，多余的尿素、肌酐和一些无机盐随尿液排出。如果肾脏因疾病受到损伤，就会导致肾功能衰竭和尿毒症，严重危及生命。现在我国的肾病年发病率为几十万，只依靠肾脏移植是远远不够的，更多的治疗是通过血液净化装置，排除血液中的代谢废物或毒物。

人工肾是人工器官中研究得最早而又最成熟的人工器官，已实现广泛应用。目前人工肾大致分为三类：透析型、过滤型和灌流型。

①透析型人工肾。透析作用是通过透析膜实现的。透析时血液从患者体内引出，从透析膜一侧流过。在膜的另一侧，有透析溶液环。由于膜两侧存在浓度差，血液中的溶质通过扩散透过透析膜，由此除去过量代谢物、无机盐和水等。透析过程中，血液的有用成分也会损失，需要同时补充。透析膜孔径的大小决定透析的效果。对于尿素、肌酐等小分子，透析的效率很高，而对于相对分子质量较大的物质，由于扩散慢或根本不能透过透析膜，所以，透析型人工肾适合于清除低相对分子质量物质，主要用于治疗尿毒症和肾衰竭患者。现在血液透析已经非常普及，有的可以在家中实施透析。患者只需像输液一样躺在床上，血液经动脉引出，经过透析装置(即人工肾)，再流回静脉。透析几个小时后，血液恢复正常，患者即可像正常人一样生活和工作，不需外科手术，没有痛苦。若干时间后，如果患者血液中尿素、肌酐等浓度再次升高，就需要再次透析。

②过滤型人工肾。血液经过高分子膜的过滤作用，可以除去其中的低相对分子质量和中相对分子质量的代谢物以及电解质和水等。过滤型人工肾的优点是对中相对分子质量物质的消除效率很好。但是，过滤会造成更多的血液有用成分流失，需要补充大量的置换液。

③灌流型人工肾。这种人工肾利用吸附剂的吸附作用，清除血液中的代谢物及毒物。主要适合于治疗药物中毒，如安眠药和农药中毒，以及类风湿关节炎、系统性红斑狼疮等免疫性疾病。

人工肾的研究经历了四个时代的发展。第一代人工肾是超大型，需要占用一间屋子。第二代人工肾有写字台大小，可以放在病床旁边。第三代人工肾为携带式。第四代为植入型人工肾。携带式和植入型人工肾的研究现在还没有完全成熟，而后者代表了人工肾的研究方向。

(4)人工肝

肝脏是一个特别复杂的器官，按现在的科学水平，要研制一个长期使用的完全的人工肝是不可能的，所以通常把人工肝称为人工肝辅助装置，只是暂时的完成肝脏的部分功能。肝脏的特别之处是它的再生能力很强，肝脏因病变切除大部分，剩下的几分之一体积，仍然能够在2个～3个月内，长成原来大小的肝脏。所以人工肝的作用只是暂时替代，等待肝脏再生或者肝脏移植。

形象地讲，肝脏就是一个化工厂，肝脏内部发生许多化学反应，完成物质的合成、分解、转化，把有毒物质分解为无毒物质，达到解毒目的。一旦因为疾病或其他原因，造成肝脏损伤，影响了这个“化工厂”的正常运行，使得大量的毒物不能分解，需要的物质不能合成，而毒物的积累进一步抑制了受损肝脏的再生，导致肝衰竭和肝昏迷。所以，利用人工肝清除毒物，为肝脏解围，有助于肝脏的再生恢复。

人工肝基本上分为两大类：非生物型人工肝和生物型人工肝。

①非生物型人工肝。这类人工肝与人工肾相同，实际上就是血液净化装置。通过血液净化，消除导致肝衰和肝昏迷的毒性物质，帮助患者渡过危险期，等待肝再生或肝移植。非生物型人工肝采用的方法有以下几种。

(a)依靠活性炭或吸附树脂通过血液灌流方式吸附清除。

(b)通过血液透析和超滤，使用合适的分离膜除去中分子物质。

(c)通过血浆交换方式，用健康的血浆替代病人血浆。以上几种方法都已取得了很好的临床治疗效果。

②生物型人工肝。生物型人工肝就是利用人或动物的天然肝脏，在体外与人的动脉、静脉相连进行血液灌流。经研究发现，只有狒狒的肝脏与人的生物相容性好，有一定治疗效果。但是，肝脏来源受到限制。

