第八章 人工器官中应用的高分子材料(上)

受此泵的启迪，1957年 Kolff和Akutsu研制了人工 心脏进行动物移植实验，存 活15小时，开创了人工心脏 的研究历史。
1958年日本渥美和彦、德 国 Bucherl以 及 美 国Nose 等 相继设立了专门的研究中心， 开展了各种类型人工心脏的研 究，进行了小牛、羊、狗等多 种动物的人工心脏实验。
二、膜式人工肺的材料 １.无孔薄膜 ２.微孔薄膜 ３.复合膜
三、膜式人工肺的类型 １.平板型 ２.管型 ３.液膜型 ４.透析型
为解决这些问题虽采用过深 冷、抗菌素漂洗、环氧乙烷、 甲醛、γ射线、β－丙内酯处 理等，但效果甚差，直到采用 甘油浸泡和戍二醛处理，才大 大地提高了生物膜的强度。
材料必须新鲜，要求在屠杀 后一小时内取出。保持清洁并 置于生理盐水中，解剖处理清 除脂肪及其他杂物。再将生物 组织用Hank’ｓ液浸泡、漂洗， 从而清除组织内绝大部分可溶 性蛋白，以减少生物瓣在人体 内的抗原性。
前者器官来源困难，再则移植 器官的器官保存、免疫、排斥 反应等诸多问题尚未解决，同 时移植前和短时替代也需要人 工器官。
本章围绕人工器官及其使用的 高分子材料为中心，作一概要 介绍。
第一节 人工心脏与人工心脏瓣膜 (Artificial heart valves
and Artificial heart)
1982年 美 国 犹 太 大 学 医 学 中心Devries首次为61岁患严 重心脏衰竭的克拉克先生成功 地进行了人工心脏移植。靠这 颗重300克的jarvik—7型人工 心脏，他生活了112天，成为 世界医学史上的一个重要的里 程碑。
目前，世界上已进行了数 例全人工心脏的临床，但人工 心脏处在以动物实验为主的研 究阶段。
１.机械瓣 从机械瓣发展历史看，最早 使用的是笼架—球瓣，其基本 结构在一金属笼架内有一球型 阻塞体（阀体）。当心肌舒张 时阀体下降，瓣口开放血液可 从心房流入心室，心脏收缩阀 体上升阻塞瓣口，血液不能返 流回心房，而通过主动脉瓣流 入主动脉至体循环。
笼架——球瓣有好几种球型式， 但由于置换手术后常出现心律 失常，特别是心室失常，其原 因主要是由于笼架在心室内占 一定的体积，心脏收缩时，心 肌接触笼架后就易产生期前收 缩。之后发展了碟瓣。
临床应用的Jaivik-7型以 及国外主要的研究小组(表7１)，仍以聚氨酯材料 Biomer,Pellethane和 Avcothane为主。有必要强 调一点聚氨酯长期植入后血液 中钙沉积易引起泵体损伤的问 题尚未得到彻底的使心脏血 液单向流动而不返流，具有人 体心脏瓣膜功能的人工器官。 主要用于心脏瓣膜病变，不能 通过简单的手术或治疗恢复和 改善瓣膜功能的患者，用人工 心脏瓣膜替代病损瓣膜。人工 心脏瓣膜目前主要有二类：生 物瓣和机械瓣。
（１）生物瓣的材料 生物瓣的支架通常采用金属 合金或塑料支架，外层包绕涤 纶编织物。生物材料主要用作 瓣叶。材料来源可分为六类， 各种生物瓣的体型和机械瓣一 样有一个缝合环以固定在患者 的瓣环上。
（２）生物瓣材料的处理 由于长期植入体内并在血液 中承受一定的压力，生物瓣材 料会发生组织退化、变性与磨 损。生物瓣材料中的蛋白成分 也会在体内引起免疫排异反应， 从而降低材料的强度。
1973年后由于加强了人工 心脏基础理论研究和材料方面 的研究。人工心脏实验动物 存活期显著延长，1980年渥 美和彦试验山羊存活期232天、 288 天 ， 他 创 造 了 最 长 成活期超过了350天，与此同 时，人工心脏的研究进入临床。
1969年美国Cooley首次将 全人工心脏用于临床，为一名 心肌梗塞并发室壁痛患者移植 了人工心脏，以等待供体进行 心脏移植。虽因合并症死亡， 但这是利用全人工心脏维持循 环的世界上第一个病例。
人工器官中应用的高分子材料 (polymer materials’ application in artificial organs)
当人体的器官因病患不能康复 行使功能时，近代医学提供了 二种可能恢复功能的途径： 一种是进行同种异体的器官移 植，另一种用人工器官置换或 替代病损器官，补偿其全部或 部分功能。
一、人工心脏
人工心脏是推动血液循环完 全替代或部分替代人体心脏功 能的机械心脏。在人体心脏因 疾患而严重衰竭时，植入人工 心脏暂时辅助或永久替代人体 心脏的功能，推动血液循环。
从广义和泵功能来考虑，人 工心脏的研究应追溯到1953 年 Gibbons 将 体 外 循 环 应 用 临床。心肺机利用滚动泵挤压 泵管将血液泵出，犹如人的心 脏搏血功能，行体外循环。