新一代生物型人工肝是现在研究的热点。基本原理是从动物的肝脏上分离出肝细胞，然后把细胞包膜在微囊中，进行血液灌流。包膜的肝细胞仍具有活性，能发挥代谢功能，由于膜的屏蔽作用，没有排斥反应。另一种方式是，将肝细胞种植在高分子载体材料(如中空纤维主纲管)上，在一定条件下进行高密度培养，成为肝细胞固定化反应器。实验证明，这种人工肝不仅能够转化和清除体内的有毒代谢产物，而且能合成血浆蛋白及凝血因子，参与新陈代谢。它是目前很有应用希望的一种人工肝。

(5)人工胰

糖尿病是一种常见病，发病率很高，我国的发病享约为1％，是一种很难治愈的疾病，死亡率仅次于血心管疾病和癌症，居第三位。经研究发现，是因为胰腺发生病变，不能释放胰岛素，导致血液中葡萄糖含量增高，表现为糖尿病。服用或注射胰岛素，就可以降低血糖。胰岛素药物疗法一直到现在还是治疗糖尿病的主要方法。但是，这种疗法有它的不足之处。由于用药量不能严格按照生理需要给药，药量小，疗效不好，用药过量，则会导致严重的低血糖，同样危及生命。而且，容易引起并发症，导致死亡。

采用胰脏移植是可行的，但是存在排斥反应、器官来源等问题的限制，不能实现普及应用。
机械式人工胰就是模拟天然胰脏，由传感器系统随时测知血糖含量，把信息传给控制系统——计算机，经计算后，向胰岛素注射系统发出命令，根据生理需要，释放需要量的胰岛素。所以，人工胰由三部分构成，即：传感器系统、控制系统和胰岛素释放系统。而开路人工胰没有传感器，剂量与速度需人工调节，或者根据预先设置的程序释放胰岛素。人工胰的研究经历了从大型到小型，从体外型到植入型的发展过程。目前体外型人工胰已用于临床，对糖尿病患者手术、分娩和糖尿病昏迷有急救治疗作用。但是由于体积大，使用不方便，难以推广。植入型人工胰无疑是最先进、最有前途的。但是由于微型传感器和能源的安全性、耐久性以及控制等存在难以解决的技术问题，现在仍在研究阶段，目前只有大型人工胰实现了应用。

以上是机械式人工胰。另外一种混合型(半生物)人工胰，是利用活性胰腺细胞对血糖的敏感反应和自动释放胰岛素的功能，从动物胰脏中分离出胰腺细胞，然后用海藻酸钠进行包囊，制成l0～100μm大小的微囊并植入体内。由于高分子膜有一定的通透性，允许血糖、胰岛素和各种营养物质自由通过，但是抗体、蛋白质等大分子物质不能通过，所以也没有排斥反应。

这种混合型人工胰是现在研究的热点，也是今后人工胰的发展方向，目前还处于动物实验阶段。如果能找到最佳的高分子材料，彻底解决生物相容性、排斥性和抗凝血性，则是非常有希望的。

(6)人工肺

肺是人的呼吸器官，吸进的氧气通过肺部毛细血管壁进入血液，而血液中的二氧化碳则由毛细血管壁进入肺泡，由口腔呼出。所以肺是氧和二氧化碳的交换器。人工肺就是根据这种原理设计的。人工肺基本上有以下两种类型。

第一种是血液与氧气直接接触型。血液流入人工肺，通过鼓泡和转动等方式，使血液与氧气充分接触，达到充分氧饱和，并交换二氧化碳，然后经过氧饱和的血液再流入人体。另一种类型的人工肺，血液与氧气不接触，而是通过半透膜相互交换，这与肺部毛细血管壁的作用是相同的。这两类人工肺都已经成功地应用于临床。目前使用较多的是第一类鼓泡式人工肺。因为它方便、廉价和一次性使用。不足之处是，由于血液与气体接触，不仅对血液成分有一定破坏，也容易产生栓塞。所以，逐渐被第二类即中空纤维型膜式人工肺所代替。

新一代的人工肺是植入型人工肺，现在仍处于研究的初期。这类人工肺是用硅橡胶、聚四氟乙烯等高分子材料的毛细管，制成不同几何形状的人工肺。人工肺植入人体后，为了更好地完成气体交换，需要一台血泵作为驱动力。但是血泵和电源等装置的植入，必然给应用带来困难，也会产生一些副作用。所以科学家们尝试依靠心脏作为动力，这又会增加心脏的负担。1975年进行动物犬实验，2h后，实验犬全部因心脏衰竭和心肌损害而死。1977年经改进人工肺的毛细管结构和几何形状，大大降低了血液流过人工肺的阻力，减轻了心脏负扭，动物实验结果为，实验犬存活8天以上。

这类人工肺无疑是最有希望的，但目前还处于研究阶段，需要解决材料的凝血、栓塞以及血液阻力、流动均匀、血气交换性能等问题，还有赖于临床专家、高分子化学家及气体传质工程专家的共同努力。相信不久的将来，植入型人工肺必然获得成功。

(7)人工皮肤

皮肤是人体与外界的一道屏障，非常好地保护了人体组织和器官不受外界细菌的侵害，同时有很好的通透性，控制水分挥发，维持体温，并且帮助人体排出代谢废物。人体一旦因烧伤、烫伤或皮肤溃烂造成皮肤大面积受损，失去了保护屏障，极易受到细菌侵害，即使把患者保护在严格无菌的环境中，也难免造成感染、炎症和败血症等，严重危及生命。所以，当皮肤大面积受损时，必须进行植皮手术，而天然皮肤的移植同样受到来源和排斥性的限制。所以人工皮肤是治疗这类患者的主要手段。

早期的人工皮肤，是利用硅橡胶或聚氨酯等高分子膜，贴在伤处，只起到屏障作用。这类膜材料有一定的通透性，允许水分、无机盐和气体通过，而细菌不能侵入。所以能够暂时起到保护作用，等待自身皮肤的生长或天然皮肤移植。这类人工皮肤没有促进皮肤生长和伤口愈合的功能。后来发展的胶原膜和甲壳素膜，不仅有保护功能，而且还有促进组织生长的功能，生物相容性好，感觉上也舒服。

新一代的人工皮肤是一种杂化人工皮肤。在一定环境条件下，使人或动物的皮肤细胞，在高分子膜材料表面生长繁殖，形成一个皮肤细胞层。应用时，把这种人工皮肤覆盖在伤处，使细胞层接触伤口，细胞层便很快与伤口结合，能快速生出皮肤。据报道，瑞士科学家采用计算机控制培养器，把人体表皮细胞放在培养液中，每次培养出0.4m²的人工皮肤，已经治疗了几十名烧伤病人，效果很好，而且预计这种方法能用于美容手术。

(8)人工假肢

假肢是帮助残疾人恢复自理生活能力和劳动能力的人工器官，古代的残疾人就懂得使用简单的假腿和假手，帮助行走并遮掩残疾。最初的假肢多为木材制作，后来发展为金属、轻型铝合金等。而近代高分子材料的发展，为假肢提供了优良的材料。随着电子工业和机械制造工业的发展，假肢的品种和类型越来越多，设计水平不断提高。最令人鼓舞的是假肢由原来的机械牵引型发展成为现在的肌电假肢。

要想理解肌电假肢的原理，首先需要知道人的动作是怎样产生的。人的大脑是中枢控制系统，如果想要身体做某个动作，大脑就会通过脊髓和神经系统，向有关部位的肌肉发出指令，这种指令是一种生物电脉冲，促使某块肌肉收缩，产生相应的动作。

科学家们受此启发，认识到在这过程中，大脑的意志通过神经和肌肉的传导，变成了具体的动作，如果能够把肌肉与假肢在电信号传导上连接起来，人的大脑就可以支配假肢了。具体的讲，就是利用残肢上残端的肌肉。例如假手，在腕部截肢，如果大脑要求手动作，它会发出指令，经过脊髓、神经、肌肉等传导，到达腕部。由于没有手，信号也就到腕部为止了。但是大脑的指令必然引起腕部肌肉的收缩，这种收缩可以人为地变成一种电信号，而这种信号经过电路系统的接收、放大和转换，可以用来控制假手的动作。同时假手上安装传感器，它产生的信号可以反馈给大脑，由大脑调整假手动作。