人工心脏为全人工心脏（ＴＡ Ｈ）和辅助人工心脏两种，前者 替代心脏全部功能，后者主要替 代心室部分功能。因此，辅助人 工心脏又称心室辅助装置。辅助 左心室功能的称左心室辅助装置 （ＬＶＡＤ），辅助右心室功能 的则称为右心室辅助装置（ＲＶ ＡＤ），辅助双心室功能的称谓 双心室辅助装置（ＢＶＡＤ）。
全人工心脏还是辅助人工心 脏，就它们的主要部件而言， 都可分为四个部分，血泵则是 整个系统的关系之一 。
（２）金属瓣架 它由金属低环及支柱组成， 底环系血液流入口，外侧有环 形凹槽以固定缝合环。金属架 大多采用钛合金和超硬金属， 用得最多的是超硬金属 Stellite。
（３）阻塞体 阻塞体又称阀体，它是控 制瓣膜关闭的关键部件，不同 类型的人工瓣膜，阻塞体的形 式不尽相同。
阻塞体的尺寸目前有二种设 计方式，一种是阻塞体外径大 于金属环内径，另一种是小于 金属环内径，这二种设计各有 利弊。由于倾斜瓣的大量使用， 后一种设计更臻完善 。
二十多年的努力，生物瓣虽 临床得到应用，但在流体力学、 瓣功能持久性及生物相容性 方面仍达不到人的心瓣膜的标 准。
①具有近似人体心瓣的流体 力学性能，即瓣口开放阻力最 小，瓣口两侧无压力差。 ②使用寿命长，瓣材料和它 的化学和物理性能长期稳定不 变。
③与人体有良好的相容性， 无致血栓作用，无异物反应， 不破坏血液成份，不引起免疫 学的排异反应，瓣活动无噪音， 不影响病人正常生活 。 ④便于外科原位置换，易于 制造，价格适宜，便于推广应 用。
此外，使用中还发现阻塞体 卡在笼架的对角位造成患者因 急性闭锁不全而突然死亡。因 此，此类机械瓣未被广泛采用。
后来在此基础上又发展了倾 斜蝶瓣。阀体仍为蝶型，但它 由圆形瓣环内交链结构将其悬 夹于瓣环内流入面呈凸形，流 出面呈凹形。
植入后，当心室舒张时碟 片开放金属丝钩住碟片凹面边 缘，使碟片倾斜６０度—８０ 度，血液从碟片两侧流过，形 成一个大孔和一个小孔，尽管 阻塞体仍在中央，由于碟片倾 斜６０～８０度，故血流大部 分从瓣中心流过，又称为半中 心血流型。
阻塞体的材料曾采用过硅橡 胶（主要用于笼架球型瓣）， Deline(用于BjorkＳhiley 型瓣），聚四氟乙烯（Ｂeall 瓣）和各向同性碳等。目前广 泛应用的是各向同性碳。
２.生物瓣 全部或部分使用生物组织， 经特殊处理而制成的人工心脏 瓣膜称为生物瓣。
由于６０年代的机械瓣存 在诸如血流不畅，易形成血栓 等缺点，探索生物瓣的工作得 到发展。目前根据取材来源不 同，生物瓣可分为自体、同种 异体、异体三类。
血泵的好坏与使用时间长短 除与血泵的血流动力学与结构 设计有关久，主要和血泵材料 的种类和性能有关。
虽然文献报道的血泵材料有 加成型硅橡胶、甲基硅橡酸、 嵌段硅橡胶、聚氨酯、聚醚氨 酯、聚四氟乙烯织物、聚酯织 物复合物、聚烯羟橡胶、生物 高分子材料以及高分子复合材 料，但上述各种材料相比聚氨 酯具有更卓越的性能 。
较多的最新的瓣是双叶瓣， 其基本结构是圆形瓣环内，两 个半圆形瓣环内，两个半圆形 的蝶片以轴的形式固定在底环 上，尤如两扇门一样可以自由 开关，开放角度可达８７°。 属中心血流型。
机械瓣虽然类繁多，但基本 结构相同，由缝合环、金属瓣 架和阻塞体三部分组成。
（１）缝合环 此为人工瓣膜固定于患者心 脏瓣环的部分，因需用缝线固 定，均采用针织材料。常用的 材料有聚四氟乙烯、聚酯、聚 丙烯，近期有采用碳纤维的。 织物要求有一定的松紧性和厚 度，便于缝合后和瓣环贴紧。
血泵有多种形式，从结构原 理上可分为膜式血泵、囊式血 泵、管型血泵、摆形血泵、螺 形血泵五种。由于后三类血泵 血流动力学效果不好，现已很 少使用。
膜式和囊式血泵的基本构造 系由血流入道、血液流出道、 人工心脏瓣膜、血泵外壳和内 含弹性驱动膜或高分子弹性体 制成的弹性内囊组成。在气动、 液动、电磁或机械力的驱动下 促使血泵的收缩与舒张，由驱 动装置及监控系统调节心律、 驱动压、吸引压收缩张期比。
碟瓣工作原理同笼架——球 瓣相同，只是阀体为碟型，瓣 架变低，支柱有三根，亦有四 根的，架有开放式的，亦有封 闭式的。
由于碟瓣和笼架——球瓣属周 围血流型，即血液必须绕过阻 塞体，从其周边通过，因此 血流阻力和跨瓣压差大，易产 生涡流，造成血栓形成，溶血 多。碟片强度不好还会造成变 形磨损等情况。
然后用０.４～０．６５％ 戊二醛溶液浸泡，使赖氨酸和 羟赖氨酸残余的氨基之间以化 学键的方式交联。
目前，生物瓣的手术死亡率 及近期效果与其他型机械瓣并 无显著差异。
第二节 人工肺 (Artificial lung)
一、人工肺的类型 １.静立垂屏式人工肺 ２.转碟式人工肺 ３.鼓泡式人工肺 ４.膜式人工肺