由此可见，肌电假肢的研究既复杂、有趣，又很有意义。肌电假肢的研究，最初开始于20世纪50年代，目前临床应用的假手还只能完成简单的几个动作，如端水杯、拿刀又、捏笔等。人手的运动有许多种，且非常灵活协调。它是由大量肌肉群协调工作，通过复杂的控制过程产生的。所以要使假肢达到真手的水平是不太可能的。

对于假肢的控制，除了采用肌电信号，还有人研制用声音信号控制假肢的运动。总之，随着科学的发展和对人体运动、控制过程的认识的深入，假手的功能将越来越接近于真正的手。

(9)人工血液

血液的生理功能主要是运输氧和营养物质，帮助清除二氧化碳和代谢产物。血液成分很复杂，它还具有其他方面的生理功能。随着外科手术的进步，对血液的需求量越来越大。而血液来源越发不足，而且输血时要严格核对血型，稀有血型患者常常因为找不到合适的血液，而影响治疗。此外由于输血感染疾病的情况时有发生。

人工血液的研究经历了近50年的历史。最初科学家们合成血红蛋白的类似物，即钴和铁的络合物，由于稳定性差和载氧能力低而放弃。后来使用纯化的血红蛋白溶液。但是很快被肾排出，体内存留时间太短。而包囊红血球，由于材料和技术的原因，未能解决排斥反应，载氧能力也不好。直到20世纪60～70年代人类合成了全氟碳化合物，人工血液的研究才获得了重大突破。

在全氟碳化合物中加入聚氧乙烯、聚氧丙烯等，经超声波乳化成粒径小于或等于0.1μm的乳液，即成为人工血液。这种人工血液的载氧机理不是结合氧，而是对氧的溶解度大，约为水中氧的20倍。氧分压越大，对氧的溶解度成正比增加。所以临床应用时，患者吸入纯氧，才能保证最大限度地为体内器官和组织输送足够的氧气。全氟碳人工血液自1979年开始应用于临床，大量的临床数据表明它是一种安全有效的人工血液。近年来，随着人工血液的发展，新的氟碳化物不断面世，这类人工血液的性能也不断提高。全氟碳人工血液的不足之处是不易降解，代谢困难，而且稳定性不好，即使冷冻也不宜长期保存。应用时，患者需要呼入纯氧，等等，给临床应用带来了困难。

目前，以修饰血红蛋白作为人工血液的研究，吸引了越来越多的科学工作者。基本方法是，对纯化的血红蛋白进行聚合和化学修饰，然后把它连到多糖类的大分子上。化学修饰的目的是提高血红蛋白的载氧和释放氧的能力，与大分子相连的结果，增大了血红蛋白的相对分子质量，不易被肾排出，可以长期稳定地循环。这方面的研究已开始进入临床实验阶段，可以预见，这种人工血液因为比全氟碳人工血液更接近人血，更有发展前景。到目前为止，我国还未系统开展这方面的研究工作。至少是还没有公开报道。

除了以上几种人工器官，还有人工血管、人工关节、人工肌腱、人工喉、人工耳、人工眼、人工食管、人工膀胱等，都已经成功地应用于临床治疗，并且不断的成熟和完善，在此不再一一叙述。总之，人工器官不单是医学上的研究成果，而是现代先进的科学技术在医学上的综合反映和创作结晶，它涉及生物、化学、物理、数学、计算机、材料、工程技术、医学、临床等多种学科的尖端技术，是生命科学领域中一项最有挑战性、最有意义的巨大工程。与人的天然器官相比，现在人工器官的研究还处于开始阶段，任重道远，未来的发展寄希望于一代一代科学家们的不懈努力。在科学的发展史上，任何一个发明创造，都是源于想像，并依靠当时的科学技术和科学家的智慧，经过艰苦努力而取得的。人工器官的研究也是一样，除非想像力到了头，否则人工器官的研究是无止境的。有朝一日，人工器官能与天然器官相比时，人的寿命也就难以想像了。科学家预测，21世纪生物医学材料和人工器官将在功能和质量方面取得新的突破，这将是造福人类千秋万代的重大贡献。